Pourquoi le mercure est-il liquide ?

Cher Monsieur Thurnherr,

Dans ma réponse, je m'appuie sur un article un peu ancien tiré du Journal for Chemical Education de 1991. Je vais d'abord vous donner une réponse générale, puis une réponse plus spécifique, car je constate que vous avez une formation en physique.

Réponse générale

Le mercure est liquide à température ambiante, car les atomes de mercure ne sont pas fortement liés entre eux et ne forment donc pas de liaisons métalliques solides. Cela signifie qu’il faut refroidir le mercure à une température plus basse pour obtenir un métal solide – plus précisément : en dessous de son point de fusion, qui est de -39 °C.

Le fait qu’une substance soit solide, liquide ou gazeuse dépend de la température. Plus la température est élevée, plus les atomes ou les molécules se déplacent rapidement et moins le matériau est ordonné. La valeur du point de fusion (passage de l'état solide à l'état liquide) et du point d'ébullition (passage de l'état liquide à l'état gazeux) dépend de la force d'attraction entre les différents atomes ou molécules. Si cette attraction est forte, les points de fusion et d’ébullition sont élevés. Si elle est faible, ces points sont bas.

Tous les métaux possèdent des liaisons métalliques entre leurs atomes, grâce auxquelles ceux-ci se partagent des électrons. Le mercure n'aime pas partager ses électrons. C'est pourquoi la liaison métallique est faible et son point de fusion si bas. Le mercure se comporte presque un peu comme les gaz nobles : le néon, l'argon, le xénon, etc.

Réponse spécifique

La raison de la faible liaison métallique du mercure réside dans ce qu’on appelle la configuration électronique. En comparant l’or (Au) et le mercure (Hg), cela apparaît clairement : Ces deux métaux sont voisins, mais se comportent de manière très différente.

Configuration électronique :

• Mercure (Hg) : [Xe] 4f14 5d10 6s2
• Or (Au) : [Xe] 4f14 5d10 6s1

Le mercure possède une couche 6s entièrement remplie (soit 1 électron de plus que l’or). En résumé, cela a trois conséquences :

1. Contraction des lanthanides : les électrons situés dans les orbitales f protègent moins bien de la charge positive du noyau que les électrons situés dans d’autres orbitales. Cela signifie que les autres électrons sont plus fortement attirés vers le noyau, ce qui provoque un rétrécissement de l’atome. Un atome plus petit, dont les électrons sont plus fortement liés, est moins enclin à partager ces électrons ; l’attraction entre les atomes de mercure s’en trouve donc réduite.
2. Effets relativistes : selon la théorie de la relativité d'Einstein, la masse d'un objet en mouvement augmente avec sa vitesse. Plus un atome est grand, plus les électrons des couches externes sont éloignés du noyau et plus leur vitesse est élevée. Cela augmente la masse effective de ces électrons, ce qui entraîne à son tour une réduction de la taille de l’atome. En conséquence, le mercure est beaucoup plus petit et retient ses électrons plus fermement, ce qui diminue l’attraction entre deux atomes de mercure.
3. Orbite 6s pleine : comme l’orbite 6s est entièrement remplie (les électrons sont appariés), l’atome de mercure n’a guère de raison de partager ces électrons. C’est également pour cette raison que l’attraction entre les atomes de mercure est réduite.

En conséquence, le mercure est principalement maintenu ensemble par des forces de Van der Waals, qui sont faibles. C’est pourquoi le point de fusion du mercure est si bas et pourquoi le mercure est liquide à température ambiante.

Cordialement, en espérant avoir apporté une réponse plus complète,

Michael Lerch

www.lerchlab.com

Référence bibliographique :

• Norrby, Lars J. 1991. « Why is mercury liquid? Or, why do relativistic effects not get into chemistry textbooks? ». Journal of Chemical Education 68(2) : 110. En ligne.