درجة غليان الزئبق وخصائصه

درجة غليان الزئبق

الزئبق، هذا المعدن الفريد من نوعه، يتميز بخواص فيزيائية وكيميائية استثنائية تجعله محط اهتمام العلماء والمهندسين منذ قرون. ومن أبرز تلك الخواص هي درجة غليانه المنخفضة نسبيًا مقارنةً ببقية المعادن. إن معرفة درجة غليان الزئبق لا تقتصر فقط على مجرد قيمة عددية، بل تنطوي على مجموعة من المفاهيم العلمية العميقة التي تتعلق بالبنية الذرية للمادة، والروابط بين الذرات، وتأثير الضغط ودرجة الحرارة، وأهمية الزئبق في مجالات متعددة مثل الفيزياء النووية، والصناعات الدقيقة، وأجهزة القياس. في هذا المقال، سيتم التطرق بشكل شامل إلى موضوع درجة غليان الزئبق، موضحين خصائصه الحرارية والبنيوية، واستخداماته الصناعية، وتأثير هذه الخاصية على تطبيقاته في الحياة العملية والعلمية.

الزئبق: نظرة عامة على العنصر

الزئبق (رمزه الكيميائي Hg) هو عنصر فلزي ثقيل ينتمي إلى مجموعة العناصر الانتقالية في الجدول الدوري. يمتلك العدد الذري 80، ويتميز بكونه المعدن الوحيد الذي يوجد في الحالة السائلة عند درجة حرارة الغرفة. هذا السلوك الفريد جعله محلّ اهتمام واسع في مجالات مختلفة، من الطب والصناعة إلى البحث العلمي. يتميز الزئبق بلونه الفضي اللامع وكثافته العالية (13.534 غرام/سم³ عند 20°C)، وانخفاض درجة تجمده، وارتفاع توتر سطحه.

الزئبق لا يتفاعل بسهولة مع معظم المواد، ولكنه يتفاعل مع بعض الأحماض المؤكسدة مثل حمض النيتريك. كما أن له القدرة على تكوين مركبات مع الهالوجينات والكبريت، وهو سام بطبيعته، حيث أن مركباته العضوية تعتبر من أشد أنواع السموم العصبية تأثيرًا على الإنسان والبيئة.

الخصائص الفيزيائية للزئبق

لفهم درجة غليان الزئبق، من الضروري أولاً التعرف على خصائصه الفيزيائية، والتي تشمل الكثافة، ودرجة الانصهار، ودرجة الغليان، والموصلية الكهربائية، والتوتر السطحي، والضغط البخاري، والحرارة النوعية.

درجة غليان الزئبق البالغة 356.73 درجة مئوية عند الضغط الجوي القياسي (1 atm) تعتبر منخفضة بشكل غير معتاد مقارنة ببقية المعادن. فعلى سبيل المثال، الحديد يغلي عند حوالي 2862°C، والنحاس عند 2562°C، مما يجعل الزئبق حالة شاذة بين المعادن.

تفسير انخفاض درجة غليان الزئبق

لفهم سبب انخفاض درجة غليان الزئبق، يجب التطرق إلى التركيب الذري له. تحتوي ذرة الزئبق على 80 إلكترونًا موزعة في عدة مستويات طاقة، تنتهي بتوزيع 5d¹⁰ 6s². الإلكترونان في المدار 6s يكونان مشبعين ومستقرين جدًا بسبب ظاهرة تُعرف باسم الانكماش النسبي (Relativistic Contraction)، وهي تأثير ميكانيكا الكم الذي يظهر في الذرات الثقيلة نتيجة السرعات النسبية العالية للإلكترونات الداخلية.

هذا الانكماش يؤدي إلى زيادة الترابط بين الإلكترونات والنواة، ما يجعل الإلكترونات أقل قابلية للمشاركة في الروابط المعدنية. وكنتيجة لذلك، تكون الروابط بين ذرات الزئبق في الحالة الصلبة أو السائلة ضعيفة نسبيًا، وبالتالي، تتطلب طاقة أقل لفصل الذرات وتحويل الزئبق من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، ما يفسر انخفاض درجة غليانه.

الزئبق في الطور السائل والبخاري

عند تسخين الزئبق، يبدأ بالتمدد كأي سائل آخر. وعند الوصول إلى درجة غليانه، تبدأ جزيئاته في اكتساب طاقة كافية للتغلب على قوى التجاذب بين الذرات، وتنتقل إلى الحالة الغازية. البخار الناتج من الزئبق عند الغليان يتكون من ذرات زئبق مفردة (Hg)، ويتميز بخواصه السامة للغاية، حيث يمكن أن يؤدي استنشاقه إلى مشاكل صحية خطيرة.

الزئبق يتميز أيضًا بضغط بخاره المرتفع نسبيًا عند درجات حرارة منخفضة مقارنة بالمعادن الأخرى، وهو ما يسمح بتبخره حتى عند درجات حرارة معتدلة. لهذا السبب، يتطلب التعامل مع الزئبق في المختبرات ومواقع العمل اتخاذ إجراءات أمان صارمة لمنع استنشاق أبخرته.

التطبيقات العملية المرتبطة بدرجة غليان الزئبق

إن معرفة درجة غليان الزئبق ليست مجرد قيمة أكاديمية، بل لها تطبيقات عملية عديدة، نذكر منها:

1. موازين الحرارة والضغط

اعتمد استخدام الزئبق في موازين الحرارة (الثرمومترات) ومقاييس الضغط (البارومترات) لعقود طويلة، خصوصًا قبل اكتشاف المواد البديلة. ويرجع هذا إلى اتساع مدى درجات الحرارة التي يبقى فيها الزئبق في الحالة السائلة (من -38.83°C إلى 356.73°C)، مما يجعله مثاليًا لقياس درجات حرارة مرتفعة نسبيًا.

2. المفاعلات النووية

يستخدم الزئبق في بعض أنواع المفاعلات النووية كمبرد، خصوصًا عند الرغبة في استخدام سائل لا يغلي بسهولة ضمن ظروف التشغيل. ومع ذلك، فإن درجة غليانه المنخفضة مقارنة بالمعادن الأخرى تحد من استخدامه في بعض التطبيقات النووية التي تتطلب درجات حرارة عالية جدًا.

3. المصابيح الفلورية

يُستخدم بخار الزئبق في المصابيح الفلورية (fluorescent lamps)، حيث يتم إشعاع بخار الزئبق بالكهرباء، مما يؤدي إلى إصدار الأشعة فوق البنفسجية، التي تتحول إلى ضوء مرئي عند اصطدامها بطبقة الفوسفور داخل الأنبوب.

4. المحركات الأيونية في الفضاء

في بدايات برامج الفضاء، استُخدم الزئبق كوقود لمحركات الدفع الأيوني، إذ يسهل تحويله إلى بلازما بفعل درجة غليانه المنخفضة نسبيًا، ويساهم في توفير الدفع اللازم للأقمار الصناعية في الفضاء الخارجي.

تأثير الضغط على درجة غليان الزئبق

كغيره من السوائل، تتأثر درجة غليان الزئبق بتغير الضغط الخارجي. عند خفض الضغط، تقل درجة الغليان، والعكس صحيح. وهذا العامل يُستخدم في تصميم بعض الأجهزة المخبرية والصناعية التي تعتمد على التبخير أو التكثيف تحت ضغوط غير اعتيادية. على سبيل المثال، في أنظمة التبريد أو التجفيف بالتفريغ، يمكن استخدام هذه الخاصية لتحسين الكفاءة الحرارية.

الاعتبارات البيئية والصحية

نظراً لسميته العالية، فإن غليان الزئبق يتطلب بيئة محكمة لمنع تسرب الأبخرة السامة إلى الهواء. فالتعرض المزمن لأبخرة الزئبق يمكن أن يؤدي إلى تلف الجهاز العصبي المركزي، وضعف في الذاكرة، واضطرابات في الحركة. ولذلك، فإن استخدام الزئبق في الأجهزة الاستهلاكية قد تراجع في العقود الأخيرة، لصالح مواد أقل سمية وأكثر أمانًا.

مقارنات مع درجات غليان عناصر أخرى

فيما يلي جدول يقارن بين درجة غليان الزئبق وبعض العناصر الشائعة الأخرى:

يتضح من هذا الجدول أن درجة غليان الزئبق منخفضة جدًا مقارنة ببقية المعادن، لكنها أعلى من السوائل مثل الماء، وهو ما يجعل الزئبق من أغرب العناصر من حيث الحالة الفيزيائية عند درجات الحرارة العادية.

استخدامات خاصة تستغل درجة الغليان المنخفضة

إن درجة غليان الزئبق جعلته مناسبًا أيضًا لبعض التجارب في فيزياء الكم والديناميكا الحرارية، حيث تُستخدم خصائصه لتوضيح انتقالات الطور، وسلوك الأبخرة المعدنية، وكذلك في دراسات الضغط البخاري للمواد. إضافة إلى ذلك، فإن بخار الزئبق يدخل في تكوين بعض أنواع الليزرات المعتمدة على بخار المعادن، وهي مستخدمة في الطباعة الضوئية الدقيقة وفي بعض تطبيقات التحليل الطيفي.

الخلاصة العلمية

درجة غليان الزئبق البالغة 356.73 درجة مئوية تمثل خاصية مميزة لهذا العنصر، نابعة من طبيعته الإلكترونية المعقدة والروابط الضعيفة بين ذراته. هذا الانخفاض في درجة الغليان له آثار كبيرة على استخدام الزئبق في مجالات متنوعة تمتد من الأجهزة المخبرية إلى الصناعات المتقدمة. ومع أن الزئبق فقد الكثير من استخداماته بسبب المخاطر البيئية والصحية، إلا أن خصائصه الفريدة، ومن بينها درجة غليانه، لا تزال تثير اهتمام الباحثين وتمنحه مكانة خاصة في عالم العلوم.

المراجع:

1. Greenwood, N. N., & Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements. 2nd Edition. Butterworth-Heinemann.

2. Lide, D. R. (Ed.). (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 86th Edition. CRC Press.