水银湖上的魔影

水银湖上的魔影

记得20世纪50年代末在我国银屏曾放映过一部片名为《水银湖上的魔影》的前苏联电影，其故事情节大致是：前苏联的卡米尔萨尔山是个景色奇异的世界——山峰重叠、浮云飘渺、冰川清沏、冰桥凌空，有深邃的幽谷，耸天的峭壁，还不时爆发出雪崩石飞的巨响。更令人迷惑不解的是，山顶的水银湖所放射出的耀眼夺目的灿烂光芒，人们把它看成不可思议的魔影，再加之一些不法分子的破坏活动，使这一地区十分恐怖。就是在这样一种恶劣的条件下，地质勘察队员们通过创造性的劳动，勇敢地战胜了险恶的自然环境，并同暗藏的敌人展开了激烈的斗争，最后终于胜利地完成了探矿任务。依照科学的观点看，这水银湖确有杀人魔影，但这魔影不是什么魔鬼的影子，而是湖中汞的蒸气，因汞的蒸气有巨毒。

汞为银白色金属，熔点为－38．87℃，常温下为易流动的液体，故称“水银”。自然界的汞矿为辰砂，但在火山或温泉地带有时成滴汞，甚至成较大的流体汞，所以也不排除真有水银湖存在。汞的气化热很小，在25℃时其蒸气毒性极大，空气中汞含量超过百万分之一时即对人体有害，甚至会导致人中毒身亡。

我们不想对这个电影故事的真实性作更多的考证，仅想从物质结构的角度分析，汞的熔点为什么那么低，以致常温下汞都呈液态。

汞常温下为液态的解释是一个长期以来一直有争议的问题。汞为第六周期ⅡB族的元素，其价层电子排布为5d¹⁰6s²，这12个电子在晶体中占据3个成键分子轨道和3个反键分子轨道，净成键效应为零，因此与锌、镉一样，原子间金属键很弱。但汞的熔点比锌和镉又低得多（锌、镉熔点分别为420℃、321℃），这其中一定必有其他原因。对此曾有多种解释，其中用相对论稳定效应的解释较为成功。

相对论是物理学家爱因斯坦（1879—1955）在1905年仅26岁时提出的。相对论是研究时间和空间相对关系的物理学理论，又分为狭义相对论和广义相对论，其中有两个关系式应特别注意，即，E＝mc²和m＝m_o／前者反映的是质量和能量的相互关系，即质量和能量可以相互转换；后者是物体质量m与其运动速度间的关系，其中mo为该物体的静止质量，为一定值；c为光速。两式都表明，对于具有一定静止质量的电子而言，其运动速率愈快，质量就越大。

1913年，为了解释氢光谱的产生，丹麦物理学家玻尔提出了关于原子结构的旧量子论。该理论认为，核外电子以一定的轨道半径绕核作匀速圆周运动，其角动量、轨道半径及能量都是分立的、跳跃式变化的。由此可算出氢原子的核外电子的运动速率，约为2．2×10⁶米／秒，高速运动的电子导致了其质量的增加。对于汞原子，由于其核电荷为80，使最里层的电子的速动速率为氢中电子的80倍，电子质量也随之增加了1．23倍。电子质量越大，绕核运动的轨道半径越小，相应能量变得越低，这称之为“相对论稳定效应”。汞原子最外层的2个电子，轨道半径收缩很大，相对论稳定效应很强，这就使汞的最外层的6S²电子结构与稀有气体He的核外电子结构相似，因而晶体汞内原子间的相互作用，不再是较强的金属键，而是很弱的范德华力（又称分子间力）。结构决定性质，类似于氦的原子和晶体结构，使汞晶体熔点低、导电性差、化学性质不活泼等，这也说明了汞常温下为液态的特殊原因。

不仅汞单质有毒，有些含汞的化合物也有毒，如氯化汞的致死量为0．3克，而氯化汞又是制取塑料聚氯乙烯的引发剂，所以聚氯乙烯制品不适合作食品器具。当然，我们也应全面地看待汞元素，因为汞确实有不少其他元素不可替代的用途，且并不是所有的含汞化合物都有毒。当我们在生活中或实验时不慎将汞撒了出来，也不必惊慌失措，如遇较大量汞的泄露，应设法将其收集，并在残迹汞处撒上一些硫磺粉即可。