通常情況下，金屬都是堅(jiān)硬的固體，但有一種金屬卻是例外，那就是汞，汞俗稱水銀，在常溫常壓下，它們總是以液態(tài)的形式存在，那么，汞為什么會(huì)如此特殊呢？

實(shí)際上，這個(gè)問(wèn)題有點(diǎn)復(fù)雜，因?yàn)橐脨?ài)因斯坦的相對(duì)論，才能合理解釋為什么汞是液態(tài)的，沒(méi)想到吧？下面我們就來(lái)具體了解一下。

正如我們所知，原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的，其中原子核帶正電，電子帶負(fù)電，它們靠靜電吸引維系在一起。實(shí)際上，原子的化學(xué)性質(zhì)，幾乎都是由核外電子的排布狀態(tài)決定的。

具體來(lái)講，在原子的最外側(cè)，有一些能量相對(duì)較高、與原子核結(jié)合得比較松散的電子，這被稱為價(jià)電子，當(dāng)金屬原子大量聚集在一起的時(shí)候，原子的價(jià)電子通常都會(huì)脫離原來(lái)的位置，變成整塊金屬共同擁有的自由電子。

這些自由電子在金屬晶體內(nèi)部游蕩，就像一片流動(dòng)的電子海洋，于是失去價(jià)電子的原子就變成了帶正電的金屬離子，它們鑲嵌在這片電子海洋里，依靠與周?chē)杂呻娮拥撵o電吸引力結(jié)合在一起。

這種"正離子鑲嵌在自由電子海洋中，靠靜電力相互結(jié)合"的方式，就被稱為金屬鍵。金屬鍵的本質(zhì)是靜電吸引，自由電子越多，對(duì)正離子的吸引力就越強(qiáng)，金屬鍵也就越強(qiáng)，熔點(diǎn)當(dāng)然就越高。

所以金屬鍵的強(qiáng)弱，取決于原子到底有多愿意把價(jià)電子貢獻(xiàn)出來(lái)。那么問(wèn)題就來(lái)了，什么樣的原子更愿意貢獻(xiàn)價(jià)電子呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要簡(jiǎn)單了解一下電子排布。

核外電子的分布不是隨機(jī)的，它們只能待在一些特定的能量狀態(tài)上，這些狀態(tài)通常被稱為軌道。我們可以將其簡(jiǎn)單地想象為成圍繞原子核的一層一層的"殼"，從內(nèi)到外依次是第1能層、第2能層、第3能層……能層越往外，電子的能量越高。

由于同一能層中的電子能量還有微小的差異，因此每個(gè)能層內(nèi)部還有更細(xì)致的劃分，這被稱為亞層，通常用字母s、p、d、f來(lái)標(biāo)記。

其中s亞層最多容納2個(gè)電子，p亞層最多容納6個(gè)電子，d亞層最多容納10個(gè)電子，f亞層最多容納14個(gè)電子。

電子填充這些亞層的順序，遵循能量最低原理，也就是說(shuō)，電子總是優(yōu)先占據(jù)能量最低的空位，其順序如下圖所示。

根據(jù)量子力學(xué)，全滿的亞層具有特殊的穩(wěn)定性，而電子則會(huì)強(qiáng)烈趨向于這種穩(wěn)定性，一旦全滿，它們就不會(huì)輕易離開(kāi)。

由于過(guò)渡金屬的外層電子大部分都有未填滿的d亞層，更容易貢獻(xiàn)出價(jià)電子，所以它們中大多數(shù)的金屬鍵都很強(qiáng)，從而在常溫常壓下表現(xiàn)為固態(tài)。

但汞原子卻是個(gè)例外，因?yàn)樗鼈兺鈱与娮又械膁亞層和s亞層全部填滿了（即5d1?6s2），在這樣的情況下，其電子結(jié)構(gòu)處于很穩(wěn)定的狀態(tài)，所以它們極不愿意貢獻(xiàn)價(jià)電子，如此一來(lái)，就造成了其金屬鍵非常弱，熔點(diǎn)也因此變得很低。

講到這里，肯定有人會(huì)問(wèn)了，既然如此，問(wèn)題就已經(jīng)解決了，那為什么要扯到相對(duì)論呢？我們接著看。

在元素周期表中，30號(hào)元素鋅和48號(hào)元素鎘，它們都與汞一樣是第12族元素，其外層電子中的d亞層和s亞層也全部填滿了（鋅是3d1?4s2，鎘是4d1?5s2），所以它們的熔點(diǎn)也應(yīng)該很低，那事實(shí)是否真是這樣呢？

來(lái)看一組數(shù)據(jù)：鋅的熔點(diǎn)約為419.5攝氏度，鎘約為321.1攝氏度，汞約為零下38.8攝氏度。

從中可以看到，盡管鋅和鎘熔點(diǎn)確實(shí)明顯低于很多常見(jiàn)的金屬，但相比之下，汞的熔點(diǎn)實(shí)在是太低了（從鋅到鎘降了近100度，這還算正常，但從鎘到汞，卻陡然跌了近360度）。

那么問(wèn)題就來(lái)了，同樣的電子構(gòu)型，為什么汞的熔點(diǎn)會(huì)比鎘低如此之多？事實(shí)上，光靠上述的理論，根本就無(wú)法合理解釋這種斷崖式的下跌，這個(gè)時(shí)候，就需要愛(ài)因斯坦的相對(duì)論出馬了。

根據(jù)狹義相對(duì)論，一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)速度越快，其質(zhì)量越大，具體點(diǎn)講就是，一個(gè)靜止質(zhì)量為m?的粒子，當(dāng)它以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí)，其相對(duì)論質(zhì)量為：

m = m? / √(1 - v2/c2)

這個(gè)分母里的 √(1 - v2/c2) 就是所謂的洛倫茲因子的倒數(shù)，通常寫(xiě)作1/γ，其中γ = 1 / √(1 - v2/c2)。當(dāng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，γ≈1，質(zhì)量幾乎不變，相對(duì)論效應(yīng)可以忽略，但當(dāng)速度接近光速時(shí)，γ會(huì)急劇增大，其質(zhì)量也會(huì)隨之急劇增大。

原子核內(nèi)的質(zhì)子帶正電，核外電子帶負(fù)電，兩者之間有靜電吸引力，電子繞核運(yùn)動(dòng)，有點(diǎn)像月亮繞地球，需要一個(gè)向心力，這個(gè)向心力正是由靜電吸引力提供的，所以質(zhì)子越多，靜電吸引力越強(qiáng)，電子被拉得越緊，繞核速度就越快。

對(duì)于輕元素來(lái)說(shuō)，這個(gè)速度還遠(yuǎn)不足以引發(fā)明顯的相對(duì)論效應(yīng)，比如說(shuō)氫原子只有1個(gè)質(zhì)子，1s電子的軌道速度大約是光速的0.7%，γ≈1.000025，質(zhì)量增加可以忽略不計(jì)。

但隨著原子序數(shù)增大，情況卻會(huì)發(fā)生變化。

汞是80號(hào)元素，其原子核內(nèi)有80個(gè)質(zhì)子，這些質(zhì)子產(chǎn)生的強(qiáng)大正電場(chǎng)，把6s亞層的電子加速到了大約光速的58%，此時(shí)γ = 1 / √(1 - 0.582) ≈ 1.23，也就是說(shuō)電子的相對(duì)論質(zhì)量比靜止質(zhì)量增加了約23%。

23%當(dāng)然不是一個(gè)可以忽略的數(shù)字，所以汞的6s電子，就會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)導(dǎo)致其軌道半徑明顯收縮，我們可以將其簡(jiǎn)單地理解為，這是因?yàn)樵榆壍赖陌霃脚c電子的質(zhì)量密切相關(guān)，電子的質(zhì)量越大，它在軌道上的運(yùn)動(dòng)越“笨重”，其軌道半徑就越小。

隨著這些電子向內(nèi)靠近，整個(gè)電子殼層也隨之向原子核收緊，如此一來(lái)，就使得電子與核之間的束縛更加緊密，也正是因?yàn)檫@種緊密的束縛，汞原子的外層電子就幾乎無(wú)法脫離出來(lái)形成自由電子，也就極難形成穩(wěn)固的金屬鍵。

所以在常溫常壓下，汞原子基本上就只能依靠微弱的范德華力來(lái)結(jié)合，彼此之間只需要很小的能量就能滑動(dòng)，并因此呈現(xiàn)為液態(tài)。

可以看到，在引入了相對(duì)論之后，對(duì)于從鎘到汞的熔點(diǎn)為什么會(huì)斷崖式的下跌這個(gè)問(wèn)題，就有了一個(gè)合理的解釋?zhuān)蔷褪牵烘k的原子序數(shù)只有48，相對(duì)論效應(yīng)沒(méi)有大到足以導(dǎo)致這種明顯的變化。

值得一提的是，時(shí)至今日，這個(gè)解釋已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得到了一定程度的驗(yàn)證，科學(xué)界也對(duì)此普遍認(rèn)同。