Mercurio (elemento chimico)

Il mercurio è un elemento chimico con simbolo Hg e numero atomico 80.

Si tratta di un metallo di transizione pesante, avente colore argenteo. È uno dei pochi elementi della tavola periodica a essere liquido a temperatura ambiente, insieme al bromo.In genere come "temperatura ambiente" si assume la temperatura di , per cui gli unici elementi che abbiano una temperatura di fusione inferiore sono bromo e mercurio Siccome però nella sua accezione più generale la temperatura ambiente può essere qualsiasi temperatura compatibile con le condizioni meteorologiche, si può dire che anche gli elementi metallici cesio gallio francio e rubidio sono liquidi a temperature "prossime" a quella ambiente. Nomi utilizzati anticamente per indicare il mercurio sono argento vivo, per la sua mobilità, e idrargirio, dal latino hydrargyrum (Hydrargyrum è il nome da cui derivano le lettere Hg) che a sua volta deriva , cioè "argento liquido".

Viene principalmente ottenuto per riduzione del cinabro.

Caratteristiche Proprietà fisiche Il mercurio è un metallo di transizione dalla tipica colorazione bianco-argentea. Rispetto ad altri metalli, è un conduttore scarso di calore, ma un buon conduttore di elettricità. Allo stato solido, il mercurio è molto duttile e tenero (si può tagliare con un coltello). Il punto di solidificazione di questo elemento è intorno ai −38,83 °C, mentre il punto di ebollizione si aggira al di sopra dei 356 °C, valori che sono insolitamente bassi per un metallo. Difatti il mercurio è l'unico metallo liquido anche a temperatura ambiente (recentemente si suggerisce l'esistenza allo stato liquido anche dell'elemento successivo del gruppo 12: il copernicio).

Sebbene queste caratteristiche siano in parte dovute a effetti relativistici e di dominio della fisica quantistica, possiamo riassumere la spiegazione come segue: il mercurio ha una forza di coesione maggiore della forza di adesione, ovvero una configurazione elettronica unica nella quale gli elettroni riempiono tutti gli orbitali disponibili fino al 6s. Poiché questa configurazione resiste fortemente alla rimozione di un elettrone, il mercurio ha la tendenza a comportarsi quasi come un gas nobile formando legami deboli e fondendo a temperature basse (significa, per l'appunto, che basta una minore agitazione termica per spezzare i legami). Un'ulteriore conferma di questa attitudine insolita deriva dal fatto che il mercurio evapora formando un gas monoatomico, proprio come i gas nobili. Si rende dunque necessaria la sua conservazione sotto toluene o altre sostanze che ne impediscano la dispersione nell'ambiente.

La stabilità dell'orbitale 6s è dovuta alla presenza di un orbitale riempito 4f. Infatti sappiamo che gli orbitali f sono abbastanza interni e dunque la loro azione schermante contro la carica nucleare è piuttosto scarsa, dunque il raggio atomico diminuisce (come avviene nella contrazione lantanoidea). Per gli altri elementi del gruppo (lo zinco e il cadmio) gli alti punti di fusione ed ebollizione sono dovuti alla presenza di un guscio f incompleto.

L'oro, che si trova a sinistra del mercurio nella tavola periodica, è costituito da atomi con un elettrone in meno nell'orbitale 6s. Questi elettroni vengono più facilmente rimossi e sono condivisi tra i vari atomi di oro i quali, in questo caso, possono formare saldi legami metallici.

Il motivo per cui, invece, il mercurio risulta tenero e duttile è da ricercare negli elettroni del guscio d che, essendo completo, difficilmente tende a formare dei legami e quindi i suoi elettroni non vengono messi in gioco.

Proprietà chimiche Il mercurio reagisce con acidi ossidanti come l'acido nitrico e l'acido solforico concentrati. Si ossida difficilmente all'aria.

Stati di ossidazione Il mercurio, così come lo zinco e il cadmio, ha due elettroni s oltre a un guscio d completo, per cui la rimozione degli e− s è facilitata e permette all'atomo di mercurio di diventare un catione bivalente. Il numero di ossidazione tipico e più stabile risulta, perciò, il +2.

Sono noti anche composti cosiddetti mercurosi (con stato di ossidazione +1). Tuttavia è bene precisare che lo ione Hg+ non esiste dal momento che i composti mercurosi sono tutti dimeri. Se così non fosse, Hg+ avrebbe un elettrone spaiato e i suoi composti risulterebbero paramagnetici. Gli esperimenti hanno dimostrato che non accade questo.

La dimostrazione di questa ipotesi parte dal calcolo delle costanti di equilibrio, le quali si possono misurare e ci permettono di riconoscere le specie presenti in soluzione. I composti mercurosi si possono ottenere spesso dai corrispondenti composti mercurici, trattati direttamente con altro mercurio. Prendiamo, ad esempio, la reazione:

Hg(NO3)2 + Hg -> 2HgNO3

ovvero

Hg2+ + Hg -> 2Hg+

Secondo la legge dell'azione di massa di Guldberg e Waage,

Ad ogni modo, i dati sperimentali hanno altresì confermato che ciò non è vero. Proviamo a "ritoccare" la reazione riscrivendola come:

Hg2+ + Hg -> (Hg2)^2+

allora, sempre in base alla stessa legge, dovrebbe risultare che:

Questa volta gli esperimenti hanno confermato la teoria e abbiamo ottenuto la prova che gli ioni mercurosi, ovvero quelli a stato di ossidazione +1, sono di tipo (Hg2)2+ o, più elegantemente, (Hg-Hg)2+.

In composti come Hg2Cl2 si ritrova quanto appena affermato. In questi ioni, le due specie Hg+, con configurazione 6s1 a causa della rimozione di un e−, sono legate insieme usando i loro elettroni s,si ottiene uno spaiamento di elettroni che porta alla formazione di composti mercurosi tutti diamagnetici.

Numeri di ossidazione superiori Non esistono numeri di ossidazione superiori a +2 per il mercurio poiché la rimozione di un terzo elettrone comporterebbe la distruzione della simmetria del guscio d completo dell'atomo di Hg. Per concludere è bene sottolineare che negli anni settanta si era sparsa la voce della sintesi di un composto di mercurio +3, oggi ritenuta falsa. Nel 2007, invece, è stato pubblicato un articolo nel quale si afferma l'esistenza di un probabile composto di mercurio con numero d'ossidazione +4.

Amalgami Il mercurio interagisce con altri metalli, tipo oro e argento, per formare i cosiddetti amalgami. Il ferro è un'eccezione e fiaschi di ferro sono stati tradizionalmente impiegati, specie durante l'attività estrattiva, per contenere e commerciare il mercurio. Diversi altri metalli della prima serie di transizione, esclusi il manganese, il rame, lo zinco, il platino e pochi altri elementi formano sì degli amalgami, ma molto lentamente.

Il mercurio si lega prontamente con l'alluminio per formare un amalgama di Hg-Al se i due metalli puri vengono a contatto. Poiché l'amalgama distrugge lo strato di ossido di alluminio (Al2O3) che passiva l'alluminio metallico, anche piccole quantità di mercurio sono in grado di danneggiare il metallo in profondità. Per questo motivo è sconsigliato il trasporto di mercurio a bordo di aeromobili a causa del rischio di formazioni di amalgami con parti del velivolo.

Isotopi Ci sono sette isotopi stabili del mercurio, di cui il mercurio-202 è il più abbondante (29,86% del totale). L'isotopo più longevo è il 194Hg con un'emivita di 444 anni, seguito da 203Hg, con un'emivita di 46-47 giorni. La maggior parte degli altri radioisotopi decadono entro un giorno. 199Hg e 201Hg sono i nuclei di mercurio più studiati con la spettroscopia RMN.

Applicazioni

Il mercurio viene utilizzato principalmente nella preparazione di prodotti chimici industriali e in campo elettrico ed elettronico. Viene usato nei barometri, sfigmomanometri, coulombometri, pompe a diffusione e molti altri strumenti da laboratorio, scelto perché liquido, opaco e di alta densità. Veniva usato anche nei termometri prima di essere eliminato a causa della sua tossicità. Tra i suoi impieghi in campo elettrico ed elettronico rientrano la realizzazione di interruttori, elettrodi, pile. In campo medico, l'amalgama di mercurio con altri metalli è usato per realizzare le otturazioni dentali.

Nelle "celle a mercurio" viene utilizzato un elettrodo di mercurio liquido per condurre l'elettrolisi del cloruro di sodio in acqua, per produrre cloro gassoso e idrossido di sodio.

Il mercurio è stato usato anche come liquido di raffreddamento in alcuni tipi di centrale nucleare e per realizzare telescopi a specchio liquido.

Il mercurio ha trovato impiego anche nella purificazione dei minerali di oro e argento, attraverso la formazione di amalgami. Questo utilizzo, altamente inquinante e nocivo per l'ambiente e i minatori, è ancora diffuso nelle miniere d'oro del bacino del Rio delle Amazzoni, in Brasile.

I vapori di mercurio sono usati in alcuni tipi di lampade a fluorescenza.

Grazie alla elevata tensione superficiale è un liquido che non penetra nelle porosità aperte dei comuni materiali da costruzione. Questo permette di misurare la distribuzione della porosità aperta dei materiali mediante porosimetria a intrusione di mercurio.

Ancora più vasti sono gli utilizzi dei composti chimici del mercurio: catalizzatori, coloranti, insetticidi. Molti degli usi comuni in passato, compresi erbicidi e farmaci, sono stati abbandonati per la tossicità del mercurio.

Storia

Il mercurio era già noto in tempi antichi in Cina e India; fu anche rinvenuto in tombe dell'Antico Egitto risalenti al 1500 a.C. In Cina, India e Tibet si riteneva che il mercurio prolungasse la vita, curasse le fratture e aiutasse a conservare la buona salute. Si narra che il primo imperatore della Cina, Qin Shi Huang Di, sia impazzito e quindi morto per l'ingestione di pillole di mercurio che nelle intenzioni avrebbero dovuto garantirgli vita eterna. Gli antichi greci e romani lo usavano negli unguenti e come cosmetico.

Per gli alchimisti, il mercurio era spesso visto come uno degli elementi primordiali che costituiscono la materia; la parola sanscrita per "alchimia" è rasavātam che significa letteralmente "la via del mercurio"; si riteneva che cambiando il tipo e tenore di zolfo, il mercurio poteva essere trasformato in qualsiasi altro metallo, in special modo l'oro.

Il simbolo chimico attuale del mercurio è Hg e deriva dalla parola hydrargyrum, latinizzazione del termine greco `Υδραργυρος (hydrargyros), parola composta dai termini corrispondenti ad "acqua" e "argento", per via del suo aspetto liquido e metallico. L'elemento prese quindi il nome del dio romano Mercurio per via della sua scorrevolezza e mobilità. Dal termine hydrargyrum derivano idrargirismo, intossicazione cronica da mercurio e idrargirite, minerale più noto col nome di calomelano.

Manifattura di cappelli Tra la seconda metà del XVIII secolo e i primi anni del XIX secolo la produzione di cappelli di feltro passava attraverso un processo chiamato "carotatura" che consisteva nell'immergere le pelli di animali in una soluzione color arancione di nitrato mercurico, Hg(NO3)2. Questo processo separava il pelo dalla pelle, compattandolo. La tossicità della soluzione e dei suoi vapori causarono moltissimi casi di avvelenamento tra i fabbricanti di cappelli che si manifestarono con sintomi come tremori, instabilità emotiva, insonnia, demenza e allucinazioni. A tali casi si ispirò Lewis Carroll per il personaggio del Cappellaio Matto in Alice nel Paese delle Meraviglie.

Odontoiatria Il mercurio metallico è l'ingrediente principale dell'amalgama d'argento, materiale composito a matrice metallica per uso odontoiatrico. La tossicità dell'amalgama è oggetto di controversia sin dall'introduzione; in tempi recenti è sempre più spesso sostituito da materiali alternativi, principalmente resine composite e cementi vetroionomerici.

Medicina Molti dei composti del mercurio sono stati usati nei secoli scorsi a scopo terapeutico e profilattico. Oggi sono molto meno diffusi, data la maggiore consapevolezza dei loro effetti tossici.