化学自习室移动版

汞单质及其化合物，曾与人们的日常生活和生产活动有过相当密切地联系。只要想到Hg是中学化学教学用“金属活动性顺序表”中的一员，就应该知道，它在化学教学中曾经有过多么重要的位置。

但是现在，随着该元素对人体有严重危害的残酷事实逐渐被人们所认识，汞元素就慢慢淡出了工业生产及人们的生活。以至于它在化学教材中的篇幅也越来越小，其许多所谓的性质及用途也不为人们所注意了。

作为一名化学教师，对于汞元素的基本知识及用途，还是应该能简单地知道和掌握一些的。

一、汞单质在常温下呈液态的原因

在所有的金属单质中，汞是唯一的在常温下能以液体形式存在的物质（其熔点为234.16K、即-39.0）。

从化学键的角度看，这是由于汞原子间的金属键不够强，也就是金属内聚力很弱而造成的。作为这一看法有力佐证的相关数据是，汞的升华热仅为62kJ•mol^-1。这在所有金属中都是最小的。如，Na、Al、Fe的升华热分别为108、324、416 kJ•mol^-1，都差不多是汞的一倍或数倍。

汞有很小升华热，而导致一个特别需要注意的问题是，常温下它就很容易气化，而汞蒸气还有剧毒。所以，金属汞必须密闭保存，更不得散落在有人员活动的场所。

一个相关的小故事是，由于古人也懂得这个道理，可以用水银来防腐、及威慑盗墓者。所以，秦始皇才在其陵墓中用上百吨水银（有说近千吨），布置下了庞大的江河湖海。

从原子结构的角度看，汞金属的内聚力小，则是由于其核外电子排布的特殊性所决定的。也就是，其价电子层里的两个6s2电子难于失去，这就是人们通常所说的“惰性电子对效应”。

对这种所谓6s²的“惰性电子对效应”，比较直观的解释是：

第一，当次外层为18e结构、也就是内层为(n-1)s² (n-1)p⁶ (n-1)d¹⁰填充时，其d电子对原子核的屏蔽作用较小，以致于原子核的有效核电荷会偏大一些。

第二，当倒数第三层为(n-2)f¹⁴填充时，其f电子的屏蔽作用也很小，使有效核电荷会更进一步增大。

第三，当s电子成对（该亚层有两个电子即为全满）后，其失电子也要变得更不容易。

而Hg的电子构型恰好就是4f¹⁴5d¹⁰6s²，同时满足了上述三个条件，所以其失去6s²电子会更难。

至于那些6s电子有较强的“钻穿效应”及“相对论效应”之类的、理论性更强的解释，还是留待其他课程中再去讨论吧。

“6s²惰性电子对效应”在汞元素上的体现就是，汞的第一电离能极大，为1013kJ•mol^-1。应该强调的是，这个数值不但高于所有的金属元素，甚至于比许多非金属元素的第一电离能还要高。如，硫的第一电离能仅为1006kJ•mol^-1），而碘也只是1008kJ•mol^-1。

汞原子不但因难于失去这些6s电子，而表现出一定程度的化学惰性。并且，这些6s电子也难于（不会“全力以赴”地去）参与金属键的形成，从而使其单质的内聚力比其他所有金属单质都低。

二、汞单质易于与许多金属形成合金

常温下为液态的金属汞，可以溶解许多金属（此时金属键仍能保持不变），如Na、K、Ag、Au、Zn、Cd、Sn、Pb等，而形成合金。这种汞的合金也被称之为“汞齐”。如汞的金属钠溶液，可称为钠汞齐。汞的金属锌溶液，可称为锌汞齐。

因所含溶质金属的相对量不同，汞齐可以呈液态、糊态、或固态（所含的溶质金属较多时）等形态。

由于汞不能溶解金属铁，所以可以用铁制的容器来存放和运输汞（当然不宜用白铁来制作，也不能用焊锡来加工这些容器）。

汞齐的用处主要表现在如下几个方面。

1. 可以用汞齐的生成，来提取某些金属或制备某些金属的薄膜

如在淘取沙金时，在用于淘洗的水槽中先放入一些汞。其所接触到的金粒就会溶解在密度很大的汞中，并沉积在所有物质的下面（水槽的底部），而更容易与沙粒分离开。然后再将所得的金汞齐加热，让汞气化掉，就可以得到有相当纯度的黄金。

又如，将金汞齐均匀涂布在某些物体的表面，然后再加热使汞跑掉，就可以在该物体的表面得到一个完整的黄金壳层，这就是所谓的鎏金。

2. 可以通过汞齐的生成，来影响一些金属的化学反应

由于汞齐的表面是由几种金属原子均匀分布而构成的，而其中的汞原子又有化学惰性。所以形成某种金属的汞齐，就相当于稀释了该金属溶质在表面上的浓度。这样就可以显著减慢该金属与其他物质的反应速度。

如，钠汞齐与水的反应速度（即激烈程度），与金属钠与水的反应速度相比较，前者就慢了许多，操作的危险性自然会减少的更多。

又如，当用汞作阴极来电解食盐水时，由于氢气在汞电极上有较大的超电压，在负极上得到的实际上是钠汞齐。也就是说，荷有一定量负电的钠汞齐此时并不会与水发生反应。这样，在电解槽中发生的反应就是，2NaCl=2Na＋Cl₂。其间，只要将钠汞齐陆续导出到另一个装有较纯净水的储槽中，在不荷电的情况下钠汞齐就会与水发生反应，2Na＋2H₂O=2NaOH＋H₂。由这个生产工艺可以制得很纯（不含NaCl）、且很浓的NaOH溶液。

而当金属铝以铝汞齐的形式存在时，由于其表面无法再生成致密的氧化物薄膜保护层。它就会与空气或水一直反应下去，直至金属铝耗尽为止。

三、汞不浸润玻璃

由于透明的缘故，玻璃常被用来制作化学量器、或化学反应的容器。而玻璃作为一种表面仍有极性的化学物质，与同样具有极性的水分子间，是有较强相互作用的。也就是，水会自发地在玻璃的表面铺展开来，而被描述为“水对玻璃是浸润（或浸湿）”的。

由于水能够浸润玻璃，加之水有较强的表面张力，所以在水的上表面与玻璃器壁的交汇处，都会有一个水要逐渐爬升起来的水曲面。在较细的充有水的竖直玻璃管中，则会有一个向下弯曲的凹液面。

以至于，在毛细管中水会自发地上升、且能保持到一定高度。在较细的移液管下口部，即便其上口完全放开，下尖嘴处仍会有少量的溶液不会自行流出。较小的水滴可以在滴定管尖嘴或胶头滴管下口外悬停住，而不会掉落。在判断量筒或滴定管中液面高度时，要以凹液面的下内切线为准。

而汞就完全不同了。其原子是非极性的，它不能浸润玻璃。

这就导致，它在玻璃管中的液面是凸起的，读取汞柱的高度时，要以凸起处的外切线为准。即便是很细的竖直玻璃管，如果没有其他外力的支撑，其中的汞也会全部流出。

即便用下口较细的胶头滴管来取用液体汞，汞也极易因受到扰动而从中滴落下来。也就是说，用普通的胶头滴管来吸取金属汞，是一件很困难及危险的操作。因为汞的密度很大，滴落时的动量也非常大，会被摔碎成许多四处飞溅、极为细小的液滴、且到处滚动、嵌入极小的缝隙，而很难被人收集起来和集中处理。

四、汞的存放与取用

由于汞蒸气的毒性，在化学实验中汞的存放和使用，都是一件实验教师要特别加以关注的事情。当然，首先还是要防患于未然。

一是，要有充分的物质方面的保障。再一点就是，要让学生清楚并按要领来操作。

试剂汞一般装在器壁很厚的瓷瓶中（玻璃瓶很容易因放置时稍重，瓶底受力过大而破碎）。用带有翻口的胶塞（与医用葡萄糖瓶的塞子一样）来封闭。在开封后，应先在该试剂瓶中加入少量的蒸馏水（有0.5cm厚即可），用“水封”来防止汞的挥发。

为了方便从试剂瓶中取出少量的汞，教师要预先制作一个特殊的、下口带有一个小勾（形成一个U型储槽）的胶头滴管（其下尖嘴端如下图）。整个U型部分的外直径不要大于0.8cm，以便能轻松进出瓷质试剂瓶的上口。

教师还要准备一个稍大一些带有边框的白色搪瓷方盘（不小于30×40 cm、横置）。将装有汞的试剂瓶放在方盘中上部的位置（要给学生留出一定的操作空间）。试剂瓶的右侧放一个规格为200ml的烧杯。烧杯中插有一支上述特制的专用胶头滴管，且装有约三分之二体积的蒸馏水（保持烧杯的稳定，及其中所置滴管的清洁）。

学生需要取用试剂汞时，应先打开试剂瓶的胶塞，将其反扣在试剂瓶的旁边。右手将专用的胶头滴管从烧杯中取出，并将其中的水排空（排入原烧杯）。

用左手把持准备放置汞的反应器皿（研钵或小试管），并将其放在方盘中部、紧靠试剂瓶的位置。容器口与试剂瓶口（两个口）要尽可能地相互靠近（同时照顾到前后及高低）。

做好这些工作后，操作的学生方可将胶帽稍稍捏扁（排出其中部分的空气），将胶头滴管伸入试剂瓶中水面以下的位置（必须保证滴管的尖嘴进入汞层）后，再放开捏胶帽的手指，将少量的汞吸入滴管的尖嘴中。

这时，需缓慢地将胶头滴管向上提起，在可以观察到尖嘴中所储汞量的情况下（尖嘴仍需在试剂瓶中），用对胶帽的捏压来调整滴管中汞的取用量，直至合乎实验的需要。

待滴管中汞的取用量合适后，在不捏压胶帽的情况下，再慢慢将滴管移出试剂瓶，放入盛接汞的反应容器中。使滴管尖嘴至容器底达到尽可能近的位置（此时试管则应该倾斜）时，再捏压胶帽，将滴管中的汞排入容器中。

取用汞的操作完成后，要将胶头滴管放入原来的专用烧杯中，试剂瓶盖也及时盖好。

教师一定要强调，整个操作都要在搪瓷方盘内完成，液汞滴入反应容器的高度一定要尽可能地低。如滴加汞的高度过大，在研钵中易产生飞溅、而逸出极小的到处散落的汞粒，在试管中则可能会将试管底部击破。

如果发生有某学生将汞滴掉落到方盘中的情况，教师则必须指导并监督该学生将方盘中所有汞粒都收集起来（倒入另一装有水的烧杯）。且师生不能只关注于搪瓷方盘，海要仔细搜索桌面及附近地面是否有可见的汞粒。收集起这些汞粒后，还要用硫磺粉将所有可能存在有汞粒的缝隙都填充起来。以免遗落的汞对实验室造成严重污染，对师生造成持续性地伤害。

五、汞的回收

与一般的化学试剂相比较，汞的价格并不贵，但是它在环境中的遗留对人的危害极大，所以在实验室中一定不能将其单质及化合物随意处置，而应该尽可能多的将其回收。

在以前的无机化学实验教学中，有一个用硝酸汞与汞反应，来制取硝酸亚汞的学生实验。会造成有较多反应产物硝酸亚汞，及剩余的反应物汞存在，这样的一个现实，使相关实验室面临如何来回收它们的问题。

当然教师要预先告诉学生，该实验的所有生成物及剩余反应物都要回收，并都倒入指定位置的贴有“汞及亚硝酸汞回收”标签的500ml大烧杯。

此外，在实验课后教师需进行的所谓回收工作，就没有什么难度可言了。

教师只要在该回收烧杯中，放入一个稍大一些的铁钉（小铁钉可以多放几个），就可以了。当然，铁钉应该放在的有金属汞的部位（烧杯不水平时要在其最低处），以便铁钉与汞能有充分地接触。

隔一天，如果铁钉被反应光了，那就再加上一些铁钉，让它继续去置换汞。

直至铁钉不消失，就说明溶液中所有亚汞离子都被还原成单质汞了。此时，只要将上层的水溶液弃去，将剩余的铁钉取出，用自来水把烧杯底部的汞冲洗干净，就可以直接将这些汞倒入原试剂瓶。

其它可溶或微溶性汞盐，也可以采用如上的方法来处理。

对于HgS，则通常把它作为一般固体废弃物，而弃去或填埋。因为它极为难溶（要用王水才能溶解），不会对环境造成什么明显地危害，同时它也没有多少回收的价值。

参考文献

[1] 北京师范大学等校. 无机化学（第三版）. 高等教育出版社. 1992年