Mengenal Efek Relativistik yang Membuat Air Raksa Berbentuk Cair

Merkuri atau air raksa merupakan logam unik yang tetap berwujud cair pada suhu kamar, berbeda dari besi atau baja yang keras dan kuat.

Logam unik ini memiliki titik leleh minus 38,8 derajat Celsius yang dipengaruhi oleh posisi atomnya dalam tabel periodik.

Dikutip dari Detikcom, para ahli kimia menjelaskan bahwa titik leleh logam terkait langsung dengan kekuatan ikatan antaratom.

Atom merkuri terikat melalui ikatan logam berupa kisi partikel bermuatan positif yang dikelilingi oleh lautan elektron bebas.

Daya tarik elektrostatik antarpartikel bertindak sebagai perekat, sekaligus mengatur titik leleh serta kemampuan konduktivitas listrik logam.

Sebagai logam golongan 12, merkuri secara teoritis memiliki 12 elektron terluar yang berada dalam subkulit yang penuh.

"Ketika subkulit penuh, elektron menjadi lebih stabil dan cenderung tidak terdelokalisasi, dan ini membuat merkuri sangat enggan untuk berbagi elektronnya, bahkan dengan atom merkuri lainnya," ujar Zoe Ashbridge, dosen senior bidang kimia di Kementerian Pertahanan Inggris kepada Live Science.

Kekuatan ikatan logam umumnya menurun dari atas ke bawah tabel periodik seiring dengan semakin besarnya ukuran atom.

Melalui tren tersebut, merkuri seharusnya memiliki titik leleh sekitar 266 F (130 C) dan berbentuk padat pada suhu kamar.

Keadaan cair merkuri hampir seluruhnya disebabkan oleh efek relativistik menurut penjelasan Peter Schwerdtfeger, seorang fisikawan kuantum di Universitas Massey di Selandia Baru.

Elektron dalam unsur-unsur terberat di bagian bawah tabel periodik mengalami daya tarik sangat kuat sehingga bergerak mendekati kecepatan cahaya.

Kondisi ini memicu fenomena kuantum atau efek relativistik yang mengarah pada sifat fisik mengejutkan pada unsur tertentu.

"Efek relativistik menjadi sangat penting untuk unsur-unsur golongan 11 dan 12, tempat emas dan merkuri berada," katanya kepada Live Science.

Efek kuantum ini membuat emas memiliki warna kekuningan yang tidak biasa dan menyebabkan merkuri berbentuk cair pada suhu kamar.

"Mereka menunjukkan kepada kita apa yang disebut maksimum efek relativistik, dan kulit terluar atom-atom ini menyusut sebagai hasilnya. Ini sangat besar. Untuk merkuri, sekitar 20%," kata Schwerdtfeger.

Mekanisme Penyusutan Elektron

Subkulit 4f yang penuh pada merkuri sangat buruk dalam melindungi elektron lain dari muatan inti atom.

Akibatnya, elektron terluar berada jauh lebih dekat ke inti yang dikenal sebagai fenomena kontraksi lantanida.

"Hal ini meningkatkan massa mereka, dan ketika mereka memiliki massa yang meningkat karena kecepatan tinggi ini, elektron-elektron tersebut tertarik lebih dekat ke inti," kata Ashbridge.

Efek relativistik ini mengurangi ketersediaan elektron untuk berkontribusi pada ikatan logam, sehingga menurunkan titik leleh di bawah suhu ruangan.

Persamaan Schrödinger yang biasa menggambarkan posisi partikel tidak berlaku di sini karena tidak memenuhi prinsip relativitas Albert Einstein.

Para ilmuwan harus menggunakan persamaan Dirac yang rumit serta memerlukan simulasi komputasi yang sangat tinggi.

Melalui kemajuan teknologi, Schwerdtfeger berhasil merancang model teori fungsional densitas untuk mensimulasikan peleburan logam ini.

"Dengan menggunakan apa yang kami sebut teori fungsional densitas, kami dapat menetapkan bahwa titik leleh diturunkan lebih dari 200 derajat Celcius [360 F] oleh efek relativistik," katanya.

Kontribusi kuantum ini sangat mendominasi sehingga membuat unsur merkuri tetap menjadi cairan pada suhu kamar.