- •Лекция 1 Химия р-элементов.
- •Элементы главной подгруппы VII группы
- •Химические свойства
- •Лекция 2 Элементы VI группы главной подгруппы
- •Кислород и его соединения
- •Распространение в природе
- •Получение
- •Физические свойства серы
- •Химические свойства
- •Соединения серы
- •Сульфид-ион характеризуется сильными восстановительными свойствам
- •Лекция 3 Элементы V группы главной подгруппы
- •Получение аммиака
- •Соединения азота в степени окисления -I
- •Кроме того, они склонны к реакциям диспропорционирования:
- •Лекция 4 фосфор
- •Соединения фосфора Степень окисления -3
- •Лекция 5
- •Элементы уii группы побочной подгруппы
- •Лекция 7 элементы у1 группы побочной подгруппы
- •Лекция 8
- •Гидроксид цинка амфотерен и растворяется как в кислотах. Так и в щелочах
- •Элементы I группы
- •350072, Краснодар, Московская 2а,
- •350058, Краснодар, Старокубанская 88/4, Типография КубГту
Лекция 8
ЭЛЕМЕНТЫ II ГРУППЫ ПОБОЧНОЙ ПОДГРУППЫ
В подгруппу входят цинк, кадмий и ртуть.
-
Электронная структура Атомная масса
Zn,
3d104s2
65,38
Cd,
4d105s2
112,40
Hg
5d106s2
200,60.
Радиус атома, нм
0,139
0,156
0,160
Валентность
II
II
I, II
Координационные числа
4
4, 6
2, 4
Потенциалы ионизации, эв:
Э0→Э+
9,38
8,99
10,43
Вследствие особой устойчивости электронных конфигураций– d10, Zn, Cd и Hg в своих соединениях проявляют степень окисления +2.
На свойства ртути оказывает влияние лантаноидное сжатие и более высокая устойчивость 6s2 электронов, в частности, большинство соединений ртути малоустойчивы, в противоположность соединениям Zn и Cd. В отличие от Zn и Cd для ртути характерны производные радикала [Hg2]2+, в которых атомы ртути связаны между собой ковалентной неполярной связью между двумя атомами ртути –Hg–Hg– . В производных [Hg2]2+ степень окисления Hg принимают равной + 1.
Природные ресурсы. В земной коре содержится: Zn - 5·10-3%, Cd - 5·10-5%, Hg - 7·10-6%. Из d – металлов II группы только Hg встречаются в свободном состоянии, Zn и Cd встречаются только в виде соединений. Важнейшие минералы Zn, Cd и Hg: цинковая обманка ZnS, гринокит СdS, киноварь HgS, смитсонит ZnCO3.
Получение. Получение Zn из ZnS ведут двумя путями.
Гидроэлектрометаллургический:
окисление: 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2↑
обработка H2SO4 разб.: ZnS + H2SO4 = ZnSO4 + H2O
электролиз раствора ZnSO4 : K(–) Zn2+ + 2ē =Zn0
Данный метод целесообразен при рудах с малым содержанием металла.
Пирометаллургический :
ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2↑
ZnO + C = Zn↑ + CO↑
Цинк ( в парах ) и СО удаляют из сферы реакции.
В рудах Сd обычно сопутствует Zn и его отделяют при переработке цинковых руд. Отделение кадмия от цинка производят разгонкой. Ртуть получают прямым окислением киновари:
HgS + O2 = Hg + SO2.
Применение
До 40% мирового производства цинка расходуется на защиту железа и стали от коррозии. Цинк применяется как восстановитель в химической технологии, идет на изготовление сплавов: латуней (сплав цинка с медью), алюминиевых сплавов и сплавов на основе никеля. Кадмий входит в состав легкоплавких сплавов.
Соли кадмия используются в производстве стекла, люминофоров, синтетического каучука, в полупроводниковой промышленности в качестве материала для фотоэлементов и фототранзисторов.
Ртуть используется в органическом синтезе, для изготовления ртутных монометров, ламп дневного света, для мощных выпрямителей, в медицине.
Свойства простых веществ
Цинк и кадмий – серебристо–белые металлы, во влажном воздухе они постепенно покрываются тонким слоем оксида и теряют блеск. Ртуть – единственный металл, находящийся в жидком состоянии при комнатной температуре.
В подгруппе цинка с ростом атомной массы химическая активность металлов падает, так цинк легко взаимодействует с кислотами и при нагревании с водными растворами щелочей ( щелочь снимает оксидную пленку с поверхности цинка ):
Zn + 2HCl + 4H2O = [Zn(H2O)4]Cl2 + H2↑
1│ Zn − 2ē + 4H2O→ [Zn(H2O)4]2+
1│ 2H+ + 2ē→ H2
Zn + 4H2O + 2H+ → [Zn(H2O)4]2+ + H2 ;
Zn + 2NaOH + 2H2O =Na2[Zn(OH)4] + H2↑
│ Zn − 2ē + 4ОН‾ → [Zn(OH)4]2‾
│ 2H2O +2ē → H2 + 2ОН‾
Zn + 4ОН‾ + 2H2O → [Zn(OH)4]2‾ + H2 + 2ОН‾
Кадмий в растворах щелочей практически не растворяется, в кислотах растворяется, но менее энергично, чем цинк. Цинк и кадмий легко взаимодействуют с азотной и концентрированной серной кислотами:
3Zn + 4H2SO4(К0НЦ.) = 3ZnSO4 + S↓ + 4H2O;
4Zn + H2SO4(КОНЦ.) = 4ZnSO4 + H2S↑ +4H2O. очень разбавленную HNО3 цинк восстанавливает до иона аммония:
4Zn + 10 HNO3 ( оч.разб.)= 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
4│ Zn − 2ē → Zn2+
1 │NO3‾ + 8ē + 10Н+ → NH4+ + 3H2O
4 Zn + NO3‾ + 10Н+ → 4 Zn2+ + NH4+ + 3H2O
а нитраты в щелочной среде – до аммиака:
4Zn + KNO3 + 7KOH + 6H2O = 4K2[Zn(OH)4] + NH3
4 │ Zn − 2ē + 4ОН‾ → [Zn(OH)4]2‾
1│ NO3‾ + 8ē + 6Н2О→ NH3 + 9OН-
4Zn + 16ОН‾ + NO3‾ + 6Н2О → 4[Zn(OH)4]2‾ + NH3 + 9OН-
Ртуть, как это видно из значения ее электродного потенциала, ( Е=+0,850В) стоит за водородом , поэтому в водных растворах бескис-лородных кислот не растворяется.
Ртуть растворяется только в кислотах – окислителях, при этом могут получаться производные как Hg(II), так и Hg(I):
Hg + 4 HNO3(конц.) = Hg(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
1│ Hg − 2ē → Hg2+
2│ NO3‾ + ē + 2Н+ → NO2 + H2O
Hg + 2 NO3‾ + 4Н+ → Hg2+ + 2 NO2 + 2 H2O
6Hg + 8 HNO3(разб .) = 3Hg2(NO3)2 + 2NO+ 4H2O
3│2Hg − 2ē → [Hg 2 ] 2+
2│ NO3‾ + 3ē + 4Н+ → NO + 2H2O
6Hg + 2 NO3‾ + 8Н+ → [Hg 2 ] 2+ + 2 NO + 4H2O
Оксиды цинка ZnО, кадмия СdO можно получить при непосредствен-ном взаимодействии металлов с кислородом:
2Zn + O2 = 2ZnO;
2Cd + O2 = 2CdO,
тогда как оксиды ртути ( I) и (II) получаются косвенным путем.
В ряду ZnО, СdO, HgО термическая устойчивость оксидов уменьшается, окраска усиливается.
В воде оксиды практически не растворимы. ZnО – амфотерен, а оксиды СdO, HgО, Hg2O обладают основными свойствами.
При нагревании Zn, Сd, Hg энергично взаимодействуют с активными неметаллами. Сульфиды в воде практически нерастворимы, в ряду ZnS – CdS – HgS растворимость понижается.
ZnS + 2HCl(p.) = ZnCl2 + H2S↑
CdS+ 4 HCl(K.)= H2[CdCl4] + H2S↑
3HgS + 8HNO3 = 3Hg(NO3)2 +3S↓ + 2NO +4H2O
С водородом Zn, Сd, Hg химически не реагируют, гидриды ЭН2 получают при взаимодействии иодидов этих металлов с алюмогидридом лития в среде диэтилового эфира:
2 ЭI2 + SiAlH4 = 2ЭН2 + SiI+ AlI3.
ZnН2, СdН2, HgН2 – твердые малоустойчивые вещества.
Цинк, кадмий и ртуть образуют сплавы как друг с другом, так и с другими металлами. Для ртути характерно образование амальгам, которые можно получить при растирании или перемешивании металла с ртутью. Свойство ртути образовывать амальгаму золота используется для извлечения золота. Амальгама натрия NanHgm применяется в качестве восстановителя.
Соединения элементов подгруппы цинка
Гидроксиды Zn и Сd в воде нерастворимы и осаждаются из раст-
воров солей при действии щелочей
Zn2+ + 2OH- = Zn(OH)2↓ ,
Cd 2+ + 2 OH- = Cd(OH)2↓ .
В ряду Zn(ОН)2 – Сd(ОН)2 основные свойства усиливаются.
Устойчивость соединений падает при переходе от Сd к Нg. Например, Zn(ОН)2 и Сd(ОН)2 устойчивы, а гидроксид Hg (II) неизвестен, так как уже при получении Hg(OH)2 разлагается на HgO и воду:
Hg(NO3)2 + 2NaOH = HgO↓ + NaNO3+ H2O.
Образующийся осадок HgO имеет желтый цвет, но при нагревании переходит в красную модификацию оксида ртути (II).
При действии щелочи на раствор соли ртути (I) образуется осадок черного оксида ртути(I):
Hg2(NO3)2 + 2NaOH = 2NaNO3 + Hg2O ↓ + H2O,