16. Элементы II группы побочной подгруппы

В побочную подгруппу II группы периодической системы Д. И. Менделеева входят: цинк (Zn), кадмий (Cd), ртуть (Hg).

16.1. Характеристика элементов

Строение атомов. Атомы элементов подгруппы на внешнем электронном слое содержат 2 s-электрона; на d-подуровене предвнешнего слоя – 10 d-электронов.

Изменение некоторых свойств элементов (радиусов атомов и ионов, энергий ионизации, электроотрицательностей, сродства к электрону) с увеличением порядкового номера приведено в табл. 16.1.

Таблица 16.1

Некоторые свойства элементов побочной подгруппы II группы

Элементы Свойства	Zn	Cd	Hg
Радиус атома, нм	0,138	0,154	0,157
Радиус иона Э2+, нм	0,074	0,095	0,102
Энергия ионизации I, эВ	9,39	8,99	10,44
Энергия ионизации II, эВ	17,96	16,90	18,8
Энергия ионизации III, эВ	39,7	37,5	32,4
Сродство к электрону, эВ	0,09	–0,27	–0,19
Электроотрицательность:
Относительная по Полингу	1,65	1,69	2,00
Относительная по Оллреду	1,66	1,46	1,44
Абсолютная, эВ	4,45	4,33	4,91

Степени окисления. Элементы подгруппы в соединениях проявляют степень окисления +2 (ртуть – и степень окисления +1).

Распространенность в природе. Содержание элементов в земной коре приведено в табл. 16.2.

Таблица 16.2

Распространенность элементов побочной подгруппы II группы в земной коре

Элементы	Zn	Cd	Hg
Содержание в земной коре, %	510–3	510–5	~4,510–6

16.2. Простые вещества

Кристаллическая решетка простых веществ, образованных атомами цинка и кадмия, металлическая гексагональная; ртуть – жидкий металл.

Физические свойства. Цинк в компактном состоянии голубовато-бледно-серый, кадмий и ртуть – серебристо-белые металлы; в порошкообразном состоянии цинк – голубовато-серый, кадмий – сероватый. Некоторые физические свойства металлов приведены в табл. 16.3.

Таблица 16.3

Некоторые свойства металлов побочной подгруппы II группы

Элементы Свойства	Zn	Cd	Hg
Плотность, г/см3	7,133	8,650	13,546
Температуры плавления, С	419,73	321,1	–38,72
Температуры кипения, С	907	765	356,73
Электропроводность (относительно ртути (1))	16,3	12,8	1,0

Способы получения. Цинк и кадмий получают химическим восстановлением или электролизом растворов соединений:

1) пирометаллургический метод – сернистые руды подвергают окислительному обжигу; полученные оксиды восстанавливают углем:

ZnO + C Zn + CO;

2) гидрометаллургический метод – обожженные руды растворяют в разбавленной серной кислоте, из полученных сульфатов цинк выделяют электролизом, кадмий – вытеснением цинком.

Ртуть получают обжигом киновари:

HgS + O₂ Hg + SO₂.

Химические свойства. Химическая активность в ряду Zn – Hg понижается. Цинк, кадмий и их соединения сходны, атомы этих элементов проявляют одну степень окисления – +2. Ртуть из-за особой устойчивости 6s²-конфигурации существенно отличается от цинка и кадмия. Ртуть образует два ряда соединений со степенями окисления +1 и +2. Это единственный металл, образующий катион Hg₂²⁺, устойчивый в водном растворе. В соединениях ртути (II) велика доля ковалентной связи, многие соли ртути (II) – слабые электролиты. Растворяется ртуть только в кислотах-окислителях. Цинк и кадмий вытесняют водород из растворов кислот-неокислителей. При нагревании цинк, кадмий, ртуть реагируют с активными неметаллами. Элементы способны к комплексообразованию. Характерные координационные числа: 4 – для цинка; 6 – для кадмия; для ртути (II) – 2, 4, 6.

Реакции с простыми веществами:

– с кислородом: при нагревании образуют оксиды ЭО (ртуть при температуре ~300С);

– с галогенами при нагревании образуют галогениды ЭHal₂ (ртуть с иодом реагирует при обычных условиях);

– с серой при нагревании образуют сульфиды ЭS (ртуть – при обычных условиях);

– с азотом, водородом, углеродом не реагируют.

Реакции со сложными веществами:

– с водой не реагируют;

– с разбавленными серной, соляной кислотами цинк и кадмий реагируют с образованием водорода и ЭSO₄ и ЭCl₂ соответственно; все металлы взаимодействуют с концентрированными азотной и серной кислотами, образуя нитраты и сульфаты Э²⁺.

Уравнения некоторых реакций:

Zn + H₂SO_4(разб.)  ZnSO₄ + H₂; Zn + 2H₂SO_4(конц.) → ZnSO₄ + SO₂ + 2H₂O;

4Zn + 10HNO_3(разб.) → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O;

Hg + 2H₂SO_4(конц.) HgSO₄ + SO₂ + 2H₂O;

3Hg + 8HNO_3(разб.) → 3Hg(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O;

6Hg + 8HNO_3(разб.) → 3Hg₂(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O;

Hg + 4HNO_3(конц.) → Hg(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O;

3Hg + 6HCl + 2HNO₃ 3HgCl₂ + 2NO + 4H₂O;

Zn + 2NaOH + 2H₂O Na₂[Zn(OH)₄] + H₂.