77. Свойства металлов подгруппы цинка

В побочной подгруппе II группы периодической системы (или подгруппе цинка) находятся d-элементы: цинк, кадмий и ртуть.

Общая электронная формула валентного слоя электронов данной подгруппы может быть записана как (n-1)d10ns2, валентные электроны относятся к двум энергетическим уровням. У элементов II-Б группы предпоследний электронный слой полностью заполнен, неспаренных электронов нет. Это определяет стабильность и особенности химических свойств элементов. В нормальном состоянии атомы элементов главной и побочной

подгрупп второй группы имеют на внешнем слое по 2 электрона, поэтому для этих элементов характерны металлические свойства. В химических реакциях атомы металлов подгруппы цинка отдают два электрона и образуют соединения, в которых они двухвалентны. На предпоследнем энергетическом уровне d-элементы имеют по 18 электронов, в отличие от элементов главной подгруппы II группы, имеющих на предпоследнем уровне

8 электронов. Поскольку у этих элементов завершается заполнение

d-подуровня, то их свойства заметно отличаются от других d-элементов в своих периодах: низкими температурами плавления и кипения, твердостью, высоким значением энтропии, меньшей плотностью (табл. 13).

По свойствам элементы II-Б группы напоминают элементы III-А группы.

В ряду Zn – Cd – Hg электроотрицательность увеличивается, металлические и восстановительные свойства металлов уменьшаются. Все металлы подгруппы цинка имеют серебристо-белый цвет, относятся к тяжелым металлам, имеют относительно низкие температуры кипения и плавления, образуют сплавы со многими металлами. В природе встречаются в виде сульфидов, оксидов, карбонатов и других соединений. Ртуть изредка встречается в самородном состоянии.

Эти элементы в соединениях проявляют только положительные степени окисления +2. У ртути в двухатомном катионе [Hg2]2+ может быть степень окисления +1, в котором ртуть двухвалентна (– Hg – Hg –).

Цинк и кадмий химически более активны, чем ртуть, которая в электрохимическом ряду металлов стоит за водородом. В отличие от элементов II-А группы элементы подгруппы цинка, имея меньший радиус, труднее окисляются, проявляют меньшую реакционную способность и имеют менее выраженные металлические свойства. Сродство к кислороду металлов подгруппы цинка больше, чем у металлов побочной подгруппы

I группы, и значительно меньше, чем у металлов главной подгруппы

II группы.

Свойства металлов зависят от степени чистоты и степени измельчения металлов. Загрязнение цинка свинцом или мышьяком вызывает появление хрупкости. Цинк становится пластичным при температуре 100–150 оС. Кадмий – ковкий и пластичный металл. Ртуть при обычных условиях существует в жидком состоянии. Металлы подгруппы цинка образуют большое число сплавов с различными металлами. Ртуть со многими металлами (Na, K, Ag, Au, Zn, Cd, Sn, Pb) образует жидкие и твердые сплавы, называемые амальгамами. Амальгамы образуют металлы, как правило,

расположенные близко к ртути в периодической системе.

Биологическая роль и токсичность элементов. Цинк – элемент необходимый для всех растений и животных. Биокомплексы цинка принимают участие во многих биохимических реакциях гидролиза. Ион цинка входит в состав многих металлоферментов, катализирующих гидролиз эфиров и белков. Цинк образует бионеорганический комплекс с инсулином, регулирующим содержание сахара в крови. При недостатке цинка в растениях нарушается белковый и углеводный обмен, тормозится синтез

хлорофилла и витаминов.

Все соединения элементов подгруппы цинка ядовиты. Токсичность соединений II-Б группы увеличивается от цинка к ртути, поэтому особенно ядовиты соединения кадмия и ртути, поскольку они плохо выводятся из организма. Водорастворимые соединения оказывают раздражающее действие на кожу. При попадании внутрь организма они вызывают отравление. Характерными признаками отравления являются головная боль,

набухание и кровоточивость десен, воспаление слюнных и лимфатических узлов. При отравлении соединениями кадмия появляются желудочно-кишечные расстройства, быстрая утомляемость, шум в ушах. Соединения металлов подгруппы Zn могут вызывать нарушение белкового обмена.

Хроническая интоксикация кадмием и ртутью может нарушать минерализацию костей. Это связано с тем, что радиусы кадмия и ртути близки радиусу кальция. Поэтому токсичные элементы могут замещать кальций в костях, в результате снижается прочность костей. Чрезвычайно ядовиты пары самой ртути. Для сбора пролитой металлической ртути используют амальгамированные медные и жестяные пластины и кисточки. Дезактивация проводится обработкой порошкообразной серой или раствором FeCl3.

Применение в медицине

Цинк не входит в состав дипептидаз – ферментов, катализирующих гидролиз дипептидов (веществ, со–стоящих из 2 аминокислот). Цинк образует бионеорга–нический комплекс с инсулином – гормоном, регули–рующим содержание сахара в крови. Потребность человека в цинке полностью удовлетворяется пищевы–ми продуктами: мясными, молочными, яйцами. При недостатке цинка в растениях нарушаются белко–вый и углеводный обмен, тормозится синтез хло–рофилла и витаминов. Дефицит цинка устраняется при использовании цинксодержащих удобрений. Токсич–ность соединений IIB-группы увеличивается от цинка к ртути. Водорастворимые соединения оказывают раз–дражающее действие на кожу, при попадании внутрь организма вызывают отравление. Токсичны и сами ме–таллы – при вдыхании паров цинка (воздуха цинковых производств) появляется «металлическая» лихорадка. Отравление парами ртути в Средние века получило наз–вание «болезнь сумасшедшего шляпочника». Содержа–ние ртути в пищевых продуктах (в морских, как в Япо–нии) приводит к болезни миномата. Токсичность ртути связана с агглютинацией (склеиванием, слипанием) эритроцитов, ингибированием ферментов. Например, сулема вызывает изменение размеров, осмотическую хрупкость и снижение деформируемости эритроцитов, которая необходима для их продвижения по капилля–рам. Токсичность кадмия связана с его сродством к нук–леиновым кислотам. В результате его присоединения к ДНК нарушается ее функционирование.

Хроническая интоксикация кадмием и ртутью может нарушить минерализацию костей. Токсичные элементы могут замещать кальций. Это приводит к образованию апатита несовершенной структуры вследствие искаже–ния параметров кристаллического компонента кост–ной ткани. В результате снижается прочность костей.