Изучение свойств цинка, кадмия, ртути и их соединений Основные теоретические положения

Цинк, кадмий и ртуть являются элементами побочной подгруппы II груп­пы Периодической системы. Для атомов данных элементов характерна следующая электронная конфигурация последнего и предпоследнего слоев (n–1) d¹⁰ ns², тогда как у щелочноземельных металлов имеется восемь электронов на предпоследнем слое. Отличие в электронном строе­нии приводит к существенным различиям свойств цинка, кадмия, ртути и эле­ментов II А подгруппы. Так, элементы подгруппы цинка менее активны, труднее окисляются и проявляют в большей степени слабовыраженные метал­лические свойства. При переходе от цинка к кадмию и ртути химическая ак­тивность элементов снижается.

Цинк и кадмий представляют собой серебристо-белые металлы, окисляемые на воздухе. При этом их поверхность становится матовой. Ртуть при обычных условиях – жидкость и не окисляется кислородом воздуха.

Цинк и кадмий взаимодействуют с разбавленной серной и соляной кислотами. В концентрированной серной кислоте кадмий растворяется с образованием SO₂, а цинк, в зависимости от температурных условий, восстанавливает серную ки­слоту до SO₂, S или H₂S. С азотной кислотой цинк и кадмий, в зависимости от концентрации кислоты, взаимодействуют с образованием различных окси­дов азота.

Ртуть реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами при нагревании. При недостатке кислоты образуются соли одновалентной ртути, а при избытке кислоты получаются соли двухвалентной ртути.

В отличие от кадмия и ртути, цинк растворяется также в концентрирован­ных растворах щелочей с образованием цинкатов, вытесняя из раствора водород.

С кислородом цинк и кадмий образуют оксиды состава ZnO и CdO. Соответст­вующие им гидроксиды проявляют различные свойства: Zn(OH)₂ – амфотерен, Cd(OH)₂ – основной гидроксид. Ртуть с кислородом образует два оксида: HgO жёлтого цвета (который при нагревании изменяет окраску на красную) и Hg₂O чёрного цвета. Соответствующие им гидроксиды неустойчивы и сразу же раз­лагаются на оксид и воду.

В химических реакциях атомы металлов подгруппы цинка отдают два внеш­них электрона, поэтому в образующихся соединениях степень окисления металлов равна +2. В отличие от цинка и кадмия, ртуть имеет также соединения в степени окисления +1 , содержащие катион состава [Hg₂]²⁺. Эти соединения можно получить, например, по реакции

Hg + Hg(NO₃)₂ = Hg₂(NO₃)₂ .

При переходе от цинка к ртути усиливается поляризующее действие и поля­ризуемость двухзарядных катионов этих элементов. В результате чего ослабевает ионный и усиливается ковалентный характер связи в соединениях. Наиболь­шую склонность к образованию ковалентных соединений проявляет ртуть. Зна­чительный ковалентный характер связи в соединениях цинка, кадмия и ртути обусловливает уменьшение растворимости их соединений и усиление их гид-ролизуемости.

Отличительным свойством цинка, кадмия и ртути является склонность к об­разованию комплексных соединений. Ионы Zn²⁺ и Cd²⁺ легко связываются в аммиачные комплексы. Например

ZnCl₂ + 4NH₃ = [Zn(NH₃)₄]Cl₂ .

Образование аммиачных комплексов ионов ртути (II) возможно лишь в концентрированных растворах солей аммония. При действии же водного рас­твора аммиака на соли ртути или ее оксид образуются амидные соединения, со­держащие связь Hg — N

HgCl₂ + 2NH₃ = [HgNH₂]Cl¯ + NH₄C1 .

Выпадающее в осадок соединение называют «неплавким белым преципита­том», в отличие от «плавкого белого преципитата» [Hg(NH₃)₂]Cl₂ , который получается лишь в присутствии избытка хлорида аммония и плавится без раз­ложения.

При добавлении к раствору нитрата ртути (II) йодида калия осаждается иодид ртути (II) красно-оранжевого цвета

Hg(NO₃)₂ + 2KI = HgI₂¯ + 2KNO₃ ,

который растворяется в избытке йодида калия с образованием комплексного соединения

HgI₂ + 2KI = K₂[HgI₄] .

Щелочной раствор тетрайодомеркурата (II) калия называется реактивом Несслера. Он используется для обнаружения аммиака и солей аммония

NH₃ + 2K₂[HgI₄] + 3KОH = [Hg₂N]I·H₂O¯ + 7KI + 2H₂O .

Выпадающий в осадок йодид основания Миллона имеет бурую окраску. Основание Миллона получают при взаимодействии оксида ртути с аммиаком

2HgO + NH₃ + Н₂О = [Hg₂N]OH·2Н₂О .

Нитраты, сульфаты и ацетаты цинка, кадмия и ртути хорошо растворимы в воде. Растворимость галогенидов уменьшается при переходе от цинка к ртути. Хлорид ртути (II), называемый сулемой, растворяется в воде. В очень разбавленных растворах HgCl₂ гидролизуется с образованием оксохлорида ртути (II)

2HgCl₂ + Н₂О  Сl — Hg — О — Hg — Cl + 2HC1 .

Хлорид ртути (I) Hg₂Cl₂ (иначе каломель) в воде нерастворим.

Наименьшей растворимостью обладают сульфиды цинка, кадмия и ртути. Их растворимость уменьшается при переходе от сульфида цинка к сульфиду ртути. Сульфид рту­ти растворяется лишь в царской водке и в избытке растворов сульфидов ще­лочных металлов. Например

HgS + K₂S = K₂[HgS₂] .

Комплексные соединения ртути (I) неустойчивы, они разлагаются с образо­ванием комплексов ртути (II) и осаждением черной элементной ртути

Hg₂I₂ + 2KI = Hg¯ + K₂[HgI₄]

Hg₂(NO₃)₂ + 2K₂S = Hg¯ + K₂[HgS₂] + 2KNO₃

Соединения цинка, кадмия и особенно ртути очень ядовиты. Работать с ними следует очень осторожно.