11.2. Элементы iib-подгруппы (подгруппа цинка)
Цинк, кадмий и ртуть имеют общую электронную формулу (n-1)d10ns2 и завершают ряды d-элементов. Устойчивость завершенной d-оболочки обуславливает проявление этими элементами степени окисления +2. Высокая устойчивость 6s2-электронной пары накладывает отпечаток на все свойства ртути и обусловливает её существенное отличие от цинка и кадмия. Например, ртуть может проявлять степень окисления +1 за счет образования соединений кластерного типа с катионом [Hg-Hg]2+. Завершенность предвнешнего уровня роднит элементы подгруппы цинка с непереходными металлами. В тоже время цинк, кадмий и ртуть подобно переходным металлам склонны к образованию координационных соединений.
Цинк - распространенный элемент (0,0015 мол. %). Основные минералы цинка: цинковая обманка или сфалерит - ZnS, смитсонит - ZnCO3. Кадмий и ртуть - элементы редкие, но образуют рудные месторождения: гринокит - CdS, киноварь - HgS. Ртуть встречается в самородном состоянии.
В виде простых веществ цинк, кадмий и ртуть - серебристо-белые металлы, ртуть при комнатной температуре находится в жидком состоянии.
|
Свойства |
Zn |
Cd |
Hg |
|
Плотность, г/см3 |
7,1 |
8,7 |
13,55 |
|
Т.пл., С |
420 |
321 |
-38,9 |
Получение цинка и кадмия из сульфидных руд проводится в две стадии: окислительный обжиг, восстановление из оксидов углем:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SО2;
ZnO + C = Zn + CО
Из-за малой устойчивости оксида получение ртути осуществляется в одну стадию:
HgS + O2 = Hg + SО2;
Металлический цинк в основном применяется для нанесения защитных покрытий (цинкование) и производства сплавов, основным из которых является латунь (медь + цинк). Значительное количество цинка используется для получения других металлов металлотермическим методом. Цинк - биометалл, входит в состав инсулина (гормона поджелудочной железы) и некоторых ферментов, например, карбоангидразы.
Кадмий используют в атомной энергетике как поглотитель нейтронов (регулирующие стержни), а также для производства легкоплавких и типографских сплавов. Ртуть применяют в измерительных приборах, установках для собирания газов, электролизерах (жидкий катод), а также в металлургии для извлечения золота и серебра методом амальгамирования.
Химические свойства. Цинк - довольно активный металл. При нагревании он легко окисляется кислородом, галогенами и другими неметаллами, образуя бинарные соединения:
При температуре 150 С цинк реагирует с парами воды с выделением водорода:
t
Zn + H2O = ZnO + H2
По отношению к неметаллам кадмий и ртуть напоминают цинк. Ртуть отличается большим сродством к сере и йоду, с которыми она реагирует уже при комнатной температуре. Азот, фосфор, углерод, кремний и бор с ртутью непосредственно не взаимодействуют. Ртуть растворяет многие металлы с образованием жидких или твердых сплавов - амальгам.
В ряду стандартных электродных потенциалов цинк и кадмий стоят левее водорода, поэтому они энергично растворяются в растворах кислот (кадмий менее активен). Ртуть в ряду стандартных электродных потенциалов стоит правее водорода, поэтому растворяется только в кислотах-окислителях по аниону, например:
Hg + 4HNO3(конц) = Hg(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O;
6Hg + 8HNO3(разб) = 3Hg2(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Цинк, в отличие от кадмия и ртути, легко растворим в щелочах:
Zn + 2KOH + 2H2O = K2[Zn(OH)4] + H2