Элементы подгруппы цинка

Подгруппа цинка включает три элемента: цинк (Zn), кадмий (Cd) и ртуть (Hg). Эти элементы принадлежат к группе 12 периодической системы, характеризуются слабо выраженной металличностью в ряду d-элементов и формируют соединения преимущественно степени окисления +2. Их атомы имеют завершённую d-подобную оболочку (d¹⁰), что определяет многие химические свойства: слабую способность к координации, низкую электроотрицательность и тенденцию к образованию ионных соединений.

Элементы подгруппы цинка обладают следующими общими физико-химическими свойствами:

  • Металлический характер: выражен слабее, чем у переходных металлов, особенно у цинка и кадмия; ртуть проявляет уникальные жидкотекучие свойства при комнатной температуре.
  • Твёрдость и плотность: увеличиваются с ростом атомного номера; ртуть — исключение, жидкий металл.
  • Температуры плавления и кипения: для цинка и кадмия — относительно низкие; для ртути — крайне низкая температура плавления.
  • Электронная конфигурация: ns²(n-1)d¹⁰, что определяет отсутствие переменных степеней окисления, характерных для типичных d-металлов.

Химические свойства

Взаимодействие с кислородом

Цинк, кадмий и ртуть окисляются при нагревании, образуя оксиды:

  • Zn + ½ O₂ → ZnO
  • Cd + ½ O₂ → CdO
  • Hg + O₂ → HgO (разлагается при нагревании)

Оксиды являются основными или амфотерными: ZnO и CdO проявляют амфотерные свойства, растворяясь как в кислотах, так и в щелочах, в то время как HgO ведёт себя преимущественно как основный оксид.

Взаимодействие с кислотами

Элементы подгруппы цинка реагируют с немногими кислотами, образуя соли и выделяя водород:

  • Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
  • Cd + 2HCl → CdCl₂ + H₂↑

Ртуть почти не реагирует с кислотами при нормальных условиях из-за низкой реакционной способности.

Взаимодействие с щелочами

Zn и Cd образуют комплексные гидроксидные анионы в щелочной среде:

  • Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄]
  • Cd + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Cd(OH)₄]

Ртуть образует менее устойчивые гидроксидные комплексы.

Соли и комплексные соединения

Элементы подгруппы цинка формируют солёные и комплексные соединения преимущественно степени окисления +2:

  • Цинк: ZnSO₄, ZnCl₂, Zn(OH)₂, тетрахлороцинкаты.
  • Кадмий: CdSO₄, CdCl₂, Cd(OH)₂, комплексные анионы Cd(CN)₄²⁻.
  • Ртуть: HgCl₂, HgSO₄, HgO, амальгамы с металлами.

Комплексообразование определяется электронной конфигурацией d¹⁰, что ограничивает координацию и стабильность соединений, но позволяет формировать линейные и тетраэдрические комплексы.

Физические особенности

  • Цинк: твёрдый металл голубовато-белого цвета, температура плавления 419,5 °C, плотность 7,14 г/см³.
  • Кадмий: мягкий, серебристо-белый металл, плавится при 321 °C, плотность 8,65 г/см³, токсичен.
  • Ртуть: жидкая при комнатной температуре, плотность 13,6 г/см³, низкая температура плавления −38,8 °C.

Эти особенности обусловлены металлическими связями и особенностями кристаллической решётки: гексагональная для Zn и Cd, ромбическая для Hg.

Биологическая роль и токсичность

  • Цинк: необходимый микроэлемент, участвует в ферментативных системах и обмене веществ.
  • Кадмий: токсичен, не имеет биологической функции, кумулируется в организме.
  • Ртуть: крайне токсична, вызывает тяжелые поражения нервной системы; встречается в виде органических соединений (метилртуть).

Применение элементов подгруппы цинка

  • Цинк: гальванизация, производство сплавов (латунь, бронза), катализаторы.
  • Кадмий: элементы Ni-Cd батарей, стабилизаторы пластмасс, пигменты.
  • Ртуть: термометры, барометры, амальгамы для стоматологии, катализаторы органического синтеза.

Характеристика химических тенденций подгруппы

  • Степень окисления +2 универсальна для всех элементов подгруппы.
  • Способность к амфотерности уменьшается сверху вниз (ZnO > CdO > HgO).
  • Токсичность и биологическая активность увеличиваются вниз по группе: Zn < Cd < Hg.
  • Металлические свойства возрастают с увеличением атомного номера, кроме ртути, которая проявляет жидкость из-за слабой металлической связи.

Итоговые закономерности

Элементы подгруппы цинка демонстрируют переход от твёрдого металла к жидкому, ограниченное комплексообразование, преимущественно основный характер оксидов, высокую электроотрицательность и склонность к образованию устойчивых ионов M²⁺. Их химия определяется завершённой d¹⁰-конфигурацией, что делает подгруппу специфическим сочетанием металлических и амфотерных свойств с уникальными физико-химическими особенностями, важными для промышленности и биологии.

Оглавление