[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] И, в заключение
этой недели мы рассмотрим с вами элементы побочной подгруппы
второй группы периодической системы, в которой расположены цинк, кадмий и ртуть.
Начнем, как и в предыдущей группе, с электронной конфигурации.
Для этих элементов электронная конфигурация: (n − 1) d10 ns2.
Какой же из электронов на d-подуровне или на
s-подуровне был последним по заполнению в этих элементах?
То есть к какому семейству их отнести — к d-элементам или к s-элементам?
Конечно, формально это d-элементы, однако,
получить эти элементы в степени окисления +3 абсолютно невозможно.
Дело в том, что потенциал ионизации, то есть энергия, необходимая для того,
чтобы оторвать три электрона, чрезвычайно огромная,
и поэтому максимальная степень окисления, в которой бывают эти элементы, равна +2.
Кроме того, для ртути также известна еще и степень окисления +1 за счет того,
что ртуть склонна образовывать связи ртуть-ртуть.
Как были открыты эти элементы?
Цинк начали производить в Индии еще в XII веке, а еще раньше до нашей эры получали
сплав цинка с медью, который мы используем и по сей день — он называется латунь.
Возможное происхождение названия цинка от немецкого Zinn, что означает олово.
Ртуть — это вообще элемент древности, она известна с 1500 года до нашей эры.
Алхимики считали ртуть царицей металлов,
поскольку ртуть способна растворять многие другие металлы, и они искали способ,
как же с помощью ртути можно превратить любой металл в золото.
Конечно же, это было абсолютно бесперспективно — вы знаете,
что это можно сделать только с помощью ядерных реакций.
Само название ртуть имеет алхимическое происхождение — дело в том,
что ближайшая планета к Солнцу называется Меркурий — Mercury по-английски ртуть.
А вот латинское название hydrargyrum имеет другое происхождение и означает серебряная
вода, что связано с тем, что ртуть — это жидкий при обычных условиях металл.
Отмечу, что из простых веществ, которые образуют элементы периодической системы
химических элементов всего два при обычных условиях находятся в жидком состоянии.
Кадмий был открыт заметно позднее — в ХІХ веке в 1817 году немцем Штромейером.
Естественно, он был открыт в цинковых рудах, поскольку кадмий сопутствует цинку,
и получил свое название от греческого кадмия, что означает цинковая руда.
Как же получают цинк и кадмий в промышленности?
Цинк находится в природе в виде сульфидных минералов, например, ZnS — сфалерит,
или цинковая обманка, а кадмий сопутствует цинку, поэтому первое,
что делают — это обжигают руду, ZnS подвергают обжигу — получают ZnO и SO2.
Дальше с ZnO можно поступить двояко — либо восстанавливать его с
помощью пирометаллургии, то есть при высоких температурах с использованием
восстановителя, чаще всего кокса, то есть угля, при этом получается ZnO и Zn.
Цинк кипит при температуре 1300 °C,
и его потому можно перегонкой отделить от кадмия, точнее выделить кадмий.
Либо с помощью гидрометаллургии — в этом случае ZnO нужно растворить,
добавив серную кислоту, и получить ZnSO4 в растворе,
а затем подвергнуть этот раствор электролизу.
Именно так проводили рафинирование меди.
Тогда на катоде будет происходить восстановление Zn2+ до металлического
цинка.
Как получают ртуть?
Ртуть в природе, как и цинк, находится в сульфидных минералах, например, самый
известный из них HgS — киноварь, либо же встречается в самородном состоянии.
Киновари больше, поэтому ее подвергают обжигу, но при этом в
отличие от цинка получается не оксид ртути, а сама ртуть выделяется — SO2.
Дело в том, что при температуре выше 500 °C оксид ртути разлагается с
образованием металлической ртути и выделением кислорода.
Это один из первых лабораторных способов получения кислорода.
Какими химическими свойствами обладают простые вещества?
Цинк и кадмий — это активные металлы,
они стоят примерно в середине ряда напряжения металлов.
Достаточно мягкие, легкоплавкие, покрыты оксидной пленкой, не реагируют с водой.
А с чем же тогда реагируют?
Это достаточно активные металлы, они легко вступают в реакцию с кислородом, с серой,
с галогенами.
Конечно же, эти металлы реагируют и с кислотами неокислителями,
поскольку стоят в ряду напряжения до водорода с образованием соответствующих
растворимых солей цинка и кадмия и выделением водорода.
Кроме того, цинк может реагировать и с растворами щелочей,
поскольку гидроксид Zn2 — Zn(OH)2 обладает амфотерными свойствами.
В этом случае будет получаться комплекс Zn(OH)42−,
и выделяться водород, а вот кадмий в такую реакцию не вступает,
поскольку кадмий Cd(OH)2 не обладает амфотерными свойствами.
Кислоты-окислители безусловно способны окислить цинк, кадмий и ртуть.
Но давайте посмотрим на ряд напряжений — цинк,
кадмий и ртуть стоят достаточно далеко друг от друга, значит,
существенно отличаются и их восстановительные свойства.
А это означает, что, например, в реакции с разбавленной азотной кислотой мы будем
наблюдать образование различных продуктов восстановления азотной кислоты.
Цинк — наиболее сильный из восстановителей, будет приводить к более
глубокому восстановлению азотной кислоты, и будет образовываться катион аммония,
то есть в растворе будет присутствовать NH4NO3.
А кадмий, обладая меньшей восстановительной силой,
будет восстанавливать азотную кислоту лишь до N2 или N2O.
Ртуть вообще стоит в ряду напряжения после водорода,
является наиболее слабым среди этих металлов восстановителем,
поэтому в реакции с разбавленной азотной кислотой будет выделяться лишь NO,
а с концентрированной, конечно же, NO2.
Давайте сравним между собой соединения цинка и кадмия.
Между ними есть как сходства, так и некоторые различия.
Цинк и кадмий образуют растворимые соли, к ним относятся, например, галогениды,
нитраты, сульфаты, но образуют они и нерастворимые соли.
Важнейшие среди них — это цианид M(CN)2 (белого цвета), ZnS,
то есть сульфит (белого цвета) и сульфид кадмия, он желтого цвета.
Главное же различие в соединениях цинка и кадмия заключается в поведении их в водных
растворах.
Так, например, хлорид цинка в водном растворе подвергается полной
диссоциации с образованием Zn2+ и Cl−.
А вот галогениды кадмия подвергаются лишь частичной диссоциации,
например, CdBr2 диссоциирует с образованием CdBr+ и Br−,
причем степень диссоциации всего лишь 0,5, то есть 50 %,
при этом образующийся бромид может реагировать с CdBr2,
не подвергшемся диссоциации с образованием CdBr3−,
и даже CdBr4 2−, то есть так называемых аутокомплексов.
Вспомните, это поведение очень напоминает образование аутокомплексов в
насыщенных растворах галогенидов меди (II).
Рассмотрим свойства оксидов и гидроксидов цинка, кадмия и ртути.
Отмечу, что ZnO и Zn(OH)2 обладают амфотерными свойствами — это означает,
что они способны реагировать как с кислотами, так и с щелочами, например,
Zn(OH)2 реагирует с серной кислотой с образованием растворимого сульфата цинка.
Также Zn(OH)2 реагирует с гидроксидом натрия с образованием растворимого
гидроксокомплекса Na2[Zn(OH)4] — тетрагидроксоцинкат натрия.
CdO и Cd(OH)2 обладают лишь основными свойствами.
Эти оксид и гидроксид могут реагировать с раствором кислоты,
но не вступают в реакцию с раствором щелочи.
Для ртути Hg2+ неизвестен гидроксид HgH2, известен
только оксид HgO желтого цвета, и для него характерны только основные свойства.
Это означает, что по группе сверху вниз — цинк,
кадмий, ртуть, просиходит увеличение основных свойств.