5.1: Група 12 елементів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 17977

Andrew R. Barron
Rice University via CNX

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Хоча метали групи 12 (Таблиця\(\PageIndex{1}\)) формально є частиною d-блоків елементів з їх положення в Періодичній таблиці, їх електронна конфігурація як в елементарній формі (d ¹⁰ s ²), так і переважна більшість їх сполук (d ¹⁰) - це те, що з основних групових елементів. Загальний ступінь окислення для всіх елементів групи 12 становить +2, а хімія з'єднань цинку і кадмію, зокрема, дуже схожа на аналогічні похідні магнію.

Примітка

IUPAC (Міжнародний союз чистої та прикладної хімії) визначення перехідного металу (або перехідного елемента) стверджує, що перехідний метал - це «елемент, атом якого має неповну d підоболонку, або який може призвести до катіонів з неповною d підоболонкою». Таким чином, елементи групи 12 не є перехідними металами.

Елемент	Символ	Ім'я
Цинк	Zn	Від німецького zinke, що означає зубоподібний, загострений або зубчастий (металеві кристали цинку мають голчастий вигляд), або означає олово подібне через його відношення до німецького слова zinn, що означає олово, або від перського сенг значення камінь.
Кадмій	Cd	Від латинського cadmia, що означає каламін
Меркурій	Hg	Від латинського hydrargyrum, що означає водянисте або рідке срібло

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Виведення назв металів групи 12.

Діскавері

Цинк

Артефакти з високим вмістом цинку (аж 90%) любили бути старше 2500 років, і, можливо, старше. Як таке зрозуміло, що кілька культур мали знання про роботу зі сплавами цинку, зокрема латуні (сплав цинк/мідь). Цинкові копальні в Заварі, поблизу Удайпура в Індії, діяли з кінця ^1-го тисячоліття до нашої ери. Однак виплавка металевого цинку, схоже, почалася приблизно в 12 ^{столітті} нашої ери.

Про виділення очищеного металевого цинку повідомили одночасно кілька людей. Видобуток цинку з його оксиду (ZnO) повідомлялося ще в 1668 році, тоді як Джон Лейн, як передбачається, виплавив цинк у 1726 році. Перший патент на виплавку цинку був наданий англійському металургу Вільяму Чемпіону в 1738 році; однак, кредит за відкриття чистого металевого цинку часто надається Андреасу Маргграфу в 1746 році.

Гравюра німецького хіміка Андреаса Сигізмунда Маргграфа (1709 —1782).

Кадмій

Кадмій був відкритий в 1817 році Фрідріхом Стромейером як домішка в каламін (карбонат цинку, ZnCo ₃). Стромейер спостерігав, що нечисті зразки каламіну змінювали колір при нагріванні, але чистий каламін не робив. Врешті-решт він зміг виділити кадмій метал шляхом випалу і відновлення сульфіду.

Німецький хімік Фрідріх Стромейєр (1776 - 1835).

Меркурій

Меркурій був відомий стародавнім китайцям і був знайдений в єгипетських гробницях, що датуються 1500 роком до нашої ери. У Китаї та Тибеті вважалося, що використання ртуті продовжує життя, загоює переломи та підтримує в цілому хороше здоров'я. Стародавні греки використовували ртуть в мазі; стародавні єгиптяни і римляни використовували її в косметиці, яка іноді деформувала обличчя.

достаток

Елементи групи 12 в основному зустрічаються в сульфідних рудах, однак, як і у їх аналогів групи 2, карбонатні відомі, але не настільки економічно вигідні. Основною рудою, що містить цинк, є цинкова суміш (також відома як сфалерит), яка є сульфідом цинку (ZnS). Інші важливі руди включають, Вурцит (ZnS), смітсоніт (карбонат цинку, ZnCo ₃) та геміморфіт (каламін, Zn ₂ SiO ₄). Основна форма карбонату цинку (гідроцинцит, Zn ₅ (CO ₃) ₂ (OH) ₆) також видобувається там, де економічно доцільно. Основним джерелом кадмію є домішка в цинковій суміші; однак, є кілька інших руд, відомих, наприклад, кадмоселіт (селенід кадмію, CdSe) і отавіт (CdCo ₃). Сульфід ртуті (кінавар, HGs) є основним джерелом ртуті, і насправді металеві краплі рідкої ртуті часто зустрічаються в руді. Земне достаток елементів групи 12 наведено в табл\(\PageIndex{2}\).


Елемент	Наземне достаток (проміле)
Zn	75 (земна кора), 64 (грунт), 30 х 10 ^-6 (морська вода)
Cd	0,1 (земна кора), 1 (грунт), 1 х 10 ^-6 (морська вода)
Hg	50 х 10 ^-6 (земна кора), 2 х 10 ^-8 (грунт), 40 х 10 ^-12 (морська вода)

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Велика кількість елементів групи 12.

Ізотопи

Природні рясні ізотопи металів групи 12 наведені в табл\(\PageIndex{3}\).


Ізотоп	Природний достаток (%)
Цинк-64	48.6
Цинк-66	27.9
Цинк-67	4.1
Цинк-68	18.8
Цинк-70	0.6
Кадмій-106 *	1,25
Кадмій-108 *	0,89
Кадмій-110	12.49
Кадмій-111	12.8
Кадмій-112	24.13
Кадмій-113 *	12.22
Кадмій-114 *	28.73
Кадмій-116 *	7.49
Меркурій-196	0,15
Меркурій-198	9.97
Меркурій-199	16.87
Меркурій-200	23.1
Меркурій-201	13.18
Меркурій-202	29.86
Меркурій-204	6.87

Таблиця\(\PageIndex{3}\): Велика кількість основних (несинтетичних) ізотопів металів групи 12. Ізотопи, позначені знаком*, є радіоактивними.

Охарактеризовано багато радіоізотопів цинку. Цинк-65, який має період напіввиведення 244 дні, є найбільш довгоживучим ізотопом, за яким слідують ⁷² Zn з періодом напіввиведення 46,5 годин. Найбільш поширеним режимом розпаду ізотопу цинку з числом маси нижче 64 є захоплення електронів, що виробляє ізотоп міді, (Рівняння 5.1.1).

\[ ^{30}_n\text{Zn} + \text{e}^- \rightarrow ^{29}_n\text{Cu}\]

Найбільш поширеним режимом розпаду ізотопу цинку з числом маси вище 64 є бета-розпад (β—), який виробляє ізотоп галію, (Рівняння 5.1.2).

\[ ^{30}_n\text{Zn} \rightarrow ^{31}_n\text{Ga} + \text{e}^- + \nu_e\]

Природний кадмій складається з 8 ізотопів. Для двох з них спостерігалася природна радіоактивність, а три інші прогнозуються бути радіоактивними, але їх розпад не спостерігається через надзвичайно тривалий час напіврозпаду. Два природних радіоактивних ізотопи - ¹¹³ Cd (період напіврозпаду = 7,7 х 10 ¹⁵ років) і ¹¹⁶ Cd (період напіврозпаду = 2,9 х 10 ¹⁹ років).

Існує сім стабільних ізотопів ртуті з найтривалішими радіоізотопами - ¹⁹⁴ Hg (період напіввиведення = 444 роки) і ²⁰³ Hg (період напіввиведення = 47 днів). ¹⁹⁹ ^{Hg і ²⁰¹ Hg є найбільш часто вивченими ЯМР-активними ядрами, що мають спини _^1/2 і _3/2 відповідно.}

Властивості

Короткий зміст фізичних властивостей металів групи 12 наведено в табл\(\PageIndex{4}\). Через n s електронів у групі 12 метали щільно пов'язані, а отже, відносно недоступні для металевого зв'язку, метали леткі з низькими температурами кипіння, порівняно з металами групи 2.


Елемент	Мп (°C)	Ап (°C)	Щільність (г/см ³)
Zn	419.53	907	7.14
Cd	321.07	767	8.65
Hg	-38.83	356.73	13.534 (рідка)

Таблиця\(\PageIndex{4}\): Вибрані фізичні властивості металів групи 12.

Найбільш помітною аномалією металів групи 12 є низька температура плавлення ртуті в порівнянні з цинком і кадмієм. Для того, щоб повністю зрозуміти причини низької температури плавлення ртуті потрібна квантова фізика; однак ключовим моментом є те, що ртуть має унікальну електронну конфігурацію, тобто [Xe] 5 d 6 с. Стійкість 6 s оболонки обумовлена наявністю заповненої оболонки 4 f, оскільки будь-яка f оболонка погано екранує ядерний заряд, що збільшує привабливу кулонівську взаємодію 6-ї оболонки і ядра. Така конфігурація сильно чинить опір видаленню електрона і як така ртуть поводиться аналогічно благородним газовим елементам, які утворюють слабо зв'язані і, таким чином, легко плавляться тверді речовини.

Промислове виробництво

Переважна більшість (95%) цинку видобувається з сульфідних руд цинку. Цинк найчастіше змішують з міддю, свинцем, залізом. Метал цинку отримують шляхом видобутку, при якому руда подрібнюється, а потім мінерали відокремлюються від породи (комерційно непридатна мінеральна речовина) пінною флотацією (процес вибіркового відділення гідрофобних матеріалів від гідрофільних). Обжарка перетворює отриманий концентрат сульфіду цинку в оксид цинку (рівняння 5.1.3). Зниження оксиду цинку вуглецем (5.1.4) або чадним газом (5.1.5) при 950 °С в метал з подальшою дистиляцією металу. Так як кадмій є звичайною домішкою в цинкових рудах, його найчастіше виділяють під час виробництва цинку. Кадмій виділяють з металу цинку шляхом вакуумної дистиляції, якщо цинк виплавляється, або сульфат кадмію випадає в осад з розчину електролізу.

\[ \text{2 ZnS + 3 O}_2 \rightarrow \text{2 ZnO + 2 SO}_2 \]

\[ \text{2 ZnO + C} \rightarrow \text{2 Zn + CO}_2\]

\[ \text{2 ZnO + 2 CO} \rightarrow \text{2 Zn + 2 CO}\]

Ртуть видобувається шляхом нагрівання кіновару (HG) в струмі повітря, рівняння, і конденсації пари.

\[ \text{HgS + O}_2 \rightarrow \text{Hg + SO}_2\]