Главная Обратная связь

Дисциплины:






Хімічні елементи ІІ В групи



Загальна характеристика. До хімічних елементів ІІ В групи належать Zn цинк, Cd кадмій та Hg меркурій, атоми яких мають аналогічну електронну структуру зовнішнього та підзовнішнього енергетичних рівнів (відповідно ) і кожен у своєму періоді є останнім d-елементом. Отже, в атомів Zn; Cd i Hg завершена (n-1) електронна конфігурація, що відрізняє їх від інших d-елементів і робить частково схожими з р-елементами великих періодів. Атомам хімічних елементів цієї групи притаманний ступінь окиснення +2 за рахунок S-електронів зовнішнього енергетичного рівня (відповідно ). Крім того, (n-1)d-електрони атомів цинку і його аналогів, як і інших d-елементів, здатні брати участь за донорно-акцепторним (дативним) механізмом в утворенні хімічних зв′язків. При цьому в ряді Zn-Cd-Hg електроннодонорна здатність атомів Zn(II); Cd(II); Hg(II) збільшується.

Висока стійкість 6s2-електронної пари в атомів меркурію зумовлює значну відмінність його від цинку і кадмію. Зокрема, більшість сполук меркурію менш стійка, ніж сполуки цинку і кадмію. На відміну від цинку і кадмію, атомам меркурію властиво утворювати найпростіші кластерні сполуки ; Cl-Hg-Hg-Cl тощо), в яких атоми меркурію безпосередньо сполучені між собою, мають ступінь окиснення +1, а ковалентність – два.

Поширення в природі. Цинк як хімічний елемент у природі існує у вигляді п′яти ізотопів, кадмій – восьми, меркурій – семи. Сполуки цинку, кадмію і меркурію містяться переважно у поліметалічних рудах.

Найважливішим мінералом цинку є суфалерит (цинкова обманка) ZnS, який входить до складу поліметалічних руд. Важливою рудою цинку є також смітсоніт ZnCO₃. У цих рудах містяться також сполуки плюмбуму, купруму тощо.

Кадмій як хімічний елемент у природі є супутником цинку. Рідше трапляються самостійні мінерали кадмію, наприклад гринокіт CdS.

Найважливішим мінералом меркурію є кіновар HgS, який є складовою частиною поліметалічних руд.

Добування. Цинкові концентрати з масовою часткою ZnS 50 -60% випалюють:

після чого цинк відновлюють коксом за температури 1200 – 1300°С:

Для переробки бідних на цинк руд використовують гідрометалургічний спосіб, за яким руду після випалювання обробляють розбавленим розчином сульфатної кислоти:

Розчин піддають електролізу ,на катоді, що виготовлений із алюмінію, виділяється металічний цинк.

Кадмій, який є супутником цинку, виділяють із розчинів відновленням його цинковим пилом:

Для добування ртуті руди меркурію піддають випалюванню.

При випалюванні утворюється металічна ртуть, оскільки меркурій (ІІ)оксид за високих температур нестійкий:



Фізичні властивості. Цинк, кадмій і ртуть – сріблясто-білі метали з ледь помітним блакитним відтінком. У повітрі цинк і кадмій покриваються оксидними плівками і тьмяніють. Ці метали вирізняються легкоплавністю, ртуть за звичайних умов перебуває у рідкому стані. Найбільшою густиною відзначається ртуть (13,55г/ ), найменшою – цинк (7,13г/ ).

У ряді Zn-Cd-Hg температури плавлення простих речовин знижуються (відповідно 419,5; 321; -38.9°C).

Хімічні властивості. Перш за все, привертають увагу послаблення відновних властивостей металів від цинку до ртуті, що спостерігалося й в інших групах d-елементів.

Цинк, кадмій і ртуть при нагріванні взаємодіють з багатьма неметалами:

;

;

Взаємодія ртуті з киснем оборотна: за температури 300°С утворюються переважно меркурій(ІІ)оксид, а за температури 400°С він уже переважно розкладається:

Зауважимо, що у вологому повітрі цинк і кадмій покриваються стійкою плівкою оксидів та гідроксокарбонатів. З галогенами цинк і кадмій у вологому повітрі повільно реагують, реакції відбуваються значно швидше при нагріванні. За звичайних умов рідка ртуть добре реагує з порошком сірки, що використовують для знешкодження розлитої ртуті у приміщенні. Бо пара ртуті є шкідливою для організму людини.

Цинк і кадмій реагують з розчинами кислот, витісняють при цьому водень:

а спрощено:

а спрощено

Ртуть з розчинами цих кислот не взаємодіє.

З нітратною кислотою реагують усі метали цієї групи, причому зі зміною природи металу в ряді Zn-Cd-Hg природа утворених продуктів змінюється не лише з послабленням відновних властивостей металів, а й тому, що атоми меркурію можуть окиснюватися до ступенів окиснення +1 і +2. Солі меркурію(ІІ) утворюються за надлишку нітратної кислоти, причому розчин нітратної кислоти має бути концентрованим, або не дуже розбавленим:

Зауважимо, що в останній реакції спочатку утворюється , який після відновлюється надлишком ртуті до :

 

 

Цинк і кадмій (Me) реагують з нітратною кислотою будь-якої концентрації, залежно від концентрації кислоти утворюються продукти її відновлення: NO₂, NO, N₂O, N , NH₄NO₃:

Цинк реагує також з концентрованим водним розчином лугів:

Якщо при взаємодії водних розчинів кислот з Zn, Cd, Hg утворюються аква- або акваацидокомплекси, то при реакції цинку з водними розчинами лугів утворюються гідроксо- або аквагідроксокомплекси.

Цинк, кадмій, і ртуть можуть витісняти із солей метали, що в ряді напруг стоять після них:

Цинк може відновлювати аніони – окисники:

Сполуки цинку(ІІ), кадмію(ІІ), меркурію(ІІ). Оскільки атоми цинку і кадмію у сполуках мають ступені окиснення тільки +2, то біля символів чи назв цих хімічних елементів у сполуках позначення «(ІІ)» опустимо.

З воднем цинк, кадмій, і ртуть безпосередньо не взаємодіють, але в результаті реакції йодидів цих металів MeI₂ з Li в ефірному розчині утворюються гідриди цих металів:

Гідриди ZnH₂, CdH₂, HgH - тверді нестійкі речовини, їх стійкість зменшується від до HgH . Температури розкладу цих речовин становлять відповідно 90, -20 і -125°С.

Оксид MeO можна одержати взаємодією простих речовин (про це йшла вже мова), а також термічним розкладом оксигеномісних сполук цинку та кадмію:

Меркурій (ІІ) оксид утворюється при взаємодії лугів з водними розчинами солей меркурію(ІІ), оскільки меркурій(ІІ) гідроксид нестійкий:

Продуктами реакції солей цинку та кадмію з водними розчинами лугів, на віжміну від меркурію, є гідроксиди:

Цинк оксид ZnO – біла тугоплавка речовина, кадмій оксид CdO – чорна кристалічна речовина, при нагріванні до 700°С сублімує і розкладається на прості речовини:

Меркурій(ІІ) оксид HgO можна одержувати у вигляді жовтої та червоної модифікації. Обидві модифікації мають однакову будову, але у червоної більші за розміром кристали. Продуктами реакції солей меркурію(ІІ) з водними розчинами лугів є жовта модифікація, а ртуті з киснем (за температури 300°С)- червона. Жовта модифікація HgO за температури 300°С переходить у червону, а за температури 400°С розкладаються на прості речовини.

Цинк оксид і цинк гідроксид мають амфотерні властивості. Вони, реагують з кислотами, утворюють аква- та частково аквацидокомплекси, а з лугами - аквагідроксо-, гідроксокомплекси:

При сплавленні з лугами ZnO і Zn(OH)₂ утворюють солі:

Подібна картина спостерігається при прожарюванні їх з основними оксидами:

Кадмій гідроксид Cd(OH)₂ з розбавленими розчинами лугів практично не взаємодіє, але при нагріванні з концентрованими розчинами лугів Cd(OH)₂, що є поліядерним аквагідроксокомплексом, перетворюється в моноядерні аквагідроксокомплекси:

При додаванні води цей комплекс повністю руйнується:

Аналогічні гідроксокомплекси меркурію(ІІ) не одержано.

Зауважимо, що у водних розчинах солей цинку, кадмію, меркурію(ІІ) існують тільки аква- або акваацидокомплексні іони: ; ; ; тощо. Від цинку до меркурію(ІІ) здатність утворювати аквакомплекси зменшується.

Солі цинку, кадмію та меркурію(ІІ) у водних розчинах гідролізують. Запишемо спрощено ці процеси:

Якщо при розчиненні у воді солей цинку і кадмію переважно відбувається в незначній мірі перша стадія гідролізу, то при розчиненні солей меркурію(ІІ) утворюються нерозчинні оксолі – поліядерні комплекси. Щоб уникнути цього солі меркурію(ІІ) завжди розчиняють у розбавлених розчинах відповідних кислот.

Галогеніди цинку, кадмію та меркурію(ІІ) можна одержати при взаємодії цих металів з галогенами або дією гідроген галогенідів на їх оксиди, гідроксиди, деякі солі, метали (цинк і кадмій):

Використовують реакції обміну солей цих металів з іншими солями. Особливо зручний цей спосіб для одержання нерозчинних HgBr₂ та HgJ₂:

Галогеніди цинку, кадмію та меркурію(ІІ) – білі кристалічні речовини, лише меркурій(ІІ) йодид HgI₂ має яскраво-червоне забарвлення.

Молекули MeГ₂, що існують у газовій фазі, лінійні внаслідок sp-гібридизації орбіталей атомів Zn, Cd і Hg.

Привертає увагу дуже висока розчинність цинк хлориду, броміду та йодиду, хоча цинк флуорид у воді практично не розчиняється. При переході до кадмію та меркурію(ІІ) розчинність флуоридів цих металів зростає, а інших галогенів – зменшується: меркурій(ІІ) флуорид розчиняється у воді, хоча сильно гідролізує, меркурій(ІІ) бромід HgBr₂ - малорозчинний, а меркурій(ІІ) йодид HgI₂ - не розчиняється у воді.

Цікаві особливості має меркурій(ІІ) хлорид HgCl₂(сулема): вона добре розчиняється у воді, але на відміну від переважної більшості інших солей меркурію(ІІ), не утворює іонів.

До нерозчинних солей цинку , кадмію меркурію(ІІ) належать сульфіди. Меркурій(ІІ) сульфід HgS існує у двох модифікаціях чорній і червоній. Чорна модифікація HgS утворюється при реакціях обміну в розчинах:

Внаслідок сублімації за високої температури вона перетворюється у червону.

Розчинність ZnS, CdS і HgS у воді дуже мала і зменшується від ZnS до HgS. Тому ZnS розчиняється у розбавлених розчинах соляної кислоти, CdS реагує тільки з достатньо концентрованою HCl, HgS – лише з досить концентрованою соляною кислотою при нагріванні:

У розчинах чи кристалах цинк, кадмій і меркурій(ІІ), як правило, існують у вигляді моноядерних або поліядерних комплексних сполук. Найхарактерніші координаційні числа і квантовомеханічна валентність за методом валентних зв`язків для атомів цинку є 4(sp³-гібридизація орбіталей), для атомів кадмію – 4 і 6(sp³- та sp³d²-гібридизації орбіталей), для атомів меркурію(ІІ) – 2; 4; 6(sp-, sp³- та sp³d²-гібридизації орбіталей).

Навіть в тому разі, коли сполука кадмію має склад CdCl₂, 2NH₃, атоми кадмію перебувають в октаедричному оточенні двох атомів нітрогену і чотирьох атомів хлору:

У водних розчинах за умови низької концентрації аміаку можуть існувати також акваамінокомплекси: та інші.

Меркурій(ІІ) може утворювати тетраамінні комплекси тільки у розчинах , які містять у надлишку концентрований розчин аміаку і солей амонію:

Cтійкішими є комплекси меркурію (ІІ) з координаційним числом атома Hg(ІІ) рівному 2. Так при дії на розчин HgCl₂, що містить також NH₄Cl, аміаку, утворюється осад:

У розчинах, де іони відсутні, утворюється осад меркурій(ІІ) амідохлориду :

Сполуки меркурію(І). Число сполук меркурію(І) досить незначне. Відомі лише різні солі. Оксид, гідроксид меркурію(І) не одержано.

Як уже зазначалося раніше меркурій(І) нітрат можна одержати дією розчину нітратної кислоти (не дуже розбавленої) на надлишок ртуті. Сполуки меркурію(І) утворюються також при м`якому відновленні солей меркурію(ІІ):

Меркурій (І) нітрат - сильний електроліт , добре розчиняється у воді. У водному розчині і у кристалічному стані . 2H₂O існує у вигляді найпростішого кластерного аквакомплексу:

Меркурій(І) хлорид (каломель) – нерозчинна біла речовина, яка утворюється при взаємодії розчину з розчинами хлоридів чи соляної кислоти:

Розчинні солі меркурію (І) гідролізують, внаслідок чого утворюються осади оксолей:

Для пригнічення гідролізу розчини солей меркурію(І) містять додані відповідні кислоти (HNO₃; HClO₄ тощо).

Під дією лугів на розчини солей меркурію(І) відбувається реакція диспропорціювання:

При додаванні до білого осадку Hg₂Cl₂ аміаку осад чорніє:

Під дією розчинних йодидів на осад Hg₂J₂ також утворюється металічна ртуть:

При взаємодії з окисниками сполуки меркурію(І) повністю перетворюються у сполуки меркурію(ІІ):

а при дії відновників – у металічну ртуть:

Біологічна роль та застосування в медицині сполук цинку, кадмію та меркурію

Цинк як хімічний елемент належить до біоелементів, а за вмістом його нуклідів в організмі людини – до мікроелементів. До організму людини сполуки цинку потрапляють як з рослинною, так і з тваринною їжею. Біологічна роль сполук цинку пов`язана з діяльністю деяких ферментів, які беруть участь в обміні вуглеводів і жирів, у процесах розмноження тощо.

При нестачі сполук цинку в організмі виникають досить серйозні захворювання: цироз печінки, ураження шкіри та очей.

Із сполук цинку в медицині використовують: цинк сульфат ZnSO₄ у вигляді очних крапель, який пригнічує розмноження мікроорганізмів, цинк оксид ZnО у вигляді мазей та присипок, як в`яжучий, підсушуючий та антимікробний засіб.

Біологічна роль сполук кадмію досліджена недостатньо, вони токсичні та зосереджуються, перш за все, в печінці та нирках.

Слід пам`ятати, що розчинні сполуки меркурію та металічна ртуть дуже токсичні. Розчинні сполуки меркурію проявляють антисептичну, протизапальну, сечогінну та послаблюючу дію.

Меркурій(ІІ) оксид використовують в офтальмології, дерматології у вигляді мазей. Розчин меркурію(ІІ) хлориду (сулеми) використовують для дезінфекції.

Зауважимо ще раз, що сполуки цинку, кадмію і, особливо, меркурію отруйні.

Контрольні запитання, вправи та задачі для самостійної роботи:

1. У чому полягає схожість електронної будови зовнішнього та підзовнішнього енергетичних рівнів атомів цинку, кадмію та меркурію?

2. Скільки електронів у атомів цинку , кадмію та меркурію на зовнішньому енергетичному рівні?

3. Скільки електронів у атомів цинку, кадмію та меркурію на передостанньому енергетичному рівні?

4. Який тип гібридизації орбіталей притаманний атомам цинку в сполуках?

5. Який тип гібридизації орбіталей характерний для атомів кадмію у сполуках?

6. Який тип гібридизації орбіталей властивий атомам меркурію в сполуках?

7. Які ступені окиснення мають атоми цинку і кадмію в сполуках?

8. Які ступені окиснення можуть мати атоми меркурію в сполуках?

9. Як збільшується електронодонорна здатність атомів у ряді Zn-Cd-Hg?

10. Як змінюються відновні властивості металів у ряді Zn-Cd-Hg?

11. Як змінюється температура плавлення металів у ряді Zn-Cd-Hg?

12. Як змінюється густина металів у ряді Zn-Cd-Hg?

13. Речовини якого з хімічних елементів – Zn, Cd, Hg – найбільш токсичні?

14. Атоми якого з хімічних елементів – Zn, Cd, Hg – здатні утворювати найпростіші кластерні сполуки?

15. Який з хімічних елементів ІІ В групи є біометалом?

16. Назвати декілька сполук цинку, що використовуються в медичній практиці?

17. Назвати декілька сполук меркурію, що використовуються в медичній практиці?

18. Обчислити маси ZnSO₄∙7H O та води необхідні для приготування 200мл водного розчину з масовою часткою ZnSO₄ рівною 0,3%, який використовують у вигляді очних крапель. Вважати, що густина розчину дорівнює 1г/см³ .

19. Написати спрощенні іонні та молекулярні рівняння першої стадії гідролізу Zn(NO₃)₂ та ZnSO₄.

20. Написати рівняння таких реакцій:


;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.


 





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...