Для самостоятельного изучения химии элементов подгруппы цинка рекомендуется использовать учебник «Общая и неорганическая химия. Том 2. Химические свойства неорганических веществ» под редакцией А.Ф. Воробьёва. В учебнике свойства элементов рассматриваются по подгруппам Периодической системы и сгруппированы по разделам (глава, параграф). В каждом разделе в первую очередь следует обратить внимание на информацию, изложенную в следующих подразделах:
1. Общая характеристика элементов.
2. Простые вещества – получение и их химические свойства.
3. Оксиды, гидроксиды.
4. Соли, галогениды.
5. Комплексные соединения.
6. Области применения элементов и их соединений.
7. Биологическая роль элементов.
1. Общая характеристика элементов подгруппы цинка.
Электронное строение атомов и ионов, потенциалы ионизации, атомные и ионные радиусы, закономерности изменения в подгруппе температур плавления и др. физических свойств.
Наиболее характерные степени окисления элементов, изменение их устойчивости (неустойчивости) в подгруппе.
Физические и химические свойства цинка, кадмия и ртути разительно отличаются от свойств других d-элементов, что связано с особенностями электронного строения их атомов и ионов. В то же время химия ртути(+2) имеет много общего с химией золота(+1). Ещё одной особенностью является образование связей Hg-Hg и связей с металл-металл с другими металлами.
2. Простые вещества – получение и их химические свойства.
Нахождение в природе. Способы получения металлов из природных минералов (цинк и ртуть) и промежуточных продуктов цинкового, свинцового и медного производств (кадмий).
По химическим свойствам металлические цинк и кадмий довольно похожи друг на друга, а ртуть заметно от них отличается. Ртуть не реагирует с кислородом при температурах выше 400оС (окисление происходить только в диапазоне температур 350-400оС, ртуть растворяет в себе многие металлы, причём во многих случаях образуются не растворы, а химические соединения, например, Na5Hg8, CsHg. Ртуть не реагирует с разбавленными кислотами (H2SO4, HCl)/
В отличие от кадмия и ртути металлический цинк растворяется в растворах щелочей и аммиака.
3. Оксиды, гидроксиды.
Характер оксидов и гидроксидов цинка и кадмия амфотерный, но кислотные свойства соединений кадмия выражены слабо (CdO b Cd(OH)2 реагируют только с очень концентрированными растворами щелочей). Оксид и гидроксид ртути(+2) проявляют основные свойства, гидроксид ртути неустойчив и при получении разлагается на оксид и воду, подобно гидроксиду золота(+1).
4. Соли.
В отличие от цинка и кадмия, ртуть образует соли не только в степени окисления +2, но и в степени окисления +1. Последние являются кластерами и содержат двухатомный ион Hg2+2 cо связью металл-метал. Нитрат и перхлорат ртути(+1) растворимы в воде, с другими анионами соли ртути(+1) малорастворимы. Катионы диртути в водных растворах диспропорционируют на металлическую ртуть и ионы Hg2+. Равновесие реакции диспропорционирования легко смещается в сторону образования малорастворимых солей и комплексных соединений.
Соли ртути(+2) с анионами сильных оксокислот (нитрат, сульфат, перхлорат) являются ионными соединениями. Соединения ртути(+2) с анионами бескислородных кислот (галогениды, цианиды, роданиды и др.) являются неэлектролитами, многие из них малорастворимы в воде.
Малорастворимые сульфиды цинка, кадмия и ртути сильно различаются по значениям ПР, что используется в аналитической химии этих элементов для их разделения и обнаружения.
5. Комплексные соединения.
Для ртути(+1) образование комплексов нехарактерно – при получении комплексов равновесие диспропорционирования ртути(+1) смещается в сторону образования прочных комплексов ртути(+2).
В степени окисления +2 цинк, кадмий и ртуть образуют множество комплексных соединений. Наиболее важные: аква, галогенидные, цианидные, аммино- и гидроксокомплексы. Важно отметить, что согласно классификации Пирсона ион Hg2+ является мягкой кислотой и предпочитает мягкие основания (CN-, I-, SCN-, S2-).
Аммиачные комплексы ртути ([Hg(NH3)4]2+, [Hg(NH3)2Cl2]) можно получить только в присутствии избытка ионов аммония (NH4+), поскольку они подавляют кислотную диссоциацию координированных молекул аммиака. В отсутствии ионов аммония образуются аминосоединения, например, [HgNH2Cl] или иминосоединения, например, [Hg2NCl(H2O)]. В этом отношении аммиачные комплексы ртути напоминают аммиачные комплексы золота. Использование реакций комплексообразования находит применение в аналитической химии.
6. Области применения элементов и их соединений
Металлы цинк и кадмий находят применение в качестве защитных от коррози покрытий стальных конструкций, в химических источниках тока. Соединения цинка и кадмия используют в качестве пигментов в лакокрасочных материалах.
Ртуть применяют различных физических приборах и в качестве катода в элекктрохимическом производстве хлора, щелочей, щелочных и редких металлов.
7. Биологическая роль элементов.
Цинк является важным биологически активным химическим элементом.
В организме взрослого человека содержится в среднем около 2 г цинка, в виде его соединений, который концентрируется преимущественно в мышцах, печени и поджелудочной железе. Более 400 ферментов содержат цинк. Среди них ферменты, катализирующие гидролиз пептидов, белков и сложных эфиров, образование альдегидов, полимеризацию ДНК и РНК. Недостаток цинка в организме приводит к тяжёлым заболеваниям, однако при его избытке происходит отравление организма. При вдыхании паров металлического цинка проявляется «болезнь литейщика» - усталость, сонливость, боль в груди, кашель, чувство разбитости.
Кадмий является канцерогеном.
Ртуть и многие её соединения ядовиты. Воздействие ртути — даже в небольших количествах — может вызывать серьёзные проблемы со здоровьем и представляет угрозу для внутриутробного развития плода и развития ребёнка на ранних стадиях жизни. Ртуть может оказывать токсическое воздействие на нервную, пищеварительную и иммунную системы, а также на легкие, почки, кожу и глаза. ВОЗ рассматривает ртуть в качестве одного из десяти основных химических веществ или групп химических веществ, представляющих значительную проблему для общественного здравоохранения.
Наиболее ядовиты пары́ и растворимые соединения ртути. Сама металлическая ртуть менее опасна, однако она постепенно испаряется даже при комнатной температуре. Пары могут вызвать тяжёлое отравление. По классу опасности ртуть относится к первому классу (чрезвычайно опасное химическое вещество). Опасный загрязнитель окружающей среды, особенно опасны выбросы в воду, поскольку в результате деятельности населяющих дно микроорганизмов происходит образование растворимой в воде и особо токсичной метилртути, накапливающейся в рыбе. Ртуть — типичный представитель кумулятивных ядов. Химик должен знать основные способы демеркуризации объектов, загрязнённых ртутью.