锌族元素

一:锌族元素的基本性质

   锌族元素包括锌、镉、汞三种元素,是周期系ⅡB族元素。它们的基本性质列于下表中。

性    质

符    号

Zn

Cd

Hg

原 子 序 数

30

48

80

原  子  量

65.38

112.41

200.59

价电子构型

3d104s2

4d105s2

5d106s2

(金属)原子半径/pm

133.2

148.9

160

M2+离子半径/pm

74

97

110

第一电离势/(kJ.mol-1)

915

873

1013

第二电离势/(kJ.mol-1)

1743

1641

1820

第三电离势/(kJ.mol-1)

3837

3616

3299

M2+(g)水合热/(kJ.mol-1)

-2054

-1816

-1833

升华热/(kJ.mol-1)

131

112

62

气化热/(kJ.mol-1)

115

100

59

电  负  性

1.65

1.69

2.00

二:锌族元素的通性

   锌族元素的价电子构型为(n-1)d10ns2, 最外层只有二个s电子,但次外层具有18个电子,它们的特征氧化态为+Ⅱ,汞还有+Ⅰ的化合物.
   锌族元素的电负性、电离势均比同周期的碱土金属的大,而原子半径、离子半径(M2+)则比同周期的碱土金属的小,因此锌族金属的活泼性小于碱土金属。而且同族中从上到下金属活泼性依次降低,与碱土金属的刚好相反。
   在化学性质上,锌族元素具有d区元素的性质,但在某些性质上又与第四、五、六周期的p区金属元素有些相似,而与碱土金属有较大的差别。

三:锌族元素电势图

   锌族元素的标准电势图如下:

 

锌族单质

一:物理性质

   游离状态的锌、镉、汞都是银白色金属,其中锌略带蓝色。本族金属的物理性质列于下表。

性      质

密度/g.cm-3

7.133

8065

13.546

硬  度

2.5

2.0

熔 点/K

629.58

593.9

234.158

沸 点/K

1180

1038

629.58

   锌族金属的特点主要表现为低熔点和低沸点,从上表可看出它们的熔点、沸点不仅低于铜族元素,而且低于碱土金属,并依Zn-Cd-Hg的顺序下降。汞是常温下唯一的液体金属,有流动性。

二:化学性质
   锌、镉、汞之间以及与其它金属容易形成合金。汞可以溶解许多金属,如Na、K、Ag、Au、Zn、Cd、Sn、Pb等而形成汞齐,因组成不同,汞齐可以呈液态和固态。
   从标准电极电势来看,锌和镉位于氢前,汞位于铜和银之间。锌在水中能长期存在,因为表面有一层Zn保护膜。氢在锌上的超电势很高,由于超电势,故纯锌在稀酸中反应极慢。锌中如有微量超电势较低的金属,如Ag、Au、Co、Cu等,则因形成微电池而使反应加快。镉与稀酸反应较慢,而汞则完全不反应。但它们都易溶于硝酸。
   锌与镉和汞不同,是两性金属,能溶于氨水和强碱溶液中。

 

锌族氧化物

   锌族元素氧化物的性质见下表所示:

氧化物

ZnO

CdO

HgO

颜  色

白色粉末

棕灰色粉末

红或黄色晶体

生成热
/(kJ.mol-1)

-348.3

-256.9

-90.9

   这些氧化物都几乎不溶于水。ZnO和CdO的生成热较大,较稳定,加热升华而不分解。HgO加热到573K时分解为汞与氧。

   锌、镉、汞的氧化物都是共价型化合物,共价性依Zn、Cd、Hg的顺序而增强。

 

锌族配合物

   由于锌族的离子为18电子层结构,具有很强的极化力与明显的变形性,因此比相应主族元素有较强的形成配合物的倾向。
一:氨配合物
   Zn2+、Cd2+离子与氨水反应,生成稳定的氨配合物。
   Hg2+和Hg22+均不与氨水形成氨配合物,而是生成白色沉淀(HgNH2Cl)和灰色沉淀(HgNH2Cl+Hg)。
二:氰配合物
    Zn2+、Cd2+、Hg2+离子与氰化钾均能生成很稳定的氰配合物[M(CN)4]2-
   Hg22+离子形成配离子的倾向较小。
三:其它配合物
    Zn2+、Cd2+、Hg2+与卤素离子和SCN-离子也可形成一系列配离子,但Zn2+和Cd2+的这些配合物需在高浓度的X-存在下才能稳定。而Hg2+的配合物较稳定,并且Hg2+与卤素离子形成配合物的倾向依Cl-Br-I顺序增强。

 

锌族与碱土金属的对比

   锌族元素的次外层为18电子结构对核电荷的屏蔽效应较小,因此,锌族元素原子最外层的一对s电子所受核的引力较强,原子半径和离子半径比相应钙、锶、钡为小,它们的电离势比碱土金属高。由于是18电子层结构,所以本族元素的离子具有很强的极化力和明显的变形性。结构方面的这些特点造成在性质上与碱土金属有许多不同。具体对比如下:
一:熔沸点  

   锌族金属的熔、沸点比碱土金属低,汞在常温下是液体。
二:化学活泼性

   锌族元素活泼性较碱土金属差,它们在常温下和在干燥的空气中不发生变化。都不能从水中置换出氢气,在稀盐酸中,锌易溶解,镉溶解较慢,汞完全不溶。
三:键型和配位能力

   锌族元素在形成共价化合物和配离子的倾向上比碱土金属强得多。
四:氢氧化物的酸碱性及其变化规律

   锌的氢氧化物显两性,镉、汞的氢氧化物是弱碱性的。本族内从上到下,它们氢氧化物的碱性增强,而金属活泼性从上到下是减弱的。碱土金属的金属活泼性以及它们氢氧化物的碱性从上到下都是增强。钙、锶、钡的氢氧化物呈强碱性。
五:盐的水解

   锌族元素的盐在溶液中都有一定程度的水解。而钙、锶、钡的强酸盐一般不水解。

 

锌族与铜族的对比

   在同一周期中,锌族元素在铜族元素之后。它们都具有充满d电子的次外层,因而性质上有很多相似之处;可是它们最外层电子数不同,因而又有些不同的地方。概括一下,主要有以下几点:
(1)氧化态

   铜族元素为d电子刚填满(n-1)d轨道,s电子与d电子的电离势之差较小,故在一定条件下尚能失去1-2个d电子形成+Ⅱ、+Ⅲ等氧化态。而且仍能保持着过渡元素的同族从上到下高价稳定性增加的总趋势。至于锌族元素,因(n-1)d轨道已满,从满层中失去电子更加困难,s电子与d电子的电离势之差远比铜族为大,故通常只失去s电子而呈+Ⅱ氧化态。所以铜族呈现变价,而锌族不呈现变价。汞虽可表现为正一价,但实际上是以Hg22+离子的形式存在。
(2)熔沸点

   锌族金属的特点是低熔点和低沸点,不仅低于铜族金属而且低于碱土金属,并依Zn-Cd-Hg的顺序下降。
(3)金属活泼性

   从标准电极电势φθ的数值和M(s)→M2+(aq)的总能量值的大小(见下表所示)可说明, 锌在此转化过程中所需能量低于铜, 所以锌比铜更活泼. 即锌族元素较铜族元素活泼。铜、银、金、汞等金属的标准电极电势都在氢之下,但锌镉则在氢之上。这两族元素金属活泼性次序为:

               Zn>Cd>H>Cu>Hg>Ag>Au

元     素

Cu

Zn

升华热/(kJ.mol-1)

340

131

第一,二电离势之和/(kJ.mol-1)

2720

2658

M2+(g)水合热/(kJ.mol-1)

-2121

-2054

总热效应/(kJ.mol-1)

939

735

(4)氧化物或氢氧化物的碱性

   锌族元素的氧化物或氢氧化物的碱性,比相应铜族元素的稍弱些。
(5)形成配合物

   锌族、铜族元素的离子都较易形成配合物。