Строение атомов и химические свойства

Цинк растворяется и в кислоте, и в щёлочи, а ртуть — только в кислотах-окислителях.

1. Строение атомов и положение в ПС

Цинк (Zn), кадмий (Cd) и ртуть (Hg) расположены в IIB-группе периодической системы. У этих элементов полностью заполняется предвнешний d-подуровень (d¹⁰), а на внешнем энергетическом уровне находятся два s-электрона (ns²).

Электронные конфигурации

+30Zn: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²

+80Hg: [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²

Особенность

Из-за того, что d-подуровень у элементов IIB-группы полностью заполнен (как в атоме, так и в ионах, например, Zn²⁺), эти металлы иногда не относят к "истинным" переходным элементам. Этим объясняется отсутствие окраски у солей цинка (у цинка нет электронных переходов на d-подуровне).

Вопрос 1: Электронное строение

Проверка

Напишите электронную конфигурацию внешних слоев атома цинка ($Zn$). Чем он отличается от меди, стоящей перед ним?

Ответ: $Zn$: $3d^{10} 4s^2$. В отличие от меди, у цинка полностью заполнены и s-, и d-подуровни, поэтому он не проявляет свойств типичных переходных металлов и имеет единственную постоянную степень окисления +2.

2. Физические свойства

Свойство	Цинк (Zn)	Кадмий (Cd)	Ртуть (Hg)
Агрегатное состояние	Твёрдое металл	Твёрдый металл	Жидкое (единственный жидкий металл)
Цвет	Серебристо-белый с синеватым отливом	Серебристо-белый, мягкий	Серебристо-белый
t° плавления	419°C	321°C	–38,8°C
Плотность (г/см³)	7,14 (тяжёлый)	8,65 (тяжёлый)	13,53 (очень тяжёлая)

Металл	Содержание и состояние в природе	Основные минералы (руды)
Цинк (Zn)	Встречается преимущественно в виде сульфидных руд. Из-за высокой химической активности в самородном виде не встречается.	Сфалерит (цинковая обманка) — ZnS (основной) Смитсонит — ZnCO₃ Цинкит — ZnO
Кадмий (Cd)	Редкий элемент. Не имеет собственных месторождений, является постоянным спутником цинка в его рудах (изоморфно замещает цинк в сфалерите).	Гринокит — CdS (очень редкий минерал) Примесь в цинковых рудах (до 0,5%)
Ртуть (Hg)	Относительно редкий элемент, редко встречается в самородном состоянии (в виде мелких капель). С большинством металлов образует сплавы — амальгамы (кроме железа).	Киноварь — HgS (главный минерал, красный цвет)

Вопрос 1: Физические свойства

Проверка

Какое уникальное физическое свойство ртути отличает ее от всех остальных металлов?

Ответ: Ртуть — единственный металл, находящийся в жидком агрегатном состоянии при комнатной температуре.

4. Химические свойства простых веществ (Zn, Cd, Hg)

Цинк и кадмий — металлы средней активности (стоят до водорода в ряду напряжений), ртуть — малоактивный (благородный) металл (стоит после водорода).

Свойство	Уравнения реакций и особенности
С неметаллами	Цинк активно реагирует при нагревании, ртуть реагирует с кислородом только около 300°C, а с серой — даже без нагревания (демеркуризация): 2Zn + O₂ t°→ 2ZnO (горение пыли) Zn + I₂ H₂O→ ZnI₂ (катализируется водой) 2Hg + O₂ ~300°C→ 2HgO (красный оксид) Hg + S → HgS (при комн. температуре)
С водой	Только цинк реагирует с парами воды при температуре красного каления: Zn + H₂O_(пар) t°→ ZnO + H₂↑
С кислотами-неокислителями	Цинк (и кадмий) вытесняет водород. Ртуть с ними не реагирует: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ Zn + H₂SO_4(разб.) → ZnSO₄ + H₂↑
Со щелочами (амфотерность)	Цинк растворяется в щелочах, выделяя водород (отличие от Cd и Hg). В растворе — комплекс, в расплаве — цинкат: Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑ Zn + 2NaOH сплавл.→ Na₂ZnO₂ + H₂↑
С кислотами-окислителями	Реагируют все три металла. Цинк может восстанавливать азотную кислоту до различных продуктов (вплоть до N₂O или аммиака): 4Zn + 10HNO_3(разб.) → 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O Hg + 2H₂SO_4(конц.) t°→ HgSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
Окислительно-восстановительные В растворах	Цинк вытесняет менее активные металлы из солей, а в щелочной среде восстанавливает нитраты до аммиака: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu↓ 4Zn + KNO₃ + 7KOH + 6H₂O → 4K₂[Zn(OH)₄] + NH₃↑

Вопрос 1: Амфотерность цинка (Уравнения)

Проверка

Цинк — амфотерный металл. Допишите уравнения реакций простого вещества цинка с кислотами и щелочами:

$Zn + HCl \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
$Zn + NaOH + H_2O \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
$Zn + KOH \xrightarrow{t^\circ(сплавление)} \dots + \dots\uparrow$
$Zn + H_2SO_4(разб.) \rightarrow \dots + \dots\uparrow$
$Zn + H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots\uparrow + \dots$

Ответ:

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$
$Zn + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4] + H_2\uparrow$ (тетрагидроксоцинкат натрия)
$Zn + 2KOH \xrightarrow{t^\circ} K_2ZnO_2 + H_2\uparrow$ (цинкат калия)
$Zn + H_2SO_4(разб.) \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$
$Zn + 2H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t^\circ} ZnSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$

Пояснение: Как амфотерный металл, цинк вытесняет водород не только из разбавленных неокислительных кислот, но и из растворов щелочей.