3. Простые вещества
3.1 Методы получения
Цинк, в основном, добывают из сульфидных руд. Сначала руду обжигают для образования оксидов:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
Образующийся диоксид серы используют в производстве серной кислоты. Затем оксид цинка или перерабатывают электролитически или выплавляют с коксом:
2ZnO + C = 2Zn + CO2
Восстановление оксида цинка углеродом протекает выше температуры кипения цинка, поэтому для конденсации паров необходимо последующее охлаждение. Кроме того, в присутствии продуктов сгорания происходит повторное окисление металла, поэтому выходящие из печи пары цинка опрыскивают расплавленным свинцом. Это приводит к быстрому охлаждению и растворению цинка, так что повторное окисление цинка сводится к минимуму. Затем цинк почти 99 %-ной чистоты выделяют в виде жидкости и дополнительно очищают вакуумной дистилляцией до чистоты 99,99 %. Весь присутствующий кадмий в ходе дистилляции восстанавливается. В качестве сырья можно использовать смешанные руды цинка и свинца для непрерывного производства обоих металлов. Свинец при этом выпускают со дна печи.
Основные источники кадмия – промежуточные продукты цинкового производства. Осадки металлов, полученные после очистки растворов сульфата цинка действием цинковой пыли, содержат 2–12 % кадмия. Во фракциях, образующихся при дистилляционном получении цинка, находится 0,7 – 1,1% кадмия, а во фракциях, полученных при ректификационной очистке цинка – до 40 % кадмия. Кадмий извлекают также из пыли свинцовых и медеплавильных заводов. Она может содержать до 5 % и 0,5 % кадмия, соответственно. Пыль обычно обрабатывают концентрированной серной кислотой, а затем сульфат кадмия выщелачивают водой. Так же поступают и с другими источниками кадмия.
Из растворов сульфата кадмия действием цинковой пыли осаждают кадмиевую губку. Затем её растворяют в серной кислоте и очищают раствор от примесей действием оксида цинка или карбоната натрия. Металлический кадмий выделяют электролизом на алюминиевых катодах либо восстановлением цинком.
Для удаления цинка свинца металлический кадмий переплавляют под слоем щелочи. Расплав обрабатывают алюминием, чтобы избавиться от таллия.
Ртуть выделяют относительно прямым способом. Руду обжигают в потоке воздуха, а пары конденсируют:
HgS + O2 = Hg + SO2
3.2 Физические и химические свойства
Наиболее заметными отличиями от других металлов являются низкие температуры плавления и кипения. Ртуть является единственным жидким металлом при комнатной температуре. Цинк кадмий – серебристые твердые вещества с голубоватым блеском на свежем изломе. На влажном воздухе они покрываются пленками окислов и теряют свой блеск.
Ртуть проявляет еще одно уникальное свойство – это единственный элемент, кроме благородных газов, являющихся в парах полностью одноатомным. Электрическое сопротивление жидкой ртути является исключительно высоким для металла, поэтому она используется в качестве электрического стандарта. Кадмий и ртуть, а также их соединения чрезвычайно токсичны.
По химическим свойствам цинк и кадмий довольно похожи друг на друга, а ртуть несколько отличается. Цинк и кадмий быстро тускнеют во влажном воздухе, а при нагревании взаимодействуют с кислородом, серой, фосфором и галогенами.
Ртуть тоже реагирует с этими веществами, кроме фосфора. Её реакция с кислородом становится возможной при температуре около 350 °C, а выше 400 °C HgО вновь разлагается на простые вещества. Ни один из трех металлов не реагирует с водородом, углеродом или азотом.
Сплавы ртути (точнее, растворы металлов в ртути) известны как амальгамы. Выделены и структурно охарактеризованы Na5Hg8 и Na3Hg. Амальгамы натрия являются более мягкими восстановителями, чем металлический натрий. Так, реакция с водой протекает более спокойно:
2NaHg + 2Н2О = 2Hg + 2NaOH + Н2
Амальгамы легче образуются тяжелыми металлами, в то время как легкие металлы первого ряда переходных элементов (за исключением марганца и меди) нерастворимы в ртути. По этой причине для её хранения используют железные колбы.
Два более легких элемента более электроположительны, а ртуть сравнительно инертна.
Так как цинк является более сильным восстановителем, чем кадмий, он способен восстанавливать катионы кадмия в водном растворе до металла:
Zn + Cd2+ = Zn2+ + Cd
Разбавленные кислоты растворяют цинк и кадмий с выделением водорода:
Zn + H2SO4()= ZnSO4 + H2
С кислотами-окислителями реакции более сложны. Азотная кислота, например, в зависимости от концентрации и температуры дает ряд оксидов азота:
Zn + 4HNO3(конц. гор) = Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
4Zn + 10HNO3(разб.гор) = 4Zn(NO3)2 + N2O + 5H2O
Ртуть не взаимодействует с разбавленными кислотами, однако растворяется в концентрированной серной кислоте с образованием солей ртути (II) (наряду с оксидами азота и серы):
Hg + 4HNO3(конц) = Hg(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Hg + 2H2SO4(конц.гор) = HgSO4 + SO2 + 2H2O
Разбавленная азотная кислота медленно образует нитрат диртути Hg2(NO3)2:
6 Hg + 8HNO3 = 3Hg2(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Цинк – единственный элемент группы, который растворяется в водных растворах щелочей с образованием тетрагидроксоцинкатов металлов, Na[Zn(OH)4]:
Zn + 2OH- + 2H2O = [Zn(OH)4]2- + H2
При растворении металлического цинка в растворе аммиака образуется аммиачный комплекс:
Zn + 4NH4OH = [Zn(NH3)4](OH)2 + 2H2O + H2
Пары цинка и кадмия взаимодействуют с парами воды с выделением водорода. Пары цинка и кадмия взаимодействуют с парами воды с выделением водорода. Эти металлы восстанавливают нитрат аммония в концентрированных растворах до нитрита аммония и окисляются в водном растворе катионами некоторых металлов, например, меди (II) и железа (III).