鋅族元素包括鋅、鎘、汞三個元素,是周期系ⅡB族元素。它們的基本性質列于表20-6和表20-7中。
表20-6 鋅族元素的基本性質
性質 | 鋅 | 鎘 | 汞 |
符號 | Zn | Cd | Hg |
原子序 | 30 | 48 | 80 |
原子量 | 65.39 | 112.41 | 200.59 |
價電子層結構 | 3d104s2 | 4d105s2 | 5d106s2 |
原子半徑/pm(共價半徑) | 125 | 141 | 144 |
M2+離子半徑/pm | 74 | 97 | 110 |
第一電離勢/(kJ·mol-1) | 915 | 873 | 1013 |
第二電離勢/(kJ·mol-1) | 1743 | 1641 | 1820 |
第三電離勢/(kJ·mol-1) | 3837 | 3616 | 3299 |
M2+(g)水合熱/(kJ·mol-1) | -2054 | -1816 | -1833 |
升華熱/(kJ·mol-1) | 131 | 112 | 62 |
氣化熱/(kJ·mol-1) | 115 | 100 | 59 |
電負性 | 1.65 | 1.69 | 2.00 |
鋅族元素的原子最外層和堿土金屬一樣,只有二個s電子,但是堿土金屬原子次外層具有8個電子(Be只有二個電子),而鋅族元素具有18個電子,故ⅡB族與ⅡA族在性質上有很大差別。但比起ⅠA與ⅠB族之間的差別又要小一些。由于18電子層結構對原子核的屏蔽作用較小,因此它們的有效核電荷較大。與同周期的堿土金屬比較,原子半徑和離子半徑(M2+)都較小,所以鋅族元素的電負性和電離勢比堿土金屬大,鋅族元素就沒有堿土金屬那么活潑。
鋅族單質的熔點、沸點、熔化熱和氣化熱等不僅比堿土金屬低,而且比銅族金屬低,這可能是由于最外層s電子成對后的穩(wěn)定性的緣故。而且這種穩(wěn)定性隨著原子序的增加而增高。在汞原子里,這一對s電子最穩(wěn)定,所以金屬鍵最弱,故在室溫時仍為液體。鋅、鎘的s電子對也有一定的穩(wěn)定性,所以金屬間的結合力較弱,熔點和熔化熱、沸點和氣化熱當然就較低。鋅、鎘、汞ns軌道已填滿,能脫離的自由電子數(shù)量不多,因此它們具有較高的比電阻即導電性較差。與ⅠB族比較,僅僅最外層相差一個電子而導電性和有些理化性質卻表現(xiàn)出很大的差別。
鋅族元素的標準電極電勢比同周期的銅族元素更負,所以鋅族元素比銅族元素活潑。從能量變化上分析,雖然鋅族元素的電離勢高得多,但升華熱較小,而離子水合熱又高得多(數(shù)值更負)。例如Cu(s)→Cu2+(aq)時需能量939kJ·mol-1,比同周期的鋅轉化水合Zn2+離子所需能量735kJ·mol-1大得多,所以銅沒有鋅活潑,銅族與鋅族元素的金屬活潑次序是:
Zn>Cd>H>Cu>Hg>Ag>Au
本族內(nèi),鋅、鎘、汞的化學活潑性隨原子序數(shù)的增大而遞減,與堿土金屬恰相反。這種變化規(guī)律和它們標準電極電勢數(shù)值的大小是一致的,也和它們從金屬原子變成水合M2+離子所需總能量的大小是一致的,這種能量變化如表20-8。
由表中所列總熱效應大小可知:從原子轉化為水合M2+離子時,Zn所需能量最小,易失去電子最活潑,Cd次之,Hg最不活潑。
表20-8 鋅族元素原子轉為水合M2+時的能置變化
Zn | Cd | Hg | |
升華熱/(kJ·mol-1) | 131 | 112 | 62 |
第一、二電離勢之和/(kJ·mol-1) | 2658 | 2514 | 2833 |
M2+(g)水合熱/(kJ·mol-1) | -2054 | -1816 | -1833 |
總熱效應/(kJ·mol-1) | 735 | 810 | 1062 |
鋅族元素中,鋅和鎘在化學性質上相近,汞和它們相差較大,在性質上汞類似于銅、銀、金。