锌族元素包括锌、镉、汞三个元素,是周期系ⅡB族元素。它们的基本性质列于表20-6和表20-7中。
表20-6 锌族元素的基本性质
性质 | 锌 | 镉 | 汞 |
符号 | Zn | Cd | Hg |
原子序 | 30 | 48 | 80 |
原子量 | 65.39 | 112.41 | 200.59 |
价电子层结构 | 3d104s2 | 4d105s2 | 5d106s2 |
原子半径/pm(共价半径) | 125 | 141 | 144 |
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 |
锌族元素的原子最外层和碱土金属一样,只有二个s电子,但是碱土金属原子次外层具有8个电子(Be只有二个电子),而锌族元素具有18个电子,故ⅡB族与ⅡA族在性质上有很大差别。但比起ⅠA与ⅠB族之间的差别又要小一些。由于18电子层结构对原子核的屏蔽作用较小,因此它们的有效核电荷较大。与同周期的碱土金属比较,原子半径和离子半径(M2+)都较小,所以锌族元素的电负性和电离势比碱土金属大,锌族元素就没有碱土金属那么活泼。
锌族单质的熔点、沸点、熔化热和气化热等不仅比碱土金属低,而且比铜族金属低,这可能是由于最外层s电子成对后的稳定性的缘故。而且这种稳定性随着原子序的增加而增高。在汞原子里,这一对s电子最稳定,所以金属键最弱,故在室温时仍为液体。锌、镉的s电子对也有一定的稳定性,所以金属间的结合力较弱,熔点和熔化热、沸点和气化热当然就较低。锌、镉、汞ns轨道已填满,能脱离的自由电子数量不多,因此它们具有较高的比电阻即导电性较差。与ⅠB族比较,仅仅最外层相差一个电子而导电性和有些理化性质却表现出很大的差别。
锌族元素的标准电极电势比同周期的铜族元素更负,所以锌族元素比铜族元素活泼。从能量变化上分析,虽然锌族元素的电离势高得多,但升华热较小,而离子水合热又高得多(数值更负)。例如Cu(s)→Cu2+(aq)时需能量939kJ·mol-1,比同周期的锌转化水合Zn2+离子所需能量735kJ·mol-1大得多,所以铜没有锌活泼,铜族与锌族元素的金属活泼次序是:
Zn>Cd>H>Cu>Hg>Ag>Au
本族内,锌、镉、汞的化学活泼性随原子序数的增大而递减,与碱土金属恰相反。这种变化规律和它们标准电极电势数值的大小是一致的,也和它们从金属原子变成水合M2+离子所需总能量的大小是一致的,这种能量变化如表20-8。
由表中所列总热效应大小可知:从原子转化为水合M2+离子时,Zn所需能量最小,易失去电子最活泼,Cd次之,Hg最不活泼。
表20-8 锌族元素原子转为水合M2+时的能置变化
Zn | Cd | Hg | |
升华热/(kJ·mol-1) | 131 | 112 | 62 |
第一、二电离势之和/(kJ·mol-1) | 2658 | 2514 | 2833 |
M2+(g)水合热/(kJ·mol-1) | -2054 | -1816 | -1833 |
总热效应/(kJ·mol-1) | 735 | 810 | 1062 |
锌族元素中,锌和镉在化学性质上相近,汞和它们相差较大,在性质上汞类似于铜、银、金。