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表20-9中。
表20-9 锌、镉、汞的物理性质
单质 性质 |
锌 | 镉 | 汞 |
密度/g·cm-3 | 7.133 | 8.65 | 13.546 |
硬度 | 2.5 | 2.0 | 液 |
熔点/K | 692.58 | 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、沸点不仅低于铜族金属,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。在273~473K之间体积膨胀系数很均匀又不湿润玻璃,可用来制造温度计。汞的密度很大,蒸气压又低,可用于压力计的制造。汞的蒸气在电弧中能导电,并辐射高强度的可见光和紫外光线,可作太阳灯,用于医疗方面。汞和它的化合物有毒,使用时必须非常小心,不许将汞滴撒在实验桌上或地面上,因汞撒开后,表面积增大,汞蒸气散布于空气中被吸入人体会产生慢性中毒。如果不小心把汞撒在地上或桌上,必须尽可能收集起来。对于遗留在缝隙处的汞,可盖以硫黄粉使生成难溶的HgS,也可倒入饱和的铁盐溶液使其氧化除去。储藏汞必须密封,若不密封,可在汞的上层覆盖一层水以保证汞不挥发出来。
锌、镉、汞之间以及与其它金属容易形成合金。锌的最重要的合金是黄铜。制造黄铜是锌的主要用途之ー。大量的锌用于制造白铁皮,将干净的铁片浸在熔化的锌里即可制得,这可以防止铁的腐蚀。锌也是制造干电池的重要材料,近年来银锌电池有了相当大的发展,这种电池以Ag2O2为正极,Zn为负极,用KOH做电解质,电极反应为:
负极:Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2
正极:Ag2O2+4e-+2H2O=2Ag+4OH-
总反应:2Zn+Ag2O2+2H2O=2Ag+2Zn(OH)2
铅蓄电池的蓄电量为0.29A·min·kg-1,而银锌电池的蓄电量为1.57A·min·kg-1,所以银锌电池常被称为高能电池。
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,汞齐可以呈液态或固态。汞齐在化学、化工和冶金中有重要用途,钠汞齐与水反应,缓慢放出氢,有机化学中常用作还原剂。Tl-Hg齐(8.5%Tl)在213K才凝固,可做低温温度计。利用汞能溶解金、银的性质,在冶金中用汞来提炼这些贵金属。
锌在含有CO2的潮湿空气中生成一层碱式碳酸锌:
4Zn+2O2+3H2O+CO2=ZnCO3·3Zn(OH)2
这层薄膜较紧密,可作保护膜。从标准电极电势来看,锌和镉位于氢前,汞位于铜与银之间。在稀盐酸和稀硫酸中,锌易反应,镉反应较慢,而汞则完全不反应。但它们都易溶于硝酸,在过量的硝酸中溶解汞产生硝酸汞(Ⅱ):
3Hg+8HNO3=3Hg(NO3)2+2NO+4H2O
用过量的汞与冷的稀硝酸反应,得到的则是硝酸亚汞:
6Hg+8HNO3=3Hg2(NO3)2+2NO+4H2O
和镉、汞不同,锌与铍、铝相似,都是两性金属,能溶于强碱溶液中:
Zn+2NaOH +2H2O=Na2[Zn(OH)4]+H2↑
锌也溶于氨水,铝不能与氨水形成配离子,所以不溶于氨水。
Zn+4NH3+2H2O=[Zn(NH3)4]2++H2↑+2OH-
锌在加热的条件下可以与绝大多数的非金属发生化学反应。在普通条件下,锌与卤素作用缓慢。把锌粉与硫黄共热可形成硫化锌。
汞与硫黄粉硏磨即能形成硫化汞,这种反常的活泼性是由于汞是液态,研磨时汞与硫接触面增大,反应就较容易进行。