1.6.2. Цинк и кадмий

Цинк и кадмий относятся к d - металлам IIB группы Периодической системы. Электронная конфигурация их ато­мов такова: (n-1)d¹⁰ns , п - главное квантовое число, совпа­дающее с порядковым: номером внешнего энергетического уровня. В отличие от атомов элементов группы меди послед­ний электронный уровень элементов цинка и кадмия является стабильным: из подуровня d¹⁰ электроны не вырываются. Ва­лентными электронами являются наружные: максимальное окислительное число элементов равно 2, но только в возбуж­денном состоянии.

Цинк и кадмий - белые металлы с синеватым (Zn) или серебристым (Cd) оттенком. Во влажном воздухе они покры­ваются оксидными пленками и теряют свой блеск. Кадмий - ковкий и тягучий металл; цинк при обычных условиях доволь­но хрупок. Эти металлы легко образуют сплавы друг с другом и другими металлами. В табл. 4 приведены некоторые констан­ты, характеризующие физико-механические свойства Zn и Cd.

Химические свойства. По сравнению с s -металлами II А группы восстановительная активность цинка и кадмия ниже. Они являются металлами средней активности, не взаимодейст­вуют с водой при обычной температуре, гидроксиды их не растворимы в воде и являются более слабыми основаниями, чем гидроксиды щелочноземельных металлов, гидроксид цинка даже амфотерен.

Таблица 2

Физико-механические свойства цинка и кадмия

Металлы	р, г/см3	tпл. °C	tпл. °C	Твердость, Мн/м2	φ°,В
Zn	7,13	419,5	907	412	-0,76
Cd	8,99	321,0	767	203	-0,40

Химические свойства. По сравнению с s -металлами II А группы восстановительная активность цинка и кадмия ниже. Они являются металлами средней активности, не взаимодейст­вуют с водой при обычной температуре, гидроксиды их не растворимы в воде и являются более слабыми основаниями, чем гидроксиды щелочноземельных металлов, гидроксид цинка даже амфотерен.

Отношение к элементарным окислителям. Гидриды цинк и кадмий не образуют и растворимость водорода в них мала.

Галиды этих металлов солеобразны, получаются непо­средственным взаимодействием:

Zn + Clj = ZnCl₂

Образовавшийся ион Zn имеет свободные орбитали, что дает возможность комплексообразования с переменными ко­ординационными числами 3,4 и 6. Лигандами могут быть ио­ны ОН¯, CN¯,Cl¯,a также полярные молекулы Н2О и NH3.

Галиды образуют многочисленные комплексные соеди­нения:

CdCl₂ + 2КС1= K₂[CdCI₄]

CdCl₂ + 4КС1 = K4[CdCl₆]

Оксиды. Цинк и кадмий при низких температурах пасси­вируются тонкой пленкой оксидов, а при высоких температу­рах интенсивно окисляются:

2Zn + O₂ = 2ZnO

Оксид цинка ZnO амфотерен и образует в щелочной сре­де цинкаты:

ZnO + Н₂O + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]

Оксид кадмия CdO амфотерностью не обладает.

Гидроксиды Zn(OH)₂ и Cd(OH)₂ устойчивы. Zn(OH)₂ трудно растворяется в воде. Его можно перевести в раствор действием кислот и щелочей, а также водного раствора аммиа­ка за счет образования комп лексных солей:

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]

Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2 H₂O

Zn(OH)₂ + 4NH₃H₂) = [Zn(NH₃)₄](OH)₂ + 4H₂O

Сульфиды цинка и кадмия образуются активно при непо­средственном взаимодействии.ZnS-белого цвета, CdS - желто­го цвета (используется в качестве желтой краски). ZnS в кри­сталлическом состоянии при добавлении активаторов спосо­бен люминесцировать - испускать холодное свечение в резуль­тате действия на него лучистой энергии или электронов.. Лю­минесценция имеет большое значение для науки и техники: она лежит в основе люминесцентного анализа, работы телеэк­ранов, действия ламп дневного света. Люминесцирующие ве­щества называются люминофорами.

Карбиды и нитриды цинк и кадмий не образуют.

Взаимодействие с водой, кислотами и щелочами. Цинк и кадмий находятся левее водорода в ряду активности и могут вытеснять водород из растворов неокисляющих кислот:

Zn + 2Н = Zn²⁺ + Н₂

Оба металла разлагают воду, но очень медленно из-за на­личия пассивного оксидного оксидного слоя на их поверхно­сти.

С окисляющими кислотами особенно активно взаимодей­ствует цинк. В зависимости от концентрации кислот и темпе­ратуры могут получаться разные продукты окисления цинка:

Zn + 2H₂SO₄(k) ⁼ ZnSO₄ + SO₂ + 2Н₂O

4Zn + 10HNO_3(P) = 4Zn(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O

4Zn + IOHNO3 = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ +3H₂O

Металлический цинк, гидроксид которого по своей при­роде является амфотерным, растворяется в щелочах с образо­ванием гидроксоцинкатов. В зависимости от концентрации КОН могут получаться комплексные соединения K2[Zn(OH)₄] и K4[Zn(OH)₆]. Например:

Zn + 2Н₂O + 2 КОН = K₂[Zn(OH)₄] + Н₂

Применение цинка и кадмия. Большое количество цин­ка идет на цинкование, т.е. покрытие поверхности черных ме­таллов для защиты от коррозии. Цинкование может проводить­ся различными способами: горячее (погружение изделия в рас­плавленный цинк), распыление расплавленного металла на по­верхность детали, действие парами цинка, электролитическое покрытие. Цинк по отношению к железу является анодом и в случае нарушения сплошности цинкового покрытия (трещина, разрыв и т.п.) корродирует.

Металлический цинк применяется для изготовления тех­нически важных сплавов с медью - латуни, томпака. Цинк ис­пользуется в некоторых гальванических элементах. В химиче­ской промышленности цинковая пыль применяется в качестве восстановителя.

Кадмием покрывают стальные и железные поверхности для предохранения их от коррозии (кадмирование). Так как электродный потенциал кадмия выше, чем у цинка, то кадмированные поверхности более стойки к агрессивным средам. Такие детали используют в производстве автомобилей, машин, моторов, самолетов и т.п. Кадмий является одним из основных компонентов легкоплавких сплавов, к которым относятся сплавы Вуда, Розе, Ньютона. Температура их плавления 60- 70° С. Они представляют собой эвтектические сплавы четырех- компонетных систем. Сплавы применяются для заливки кон­трольных клапанов паровых котлов, отливок форм для гипсо­вого литья сложной конфигурации, в качестве нагревательных жидкостей и других целей. Кадмий применяют в щелочном никель-кадмиевом аккумуляторе, в нормальном элементе Вес­тона. Важной в технике является кадмиевая бронза (~1% Cd), из которой делают телеграфные, телефонные, троллейбусные провода, поскольку кадмиевая бронза характеризуется боль­шей прочностью и износостойкостью, чем медь. Чрезвычайно интересна способность кадмия поглощать медленные нейтро­ны, вследствие чего он применяется в ядерных реакторах для регулирования скорости распада ядерного топлива.