12族元素

12族元素。在12族元素中，鋅、鎘和汞都在大自然中存在。它們都被廣泛應用於電氣和電子應用以及各種合金。鋅和鎘在標準情況下都是固體金屬，而汞是常溫下唯一一種呈液態的穩定金屬。鋅對生物非常重要，而鎘和汞都是劇毒。鎶不存在於自然界，只能在實驗室中合成。物理和原子性質.和元素週期表中的其它族一樣，12族元素的電子排布有規律，這導致了它們在化學性質上的趨勢：12族元素都是軟的抗磁性二價金屬。它們在所有過渡金屬中有最低的熔點。鋅是藍白色有光澤的金屬，不過大部分商品級的鋅的顏色較暗。鎘是軟的、有延展性的藍白色金屬，汞則是重的液態銀白色金屬。相較於其它金屬，汞的導熱性較差，但是好的電導體。下表列出了12族元素的物理性質，其中鎶的資料理論計算。鋅的密度略低於鐵，為六方晶系結構。它是硬和脆的金屬，但在下有延展性。鋅在超過的溫度下又會重新變脆，一敲打就會粉碎。它是好的電導體。鋅在金屬之中有較低的熔點。缺少填滿的f亞層是鎘和鋅沸點相對較高的原因，不過這兩種金屬仍然很容易熔化，而且它們的沸點也非常低。金原子比汞原子少一顆6s電子，因此它的電子較容易失去，使得金可以形成較強的金屬鍵。鋅、鎘和汞可以形成很多合金。黃銅是鋅和銅的合金，其它可以和鋅形成二元合金的金屬包括鋁、銻、鉍、金、鐵、鉛、汞、銀、錫、鎂、鈷、鎳、碲和鈉。由於其低摩擦係數和抗疲勞性，鎘被用於多種焊料和軸承合金。它也存在於一些低熔點合金中，例如伍德合金。因為汞是液體，所以它可以溶解許多金屬和合金，形成汞齊，例子有金汞齊、鋅汞齊和鈉汞齊。由於鐵不會形成汞齊，因此鐵燒瓶經常被用作汞交易的容器。其它不形成汞齊的金屬包括鉭、鎢和鉑。鈉汞齊是有機合成常用的還原劑，也用於高壓鈉燈中。汞會和鋁反應，形成鋁汞齊。這種汞齊會和空氣反應生成氧化鋁，因此汞可以腐蝕鋁。因此，汞不允許被帶上飛機，以避免它和飛機的鋁部件反應。化學性質.對12族元素的化學性質研究主要針對這一族的前三個元素。鎶的化學性質研究尚未完善，因此這個章節僅涉及鋅、鎘和汞。週期律.所有12族元素都是金屬。由於鑭系收縮，鎘和汞的原子半徑相似。因此，這一族的趨勢並不像鹼土金屬那樣原子半徑從上到下平滑增加。鋅、鎘和汞都是低熔點和沸點的金屬，表示它們的金屬鍵較弱。鋅和鎘都是電正性元素，但汞不是。因此，金屬鋅和鎘都是好的還原劑。12族元素在+2氧化態下有全充滿的d10電子構型，因此較穩定。不過，汞可以輕易還原成+1氧化態，它通常存在於Hg22+中。這個離子由兩個汞(I)離子以金屬-金屬鍵鍵結而成，有抗磁性。鎘也可以形成像是 [Cd2Cl6]4−的物種，其中鎘的氧化態為+1。和汞一樣，這個物種含有金屬-金屬鍵，有抗磁性。鋅(I)主要存在於氣態，像是線形的Zn2Cl2的物種中。固態的鋅(I)存在於很不尋常的中。歸類.12族元素通常被歸類為d區元素，但由於d亞層已滿而不被看做過渡金屬。由於12族元素的價電子在ns2軌道中，因此一些作者將其歸類為主族元素。儘管如此，它們和幾乎一定會被看作過渡金屬的11族元素有相似的地方。舉個例子，鋅和旁邊的過渡金屬銅有很多相似的性質。鋅會形成許多與銅(II)配合物化學計量相同的配合物，但配合物穩定常數較小。由於銀(II)罕見且是強氧化劑，所以鎘和銀並不相似。類似地，金的常見氧化態是+3，排除了汞和金之間存在許多共同的化學反應。汞(I)和金(I)之間存在相似之處，例如都可以形成線形的氰配合物 [M(CN)2]−。根據IUPAC對過渡金屬的定義認為四氟化汞只能在特殊的不平衡狀態下存在，應當被看做一個特例，所以汞不該看做是過渡金屬。和鹼土金屬的關係.雖然12族元素位於d區塊，但它們的d電子幾乎不會參與成鍵。這個性質類似主族元素，與旁邊的11族元素那樣平滑。d區塊收縮和鑭系收縮也給了汞很多獨特的性質。化合物.三個12族元素都會形成多種四面體形的物種，例如 MCl42-。鋅和鎘也可以形成八面體形的配合物，例如存在於金屬鹽的 [M(H2O)6]2+。透過使用s和p軌道，它們也可以形成共價化合物。然而，配位數超過四的汞很罕見。配位數為2、3、5、7和8的12族元素也是已知的。歷史.鋅.鋅在古代以不純形式和黃銅等合金的形式被使用。鋅也用於鍊金術中。這種金屬的名字於16世紀首次記錄。由於金屬鋅的針狀結構，其名字可能源自於德語--。金屬鋅由許多人於17世紀獨立分離。由於德國化學家馬格拉夫在1746年的一次實驗中透過在沒有銅的密閉容器中加熱爐甘石和木炭的混合物而發現純的金屬鋅，因此通常被認為是鋅的分離者。1780年，義大利醫生路易吉·伽伐尼用黃銅對青蛙的實驗為發現電池、電鍍和陰極防蝕鋪平了道路。1799年，亞歷山德羅·伏特發明了伏打電堆。1940年，人們發現了碳酸酐酶的活性位點就是鋅。鎘.1817年，鎘在德國就以爐甘石礦物雜質的形式被弗里德里希·施特羅邁爾和發現。這個元素的名字以發現礦物爐甘石“calamine”的名字命名為“cadmia”。施特羅邁爾之後透過硫化鎘的和還原，成功得到金屬鎘。1927年，國際計量局把米的定義重新定義為鎘的一條紅色譜線的波長的1,553,164.13倍。米之後又被重新定義。同時，國際米原器也被用作一米的長度標準，在1960年米才被國際計量大會重新定義為氪-86在真空下的一條紅橙色譜線波長的1650763.73倍。汞.人們已在公元前1500年的埃及墓中發現汞，當時汞用作化妝品。古中國也使用汞，認為它可以延長壽命。公元前500年，汞常用於製造汞齊。鍊金術師認為汞是形成所有金屬的。他們認為不同的金屬由不同數量和比例的硫和汞組成。其中，最純的金屬是金，而汞則是鍊金術師把賤金屬轉化成金需要的物質。Hg是汞的化學符號。這個符號源自希臘語 Ύδραργυρος。這是因為汞和水一樣是液體，也像銀那樣閃亮。這個元素以羅馬神墨丘利的名字命名。汞還和水星有聯絡，而水星的天文符號就是汞的鍊金術符號。汞是唯一一種鍊金術士給的名字變成現在常用的名稱的金屬。鎶.鎶是已知最重的12族元素，於1996年2月9日由德國達姆施塔特亥姆霍茲重離子研究中心的西格德·霍夫曼和等人首次合成。2010年2月19日，這種元素由IUPAC以哥白尼的名字命名，而這一天正是他的第537個生日。存在.和大多數d區元素的族一樣，12族元素在地球地殼的丰度隨著原子序數升高而下降。鋅是12族元素中最常見的，丰度為65 ppm，而鎘和汞的丰度分別為0.1 ppm和0.08 ppm，比鋅低了幾個數量級。鎶是半衰期只有幾分鐘的人造元素，所以只存在於實驗室中。12族元素是，代表它們比起氧化物更傾向於形成硫化物。12族元素在商業中最重要的礦物都是硫化物礦物。硫化鋅的礦物形式閃鋅礦是開採量最高的鋅礦，這是因為它含有大量、、等礦物形式存在，其中硃砂最常見。雖然汞和鋅礦的含量足以開採，但鎘與鋅太相似，因此在鋅礦石中總是含有少量的鎘。世界已確認的鋅資源總量約為19億噸。鋅在澳大利亞、加拿大和美國裡有大型礦床，而伊朗的鋅儲量最大。按照目前鋅的開採速度，這些儲備估計將在2027年至2055年之間耗盡。2005年，中國是出產汞最多的國家，佔全球市場的三分之二，吉爾吉斯斯坦次之。其它國家被認為從一些未被記錄的出了汞，比如電解鍊銅的過程和對廢水的提煉。由於汞是劇毒，因此硃砂的開採和汞的提煉都有很大的汞中毒風險。生產.鋅是第四常用的金屬，僅次於鐵、鋁和銅，年產量1000萬噸。全球95%的鋅都來自它的硫化物礦物閃鋅礦，它幾乎總是與銅、鉛和鐵的硫化物混合。金屬鋅之後透過提取。這些硫化鋅會成氧化鋅，之後這些氧化鋅會透過或生成金屬鋅。在火法冶煉中，人們會用碳或一氧化碳在還原氧化鋅，生成的金屬鋅會以蒸汽形式蒸餾出來，然後冷凝收集。電解提煉則是先用硫酸從礦石裡收集鋅，然後電解產生金屬鋅。鎘是鋅礦中常見的雜質。一些鋅礦含有高達1.4%的鎘。鎘可以透過真空蒸餾從產生冶煉鋅產生的鋅蒸汽中分離出來，或是以硫酸鎘沉澱的形式出現在電解液中。品位最高的汞礦有2.5%的質量是汞，即使是品位最低的也有0.1%是汞。硃砂在這些汞礦當中最常見。汞是由在空氣中加熱硃砂，然後冷凝產生的蒸汽而成的。像是鎶等超重元素是在粒子加速器裡透過較輕元素的轟擊引起核聚變生產的。大部分的鎶同位素可以直接合成，但一些較重的鎶同位素只能透過原子序更高的元素衰變而成。1996年，GSI第一次聚變產生了鎶。他們檢測到兩次鎶-277的衰變鏈：+ → + n應用.由於它們可以阻止氧化直到被完全腐蝕，鋅和鎘通常用作劑。透過熱浸鍍鋅，可以將金屬鋅轉化為熔融形式，從而將其鍍在其它金屬上。它們也可以透過電鍍鍍在其它金屬上。12族元素也用於電化學中，因為除了作為輔助參比電極之外，它們還可以替代標準氫電極，成為標準電極。在美國，鋅主要用於鍍鋅，大約有四分之一的鋅以鋅化合物的形式使用，大多在工業上使用。鎘有很多常見的工業用途，其中包括電池的製造、、塗層以及電鍍。2009年，86%的鎘都用於製造電池，尤其是可充電的鎳鎘電池。歐盟於2004年禁止在電子產品中使用鎘，將電子產品中鎘的允許含量降至0.002%，但也有例外。有6%的鎘用於電鍍。由於抗腐蝕，因此可以在飛機工業中找到。汞主要用於製造工業化學品或用於電氣和電子應用。它用於溫度計，尤其是測量高溫的溫度計中。使用氣態汞的熒光燈仍在增加。汞因為其毒性而在多數應用中被淘汰，並且在某些應用中被毒性較小但價格昂貴得多的鎵銦錫合金取代。汞和其化合物也用於藥物中，但因為其毒性得到了更廣泛的瞭解而變得更少用。牙科用汞齊裡面仍然含有汞。在20世紀末，汞的最大用處是在過程中生產氯氣和氫氧化鈉。由於極強的放射性，鎶除了用於學術研究以外沒有用處。生物作用和毒性.鋅是植物、動物和微生物所必須的微量元素。它是生物中第二常見的過渡金屬，僅次於鐵，也是唯一一種存在於所有酶中的金屬。人體中有2–4克的鋅，扮演著“無處不在的生物學角色”。一項2006年的研究預計有10%。雖然美國國家科學研究委員會把鋅的可耐受最高攝入量設為40毫克/天，但健康人可能不應該補充超過20毫克/天的鋅。汞和鎘則有毒，如果它們進入雨水或河水，將會對環境造成損害。它們會在農作物裡富集，而汞還會透過食物鏈的生物累積，造成汞中毒和鎘中毒。參考書目.