12-ші топ элементтері

Кіріспе

Химиялық элементтер тобы

|
! colspan=2 style="text-align:left;" | ↓ Кезең
|
! 4
|
|
! 5
|
|
! 6
|
|
! 7
|
|
| colspan="2"|

Түсіндірмелер
алғашқы элемент синтезделген элемент атомдық нөмір түсі: жасыл=сұйық, қара=қатты
|}

Современді IUPAC жүйесі бойынша 12-топ – периодтық кестедегі химиялық элементтер тобы. Оған мырыш (Zn), кадмий (Cd), сынап (Hg) және коперник (Cn) кіреді. Бұрын бұл топ CAS және ескі IUPAC жүйесі бойынша IIB ("II" – рим саны болғандықтан, "екінші топ B" деп айтылады) деп аталатын. Табиғатта кездесетін 12-топтың үш элементі – мырыш, кадмий және сынап. Олардың барлығы электр және электрондық қолданыстарда, сондай-ақ түрлі қорытпаларда кеңінен қолданылады. Топтың алғашқы екі мүшесі стандартты жағдайларда қатты металл болғандықтан ұқсас қасиеттерге ие. Сынап – бөлме температурасында сұйық болатын жалғыз металл, ал коперниктың қайнау температурасы әлі жеткілікті дәлдікпен өлшенбегендіктен, стандартты жағдайларда ол сұйық немесе газ екендігі белгісіз. Мырыш тірі организмдердің биохимиясында өте маңызды болса, кадмий мен сынап екеуі де өте улы. Коперник табиғатта кездеспейтіндіктен, оны зертханада синтездеу қажет.

Химия

12-ші топтың алғашқы үш мүшесі үшін ғана химиялық қасиеттері көбінесе байқалған. Коперниций химиясы толыққанды зерттелмегендіктен, осы бөлімнің қалған бөлігі тек мырыш, кадмий және сынапқа арналған.

Мерзімді даму үрдісі

Бұл топтағы барлық элементтер металл. Кадмий мен сынаптың металл радиустарының ұқсастығы лантаноидтар жиырылуының салдарынан туындайды. Осы топтағы тенденция 2-топтың, сілтілік жерлердің тенденциясынан өзгеше, онда металл радиусы топтың жоғары жағынан төменгі жағына қарай біртегіс өседі. Барлық үш металдың да балқу және қайнау температуралары салыстырмалы түрде төмен, бұл металдық байланыстың салыстырмалы түрде әлсіз екенін көрсетеді, сондай-ақ валенттік және өткізгіштік белдеулер арасындағы жабылудың аздығын көрсетеді. Осылайша, мырыш металдық және металлоид элементтері арасындағы шекараға жақын, ол әдетте галлий мен германий арасында орналасады, бірақ галлий галлий арсениді сияқты жартылай өткізгіштер құрамына қатысады. Цинк пен кадмий электрооң, ал сынап электрооң емес. Кадмий металдың тотығу дәрежесі +1 болатын [Cd2Cl6]4− сияқты түйірлерді де құра алады. Сынап сияқты, металл-металл байланысының қалыптасуы жұпсыз электрондары жоқ диамагниттік қосылысқа әкеледі, бұл түйірді өте реактивті етеді. Цинк(I) көбінесе газ фазасында, каломельге ұқсас Zn2Cl2 сияқты сызықтық қосылыстарда белгілі. Қатты фазада экзотикалық декаметилдизинкоцен (Cp*Zn–ZnCp*) қосылысы белгілі.

Тарих

12-топ элементтері тарих барысында кездесіп, ежелгі заманнан бері қолданылып, сондай-ақ зертханаларда жаңадан ашылған. Бұл топтың әдеттегі атауы болмаған, бірақ бұрын IIB тобы деп аталып келген.

Цинк

Цинк ежелгі заманда таза емес түрде, сондай-ақ 2000 жылдан астам уақыт бұрын табылған мыс сияқты қорытпаларда қолданылған. Цинк 1374 жылы жазылған индус патшасы Маданапалаға (Така әулетінен) тиесілі медициналық лексиконда «Фасада» деген атаумен металл ретінде нақты танылды. Алхимиктер де бұл металлдан пайдаланған. Металл атауы алғаш рет 16 ғасырда тіркелген, және бәлкім, металл кристалдарының ине тәрізді түріне байланысты неміс тіліндегі «zinke» сөзінен шыққан. Батыста металл цинкты оқшаулау 17 ғасырда бірнеше адам тәуелсіз түрде жасаған болуы мүмкін. Неміс химигі Андреас Маргграфқа 1746 жылы металл алу үшін жабық ыдыста каламин мен көмірдің қоспасын қыздыру арқылы таза металл цинкты ашқаны үшін үлкен еңбек сіңірген. 1780 жылы итальяндық дәрігер Луиджи Гальванинің қоламен жасаған тәжірибелері электр батареясын, гальванизацияны және катодтық қорғаныстың ашылуына жол ашты. 1799 жылы Гальванидің досы Алессандро Вольта Вольта тірегін ойлап тапты. Ол «каламине» үшін латын тіліндегі «cadmia» сөзінен, кадмийлі минералдар қоспасынан, грек мифологиясындағы Фив қаласын құрған Кадмос есімді кейіпкерден алынған. Стромейер ақырында сульфидті қыздыру және тотығу арқылы кадмий металлын оқшаулады. 1927 жылы Халықаралық салмақтар мен өлшемдер конференциясы метрді қызыл кадмий спектрлік сызығымен (1 м = 1 553 164,13 толқын ұзындығы) қайта анықтады. Бұл анықтама кейіннен өзгертілді (криптонға қараңыз). Сонымен қатар, 1960 жылға дейін метрдің ұзындығының стандарты ретінде Халықаралық прототиптік метр қолданылды, ол кезде салмақтар мен өлшемдер жөніндегі бас конференцияда метр вакуумдағы криптон-86 атомының электромагниттік спектріндегі қызыл-қызыл шығарылым сызығымен анықталды.

Жиде

Мысыр қабірлерінде б.з.д. 1500 жылға дейін сақталған сынаптың табылуы белгілі болды, онда сынапты косметикалық құралдарда қолданған. Оны ежелгі қытайлықтар да пайдаланған, олар оның денсаулықты жақсартады және ұзартады деп сенген. Б.з.д. 500 жылға дейін сынапты басқа металдармен амальгама (орта ғасырлық латынша амальгама, "сыртқы сынап қорытпасы") жасау үшін қолданған. Алхимиктер сынапты барлық металдардың пайда болған бастапқы заты деп есептеген. Олар сынаптың құрамындағы күкірттің сапасы мен мөлшерін өзгерту арқылы әртүрлі металдар алуға болатынын ойлаған. Олардың ең тазасы – алтын болды, ал сынапты қара (немесе таза емес) металдарды алтынға айналдыру үшін қолданған, бұл көптеген алхимиктердің мақсаты болды. Hg – сынаптың қазіргі химиялық символы. Ол гидраргирумнан шыққан, грек сөзі Ύδραργυρος (hydrargyros) латыншасы, бұл "су күмісі" (hydr = су, argyros = күміс) деген мағынаны білдіреді, себебі ол су сияқты сұйық және күміс сияқты жылтыр. Бұл элемент жылдамдық және қозғалғыштығымен танымал рим құдайы Меркурийдің құрметіне аталған. Ол Меркурий планетасымен байланысты; планетаның астрологиялық символы сонымен қатар металдың алхимиялық символдарының бірі болып табылады. Меркурий – алхимиялық планеталық атауы жалпыға танымал атауға айналған жалғыз металл. Кейіннен, 2010 жылдың 19 ақпанында, Коперник туғанына 537 жыл толуына орай, Халықаралық таза және қолданбалы химия одағы (IUPAC) оны ресми түрде Николаус Коперник атымен атады.

Пайда болуы

Басқа d-блоктық топтардағыдай, Жер қыртысында 12-топ элементтерінің мөлшері атомдық санының артуымен азаяды. Цинк – бұл топтағы ең көп таралған элемент, оның мөлшері 65 миллионнан бір бөлік (ppm), ал кадмий 0,1 ppm және сынап 0,08 ppm құрайды, яғни олардың мөлшері бірнеше есе аз. Коперниций – синтетикалық элемент ретінде, жартылай ыдырау периоды бірнеше минутты құрайды, сондықтан ол тек оны жасаған зертханаларда ғана кездеседі. 12-топ металдары халкофильдер болып табылады, яғни олардың оксидтермен байланысуға бейімділігі төмен және сульфидтермен байланысуға ұмтылады. Халкофильдер Жер қыртысының ертедегі атмосферасының тотықсыздану жағдайында қалыптасқан. 12-топ элементтерінің коммерциялық маңызы бар минералдары – сульфидтер. Металл кадмийді табуға болатын бір орын – Сібірдегі Вилюй өзенінің алабы. Жер қыртысында сынап өте сирек элемент болғанымен, ол қыртыстың көп бөлігін құрайтын элементтермен геохимиялық тұрғыдан араласпайтындықтан, сынап кендері элементтің қарапайым тау жыныстарындағы мөлшеріне қарағанда жоғары концентрацияланған болуы мүмкін. Ең бай сынап кендері массасы бойынша 2,5% дейін сынапты қамтиды, ал ең аз концентрацияланған кен орындарында да кемінде 0,1% сынап бар (жер қыртысының орташа мөлшерінен 12 000 есе көп). Ол табиғи металл түрінде (сирек) немесе киноварь (HgS), кордероит, ливингстонит және басқа минералдарда кездеседі, киноварь – ең көп таралған кен. Мырыш пен сынап минералдары өндіруге жеткілікті мөлшерде кездессе, кадмий мырышқа өте ұқсас болғандықтан, мырыш кендерінде әрқашан аз мөлшерде болады және одан бөліп алынады. Дүниежүзілік мырыш ресурстары шамамен 1,9 миллиард тоннаны құрайды. Ірі кен орындары Австралияда, Канадада және АҚШ-та орналасқан, ал ең ірі қоры Иранда. Қазіргі тұтыну деңгейінде бұл қорлар 2027 және 2055 жылдар аралығында таусылуы мүмкін деп болжанады. 2002 жылға дейін тарих бойы шамамен 346 миллион тонна өндірілді, ал бір бағалау бойынша оның шамамен 109 миллион тоннасы әлі де қолданыста. 2005 жылы Қытай сынап өндіруші елдердің ішінде көшбасшы болды, оның үлесі шамамен екі үшін бір бөлігін құрады, содан кейін Қырғызстан келді. Тағы бірнеше елдің мыс электролизі және ағынды сулардан сынапты қайта өңдеу арқылы сынап өндірісі тіркелмеген болуы мүмкін. Сынаптың жоғары уыттылығына байланысты, киноварьды өндіру және сынапты тазарту қауіпті және сынаптан уланудың тарихи себептерінің бірі болып табылады.

Like in most other d block groups, the abundance in Earth's crust of group 12 elements decreases with higher atomic number. Zinc is with 65 parts per million (ppm) the most abundant in the group while cadmium with 0.1 ppm and mercury with 0.08 ppm are orders of magnitude less abundant. Copernicium, as a synthetic element with a half life of a few minutes, may only be present in the laboratories where it was produced. Group 12 metals are chalcophiles, meaning the elements have low affinities for oxides and prefer to bond with sulfides. Chalcophiles formed as the crust solidified under the reducing conditions of the early Earth's atmosphere. The commercially most important minerals of group 12 elements are sulfide minerals. One place where metallic cadmium can be found is the Vilyuy River basin in Siberia. Although mercury is an extremely rare element in the Earth's crust, because it does not blend geochemically with those elements that constitute the majority of the crustal mass, mercury ores can be highly concentrated considering the element's abundance in ordinary rock. The richest mercury ores contain up to 2.5% mercury by mass, and even the leanest concentrated deposits are at least 0.1% mercury (12,000 times average crustal abundance). It is found either as a native metal (rare) or in cinnabar (HgS), corderoite, livingstonite and other minerals, with cinnabar being the most common ore. While mercury and zinc minerals are found in large enough quantities to be mined, cadmium is too similar to zinc and therefore is always present in small quantities in zinc ores from where it is recovered. Identified world zinc resources total about 1.9 billion tonnes. Large deposits are in Australia, Canada and the United States with the largest reserves in Iran. At the current rate of consumption, these reserves are estimated to be depleted sometime between 2027 and 2055. About 346 million tonnes have been extracted throughout history to 2002, and one estimate found that about 109 million tonnes of that remains in use. In 2005, China was the top producer of mercury with almost two thirds global share followed by Kyrgyzstan. Several other countries are believed to have unrecorded production of mercury from copper electrowinning processes and by recovery from effluents. Because of the high toxicity of mercury, both the mining of cinnabar and refining for mercury are hazardous and historic causes of mercury poisoning.

Өндіріс

Мырыш – темір, алюминий және мыс сияқты ең көп қолданылатын төртінші металл, оның жылдық өндірісі шамамен 10 миллион тоннаны құрайды. Әлемдегі мырыштың 95% сульфидті кен орындарынан өндіріледі, онда сфалерит (ZnS) әрқашан мыс, қорғасын және темір сульфидтерімен қосылған. Цинк металлы экстрактивті металлургия арқылы өндіріледі. Қыздыру арқылы өңдеу кезінде алынған мырыш сульфидінің концентраты мырыш оксидіне айналады. Одан әрі өңдеу үшін екі негізгі әдіс қолданылады: пирометаллургия немесе электролиз. Пирометаллургиялық өңдеуде мырыш оксиді көміртек немесе көміртек монооксидімен 950 °C (1742 °F) температурада металлға дейін тотықсыздандырылады, ол мырыш буы ретінде айнымалы дистилляцияланады. Мырыш буы конденсаторда жиналады. Бұл қадамнан кейін цинк металлын өндіру үшін электролиз қолданылады. Кадмий, егер мырыш балқытылса, түтін шаңынан алынған мырыштан вакуумдық дистилляция арқылы бөліп алынады, немесе кадмий сульфаты электролиз ерітіндісінен тұнбаға түсіріледі. Ең бай сынап кендері массасы бойынша 2,5% дейін сынапты қамтиды, ал ең аз концентрацияланған кендерде де кемінде 0,1% сынап бар, ал цинабар (HgS) кендерде ең көп таралған кен. Снапты ауа ағынында цинабарды қыздыру және буды конденсациялау арқылы өндіруге болады. Коперниций сияқты өте ауыр элементтер бөлшектер үдеткіштерінде жеңіл элементтерді бомбалау арқылы жасалады, бұл синтез реакцияларын тудырады. Коперницийдің көптеген изотоптары осылай тікелей синтезделе алады, бірақ кейбір ауырлары жоғары атомдық саны бар элементтердің ыдырау өнімдері ретінде ғана байқалады. Коперницийді өндіруге арналған алғашқы синтездік реакцияны 1996 жылы GSI орындады, ол коперниций-277 екі ыдырау тізбегін анықтағанын хабарлады (бірақ кейінірек біреуі қайтарылды, өйткені ол Виктор Нинов жасаған деректерге негізделген). АҚШ-та мырыш негізінен гальванизация үшін (55%) және мыс, қола және басқа қорытпалар үшін (37%) қолданылады. Мырыштың салыстырмалы реактивтілігі және өзіне тотығуды тарту қабілеті оны катодтық қорғауда (КҚ) тиімді құрбандық анодқа айналдырады. Мысалы, жерге көмілген құбырдың катодтық қорғанысын мырыштан жасалған анодтарды құбырға қосу арқылы жүзеге асыруға болады. Мырыш анод (теріс терминал) ретінде қызмет етеді, өйткені ол темір құбыр желісіне электр тогын өткізген кезде баяу тотығады. Мырыш теңіз суына ұшыраған металдарды коррозиядан катодтық қорғау үшін де қолданылады. Мырыш сонымен қатар мырыш-көміртек батареялары немесе мырыш-ауа батареялары/жасушалары сияқты батареялар үшін анод материалы ретінде қолданылады. Мырыштан жасалған кең таралған қорытпа – мыс, онда мыс қорытпасының түріне байланысты 3% -дан 45% дейін мырыш қосылады. Мыс мыстан гөрі икемдірек және мықтырақ, сонымен қатар коррозияға төзімділігі жоғары. Бұл қасиеттер оны байланыс құралдарында, аппараттық жабдықтарда, музыкалық аспаптарда және су клапандарында пайдалы етеді. Мырыштан жасалған басқа кең таралған қорытпалар: никель күмісі, теріс машина металлы, жұмсақ және алюминийлі қосымша, коммерциялық қола. АҚШ-тағы барлық мырыш өндірісінің шамамен төрттен бірі (2009 ж.) мырыш қосылыстары түрінде қолданылады, олардың көпшілігі өнеркәсіпте қолданылады. жабындар және әдетте электрожабында қолданылады. Кадмийді электрожабу, әлемдік өндірістің 6% -ын тұтынады, авиация өнеркәсібінде сталь компоненттеріне жабылғанда коррозияға төзімділігіне байланысты қолданылады. Снап негізінен өнеркәсіптік химиялық заттарды немесе электр және электрондық қолданбаларды өндіру үшін қолданылады. Ол кейбір термометрлерде, әсіресе жоғары температураны өлшеуге арналған термометрлерде қолданылады. Флуоресценттік шамдарда газ тәрізді сынап ретінде көбірек қолданылады, ал басқа қолданбалар денсаулық пен қауіпсіздік ережелеріне байланысты баяу тоқтатылуда және кейбір қолданбаларда аз уытты, бірақ әлдеқайда қымбат Галлинстан қорытпасымен ауыстырылуда. Снап және оның қосылыстары медицинада қолданылған, бірақ олардың уытты әсерлері жақсы түсінілгендіктен, бұрынғыдан әлдеқайда аз таралған. Ол әлі де тіс амальгамасының құрамында қолданылады. ХХ ғасырдың соңында сынаптың ең көп қолданылуы хлор және каустикалық сода өндірісіндегі сынап жасушасының процесінде (осы процесті Кастнер Келлнер процесі деп те атайды) болды. Коперницийдің өте жоғары радиоактивтілігіне байланысты оны зерттеуден басқа мақсатта қолдануға болмайды.

Zinc is the fourth most common metal in use, trailing only iron, aluminium, and copper with an annual production of about 10 million tonnes. Worldwide, 95% of the zinc is mined from sulfidic ore deposits, in which sphalerite (ZnS) is nearly always mixed with the sulfides of copper, lead and iron. Zinc metal is produced using extractive metallurgy. Roasting converts the zinc sulfide concentrate produced during processing to zinc oxide: For further processing two basic methods are used: pyrometallurgy or electrowinning. Pyrometallurgy processing reduces zinc oxide with carbon or carbon monoxide at 950 °C (1742 °F) into the metal, which is distilled as zinc vapor. The zinc vapor is collected in a condenser. After this step electrolysis is used to produce zinc metal. Cadmium is isolated from the zinc produced from the flue dust by vacuum distillation if the zinc is smelted, or cadmium sulfate is precipitated out of the electrolysis solution. The richest mercury ores contain up to 2.5% mercury by mass, and even the leanest concentrated deposits are at least 0.1% mercury, with cinnabar (HgS) being the most common ore in the deposits. Mercury is extracted by heating cinnabar in a current of air and condensing the vapor. Superheavy elements such as copernicium are produced by bombarding lighter elements in particle accelerators that induces fusion reactions. Whereas most of the isotopes of copernicium can be synthesized directly this way, some heavier ones have only been observed as decay products of elements with higher atomic numbers. The first fusion reaction to produce copernicium was performed by GSI in 1996, who reported the detection of two decay chains of copernicium 277 (though one was later retracted, as it had been based on data fabricated by Victor Ninov):

In the US, zinc is used predominantly for galvanizing (55%) and for brass, bronze and other alloys (37%). The relative reactivity of zinc and its ability to attract oxidation to itself makes it an efficient sacrificial anode in cathodic protection (CP). For example, cathodic protection of a buried pipeline can be achieved by connecting anodes made from zinc to the pipe. Zinc acts as the anode (negative terminus) by slowly corroding away as it passes electric current to the steel pipeline. Zinc is also used to cathodically protect metals that are exposed to sea water from corrosion. Zinc is also used as an anode material for batteries such as in zinc–carbon batteries or zinc–air battery/fuel cells. A widely used alloy which contains zinc is brass, in which copper is alloyed with anywhere from 3% to 45% zinc, depending upon the type of brass. Brass is generally more ductile and stronger than copper and has superior corrosion resistance. These properties make it useful in communication equipment, hardware, musical instruments, and water valves. Other widely used alloys that contain zinc include nickel silver, typewriter metal, soft and aluminium solder, and commercial bronze. Roughly one quarter of all zinc output, in the United States (2009), is consumed in the form of zinc compounds, a variety of which are used industrially. coatings, and is commonly used in electroplating. Cadmium electroplating, consuming 6% of the global production, can be found in the aircraft industry due to the ability to resist corrosion when applied to steel components. Mercury is used primarily for the manufacture of industrial chemicals or for electrical and electronic applications. It is used in some thermometers, especially ones which are used to measure high temperatures. A still increasing amount is used as gaseous mercury in fluorescent lamps, while most of the other applications are slowly phased out due to health and safety regulations, and is in some applications replaced with less toxic but considerably more expensive Galinstan alloy. Mercury and its compounds have been used in medicine, although they are much less common today than they once were, now that the toxic effects of mercury and its compounds are more widely understood. It is still used as an ingredient in dental amalgams. In the late 20th century the largest use of mercury was in the mercury cell process (also called the Castner Kellner process) in the production of chlorine and caustic soda. Copernicium has no use other than research due to its very high radioactivity.

Биологиялық рөлі және токсикологиялық әсері

12-топ элементтері биологиялық организмдерге әртүрлі әсер етеді, себебі кадмий мен сынап улы, ал мырыш көптеген өсімдіктер мен жануарларға іздік мөлшерде қажет. Мырыш – өсімдіктер, жануарлар және микроорганизмдер үшін қажетті іздік элемент. Ол темірден кейін "организмдерде ең көп таралған екінші ауыспалы металл" және барлық фермент кластарында кездесетін жалғыз металл. Ол адам ағзасының барлық жерінде таралған және "көптеген биологиялық рөлдерді" атқарады. 2006 жылғы зерттеу бойынша, адам ақуыздарының шамамен 10% (2800) мырышпен байланысуы мүмкін, сонымен қатар мырышты тасымалдайтын және бөліс-таратумен айналысатын жүздеген басқалары бар. Қосымша мөлшерінің зиянды болуы мүмкін және сау адамдарда тәулігіне 20 мг-дан аспауы тиіс, бірақ АҚШ Ұлттық зерттеу кеңесінің толерантты жоғарғы шегі тәулігіне 40 мг құрайды. Сынап пен кадмий улы және өзендерге немесе жаңбыр суына түсіп, қоршаған ортаға зиян келтіруі мүмкін. Бұл егін шаруашылығының ластануына, сондай-ақ тағам тізбегінде сынаптың биоаккумуляциясына алып келуі мүмкін, нәтижесінде сынап пен кадмийге уланудан туындаған аурулардың көбеюіне себеп болуы мүмкін.