5.1: Los Elementos del Grupo 12
- Page ID
- 69521
Aunque los metales del Grupo 12 (Tabla\(\PageIndex{1}\)) forman parte formalmente de los elementos del bloque d desde su posición en la Tabla Periódica, su configuración electrónica tanto en su forma elemental (d 10 s 2) como en la gran mayoría de sus compuestos (d 10) es el de los elementos principales del grupo. El estado de oxidación común para todos los elementos del Grupo 12 es +2, y la química de los compuestos de zinc y cadmio en particular es muy similar a los derivados análogos de magnesio.
Nota
La definición de IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) de un metal de transición (o elemento de transición) establece que un metal de transición es “un elemento cuyo átomo tiene una subcapa d incompleta, o que puede dar lugar a cationes con una subcapa d incompleta”. Así, los elementos del Grupo 12 no son metales de transición.
| Elemento | Símbolo | Nombre |
| Zinc | Zn | Del alemán zinke, que significa similar a un diente, puntiagudo o dentado (los cristales metálicos de zinc tienen una apariencia similar a una aguja), o que significa similar a estaño debido a su relación con la palabra alemana zinn que significa estaño, o del significado persa seng piedra. |
| Cadmio | Cd | Del latín cadmia, que significa calamina |
| Mercurio | Hg | Del latín hidrargiro, que significa plata acuosa o líquida |
Cuadro\(\PageIndex{1}\): Derivación de los nombres de los metales del Grupo 12.
Descubrimiento
Zinc
A los artefactos con un alto contenido de zinc (hasta el 90%) les ha gustado tener más de 2500 años, y posiblemente mayores. Como tal, es evidente que varias culturas tenían el conocimiento de trabajar con aleaciones de zinc, en particular latón (una aleación de zinc/cobre). Las minas de zinc en Zawar, cerca de Udaipur en la India, han estado activas desde finales del primer milenio antes de Cristo. Sin embargo, la fundición del zinc metálico parece haber comenzado alrededor del siglo 12 d.C.
El aislamiento de zinc metálico purificado fue reportado concurrentemente por varias personas. La extracción de zinc de su óxido (ZnO) se reportó ya en 1668, mientras que John Lane supuestamente fundió zinc en 1726. La primera patente para la fundición de zinc fue otorgada al metalúrgico inglés William Champion en 1738; sin embargo, el crédito por descubrir zinc metálico puro se le da a menudo a Andreas Marggraf en 1746.
Cadmio
El cadmio fue descubierto en 1817 por Friedrich Stromeyer como impureza en la calamina (carbonato de zinc, ZnCo 3). Stromeyer observó que las muestras impuras de calamina cambiaban de color cuando se calentaban pero la calamina pura no. Eventualmente fue capaz de aislar el metal cadmio por tostado y reducción del sulfuro.
Mercurio
Mercurio era conocido por los antiguos chinos y fue encontrado en tumbas egipcias que datan del 1500 a.C. En China y el Tíbet, se pensó que el uso de mercurio prolonga la vida, sanaba fracturas y mantenía generalmente una buena salud. Los antiguos griegos usaban mercurio en ungüentos; los antiguos egipcios y los romanos lo usaban en cosméticos que a veces deformaban el rostro.
Abundancia
Los elementos del Grupo 12 se encuentran principalmente en minerales de sulfuro, sin embargo, al igual que con sus análogos del Grupo 2, se conocen carbonatos, pero no como económicamente viables. El principal mineral que contiene zinc es la blenda de zinc (también conocida como esfalerita), que es sulfuro de zinc (ZnS). Otros minerales importantes incluyen, wurtzita (ZnS), smithsonita (carbonato de zinc, ZnCo 3) y hemimorfita (calamina, Zn 2 SiO 4). La forma básica del carbonato de zinc (hidrozincita, Zn 5 (CO 3) 2 (OH) 6) también se extrae donde es económicamente viable. La principal fuente de cadmio es como impureza en la blenda de zinc; sin embargo, existen varios otros minerales conocidos, por ejemplo, cadmoselita (seleniuro de cadmio, CdSe) y otavita (CdCo 3). El sulfuro de mercurio (cinabrio, HG) es la principal fuente de mercurio y, de hecho, a menudo se encuentran gotitas de mercurio líquido metálico en el mineral. La abundancia terrestre de los elementos del Grupo 12 se da en la Tabla\(\PageIndex{2}\).
| Elemento | Abundancia terrestre (ppm) |
| Zn | 75 (corteza terrestre), 64 (suelo), 30 x 10 -6 (agua de mar) |
| Cd | 0.1 (corteza terrestre), 1 (suelo), 1 x 10 -6 (agua de mar) |
| Hg | 50 x 10 -6 (corteza terrestre), 2 x 10 -8 (suelo), 40 x 10 -12 (agua de mar) |
Cuadro\(\PageIndex{2}\): Abundancia de elementos del Grupo 12.
Isótopos
Los isótopos naturalmente abundantes de los metales del Grupo 12 se enumeran en la Tabla\(\PageIndex{3}\).
| Isótopo | Abundancia natural (%) |
| Zinc-64 | 48.6 |
| Zinc-66 | 27.9 |
| Zinc-67 | 4.1 |
| Zinc-68 | 18.8 |
| Zinc-70 | 0.6 |
| Cadmio-106 * | 1.25 |
| Cadmio-108 * | 0.89 |
| Cadmio-110 | 12.49 |
| Cadmio-111 | 12.8 |
| Cadmio-112 | 24.13 |
| Cadmio-113 * | 12.22 |
| Cadmio-114 * | 28.73 |
| Cadmio-116 * | 7.49 |
| Mercurio-196 | 0.15 |
| Mercurio-198 | 9.97 |
| Mercurio-199 | 16.87 |
| Mercurio-200 | 23.1 |
| Mercurio-201 | 13.18 |
| Mercurio-202 | 29.86 |
| Mercurio-204 | 6.87 |
Cuadro\(\PageIndex{3}\): Abundancia de los isótopos principales (no sintéticos) de los metales del Grupo 12. Los isótopos marcados con * son radiactivos.
Se han caracterizado muchos radioisótopos de zinc. Zinc-65 que tiene una vida media de 244 días, es el isótopo de mayor duración, seguido de 72 Zn con una vida media de 46.5 horas. El modo de desintegración más común de un isótopo de zinc con un número de masa inferior a 64 es la captura de electrones, produciendo un isótopo de cobre, (Ecuación 5.1.1).
\[ ^{30}_n\text{Zn} + \text{e}^- \rightarrow ^{29}_n\text{Cu}\]
El modo de desintegración más común de un isótopo de zinc con un número de masa superior a 64 es la desintegración beta (β—), que produce un isótopo de galio, (Ecuación 5.1.2).
\[ ^{30}_n\text{Zn} \rightarrow ^{31}_n\text{Ga} + \text{e}^- + \nu_e\]
El cadmio natural está compuesto por 8 isótopos. Para dos de ellos se observó radiactividad natural, y se predice que otros tres son radiactivos pero no se observa su desintegración, debido a tiempos de semivida extremadamente largos. Los dos isótopos radiactivos naturales son 113 Cd (vida media = 7.7 x 10 15 años) y 116 Cd (semivida = 2.9 x 10 19 años).
Hay siete isótopos estables de mercurio, siendo los radioisótopos de mayor vida 194 Hg (semivida = 444 años) y 203 Hg (semivida = 47 días). 199 Hg y 201 Hg son los núcleos activos NMR más estudiados, teniendo espines de 1/2 y 3/2 respectivamente.
Propiedades
En la Tabla se presenta un resumen de las propiedades físicas de los metales del Grupo 12\(\PageIndex{4}\). Debido al electrón n s en los metales del Grupo 12 están fuertemente unidos, y por lo tanto relativamente no disponibles para la unión metálica, los metales son volátiles con puntos de ebullición bajos, en comparación con los metales del Grupo 2.
| Elemento | Mp (°C) | Bp (°C) | Densidad (g/cm 3) |
| Zn | 419.53 | 907 | 7.14 |
| Cd | 321.07 | 767 | 8.65 |
| Hg | -38.83 | 356.73 | 13.534 (líquido) |
Cuadro\(\PageIndex{4}\): Propiedades físicas seleccionadas de los metales del Grupo 12.
La anomalía más notable en los metales del Grupo 12 es el bajo punto de fusión del mercurio en comparación con el zinc y el cadmio. Para comprender completamente las razones de la física cuántica de bajo punto de fusión del mercurio se requiere; sin embargo, el punto clave es que el mercurio tiene una configuración electrónica única, es decir, [Xe] 5 d 6 s. La estabilidad del caparazón de 6 s se debe a la presencia de un caparazón lleno de 4 f, debido a que un caparazón f criba mal la carga nuclear que aumenta la interacción atractiva del culombo de la concha de 6 s y el núcleo. Tal configuración resiste fuertemente la eliminación de un electrón y como tal el mercurio se comporta de manera similar a los elementos de gas noble, que forman sólidos débilmente unidos y, por lo tanto, funden fácilmente.
Producción industrial
La gran mayoría (95%) del zinc se extrae de los minerales de sulfuro de zinc. El zinc se mezcla con mayor frecuencia con cobre, plomo y hierro. El zinc metálico se produce por extracción, en la que el mineral se muele y luego los minerales se separan de la ganga (materia mineral comercialmente sin valor) por flotación por espuma (un proceso para separar selectivamente materiales hidrófobos de hidrófilos). El tostado convierte el concentrado de sulfuro de zinc producido en óxido de zinc (Ecuación 5.1.3). La reducción del óxido de zinc con carbono (5.1.4) o monóxido de carbono (5.1.5) a 950 °C en el metal es seguida por destilación del metal. Dado que el cadmio es una impureza común en los minerales de zinc, con mayor frecuencia se aísla durante la producción de zinc. El cadmio se aísla del metal de zinc por destilación al vacío si el zinc se funde, o el sulfato de cadmio se precipita de la solución de electrólisis.
\[ \text{2 ZnS + 3 O}_2 \rightarrow \text{2 ZnO + 2 SO}_2 \]
\[ \text{2 ZnO + C} \rightarrow \text{2 Zn + CO}_2\]
\[ \text{2 ZnO + 2 CO} \rightarrow \text{2 Zn + 2 CO}\]
El mercurio se extrae calentando cinabrio (HG) en una corriente de aire, Ecuación, y condensando el vapor.
\[ \text{HgS + O}_2 \rightarrow \text{Hg + SO}_2\]