Elementos del grupo 12

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El grupo 12, según la numeración recomendada por la IUPAC,[1] es un grupo de elementos químicos de la tabla periódica que incluye el cinc (Zn), el cadmio (Cd) y el mercurio (Hg).[2] Varios experimentos sobre átomos individuales de copernicio (Cn)[3] apoyan la inclusión de este elemento también en el grupo 12. Según el sistema de numeración antiguo, tanto de la IUPAC como del CAS, este grupo se conocía como IIB.

Tanto el cinc como el cadmio y el mercurio están presentes en la naturaleza y tienen amplia aplicación en los ámbitos de la electricidad y la electrónica, así como para la formación de aleaciones. Los dos primeros, metales sólidos en condiciones normales, tienen propiedades muy similares. El mercurio, por su parte, es el único metal líquido a temperatura ambiente. Mientras que el cinc tiene gran importancia en la bioquímica de los seres vivos, el cadmio y el mercurio son altamente tóxicos. En cuanto al copernicio, dado que no existe de forma natural, debe ser sintetizado en el laboratorio.

Propiedades físicas[editar]

Como en otros grupos de la tabla periódica, los elementos del grupo 12 muestran patrones en su configuración electrónica, especialmente en la capa de valencia, lo que origina ciertas tendencias en su comportamiento químico:

Z Elemento N.º de electrones por capa
30 cinc 2, 8, 18, 2
48 cadmio 2, 8, 18, 18, 2
80 mercurio 2, 8, 18, 32, 18, 2
112 copernicio 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2 (predicción)

Los elementos del grupo 12 son metales blandos, diamagnéticos y divalentes, con los puntos de fusión más bajos de todos los metales de transición. El cinc es brillante y de color blanco azulado,[4] aunque las calidades comerciales más comunes tienen un acabado mate.[5] El cadmio es blando, dúctil, maleable y de color blanco azulado. El mercurio es un metal líquido, denso y plateado, el único metal líquido a temperatura ambiente; es un pobre conductor térmico pero un conductor eléctrico moderadamente bueno.[6]

En la tabla siguiente se resumen las principales propiedades físicas de los elementos del grupo 12. Se sabe muy poco del copernicio y ninguna de sus propiedades físicas se ha confirmado excepto su punto de ebullición —provisionalmente—.[7]

Propiedades de los elementos del grupo 12
Nombre Cinc Cadmio Mercurio Copernicio
Punto de fusión 693 K (420 °C) 594 K (321 °C) 234 K (−39 °C)  ?
Punto de ebullición 1180 K (907 °C) 1040 K (767 °C) 630 K (357 °C) 357+112
−108
 K (84+112
−108
 °C)
Densidad 7,14 g cm−3 8,65 g cm−3 13,534 g cm−3 23,7 g cm−3 (?)
Apariencia blanco azulado metálico blanco azulado plateado  ?
Radio atómico 135 pm 155 pm 150 pm 147 pm (?)

El cinc es algo menos denso que el hierro y posee una estructura cristalina hexagonal.[8] Es un metal duro y frágil, pero se vuelve maleable entre 100 y 150 °C.[4] [5] Por encima de los 220 °C, el metal se vuelve de nuevo frágil y puede ser pulverizado por golpeo.[9] El cinc es un conductor eléctrico aceptable[4] y, para tratarse de un metal, tiene puntos de fusión y ebullición relativamente bajos. El cadmio es similar al cinc en muchos aspectos, pero forma complejos de coordinación.[10] Al contrario que otros metales, el cadmio es resistente a la corrosión, por lo que puede utilizarse como capa protectora revistiendo otros metales. El cadmio es, en general, insoluble en agua y no inflamable; sin embargo, cuando se encuentra finamente dividido puede arder y liberar vapores tóxicos.[11] Por su parte, el mercurio tiene una temperatura de fusión extraordinariamente baja para tratarse de un metal del bloque d.

Cinc, cadmio y mercurio forman un amplio abanico de aleaciones. El latón, por ejemplo, es una aleación de cinc y cobre, y también forman aleaciones binarias con el cinc el aluminio, el antimonio, el bismuto, el oro, el hierro, el plomo, el mercurio, la plata, el estaño, el magnesio, el cobalto, el níquel, el telurio y el sodio.[12] Aunque ni el cinc ni el circonio son ferromagnéticos, su aleación ZrZn2 muestra ferromagnetismo por debajo de los 35 K.[4] El cadmio se utiliza en muchos tipos de aleaciones de soldadura y cojinete, gracias a su bajo coeficiente de fricción y su resistencia a la fatiga.[13] También se encuentra en algunas de las aleaciones con puntos de fusión más bajos, como el metal de Wood.[14] Al ser líquido, el mercurio disuelve a otros metales y las aleaciones que forma se denominan amalgamas. Se conocen amalgamas con oro, cinc, sodio y muchos otros metales. El hierro es una excepción, por lo que tradicionalmente se han utilizado recipientes de este metal para almacenar el mercurio. Otros metales que no se amalgaman con el mercurio son el tantalio, el wolframio y el platino. La amalgama de sodio es un agente reductor muy común en síntesis orgánica y también se utiliza en las lámparas de vapor de sodio a alta presión. El mercurio también se combina fácilmente con aluminio para formar una amalgama de aluminio cuando ambos metales puros entran en contacto. Dado que la amalgama reacciona con el aire para dar óxido de aluminio, pequeñas cantidades de mercurio pueden corroer el aluminio. Es por ello que, generalmente, no se permite introducir mercurio en una aeronave, debido al riesgo de que se amalgame con partes de aluminio que puedan estar al descubierto.[15]

Propiedades químicas[editar]

Solo se ha estudiado la química de los tres primeros miembros del grupo 12. La química del copernicio aún no está bien establecida; por lo tanto, en esta sección se hablará únicamente del cinc, el cadmio y el mercurio.

Tendencias periódicas[editar]

Todos los elementos del grupo 12 son metálicos. La similitud de los radios metálicos del cadmio y el mercurio es fruto de la contracción lantánida; así pues, la tendencia en el grupo 12 es diferente a la del grupo 2, los metales alcalinotérreos, en donde el radio metálico aumenta paulatinamente al descender en el grupo. Los tres metales tienen puntos de fusión y ebullición relativamente bajos, lo que indica que el enlace metálico es más o menos débil, con un solapamiento relativamente pequeño entre la banda de valencia y la banda de conducción.[16] Por ello, el cinc está cerca de la frontera entre metales y semimetales, que normalmente se sitúa entre el galio y el germanio, si bien el galio toma parte en semiconductores como el arseniuro de galio.

El cinc y el cadmio son electropositivos, mientras que el mercurio no lo es.[16] Como consecuencia, ambos son buenos agentes reductores. Los elementos del grupo 12 poseen un estado de oxidación +2 en el que los iones tienen una configuración electrónica d10 relativamente estable, con una subcapa completa. Sin embargo, el mercurio puede reducirse fácilmente al estado de oxidación +1; normalmente, dos iones de mercurio(I) se combinan en la especie diamagnética Hg2+
2
formando un enlace metal-metal.[17] El cadmio también puede formar especies como [Cd2Cl6]4− en que el estado de oxidación del metal es +1. Como en el caso del mercurio, la formación de un enlace metal-metal resulta en una especie diamagnética sin electrones desapareados, lo que la hace muy reactiva. El cinc(I) solo se conoce en fase gas en compuestos como el Zn2Cl2, lineal, análogo al calomelano.

Clasificación[editar]

Modelo de barras y bolas de la molécula de fluoruro de mercurio(IV), HgF4.

Los elementos del grupo 12 suelen considerarse elementos del bloque d pero no elementos de transición, ya que su capa d está completa. Algunos autores clasifican estos elementos como representativos, al tener sus electrones de valencia en los orbitales ns2. Sin embargo, comparten muchas características con los vecinos elementos del grupo 11, que son considerados metales de transición casi universalmente. Por ejemplo, el cinc tiene muchas características en común con el metal de transición adyacente, el cobre. Los complejos de cinc se incluyen en la serie de Irving–Williams, pues muchos mantienen la misma estequiometría que los complejos de cobre(II), si bien con menores constantes de estabilidad.[18] Hay poca similitud entre el cadmio y la plata, siendo infrecuentes los compuestos de plata(II) —aquellos que sí existen son agentes oxidantes muy fuertes—. Del mismo modo, el hecho de que el estado de oxidación más frecuente para el oro sea +3 impide una gran similitud entre la química del oro y la del mercurio, si bien sí hay parecidos entre el mercurio(I) y el oro(I) tales como la formación de complejos lineales diciano, [M(CN)2]. Si se atiende a la definición de metal de transición según la IUPAC, «elemento cuyo átomo tiene una subcapa d incompleta o puede dar lugar a cationes con una subcapa d incompleta»,[19] el cinc y el cadmio no son elementos de transición, mientras que el mercurio sí: solo al mercurio se le conoce un compuesto en el que su estado de oxidación sea mayor que +2, el fluoruro de mercurio(IV).[20] No obstante, esta clasificación se basaría en un compuesto extremadamente atípico que no ha sido observado en condiciones de equilibrio y contradiría la química más típica del mercurio, así que se ha sugerido que sería mejor no considerar el mercurio como un metal de transición.[21]

Relación con los metales alcalinotérreos[editar]

Aunque el grupo 12 cae dentro del bloque d en la tabla de dieciocho columnas moderna, los electrones d del cinc, del cadmio y —casi siempre— del mercurio se comportan como electrones internos y no toman parte en el enlace. Este comportamiento concuerda con el de los elementos representativos, pero contrasta notablemente con el de los elementos del grupo 11 —cobre, plata y oro—, que también tienen las subcapas d completas en el estado fundamental pero se comportan químicamente como metales de transición. Por ejemplo, los enlaces del sulfuro de cromo(II) (CrS) involucran principalmente los electrones 3d, los del sulfuro de hierro(II) (FeS) involucran tanto los electrones 3d como los 4s, pero los del sulfuro de cinc (ZnS) involucran únicamente los electrones 4s, comportándose los electrones 3d como electrones internos.

Puede, pues, hacerse una comparación útil entre las propiedades de los elementos del grupo 12 y las de los dos primeros metales alcalinotérreos, el berilio y el magnesio. Por ejemplo, el cinc y el cadmio se parecen al berilio y al magnesio en sus radios atómicos, radios iónicos, electronegatividades y, también, en la estructura de sus compuestos binarios y su habilidad para formar iones complejos con ligandos nitrogenados y oxigenados, como aminas e hidruros complejos. Sin embargo, el berilio y el magnesio son átomos pequeños, al contrario que los alcalinotérreos más pesados y al igual que los elementos del grupo 12 —que tienen una mayor carga nuclear pero el mismo número de electrones de valencia—, y las tendencias periódicas al descender por el grupo 2 desde el berilio hasta el radio son menos paulatinas al descender desde el berilio hacia el mercurio, debido a las contracciones escándida y lantánida. Son ambas contracciones las que aportan al mercurio muchas de sus propiedades características.[21]

Comparación de las propiedades de los metales alcalinotérreos y los elementos del grupo 12[21]
Nombre Berilio Magnesio Calcio Estroncio Bario Radio
Config. electrones de valencia 2s2 3s2 4s2 5s2 6s2 7s2
Config. electrones internos [He] [Ne] [Ar] [Kr] [Xe] [Rn]
Estados de oxidación[nota 1] +2, +1 +2, +1 +2, +1 +2, +1 +2 +2
Punto de fusión 1560 K (1287 °C) 923 K (650 °C) 1115 K (842 °C) 1050 K (777 °C) 1000 K (727 °C) 973 K (700 °C)
Punto de ebullición 2742 K (2469 °C) 1363 K (1090 °C) 1757 K (1484 °C) 1655 K (1382 °C) 2170 K (1897 °C) 2010 K (1737 °C)
Apariencia metálico grisáceo gris metálico plateado mate blanco plateado gris plateado blanco plateado
Densidad 1,85 g cm−3 1,738 g cm−3 1,55 g cm−3 2,64 g cm−3 3,51 g cm−3 5,5 g cm−3
Electronegatividad de Pauling 1,57 1,31 1,00 0,95 0,89 0,9
Radio atómico 105 pm 150 pm 180 pm 200 pm 215 pm 215 pm
Radio iónico 59 pm 86 pm 114 pm 132 pm 149 pm 162 pm
Color de la llama blanca[21] blanca brillante[22] rojo ladrillo[22] carmesí[22] verde manzana[22] carmesí[nota 2]
Química organometálica amplia amplia pobre muy pobre muy pobre extremadamente pobre
Hidróxido anfótero básico básico fuertemente básico fuertemente básico fuertemente básico
Óxido anfótero fuertemente básico fuertemente básico fuertemente básico fuertemente básico fuertemente básico
Nombre Berilio Magnesio Cinc Cadmio Mercurio Copernicio
Config. electrones de valencia 2s2 3s2 4s2 5s2 6s2 7s2 (?)
Config. electrones internos [He] [Ne] [Ar]3d10 [Kr]4d10 [Xe]4f145d10 [Rn]5f146d10 (?)
Estados de oxidación[nota 1] +2, +1 +2, +1 +2, +1 +2, +1 +4, +2, +1 +4, +2, +1, 0 (?)[24] [25] [26]
Punto de fusión 1560 K (1287 °C) 923 K (650 °C) 693 K (420 °C) 594 K (321 °C) 234 K (−39 °C)  ?
Punto de ebullición 2742 K (2469 °C) 1363 K (1090 °C) 1180 K (907 °C) 1040 K (767 °C) 630 K (357 °C) 357+112
−108
 K (84+112
−108
 °C)
Apariencia metálico grisáceo gris metálico gris azulado metálico gris plateado plateado  ?
Densidad 1,85 g cm−3 1,738 g cm−3 7,14 g cm−3 8,65 g cm−3 13,534 g cm−3 23,7 g cm−3 (?)[25]
Electronegatividad de Pauling 1,57 1,31 1,65 1,69 2,00  ?
Radio atómico 105 pm 150 pm 135 pm 155 pm 150 pm 147 pm (?)[25]
Radio iónico 59 pm 86 pm 88 pm 109 pm 116 pm 75 pm (?)[25]
Color de la llama blanca blanca brillante verde azulada[nota 3]  ?  ?  ?
Química organometálica amplia amplia amplia amplia amplia  ?
Hidróxido anfótero básico anfótero débilmente básico  ?  ?
Óxido anfótero fuertemente básico anfótero moderadamente básico moderadamente básico  ?

Compuestos[editar]

Los tres iones metálicos forman numerosas especies tetraédricas, como MCl2−
4
. Tanto el cinc como el cadmio pueden formar también complejos octaédricos como los iones acuo [M(H2O)6]2+, presentes en las disoluciones acuosas de sales de estos metales.[27] El carácter covalente se consigue usando los orbitales s y, posiblemente, los p. El mercurio, no obstante, raramente excede un número de coordinación de cuatro. También se conocen números de coordinación de 2, 3, 5, 7 y 8.

Extensiones[editar]

El elemento más pesado conocido del grupo 12 es el copernicio, pero existen teorías acerca de posibles elementos más pesados dentro del grupo. Aunque una simple extrapolación de la estructura de la tabla periódica colocaría debajo del copernicio al elemento 162, el unhexbio (Uhb), los cálculos relativistas de Dirac–Fock predicen que el siguiente elemento del grupo 12 sería en realidad el 164, el unhexcuadio (Uhq), cuya configuración electrónica prevista es [Uuo] 5g18 6f14 7d10 8s2 8p½2.[25] [28] Los orbitales 8s y 8p½ serían, según las predicciones, tan estables debido a efectos relativistas que sus electrones se comportarían como electrones internos y no participarían en las reacciones, al contrario que en los anteriores elementos del grupo 12, donde los electrones s se comportan como electrones de valencia. No obstante, sí se espera que los niveles 9s y 9p½ puedan enlazar e hibridarse, por lo que el unhexcuadio todavía debería comportarse químicamente como un metal de transición normal. Los cálculos predicen que los electrones 7d del unhexcuadio deberían tomar parte con facilidad en las reacciones químicas, así que, además del usual estado de oxidación +2, este elemento debería mostrar estados +4 y +6 en disolución acuosa con ligandos fuertes. El unhexcuadio podría, pues, formar compuestos como el Uhq(CO)4, el Uhq(PF3)4 —ambos tetraédricos— o el Uhq(CN)2−
2
—lineal—, lo que constituye un comportamiento muy distinto al del plomo, del que sería homólogo si no fuese por los efectos relativistas. No obstante, en disolución acuosa prevalecería la especie divalente, y el unhexcuadio(II) debería comportarse de forma más parecida al plomo que el unhexcuadio(IV) o el unhexcuadio(VI).[25] [26]

El unhexcuadio debería ser, como el mercurio, un metal blando. Las predicciones muestran que el unhexcuadio metálico formaría enlaces covalentes metal-metal, por lo que tendría un alto punto de fusión. Además, se espera que sea un ácido de Lewis blando, con un factor de Ahrlands cercano a los 4 eV. El unhexcuadio debería tener propiedades en común con el ununoctio y con los otros elementos del grupo 12[25] y tendría, como mucho, una reactividad moderada, con un primer potencial de ionización de alrededor de 685 kJ mol−1, del orden del del molibdeno.[26] [29] Debido a las contracciones lantánida, actínida y superactínida, el unhexcuadio tendría un radio metálico de tan solo 158 pm, cercano al del magnesio, si bien con una masa atómica unas 19,5 veces mayor, de en torno a 474 Da.[29] Debido a su pequeño tamaño y gran masa, se espera que tenga una altísima densidad de en torno a 46 g cm−3, más que duplicando la del osmio, el elemento más denso conocido, con 22,61 g cm−3. El unhexcuadio sería, pues, el segundo elemento más denso de los nueve primeros períodos de la tabla periódica, tan solo superado por su vecino, el unhextrio (Uht, Z = 163), con 47 g cm−3.[29] El unhexcuadio metálico debería ser relativamente estable, pues los electrones 8s y 8p½ se encuentran en capas muy profundas y solo los electrones 7d pueden enlazar; además, la energía de cohesión debería ser alta gracias a los enlaces covalentes, lo que muy probablemente resultaría en un alto punto de fusión.[26]

El interés teórico en la química del unhexcuadio está motivado, principalmente, por las predicciones que indican que su isótopo 482Uhq —con 164 protones y 318 neutrones— estaría en el centro de una hipotética segunda isla de estabilidad. La primera estaría centrada en el 306Ubb, con 122 protones y 184 neutrones.[30] [31] [32]

Historia[editar]

Los elementos del grupo 12 han ido siendo descubiertos a lo largo de toda la Historia, bien utilizados desde tiempos antiguos, bien descubiertos en laboratorios. El grupo en sí no posee un nombre trivial, pero en el pasado se lo denominaba grupo IIB.

Cinc[editar]

Se han detectado usos del cinc en formas impuras desde la Antigüedad, así como en aleaciones —como el latón— de más de dos mil años de edad.[33] [34] El cinc ya se conocía como metal, bajo el nombre Jasada, en el manual médico atribuido al rey hindú Madanapāla y escrito en torno a 1374.[35] También era empleado por los alquimistas.[36] El nombre del metal se documenta por primera vez en el siglo xvi,[37] y deriva probablemente de la palabra alemana Zinke, «púa», debido a la forma de aguja de los cristales metálicos.[38]

Varios símbolos alquímicos asignados al cinc.

El aislamiento del cinc metálico en el mundo occidental puede ser adjudicado, de modo independiente, a varias personas durante el siglo xvii.[39] Normalmente se reconoce al químico alemán Andreas Marggraf el mérito de descubrir el cinc metálico, en un experimento de 1746 en el que calentaba una mezcla de calamina y carbón en un recipiente cerrado sin cobre, obteniéndose un metal.[40] El italiano Luigi Galvani abrió un camino, gracias a sus experimentos con latón en ranas en 1780, para el descubrimiento de la pila eléctrica, la galvanización y la protección catódica.[41] [42] En 1880 un amigo de Galvani, Alessandro Volta, inventó la pila voltaica.[41] Sin embargo, la importancia del cinc en el ámbito biológico no se descubrió hasta 1940, cuando se demostró que la anhidrasa carbónica, una enzima que elimina el dióxido de carbono de la sangre, poseía un átomo de cinc en su sitio activo.[43]

Abundancia[editar]

Producción[editar]

Aplicaciones[editar]

Papel biológico y toxicidad[editar]

Véase también[editar]

Notas[editar]

  1. a b Véase el Anexo:Estados de oxidación de los elementos. Los estados de oxidación más comunes aparecen en negrita.
  2. El color de la llama del radio puro nunca ha sido observado. El color carmesí es una extrapolación del color de las llamas de sus compuestos.[23]
  3. A veces descrita como blanca.[21]

Referencias[editar]

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