Кадмий

Материал из Циклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Кадмий

Химический элемент
Серебристо-серый металл
Символ, номер Cd, 48
Атомная масса 112,411 а.е.м.
Электронная конфигурация [Kr] 4d10 5s2
Электроотрицательность 1,69 по шкале Полинга
Плотность 8,65 г/см3
Температура плавления 594,1 K
Температура кипения 1038 K
Структура кристаллической решетки гексагональная
Теплопроводность (300 K) 96,9 Вт/(м·К)

Кадмий — переходный металл 2 группы таблицы Менделеева.

Содержание

[править] История

Кадмий был открыт в Германии в 1817 году Фридрихом Штромейером. Штромейер нашел новый элемент в загрязнении оксида цинка, и около 100 лет Германия оставалась единственной страной, которая импортировала этот металл. Ученый назвал металл кадмием, подчеркнув его «родственные связи» с цинком: греческое слово «кадмия» означало «цинковая руда».

[править] Распространение в природе

Кадмий относится к числу редких рассеянных элементов, его Кларк (процент содержания по массе) в земной коре составляет 1,3 · 10−5 %. Для кадмия характерна миграция в горячих подземных водах вместе с цинком и другими халькофильных элементами (то есть химическими элементами, склонными к образованию природных сульфидов, селенидов, теллурида, сульфосолей, иногда встречаются в самородном состоянии) и концентрация в гидротермальных отложениях. Вулканические породы содержат до 0,2 мг кадмия на кг, среди осадочных пород наиболее богаты кадмием глины — до 0,3 мг / кг, известняки содержат 0,035 мг / кг, песчаники — 0,03 мг / кг. Среднее содержание кадмия в почве — 0,06 мг / кг.

Хотя известны самостоятельные минералы кадмия — гринокит (CdS), отавит (CdCO3), монтепонит (CdO) и селенид (CdSe), своих залежей они не образуют, а присутствующие в виде примесей в цинковых, свинцовых, медных и полиметаллических рудах, и является основным источником промышленного получения кадмия.

В определенной степени кадмий присутствует и в воздухе. Содержание кадмия в воздухе составляет 0,1−5,0 нг/м3 в сельской местности (1 нг или 10−9 г), 2-15 нг/м3 — в городах и от 15 до 150 нг/м3 — в промышленных районах. Связано это с тем, что многие виды угля содержат кадмий в виде примесей и, при сжигании на теплоэлектростанциях, он попадает в атмосферу. При этом большая его часть оседает на почве. Также увеличению содержания кадмия в почве способствует использование минеральных удобрений, так как все они содержат незначительные примеси кадмия.

Кадмий может накапливаться в растениях (больше всего в грибах) и живых организмах (особенно в водных) и далее по пищевой цепи может «поставляться» человеку. Много кадмия в сигаретном дыме.

[править] Изотопы

Природный кадмий состоит из 6 устойчивых изотопов. Было выявлено 27 устойчивых радиоизотопов: Cd-113 с периодом полураспада 7,7 квадриллионов лет, Cd-109 с периодом полураспада 462,6 дней и Cd-115 с периодом полураспада 53,46 часов. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 2,5 часов и большинство из них имеют период полураспада менее 5 минут. Этот элемент имеет 8 метастабильных состояний, самые стойкие из них: Cd-113 (T½ 14,1 лет), Cd-115 (T½ 44,6 дней) и Cd-117 (T½ 3,36 часов).

Изотопы кадмия имеют атомную массу в пределах от 96,935 Дн (Cd-97) до 129,934 Дн (Cd-138). Основной вид распада наиболее распространенного устойчивого изотопа Cd-112 — это захват электрона и его бета-излучения. Продуктом распада к операции является элемент 47 (серебро), а после — элемент 49 (индий).

[править] Получение

Мировое производство кадмия в начале XXI века составляет около 20 млн т. Из них страны Азии дают 45 %, Америки — 25 %, Европы — 27 %.

Основные источники кадмия — промежуточные продукты цинкового производства, пыль свинцовых и медеплавильных заводов. Сырье обрабатывают концентрированной серной кислотой и получают CdSO4 в растворе. Из раствора Cd выделяют, используя цинковую пыль:

  • [math]\mathrm {CdSO_4 + Zn \rightarrow Cd + ZnSO_4}[/math]

Полученный металл очищают переплавкой под слоем щелочи для удаления примесей цинка и свинца. Кадмий высокой чистоты получают электрохимическим рафинированием с промежуточным очисткой электролита.

[править] Физические свойства

Кадмий — это мягкий, тягучий, гибкий, серебристо-белый двухвалентный металл, который можно легко разрезать. Во многом он похож на цинк, но он способен образовывать сложные соединения.

[править] Химические свойства

По химическим свойствам кадмий подобен цинку, однако менее активен. При обычной температуре на воздухе поверхность металлического кадмия покрывается оксидной пленкой, которая затрудняет проведение реакций — большинство взаимодействий проходят при нагревании. При сжигании кадмия в струе кислорода образуется его оксид :

  • [math]\mathrm {2Cd + O_2 \xrightarrow {325-350 ^ oC} 2CdO}[/math]

При контакте с водой кадмий пассивируется за появления гидроксидной пленки Cd(OH)2, однако он активно разлагает перегретый водной пар:

  • [math]\mathrm {Cd + H_2O \xrightarrow {\gt 350 ^ oC} CdO + H_2}[/math]

Кроме кислорода, металлический кадмий взаимодействует также с галогенами, серой, селеном, фосфором (с образованием примесей):

  • [math]\mathrm {Cd + Cl_2 \xrightarrow {450-500 ^ oC} CdCl_2}[/math]
  • [math]\mathrm {Cd + S \xrightarrow {\gt 350 ^ oC} CdS}[/math]
  • [math]\mathrm {3Cd + 2P \xrightarrow {600-680 ^ oC} Cd_3P_2}[/math]

Восстановительные свойства в кадмия слабее, чем в цинке, но он так же восстанавливает некоторые неметаллы из оксидов и металлы в их солях (в растворах):

  • [math]\mathrm {3Cd + SO_2 \xrightarrow {600-800 ^ oC} CdS + 2CdO}[/math]
  • [math]\mathrm {Cd + CuSO_4 \rightarrow CdSO_4 + Cu}[/math]
  • [math]\mathrm {Cd + 2FeCl_3 \rightarrow CdCl_2 + 2FeCl_2}[/math]

Кадмий может выступать в качестве комплексообразователя, координируя 3, 4 или 6 лигандов:

  • [math]\mathrm {2Cd + 8NaCN (conc.) + 2H_2O + O_2 \rightarrow 2Na_2 [Cd (CN) _4] + 4NaOH}[/math]
  • [math]\mathrm {2Cd + 8NH_4OH (conc.) + O_2 \rightarrow 2 [Cd (H_2O) _2 (NH_3) _4] (OH) _2 + 2H_2O}[/math]

[править] Применение

Благодаря своим физическим свойствам, кадмий нашел широкое применение в технике и промышленности (особенно, начиная с 50-х годов XX века). Основные сферы применения его использования: для антикоррозийного покрытия (так называемого кадмирование) черных металлов, особенно в тех случаях, когда они контактируют с морской водой, а также для производства никель-кадмиевых электрических аккумуляторов и батарей. Кадмий входит в состав многих сплавов, как легкоплавких, применяемых в качестве припоев (например, сплав Вуда (Wood’s metal) — 50 % Bi, 25 % Pb, 12,5 % Sn, 12,5 % Cd), так и тугоплавких износостойких (например, с никелем). Кадмий используется в стержнях-замедлителях атомных реакторов, некоторые соединения кадмия имеют полупроводниковые свойства и тому подобное. Довольно долго кадмий использовался для производства красителей (пигментов) и в качестве стабилизатора в производстве пластмасс, однако сейчас, из-за токсичности, в этих целях он практически не используется.

[править] Опасность для здоровья

Кадмий — один из немногих элементов, не выполняющий конструктивных функций в человеческом организме. Этот элемент и его соединения являются чрезвычайно токсичными даже в незначительных концентрациях. Имеет свойство накапливаться в организмах и экосистемах.

Вдыхание кадмиевой пыли быстро приводит к заболеваниям, часто смертельным, дыхательных путей и почек (чаще всего — почечная недостаточность). Поглощение любой значительного количества кадмия вызывает немедленное поражение печени и почек. Соединения, содержащие кадмий также канцерогенными. Данные о канцерогенности кадмия ограничены. В опытах на животных не было зафиксировано роста числа опухолей из употребления кадмия. Такая тенденция наблюдалась только с вдыханием частиц пыли, содержащий неорганические соединения кадмия.

Отравление кадмием является причиной болезни, которая впервые была описана в Японии в 50-х годах XX века и получила название «Итай-итай» (что дословно означает «больно-больно»).

[править] Литература

  • Глоссарий терминов по химии // Й.Опейда, О.Швайка. Ин-т физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет — Донецк: «Вебер», 2008. — 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. В. С. Белецкого . — Донецк: Донбасс, 2004. — ISBN 966-7804-14-3
  • Р. Рипан, И. Чертяну. Неорганическая химия: Химия металлов: В 2 т. — М .: Изд. «Мир», 1971. — Т. 1. — 561 с.
  • Химические свойства неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., Испр. / Р. А. Лидин, В. А. Молочко, Л. Л. Андреева; Под ред. Р. А. Лидин. — М.: Химия, 2000. 480 с .: ил. — ISBN 5-7245-1163-0.
Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты