Кадмий

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

Молярная теплоёмкость

 Дж/(K·моль)

Структура кристаллической решетки

гексагональная

Теплопроводность

(300 K) 96,9 Вт/(м·К)

Кадмий — токсичный металл из старых батареек // Thoisoi [5:49]

Кадмий — переходный металл 2 группы таблицы Менделеева.

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».

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.

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 (T_½ 14,1 лет), Cd-115 (T_½ 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).

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:

• $\mathrm {CdSO_{4}+Zn\rightarrow Cd+ZnSO_{4}}$

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

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.

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 :

• $\mathrm {2Cd+O_{2}\xrightarrow {325-350^{o}C} 2CdO}$

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

• $\mathrm {Cd+H_{2}O\xrightarrow {>350^{o}C} CdO+H_{2}}$

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

• $\mathrm {Cd+Cl_{2}\xrightarrow {450-500^{o}C} CdCl_{2}}$
• $\mathrm {Cd+S\xrightarrow {>350^{o}C} CdS}$
• $\mathrm {3Cd+2P\xrightarrow {600-680^{o}C} Cd_{3}P_{2}}$

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

• $\mathrm {3Cd+SO_{2}\xrightarrow {600-800^{o}C} CdS+2CdO}$
• $\mathrm {Cd+CuSO_{4}\rightarrow CdSO_{4}+Cu}$
• $\mathrm {Cd+2FeCl_{3}\rightarrow CdCl_{2}+2FeCl_{2}}$

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

• $\mathrm {2Cd+8NaCN(conc.)+2H_{2}O+O_{2}\rightarrow 2Na_{2}[Cd(CN)_{4}]+4NaOH}$
• $\mathrm {2Cd+8NH_{4}OH(conc.)+O_{2}\rightarrow 2[Cd(H_{2}O)_{2}(NH_{3})_{4}](OH)_{2}+2H_{2}O}$

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.

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 любого значительного количества кадмия вызывает немедленное поражение печени и почек. Соединения, содержащие кадмий также канцерогенны. Данные о канцерогенности кадмия ограничены. В опытах на животных не было зафиксировано роста числа опухолей из-за употребления кадмия. Такая тенденция наблюдалась только с вдыханием частиц пыли, содержащих 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»).

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.