Сегодня мы поговорим о весьма опасном химическом элементе. Его имя – кадмий (Cd). Это металл. Ядро кадмия имеет 48 протонов, он принадлежит к 12-й группе периодической таблицы элементов Менделеева. По химическим свойствам кадмий очень похож на цинк, и почти всегда имеет степень окисления +2. Обычно его обнаруживают в минералах, содержащих цинк (сфалерит), свинец (галенит) и медь (халькопирит).
Кадмий и его соединения токсичны. Элемент считается тяжёлым металлом. Поэтому люди, контактирующие с кадмием, должны быть очень осторожны, чтобы не столкнуться с серьёзными проблемами со здоровьем.
Применяется кадмий, среди прочего, при производстве никель-кадмиевых аккумуляторов, красителей, фотоэлектрических элементов.
Свойства кадмия
Символ: Cd.
Атомный номер: 48
Атомная масса: 112,411 г/моль.
Электроотрицательность: 1,69 по шкале Полинга.
Температура плавления: 321°С.
Температура кипения: 765°С.
Плотность: 8,642 (при 26 °C).
Электронная конфигурация: 4d^105s^2
Химический ряд: группа 12, переходные металлы, тяжёлые металлы.
Характеристики кадмия
Кадмий — это металл, который в своей металлической форме имеет серебристо-белый или голубовато-белый цвет, он очень мягкий (можно резать ножом) и пластичный.
Как и цинк, кадмий образует на поверхности тонкий слой оксидной плёнки, хорошо защищающей от коррозии. Металл имеет восемь природных изотопов, из которых наиболее распространённым является 114 Cd (28,73%), за ним следует 112 Cd (24,13%).
Кадмий химически активен. Металл медленно растворяется в разбавленной соляной или серной кислоте, но быстро реагирует с горячей разбавленной азотной кислотой. В отличие от цинка кадмий не обладает амфотерностью, и практически не растворяется в щелочных средах.
При контакте с влажным воздухом Cd медленно окисляется и образует оксид кадмия CdO. Нагретый кадмий способен вступать в реакцию с галогенами и серой.
Степень окисления кадмия +2 является наиболее распространённой и практически уникальной, поскольку крайне редко встречается состояние +1.
Несмотря на упомянутое выше сходство с цинком, в форме оксида, фторида, карбонатов и в окислительных условиях кадмий показывает свойства, похожие на свойства кальция. Одной из причин этого является тот факт, что ионный радиус Cd 2+ (103 пм) очень близок к ионному радиусу Ca 2+ (100 пм). (Где пм- пикометр).
Где можно найти кадмий?
Гринокит (CdS) — наиболее распространённый минерал, содержащий кадмий. В чистом виде практически не встречается, и почти всегда связан с другими минералами, главным образом содержащими цинк, такими как сфалерит (ZnS), который может содержать до 5% по массе примеси гринокита.
Минералы свинца (например, галенит, PbS) и меди (например, халькопирит, CuFeS2) также могут содержать минералы кадмия в концентрации примерно 500 частей на миллион. В качестве примера таких минералов можно привести монтепонит (CdO) и кадмоселит (CdSe).
По разным оценкам, в земной коре содержится от 0,1 до 0,5 частей на миллион кадмия.
Получение кадмия
Основной путь получения кадмия – добыча цинка. Также кадмий является побочным продуктом производства свинца и меди.
В общих чертах (очень упрощённо) в первом случае это выглядит так: цинковую руду (ZnS), содержащую кадмий, перерабатывают до получения цинкового концентрата. Затем сульфид цинка/кадмия преобразуется в оксид цинка/кадмия путем сжигания в условиях избытка кислорода при температуре ниже 1000 °C. При этом удаляется сера в виде SO2. Позже это соединение, как правило, используется для производства серной кислоты.
В дальнейшем из полученного химического соединения путём электролиза извлекается цинк. Кадмий же в ходе этого процесса выпадает в осадок. Этот осадок подвергается гидрометаллургической обработке, при которой из него удаляются любые следы цинка и других примесей. Это происходит до тех пор, пока в результате электролитической экстракции не выделяется кадмий очень высокой чистоты (порядка 99,95–99,99%).
Применение кадмия
Большая часть мирового потребления кадмия приходится на производство никель-кадмиевых (NiCd) аккумуляторов. Они уступают по своим характеристикам никель-металлогидридным или литиевым батареям, в первую очередь из-за своей потенциальной токсичности, но всё же используются из-за некоторых уникальных свойств.
Дело в том, что NiCd аккумуляторы менее подвержены перегреву и менее склонны к внутренним дефектам, которые могут остаться незамеченными при испытаниях. Помимо того, они негорючи и работоспособны в широком диапазоне температур. И, конечно же, они относительно дёшевы.
Поэтому NiCd батареи по-прежнему используются в электронных системах запуска двигателей, работающих в экстремально жарких и холодных регионах Земли, а также в устройствах хранении энергии, получаемой от солнечных или ветровых батарей, главным образом в отдалённых районах, поскольку они не требуют особого обслуживания.
Кадмий также иногда используют при производстве неорганических красителей, который имеют, как правило, золотистый цвет, который может варьироваться от ярко-жёлтого до коричневого.
Благодаря хорошей устойчивости к коррозии кадмий используется в качестве материала антикоррозионной защиты, используемого в военной и аэрокосмической промышленности.
Теллурид кадмия (CdTe) — полупроводник, используемый в фотоэлектрических детекторах, солнечных батареях.
До середины 90 - х годов в состав ПВХ (используемых в трубах и соединениях) было обычным делом включать органические соли кадмия для их стабилизации, то есть предотвращения разрушения под воздействием тепла, ультрафиолетовых лучей (Солнца) или атмосферных воздействий.
Кадмий обладает отличной способностью захватывать нейтроны. И поэтому широко использовался в первых ядерных реакторах для изготовления стержней, предназначенных для управления ядерными реакциями.
Кадмий в природе
Кадмий и его соединения токсичны. Из-за этого существует серьёзная экологическая обеспокоенность по поводу его утилизации.
В природе кадмий может встречаться в относительно высоких концентрациях в некоторых типах горных пород. Эрозия и выветривание приводят к естественному сбросу в океаны около 15 000 тонн кадмия в год. Вулканическая деятельность также является естественным источником попадания кадмия в атмосферу, как и лесные пожары.
Утилизация продуктов человеческой деятельности, содержащих кадмий, может привести к загрязнению воздуха, почвы и воды.
Связь кадмия со здоровьем человека
Кадмий, в отличие от цинка, не является элементом, который считается незаменимым для человека. И даже токсичен для него. Однако мы легко можем вступить с металлом в контакт, употребив его в пищу, или вдохнув его лёгкими, или каким-то другим образом в результате своей профессиональной деятельности.
Потребление низких доз кадмия в течение длительного периода может повлиять на работу почек. Этот элемент может накапливаться в них в течение 20–30 лет. В высоких дозах кадмий также может оказывать неблагоприятное воздействие на дыхательную систему и кости, делая их хрупкими. При употреблении в пищу продуктов с высоким содержанием кадмия происходит раздражение желудка, вызывающее рвоту, диарею или даже летальный исход.
Рабочие, работающие с фосфорными удобрениями, или с ископаемым топливом, или на производстве стали всегда подвергаются воздействию кадмия. Случаи рака лёгких были неоднократно зарегистрированы в ходе исследования состояния здоровья рабочих, подвергшихся воздействию кадмия, рассеянного в воздухе.
Это побудило медицинские организации всего мира признать кадмий и его соединения канцерогенами. Международное агентство по исследованию рака (Iarc) также определило, что этот элемент является ядовитым для человека.
История кадмия
Открытие кадмия произошло в начале XIX века в Пруссии. Дело было так: правительство внезапно поручило врачам осуществлять контроль качества фармацевтической продукции. Один из таких врачей, Иоганн Ролофф, в 1817 году вдруг прищурился, и в чём-то заподозрил партию оксида цинка, поступившую с фабрики Карла Германа.
Предварительные тесты Ролоффа показали, что образцы содержат мышьяк. Фабриканту было предъявлено обвинение. И поэтому Германн (обеспокоенный за репутацию своего бизнеса) решил подстраховаться. И самостоятельно выявить проблему. В ходе проведения исследований его химики неожиданно поняли, что мышьяк не имеет никакого отношения к возникшей ситуации. И что всё дело в каком-то ранее неизвестном металле.
Тем временем генеральный инспектор аптек в соседнем Ганноверском королевстве, и по совместительству профессор Геттингенского университета, Фридрих Штромейер также пытался разгадать цинковую загадку: образцы карбоната цинка при нагревании оставляли какой-то непонятный жёлтый оксид. Делать было нечего, и профессору пришлось выделить источник этого желтоватого цвета. Путём нехитрых манипуляций он получил оксид нового металла.
Таким образом одновременные, но совсем не совместные усилия Ролоффа, Германа и Штромейера (которые независимо опубликовали результаты своих исследований) сделали невозможным приписать открытие нового металла какому-то конкретному человеку.
Для нового химического элемента были предложены разные названия. Такое, например, как клапровий (в честь химика и первооткрывателя элементов Мартина Клапрота) и мелиний (от латинского melinus, обозначающего цвет плодов айвы).
Однако в итоге прижилось название «кадмий», предложенное Штромейером. Оно происходит от латинского термина «каламин», традиционно используемого для обозначения группы минералов на основе цинка.
Добыча кадмия и его цена
Всего в мире ежегодно добывается более 20 000 тонн кадмия. Разведанные запасы металла в России оцениваются примерно в 40 000 тонн, это примерно пятое место в мире. На сегодняшний день цена на кадмий на мировых рынках колеблется от 4 до 5 долларов США за килограмм.
Всем добра.