Кадмий
| Кадмий | ||||
|---|---|---|---|---|
| ← Серебро | Индий → | ||||
| ||||
| Внешний вид простого вещества | ||||
 Элементарный кадмий |
||||
| Свойства атома | ||||
| Название, символ, номер | Ка́дмий / Cadmium (Cd), 48 | |||
| Группа, период, блок |
12 (устар. 2), 5, d-элемент |
|||
| Атомная масса (молярная масса) |
112,411(8)[1] а. е. м. (г/моль) | |||
| Электронная конфигурация | [Kr] 4d105s2 | |||
| Радиус атома | 154 пм | |||
| Химические свойства | ||||
| Ковалентный радиус | 148 пм | |||
| Радиус иона | (+2e) 97 пм | |||
| Электроотрицательность | 1,69 (шкала Полинга) | |||
| Электродный потенциал | −0,403[2] | |||
| Степени окисления | 0, +1, +2 | |||
| Энергия ионизации (первый электрон) |
867,2 (8,99) кДж/моль (эВ) | |||
| Термодинамические свойства простого вещества | ||||
| Плотность (при н. у.) | 8,65 г/см³ | |||
| Температура плавления | 594,1 K (321 °C) | |||
| Температура кипения | 1038 K (764,85 °C) | |||
| Уд. теплота плавления | 6,11 кДж/моль | |||
| Уд. теплота испарения | 59,1 кДж/моль | |||
| Молярная теплоёмкость | 26,0[2] Дж/(K·моль) | |||
| Молярный объём | 13,1 см³/моль | |||
| Кристаллическая решётка простого вещества | ||||
| Структура решётки | Гексагональная | |||
| Параметры решётки | a=2,979 c=5,618 Å | |||
| Отношение c/a | 1,886 | |||
| Температура Дебая | 209 K | |||
| Прочие характеристики | ||||
| Теплопроводность | (300 K) 96,9 Вт/(м·К) | |||
| Номер CAS | 7440-43-9 | |||
| 48 | Кадмий
|
| 4d105s2 | |
Ка́дмий (химический символ — Cd, от лат. Cadmium) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы, IIB), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 48.
Простое вещество кадмий (при нормальных условиях) — мягкий ковкий тягучий металл серебристо-белого цвета. Устойчив в сухом воздухе, во влажном на его поверхности образуется плёнка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла. Кадмий и многие его соединения ядовиты.
История открытия
Открыт немецким профессором Ф. Штромейером в 1817 году. Провизоры Магдебурга при изучении оксида цинка ZnO заподозрили в нём примесь мышьяка. Штромейер выделил из ZnO коричнево-бурый оксид, восстановил его водородом и получил серебристо-белый металл, который получил название кадмий.
Происхождение названия
Штромейер назвал кадмий по греческому названию руды, из которой в Германии добывали цинк, — καδμεία. В свою очередь, руда получила своё название в честь Кадма, героя древнегреческой мифологии.
Нахождение в природе
Среднее содержание кадмия в земной коре — 130 мг/т, в морской воде — 0,11 мкг/л. Кадмий относится к редким, рассеянным элементам: он содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка. Известно всего лишь 6 кадмиевых минералов. Весьма редкими минералами кадмия являются гринокит CdS (77,8 % Cd), хоулиит (то же), отавит CdCO3, монтепонит CdO (87,5 % Cd), кадмоселит CdSe (47 % Cd), ксантохроит CdS(H2O)х (77,2 % Cd). Основная масса кадмия рассеяна в большом числе минералов (более 50), преимущественно в сульфидах цинка, свинца, меди, железа, марганца и ртути. Максимальная концентрация отмечена в минералах цинка и, прежде всего, в сфалерите (до 5 %). В большинстве же случаев содержание кадмия в сфалерите не превышает 0,4—0,6 %. В других сульфидах, например, в станине содержание кадмия — 0,003—0,2 %, в галените — 0,005—0,02 %, в халькопирите — 0,006—0,12 %; из этих сульфидов кадмий обычно не извлекается.
Кадмий не образует самостоятельных месторождений, а входит в состав руд месторождений других металлов. Относительно высоко содержание кадмия в рудах среднетемпературных свинцово-цинковых и частично медно-колчеданных месторождений.
Почва содержит 0,06 мг/кг, глина — 0,3 мг/кг. Повышенное содержание в голубых (кембрийских) глинах.
Нахождение в продуктах
ПДК кадмия в воде согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» — 1 мкг/л
Ископаемый уголь, древесный уголь, ПЭТ тара, древесные гранулы пеллеты (до 0,5 мг/кг), рыба (0,2 мг/кг), какао-порошок (0,5 мг/кг), почки животных (1 мг/кг), рис (0,06 мг/кг), сигарета (0,002 мг/кг), пшеничный хлеб (0,03 мг/кг), маргарин (0,042 мг/кг), говядина/свинина (0,016 мг/кг), креветки (1,2 мг/кг)[3].
Физические свойства
Полная электронная конфигурация атома кадмия: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2
Кадмий — это серебристо-белый мягкий металл с гексагональной кристаллической решёткой. Температура плавления — 321 °C, температура кипения — 770 °C. Если кадмиевую палочку изгибать, то можно услышать слабый треск — это трутся друг о друга микрокристаллы металла (так же трещит и пруток олова); любые примеси в металле уничтожают этот эффект. Кадмий твёрже олова, но мягче цинка — его можно резать ножом. При нагревании выше 80 °C кадмий теряет упругость до такой степени, что его можно истолочь в порошок.
Химические свойства
Кадмий расположен в одной группе периодической системы с цинком и ртутью, занимая промежуточное место между ними, поэтому некоторые химические свойства этих элементов сходны. На воздухе кадмий устойчив и не утрачивает металлического блеска. Вступает в реакцию с кислородом лишь при нагревании до 350 °C с образованием оксида кадмия . Сульфид и оксид этого элемента практически нерастворимы в воде. С углеродом кадмий не взаимодействует и карбидов не образует. Вступает в реакции с кислотами, восстанавливая водород:
Применение
Сплавы
Кадмий используется как компонент твёрдых припоев (сплавов на основе серебра, меди, цинка) для снижения их температуры плавления. Около 10 % производимого кадмия — компонент ювелирных и легкоплавких сплавов. Сплав кадмия с золотом имеет зеленоватый цвет[4].
Защитные покрытия
40 % производимого кадмия используется для нанесения антикоррозионных покрытий на металлы. Кадмирование стальных деталей даёт большую устойчивость против коррозии, особенно в морской воде.
Кадмирование — это электролитическая процедура нанесения кадмиевых покрытий на поверхность металлоизделий. Кадмием покрывают высокоуглеродистые, инструментальные и нержавеющие стали, а хлористо-аммонийное кадмирование наносят на высокопрочные стали.
Химические источники тока
Около 20 % кадмия идёт на изготовление кадмиевых электродов, применяемых в аккумуляторах (никель-кадмиевых и серебряно-кадмиевых), нормальных элементах Вестона, в резервных батареях (свинцово-кадмиевый элемент, ртутно-кадмиевый элемент) и др.[5]
Пигменты
Около 20 % кадмия используется для производства неорганических красящих веществ (сульфиды и селениды, смешанные соли, например, сульфид кадмия — кадмий лимонный).
Цена
Цена на кадмий в августе 2011 года составила примерно $3 за 1 кг[6].
Другие сферы применения
- Сульфид кадмия применяется для производства плёночных солнечных батарей с КПД около 10—16 %, а также как очень хороший термоэлектрический материал.
- Кадмий используется как компонент полупроводниковых материалов и люминофоров.
- Кадмий очень хорошо захватывает тепловые нейтроны (среднее сечение радиационного захвата тепловых нейтронов изотопом 114Cd составляет 20600 барн)[7]. Поэтому кадмий служит для изготовления регулирующих стержней для атомных реакторов и в качестве защиты от нейтронов. Иногда эти свойства используются в экспериментальных моделях противоопухолевой терапии (нейтрон-захватная терапия).
- Фтороборат кадмия — важный флюс, применяемый для пайки алюминия и других металлов.
- Теплопроводность кадмия вблизи абсолютного нуля — наивысшая среди всех металлов, поэтому кадмий иногда применяется для криогенной техники.
- Экранирование гамма-спектрометров от естественного радиационного фона: «свинцовый домик», в котором располагается спектрометрический датчик, выстилается изнутри медным и кадмиевым слоями для экранирования паразитного излучения свинца, искажающего гамма-спектр измеряемого вещества.
Ограничение применения
В 2016 году принят Технический регламент Евразийского экономического союза «Об ограничении применения опасных веществ в изделиях электротехники и радиоэлектроники» (ТР ЕАЭС 037/2016)[8], по которому содержание кадмия в изделиях электротехники и радиоэлектроники не должно превышать 0,01 % по весу однородного материала (Приложение № 2). В Европейском союзе действует аналогичная директива RoHS, существенно ограничивающая использование кадмия.
Получение
Единственный минерал, который представляет интерес в получении кадмия — гринокит, так называемая «кадмиевая обманка». Его добывают вместе со сфалеритом при разработке цинковых руд. В ходе переработки кадмий концентрируется в побочных продуктах процесса, откуда его потом извлекают. В настоящее время (c 1987 года) производится около 20000 тонн кадмия в год[9].
Физиологическое действие
Кадмий и многие его соединения ядовиты[10] (в больших концентрациях). Особенно опасным случаем является вдыхание паров его оксида (CdO)[11]. Вдыхание в течение 1 минуты воздуха с содержанием 2,5 г/м3 оксида кадмия, или 30 секунд при концентрации 5 г/м3 является смертельным[12]. Кадмий является канцерогеном[13].
В качестве первой помощи при остром кадмиевом отравлении рекомендуется свежий воздух, полный покой, предотвращение охлаждения. При раздражении дыхательных путей — тёплое молоко с содой, ингаляции 2%-ным раствором NaHCO3. При упорном кашле — кодеин, дионин, горчичники на грудную клетку, необходима врачебная помощь. Противоядием при отравлении, вызванном приёмом внутрь кадмиевых солей, служит альбумин с карбонатом натрия[12].
- Острая токсичность
Пары кадмия, многие его соединения токсичны, что связано, в частности, с его способностью связывать серосодержащие ферменты и аминокислоты.
Симптомы острого отравления кадмием — рвота и судороги.
- Хроническая токсичность
Кадмий — кумулятивный яд (способен накапливаться в организме).
- Санитарно-экологические нормативы
В питьевой воде ПДК для кадмия 0,001 мг/дм³ = 1 мкг/дм³ (СанПиН 2.1.4.1074-01).
Механизм токсического действия
Механизм токсического действия кадмия заключается, по-видимому, в связывании карбоксильных, аминных и особенно сульфгидрильных групп белковых молекул, в результате чего угнетается активность ферментных систем[12].
Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Хроническое отравление приводит к анемии и разрушению костей.
Кадмий в норме в небольших количествах присутствует в организме здорового человека. Кадмий легко накапливается в быстроразмножающихся клетках (например, в опухолевых или половых). Он связывается с цитоплазматическим и ядерным материалом клеток и повреждает их. Он изменяет активность многих гормонов и ферментов. Это обусловлено его способностью связывать сульфгидрильные (-SH) группы.
Изотопы
Из восьми природных изотопов кадмия шесть стабильны, для двух изотопов обнаружена слабая радиоактивность. Это 113Cd (изотопная распространённость 12,22 %, бета-распад с периодом полураспада 7,7⋅1015 лет) и 116Cd (изотопная распространённость 7,49 %, двойной бета-распад с периодом полураспада 3,0⋅1019 лет).
Примечания
- ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.
- ↑ 1 2 Химическая энциклопедия: в 5 томах / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 280. — 671 с. — 100 000 экз.
- ↑ Кадмий в продуктах питания. Дата обращения: 25 марта 2014. Архивировано 28 марта 2014 года.
- ↑ Ювелирное дело " Сплавы драгоценных металлов. Дата обращения: 3 января 2011. Архивировано 9 января 2014 года.
- ↑ Кадмий // Казахстан. Национальная энциклопедия. — Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2005. — Т. III. — ISBN 9965-9746-4-0. (CC BY-SA 3.0)
- ↑ Free Cadmium Price Charts Архивная копия от 22 февраля 2012 на Wayback Machine (англ.)
- ↑ ВВЭР-1000: физические основы эксплуатации, ядерное топливо, безопасность / А. М. Афров, С. А. Андрушечко, В. Ф. Украинцев и др. — М.: Университетская книга, Логос, 2006. — С. 45.
- ↑ ТР ЕАЭС 037/2016: Решение Совета Евразийской экономической комиссии от 18 октября 2016 года № 113. Совет Евразийской экономической комиссии. Дата обращения: 19 апреля 2019. Архивировано 28 марта 2020 года.
- ↑ Архивированная копия. Дата обращения: 29 февраля 2012. Архивировано 13 мая 2012 года.
- ↑ Ковальский В. В., Воробьева P. С., Рубцов А. Ф. Кадмий // Большая медицинская энциклопедия / гл. ред. Б. В. Петровский. — 3-е изд.. — М.: Советская энциклопедия, 1979. — Т. 10. — С. 11—13. — 528 с.
- ↑ Кадмий. — Кадмий на сайте «Справочник химика». Дата обращения: 16 мая 2010. Архивировано 30 января 2012 года.
- ↑ 1 2 3 Токсичность кадмия и его соединений :: Охрана труда в металлургии. Дата обращения: 15 октября 2011. Архивировано 19 декабря 2011 года.
- ↑ McDonald‘s отзывает 12 млн стаканов из-за примесей кадмия. Интерфакс (4 июня 2010). Дата обращения: 4 июня 2010. Архивировано 8 июня 2010 года.
Ссылки
 | ||||
|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||