Кадмий

Кадмий — это химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 48. Обозначается символом Cd (от лат. Cadmium). Простое вещество кадмий — это мягкий, ковкий, тягучий переходный металл серебристо-белого цвета. Относится к группе тяжёлых металлов, является токсичным и канцерогенным.

История открытия

Кадмий был открыт в 1817 году немецким химиком и фармацевтом Фридрихом Штромейером (Friedrich Stromeyer). Он исследовал образцы оксида цинка, производимые на одной из аптек в Гильдесгейме, которые подозревались в содержании мышьяка. При прокаливании карбоната цинка Штромейер обнаружил необычный жёлтый осадок, который не растворялся в щелочах. В ходе дальнейшего анализа он выделил из этого осадка новый металл, названный им кадмием по древнегреческому названию цинковой руды — καδμεία (кадмея), которое, в свою очередь, происходит от имени финикийского мифического героя Кадма.

Почти одновременно с Штромейером, независимо от него, кадмий был открыт немецкими химиками К. Германом и К. Кернером в образцах оксида цинка из Силезии. Однако приоритет открытия официально признан за Фридрихом Штромейером.

Нахождение в природе

Кадмий является редким и рассеянным элементом. Его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет около 0,13 мг/кг (или 1,3·10⁻⁵ % по массе). В природе кадмий встречается преимущественно в виде изоморфной примеси в цинковых, реже — в свинцовых и медных рудах. Собственные минералы кадмия крайне редки и не образуют промышленных месторождений.

Основные минералы кадмия:

Гринокит (CdS) — сульфид кадмия, наиболее распространённый минерал. Встречается в виде жёлтых или оранжевых налётов и корочек в зонах окисления цинковых месторождений.
Отавит (CdCO₃) — карбонат кадмия, редкий минерал.

Промышленное значение имеют только попутные извлечения кадмия из цинковых концентратов, где его содержание может достигать 0,1–0,5 %. Основные запасы кадмия сосредоточены в месторождениях полиметаллических руд (свинцово-цинковых, медно-цинковых). Крупнейшие производители кадмия — Китай, Республика Корея, Япония, Канада, Россия.

Физические свойства

Кадмий — мягкий металл (твёрдость по шкале Мооса около 2), ковкий и тягучий. Он легко режется ножом, прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку. Обладает характерным серебристо-белым блеском, но на воздухе быстро тускнеет, покрываясь плёнкой оксида.

Основные физические константы:

Атомная масса: 112,414 а.е.м.
Температура плавления: 321,07 °C.
Температура кипения: 767 °C.
Плотность (при 20 °C): 8,65 г/см³.
Удельная теплоёмкость: 0,232 Дж/(г·К).
Удельное электрическое сопротивление: 7,27·10⁻⁸ Ом·м.

Кадмий обладает высокой способностью поглощать тепловые нейтроны (сечение захвата 2450 барн), что определяет его важное применение в ядерной энергетике.

Химические свойства

В химических соединениях кадмий проявляет степень окисления +2. Конфигурация внешних электронов — 4d¹⁰5s². По химическим свойствам кадмий близок к цинку, но является менее активным металлом.

Взаимодействие с кислородом: На воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида CdO, которая защищает металл от дальнейшего окисления. При нагревании на воздухе сгорает с образованием бурого оксида кадмия.
Взаимодействие с кислотами: Легко растворяется в разбавленных соляной и серной кислотах с выделением водорода. В азотной кислоте растворяется с образованием нитрата кадмия и оксидов азота.
Взаимодействие со щелочами: В отличие от цинка, кадмий не растворяется в растворах щелочей, что является одним из способов их разделения.
Взаимодействие с галогенами: Реагирует с хлором, бромом и иодом при нагревании, образуя соответствующие галогениды.
Образование комплексных соединений: Кадмий склонен к образованию комплексных ионов, например, [Cd(NH₃)₄]²⁺, [Cd(CN)₄]²⁻.

Получение

Основным источником кадмия являются отходы производства цинка. Технологический процесс включает несколько этапов:

Концентрирование: Кадмий извлекают из цинковых растворов (после выщелачивания обожжённого цинкового концентрата) путём цементации цинковой пылью. При этом в осадок выпадает кадмиевая губка, содержащая 40–60 % кадмия.
Растворение: Кадмиевую губку растворяют в серной кислоте.
Очистка: Раствор сульфата кадмия очищают от примесей (меди, таллия, никеля) с помощью цементации или осаждения.
Электролиз: Из очищенного раствора кадмий выделяют электролизом с алюминиевыми катодами. Полученный металл (99,95–99,98 %) переплавляют в чушки.
Рафинирование: Для получения кадмия высокой чистоты (99,9999 %) применяют дистилляцию, зонную плавку или электрохимическое рафинирование.

Применение

Производство аккумуляторов

До начала XXI века основным потребителем кадмия было производство никель-кадмиевых (NiCd) аккумуляторов. Кадмий использовался для изготовления отрицательных электродов. Эти аккумуляторы отличались высокой надёжностью, большим сроком службы и способностью работать при низких температурах. Однако из-за токсичности кадмия и появления более экологичных литий-ионных и никель-металлогидридных аккумуляторов, доля NiCd-аккумуляторов в мире неуклонно снижается, хотя они всё ещё применяются в промышленности, авиации и на железнодорожном транспорте.

Антикоррозионные покрытия

Кадмиевые покрытия наносятся на стальные детали для защиты от коррозии, особенно в условиях морской атмосферы. Кадмий образует с железом гальваническую пару, в которой он является анодом и защищает сталь электрохимически. Кадмиевые покрытия обладают лучшей смачиваемостью припоями и меньшей пористостью по сравнению с цинковыми. Однако из-за высокой токсичности кадмия и его соединений, его применение в качестве покрытий в бытовой технике и автомобилестроении в Европе и США существенно ограничено.

Ядерная энергетика

Благодаря высокому сечению захвата тепловых нейтронов, кадмий используется в регулирующих стержнях ядерных реакторов для управления цепной реакцией деления. Сплав кадмия с индием и серебром (80 % Ag, 15 % In, 5 % Cd) является стандартным материалом для стержней регулирования в водо-водяных реакторах (ВВЭР).

Производство пигментов

Соединения кадмия, особенно сульфид кадмия (CdS) и сульфоселенид кадмия (CdSSe), используются для производства ярких и стойких пигментов (кадмиевые жёлтые, оранжевые, красные). Эти пигменты отличаются высокой термо- и светостойкостью, устойчивостью к щелочам и кислотам. Они применяются в производстве пластмасс, керамики, стекла, эмалей и художественных красок.

Полупроводниковая техника

Соединения кадмия (CdS, CdSe, CdTe) являются важными полупроводниковыми материалами. Они используются в производстве фоторезисторов, солнечных батарей (особенно CdTe-фотоэлементы), детекторов инфракрасного излучения и лазеров.

Другие области

Металлургия: Кадмий входит в состав легкоплавких сплавов (например, сплав Вуда, сплав Розе), а также используется в качестве компонента припоев.
Электротехника: Применяется для изготовления гальванических элементов (стандартный элемент Вестона).
Медицина: Ранее использовался в стоматологии (амальгамы), но в настоящее время практически вытеснен из-за токсичности.

Токсикология и биологическая роль

Токсичность

Кадмий и его соединения являются высокотоксичными веществами. Предельно допустимая концентрация (ПДК) кадмия в воздухе рабочей зоны составляет 0,01 мг/м³ (для оксида кадмия). Относится к 1-му классу опасности (чрезвычайно опасные вещества).

Кадмий обладает способностью накапливаться в организме (кумулятивное действие). Основные пути поступления в организм человека — ингаляционный (вдыхание пыли и паров) и алиментарный (с пищей и водой). Хроническое отравление кадмием (кадмиоз) приводит к поражению почек (протеинурия, почечная недостаточность), лёгких (эмфизема, фиброз), костной системы (остеопороз, остеомаляция, известная как болезнь «итай-итай»), а также обладает канцерогенным действием (классифицирован МАИР как канцероген 1-й группы).

Биологическая роль

Кадмий не является эссенциальным (жизненно необходимым) микроэлементом для человека и животных. Для некоторых морских организмов (например, диатомовых водорослей) кадмий может быть незаменимым компонентом фермента карбоангидразы, но для высших организмов он токсичен даже в малых дозах.

Интересные факты

Кадмий является одним из немногих металлов, который при сгибании издаёт характерный треск (так называемый «крик олова»), обусловленный деформацией двойников.
В 1940-х годах в Японии была зафиксирована массовая вспышка болезни «итай-итай» (буквально «ой-ой, больно»), вызванная хроническим отравлением кадмием. Причиной стало загрязнение рисовых полей и питьевой воды кадмием из сточных вод цинкового рудника в префектуре Тояма.
Кадмий используется в качестве компонента для изготовления зеркальных покрытий в телескопах-рефлекторах, так как обладает высокой отражательной способностью в инфракрасном диапазоне.

Источники

Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
Популярная библиотека химических элементов. Книга 2. Серебро — нильсборий и далее. — М.: Наука, 1983.
Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2.
Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия, 1994.
Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I–IV групп: Справочное издание / Под ред. В. А. Филова. — Л.: Химия, 1988.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →