Температура плавления кадмия по цельсию. Область применения кадмия благодаря его ценным свойствам расширяется с каждым годом

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кадмий расположен в пятом периоде II группе побочной (В) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к элементам d -семейства. Металл. Обозначение - Cd. Порядковый номер - 48. Относительная атомная масса - 112,41 а.е.м.

Электронное строение атома кадмия

Атом кадмия состоит из положительно заряженного ядра (+48), внутри которого есть 48 протонов и 64 нейтрона, а вокруг, по пяти орбитам движутся 48 электронов.

Рис.1. Схематическое строение атома кадмия.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

48Cd) 2) 8) 18) 18) 2 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 .

Валентными электронами атома кадмия считаются электроны, расположенные на 4d — и 5s -орбиталях. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Валентные электроны атома кадмия можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Подуровень

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Сколько атомных орбиталей p -подуровня заполнено у элементов с порядковыми номерами 35 и 54? Запишите их электронные формулы.
Ответ	Элементы с порядковыми номерами 35 и 54 - это бром и ксенон. Запишем их электронный формулы в основном состоянии: 35 Br1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 5 ; 54 Xe1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 6 . На р-подуровне имеется 3 орбитали, на каждой из которых может располагаться не более 2-х электронов (6 в сумме). У атомов брома и ксенона p-орбитали заполнены.

ПРИМЕР 2

Задание

Какие значения могут принимать квантовые числа n , l , m l иm s , характеризующие состояние электронов в атоме. Какие значения они принимают для внешних электронов атома кальция?

Ответ

Главное квантовое число n может принимать значения от 1 и до бесконечности, но в реальности его пределом является число 7. Орбитальное квантовое число l может принимать значения от 0 до 3. Магнитное квантовое число m l принимает значения от -l через 0 до +l. У спинового квантового числа m s может быть всего два значения: +1/2 и -1/2. Запишем электронную конфигурацию основного состояния атома магния (валентные электроны выделим жирным шрифтом): 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 . Электроны внешнего энергетического уровня будут характеризоваться следующим набором квантовых чисел: Подуровень

Кадмий — элемент побочной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 48. Обозначается символом Cd (лат. Cadmium). Мягкий ковкий тягучий переходный металл серебристо-белого цвета.

Окружной врач Ролов отличался крутым нравом. Так, в 1817 г. он приказал изъять из продажи все препараты с окисью цинка, вырабатываемой на шенебекской фабрике Германа. По внешнему виду препаратов он заподозрил, что в окиси цинка есть мышьяк! (Окись цинка до сих пор применяют при кожных заболеваниях; из нее делают мази, присыпки, эмульсии.)
Чтобы доказать свою правоту, строгий ревизор растворил заподозренный окисел в кислоте и через этот раствор пропустил сероводород: выпал желтый осадок. Сульфиды мышьяка как раз желтые!
Владелец фабрики стал оспаривать решение Ролова. Он сам был химиком и, собственноручно проанализировав образцы продукции, никакого мышьяка в них не обнаружил. Результаты анализа он сообщил Ролову, а заодно и властям земли Ганновер. Власти, естественно, затребовали образцы, чтобы отправить их на анализ кому-либо из авторитетных химиков. Решили, что судьей в споре Ролова и Германа должен выступить профессор Фридрих Штромейер, занимавший с 1802 г. кафедру химии в Геттингенском университете и должность генерального инспектора всех ганноверских аптек.
Штромейеру послали не только окись , но и другие цинковые препараты с фабрики Германа, в том числе ZnCO3, из которого эту окись получали. Прокалив углекислый цинк, Штромейер получил окись, но не белую, как это должно было быть, а желтоватую. Владелец фабрики объяснял окраску примесью железа, но Штромейера такое объяснение не удовлетворило. Закупив побольше цинковых препаратов, он произвел полный их анализ и без особого труда выделил элемент, который вызывал пожелтение. Анализ говорил, что это не мышьяк (как утверждал Ролов), но и не железо (как утверждал Герман).

Это был новый, неизвестный прежде металл, по химическим свойствам очень похожий на цинк. Только гидроокись его, в отличие от Zn(OH)2, не была амфотерной, а имела ярко выраженные основные свойства.

48 элемент таблицы Менделеева В свободном виде новый элемент представлял собой белый металл, мягкий и не очень прочный, сверху покрытый коричневатой пленкой окисла. Металл этот Штромейер назвал кадмием, явно намекая на его «цинковое» происхождение: греческим словом καδμεια издавна обозначали цинковые руды и окись цинка.

В 1818 г. Штромейер опубликовал подробные сведения о новом химическом элементе, и почти сразу на его приоритет стали покушаться. Первым выступил все тот же Ролов, который прежде считал, что в препаратах с фабрики Германа есть мышьяк. Вскоре после Штромейера другой немецкий химик, Керстен, нашел новый элемент в силезской цинковой руде и назвал его меллином (от латинского mellinus - «желтый, как айва») из-за цвета осадка, образующегося под действием сероводорода. Но это был уже открытый Штромейером кадмий. Позже этому элементу предлагали еще два названия: клапротий - в честь известного химика Мартина Клапрота и юноний - по имени открытого в 1804 г. астероида Юноны. Но утвердилось все-таки название, данное элементу его первооткрывателем. Правда, в русской химической литературе первой половины XIX в. кадмий нередко называли кадмом.

48 ← Кадмий → Индий
Свойства атома
Название, символ, номер	Ка́дмий / Cadmium (Cd), 48
Атомная масса (молярная масса)	112,411(8) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация
Радиус атома
Химические свойства
Ковалентный радиус
Радиус иона
Электроотрицательность	1,69 (шкала Полинга)
Электродный потенциал
Степени окисления
Энергия ионизации (первый электрон)	867,2 (8,99) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)
Температура плавления
Температура кипения
Уд. теплота плавления	6,11 кДж/моль
Уд. теплота испарения	59,1 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,0 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
Температура Дебая
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 96,9 Вт/(м·К)

Откуда берут кадмий? Кадмий всегда содержится в рудах, из которых добывают цинк, свинец, иногда и в медной руде. Поэтому он неизбежно оказывается в отходах производства этих металлов. Но их не выбрасывают, а стараются переработать, поскольку там есть множество других нужных человеку элементов. Доля кадмия весьма велика - 0,3–0,5% от веса цинкового концентрата, и выбирают его оттуда на 95%. Собственно, и открыт был кадмий при изучении соединений цинка. Рассказывают такую историю (см. «Химию и жизнь», 1970, №9). В 1817 году в Магдебурге возник конфликт: окружной врач Ролов велел изъять из продажи все препараты с оксидом цинка, заподозрив, что там есть мышьяк. Аптекари же клялись, что никакого мышьяка в препаратах нет, разве что оксид железа, придающий мази желтоватый цвет. Арбитром выступил профессор Фридрих Штромейер из Гёттингенского университета, который был в то время главным фармацевтическим инспектором. Ему действительно удалось выделить из препарата желтоватое соединение. Однако оно не имело никакого отношения ни к мышьяку, ни к железу, а оказалось оксидом нового элемента. Осенью 1817 года в разговорах с коллегами Штромейер назвал его кадмием, чему дают следующее объяснение. Легендарный финикийский царевич Кадм, придя в Беотию в поисках своей сестры Европы, украденной Зевсом, построил там крепость Кадмею. Вокруг нее потом выросли древнегреческие Фивы. В античное время около этого города нашли специфическую смесь соединений цинка, названную «кадмейской землей» или кадмеей. Этим названием Штромейер и воспользовался.

Ролов также вскоре убедился, что подозрительная примесь - не мышьяк, а соединение нового металла. Но его статья, посланная в “Journal fur der praktischen Heilkunde ”, задержалась и вышла в апреле 1818 года, когда в среде химиков уже знали об открытии Штромейера.

Как сказался желтый цвет соединения на интересе к кадмию? Самым непосредственным образом: вскоре после открытия Штромейера некто Карстен, старший советник по металлургии завода в Бреслау (ныне Вроцлав), нашел в силезской цинковой руде элемент, который давал желтый осадок при пропускании через его раствор сероводорода, и назвал его «мелиниумом» от латинского слова «mellis », что значит мёд. Это был все тот же кадмий, а его сульфид стал прекрасным желтым пигментом сначала для художников, а потом, когда цена снизилась, и в малярном деле. Получая сульфид кадмия разными способами, можно сделать красивую краску разных оттенков - от лимонного до оранжевого. Поскольку она устойчива к кислотам, щелочам и сильному нагреву, кадмиевая желть подошла и для росписи керамики. Кроме того, если смешать сульфид кадмия с ультрамарином, образуется превосходная зеленая краска - кадмиевая зелень. При горении кадмий дает синий цвет, поэтому его использовали также в пиротехнике. Таким образом, в 90-х годах XX века 17% кадмия шло на приготовление красок различного назначения.

Какова основная область применения кадмия? Никель-кадмиевые аккумуляторы: один из электродов в них сделан из кадмия или его гидроксида, их производство потребляет более 60% всего добытого кадмия. Эти аккумуляторы очень живучие: они могут обеспечить в несколько раз больше циклов разрядки-зарядки, чем ближайшие конкуренты - свинцовые аккумуляторы, правда, и стоят они в десять раз больше. И по соотношению запасенной электроэнергии к весу Ni-Cd в два раза превосходят Pb, что делает их перспективными для электромобилей. Срок жизни современных никель-кадмиевых аккумуляторов - более 30 лет. Они быстро заряжаются и быстро отдают энергию, а благодаря малому внутреннему сопротивлению могут обеспечить большую плотность тока без разогрева. Поэтому их применяют везде, где требуются большие плотности тока, - в электрокарах, троллейбусах, трамваях, электропоездах, шуруповертах, а также в радиоаппаратуре и бытовой технике. До недавнего времени они же снабжали энергией компьютеры и сотовые телефоны, но теперь их место занимают литий-ионные. Никель-кадмиевые аккумуляторы предполагают использовать и в системах альтернативной энергетики, где бывает нужно время от времени куда-то закачивать лишнюю энергию, которая потом компенсирует недостаток производства из-за плохой погоды: такие аккумуляторы могут обеспечить надежное хранение до 6,5 МВт ч электроэнергии, что ставит их в один ряд со свинцовыми и натрий-сульфидными.

Среди недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов - большая саморазрядка и эффект памяти: если заряжать аккумулятор, который разряжен не полностью, он каждый раз будет накапливать все меньше и меньше энергии. Есть мнение, что с этим эффектом можно бороться, если время от времени очень сильно разряжать такой аккумулятор. Но главный их недостаток - ядовитость кадмия; из-за нее использование никель-кадмиевых аккумуляторов, впрочем, как и кадмиевых пигментов для красок, стабилизаторов для полимеров (10% от производства металла), покрытий для металлов (5%), постоянно снижается.

Какая область применения кадмия находится на подъеме? Производство солнечных батарей. Теллурид кадмия неплохо преобразует солнечный свет в электричество, хотя и уступает кремниевым батареям: эффективность у имеющихся на рынке модулей составляет 8–9% и 13–16% соответственно. Однако теллурид кадмия наносят в виде тонких пленок на токопроводящее стекло, что требует гораздо меньших затрат энергии и материалов, нежели производство кремниевых батарей. В результате (“”, 2012, 16, 5245–5259; doi:10.1016/j.rser.2012.04.034) затраты энергии на производство батареи окупаются выработкой энергии уже через год, что в два-три раза (равно как и выбросы углекислого газа на производимый ею киловатт электричества в Европе) меньше, нежели у кремниевых батарей. Иначе говоря, батареи с использованием соединений кадмия весьма дружественны к окружающей среде. При росте эффективности это различие еще увеличится, и перспективы тут есть, поскольку рекордные значения эффективности для теллурида кадмия составляли в 2011 году 15,6 и 13,8% при нанесении его тонкой пленки на стекло и гибкий полиимид соответственно. Батареи на полимерной основе весят в сотни раз меньше стеклянных, легко монтируются на изогнутых поверхностях, чем и привлекают внимание исследователей.

Тонкие пленки - еще не все. Элементы на квантовых точках из халькогенидов - сульфида, теллурида и селенида кадмия - перспективные представители солнечных элементов третьего поколения, которые, по мнению экспертов, способны наконец-то обеспечить этому источнику энергии самоокупаемость. Точки привлекают внимание исследователей, потому что благодаря зависимости их свойств от размеров можно добиться поглощения и преобразования в электричество всего солнечного спектра. Кроме того, в некоторых опытах халькогенидные квантовые точки показали способность к получению нескольких электронов от одного фотона - эффект множественной генерации экситонов. Очевидно, что при грамотном использовании он многократно увеличит эффективность преобразования света, а это позволяет рассчитывать на сближение стоимости электроэнергии от Солнца и сжигания угля.

Пока что, правда, потенциал квантовых точек полностью не раскрыт - рекордную эффективность в 5,42% на начало 2013 года демонстрировал элемент на квантовых точках из сульфида и селенида кадмия с добавками марганца (“Renewable and Sustainable Energy Reviews ”, 2013, 22, 148–167; doi:10.1016/j.rser.2013.01.030). Считается, что сами по себе точки в этом не виноваты - еще не подобран оптимальный материал электродов, обеспечивающий полное снятие с них получившихся при фотореакции носителей заряда. Не исключено, что и при изготовлении электродов пригодится кадмий, - опыты с электродом из станната кадмия CdSnO 3 для солнечных батарей показывают неплохие результаты (“Solar Energy Materials & Solar Cells ”, 2013, 117, 300–305; doi:10.1016/j.solmat.2013.06.009).

Какие еще наночастицы делают из соединений кадмия? Самые разнообразные: наностержни, нанотрубки и даже структуры, подобные морским ежам. Не исключено, что некоторые из них найдут себе применение в технологиях будущего.

Есть ли кадмий в оловянных солдатиках? Он вполне может там оказаться, потому что небольшая добавка кадмия очень сильно снижает температуру плавления других металлов и, соответственно, обеспечивает лучшее заполнение формы литейным сплавом. Неудивительно, что он входит в состав знаменитого сплава Вуда и его разновидностей. Такие сплавы находят широкое применение в металлографии (ими заливают шлифы, образцы для микроскопического исследования), в точном литье, они служат выплавляемыми стержнями при изготовлении полых фигур, а также легкоплавкими предохранителями. Видимо, именно английский инженер Барнаба Вуд первым и обнаружил способность кадмия снижать температуру плавления других металлов, ведь элементы, входящие в состав сплава его имени, - семь-восемь частей висмута, четыре свинца и по две олова и кадмия - имеют температуры плавления соответственно 271, 327, 231 и 742°С. А все вместе плавятся при 69°С! Этот результат в 1860 году был столь неожиданным, что редакционная коллегия журнала “The American Journal of Science and Arts ” добавила к статье Вуда такую приписку: «У нас хватило времени, чтобы повторить только несколько интересных опытов доктора Вуда, относящихся к удивительному влиянию кадмия, которое он оказывает, понижая точки плавления различных сплавов». Сейчас способность кадмия снижать температуру плавления металлов используют, добавляя его в припои, - на это идет 2% мирового производства металла. Причем в припои не только промышленные, но и самодельные. Вот, например, на форуме ювелиров мастера дают такие рекомендации: «Добавьте немного кадмия в золото, его температура плавления окажется ниже, чем у металла изделия, и можно будет припаять требуемую деталь. Поскольку с большой вероятностью кадмий испарится при пайке, проба изделия может и не измениться. Только паять надо под тягой, чтобы не отравиться».

Каков путь кадмия в организм? «Кадмий в детских игрушках - это невозможно, он же ядовит», - скажет читатель. И будет прав, но только отчасти, поскольку вряд ли кадмий из оловянного солдатика (любой фигурки из серебристого тяжелого металла, отлитой в маленькой мастерской) или из желтого узора на салатнице может как-то попасть в организм человека. У него есть совсем другие пути. Их три. Во-первых, с дымом сигарет: кадмий прекрасно накапливается в табачных листьях. Во-вторых, из воздуха, особенно городского: в нем много дорожной пыли, получающейся при истирании шин и тормозных колодок (а кадмий входит в их состав); чем больше дышишь этой пылью, чем выше содержание кадмия в организме. Так, у регулировщиков дорожного движения оно в полтора раза больше, чем у дорожных рабочих из сельской местности (“Chemosphere ”, 2013, 90, 7, 2077–2084). Присутствует кадмий и в дыме тепловых станций, если они работают на угле, и в дыме от сжигания дров, поскольку деревья извлекают его из почвы. Третий же источник - еда, особенно корни, листья и зерна растений: именно там накапливается кадмий. Исследования, проведенные учеными из Сиэтла, показали, что у молодых женщин, живущих в незагрязненных кадмием местах, курение - главный источник кадмия, оно увеличивает содержание этого металла в полтора раза. А вот среди пищевых продуктов значительным источником кадмия оказался соевый творог тофу - одна его порция в неделю увеличивает содержание кадмия в организме на 22% (“Science of the Total Environment” , 2011, 409, 9, 1632–1637). Много кадмия содержится в моллюсках и ракообразных, которые питаются планктоном. Новозеландские биологи установили, что кадмий в морской воде (его концентрация в ней составляет 0,11 мкг/л), скорее всего, оказался там по вине человека. Кадмий содержится в фосфорных удобрениях, оттуда он, кстати, главным образом и попадает в съедобные растения. Дожди смывают удобрения в реки, потом - в море. Кадмий путешествует на поверхности микрочастиц. Попав в соленую воду, он высвобождается и оказывается в фитопланктоне, а с ним и в устрицах. В результате моллюски, которых выращивают повыше в устьях рек, где кадмий от микрочастиц еще не отмылся, относительно чистые, а те, что ниже, содержат особенно много этого металла (“Science of the Total Environment ”, 1996, 181, 1, 31–44). Содержание кадмия в устрицах - 13–26 мкг на грамм сухого веса. Для сравнения: в семечках подсолнечника, которые тоже считают важным источником кадмия, - 0,2–2,5 мкг на грамм зернышек, в листьях табака - 0,5–1 мкг на грамм сухого веса. Поскольку планктоном питаются не только устрицы, кадмий оказывается и в рыбе, выловленной в грязных морях. А самое грязное - Балтийское море, куда впадает много рек из промышленных районов и областей с интенсивным сельским хозяйством.

Как антропогенный кадмий попадает в окружающую среду? Помимо фосфорных удобрений, дорожной пыли и сгорания топлива, есть еще два пути. Первый - цветная металлургия: при всех усилиях, направленных на очистку выбросов, некоторое его количество неизбежно проходит сквозь все фильтры. Второй - свалки и места переработки мусора, например, когда там горит пластик. Однако на свалке даже без нагрева кадмий выщелачивается и с водой попадает в почву. В общем, цветная металлургия дает 5 тысяч тонн выбросов кадмия в год, сжигание мусора - 1,5, а производство фосфорных удобрений и сжигание дерева - по 0,2 тысячи тонн из тех семи с лишним тысяч тонн, которые человек рассеивает в окружающей среде примерно с 30-х годов XX века. Собственные возможности природы скромнее: 0,52 тысячи тонн дают вулканы и 0,2 тысячи тонн - выделения растений, всего 0,83 тысячи тонн (см. «Химию и жизнь», 1979, №12). Иными словами, превратить в металл (а мировой выпуск уже которое десятилетие колеблется в пределах 17–20 тысяч тонн в год) удается не более двух третей извлеченного из земных недр кадмия, так что перспективы утилизации здесь весьма широки. Однако нет стимула, о чем пойдет речь дальше.

Как поведут себя новые материалы, содержащие кадмий, на свалке? По-разному. Подробный анализ провел Василий Фтенакос из Брукхевенской национальной лаборатории (США), который подробно описал жизненный цикл батареи из теллурида кадмия (“Renewable and Sustainable Energy Reviews ”, 2004, 8, 303–334; doi:10.1016/j.rser.2003.12.001). Он рассуждает так. В солнечном элементе соединение кадмия расположено между слоями стекла или пластика. Поэтому частицы, содержащие кадмий, могут появиться в окружающей среде лишь при разрушении элемента, что случается либо в очень пыльной местности, либо при поломке. Но даже тогда, как показал эксперимент, никакой дождь не в состоянии вымыть сколько-нибудь заметное количество кадмия из элемента. Температура испарения CdTe превышает 1000°С, а CdS, также имеющегося в этих элементах, - 1700°С, поэтому никакого испарения при эксплуатации не будет.

А что, если элемент стоит на крыше частного дома, в котором случился пожар? На воздухе теллурид кадмия остается стабильным вплоть до температур 1050°С, что меньше нагрева при обычном пожаре. Прямые опыты доказали, что, если батарея сделана на стеклянной подложке, почти весь кадмий останется в расплавленном стекле - лишь 0,6% его и без того небольшого количества (все-таки это тонкая пленка) может высвободиться. Некоторые элементы, оказавшись разбитыми на свалке, действительно разрушаются, высвобождая кадмий, другие же, более современные, нет. Законодательным регулированием можно добиться, чтобы выбрасывали только безвредные элементы. А лучше бы вообще их не выбрасывать, ведь в них есть ценный теллур.

К сожалению, Фтенакос ничего не говорит об элементах на полимерной основе, которая, скорее всего, сгорит, и никакого вплавления кадмия в стекло не произойдет. Зато он отмечает, что запреты на использование кадмия могут привести к гораздо худшим последствиям: лишившись рынка сбыта, изготовители цинка, свинца и меди перестанут извлекать кадмий из отходов и те станут гораздо сильнее загрязнять все вокруг, чем свалки (вспомним треть кадмия, вылетающего в трубу). Поэтому использование кадмия надо расширять при ужесточении мер по утилизации изделий.

Отдельно стоит вопрос об устройствах на наноточках: при разрушении эти материалы неизбежно будут рассеивать наночастицы, которые смогут перемещаться по пищевой цепи. Есть данные (“Journal of Hazardous Materials ”, 2011, 192, 15, 192–199; doi:10.1016/j.jhazmat.2011.05.003), что при этом они отнюдь не останутся неизменными: в печени и почках крыс, которым наноточки селенида кадмия вводили в брюшную полость, отмечалось возрастание свободного кадмия. Сильнее всего эффект был выражен, если наночастицы перед употреблением освещали ультрафиолетом (видимо, так и будет с нанопылью в природных условиях). Очевидно, что требования к утилизации солнечных элементов и других устройств на подобных наночастицах должны быть строже, чем при использовании монолитных изделий.

Чем опасен кадмий? Вопрос гораздо сложнее, чем может показаться, поскольку кадмий попадает в организм в микроскопических количествах и действует далеко не мгновенно. Подробно об этом пишут исследователи из университета Северной Дакоты во главе с Сойсунваном Сатаругом (“”, 2010, 118, 182–190; doi:10.1289/ehp.0901234). Перескажем этот обзор.

Можно считать доказанным, что у людей, проживающих в местностях, где в почве содержится значительное количество кадмия и пища постоянно загрязнена им, наблюдается повышенная хрупкость костей. Японцы назвали эту болезнь итай-итай: она проявилась в 40-е годы в префектуре Тояма, где фермеры использовали воду из цинковой шахты для орошения полей. Содержание кадмия в рисе было таким высоким, что ежедневное его потребление составило 600 мкг в день, или 4200 мкг в неделю, или до 2 граммов на человека за всю жизнь. Выявить причинно-следственную связь тут несложно, чего не скажешь о хроническом потреблении кадмия в малых дозах. Здесь все сводится к процентам риска получить то или иное заболевание. До сих пор досконально неизвестно, какие дозы кадмия можно считать безвредными. Всемирная организация здравоохранения в 1989 году назвала максимальное допустимое потребление кадмия в неделю: 400–500 мкг, исходя из того, что 2 г за всю жизнь - это много, приводит к итай-итай. В 1992 году норму пересчитали, она составила 7 мкг в день на килограмм веса. Нетрудно заметить, что недельная доза для человека весом 70 кг получается такой же - 490 мкг. При расчете предполагали, что организм усваивает 5% поступающего в него кадмия, а с мочой выходит 0,005% от того количества металла, что уже в нем есть. Однако некоторые медики подвергают такую модель сомнению, указывая, что им встречались случаи, когда организм усваивал и 40% поступившего в него кадмия. Более того, измерения показали, что потребление уже 1 мкг на кг в день приводит к тому, что в моче окажется 2 мкг кадмия на грамм креатинина, а неприятные эффекты проявляются и при гораздо меньшем его содержании. (Содержание в моче кадмия и других вредных металлов, концентрация которых мала, обычно выражают в микрограммах на грамм креатинина - это вещество образуется при работе мышц и постоянно выделяется с мочой. Результат, представленный в таких единицах, не зависит от разведения образца. Далее слово «креатинин» будем опускать. Очевидно, что мерить кадмий в моче гораздо проще, чем его поступление в организм из разных источников)

Какие это эффекты? При прочтении обзора складывается мнение, что кадмий вызывает симптомы старости. Прежде всего, накапливаясь в почках, он ускоряет деградацию почечных канальцев. По одним данным, если с мочой выделяется 2–4 мкг кадмия за сутки, вероятность деградации почек составляет 10%; согласно другим, когда меряют не суточное выделение, а концентрацию в исследуемом образце, опасно уже содержание кадмия в моче 0,67 мкг/г. (Если считать, что за сутки с мочой выделяется 1–2 грамма креатинина, то получается, что опасная суточная доза выделения кадмия - около 1 мкг.) В результате деградации канальцев ослабляется способность почек возвращать в организм витамины, минералы и прочие полезные вещества, например связанные с металлотионеинами цинк и медь, кальций, фосфаты, глюкозу, аминокислоты. Двукратное повышение уровня кадмия в моче повышает содержание в ней кальция на 2 мг в день. Нетрудно догадаться, что потери кальция увеличивают риск остеопороза. Действительно, в группе женщин старше 50 лет с более 1 мкг/г кадмия в моче риск остеопороза на 43% выше, чем у тех, у кого было менее 0,5 мкг/г. При содержании кадмия между 1 и 2 мкг/г риск повышенного содержания глюкозы и развития диабета второго типа - соответственно 1,48 и 1,24 по сравнению с теми, у кого его меньше 1 мкг/г. Обследование корейцев, четверть которых страдала от высокого давления, показало, что риск этого недомогания у людей с высоким содержанием кадмия в полтора раза выше, чем с низким. Риск инфаркта у женщин с содержанием более 0,88 мкг/г кадмия в моче в 1,8 раз выше по сравнению с теми, у кого меньше 0,43 мкг/г. Вероятность смерти от рака у мужчин с менее 0,22 и более 0,48 мкг/г кадмия в моче различается в 4,3 раз. Имеются подозрения, что кадмий снижает плодовитость у мужчин.

В общем, из данных труда доктора Сатаруга с коллегами следует, что именно загрязнение окружающей среды кадмием виновато в том, что возрастные болезни на протяжении XX века сильно «помолодели».

Есть и странные данные. Так, замечена сильная связь между содержанием кадмия в моче и риском получить высокое давление у американцев, которые не курят, в то время как у курильщиков такой связи не замечено. Между тем у любителей сигарет потребление кадмия заведомо выше, а, кроме того, содержание кадмия в моче американцев вообще в три с лишним раза меньше, чем у упомянутых выше корейцев. У курильщиков со старческой деградацией сетчатки уровень кадмия в моче составил 1,18 мкг/г - почти в два раза больше, чем у курильщиков без этой болезни и здоровых некурящих. Однако и у тех некурильщиков, у которых болезнь развилась, кадмия было столь же мало, как и у здоровых людей - значит, дело не только в нем. Подобные противоречивые данные заставляют задать вопрос: а может быть, повышенное содержание кадмия в моче отражает не причину, а следствие каких-то системных процессов в организме? В конце концов, потребление кадмия в большинстве упомянутых в обзоре работах не мерили, только его выход.

Как бороться с кадмием в организме? Научных исследований на эту тему немного, а принцип указан в той же работе исследователей из Северной Дакоты. Кадмий не входит в число жизненно важных элементов, поэтому в организме нет никаких специальных механизмов для его усвоения - кадмий пользуется теми, что предусмотрены для схожих с ним тяжелых металлов, образующих двухвалентные ионы: цинка, железа, марганца и кальция. Недостаток какого-то из этих элементов сразу же приводит к повышенному усвоению кадмия. Так, недостаток железа увеличивает содержание кадмия у тайских женщин в три-четыре раза. То же самое выявили при изучении женщин Бангладеш, но в игре участвовал еще и цинк. Отсюда следует, сколь важно поддерживать правильный микроэлементный баланс в организме.

Есть и другие идеи. Например, бразильцы показывают, что кофеин существенно, в два с лишним раза, снижает содержание кадмия и в крови, и в тканях, в том числе половых, у подопытных крыс (“Reproductive Toxicology ”, 2013, 35, 137–143; doi:10.1016/j.reprotox.2012.10.009). По мнению исследователей, кофеин образует комплексы с кадмием, не допуская его усвоения. Напрашивается вывод: обычай запивать трапезу кофе или чаем, где тоже есть кофеин, - правильный.

Иногда возникает парадокс: еда с высоким содержанием кадмия на организме не сказывается. Так, исследование любителей устриц, проведенное в 1986 году, привело к сюрпризу: при максимальном потреблении 72 устриц в неделю они съедали чудовищные 1750 мкг кадмия, но это никак не проявлялось ни в составе мочи, ни в составе волос. Куда девался весь этот кадмий, остается загадкой. Есть предположение, что селен, содержание которого в тех устрицах было высоким, как-то помешал усвоению кадмия, и тот, видимо, вышел с прочими несъедобными веществами через кишечник. Впрочем, в 2008 году соответствие генеральной линии восстановили: у работников устричной фермы, которые каждую неделю съедали по 18 устриц в течение более 12 лет, содержание кадмия в моче выросло-таки в 2,5 раз по сравнению со средним в США - до 0,76 мкг/г.

А может быть, лучше бороться с кадмием до его проникновения в организм, например следить, чтобы он не попадал в почву и воздух? Освободить от кадмия фосфорные удобрения вряд ли возможно, выводить растения с пониженной усвояемостью кадмия долго и дорого, хотя попытки в отношении табака предпринимаются, но можно очистить почву растениями-гипераккумуляторами - в случае с кадмием это паслен черный Solanum nigrum , он же съедобная ягода вороняжка, французская разновидность похожей на пастушью сумку или горчицу яруточки сизоватой или ярутки альпийской (Thlaspi caerulescens ) и китайский очиток Sedum alfredii . Правда, неясно, куда девать обогащенные кадмием части этих растений - в компост и золу, получаемую на садовом участке, они явно не годятся. При промышленном сжигании так называемого твердого биотоплива - соломы, хвороста и т. п. - возможности освободиться от вредного металла имеются: нужно отделять содержащие его высокотемпературные фракции дыма от низкотемпературных - тогда получившуюся золу можно будет без опаски вносить назад на поле, восстанавливая его плодородие.

Но главное, что следует чистить, - это воздух. Самый радикальный метод выбрали американские, а теперь и евросоюзовские власти - непримиримая борьба с табакокурением (“Environmental Health Perspectives ”, 2012, 120, 2, 204–209; doi:10.1289/ehp.1104020). Результаты налицо: среднее содержание кадмия в моче американцев снизилось с 0,36 мкг/г в 1988 году до 0,26 мкг/г в 2008-м. Поскольку даже у заядлых курильщиков (а по американским меркам это 20 и более пачек в год) оно упало с 0,71 до 0,49, а у некурильщиков - с 0,26 до 0,19, следует предполагать, что запреты на курение в общественных местах существенно уменьшили эффекты от пассивного потребления табачного дыма. С учетом приведенных выше данных о вредности микродоз кадмия, такие запреты кажутся самым легкоосуществимым и весьма значимым вкладом в общественное здоровье. Стоило бы также ужесточить требования к выбросам заводов цветной металлургии, котельных и автомобилей, а заодно сделать так, чтобы из-под колес, «обутых» в резину, летело меньше вредной пыли.

Кадмий

КА́ДМИЙ -я; м. [лат. cadmium из греч. kadmeia - цинковая руда]

1. Химический элемент (Cd), серебристо-белый мягкий, тягучий металл, содержащийся в цинковых рудах (входит в состав многих легкоплавких сплавов, используется в атомной промышленности).

2. Искусственная жёлтая краска разных оттенков.

◁ Ка́дмиевый, -ая, -ое. К-ые сплавы. К-ая жёлтая (краска).

ка́дмий

(лат. Cadmium), химическая элемент II группы периодической системы. Название от греческого kadméia - цинковая руда. Серебристый металл с синеватым отливом, мягкий и легкоплавкий; плотность 8,65 г/см 3 , t пл 321,1ºC. Добывают при переработке свинцово-цинковых и медных руд. Применяют для кадмирования, в мощных аккумуляторах, ядерной энергетике (регулирующие стержни реакторов), для получения пигментов. Входит в состав легкоплавких и других сплавов. Сульфиды, селениды и теллуриды кадмия - полупроводниковые материалы. Многие соединения кадмия ядовиты.

КАДМИЙ

КА́ДМИЙ (лат. Cadmium), Cd (читается «кадмий»), химический элемент с атомным номером 48, атомная масса 112,41.
Природный кадмий состоит из восьми стабильных изотопов: 106 Cd (1,22%), 108 Cd (0,88%), 110 Cd (12,39%), 111 Cd (12,75%), 112 Cd (24,07%), 113 Cd (12,26%), 114 Cd (28,85%) и 116 Cd (12,75%). Расположен в 5 периоде в группе IIВ периодической системы элементов. Конфигурация двух внешних электронных слоев 4s 2 p 6 d 10 5s 2 . Степень окисления +2 (валентность II).
Радиус атома 0,154 нм, радиус иона Cd 2+ 0,099 нм. Энергии последовательной ионизации - 8,99, 16,90, 37,48 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,69.
История открытия
Открыт немецким профессором Ф. Штромейером (см. ШТРОМЕЙЕР Фридрих) в 1817. Провизоры Магдебурга при изучении оксида цинка (см. ЦИНК (химический элемент)) ZnO заподозрили в нем примесь мышьяка (см. МЫШЬЯК) . Ф. Штромейер выделил из ZnO коричнево-бурый оксид, восстановил его водородом (см. ВОДОРОД) и получил серебристо-белый металл, который получил название кадмий (от греческого kadmeia - цинковая руда).
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 1,35·10 –5 % по массе, в воде морей и океанов 0,00011 мг/л. Известно несколько очень редких минералов, например, гринокит GdS, отавит CdCO 3 , монтепонит CdO. Кадмий накапливается в полиметаллических рудах: сфалерите (см. СФАЛЕРИТ) (0,01-5%), галените (см. ГАЛЕНИТ) (0,02%), халькопирите (см. ХАЛЬКОПИРИТ) (0,12%), пирите (см. ПИРИТ) (0,02%), блеклых рудах (см. БЛЕКЛЫЕ РУДЫ) и станнине (см. СТАННИН) (до 0,2%).
Получение
Основные источники кадмия - промежуточные продукты цинкового производства, пыль свинцовых и медеплавильных заводов. Сырье обрабатывают концентрированной серной кислотой и получают СdSO 4 в растворе. Из раствора Cd выделяют, используя цинковую пыль:
CdSO 4 + Zn = ZnSO 4 + Cd
Полученный металл очищают переплавкой под слоем щелочи для удаления примесей цинка и свинца. Кадмий высокой чистоты получают электрохимическим рафинированием с промежуточной очисткой электролита или методом зонной плавки (см. ЗОННАЯ ПЛАВКА) .
Физические и химические свойства
Кадмий - серебристо-белый мягкий металл с гексагональной решеткой (а = 0,2979, с = 0,5618 нм). Температура плавления 321,1 °C, кипения 766,5 °C, плотность 8,65 кг/дм 3 . Если кадмиевую палочку изгибать, то можно услышать слабый треск - это трутся друг о друга микрокристаллики металла. Стандартный электродный потенциал кадмия -0,403 В, в ряду стандартных потенциалов (см. СТАНДАРТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ) он расположен до водорода (см. ВОДОРОД) .
В сухой атмосфере кадмий устойчив, во влажной постепенно покрывается пленкой оксида CdO. Выше температуры плавления кадмий горит на воздухе с образованием оксида CdO бурого цвета:
2Сd + O 2 = 2CdO
Пары кадмия реагируют с парами воды с образованием водорода:
Cd + H 2 O = CdO + H 2
По сравнению со своим соседом по группе IIB - Zn кадмий медленнее реагирует с кислотами:
Сd + 2HCl = CdCl 2 + H 2 ­
Легче всего реакция протекает с азотной кислотой:
3Cd + 8HNO 3 = 3Cd(NO 3) 2 + 2NO – + 4H 2 O
Со щелочами кадмий не реагирует.
В реакциях может выступать в качестве мягкого восстановителя, например в концентрированных растворах он способен восстанавливать нитрат аммония до нитрита NH 4 NO 2:
NH 4 NO 3 + Cd = NH 4 NO 2 + CdO
Кадмий окисляется растворами солей Cu (II) или Fe (III):
Cd + CuCl 2 = Cu + CdCl 2 ;
2FeCl 3 + Cd = 2FeCl 2 + CdCl 2
Выше температуры плавления кадмий реагирует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) с образованием галогенидов:
Cd + Cl 2 = CdCl 2
С серой (см. СЕРА) и другими халькогенами образует халькогениды:
Cd + S = CdS
С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором кадмий не реагирует. Нитрид Cd 3 N 2 и гидрид CdH 2 получают косвенными путями.
В водных растворах ионы кадмия Cd 2+ образуют аквакомплексы 2+ и 2+ .
Гидроксид кадмия Cd(OH) 2 получают добавлением к раствору соли кадмия щелочи:
СdSO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + Cd(OH) 2 Ї
Гидроксид кадмия в щелочах практически не растворяется, хотя при длительном кипячении в очень концентрированных растворах щелочей зафиксировано образование гидроксидных комплексов 2– . Таким образом, амфотерные (см. АМФОТЕРНОСТЬ) свойства оксида CdO и гидроксида Cd(OH) 2 кадмия выражены гораздо слабее, чем у соответствующих соединений цинка.
Гидроксид кадмия Cd(OH) 2 за счет комплексообразования легко растворяется в водных растворах аммиака NH 3:
Cd(OH) 2 + 6NH 3 = (OH) 2
Применение
40% производимого кадмия используется для нанесения антикоррозионных покрытий на металлы. 20% кадмия идет на изготовление кадмиевых электродов, применяемых в аккумуляторах, нормальных элементах Вестона. Около 20% кадмия используется для производства неорганических красящих веществ, специальных припоев, полупроводниковых материалов и люминофоров. 10% кадмия - компонент ювелирных и легкоплавких сплавов, пластмасс.
Физиологическое действие
Пары кадмия и его соединения токсичны, причем кадмий может накапливаться в организме. В питьевой воде ПДК для кадмия 10 мг/м 3 . Симптомы острого отравления солями кадмия - рвота и судороги. 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.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "кадмий" в других словарях:

- (лат. cadmium). Тягучий металл, похожий цветом на олово. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. КАДМИЙ лат. cadmium, от kadmeia gea, кадмиева земля. Металл, похожий на олово. Объяснение 25000 иностранных… … Словарь иностранных слов русского языка

КАДМИЙ - КАДМИЙ, Cadmium, хим. элемент, симв. Cd, атомного веса 112,41, порядковый номер 48. Содержится в малых количествах в большинстве цинковых руд и при добывании цинка получается в качестве побочного продукта; может быть также получен… … Большая медицинская энциклопедия

КАДМИЙ - см. КАДМИЙ (Cd). Содержится веточных водах многих промышленных предприятий, особенно свинцово цинковых и металлообрабатывающих заводов, использующих гальванопокрытие. Он присутствует в фосфорных удобрениях. В воде растворяются сернокислый,… … Болезни рыб: Справочник

Кадмий - (Cd) серебристо белый металл. Применяется в ядерной энергетике и гальваностегии, входит в состав сплавов, используется для приготовления типографских клише, припоев, сварочных электродов, при производстве полупроводников; является компонентом… … Российская энциклопедия по охране труда

- (Cadmium), Cd, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 48, атомная масса 112,41; металл, tпл 321,1шC. Кадмий используют для нанесения антикоррозийных покрытий на металлы, изготовления электродов, получения пигментов,… … Современная энциклопедия

- (символ Cd), серебристо белый металл из второй группы периодической таблицы. Впервые выделен в 1817 г. Содержится в гриноките (в форме сульфида), но в основном его получают в качестве побочного продукта при извлечении цинка и свинца. Легко куется … Научно-технический энциклопедический словарь

Cd (от греч. kadmeia цинковая руда * a. cadmium; н. Kadmium; ф. cadmium; и. cadmio), хим. элемент II группы периодич. системы Mенделеева, ат.н. 48, ат. м. 112,41. B природе встречаются 8 стабильных изотопов 106Cd (1,225%) 108Cd (0,875%),… … Геологическая энциклопедия

Муж. металл (одно из химических начал или неразлагаемых стихий), встречаемый в цинковой руде. Кадмиевый, к кадмию относящийся. К адмистый, содержащий в себе кадмий. Толковый словарь Даля. В.И. Даль. 1863 1866 … Толковый словарь Даля

Кадмий - (Cadmium), Cd, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 48, атомная масса 112,41; металл, tпл 321,1°C. Кадмий используют для нанесения антикоррозийных покрытий на металлы, изготовления электродов, получения пигментов,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

КАДМИЙ - хим. элемент, символ Cd (лат. Cadmium), ат. н. 48, ат. м. 112,41; серебристо белый блестящий мягкий металл, плотность 8650 кг/м3, tпл = 320,9°С. Кадмий редкий и рассеянный элемент, ядовит, обычно встречается в рудах вместе с цинком, на который… … Большая политехническая энциклопедия

- (лат. Cadmium) Cd, химический элемент II группы периодической системы, атомный номер 48, атомная масса 112,41. Название от греческого kadmeia цинковая руда. Серебристый металл с синеватым отливом, мягкий и легкоплавкий; плотность 8,65 г/см³,… … Большой Энциклопедический словарь

Кадмий (латинское Cadmium, обозначается символом Cd) - элемент с атомным номером 48 и атомной массой 112,411. Является элементом побочной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. При нормальных условиях простое вещество кадмий - тяжелый (плотность 8,65 г/см3) мягкий ковкий тягучий переходный металл серебристо-белого цвета.

Природный кадмий состоит из восьми изотопов, шесть из которых стабильны: 106Cd (изотопная распространённость 1,22 %), 108Cd (0,88 %), 110Cd (12,39 %), 111Cd (12,75 %), 112Cd (24,07 %), 114Cd (28,85 %). Для двух других природных изотопов обнаружена слабая радиоактивность: 113Cd (изотопная распространённость 12,22 %, β-распад с периодом полураспада 7,7∙1015 лет) и 116Cd (изотопная распространённость 7,49 %, двойной β-распад с периодом полураспада 3,0∙1019 лет).

Сорок восьмой элемент периодической системы был открыт немецким профессором Фридрихом Штромейером в 1817 году, это открытие можно назвать случайным. Дело в том, что провизоры Магдебурга при изучении препаратов, содержащих оксид цинка ZnO, заподозрили в них присутствие мышьяка. Так как окись цинка входит в состав многих мазей, присыпок и эмульсий, применяемых при различных кожных болезнях, проверяющие категорически запретили продажу всех подозрительных лекарств. Естественно, что производитель лекарственных препаратов, отстаивая свои интересы, потребовал независимой экспертизы. В роли эксперта выступил Штромейер. Он выделил из ZnO коричнево-бурый оксид, восстановил его водородом и получил серебристо-белый металл, который был им назван «кадмием» (от греч. kadmeia - нечистый оксид цинка, также цинковая руда). Независимо от профессора Штромейера кадмий был обнаружен в силезских цинковых рудах группой немецких ученых - К. Германом, К. Карстеном и В. Мейснером в 1818 году.

Кадмий хорошо поглощает медленные нейтроны, по этой причине кадмиевые стержни применяют в ядерных реакторах для регулирования скорости цепной реакции. Кадмий используется в щелочных аккумуляторах, входит как компонент в некоторые сплавы. Так, например, сплавы меди, содержащие порядка 1 % Cd (кадмиевые бронзы), служат для изготовления телеграфных, телефонных, троллейбусных проводов, так как эти сплавы обладают большей прочностью и износостойкостью, чем медь. Ряд легкоплавких сплавов, например, применяющиеся в автоматических огнетушителях, содержат сорок восьмой элемент. Кроме того, кадмий входит в состав некоторых ювелирных сплавов. Этот металл применяется для кадмирования стальных изделий, ведь он несет на своей поверхности оксидную пленку, обладающую защитным действием. Дело в том, что в морской воде и в ряде других сред кадмирование более эффективно, чем цинкование. Кадмий имеет долгую историю использования в гомеопатической медицине. Широкое применение нашли и соединения сорок восьмого элемента - сульфид кадмия применяется для изготовления желтой краски и цветных стекол, а фтороборат кадмия - важный флюс, применяемый для пайки алюминия и других металлов.

Кадмий обнаружен в организме всех позвоночных животных, установлено, что он влияет на углеродный обмен, активность ряда ферментов и синтез гиппуровой кислоты в печени. Однако соединения кадмия ядовиты, а сам металл является канцерогеном. Особенно опасно вдыхание паров оксида кадмия CdO, нередки случаи со смертельным исходом. Вредно и проникновение кадмия в желудочно-кишечный тракт, но случаев смертельного отравления не зафиксировано, вероятнее всего это связано с тем, что организм сам стремится избавиться от токсина (рвота).

Биологические свойства

Оказывается, кадмий присутствует практически во всех живых организмах - в наземных содержание сорок восьмого элемента приблизительно равно 0,5 мг на 1 кг массы, в морских организмах (губки, кишечнополостные, иглокожие, черви) - от 0,15 до 3 мг/кг, содержание кадмия в растениях составляет порядка 10-4 % (на сухое вещество). Несмотря на присутствие кадмия в большинстве живых организмов, его специфическое физиологическое значение пока достоверно не установлено. Ученым удалось выяснить, что этот элемент влияет на углеводный обмен, на синтез в печени гиппуровой кислоты, на активность ряда ферментов, а также на обмен в организме цинка, меди, железа и кальция. Существует предположение, обоснованное некоторыми исследованиями, что микроскопические количества кадмия в пище могут стимулировать рост у млекопитающих. По этой причине некоторые ученые причисляют кадмий к условно-эссенциальным микроэлементам, то есть жизненно-важным, но токсичным в определенных дозах. Даже в организме вполне здорового человека содержится небольшое количество кадмия. И все-таки, несмотря на это, кадмий относят к наиболее токсичным тяжелым металлам - Российским СанПиНом он отнесен ко 2-му классу опасности - высокоопасные вещества - куда входят также сурьма, стронций, фенол и другие отравляющие вещества. В бюллетене «Проблемы химической безопасности» от 29 апреля 1999 года кадмий фигурирует как «наиболее опасный экотоксикант на рубеже тысячелетий»!

Как и прочие тяжелые металлы, кадмий является кумулятивным ядом, то есть, он способен накапливаться в организме - период его полувыведения составляет от 10 до 35 лет. Человеческий организм к пятидесяти годам способен накопить от 30 до 50 мг кадмия. Основными «депо отложения» сорок восьмого элемента в человеческом теле являются почки, содержащие от 30 до 60 % суммарного количества этого металла в организме, печень (20-25 %). В меньшей степени накапливать кадмий способны: поджелудочная железа, селезенка, трубчатые кости, другие органы и ткани. В небольших количествах сорок восьмой элемент присутствует даже в крови. Однако, в отличие от свинца или ртути, кадмий не проникает в мозг. По большей части кадмий в организме находится в связанном состоянии - в комплексе с белком-металлотионеином - это своеобразный защитный механизм, реакция организма на присутствие тяжелого металла. В таком виде кадмий менее токсичен, однако, даже в связанном виде он не становится безвредным - накапливаясь годами этот металл способен привести к нарушению работы почек и повышенной вероятности образования почечных камней. Намного опаснее кадмий, находящийся в ионной форме, ведь он химически весьма близок к цинку и способен замещать его в биохимических реакциях, выступая в качестве псевдоактиватора или, наоборот, ингибитора содержащих цинк белков и ферментов. Кадмий связывается с цитоплазматическим и ядерным материалом клеток и повреждает их, изменяет активность многих гормонов и ферментов, что объясняется его способностью связывать сульфгидрильные (-SH) группы. Кроме того, сорок восьмой элемент, в связи с близостью ионных радиусов кальция и кадмия, способен замещать кальций в костной ткани. Такая же ситуация с железом, которое кадмий также способен замещать. По этой причине недостаток кальция, цинка и железа в организме способен привести к повышению усвояемости кадмия из желудочно-кишечного тракта до 15-20 %. Считается, что безвредной суточной дозой кадмия для взрослого человека является 1 мкг кадмия на 1 кг собственного веса, большие количества кадмия чрезвычайно опасны для здоровья.

Каковы же механизмы поступления кадмия и его соединений в организм? Отравление происходит при употреблении воды (ПДК для питьевой воды составляет 0,01 мг/л), загрязненной кадмиесодержащими отходами, а также при употреблении в пищу овощей и зерновых, произрастающих на землях, расположенных вблизи от нефтеперегонных заводов и металлургических предприятий. Особо опасно употребление грибов с таких территорий, так как они, по некоторым сведениям, способны накапливать более 100 мг кадмия на кг собственного веса. Курение - еще один источник поступления кадмия в организм, причем, как самого курящего, так и окружающих его людей, ведь металл находится в табачном дыме. Характерными признаками хронического отравления кадмием являются, как говорилось ранее, поражения почек, боли в мышцах, разрушение костной ткани, анемия. Острое пищевое отравление кадмием наступает при поступлении больших разовых доз с пищей (15-30 мг) или с водой (13-15 мг). При этом наблюдаются признаки острого гастроэнтерита - рвота, боли и судороги в эпигастральной области, однако случаи смертельного отравления соединениями кадмия, попавшими в организм с пищей, науке неизвестны, но по оценкам ВОЗ летальная разовая доза может составлять 350-3500 мг. Гораздо опаснее отравление кадмием при вдыхании его паров (CdO) или кадмийсодержащей пыли (как правило, это происходит на связанных с использованием кадмия производствах). Симптомами подобного отравления являются отек легких, головная боль, тошнота или рвота, озноб, слабость и диарея. В результате таких отравлений были зафиксированы смертельные случаи.

Противоядием при отравлении кадмием является селен, который способствует снижению усвояемости сорок восьмого элемента. Однако требуется сбалансированный прием селена, связано это с тем, что избыток его в организме приводит к снижению содержания серы, а это обязательно приведет к тому, что кадмий вновь станет легко усваиваться организмом.

Установлено, что одна сигарета содержит от 1 до 2 мкг кадмия. Выходит, что человек, выкуривающий за день хотя бы пачку сигарет, получает дополнительно порядка 20 мкг кадмия, как минимум! Опасность заключается и в том, что усвояемость сорок восьмого элемента через легкие максимальна - от 10 до 20 %, таким образом, в организме курильщика усваивается от 2 до 4 мкг кадмия с каждой пачкой сигарет! Канцерогенное действие никотина, содержащегося в табачном дыме, как правило, связано с присутствием кадмия, причем он не задерживается даже угольными фильтрами.

Пример массового хронического отравления кадмием с многочисленными смертельными исходами был описан в конце 50-х годов XX века. На территории Японии были зафиксированы случаи массового заболевания, которое местные жители прозвали «итай-итай», что дословно можно перевести, как «ой-ой, как больно!». Симптомами болезни были сильные поясничные боли, что, как позже выяснилось, было вызвано необратимыми поражениями почек; сильными болями в мышцах. Повсеместное распространение болезни и столь тяжелое ее протекание были вызваны высокой загрязненностью окружающей среды в Японии в то время и спецификой питания японцев (рис и морепродукты накапливают большое количество кадмия). Было установлено, что заболевшие странной болезнью употребляли порядка 600 мкг кадмия ежесуточно!

Несмотря на то, что кадмий признан одним из самых токсичных веществ, он нашел применение и в медицине! Так, введенная в грудную клетку пациента, страдающего сердечной недостаточностью, никель-кадмиевая батарейка обеспечивают энергией механический стимулятор работы сердца. Удобство такого аккумулятора заключается в том, что для его подзарядки или замены больному не придется ложиться на операционный стол. Для бесперебойной службы батарейки достаточно раз в неделю надевать всего на полтора часа специальную намагниченную куртку.

Кадмий применяется в гомеопатии, экспериментальной медицине, а совсем недавно его стали использовать при создании новых противоопухолевых препаратов.

Сплав Вуда (Wood"s metal), содержащий 50 % висмута, 12,5 % олова, 25 % свинца, 12,5 % кадмия, легко можно расплавить в кипящей воде. Сплав был изобретен в 1860 году не очень известным английским инженером Б.Вудом (B.Wood). С этим легкоплавким сплавом связано несколько любопытных фактов: во-первых, первые буквы компонентов сплава Вуда образуют аббревиатуру ВОСК, во-вторых, довольно часто изобретение ошибочно приписывают однофамильцу Б.Вуда - знаменитому американскому физику Роберту Уильямсу Вуду, который родился лишь спустя восемь лет.

Не так давно сорок восьмой элемент периодической системы поступил на «вооружение» Скотленд-ярда: с помощью тончайшего слоя кадмия, напыленного на обследуемую поверхность, удается быстро выявить четкие отпечатки пальцев преступника.

Учеными был установлен такой интересный факт: кадмированная жесть в атмосфере сельских местностей обладает значительно большей коррозийной устойчивостью, чем в атмосфере промышленных районов. Особенно быстро такое покрытие выходит из строя, если в воздухе повышено содержание сернистого или серного ангидридов.

В 1968 году один из сотрудников службы здравоохранения США (доктор Кэррол) обнаружил прямую связь между смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний и содержанием кадмия в атмосфере. К таким выводам он пришел, проанализировав данные 28 городов. В четырех из них - Нью-Йорке, Чикаго, Филадельфии и Индианополисе - содержание кадмия в воздухе оказалось значительно выше, чем в остальных городах; более высокой была здесь и доля смертных случаев в результате болезней сердца.

Помимо «стандартных» мероприятий по ограничению выбросов кадмия в атмосферу, воду и почву (фильтра и очистители на предприятиях, удаление жилья и посевных полей от таких предприятий), ученые разрабатывают и новые - перспективные. Так американские ученые в бухте реки Миссисипи высадили водные гиацинты, полагая, что с их помощью удастся очистить воду от таких нежелательных элементов, как кадмий и ртуть.

История

Истории известно немало «открытий», которые были сделаны во время различных проверок, смотров и ревизий. Однако подобные находки имеют скорее криминальный характер, нежели научный. И все-таки был такой случай, когда начавшаяся ревизия в итоге привела к открытию нового химического элемента. Произошло это в Германии в начале XIX века. Окружной врач Р. Ролов проверял аптеки своего округа, в ходе ревизии - в ряде аптек вблизи Магдебурга - он обнаружил окись цинка, внешний вид которой вызывал подозрения и наводил на мысль о содержании в ней мышьяка. В подтверждение своих предположений Ролов растворил изъятый препарат в кислоте и пропустил через раствор сероводорода, что привело к выпадению желтого осадка, похожего на сульфид мышьяка. Немедленно были изъяты из продажи все подозрительные лекарственные препараты - мази, присыпки, эмульсии, порошки. Подобный шаг возмутил владельца фабрики в Шенебеке, производившей все забракованные Роловым препараты. Этот предприниматель - Герман, будучи по профессии химиком, провел собственную экспертизу товара. Испробовав весь известный в то время арсенал опытов по обнаружению мышьяка, он убедился в том, что его продукция чиста в этом отношении, а смутивший ревизора желтый цвет окиси цинка придает железо. Сообщив о результатах своих опытов Ролову и властям земли Ганновер, Герман потребовал независимой экспертизы и полной «реабилитации» своего товара. В результате было решено выяснить мнение профессора Штромейера, возглавлявшего кафедру химии Геттингенского университета, а по совместительству занимавшего пост генерального инспектора всех ганноверских аптек. Естественно, что Штромейеру на проверку отослали не только окись цинка, но и другие цинковые препараты с Шенебекской фабрики, в том числе карбонат цинка, из которого эту окись получали. Прокалив карбонат цинка ZnCO3, Фридрих Штромейер получил оксид, но не белый, как это должно было быть, а желтоватый. В результате дальнейших исследований, оказалось, что препараты не содержат ни мышьяка, как предполагал Ролов, ни железа, как думал Герман. Причиной необычной цветовой окраски был совершенно другой металл - ранее неизвестный и по свойствам весьма схожий с цинком. Различие было лишь в том, что гидроокись его, в отличие от Zn(OH)2, не была амфотерной, а имела ярко выраженные основные свойства. Штромейер назвал новый металл кадмием, намекая на сильную схожесть нового элемента с цинком - греческим словом καδμεια (kadmeia) издавна обозначали цинковые руды (например, смитсонит ZnCO3) и окись цинка. В свою очередь это слово происходит от имени финикийца Кадма, который, согласно преданиям, первым нашел цинковый камень и открыл его способность придавать меди (при выплавке ее из руды) золотистый цвет. Согласно древнегреческим мифам существовал и другой Кадм - герой, победивший Дракона и построивший на землях поверженного им врага крепость Кадмею, вокруг которой впоследствии вырос великий семивратный город Фивы. В семитских же языках «кадмос» означает «восточный», что, возможно, возводит название минерала от мест его добычи либо экспорта из какой-либо восточной страны или провинции. В 1818 году Фридрих Штромейер опубликовал подробное описание нового металла, свойства которого он уже успел хорошо изучить. В свободном виде новый элемент представлял собой белый металл, мягкий и не очень прочный, сверху покрытый коричневатой пленкой окисла. Довольно скоро, как это часто бывает, приоритет Штромейера в открытии кадмия стали оспаривать, однако все претензии вскоре были отвергнуты. Несколько позже другой немецкий химик Керстен, нашел новый элемент в силезской цинковой руде и назвал его меллином (от латинского mellinus - «желтый, как айва»). Причиной такого названия послужил цвет осадка, образующегося под действием сероводорода. К огорчению Керстена «меллин» оказался «кадмием» Штромейера. Еще позже были предложены и другие названия сорок восьмому элементу: в 1821 году Джон предложил именовать новый элемент «клапротием» - в честь известного химика Мартина Клапрота - первооткрывателя урана, циркония и титана, а Гильберт «юнонием» - по имени открытого в 1804 году астероида Юноны. Но как бы ни были велики заслуги Клапрота перед наукой, его имени не суждено было закрепиться в списке химических элементов: кадмий остался кадмием. Правда, в русской химической литературе первой половины XIX века кадмий нередко называли кадмом.

Нахождение в природе

Кадмий типично редкий и довольно рассеянный элемент, среднее содержание данного металла в земной коре (кларк) оценивается примерно 1,3 10–5 % либо 1,6 10–5 % по массе, получается, что в литосфере кадмия приблизительно 130 мг/т. Кадмия настолько мало в недрах нашей планеты, что даже считающегося редким германия в 25 раз больше! Приблизительно такие же соотношения у кадмия и с другими редкими металлами: бериллием, цезием, скандием и индием. Кадмий близок по распространенности к сурьме (2 10–5 %) и в два раза более распространен, чем ртуть (8 10–6 %).

Для сорок восьмого элемента характерна миграция в горячих подземных водах вместе с цинком (кадмий содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка) и другими халькофильными элементами, то есть химическими элементами, склонными к образованию природных сульфидов, селенидов, теллуридов, сульфосолей и иногда встречающихся в самородном состоянии. Кроме того, сорок восьмой элемент концентрируется в гидротермальных отложениях. Довольно богаты кадмием вулканические породы, содержащие до 0,2 мг кадмия на кг; среди осадочных пород наиболее богаты сорок восьмым элементом глины - до 0,3 мг/кг (для сравнения известняки содержат кадмия 0,035 мг/кг, песчанники - 0,03 мг/кг). Среднее содержание кадмия в почве - 0,06 мг/кг. Также, этот редкий металл присутствует в воде - в растворенном виде (сульфат, хлорид, нитрат кадмия) и во взвешенном виде в составе органо-минеральных комплексов. В природных условиях сорок восьмой элемент попадает в подземные воды в результате выщелачивания руд цветных металлов, а также в результате разложения водных растений и организмов, способных его накапливать. С начала XX века преобладающим фактором поступления кадмия в воды и почву стало антропогенное загрязнение кадмием природных вод. На содержание кадмия в воде существенное влияние оказывает pH среды (в щелочной среде кадмий выпадает в осадок в виде гидроксида), а также сорбционные процессы. По той же антропогенной причине кадмий присутствует и в воздухе. В сельской местности содержание кадмия в воздухе составляет 0,1-5,0 нг/м3 (1 нг или 1 нанограмм = 10-9 грамм), в городах - 2-15 нг/м3, в промышленных районах - от 15 до 150 нг/м3. Главным образом попадание кадмия в атмосферный воздух связано с тем, что многие угли, сжигаемые на теплоэлектростанциях, содержат этот элемент. Осаждаясь из воздуха, кадмий попадает в воду и почву. Увеличению содержания кадмия в почве способствует использование минеральных удобрений, ведь практически все они содержат незначительные примеси этого металла. Из воды и почвы кадмий попадает в растения и живые организмы и далее по пищевой цепочке может «поставляться» человеку.

Кадмий имеет собственные минералы: хоулиит, отавит CdCO3, монтемпонит CdO (содержит 87,5 % Cd), гринокит CdS (77,8 % Cd), ксантохроит CdS(H2O)х (77,2 % Cd) кадмоселит CdSe (47 % Cd). Однако своих месторождений они не образуют, а присутствуют в виде примесей в цинковых, медных, свинцовых и полиметаллических рудах (более 50), которые и являются основным источником промышленной добычи сорок восьмого элемента. Причем главную роль играют руды цинка, где концентрация кадмия колеблется от 0,01 до 5 % (в сфалерите ZnS). В большинстве же случаев содержание кадмия в сфалерите не превышает 0,4 – 0,6 %. Кадмий накапливается также в галените (0,005 – 0,02 %), станните (0,003 – 0,2 %), пирите (до 0,02 %), халькопирите (0,006 – 0,12 %), однако из этих сульфидов кадмий обычно не извлекается.

Кадмий способен накапливаться в растениях (больше всего в грибах) и живых организмах (особенно в водных), по этой причине кадмий можно обнаружить в морских осадочных породах - сланцах (Мансфельд, Германия). Общие мировые ресурсы кадмия оцениваются в 20 млн тонн, промышленные - в 600 тыс. тонн.

Применение

Главным потребителем сорок восьмого элемента является производство химических источников тока: никель-кадмиевые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы, свинцово-кадмиевые и ртутно-кадмиевые элементы в резервных батареях, нормальные элементы Вестона. Применяемые в промышленности кадмийникелеве аккумуляторы (АКН) - одни из самых востребованных среди прочих химических источников тока. Отрицательные пластины подобных аккумуляторов выполнены из железных сеток с губчатым кадмием в качестве активного агента, а положительные пластины покрыты окисью никеля. В качестве электролита выступает раствор едкого кали (гидроксид калия). Никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы более надежны, чем кислотные свинцовые. Химические источники тока, использующие кадмий отличаются продолжительным сроком эксплуатации, стабильностью работы и высокими электрическими характеристиками. Помимо всего прочего, подзарядка данных аккумуляторов занимает менее одного часа! Однако АКН нельзя подзаряжать без полной предварительной разрядки, и в этом они, конечно же, уступают металлогидридным аккумуляторам.

Другая широкая область применения кадмия - нанесение защитных антикоррозионных покрытий на металлы (кадмирование). Кадмиевое покрытие надежно предохраняет железные и стальные изделия от атмосферной коррозии. В прошлом кадмирование производили путем погружения металла в расплавленный кадмий, современный процесс осуществляют исключительно электролитическим путем. Кадмированию подвергают наиболее ответственные детали самолетов, кораблей, а также детали и механизмы, предназначенные для работы в условиях тропического климата. Известно, что некоторые свойства цинка и кадмия схожи, однако у кадмиевого покрытия есть определенные преимущества перед оцинкованным: во-первых, оно более устойчиво к коррозии, во-вторых, его легче сделать ровным и гладким. Кроме того, в отличие от цинка, кадмий устойчив в щелочной среде. Кадмированная жесть используется довольно широко, однако существует область, в которой применение покрытия из сорок восьмого элемента строго запрещено - это пищевая промышленность. Связано это с высокой токсичностью кадмия. До определенного момента распространение кадмиевых покрытий было ограничено и по другой причине - при электролитическом нанесении кадмия на стальную деталь в металл может проникнуть содержащийся в электролите водород, а, как известно, этот элемент вызывает у высокопрочных сталей водородную хрупкость, приводящую к неожиданному разрушению металла под нагрузкой. Проблему удалось решить советским ученым из Института физической химии Академии наук СССР. Оказалось, что ничтожная добавка титана (один атом титана на тысячу атомов кадмия) предохраняет кадмированную стальную деталь от возникновения водородной хрупкости, поскольку титан в процессе нанесения покрытия поглощает из стали весь водород.

Порядка десятой части мирового производства кадмия расходуется на производство сплавов. Небольшая температура плавления - одна из причин широкого применения кадмия в легкоплавких сплавах. Таковым, например, является сплав Вуда, содержащий 12,5 % сорок восьмого элемента. Подобные сплавы используют как припои, как материал для получения тонких и сложных отливок, в автоматических противопожарных системах, для спайки стекла с металлом. Припои, содержащие сорок восьмой элемент, довольно устойчивы к температурным колебаниям. Другая отличительная черта кадмиевых сплавов - их высокие антифрикционные свойства. Так, сплав, содержащий 99 % кадмия и 1 % никеля, применяют для изготовления подшипников, работающих в автомобильных, авиационных и судовых двигателях. Поскольку кадмий недостаточно стоек к действию кислот, в том числе и содержащихся в смазочных материалах органических кислот, подшипниковые сплавы на основе кадмия покрывают индием. Легирование меди малыми добавками кадмия (менее 1 %) позволяет делать более износостойкие провода на линиях электрического транспорта. Столь ничтожные добавки кадмия способны значительно повысить прочность и твердость меди, практически не ухудшая ее электрических свойств. Амальгаму кадмия (раствор кадмия в ртути) используют в зубоврачебной технике для изготовления зубных пломб.

В сороковые годы XX века у кадмия появилось новое амплуа - из него стали делать регулирующие и аварийные стержни атомных реакторов. Причина, по которой сорок восьмой элемент в кратчайший срок стал стратегическим материалом, заключалась в том, что он очень хорошо поглощает тепловые нейтроны. А ведь первые реакторы начала «атомного века» работали исключительно на тепловых нейтронах. Лишь позже выяснилось, что реакторы на быстрых нейтронах более перспективны и для энергетики, и для получения ядерного горючего - 239Pu, а против быстрых нейтронов кадмий бессилен, он их не задерживает. Однако еще во времена реакторов на тепловых нейтронах кадмий утратил главенствующую роль, уступив ее бору и его соединениям.

Порядка 20 % кадмия (в виде соединений) используется для производства неорганических красящих веществ. Сульфид кадмия CdS - важный минеральный краситель, ранее называвшийся кадмиевой желтью. Уже в начале XX века было известно, что можно получить кадмиевую желть шести оттенков, начиная от лимонно-желтого до оранжевого. Получаемые при этом краски устойчивы к слабым щелочам и кислотам, а к сероводороду совершенно не чувствительны. Краски на основе CdS использовались во многих областях - живописи, печати, росписи фарфора, ими покрывали пассажирские вагоны, защищая их от паровозного дыма. Красители, содержащие сульфид кадмия, использовали в текстильном и мыловаренном производствах. Однако в настоящее время довольно дорогой сульфид кадмия часто заменяют более дешевыми красителями - кадмопоном (смесь сульфида кадмия и сульфата бария) и цинко-кадмиевым литопоном (состав, как и у кадмопона, плюс сульфид цинка). Другое соединение сорок восьмого элемента - селенид кадмия CdSe - применяют как красную краску. Однако не только в производстве красящих веществ нашли свое применение соединения сорок восьмого элемента - сульфид кадмия, например, также применяется для производства плёночных солнечных батарей, коэффициент полезного действия которых составляет порядка 10-16 %. Кроме того, CdS - довольно хороший термоэлектрический материал, который используется как компонент полупроводниковых материалов и люминофоров. Иногда кадмий используют в криогенной технике, что связано с его максимальной теплопроводностью (относительно прочих металлов) вблизи абсолютного нуля.

Производство

Главные «поставщики» сорок восьмого элемента - это побочные продукты переработки цинковых, медно-цинковых и свинцово цинковых руд. Что же касается собственных минералов кадмия, то единственным, представляющим интерес в получении сорок восьмого элемента, является гринокит CdS, так называемая «кадмиевая обманка». Добывается гринокит совместно с фаеритом при разработке цинковых руд. В процессе переработки кадмий накапливается в побочных продуктах процесса, откуда его потом извлекают. При переработке полиметаллических руд, как говорилось ранее, кадмий является побочным продуктом цинкового производства. Это либо медно-кадмиевые кеки (осадки металлов, полученные вследствие очистки растворов сульфата цинка ZnSO4 действием цинковой пыли), которые содержат от 2 до 12 % Cd, либо пуссьеры (летучие фракции, образующиеся при дистилляционном получении цинка), содержащие от 0,7 до 1,1 % кадмия. Наиболее богаты сорок восьмым элементом концентраты, полученные при ректификационной очистке цинка, они могут содержать до 40 % кадмия. Из медно-кадмиевых кеков и других продуктов с высоким содержанием сорок восьмого элемента его обычно выщелачивают серной кислотой H2SO4 при одновременной аэрации воздухом. Процесс ведут в присутствии окислителя - марганцевой руды или оборотного марганцевого шлама из электролизных ванн.

Кроме того, кадмий извлекается из пыли свинцовых и медеплавильных заводов (она может содержать от 0,5 до 5% и от 0,2 до 0,5 % кадмия, соответственно). В таких случаях пыль обычно обрабатывают концентрированной серной кислотой H2SO4, а затем получившийся сульфат кадмия выщелачивают водой. Из полученного раствора сульфата кадмия действием цинковой пыли осаждают кадмиевую губку, после чего ее растворяют в серной кислоте и очищают раствор от примесей действием карбоната натрия Na2CO3 или оксида цинка ZnO, возможно также использование методов ионного обмена. Металлический кадмий выделяют электролизом на алюминиевых катодах или же восстановлением цинком (вытеснением цинком оксида кадмия CdO из растворов CdSO4) с применением центробежных реакторов-сепараторов. Рафинирование металлического кадмия обычно заключается в переплавке металла под слоем щелочи (для удаления цинка и свинца), при этом возможно использование Na2CO3; обработке расплава алюминием (для удаления никеля) и хлоридом аммония NH4Cl (для удаления таллия). Кадмий более высокой чистоты получают электролитическим рафинированием с промежуточной очисткой электролита, которая проводится с применением ионного обмена или экстракцией; ректификацией металла (обычно при пониженном давлении), зонной плавкой или другими кристаллизационными методами. Сочетая выше приведенные способы очистки, возможно получение металлического кадмия с содержанием основных примесей (цинк, медь и прочие) всего 10-5 % по массе. Кроме того, для очистки сорок восьмого элемента могут быть использованы методы электропереноса в жидком кадмии, электрорафинирования в расплаве гидроксида натрия NaOH, амальгамного электролиза. При сочетании зонной плавки с электропереносом наряду с очисткой может происходить и разделение изотопов кадмия.

Мировой объем производства кадмия в значительной степени связан с масштабами производства цинка и за последние десятилетия значительно возрос - по данным 2006 года в мире производилось порядка 21 тысячи тонн кадмия, в то время как в 1980 году эта цифра составляла всего 15 тысяч тонн. Рост потребления сорок восьмого элемента продолжается и сейчас. Основными производителями данного металла считаются страны Азии: Китай, Япония, Корея, Казахстан. На их долю приходится 12 тысяч тонн от общего производства. Крупными производителями кадмия также можно считать Россию, Канаду и Мексику. Смещение массового производства кадмия в сторону Азии связано с тем, что в Европе произошло сокращение использования сорок восьмого элемента, а в Азиатском регионе наоборот - растет спрос на никель-кадмиевые элементы, что заставляет многих переводить производство в страны Азии.

Физические свойства

Кадмий - серебристо-белый металл, отливающий синевой на свежем срезе, однако тускнеющий на воздухе из-за образования защитной окисной пленки. Кадмий довольно мягкий металл - он тверже олова, но мягче цинка, его вполне возможно разрезать ножом. В совокупности с мягкостью сорок восьмой элемент обладает такими важными для промышленности качествами, как ковкость и тягучесть - он отлично прокатывается в листы и протягивается в проволоку, без особых проблем поддается полировке. При нагреве выше 80 °C кадмий теряет свою упругость, причем настолько, что его легко можно истолочь в порошок. Твердость кадмия по Моосу равна двум, по Бринеллю (для отожженного образца) 200-275 МПа. Предел прочности при растяжении 64 Мн/м2 или 6,4 кгс/мм2, относительное удлинение 50 % (при температуре 20 °C), предел текучести 9,8 МПа.

Кадмий имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку с периодами: а = 0,296 нм, с = 0,563 нм, отношение с/а = 1,882, z = 2, энергия кристаллической решетки 116 мкДж/кмоль. Пространственная группа С6/mmm, атомный радиус 0,156 нм, ионный радиус Cd2+ 0,099 нм, атомный объем 13,01∙10-6 м3/моль. Пруток из чистого кадмия при изгибании издает слабый треск подобно олову («оловянный крик») - это трутся друг о друга микрокристаллы металла, однако любые примеси в металле уничтожают этот эффект. Вообще по своим физическим, химическим и фармакологическим свойствам кадмий принадлежит к группе тяжелых металлов, имея более всего сходства с цинком и ртутью.

Температура плавления сорок восьмого элемента (321,1 °С) довольно низка и может быть сравнима с температурами плавления свинца (327,4 °С) или таллия (303,6 °С). Однако она отличается от температур плавления схожих по ряду свойств металлов - ниже, чем у цинка (419,5 °С), но выше, чем у олова (231,9 °С). Температура кипения кадмия тоже невысока - всего 770 °С, что довольно интересно - у свинца, как и у большинства других металлов разница между температурами плавления и кипения большая. Так у свинца температура кипения (1 745 °С) больше температуры плавления в 5 раз, а у олова, температура кипения которого 2 620 °С, в 11 раз больше температуры плавления! В тоже время, сходный с кадмием цинк имеет при температуре плавления в 419,5° С температуру кипения всего 960 °С. Коэффициент термического расширения для кадмия равен 29,8 10-6 (при температуре 25 °C). Ниже 0,519 К кадмий становится сверхпроводником. Теплопроводность сорок восьмого элемента при 0 °C составляет 97,55 вт/(м К) или 0,233 кал/(см сек °С). Удельная теплоемкость кадмия (при температуре 25 °C) равна 225,02 дж/(кг К) или 0,055 кал/(г °С). Температурный коэффициент электросопротивления сорок восьмого элемента в температурном интервале от 0 °С до 100 °С равен 4,3 10-3, удельное электросопротивление сорок восьмого элемента (при температуре 20 °C) составляет 7,4 10-8 ом м (7,4 10-6 ом см). Кадмий диамагнитен, его магнитная восприимчивость -0,176,10-9 (при температуре 20 °С). Стандартный электродный потенциал -0,403 В. Электроотрицательность кадмия 1,7. Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 2450- 2900-10 ~ 28 м2. Работа выхода электронов = 4,1 эВ.

Плотность (при комнатной температуре) сорок восьмого элемента 8,65 г/см3, что позволяет отнести кадмий к тяжелым металлам. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. И хотя кадмий легче свинца (плотность 11,34 г/см3) или ртути (13,546 г/см3), но тяжелее олова (7,31 г/см3).

Химические свойства

В химических соединениях кадмий всегда проявляет валентность 2 (конфигурация внешнего электронного слоя 5s2) - дело в том, что у атомов элементов побочной подгруппы второй группы (цинк, кадмий, ртуть), как и у атомов элементов подгруппы меди, d-подуровень второго снаружи электронного слоя целиком заполнен. Однако у элементов подгруппы цинка этот подуровень уже вполне стабилен и удаление из него электронов требует очень большой затраты энергии. Другой характерной особенностью элементов подгруппы цинка, сближающей их с элементами подгруппы меди, является их склонность к комплексообразованию.

Как уже говорилось сорок восьмой элемент расположен в одной группе периодической системы с цинком и ртутью, занимая промежуточное место между ними, по этой причине ряд химических свойств всех этих элементов сходен. Например, оксиды и сульфиды данных металлов практически нерастворимы в воде.

В сухом воздухе кадмий устойчив, но во влажном на поверхности металла медленно образуется тонкая пленка оксида CdO, предохраняющая металл от дальнейшего окисления. При сильном накаливании кадмий сгорает, также превращаясь в оксид кадмия - кристаллический порошок от светло-коричневого до темно-бурого цвета (различие в цветовой гамме частично обусловлено размером частиц, но в большей степени является результатом дефектов кристаллической решетки), плотность CdO 8,15 г/см3; выше 900 °С оксид кадмия летуч, а при 1 570 °С полностью возгоняется. Пары кадмия реагируют с парами воды с выделением водорода.

Кислоты взаимодействуют с кадмием с образованием солей этого металла. Азотная кислота HNO3 легко растворяет сорок восьмой элемент, при этом выделяется оксид азота и образуется нитрат, который дает гидрат Cd(NO3)2 4H2O. Из других кислот - соляной и разбавленной серной - кадмий медленно вытесняет водород, объясняется это тем, что в ряду напряжений сорок восьмой элемент стоит дальше цинка, но впереди водорода. С растворами щелочей, в отличие от цинка, кадмий не взаимодействует. Кадмий восстанавливает нитрат аммония NH4NO3 в концентрированных растворах до нитрита аммония NH4NO2. Выше температуры плавления кадмий непосредственно соединяется с галогенами, образуя бесцветные соединения - кадмия галогениды. CdCl2, CdBr2 и CdI2 очень легко растворяются в воде (53,2 % по массе при 20 °С), гораздо труднее растворим фторид кадмия CdF2 (4,06 % по массе при 20 °С), который совершенно не растворим в этаноле. Его можно получить действием фтора на металл или фтороводорода на карбонат кадмия. Хлорид кадмия получают при взаимодействии кадмия с концентрированной соляной кислотой или хлорированием металла при 500 °С. Бромид кадмия получают бромированием металла или действием бромоводорода на карбонат кадмия. При нагревании кадмий взаимодействует с серой, образуя сульфид CdS (от лимонно-желтого до оранжево-красного цвета), нерастворимый в воде и разбавленных кислотах. При сплавлении кадмия с фосфором и мышьяком образуются соответственно фосфиды и арсениды составов Cd3P2 и CdAs2, с сурьмой - кадмия антимонид. С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором кадмий не реагирует. Косвенными путями получены легко разлагающиеся при нагревании гидрид CdH2 и нитрид Cd3N2.

Растворы солей кадмия имеют кислую реакцию вследствие гидролиза, едкие щелочи осаждают из них белый гидрооксид Cd(OH)2. При действии очень концентрированных растворов щелочей он превращается в гидроксокадматы, такие, как Na2. Гидроксид кадмия реагирует с аммиаком с образованием растворимых комплексов:

Cd(OH)2 + 6NH3 H2O → (OH)2 + 6H2O

Кроме того, Cd(OH)2 переходит в раствор под действием цианидов щелочных элементов. Выше 170 °С он разлагается до CdO. Взаимодействие гидроксида кадмия с пероксидом водорода в водном растворе приводит к образованию пероксидов разнообразного состава.