Кадмий

Кадмий
← Серебро | Индий →
48 Zn ↑ Cd ↓ Hg 48Cd
Внешний вид простого вещества
Мягкий ковкий серебристо-серый металл
Свойства атома
Название, символ, номер	Ка́дмий / Cadmium (Cd), 48
Атомная масса (молярная масса)	112,411(8) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Kr] 4d10 5s2
Радиус атома	154 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	148 пм
Радиус иона	(+2e) 97 пм
Электроотрицательность	1,69 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−0,403
Степени окисления	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
Температура кипения	1038 K
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	1,886
Температура Дебая	209 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 96,9 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-43-9

Ка́дмий — элемент двенадцатой группы (в устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 48. Обозначается символом Cd (лат. Cadmium). Простое вещество кадмий при нормальных условиях — мягкий ковкий тягучий переходный металл серебристо-белого цвета. Устойчив в сухом воздухе, во влажном на его поверхности образуется плёнка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла. Кадмий и 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.

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)

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 производится около 20000 тонн кадмия в год.

Физические свойства

Кадмий — серебристо-белый мягкий металл с гексагональной 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 ${\displaystyle {\ce {CdO}}}$. Сульфиды и оксиды этих элементов практически нерастворимы в воде. С углеродом кадмий не взаимодействует и карбидов не образует. Вступает в реакции с кислотами-неокислителями выделяя водород: ${\displaystyle {\ce {Cd+H2SO4(20\%)->CdSO4+H2}}}$

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.

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 кадмирование хлористо-аммонийное наносят на высокопрочные стали.

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.

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). 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), по которому содержание кадмия в изделиях электротехники и радиоэлектроники не должно превышать 0,01 % по весу однородного материала (Приложение N 2). В Европе действует аналогичная норма (Директива 2002/95/EC).

Физиологическое действие

Кадмий и все его соединения ядовиты. Особенно опасным случаем является вдыхание паров его оксида (CdO). Вдыхание в течение 1 минуты воздуха с содержанием 2,5 г/м³ оксида кадмия, или 30 секунд при концентрации 5 г/м³ является смертельным. Кадмий является канцерогеном.

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.

Острая токсичность

Пары кадмия, все 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 (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. 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 присутствуют 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).

• Кадмий на Webelements
• Кадмий в Популярной библиотеке химических элементов.