Кадмий: описание и свойства металла, 2 способа получения, сферы применения и месторождения

Что представляет собой

Кадмий — элемент таблицы Менделеева 48:

• Мягкое и податливое вещество серебристо-серого цвета с голубоватыми оттенками.
• Относится к тяжелым металлам.
• Структура кристаллической решетки гексагональная.
• Он состоит из восьми изотопов, два из которых слабо радиоактивны, остальные стабильны.

Международное научное название и формула — Кадмий (Cd).

История открытия

Немецкие фармацевты и химики Фридрих Стромейер вошли в историю науки как «отцы» элемента.

В 1817 году фармацевты, исследуя оксид цинка, обнаружили в его составе свойства, присущие мышьяку. По их просьбе Стромейер провел цикл реакций. Конечным продуктом был не мышьяк, а новый серебристый металл.

Он был назван кадмием в честь местной цинковой руды.

Кадм — персонаж древнегреческой мифологии, легендарный основатель и царь Фив.

Применение

Большинство кадмиевых покрытий используются для защиты:

• продукты, используемые в морской воде;
• части машин, работающих в условиях повышенной влажности;
• защитить электрические контакты от коррозии.

Важно: использование кадмиевых покрытий в бытовых товарах запрещено из-за высокой токсичности металла.

Большая часть производимого кадмия используется в легкоплавких, антифрикционных сплавах, в сплавах с драгоценными металлами.

Пятая часть добываемого металла используется в батареях и аккумуляторах.

В атомной промышленности кадмий используется для производства регулирующих стержней. Он является частью защиты от нейтронного излучения.

Растет производство солнечных элементов с CdTe.

Часть металла используется для производства красящих пигментов.

Сплавы с золотом используются в производстве ювелирных изделий. В зависимости от процентного содержания компонентов они имеют цвет от ярко-желтого до зеленоватого.

Радиоактивные изотопы используются при лечении рака.

Важно: токсичный кадмий содержится в игрушечных оловянных солдатиках, используемых детьми.

Химические свойства кадмия:

300	Химические свойства
301	Состояния окисления	-2, +1, +2
302	Валентность	I, II
303	Электроотрицательность	1,69 (шкала Полинга)
304	Энергия ионизации (первый электрон)	867,77 кДж / моль (8,993820 (16) эВ)
305	Электродный потенциал	Cd2 + + 2e— → Cd, Eo = -0,403 В
306	Энергия сродства атома к электрону	0 кДж / моль

Как производят

Производство связано с производством цинка. Кадмий является побочным продуктом извлечения цинка из минералов. Это метод амальгамы.

Гидроэлектрометаллургический метод состоит из следующих этапов:

• выщелачивание минерала;
• очистить раствор от примесей;
• цементация или осаждение электролитических металлов;
• растворяя полученную губку.

Также при необходимости металл очищается, доводится до особой чистоты.

Нахождение в природе

Отложения кадмия на планете не обнаружены: редкий элемент рассредоточен в толще земной коры, в воде и в воздухе.

В одной тонне земной коры содержится 130 мг кадмия, в одном литре морской воды — 0,00011 мг.

Вторая форма нахождения металла в природе — это шесть собственных минералов.

Чаще кадмий сопровождает другие минералы (пятьдесят). Затем его добывают — попутно с другими полезными ископаемыми. Особенно богаты месторождения цинка (кадмий здесь всегда), свинца и меди.

Свойства атома кадмия :

200	Свойства атома
201	Атомная масса (молярная масса)	112,411 (8) а.е.м. (г / моль)
202	Электронная конфигурация	1с2 2с2 2п6 3с2 3п6 3d10 4с2 4п6 4д10 5с2
203	Электронная оболочка	K2 L8 M18 N18 O2 P0 Q0 R0
204	Радиус атома (рассчитанный)	161 вечера
205	Эмпирический радиус атома*	155 вечера
206	Ковалентный радиус*	144 вечера
207	Ионный радиус (кристаллический)	Cd2+ 92 (4) вечера, 109 (18) вечера, 124 (20) вечера, 145 (12) вечера (в скобках указано координационное число — характеристика, определяющая количество ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле)
208	Радиус Ван-дер-Ваальса	185 вечера
209	Электроны, протоны, нейтроны	48 электронов, 48 протонов, 64 нейтрона
210	Семья (блок)	член семьи d
211	Период в периодической таблице	5
212	Группа по периодической таблице	12 группа (по старой классификации — второстепенная подгруппа 2 группы)
213	Спектр излучения

Сплавы

Сплавы кадмия делятся на:

• антиблокатор;
• предохранитель;
• сварные швы;
• сплавы с драгоценными металлами.

В составе сварных швов 1 часть кадмия заменяет 5 частей олова.

Медно-кадмиевые сплавы почти полностью сохраняют электропроводность меди и обладают большей устойчивостью к истиранию и разрыву.

Информация: кадмийсодержащий припой можно паять в горячей воде.

Плюсы и минусы

Преимущества кадмиевых продуктов	Недостатки
Хорошо работает в среде, содержащей хлор (например, в морской воде)	он бесполезен для продуктов из кадмия, которые работают в присутствии серы и ее соединений
Высокая пластичность	Сварка разрушает кадмиевые покрытия
Совместим с оксидированным алюминием и цинком	Кадмий и его соединения опасны для здоровья

Изображения по теме

• 

Технология получения

1. Кадмий добывают из цинковых руд. Металл извлекается из побочных продуктов. Здесь он накапливается при переработке руды.
2. Второй способ получения — из порошка меди и свинца. Порошок обрабатывают серной кислотой, затем сульфид кадмия выщелачивают водой. Чистый металл получают электролизом или восстановлением цинком.

Физиологическое действие

Острая токсичность

Пары кадмия, все его соединения токсичны, что связано, в частности, с его способностью связывать ферменты и серосодержащие аминокислоты.

Симптомы острого отравления солями кадмия — рвота и судороги.

Хроническая токсичность

Кадмий — это накопительный яд (он может накапливаться в организме).

Санитарно-экологические нормативы

В питьевой воде ПДК по кадмию составляет 0,001 мг / дм3 (СанПиН 2.1.4.1074-01).

Механизм токсического действия

Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь влияют на центральную нервную систему, печень и почки и нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Хроническое отравление приводит к анемии и разрушению костей.

Кадмий обычно присутствует в организме здорового человека в небольших количествах. Кадмий легко накапливается в клетках, которые быстро размножаются (например, в раковых или репродуктивных клетках). Он связывается с цитоплазматическим и ядерным материалом клеток и повреждает их. Он изменяет активность многих гормонов и ферментов. Это связано с его способностью связывать сульфгидрильные группы (-SH.

Физико-химические характеристики

Кадмий как металл имеет характерные характеристики: его можно без проблем ковать, растягивать, полировать.

По твердости он находится между оловом и цинком. Режем ножом.

Свойства атомаИмя, символ, номерАтомная масса(молярная масса)Электронная конфигурацияРадиус атомаХимические свойстваКовалентный радиусИонный радиусЭлектроотрицательностьЭлектродный потенциалСостояния окисления<td>-2; +1; +2Ионизированная энергия(первый электрон)Термодинамические свойства простого веществаПлотность (до нет.)Температура плавленияТемпература кипенияУд тепло плавленияУд теплота испаренияМолярная теплоемкостьМолярный объемКристаллическая решетка простого веществаРетикулярная структураПараметры решеткиC / a отчетТемпература ДебаяДругие характеристикиТеплопроводностьКоличество CAS

Кадмий (Cd), 48

112,411 (8) в см (г / моль)

Kr 4d10 5s2

154 вечера

148 вечера

(+ 2e) 97 вечера

1,69 (шкала Полинга)

-0,403

867,2 (8,99) кДж / моль (эВ)

8,65 г / см³

594,1 К (321 ° С)

1038 К (764,85 ° С)

6,11 кДж / моль

59,1 кДж / моль

26,0 Дж / (кмоль)

13,1 см³ / моль

шестиугольник

а = 2,979 с = 5,618

1,886

209 К

(300 К) 96,9 Вт / (м · К)

7440-43-9

При нагревании выше 80 ° C легко превращается в порошок.

При складывании палки из чистого кадмия слышен треск. По этому признаку его легко отличить от других металлов (кроме олова).

Химические свойства тоже стандартные:

• В сухом микроклимате горение, взаимодействие с галогенами, серой возможно только при высоких температурах.
• Во влажной атмосфере он накрывается пленкой.
• Не взаимодействует с растворенными щелочами.

По физико-химическим свойствам он похож на цинк и ртуть. Главный недостаток кадмия — токсичность.

Дополнительные сведения:

900	Дополнительная информация
901	Количество CAS	7440-43-9

Распространение в природе

Кадмий — один из редких микроэлементов, его кларк (процентное содержание по массе) в земной коре составляет 1,3 * 10 -5%. Кадмий характеризуется миграцией в горячие подземные воды вместе с цинком и другими халькофильными элементами (т.е химическими элементами, склонными к образованию природных сульфидов, селенидов, телерадиума, сульфосалов, которые иногда встречаются в их естественном состоянии) и концентрацией в гидротермальных отложениях. Вулканические породы содержат до 0,2 мг кадмия на кг, среди осадочных пород наиболее богатые кадмиевыми глинами — до 0,3 мг / кг, известняки содержат 0,035 мг / кг, песчаники — 0,03 мг / кг. Среднее содержание кадмия в почве 0,06 мг / кг.

Хотя известны независимые минералы кадмия — гринокит (CdS), отавит (CdCO 3), монтепонит (CdO) и селенид (CdSe), они не образуют своих отложений, а присутствуют в виде примесей в цинке, свинце, меди и полиметаллических минералах и являются основным источником промышленного производства кадмия.

В некоторой степени кадмий также присутствует в воздухе. Содержание кадмия в воздухе составляет 0,1-5 нг / м3 в сельской местности (1 нг или 10-9 г), 2-15 нг / м3 — в городах и от 15 до 150 нг / м3 — в промышленных зонах. Это связано с тем, что многие виды углей содержат кадмий в виде примесей и при сжигании на тепловых электростанциях попадает в атмосферу. При этом большинство из них селится на земле. Кроме того, использование минеральных удобрений способствует увеличению содержания кадмия в почве, так как все они содержат незначительные примеси кадмия.

Кадмий может накапливаться в растениях (особенно в грибах) и живых организмах (особенно в водных), а позже по пищевой цепочке он может «поставляться» людям. В сигаретном дыме много кадмия.

Добыча и промышленное получение

Процесс промышленного производства кадмия из расходного сырья включает несколько этапов:

1. Выщелачивание потребительского сырья.
2. Очистка готового раствора от примесей, посторонних компонентов.
3. Цементация кадмия на цинке или его электрическое осаждение.
4. Распустите выбранную губку.
5. Утонченность.

После выполнения всех этапов на выходе получается металл чистотой 99,95%.

Где используется

Токсичность ограничивает, но не сводит на нет достоинства металла. Используется во всех сегментах, кроме пищевой.

Промышленность

Здесь металл использовался как самостоятельная единица и составная часть сплавов:

• Антикоррозийные покрытия. Кадмиевое покрытие обеспечивает самую прочную и прочную связь с основанием. Применяется в экстремальных условиях: морская вода, тропики, щелочная среда.
• Производство батарей, аккумуляторов для ракет.
• Добавка для сплавов для сплавов. Сплавы с кадмием пластичны и износостойкие. Из них делают провода для линий электропередач, сварочные, подшипники для заливки морских и воздушных судов. Сплавы используются при пайке стекла и металлов, в огнетушителях.
• Полупроводниковый компонент, пленки солнечных элементов.

Соли металлов становятся пигментами (желтыми). Но это не всегда приветствуется.

Coca-Cola изъяла с рынка США более 20 000 стаканов с ее логотипом. Причина — наличие в краске кадмия.

Важнейшая область применения — атомный комплекс:

1. Кадмиевые стержни регулируют работу реактора.
2. Он состоит из экранов, отсекающих нейтронное излучение.

В лабораториях в качестве реагента используют металл.

Другие отрасли

Хорошая теплопроводность при экстремально низких температурах сделала металл незаменимым в криотехнологиях.

Ювелиры добавляют в золото кадмий для создания зеленоватых оттенков.

Полезное свойство вещества накапливаться в раковых клетках используется в противоопухолевой терапии.

Ежегодное мировое производство металла оценивается в 20 тысяч тонн.

Цена одной тонны кадмия на мировых рынках составляет 2,8-2,9 тысячи долларов.

Ограничения

Согласно Техническому регламенту Евразийского экономического союза и Директиве Европейского союза, продукция в сегменте электротехники и радиоэлектроники не должна содержать более 0,01% массовой доли кадмия.

Биологическое воздействие

В биологических организмах есть микродозы кадмия: вещество способствует обмену веществ.

Токсичность

Однако металл и его растворимые соединения токсичны:

• Наиболее ядовиты пары, пыльный и дымный воздух.
• Вещество накапливается организмом человека, растениями, грибами.
• Тяжелый металл, его соединения провоцируют онкологию, угнетают работу гормональной, кровеносной и центральной нервной систем. Кости разрушаются.

По действию на организм напоминает ртуть, цинк, но по токсичности в два-три раза выше, чем у цинка.

Кадмий классифицируется как вещество 2-го класса опасности. 7,50 г металла на кубический метр воздуха уничтожаются за двадцать секунд.

Нормы

Наличие металла в воде, продуктах питания регламентируется санитарными нормами РФ (мкг / кг):

• говядина, свинина — 16;
• хлеб — 30;
• рис — 60;
• рыба — 200;
• какао — 500;
• субпродукты — 1000.

Один литр питьевой воды не может содержать более 0,001 мг кадмия.

Где находят

В природе месторождений кадмия нет, это разрозненный металл. Кадмиевые руды существуют, но промышленного значения они не имеют.

Известно 6 минералов кадмия:

• гринлок;
• отавить;
• ксантроит;
• хаулеит;
• монтемпонит;
• кадмозелит.

Металл почти всегда присутствует в рудах меди, цинка и свинца.

Физические свойства

Кадмий — мягкий, нитевидный, гибкий, серебристо-белый двухвалентный металл, который легко режется. Во многом он похож на цинк, но способен образовывать сложные соединения.

Общие сведения:

100	Общая информация
101	Имя	Кадмий
102	Прежнее название
103	Латинское название	Кадмий
104	Английское имя	Кадмий
105	Условное обозначение	CD
106	Атомный номер (номер в таблице)	48
107	Вид	Металл
108	Группа	Переходный, хэви-метал
109	Открытым	Фридрих Штромейер, Германия, 1817 г
110	Год открытия	1817 гр.
111	Внешний вид и др.	Мягкий, податливый, пластичный серебристо-белый металл. Ядовитый
112	Источник	Натуральный материал
113	Изменения
114	Температурные и другие условия перехода аллотропных модификаций друг в друга
115	Аллотропные модификации
116	Конденсат Бозе-Эйнштейна
117	2D материалы
118	Содержание в атмосфере и воздухе (по весу)	0 %
119	Содержится в земной коре (по массе)	0,000015 %
120	Содержится в морях и океанах (по массе)	5,0 10-9 %
121	Содержится во вселенной и пространстве (по массе)	2,0 10-7 %
122	Содержание в Солнце (по массе)	6,0 10-7 %
123	Содержание метеорита (по массе)	0,000015 %
124	Содержание в организме человека (по весу)	0,00007 %

Кристаллическая решётка кадмия:

500	Кристаллическая решетка
511	Кристаллическая решетка # 1
512	Ретикулярная структура	Компактный шестиугольник
513	Параметры решетки	а = 2 979, с = 5 618
514	C / a отчет	1,886
515	Температура Дебая	209 К
516	Название группы пространств симметрии	P63 / mmc
517	Номер пространственной группы симметрии	194

Изотопы

Из восьми природных изотопов кадмия шесть стабильны; слабая радиоактивность обнаружена для двух изотопов. Это 113Cd (содержание изотопов 12,22%, бета-распад с периодом полураспада 7,7 × 1015 лет) и 116Cd (содержание изотопов 7,49%, двойной бета-распад с периодом полураспада 3,0 × 1019 лет).

Запасы и месторождения

Кадмий — редкий микроэлемент. Из него образуется ограниченное количество соединений. Основным минералом, который содержит значительное количество этого элемента, является гринокит. Из него не образуются природные скопления. Чаще всего этот минерал встречается в виде земной корки, покрытой цинковыми рудами.

В больших количествах добывается в районах месторождений серы. Самые крупные встречаются в Средней Азии, Казахстане, Южном Урале.

Редкие минералы, которые могут содержать кадмий, — кадмозелит, отавит, монтепонит.

Опасность здоровью

Кадмий — один из немногих элементов, не выполняющих в организме человека конструктивных функций. Этот элемент и его соединения чрезвычайно токсичны даже в небольших концентрациях. Он имеет тенденцию накапливаться в организмах и экосистемах.

Вдыхание кадмиевой пыли быстро приводит к заболеваниям дыхательных путей и почек, часто со смертельным исходом (чаще всего почечной недостаточности). Поглощение любого значительного количества кадмия вызывает немедленное повреждение печени и почек. Соединения, содержащие кадмий, также являются канцерогенными. Данные о канцерогенности кадмия ограничены. В экспериментах на животных не наблюдалось увеличения количества опухолей от использования кадмия. Эта тенденция наблюдалась только при вдыхании частиц пыли, содержащих неорганические соединения кадмия.

Отравление кадмием является причиной заболевания, которое было впервые описано в Японии в 1950-х годах и называлось «Итаи-итай» (что буквально означает «болезненный, болезненный»).