Кадмій: факти і фактики. Будова атома кадмію Застосування кадмію в промисловості

Кадмій - нерозповсюджений токсичний і невідомий
широкому колу сріблястий небезпечний метал
Токсичні та отруйні камені і мінерали

кадмій (Латинське Cadmium, позначається символом Cd) - елемент з атомним номером 48 і атомною масою 112,411. Є елементом побічної підгрупи другої групи, п'ятого періоду періодичної системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва. При нормальних умовах проста речовина кадмій - важкий (щільність 8,65 г / см3 - легше урану) м'який ковкий тягучий перехідний метал сріблясто-білого кольору (не жерло плоть, як "Керберскій камінь" Житомирської обл. України - не оксид урану настуран, коричневий небезпечний камінь). На світлині - сульфід кадмію, гринокіт (Землисті скоринки жовтого кольору).

Природний кадмій складається з восьми ізотопів, шість з яких стабільні: 106Cd (ізотопна поширеність 1,22%), 108Cd (0,88%), 110Cd (12,39%), 111Cd (12,75%), 112Cd (24, 07%), 114Cd (28,85%). Для двох інших природних ізотопів виявлена \u200b\u200bрадіоактивність: 113Cd (ізотопна поширеність 12,22%, β-розпад з періодом напіврозпаду 7,7 ∙ 1015 років) і 116Cd (ізотопна поширеність 7,49%, подвійний β-розпад з періодом напіврозпаду 3,0 ∙ 1019 років).

Кадмій періодичної системи був частково описаний німецьким професором Фрідріхом Штромейер в 1817 році (відрізнив від цинку). Провізори Магдебурга при вивченні препаратів, що містять оксид цинку ZnO, запідозрили в них присутність миш'яку (каталізатора оксіленія з сульфіду). Так як окис цинку входить до складу багатьох мазей, присипок і емульсій, застосовуваних при різних шкірних хворобах, перевіряючі категорично заборонили продаж підозрілих ліків.

Природно, що виробник лікарських препаратів, відстоюючи особисті інтереси, зажадав експертизи. У ролі експерта виступив Штромейер. Він виділив з ZnO коричнево-бурий оксид, відновив його воднем і отримав сріблясто-білий метал, який був їм названий "кадмієм" (від грец. Kadmeia - оксид цинку, також цинкова руда). Незалежно від професора Штромейер кадмій був виявлений в сілезьких цинкових рудах (супутник) групою вчених - К. Германом, К. Карстеном і В. Мейснером в 1818 році.

Кадмій поглинає повільні нейтрони, з цієї причини кадмієві стрижні застосовують в ядерних реакторах для регулювання швидкості ланцюгової реакції (ЧАЕС). Кадмій використовується в лужних акумуляторах, входить як компонент до деяких сплави. Так, наприклад, сплави міді, що містять близько 1% Cd (кадмієві бронзи), служать для виготовлення телеграфних, телефонних, тролейбусних і трамвайних проводів, кабелів метрополітену, так як ці сплави мають більшу міцність і зносостійкість, ніж мідь.

Гринокіт (жовті примазки) на кальциті. Юнь-Нань, Китай. 7х5 см. Фото: А.А. Євсєєв.

Ряд легкоплавких сплавів, наприклад, що застосовуються в вогнегасниках, містять кадмій. Крім того, кадмій входить до складу некондиційних ювелірних сплавів (пайка після випарювання амальгамной складової з лопнули від температури амальгамних сплавів, заборонених у відкритому продажі - амальгами золота, срібла і платини з отруйною ртуттю).

Цей метал застосовується для кадмирования сталевих виробів, адже він несе на своїй поверхні оксидну плівку, що володіє захисною дією. Справа в тому, що в морській воді і в ряді інших середовищ кадміювання більш ефективно, ніж цинкування. Кадмій має довгу історію використання в гомеопатичної (базове лікування травами і мікродозами - т.зв. "Біологічно активні добавки в їжі" - БАДи і комбікорми для тварин) медицині. Широке застосування знайшли і сполуки кадмію - сульфід кадмію застосовується для виготовлення жовтої фарби і кольорового скла, а фтороборат кадмію - флюс, вживаний для пайки алюмінію та інших металів.

Кадмій виявлений в організмі хребетних тварин (кістки, зв'язки, сухожелія і м'язи), встановлено, що він впливає на вуглецевий обмін, активність ряду ферментів і синтез гиппуровой кислоти в печінці. Однак з'єднання кадмію отруйні, а сам метал є канцерогеном. Особливо небезпечно вдихання парів оксиду кадмію CdO, нерідкі випадки зі смертельними наслідками. Шкідливо і проникнення кадмію в шлунково-кишковий тракт, але випадків смертельного отруєння не зафіксовано, найімовірніше це пов'язано з тим, що організм прагне позбутися від токсину (блювота).

біологічні властивості

Виявляється, кадмій присутній практично у всіх живих організмах - в наземних вміст кадмію приблизно дорівнює 0,5 мг на 1 кг маси, в морських організмах (губки, кишковопорожнинні, голкошкірі, черв'яки Тихого океану) - від 0,15 до 3 мг / кг, вміст кадмію в рослинах становить близько 10-4% (на суху речовину). Незважаючи на присутність кадмію в більшості живих організмів, його специфічне фізіологічне значення повністю не встановлено (гормон росту). Вченим вдалося з'ясувати, що цей елемент впливає на вуглеводний обмін, на синтез в печінці гиппуровой кислоти, на активність ряду ферментів, а також на обмін в організмі цинку, міді, заліза і кальцію (улюблений камінь спортсменів-культуристів, наращівающах м'язову масу тіла та укріплюючи свої кістки в спорті - в мікродозах).

Гринокіт (жовтий). Кучерявий вулка., О. Ітуруп, Курили, Росія. Фото: А.А. Євсєєв.
Може бути виданий на тальк, сірку та інші схожі на гріноктіт мінерали

Існує припущення, обгрунтоване дослідженнями, що мікроскопічні кількості кадмію в їжі можуть стимулювати ріст тіла у ссавців. З цієї причини учені давно зараховують кадмій до умовно-есенціальним мікроелементам, тобто життєво-важливим, але токсичним в певних дозах. В організмі здорової людини міститься невелика кількість кадмію. Оспіваний в древмегреческом і давньоримському епосі - Кадмея (місце торгівлі отрутою на південному сході Європи ( "Щит на вратах Цареграда", Стамбул), в Греції (портики і амфітеатри) і на Середземному морі біля Туреччини - наркотик). на сленгу старателів і розробників каменю кадмій називають " зміїна отрута" (жаргон).

Кадмій відносять до найбільш токсичним важким металам - в Росії (метрологія) він віднесений до 2-го класу небезпеки - високонебезпечні речовини - куди входять сурма, стронцій, фенол та інші отруйні речовини (еквівалент ДОПНВ небезпечні вантажі N 6 - отрута, Череп і кістки в ромбі). У бюлетені РФ з екологічної безпеки та технологій перевезень отрут "Проблеми хімічної безпеки" від 29 квітня 1999 року кадмій фігурує як "найбільш небезпечний екотоксикантами на рубежі тисячоліть"!

Здебільшого кадмій в організмі знаходиться в зв'язаному стані - в комплексі з білком-металлотіонеіном - це своєрідний захисний механізм, реакція організму на присутність важкого металу. У такому вигляді кадмій менш токсичний, однак, навіть у зв'язаному вигляді він не стає нешкідливим - накопичуючись роками цей метал здатний привести до порушення роботи нирок і підвищеної ймовірності утворення ниркових каменів. Набагато небезпечніше кадмій, що знаходиться в іонній формі, адже він хімічно дуже близький до цинку і здатний заміщати його в біохімічних реакціях, виступаючи в якості псевдоактіватора або, навпаки, інгібітору містять цинк білків і ферментів.

Кадмій зв'язується з цитоплазматическим і ядерним матеріалом клітин живого організму і ушкоджує їх, змінює активність багатьох гормонів і ферментів, що пояснюється його здатністю зв'язувати сульфгідрильні (-SH) групи. Крім того, кадмій, в зв'язку з близькістю іонних радіусів кальцію і кадмію, здатний заміщати кальцій в кістковій тканині. Така ж ситуація з залізом, яке кадмій також здатний заміщати. З цієї причини недолік кальцію, цинку і заліза в організмі здатний привести до підвищення засвоюваності кадмію з шлунково-кишкового тракту до 15-20%. Вважається, що нешкідливою добовою дозою кадмію для дорослої людини є 1 мкг кадмію на 1 кг власної ваги, великі кількості кадмію надзвичайно небезпечні для здоров'я.

Характерними ознаками хронічного отруєння кадмієм є, як говорилося раніше, ураження нирок, болі в м'язах, руйнування кісткової тканини, анемія. Гостре харчове отруєння кадмієм настає при надходженні великих разових доз з їжею (15-30 мг) або з водою (13-15 мг). При цьому спостерігаються ознаки гострого гастроентериту - блювота, болі і судоми в епігастральній ділянці, однак випадки смертельного отруєння сполуками кадмію, які потрапили в організм з їжею, науці невідомі, але за оцінками ВООЗ летальна разова доза може становити 350-3500 мг.

Набагато небезпечніше отруєння кадмієм при вдиханні його парів (CdO) або кадмійсодержащей пилу (як правило, це відбувається на пов'язаних з використанням кадмію виробництвах) - схоже на рідку ртуть і червону кіновар (за токсичністю). Симптомами подібного отруєння є набряк легенів, головний біль, нудота або блювота, озноб, слабкість і діарея (пронос). В результаті таких отруєнь були зафіксовані смертельні випадки.

Протиотрутою при отруєнні кадмієм є селен, який сприяє зниженню засвоюваності кадмію (працюють на копіювальних апаратах і принтерах в сучасних дата-центрах і заправлке картриджів для оргтехніки). Однак все одно потрібно збалансований прийом селену, пов'язано це з тим, що велика кількість його в організмі призводить до зниження вмісту сірки (формує сульфід сірки - пов'язує її), а це обов'язково призведе до того, що кадмій знову стане засвоюватися організмом.

Цікаві факти

Встановлено, що одна сигарета містить від 1 до 2 мкг кадмію. Виходить, що людина, що викурює за день пачку сигарет (20 шт.), Отримує близько 20 мкг кадмію! Небезпека полягає і в тому, що засвоюваність кадмію через легені максимальна - від 10 до 20%, таким чином, в організмі курця засвоюється від 2 до 4 мкг кадмію з кожної пачкою сигарет! Канцерогенну дію нікотину, що міститься в тютюновому димі, як правило, пов'язано з присутністю кадмію, причому він не затримується навіть вугільними фільтрами - рак легенів.

Приклад хронічного отруєння кадмієм з численними смертельними наслідками був описаний в кінці 50-х років XX століття. На території Японії були зафіксовані випадки захворювання, яке місцеві жителі прозвали "ітай-ітай" ( "Італійська хвороба"), що можна також перевести на місцевий діалект, як "ой-ой, як боляче!" (Отруєння). Симптомами хвороби були сильні поперекові болі, що, як пізніше з'ясувалося, було викликано незворотними ураженнями нирок; сильними болями в м'язах. Повсюдне поширення хвороби і важке її протікання були викликані високою забрудненістю довкілля в Японії в той час і специфікою харчування японців (рис і морепродукти накопичують велику кількість кадмію). Було встановлено, що хворі на цю недугу вживали близько 600 мкг кадмію щодоби!

Незважаючи на те, що кадмій визнаний одним з найбільш токсичних речовин, він знайшов застосування і в медицині! Так, введена в грудну клітку пацієнта, що страждає серцевою недостатністю, нікель-кадмієві батарейка забезпечують енергією механічний стимулятор роботи серця. Зручність такого акумулятора полягає в тому, що для його підзарядки або заміни хворому не доведеться лягати на операційний стіл. Для безперебійної служби батарейки досить раз в тиждень надягати всього на півтори години спеціальну намагнічені куртку.

Кадмій застосовується в гомеопатії, експериментальної медицини, а зовсім недавно його стали використовувати при створенні нових протипухлинних препаратів.

Сплав Вуда (Wood "s metal), що містить 50% вісмуту, 12,5% олова, 25% свинцю, 12,5% кадмію, можна розплавити в киплячій воді. Сплав був винайдений в 1860 році інженером Б. Вудом (B.Wood ). З цим легкоплавким сплавом пов'язано кілька цікавих фактів: по-перше, перші літери компонентів сплаву Вуда утворюють абревіатуру "ВІСК", по-друге, винахід приписують також однофамільця Б.Вуда - американському фізику Роберту Вільямсу Вуду, який народився через вісім років ( на ВАК побилися однолітки).

Не так давно кадмій періодичної системи надійшов на "озброєння" міліції і криміналістів: за допомогою найтоншого шару кадмію, напиляного на обследуемую поверхню, вдається виявити відбитки пальців людини.

Вченими було встановлено такий цікавий факт: кадмірованная жесть в атмосфері сільських місцевостей має значно більшу корозійної стійкістю, ніж в атмосфері промислових районів. Особливо швидко таке покриття виходить з ладу, якщо в повітрі підвищений вміст сірчистого або сірчаного ангідридів.

У 1968 році один із співробітників служби охорони здоров'я США (доктор Керрол) виявив прямий зв'язок між смертністю від серцево-судинних захворювань і вмістом кадмію в атмосфері. До таких висновків він дійшов, проаналізувавши дані 28 міст. У чотирьох з них - Нью-Йорку, Чикаго, Філадельфії і Індіанополіса - вміст кадмію в повітрі виявилося вище, ніж в інших містах; більш високою була тут і частка смертних випадків в результаті хвороб серця.

Крім "стандартних" заходів по обмеженню викидів кадмію в атмосферу, воду і грунт (фільтра та очищувачі на підприємствах, видалення житла і посівних полів від таких підприємств), вчені розробляють і нові - перспективні. Так вчені в бухті річки Міссісіпі висадили водні гіацинти, вважаючи, що з їх допомогою вдасться очистити воду від таких елементів, як кадмій і ртуть.

Історія

Історії відомо чимало "відкриттів", які були зроблені під час фіктивних перевірок, оглядів та ревізій. Однак подібні знахідки мають скоріше кримінальний характер, ніж науковий. І все-таки був такий випадок, коли почалася ревізія в результаті привела до відкриття нового хімічного елемента. Сталося це в Німеччині на початку XIX століття. Окружний лікар Р. Ролов перевіряв аптеки свого округу, в ході ревізії - в ряді аптек поблизу Магдебурга - він виявив окис цинку, зовнішній вигляд якої викликав підозри і наводив на думку про вміст в ній миш'яку (технологічне). На підтвердження припущень Ролов розчинив вилучений препарат в кислоті і пропустив через розчин сірководню, що призвело до випадання жовтого осаду, схожого на сульфід миш'яку. Негайно були вилучені з продажу всі підозрілі лікарські препарати - мазі, присипки, емульсії, порошки.

Подібний крок обурив власника фабрики в Шенебек, що виробляла все забраковані ролів препарати. Цей підприємець - Герман, будучи за професією хіміком, провів власну експертизу товару. Випробувавши весь відомий в той час арсенал дослідів по виявленню миш'яку, він переконався в тому, що його продукція чиста в цьому відношенні, а смути ревізора жовтий колір окису цинку надає залізо.

Повідомивши про результати своїх дослідів ролів і владі землі Ганновер, Герман зажадав незалежної експертизи і повної "реабілітації" свого товару. В результаті було вирішено з'ясувати думку професора Штромейер, який очолював кафедру хімії Геттінгенського університету, а за сумісництвом обіймав пост генерального інспектора всіх ганноверських аптек. Природно, що Штромейер на перевірку відіслали не тільки окис цинку, а й інші цинкові препарати з Шенебекской фабрики, в тому числі карбонат цинку, з якого цей окис отримували.

Прокалив карбонат цинку ZnCO3, Фрідріх Штромейер отримав оксид, але не білий, як це повинно було бути, а жовтуватий. В результаті подальших досліджень, виявилося, що препарати не містять ні миш'яку, як припускав Ролів, ні заліза, як думав Герман. Причиною незвичайної колірної забарвлення був зовсім інший метал - раніше невідомий і за властивостями дуже схожий з цинком. Відмінність була лише в тому, що гідроокис його, на відміну від Zn (OH) 2, що не була амфотерной, а мала яскраво виражені основні властивості.

Штромейер назвав новий метал кадмієм, натякаючи на сильну схожість нового елемента з цинком - грецьким словом καδμεια (kadmeia) здавна позначали цинкові руди (наприклад, смітсоніт ZnCO3) і окис цинку. У свою чергу це слово походить від імені фінікійці Кадма, який, згідно з переказами, першим знайшов цинковий камінь і відкрив його здатність надавати міді (при виплавці її з руди) золотистий колір. Згідно давньогрецьких міфів існував і інший Кадм - герой, який переміг Дракона і побудував на землях поваленого їм ворога фортеця Кадмею, навколо якої згодом виріс великий семибрамних місто Фіви. У семітських ж мовами "кадмос" означає "східний" чи "зміїний" (Фергана, Киргизія, Середня Азія - є місця скупчення змій), що, можливо, зводить назва мінералу від місць його видобутку або експорту з будь-якої східної країни або провінції .

У 1818 році Фрідріх Штромейер опублікував докладний опис металу, властивості якого він вже встиг добре вивчити. У вільному вигляді новий елемент був білий метал, м'який і не дуже міцний, зверху покритий коричневою плівкою оксиду. Досить скоро, як це часто буває, пріоритет Штромейер у відкритті кадмію стали заперечувати, проте всі претензії були відкинуті. Трохи пізніше інший хімік Керстен, знайшов новий елемент в силезской цинкової руди і назвав його Меллін (від латинського mellinus - "жовтий, як айва"). Причиною такого назви послужив колір осаду, що утворюється під дією сірководню.

На жаль Керстена "Меллін" виявився "кадмієм" Штромейер. Ще пізніше були запропоновані й інші назви сорок восьмому елементу: в 1821 році Джон запропонував іменувати новий елемент "Клапрота" - на честь відомого хіміка Мартіна Клапрота - першовідкривача урану, цирконію і титану, а Гільберт "Юнона" - по імені відкритого в 1804 році астероїда Юнони. Але як би не були великі заслуги Клапрота перед наукою, його імені не судилося закріпитися в списку хімічних елементів: кадмій залишився кадмієм. Правда, в російській хімічної літературі першої половини XIX століття кадмій нерідко називали кадмію.

Знаходження в природі

Кадмій типово рідкісний і досить розсіяний елемент, середній вміст даного металу в земній корі (Кларк) оцінюється приблизно 1,3 * 10-5% або 1,6 * 10-5% по масі, виходить, що в літосфері кадмію приблизно 130 мг / т. Кадмію настільки мало в надрах нашої планети, що навіть вважається рідкісним германію в 25 разів більше! Приблизно такі ж співвідношення у кадмію і з іншими рідкісними металами: берилієм, цезієм, скандієм і индием. Кадмій близький за поширеністю до сурмі (2 * 10-5%) і в два рази більше поширений, ніж ртуть (8 * 10-6%).

Для кадмію характерна міграція в гарячих підземних водах разом з цинком (кадмій міститься у вигляді ізоморфної домішки в багатьох мінералах і завжди в мінералах цинку) і іншими халькофільнимі елементами, тобто хімічними елементами, схильними до утворення природних сульфідів, селенидов, теллуридов, сульфосолей і іноді зустрічаються в самородному стані. Крім того, кадмій концентрується в гідротермальних відкладеннях. Досить багаті кадмієм вулканічні породи, що містять до 0,2 мг кадмію на кг; серед осадових порід найбільш багаті сорок восьмим елементом глини - до 0,3 мг / кг (для порівняння вапняки містять кадмію 0,035 мг / кг, пісковик - 0,03 мг / кг). Середній вміст кадмію в грунті - 0,06 мг / кг.

Також, цей рідкісний метал присутній у воді - в розчиненому вигляді (сульфат, хлорид, нітрат кадмію) і в підвішеному вигляді в складі органо-мінеральних комплексів. У природних умовах кадмій потрапляє в підземні води в результаті вилуговування руд кольорових металів, а також в результаті розкладання водних рослин і організмів, здатних його накопичувати. З початку XX століття переважаючим фактором надходження кадмію в води і грунт стало антропогенне забруднення кадмієм природних вод. На вміст кадмію у воді істотно впливає pH середовища (в лужному середовищі кадмій випадає в осад у вигляді гідроксиду), а також сорбційні процеси. З тієї ж антропогенної причини кадмій присутній і в повітрі.

У сільській місцевості вміст кадмію в повітрі становить 0,1-5,0 нг / м3 (1 нг або 1 нанограмм \u003d 10-9 грам), в містах - 2-15 нг / м3, в промислових районах - від 15 до 150 нг / м3. Головним чином потрапляння кадмію в атмосферне повітря пов'язано з тим, що багато вугілля, що спалюються на теплоелектростанціях, містять цей елемент. Осідаючи з повітря, кадмій потрапляє в воду і грунт. Збільшення вмісту кадмію в грунті сприяє використання мінеральних добрив, адже практично всі вони містять незначні домішки цього металу. З води і грунту кадмій потрапляє в рослини і живі організми і далі по харчовому ланцюжку може "поставлятися" людині.

Кадмій має власні мінерали: Хоулі, отаву CdCO3, монтемпоніт CdO (містить 87,5% Cd), гринокіт CdS (77,8% Cd), ксантохроіт CdS (H2O) х (77,2% Cd) кадмоселіт CdSe (47% Cd ). Однак своїх родовищ вони не утворюють, а присутні у вигляді домішок в цинкових, мідних, свинцевих і поліметалічних рудах (більше 50), які і є основним джерелом промислового видобутку кадмію. Причому головну роль відіграють руди цинку, де концентрація кадмію коливається від 0,01 до 5% (в Сфалерит ZnS). У більшості ж випадків вміст кадмію в Сфалерит не перевищує 0,4 - 0,6%. Кадмій накопичується в галеніті (0,005 - 0,02%), станете (0,003 - 0,2%), піриті (до 0,02%), халькопірит (0,006 - 0,12%), з цих сульфідів кадмій витягується.

Кадмій здатний накопичуватися в рослинах (найбільше в грибах) і живих організмах (особливо у водних), з цієї причини кадмій можна виявити в морських осадових породах - сланцях (Мансфельд, Німеччина).

застосування

Головним споживачем кадмію є виробництво хімічних джерел струму: нікель-кадмієві та срібно-кадмієві акумулятори, свинцево-кадмієві та ртутно-кадмієві елементи в резервних батареях, нормальні елементи Вестона. Застосовувані в промисловості кадмійнікелевих акумулятори (АКН) - одні з найбільш затребуваних серед інших хімічних джерел струму.

Негативні пластини подібних акумуляторів виконані із залізних сіток з губчастим кадмієм в якості активного агента, а позитивні пластини покриті окисом нікелю. В якості електроліту виступає розчин їдкого калі (гідроксид калію). Нікель-кадмієві лужні акумулятори більш надійні, ніж кислотні свинцеві. Хімічні джерела струму, що використовують кадмій відрізняються тривалим терміном експлуатації, стабільністю роботи і високими електричними характеристиками. Крім усього іншого, підзарядка даних акумуляторів займає менше однієї години! Однак АКН можна заряджати без повної попередньої розрядки, і в цьому вони, звичайно ж, поступаються металогідридним акумуляторів.

Відомо, що деякі властивості цинку і кадмію схожі, однак у кадмиевого покриття є певні переваги перед оцинкованим: по-перше, воно більш стійке до корозії, по-друге, його легше зробити рівним і гладким. Крім того, на відміну від цинку, кадмій стійкий в лужному середовищі. Кадмірованная жесть використовується досить широко, однак існує область, в якій застосування покриття з кадмію строго заборонено - це харчова промисловість. Пов'язано це з високою токсичністю кадмію.

До певного моменту поширення кадмієвих покриттів було обмежено і з іншої причини - при електролітичному нанесенні кадмію на сталеву деталь в метал може проникнути що міститься в електроліті водень, а, як відомо, цей елемент викликає у високоміцних сталей водневу крихкість, що приводить до несподіваного руйнування металу під навантаженням . Проблему вдалося вирішити радянським вченим з Інституту фізичної хімії Академії наук СРСР. Виявилося, що незначна добавка титану (один атом титану на тисячу атомів кадмію) оберігає кадмірованную сталеву деталь від виникнення водневої крихкості, оскільки титан в процесі нанесення покриття поглинає зі сталі весь водень.

інша характерна риса кадмієвих сплавів - їх високі антифрикційні властивості. Так, сплав, який містить 99% кадмію та 1% нікелю, застосовують для виготовлення підшипників, що працюють в автомобільних, авіаційних і суднових двигунах. Оскільки кадмій недостатньо стійкий до дії кислот, в тому числі і що містяться в мастильних матеріалах органічних кислот, підшипникові сплави на основі кадмію покривають индием. Легування міді малими добавками кадмію (менше 1%) дозволяє робити більш зносостійкі дроти на лініях електричного транспорту. Настільки незначні добавки кадмію здатні значно підвищити міцність і твердість міді, практично не погіршуючи її електричних властивостей. Амальгаму кадмію (розчин кадмію в ртуті) використовують в стоматологічній техніці для виготовлення зубних пломб.

У сорокові роки XX століття у кадмію з'явилося нове амплуа - з нього стали робити регулюючі та аварійні стрижні атомних реакторів. Причина, по якій кадмій в найкоротший термін став стратегічним матеріалом, полягала в тому, що він дуже добре поглинає теплові нейтрони. А адже перші реактори початку "атомного століття" працювали виключно на теплових нейтронах. Пізніше з'ясувалося, що реактори на швидких нейтронах більш перспективні і для енергетики, і для отримання ядерного пального - 239Pu, а проти швидких нейтронів кадмій безсилий, він їх не затримує. За часів реакторів на теплових нейтронах кадмій втратив чільну роль, поступившись її бору і його сполук (реально - вугілля і графіт).

Фарби на основі CdS використовувалися в багатьох областях - живопису, друку, розпису порцеляни, ними покривали пасажирські вагони, захищаючи їх від паровозного диму. Барвники, що містять сульфід кадмію, використовували в текстильному і миловарному виробництвах. Однак в даний час досить дорогий сульфід кадмію часто замінюють дешевшими барвниками - кадмопоном (суміш сульфіду кадмію і сульфату барію) і цинко-кадмієвих літопон (склад, як і у кадмопона, плюс сульфід цинку).

Інше з'єднання кадмію - селенід кадмію CdSe - застосовують як червону фарбу. Однак не тільки у виробництві барвників знайшли своє застосування сполуки кадмію - сульфід кадмію, наприклад, також застосовується для виробництва плівкових сонячних батарей, коефіцієнт корисної дії яких становить близько 10-16%. Крім того, CdS - досить хороший термоелектричний матеріал, який використовується як компонент напівпровідникових матеріалів і люмінофорів. Іноді кадмій використовують в кріогенної техніки, що пов'язано з його максимальної теплопровідністю (щодо інших металів) поблизу абсолютного нуля (вакуум).

виробництво

Головні "постачальники" кадмію - це побічні продукти переробки цинкових, мідно-цинкових і свинцево цинкових руд. Що ж до власних мінералів кадмію, то єдиним, що становлять інтерес в отриманні кадмію, є гринокіт CdS, так звана "кадмієва обманка". Видобувається гринокіт спільно з фаерітом при розробці цинкових руд. У процесі переробки кадмій накопичується в побічних продуктах процесу, звідки його потім витягають.

При переробці поліметалічних руд, як говорилося раніше, кадмій часто є побічним продуктом цинкового виробництва. Це або мідно-кадмієві кеки (опади металів, отримані внаслідок очищення розчинів сульфату цинку ZnSO4 дією цинкового пилу), які містять від 2 до 12% Cd, або пуссьери (летючі фракції, які утворюються при дистиляційному отриманні цинку), що містять від 0,7 до 1,1% кадмію.

Найбільш багаті сорок восьмим елементом концентрати, отримані при ректифікації очищенні цинку, вони можуть містити до 40% кадмію. З мідно-кадмієвих Кекова і інших продуктів з високим вмістом кадмію його зазвичай витравлюють сірчаної кислотою H2SO4 при одночасній аерації повітрям. Процес ведуть в присутності окислювача - марганцевої руди або оборотного марганцевого шламу з електролізних ванн.

Металевий кадмій виділяють електролізом на алюмінієвих катодах або ж відновленням цинком (витісненням цинком оксиду кадмію CdO з розчинів CdSO4) із застосуванням відцентрових реакторів-сепараторів. Рафінування металевого кадмію зазвичай полягає в переплавки металу під шаром лугу (для видалення цинку і свинцю), при цьому можливе використання Na2CO3; обробці розплаву алюмінієм (для видалення нікелю) і хлоридом амонію NH4Cl (для видалення талію).

Кадмій більш високої чистоти отримують електролітичним рафінуванням з проміжною очищенням електроліту, яка проводиться із застосуванням іонного обміну або екстракцією; ректифікацією металу (зазвичай при зниженому тиску), зонної плавкою або іншими кристалізаційними методами. Поєднуючи вище наведені способи очищення, можливо отримання металевого кадмію з вмістом основних домішок (цинк, мідь та інші) всього 10-5% по масі. Крім того, для очищення кадмію можуть бути використані методи електропереносу в рідкому кадмії, електрорафінування в розплаві гідроксиду натрію NaOH, амальгамного електролізу. При поєднанні зонного плавлення з електропереносу поряд з очищенням може відбуватися і поділ ізотопів кадмію.

великими виробниками кадмію також можна вважати Росію, Канаду і Мексику. Зсув масового виробництва кадмію в бік Азії пов'язано з тим, що в Європі відбулося скорочення використання кадмію, а в Азіатському регіоні навпаки - зростає попит на нікель-кадмієві елементи, що змушує багатьох переводити виробництво в країни Азії.

Фізичні властивості

При нагріванні вище 80 o C кадмій втрачає свою пружність, причому настільки, що його легко можна потовкти в порошок. Твердість кадмію по Моосу дорівнює двом, по Брінеллю (для відпаленого зразка) 200-275 МПа. Межа міцності при розтягуванні 64 Мн / м2 або 6,4 кгс / мм2, відносне подовження 50% (при температурі 20 o C), межа плинності 9,8 МПа.

Пруток з чистого кадмію при згинанні видає слабкий тріск подібно олова ( "олов'яний крик") - це труться одна об одну мікрокристали металу, проте будь-які домішки в металі знищують цей ефект. Взагалі за своїми фізичними, хімічними і фармакологічними властивостями кадмій належить до групи важких металів, маючи найбільше подібності з цинком і ртуттю.

Температура плавлення кадмію (321,1 o С) досить низька і може бути порівнянна з температурами плавлення свинцю (327,4 o С) або талію (303,6 o С). Однак вона відрізняється від температур плавлення схожих по ряду властивостей металів - нижче, ніж у цинку (419,5 o С), але вище, ніж у олова (231,9 o С). Температура кипіння кадмію теж невисока - всього 770 o С, що досить цікаво - у свинцю, як і у більшості інших металів різниця між температурами плавлення і кипіння велика.

Так у свинцю температура кипіння (1 745 o С) більше температури плавлення в 5 разів, а у олова, температура кипіння якого 2 620 o С, в 11 разів більше за температуру плавлення! У той же час, подібний до кадмієм цинк має при температурі плавлення в 419,5 o С температуру кипіння всього 960 o С. Коефіцієнт термічного розширення для кадмію дорівнює 29,8 * 10-6 (при температурі 25 o C). Нижче 0,519 До кадмій стає надпровідників. Теплопровідність кадмію при 0 o C становить 97,55 Вт / (м * К) або 0,233 кал / (см * сек * o С).

Питома теплоємність кадмію (при температурі 25 o C) дорівнює 225,02 дж / (кг * К) або 0,055 кал / (г * o С). Температурний коефіцієнт електроопору кадмію в температурному інтервалі від 0 o С до 100 o С дорівнює 4,3 * 10-3, питомий електроопір кадмію (при температурі 20 o C) становить 7,4 * 10-8 ом * м (7,4 * 10-6 ом * см). Кадмій диамагнитен, його магнітна сприйнятливість -0,176,10-9 (при температурі 20 o С). Стандартний електродний потенціал -0,403 В. Електронегативність кадмію 1,7. Ефективне поперечний переріз захоплення теплових нейтронів 2450- 2900-10 ~ 28 м2. Робота виходу електронів \u003d 4,1 еВ.

Щільність (при кімнатній температурі) кадмію 8,65 г / см3, що дозволяє віднести кадмій до важких металів. За класифікацією Н. Реймерс, важкими слід вважати метали з щільністю більше 8 г / см3. Таким чином, до важких металів відносяться Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. І хоча кадмій легше свинцю (щільність 11,34 г / см3) або ртуті (13,546 г / см3), але важче олова (7,31 г / см3).

Хімічні властивості

У хімічних сполуках кадмій завжди проявляє валентність 2 (конфігурація зовнішнього електронного шару 5s2) - справа в тому, що у атомів елементів побічної підгрупи другої групи (цинк, кадмій, ртуть), як і у атомів елементів підгрупи міді, d-підрівень другого зовні електронного шару цілком заповнений. Однак у елементів підгрупи цинку цей підрівень вже цілком стабільний і видалення з нього електронів вимагає дуже великої затрати енергії. Іншою характерною особливістю елементів підгрупи цинку, що зближує їх з елементами підгрупи міді, є їх схильність до комплексоутворення.

Як вже говорилося кадмій розташований в одній групі періодичної системи з цинком і ртуттю, займаючи проміжне місце між ними, з цієї причини ряд хімічних властивостей всіх цих елементів схожий. Наприклад, оксиди і сульфіди даних металів практично нерозчинні в воді.

У сухому повітрі кадмій стійкий, але у вологому на поверхні металу повільно утворюється тонка плівка оксиду CdO, що оберігає метал від подальшого окислення. При сильному прожарюванні кадмій згорає, також перетворюючись в оксид кадмію - кристалічний порошок від світло-коричневого до темно-бурого кольору (відмінність в кольоровій гамі частково обумовлено розміром частинок, але в більшій мірі є результатом дефектів кристалічної решітки), щільність CdO 8,15 г / см3; вище 900 o С оксид кадмію летючий, а при 1 570 o С повністю переганяється. Пари кадмію реагують з парами води з виділенням водню.

Кислоти взаємодіють з кадмієм з утворенням солей цього металу. Азотна кислота HNO3 легко розчиняє кадмій, при цьому виділяється оксид азоту і утворюється нітрат, який дає гідрат Cd (NO3) 2 * 4H2O. З інших кислот - соляної і розведеною сірчаної - кадмій повільно витісняє водень, пояснюється це тим, що в ряді напруг кадмій варто далі цинку, але попереду водню. З розчинами лугів, на відміну від цинку, кадмій не взаємодіє. Кадмій відновлює нітрат амонію NH4NO3 в концентрованих розчинах до нітриту амонію NH4NO2.

Вище температури плавлення кадмій безпосередньо з'єднується з галогенами, утворюючи безбарвні сполуки - кадмію галогеніди. CdCl2, CdBr2 і CdI2 дуже легко розчиняються у воді (53,2% по масі при 20 o С), набагато важче розчинний фторид кадмію CdF2 (4,06% по масі при 20 o С), який абсолютно не розчинний в етанолі. Його можна отримати дією фтору на метал або фтороводорода на карбонат кадмію. Хлорид кадмію отримують при взаємодії кадмію з концентрованою соляною кислотою або хлоруванням металу при 500 o С.

Бромід кадмію отримують бромування металу або дією бромоводорода на карбонат кадмію. При нагріванні кадмій взаємодіє з сіркою, утворюючи сульфід CdS (від лимонно-жовтого до оранжево-червоного кольору), нерозчинний у воді і розведених кислотах. При сплаві кадмію з фосфором і миш'яком утворюються відповідно Фосфіди і арсеніди складів Cd3P2 і CdAs2, з сурмою - кадмію антимонід. З воднем, азотом, вуглецем, кремнієм і бором кадмій не реагує. Непрямими шляхами отримані легко розкладаються при нагріванні гідрид CdH2 і нітрид Cd3N2.

Розчини солей кадмію мають кислу реакцію внаслідок гідролізу, їдкі луги осаджують з них білий гідроксид Cd (OH) 2. При дії дуже концентрованих розчинів лугів він перетворюється в гідроксокадмати, такі, як Na2. Гідроксид кадмію реагує з аміаком з утворенням розчинних комплексів:

Cd (OH) 2 + 6NH3 * H2O → (OH) 2 + 6H2O

Крім того, Cd (OH) 2 переходить в розчин під дією ціанідів лужних елементів. Вище 170 o С він розкладається до CdO. Взаємодія гідроксиду кадмію з пероксидом (перекисом) водню у водному розчині призводить до утворення пероксидів (перекисів) різноманітного складу.

З використанням матеріалів веб-сайту http://i-think.ru/

ДОПНВ 6.1
Токсичні речовини (отрута)
Ризик отруєння при вдиханні, контакті зі шкірою або ковтанні. Складають небезпеку для водного середовища або каналізаційної системи (схоже на ДОПНВ небезпечні вантажі з перевезення ртуті, менш небезпечно)
Використовувати захисну маску залишення транспортного засобу
Білий ромб, номер ДОПНВ, чорний череп і схрещені кістки

ДОПНВ Риба
Речовини, небезпечні для навколишнього середовища (екологія, в т.ч. тануть, розчинні, порошкоподібні і текучі матеріали)
Складають небезпеку для водного середовища або каналізаційної системи (схоже на ДОПНВ небезпечні вантажі з перевезення ртуті, менш небезпечно)

Звідки беруть кадмій? Кадмій завжди міститься в рудах, з яких видобувають цинк, свинець, іноді і в мідної руди. Тому він неминуче виявляється в відходах виробництва цих металів. Але їх не викидають, а намагаються переробити, оскільки там є безліч інших потрібних людині елементів. Частка кадмію вельми велика - 0,3-0,5% від ваги цинкового концентрату, і вибирають його звідти на 95%. Власне, і відкритий був кадмій при вивченні сполук цинку. Розповідають таку історію (див. «Хімію і життя», 1970, №9). У 1817 році в Магдебурзі виник конфлікт: окружний лікар Ролов велів вилучити з продажу всі препарати з оксидом цинку, запідозривши, що там є миш'як. Аптекарі ж клялися, що ніякого миш'яку в препаратах немає, хіба що оксид заліза, що надає мазі жовтуватий колір. Арбітром виступив професор Фрідріх Штромейер з Геттінгенського університету, який був у той час головним фармацевтичним інспектором. Йому дійсно вдалося виділити з препарату жовтувате з'єднання. Однак воно не мало ніякого відношення ні до миш'яку, ні до заліза, а виявилося оксидом нового елемента. Восени 1817 року в розмовах з колегами Штромейер назвав його кадмієм, чому дають таке пояснення. Легендарний фінікійський царевич Кадм, прийшовши в Беотию в пошуках своєї сестри Європи, вкраденої Зевсом, побудував там фортецю Кадмею. Навколо неї потім виросли давньогрецькі Фіви. В античні часи біля цього міста знайшли специфічну суміш сполук цинку, названу «кадмейской землею» або кадмеей. Цією назвою Штромейер і скористався.

Ролів також незабаром переконався, що підозріла домішка - НЕ миш'як, а з'єднання нового металу. Але його стаття, послана в " Journal fur der praktischen Heilkunde", Затрималася і вийшла в квітні 1818 року, коли в середовищі хіміків вже знали про відкриття Штромейер.

Як позначився жовтий колір сполуки на інтересі до кадмію? Найбезпосереднішим чином: незабаром після відкриття Штромейер хтось Карстен, старший радник з металургії заводу в Бреслау (нині Вроцлав), знайшов в силезской цинкової руди елемент, який давав жовтий осад при пропущенні через його розчин сірководню, і назвав його «мелініумом» від латинського слова « mellis», Що означає мед. Це був все той же кадмій, а його сульфід став прекрасним жовтим пігментом спочатку для художників, а потім, коли ціна знизилася, і в малярському справі. Отримуючи сульфід кадмію різними способами, можна зробити красиву фарбу різних відтінків - від лимонного до помаранчевого. Оскільки вона стійка до кислот, лугів і сильного нагрівання, кадмієва жовтий підійшла і для розпису кераміки. Крім того, якщо змішати сульфід кадмію з ультрамарином, утворюється чудова зелена фарба - кадмієва зелень. При горінні кадмій дає синій колір, тому його використовували також в піротехніці. Таким чином, в 90-х роках XX століття 17% кадмію йшло на приготування фарб різного призначення.

Яка основна область застосування кадмію? Нікель-кадмієві акумулятори: один з електродів в них зроблений з кадмію або його гідроксиду, їх виробництво споживає більше 60% всього видобутого кадмію. Ці акумулятори дуже живучі: вони можуть забезпечити в кілька разів більше циклів розрядки-зарядки, ніж найближчі конкуренти - свинцеві акумулятори, правда, і коштують вони в десять разів більше. І по співвідношенню запасеної електроенергії до ваги Ni-Cd в два рази перевершують Pb, що робить їх перспективними для електромобілів. Термін життя сучасних нікель-кадмієвих акумуляторів - більше 30 років. Вони швидко заряджаються і швидко віддають енергію, а завдяки малому внутрішньому опору можуть забезпечити більшу щільність струму без розігріву. Тому їх застосовують всюди, де потрібні великі щільності струму, - в електрокарах, тролейбусах, трамваях, електропоїздах, шуруповертах, а також в радіоапаратурі і побутової техніки. До недавнього часу вони ж забезпечували енергією комп'ютери і стільникові телефони, але тепер їх місце займають літій-іонні. Нікель-кадмієві акумулятори припускають використовувати і в системах альтернативної енергетики, де буває потрібно час від часу кудись закачувати зайву енергію, яка потім компенсує недолік виробництва через погану погоду: такі акумулятори можуть забезпечити надійне зберігання до 6,5 МВт год електроенергії, що ставить їх в один ряд зі свинцевими і натрій-сульфідними.

Серед недоліків нікель-кадмієвих акумуляторів - велика саморазрядка і ефект пам'яті: якщо заряджати акумулятор, який розряджений в повному обсязі, він кожен раз буде накопичувати все менше і менше енергії. Є думка, що з цим ефектом можна боротися, якщо час від часу дуже сильно розряджати такий акумулятор. Але головний їхній недолік - отруйність кадмію; через неї використання нікель-кадмієвих акумуляторів, втім, як і кадмієвих пігментів для фарб, стабілізаторів для полімерів (10% від виробництва металу), покриттів для металів (5%), постійно знижується.

Яка область застосування кадмію знаходиться на підйомі? Виробництво сонячних батарей. Телурид кадмію непогано перетворює сонячне світло в електрику, хоча і поступається кремнієвим батареям: ефективність у наявних на ринку модулів становить 8-9% і 13-16% відповідно. Однак телурид кадмію наносять у вигляді тонких плівок на струмопровідні скло, що вимагає набагато менших витрат енергії та матеріалів, ніж виробництво кремнієвих батарей. В результаті (" "2012, 16, 5245-5259; doi: 10.1016 / j.rser.2012.04.034) витрати енергії на виробництво батареї окупаються виробленням енергії вже через рік, що в два-три рази (так само як і викиди вуглекислого газу на вироблений нею кіловат електрики в Європі) менше, ніж у кремнієвих батарей. Інакше кажучи, батареї з використанням сполук кадмію вельми дружні до навколишнього середовища. При зростанні ефективності ця різниця ще збільшиться, і перспективи тут є, оскільки рекордні значення ефективності для телуриду кадмію становили в 2011 році 15,6 і 13,8% при нанесенні його тонкої плівки на скло і гнучкий полиимид відповідно. Батареї на полімерній основі важать в сотні разів менше скляних, легко монтуються на вигнутих поверхнях, чим і привертають увагу дослідників.

Тонкі плівки - ще не все. Елементи на квантових точках з халькогенидов - сульфіду, телуриду і селеніду кадмію - перспективні представники сонячних елементів третього покоління, які, на думку експертів, здатні нарешті забезпечити цього джерела енергії самоокупність. Точки привертають увагу дослідників, тому що завдяки залежності їх властивостей від розмірів можна домогтися поглинання і перетворення в електрику всього сонячного спектра. Крім того, в деяких дослідах халькогенідні квантові точки показали здатність до отримання кількох електронів від одного фотона - ефект множинної генерації екситонів. Очевидно, що при грамотному використанні він багаторазово збільшить ефективність перетворення світла, а це дозволяє розраховувати на зближення вартості електроенергії від Сонця і спалювання вугілля.

Поки що, правда, потенціал квантових точок повністю не розкритий - рекордну ефективність в 5,42% на початок 2013 року демонстрував елемент на квантових точках з сульфіду і селеніду кадмію з добавками марганцю ( " Renewable and Sustainable Energy Reviews", 2013, 22, 148-167; doi: 10.1016 / j.rser.2013.01.030). Вважається, що самі по собі точки в цьому не винні - ще не підібраний оптимальний матеріал електродів, що забезпечує повне зняття з них одержані при фотореакції носіїв заряду. Не виключено, що і при виготовленні електродів знадобиться кадмій, - досліди з електродом з станату кадмію CdSnO 3 для сонячних батарей показують непогані результати ( " Solar Energy Materials & Solar Cells", 2013, 117, 300-305; doi: 10.1016 / j.solmat.2013.06.009).

Які ще наночастинки роблять з сполук кадмію? Найрізноманітніші: наностержні, нанотрубки і навіть структури, подібні морським ежам. Не виключено, що деякі з них знайдуть собі застосування в технологіях майбутнього.

Чи є кадмій в олов'яних солдатиків? Він цілком може там опинитися, тому що невелика добавка кадмію дуже сильно знижує температуру плавлення інших металів і, відповідно, забезпечує краще заповнення форми ливарним сплавом. Не дивно, що він входить до складу знаменитого сплаву Вуда і його різновидів. Такі сплави знаходять широке застосування в металографії (ними заливають шліфи, зразки для мікроскопічного дослідження), в точній лиття, вони служать виплавляти стрижнями при виготовленні порожнистих фігур, а також легкоплавкими запобіжниками. Мабуть, саме англійський інженер Барнаба Вуд першим і виявив здатність кадмію знижувати температуру плавлення інших металів, адже елементи, що входять до складу сплаву його імені, - сім-вісім частин вісмуту, чотири свинцю і по дві олова і кадмію - мають температури плавлення відповідно 271, 327, 231 і 742 ° С. А все разом плавляться при 69 ° С! Цей результат в 1860 році був настільки несподіваним, що редакційна колегія журналу " The American Journal of Science and Arts"Додала до статті Вуда таку приписку:« У нас вистачило часу, щоб повторити тільки кілька цікавих дослідів доктора Вуда, що відносяться до дивовижного впливу кадмію, яке він надає, знижуючи точки плавлення різних сплавів ». Зараз здатність кадмію знижувати температуру плавлення металів використовують, додаючи його в припої, - на це йде 2% світового виробництва металу. Причому в припої не тільки промислові, а й саморобні. Ось, наприклад, на форумі ювелірів майстри дають такі рекомендації: «Додайте трохи кадмію в золото, його температура плавлення виявиться нижче, ніж у металу вироби, і можна буде припаяти необхідну деталь. Оскільки з великою ймовірністю кадмій випарується при пайку, проба виробу може і не змінитися. Тільки паяти треба під тягою, щоб не отруїтися ».

Який шлях кадмію в організм? «Кадмій в дитячих іграшках - це неможливо, він же отруйний», - скаже читач. І буде правий, але тільки частково, оскільки навряд чи кадмій з олов'яного солдатика (будь фігурки з сріблястого важкого металу, відлитими в маленькій майстерні) або з жовтого візерунка на салатниці може якось потрапити в організм людини. У нього є зовсім інші шляхи. Їх три. По-перше, з димом сигарет: кадмій прекрасно накопичується в тютюнових листах. По-друге, з повітря, особливо міського: в ньому багато дорожнього пилу, що виходить при стиранні шин і гальмівних колодок (а кадмій входить в їх склад); чим більше дихаєш цим пилом, чим вищий вміст кадмію в організмі. Так, у регулювальників дорожнього руху воно в півтора рази більше, ніж у дорожніх робітників із сільської місцевості ( " Chemosphere", 2013, 90, 7, 2077-2084). Присутній кадмій і в димі теплових станцій, якщо вони працюють на вугіллі, і в димі від спалювання дров, оскільки дерева витягають його з грунту. Третій же джерело - їжа, особливо коріння, листя і зерна рослин: саме там накопичується кадмій. Дослідження, проведені вченими з Сіетла, показали, що у молодих жінок, що живуть в незабруднених кадмієм місцях, куріння - головне джерело кадмію, воно збільшує вміст цього металу в півтора рази. А ось серед харчових продуктів значним джерелом кадмію виявився соєвий сир тофу - одна його порція в тиждень збільшує вміст кадмію в організмі на 22% ( " Science of the Total Environment ", 2011, 409, 9, 1632-1637). Багато кадмію міститься в молюсках і ракоподібних, які харчуються планктоном. Новозеландські біологи встановили, що кадмій в морській воді (його концентрація в ній становить 0,11 мкг / л), швидше за все, виявився там з вини людини. Кадмій міститься в фосфорних добривах, звідти він, до речі, головним чином і потрапляє в їстівні рослини. Дощі змивають добрива в річки, потім - в море. Кадмій подорожує на поверхні мікрочастинок. Потрапивши в солону воду, він вивільняється і виявляється в фітопланктоні, а з ним і в устрицях. В результаті молюски, яких вирощують вище в гирлах річок, де кадмій від мікрочастинок ще не відмився, відносно чисті, а ті, що нижче, містять особливо багато цього металу ( " Science of the Total Environment", 1996, 181, 1, 31-44). Зміст кадмію в устрицях - 13-26 мкг на грам сухої ваги. Для порівняння: в насінні соняшнику, які теж вважають важливим джерелом кадмію, - 0,2-2,5 мкг на грам зерняток, в листі тютюну - 0,5-1 мкг на грам сухої ваги. Оскільки планктоном харчуються не тільки устриці, кадмій виявляється і в рибі, виловленої в брудних морях. А найбрудніше - Балтійське море, куди впадає багато річок з промислових районів і областей з інтенсивним сільським господарством.

Як антропогенний кадмій потрапляє в навколишнє середовище?Крім фосфорних добрив, дорожнього пилу і згоряння палива, є ще два шляхи. Перший - кольорова металургія: при всіх зусиллях, спрямованих на очищення викидів, деяке його кількість неминуче проходить крізь усі фільтри. Другий - звалища і місця переробки сміття, наприклад, коли там горить пластик. Однак на звалищі навіть без нагрівання кадмій вилуговується і з водою потрапляє в грунт. Загалом, кольорова металургія дає 5 тисяч тонн викидів кадмію в рік, спалювання сміття - 1,5, а виробництво фосфорних добрив і спалювання дерева - по 0,2 тисячі тонн з тих семи з гаком тисяч тонн, які людина розсіює в навколишнє середовище приблизно з 30-х років XX століття. Власні можливості природи скромніше: 0,52 тисячі тонн дають вулкани і 0,2 тисячі тонн - виділення рослин, всього 0,83 тисячі тонн (див. «Хімію і життя», 1979, №12). Іншими словами, перетворити в метал (а світовий випуск вже яке десятиліття коливається в межах 17-20 тисяч тонн на рік) вдається не більше двох третин витягнутого із земних надр кадмію, так що перспективи утилізації тут дуже широкі. Однак немає стимулу, про що піде мова далі.

Як поведуть себе нові матеріали, що містять кадмій, на звалищі? По різному. Докладний аналіз провів Василь Фтенакос з Брукхевенської національної лабораторії (США), який докладно описав життєвий цикл батареї з телуриду кадмію ( " Renewable and Sustainable Energy Reviews", 2004, 8, 303-334; doi: 10.1016 / j.rser.2003.12.001). Він розмірковує так. У сонячному елементі з'єднання кадмію розташоване між шарами скла або пластику. Тому частинки, що містять кадмій, можуть з'явитися в навколишньому середовищі лише при руйнуванні елемента, що трапляється або в дуже курній місцевості, або при поломці. Але навіть тоді, як показав експеримент, ніякий дощ не в змозі вимити скільки-небудь помітну кількість кадмію з елемента. Температура випаровування CdTe перевищує 1000 ° С, а CdS, також наявного в цих елементах, - 1700 ° С, тому ніякого випаровування при експлуатації не буде.

А що, якщо елемент стоїть на даху приватного будинку, в якому сталася пожежа? На повітрі телурид кадмію залишається стабільним аж до температур 1050 ° С, що менше нагрівання при звичайному пожежі. Прямі досліди довели, що, якщо батарея зроблена на скляній підкладці, майже весь кадмій залишиться в розплавленому склі - лише 0,6% його і без того невеликої кількості (все-таки це тонка плівка) може вивільнитися. Деякі елементи, опинившись розбитими на звалищі, дійсно руйнуються, вивільняючи кадмій, інші ж, більш сучасні, немає. Законодавчим регулюванням можна домогтися, щоб викидали тільки нешкідливі елементи. А краще б взагалі їх не викидати, адже в них є цінний телур.

На жаль, Фтенакос нічого не говорить про елементи на полімерній основі, яка, швидше за все, згорить, і ніякого вплавлення кадмію в скло не відбудеться. Зате він відзначає, що заборони на використання кадмію можуть привести до набагато гірших наслідків: втративши ринку збуту, виробники цинку, свинцю і міді перестануть отримувати кадмій з відходів і ті стануть набагато сильніше забруднювати все навколо, ніж звалища (згадаємо третину кадмію, що вилітає в трубу ). Тому використання кадмію треба розширювати при більш жорсткі заходи з утилізації виробів.

Окремо стоїть питання про пристрої на наноточках: при руйнуванні ці матеріали неминуче будуть розсіювати наночастинки, які зможуть переміщатися по харчовому ланцюгу. Є дані ( " Journal of Hazardous Materials", 2011, 192, 15, 192-199; doi: 10.1016 / j.jhazmat.2011.05.003), що при цьому вони зовсім не залишаться незмінними: в печінці та нирках щурів, яким наноточкі селеніду кадмію вводили в черевну порожнину, зазначалося зростання вільного кадмію. Найсильніше ефект був виражений, якщо наночастинки перед вживанням висвітлювали ультрафіолетом (мабуть, так і буде з нанопиль в природних умовах). Очевидно, що вимоги до утилізації сонячних елементів та інших пристроїв на подібних наночастицах повинні бути суворішим, ніж при використанні монолітних виробів.

Чим небезпечний кадмій? Питання набагато складніше, ніж може здатися, оскільки кадмій потрапляє в організм в мікроскопічних кількостях і діє далеко не миттєво. Детально про це пишуть дослідники з університету Північної Дакоти на чолі з Сойсунваном Сатаругом ( " "2010, 118, 182-190; doi: 10.1289 / ehp.0901234). Перекажімо цей огляд.

Можна вважати доведеним, що у людей, які проживають в місцевостях, де в грунті міститься значна кількість кадмію і їжа постійно забруднена їм, спостерігається підвищена крихкість кісток. Японці назвали цю хворобу ітай-ітай: вона проявилася в 40-і роки в префектурі Тояма, де фермери використовували воду з цинкової шахти для зрошення полів. Зміст кадмію в рисі було таким високим, що щоденне його споживання склало 600 мкг в день, або 4200 мкг на тиждень, або до 2 грамів на людину за все життя. Виявити причинно-наслідковий зв'язок тут нескладно, чого не скажеш про хронічному споживанні кадмію в малих дозах. Тут все зводиться до відсотків ризику отримати те чи інше захворювання. До сих пір досконально невідомо, які дози кадмію можна вважати нешкідливими. Всесвітня організація охорони здоров'я в 1989 році назвала максимальне допустиме споживання кадмію в тиждень: 400-500 мкг, виходячи з того, що 2 г за все життя - це багато, призводить до ітай-ітай. У 1992 році норму перерахували, вона склала 7 мкг в день на кілограм ваги. Неважко помітити, що тижнева доза для людини вагою 70 кг виходить такий же - 490 мкг. При розрахунку припускали, що організм засвоює 5% надходить в нього кадмію, а з сечею виходить 0,005% від тієї кількості металу, що вже в ньому є. Однак деякі медики піддають таку модель під сумнів, вказуючи, що їм зустрічалися випадки, коли організм засвоював і 40% надійшов в нього кадмію. Більш того, вимірювання показали, що споживання вже 1 мкг на кг в день призводить до того, що в сечі виявиться 2 мкг кадмію на грам креатиніну, а неприємні ефекти проявляються і при набагато меншому його змісті. (Зміст в сечі кадмію та інших шкідливих металів, концентрація яких мала, зазвичай висловлюють в микрограммах на грам креатиніну - це речовина утворюється при роботі м'язів і постійно виділяється з сечею. Результат, представлений в таких одиницях, не залежить від розведення зразка. Далі слово « креатинін »будемо опускати. Очевидно, що міряти кадмій в сечі набагато простіше, ніж його надходження в організм з різних джерел)

Які це ефекти? При прочитанні огляду складається думка, що кадмій викликає симптоми старості. Перш за все, накопичуючись в нирках, він прискорює деградацію ниркових канальців. За одними даними, якщо з сечею виділяється 2-4 мкг кадмію за добу, ймовірність деградації нирок становить 10%; згідно з іншими, коли міряють НЕ добове виділення, а концентрацію в досліджуваному зразку, небезпечно вже вміст кадмію в сечі 0,67 мкг / г. (Якщо вважати, що за добу з сечею виділяється 1-2 грами креатиніну, то виходить, що небезпечна добова доза виділення кадмію - близько 1 мкг.) В результаті деградації канальців послаблюється здатність нирок повертати в організм вітаміни, мінерали та інші корисні речовини, наприклад пов'язані з металлотіонеінов цинк і мідь, кальцій, фосфати, глюкозу, амінокислоти. Дворазове підвищення рівня кадмію в сечі підвищує вміст в ній кальцію на 2 мг в день. Неважко здогадатися, що втрати кальцію збільшують ризик остеопорозу. Дійсно, в групі жінок старше 50 років з понад 1 мкг / г кадмію в сечі ризик остеопорозу на 43% вище, ніж у тих, у кого було менше 0,5 мкг / г. При змісті кадмію між 1 і 2 мкг / г ризик підвищеного вмісту глюкози і розвитку діабету другого типу - відповідно 1,48 і 1,24 в порівнянні з тими, у кого його менше 1 мкг / г. Обстеження корейців, чверть яких страждала від високого тиску, показало, що ризик цього нездужання у людей з високим вмістом кадмію в півтора рази вище, ніж з низьким. Ризик інфаркту у жінок з вмістом більш 0,88 мкг / г кадмію в сечі в 1,8 раз вище в порівнянні з тими, у кого менше 0,43 мкг / г. Імовірність смерті від раку у чоловіків з менш 0,22 і більше 0,48 мкг / г кадмію в сечі різниться в 4,3 раз. Є підозри, що кадмій знижує плодючість у чоловіків.

Загалом, з даних праці доктора Сатаруга з колегами слід, що саме забруднення навколишнього середовища кадмієм винне в тому, що вікові хвороби протягом XX століття сильно «помолодшали».

Є й дивні дані. Так, помічена сильна зв'язок між вмістом кадмію в сечі і ризиком отримати високий тиск у американців, які не курять, в той час як у курців такого зв'язку не помічено. Тим часом у любителів сигарет споживання кадмію свідомо вище, а, крім того, вміст кадмію в сечі американців взагалі в три з гаком рази менше, ніж у згаданих вище корейців. У курців зі старечою деградацією сітківки рівень кадмію в сечі становив 1,18 мкг / г - майже в два рази більше, ніж у курців без цієї хвороби і здорових некурящих. Однак і у тих некурців, у яких хвороба розвинулася, кадмію було настільки ж мало, як і у здорових людей - значить, справа не тільки в ньому. Подібні суперечливі дані змушують поставити запитання: а може бути, підвищений вміст кадмію в сечі відображає не причину, а наслідок якихось системних процесів в організмі? Зрештою, споживання кадмію в більшості згаданих в огляді роботах не міряли, тільки його вихід.

Як боротися з кадмієм в організмі? Наукових досліджень на цю тему трохи, а принцип вказано в тій же роботі дослідників з Північної Дакоти. Кадмій не входить в число життєво важливих елементів, тому в організмі немає ніяких спеціальних механізмів для його засвоєння - кадмій користується тими, що передбачені для подібних з ним важких металів, що утворюють двовалентні іони: цинку, заліза, марганцю і кальцію. Недолік якогось з цих елементів відразу ж призводить до підвищеного засвоєння кадмію. Так, недолік заліза збільшує вміст кадмію у тайських жінок в три-чотири рази. Те ж саме виявили при вивченні жінок Бангладеш, але в грі брав участь ще й цинк. Звідси випливає, наскільки важливо підтримувати правильний мікроелементний баланс в організмі.

Є й інші ідеї. Наприклад, бразильці показують, що кофеїн суттєво, в два з гаком рази, знижує вміст кадмію і в крові, і в тканинах, в тому числі статевих, у піддослідних щурів ( " Reproductive Toxicology", 2013, 35, 137-143; doi: 10.1016 / j.reprotox.2012.10.009). На думку дослідників, кофеїн утворює комплекси з кадмієм, не допускаючи його засвоєння. Напрошується висновок: звичай запивати трапезу кавою або чаєм, де теж є кофеїн, - правильний.

Іноді виникає парадокс: їжа з високим вмістом кадмію на організмі не позначається. Так, дослідження любителів устриць, проведене в 1986 році, призвело до сюрпризу: при максимальному споживанні 72 устриць в тиждень вони з'їдали жахливі 1750 мкг кадмію, але це ніяк не виявлялося ні в складі сечі, ні в складі волосся. Куди подівся весь цей кадмій, залишається загадкою. Є припущення, що селен, зміст якого в тих устрицях було високим, як-то завадив засвоєнню кадмію, і той, мабуть, вийшов з іншими неїстівними речовинами через кишечник. Втім, у 2008 році відповідність генеральної лінії відновили: у працівників устричної ферми, які щотижня з'їдали по 18 устриць протягом більше 12 років, вміст кадмію в сечі зросла-таки в 2,5 разів у порівнянні із середнім в США - до 0, 76 мкг / г.

А може бути, краще боротися з кадмієм до його проникнення в організм, наприклад стежити, щоб він не потрапляв в грунт і повітря? Звільнити від кадмію фосфорні добрива навряд чи можливо, виводити рослини зі зниженою засвоюваністю кадмію довго і дорого, хоча спроби щодо тютюну робляться, але можна очистити ґрунт рослинами-гіпераккумуляторамі - у випадку з кадмієм це паслін чорний Solanum nigrum, Він же їстівна ягода вороняжка, французька різновид схожою на грицики або гірчицю яруточкі сизуватим або ярутки альпійської ( Thlaspi caerulescens) І китайський очиток Sedum alfredii. Правда, незрозуміло, куди подіти збагачені кадмієм частини цих рослин - в компост і золу, що отримується на садовій ділянці, Вони явно не годяться. При промисловому спалюванні так званого твердого біопалива - соломи, хмизу і т. П. - можливості звільнитися від шкідливого металу є: потрібно відокремлювати містять його високотемпературні фракції диму від низькотемпературних - тоді вийшла золу можна буде без побоювання вносити назад на поле, відновлюючи його родючість.

Але головне, що слід чистити, - це повітря. Найрадикальніший метод вибрали американські, а тепер і євросоюзівські влади - непримиренна боротьба з тютюнопалінням ( " Environmental Health Perspectives"2012, 120, 2, 204-209; doi: 10.1289 / ehp.1104020). Результати в наявності: середній вміст кадмію в сечі американців знизилося з 0,36 мкг / г в 1988 році до 0,26 мкг / г в 2008-му. Оскільки навіть у завзятих курців (а за американськими мірками це 20 і більше пачок на рік) воно впало з 0,71 до 0,49, а у некурців - з 0,26 до 0,19, слід припускати, що заборони на куріння в громадських місцях істотно зменшили ефекти від пасивного споживання тютюнового диму. З урахуванням наведених вище даних про шкідливість мікродоз кадмію, такі заборони здаються самим легкоосуществімим і вельми значущим внеском в громадське здоров'я. Варто було б також посилити вимоги до викидів заводів кольорової металургії, котелень і автомобілів, а заодно зробити так, щоб з-під коліс, «взутих» в гуму, летіло менше шкідливого пилу.

Що таке кадмій? Це важкий метал, який виходить в результаті виплавки інших металів, таких як цинк, мідь або свинець. Його широко використовують для виготовлення нікель-кадмієвих акумуляторів. Крім того, сигаретний дим також містить такий елемент. В результаті безперервного впливу кадмію виникають дуже важкі захворювання легенів і нирок. Розглянемо особливості цього металу більш докладно.

Сфера застосування кадмію

Велика частина промислового використання цього металу доводиться на захисні покриття, які захищають метали від корозії. Таке покриття має велику перевагу перед цинковими, нікелевими або олов'яними, тому що при деформації воно не відшаровується.

Яке ще може бути застосування кадмію? Він використовується для виробництва сплавів, які чудово піддаються механічній обробці. Сплави кадмію з незначними добавками міді, нікелю і срібла застосовують для виготовлення підшипників автомобільних, авіаційних і суднових двигунів.

Де ще використовується кадмій?

Зварювальники, металурги і працівники, пов'язані з текстильною, електронною промисловістю і виробництвом акумуляторів, частіше за інших піддаються ризику отруєнням кадмієм. Нікель-кадмієві акумулятори застосовуються в мобільних телефонах і інших електронних пристроях. Використовується цей метал також у виробництві пластика, фарб, металевих покриттів. Багато грунту, які регулярно удобрюють, також можуть містити такий токсичний метал у великій кількості.

кадмій: властивості

Кадмій, а також його сполуки характеризуються як але не було доведено, що невелика кількість елемента в навколишньому середовищі викликає ракові захворювання. Вдихання часток металу на промисловому виробництві дійсно сприяє розвитку раку легенів, але при вживанні зараженої їжі вони не становлять небезпеки розвитку раку.

Яким чином кадмій потрапляє в організм людини?

Вже давно всім відомо, що сигаретний дим містить кадмій. Цей важкий метал надходить в організм курця в кількості, в два рази більшому, ніж в організм людини, який не схильний до такої шкідливої \u200b\u200bзвички. Однак пасивне куріння здатне завдати шкоди.

Листові овочі, злаки і картопля, вирощені на грунті, що містить велику кількість кадмію, можуть нести в собі загрозу. Підвищеним вмістом цього металу також славиться печінку і нирки морських мешканців і тварин.

Багато промислових підприємств, особливо металургійні, виділяють в атмосферу велику кількість кадмію. Люди, які проживають близько таких підприємств, автоматично заносяться в групу ризику.

Деякі сільськогосподарські райони активно застосовують фосфатні добрива, які містять незначну кількість кадмію. Продукти, вирощені на цій землі, представляють для людини потенційну загрозу.

Вплив кадмію на організм людини

Таким чином, ми розібрали, що представляє собою кадмій. Вплив на організм людини цього важкого металу може викликати негативні наслідки. У будь-якому живому організмі він знаходиться в незначній кількості, і його біологічна роль досі до кінця не з'ясована. Зазвичай кадмій асоціюється з негативною функцією.

Його токсична дія заснована на блокуванні сірковмісних амінокислот, що призводить до порушення білкового обміну і поразки ядра клітини. Цей важкий метал сприяє виведенню кальцію з кісток і вражає нервову систему. Може накопичуватися в нирках і печінці, а виводиться з організму він дуже повільно. Цей процес може займати десятиліття. Зазвичай кадмій виводиться з сечею та калом.

вдихання кадмію

Цей елемент потрапляє в організм працівників промисловості при вдиханні. Щоб не допустити цього, використовують ефективні захисні засоби. Нехтування цим правилом призводить до сумних наслідків. Якщо вдихнути кадмій, вплив на організм людини такого металу проявляється наступним чином: підвищується температура тіла, з'являється озноб і болю в м'язах.

Через деякий час відбувається пошкодження легенів, виникає біль у грудях, задишка, кашель. У важких випадках такий стан викликає смерть хворого. Вдихання повітря, що містить кадмій, сприяє розвитку захворювань нирок і остеопорозу. Захворіти на рак легенів підвищується в кілька разів.

Надходження кадмію разом з їжею

Чим небезпечний кадмій у воді і їжі? При регулярному вживанні заражених продуктів і води в організмі починає накопичуватися цей метал, що призводить до негативних наслідків: порушується робота нирок, відбувається ослаблення кісткової тканини, вражається печінка, серце, а у важких випадках настає смерть.

Вживання продуктів, забруднених кадмієм, може спровокувати подразнення шлунка, нудоту, біль в животі, діарею і блювоту. Крім цього, з'являються симптоми, що нагадують грип, розвивається набряк гортані і виникає поколювання в руках.

Причини отруєння кадмієм

Отруєння важкими металами найчастіше відбувається у дітей, діабетиків, вагітних і жінок, що годують, людей, що зловживають курінням. В Японії інтоксикація організму кадмієм відбувається в результаті вживання забрудненої рису. У цьому випадку розвивається апатія, уражаються нирки, кістки розм'якшуються і деформуються.

Промислово розвинені райони, в яких розташовуються нафтопереробні та металургійні підприємства, славляться тим, що там грунт забруднена кадмієм. Якщо в таких місцях вирощують рослинну продукцію, то велика ймовірність того, що відбудеться отруєння важкими металами.

Елемент у великих кількостях може накопичуватися в тютюні. Якщо сировина висушується, то вміст металу різко збільшується. Надходження в організм кадмію відбувається як при активному, так і при Виникнення раку легенів безпосередньо залежить від змісту в димі металу.

Лікування при отруєнні

кадмієм:

ураження центральної нервової системи;
гострі болі в кістках;
білок в сечі;
камені в нирках;
дисфункція статевих органів.

Якщо відбулося гостре отруєння, потерпілому слід перебувати в теплі, йому необхідно забезпечити приплив свіжого повітря і спокій. Після промивання шлунка йому потрібно дати тепле молоко, в яке додають трохи харчової соди. Не існує будь-яких антидотів кадмію. Щоб нейтралізувати метал, використовують "Унітіол", стероїди і сечогінні препарати. Комплексне лікування передбачає застосування антагоністів кадмію (цинк, залізо, селен, вітаміни). Лікар може призначити загальнозміцнювальну дієту, що містить велику кількість клітковини і пектинових речовин.

Можливі наслідки

Такий метал, як кадмій, вплив на організм людини робить дуже серйозний, а якщо відбулося отруєння цим елементом, то наслідки можуть бути небезпечними. Він витісняє кальцій з кісток, сприяючи розвитку остеопорозу. У дорослих і дітей починає викривлятися хребет і відбувається деформація кісток. У дитячому віці подібне отруєння призводить до енцефалопатії та нейропатії.

висновок

Таким чином, ми розібрали, що представляє собою такий важкий метал, як кадмій. Вплив на організм людини цього елемента досить серйозне. Поступово накопичуючись в організмі, він призводить до руйнування багатьох органів. Можна навіть отруїтися кадмієм, якщо вживати у великій кількості заражені продукти. Наслідки отруєння також досить небезпечні.

Кадмій (латинське Cadmium, позначається символом Cd) - елемент з атомним номером 48 і атомною масою 112,411. Є елементом побічної підгрупи другої групи, п'ятого періоду періодичної системи хімічних елементів Дмитра Івановича Менделєєва. При нормальних умовах проста речовина кадмій - важкий (щільність 8,65 г / см3) м'який ковкий тягучий перехідний метал сріблясто-білого кольору.

Природний кадмій складається з восьми ізотопів, шість з яких стабільні: 106Cd (ізотопна поширеність 1,22%), 108Cd (0,88%), 110Cd (12,39%), 111Cd (12,75%), 112Cd (24, 07%), 114Cd (28,85%). Для двох інших природних ізотопів виявлена \u200b\u200bслабка радіоактивність: 113Cd (ізотопна поширеність 12,22%, β-розпад з періодом напіврозпаду 7,7 ∙ 1015 років) і 116Cd (ізотопна поширеність 7,49%, подвійний β-розпад з періодом напіврозпаду 3, 0 ∙ 1019 років).

Сорок восьмий елемент періодичної системи був відкритий німецьким професором Фрідріхом Штромейер в 1817 році, це відкриття можна назвати випадковим. Справа в тому, що провізори Магдебурга при вивченні препаратів, що містять оксид цинку ZnO, запідозрили в них присутність миш'яку. Так як окис цинку входить до складу багатьох мазей, присипок і емульсій, застосовуваних при різних шкірних хворобах, перевіряючі категорично заборонили продаж всіх підозрілих ліків. Природно, що виробник лікарських препаратів, відстоюючи свої інтереси, зажадав незалежної експертизи. У ролі експерта виступив Штромейер. Він виділив з ZnO коричнево-бурий оксид, відновив його воднем і отримав сріблясто-білий метал, який був їм названий «кадмієм» (від грец. Kadmeia - нечистий оксид цинку, також цинкова руда). Незалежно від професора Штромейер кадмій був виявлений в сілезьких цинкових рудах групою німецьких вчених - К. Германом, К. Карстеном і В. Мейснером в 1818 році.

Кадмій добре поглинає повільні нейтрони, з цієї причини кадмієві стрижні застосовують в ядерних реакторах для регулювання швидкості ланцюгової реакції. Кадмій використовується в лужних акумуляторах, входить як компонент до деяких сплави. Так, наприклад, сплави міді, що містять близько 1% Cd (кадмієві бронзи), служать для виготовлення телеграфних, телефонних, тролейбусних проводів, так як ці сплави мають більшу міцність і зносостійкість, ніж мідь. Ряд легкоплавких сплавів, наприклад, що застосовуються в автоматичних вогнегасниках, містять сорок восьмий елемент. Крім того, кадмій входить до складу деяких ювелірних сплавів. Цей метал застосовується для кадмирования сталевих виробів, адже він несе на своїй поверхні оксидну плівку, що володіє захисною дією. Справа в тому, що в морській воді і в ряді інших середовищ кадміювання більш ефективно, ніж цинкування. Кадмій має довгу історію використання в гомеопатичної медицини. Широке застосування знайшли і з'єднання сорок восьмого елемента - сульфід кадмію застосовується для виготовлення жовтої фарби і кольорового скла, а фтороборат кадмію - важливий флюс, вживаний для пайки алюмінію та інших металів.

Кадмій виявлений в організмі всіх хребетних тварин, встановлено, що він впливає на вуглецевий обмін, активність ряду ферментів і синтез гиппуровой кислоти в печінці. Однак з'єднання кадмію отруйні, а сам метал є канцерогеном. Особливо небезпечно вдихання парів оксиду кадмію CdO, нерідкі випадки зі смертельними наслідками. Шкідливо і проникнення кадмію в шлунково-кишковий тракт, але випадків смертельного отруєння не зафіксовано, найімовірніше це пов'язано з тим, що організм сам прагне позбутися токсину (блювота).

біологічні властивості

Виявляється, кадмій присутній практично у всіх живих організмах - в наземних зміст сорок восьмого елемента приблизно дорівнює 0,5 мг на 1 кг маси, в морських організмах (губки, кишковопорожнинні, голкошкірі, черв'яки) - від 0,15 до 3 мг / кг, вміст кадмію в рослинах становить близько 10-4% (на суху речовину). Незважаючи на присутність кадмію в більшості живих організмів, його специфічне фізіологічне значення поки достовірно не встановлено. Вченим вдалося з'ясувати, що цей елемент впливає на вуглеводний обмін, на синтез в печінці гиппуровой кислоти, на активність ряду ферментів, а також на обмін в організмі цинку, міді, заліза і кальцію. Існує припущення, обгрунтоване деякими дослідженнями, що мікроскопічні кількості кадмію в їжі можуть стимулювати зростання у ссавців. З цієї причини деякі вчені зараховують кадмій до умовно-есенціальним мікроелементам, тобто життєво-важливим, але токсичним в певних дозах. Навіть в організмі цілком здорової людини міститься невелика кількість кадмію. І все-таки, незважаючи на це, кадмій відносять до найбільш токсичним важким металам - Російським СанПіНом він віднесений до 2-го класу небезпеки - високонебезпечні речовини - куди входять також сурма, стронцій, фенол та інші отруйні речовини. У бюлетені «Проблеми хімічної безпеки» від 29 квітня 1999 року кадмій фігурує як «найбільш небезпечний екотоксикантами на рубежі тисячоліть»!

Як і інші важкі метали, кадмій є кумулятивним отрутою, тобто, він здатний накопичуватися в організмі - період його напіввиведення становить від 10 до 35 років. Людський організм до п'ятдесяти років здатний накопичити від 30 до 50 мг кадмію. Основними «депо відкладення» сорок восьмого елемента в людському тілі є нирки, які містять від 30 до 60% сумарної кількості цього металу в організмі, печінку (20-25%). У меншій мірі накопичувати кадмій здатні: підшлункова залоза, селезінка, трубчасті кістки, інші органи та тканини. У невеликих кількостях сорок восьмий елемент присутній навіть в крові. Однак, на відміну від свинцю або ртуті, кадмій не проникає в мозок. Здебільшого кадмій в організмі знаходиться в зв'язаному стані - в комплексі з білком-металлотіонеіном - це своєрідний захисний механізм, реакція організму на присутність важкого металу. У такому вигляді кадмій менш токсичний, однак, навіть у зв'язаному вигляді він не стає нешкідливим - накопичуючись роками цей метал здатний привести до порушення роботи нирок і підвищеної ймовірності утворення ниркових каменів. Набагато небезпечніше кадмій, що знаходиться в іонній формі, адже він хімічно дуже близький до цинку і здатний заміщати його в біохімічних реакціях, виступаючи в якості псевдоактіватора або, навпаки, інгібітору містять цинк білків і ферментів. Кадмій зв'язується з цитоплазматическим і ядерним матеріалом клітин і пошкоджує їх, змінює активність багатьох гормонів і ферментів, що пояснюється його здатністю зв'язувати сульфгідрильні (-SH) групи. Крім того, сорок восьмий елемент, в зв'язку з близькістю іонних радіусів кальцію і кадмію, здатний заміщати кальцій в кістковій тканині. Така ж ситуація з залізом, яке кадмій також здатний заміщати. З цієї причини недолік кальцію, цинку і заліза в організмі здатний привести до підвищення засвоюваності кадмію з шлунково-кишкового тракту до 15-20%. Вважається, що нешкідливою добовою дозою кадмію для дорослої людини є 1 мкг кадмію на 1 кг власної ваги, великі кількості кадмію надзвичайно небезпечні для здоров'я.

Які ж механізми надходження кадмію та його з'єднань в організм? Отруєння відбувається при вживанні води (ГДК для питної води становить 0,01 мг / л), забрудненої кадміесодержащімі відходами, а також при вживанні в їжу овочів і зернових, які ростуть на землях, розташованих поблизу від нафтоперегінних заводів і металургійних підприємств. Особливо небезпечне вживання грибів з таких територій, так як вони, за деякими відомостями, здатні накопичувати більше 100 мг кадмію на кг власної ваги. Куріння - ще одне джерело надходження кадмію в організм, причому, як самого кращого, так і оточуючих його людей, адже метал знаходиться в тютюновому димі. Характерними ознаками хронічного отруєння кадмієм є, як говорилося раніше, ураження нирок, болі в м'язах, руйнування кісткової тканини, анемія. Гостре харчове отруєння кадмієм настає при надходженні великих разових доз з їжею (15-30 мг) або з водою (13-15 мг). При цьому спостерігаються ознаки гострого гастроентериту - блювота, болі і судоми в епігастральній ділянці, однак випадки смертельного отруєння сполуками кадмію, які потрапили в організм з їжею, науці невідомі, але за оцінками ВООЗ летальна разова доза може становити 350-3500 мг. Набагато небезпечніше отруєння кадмієм при вдиханні його парів (CdO) або кадмійсодержащей пилу (як правило, це відбувається на пов'язаних з використанням кадмію виробництвах). Симптомами подібного отруєння є набряк легенів, головний біль, нудота або блювота, озноб, слабкість і діарея. В результаті таких отруєнь були зафіксовані смертельні випадки.

Протиотрутою при отруєнні кадмієм є селен, який сприяє зниженню засвоюваності сорок восьмого елемента. Однак потрібно збалансований прийом селену, пов'язано це з тим, що велика кількість його в організмі призводить до зниження вмісту сірки, а це обов'язково призведе до того, що кадмій знову стане легко засвоюватися організмом.

Встановлено, що одна сигарета містить від 1 до 2 мкг кадмію. Виходить, що людина, що викурює за день хоча б пачку сигарет, отримує додатково близько 20 мкг кадмію, як мінімум! Небезпека полягає і в тому, що засвоюваність сорок восьмого елемента через легені максимальна - від 10 до 20%, таким чином, в організмі курця засвоюється від 2 до 4 мкг кадмію з кожної пачкою сигарет! Канцерогенну дію нікотину, що міститься в тютюновому димі, як правило, пов'язано з присутністю кадмію, причому він не затримується навіть вугільними фільтрами.

Приклад масового хронічного отруєння кадмієм з численними смертельними наслідками був описаний в кінці 50-х років XX століття. На території Японії були зафіксовані випадки масового захворювання, яке місцеві жителі прозвали «ітай-ітай», що дослівно можна перекласти, як «ой-ой, як боляче!». Симптомами хвороби були сильні поперекові болі, що, як пізніше з'ясувалося, було викликано незворотними ураженнями нирок; сильними болями в м'язах. Повсюдне поширення хвороби і настільки важке її протікання були викликані високою забрудненістю навколишнього середовища в Японії в той час і специфікою харчування японців (рис і морепродукти накопичують велику кількість кадмію). Було встановлено, що хворі на дивну хворобу вживали близько 600 мкг кадмію щодоби!

Сплав Вуда (Wood "s metal), що містить 50% вісмуту, 12,5% олова, 25% свинцю, 12,5% кадмію, легко можна розплавити в киплячій воді. Сплав був винайдений в 1860 році не надто відомим англійським інженером Б. Вудом (B.Wood). З цим легкоплавким сплавом пов'язано кілька цікавих фактів: по-перше, перші літери компонентів сплаву Вуда утворюють абревіатуру ВІСК, по-друге, досить часто винахід помилково приписують однофамільця Б.Вуда - знаменитому американському фізику Роберту Вільямсу Вуду, який народився лише через вісім років.

Не так давно сорок восьмий елемент періодичної системи надійшов на «озброєння» Скотленд-ярда: за допомогою найтоншого шару кадмію, напиляного на обследуемую поверхню, вдається швидко виявити чіткі відбитки пальців злочинця.

У 1968 році один із співробітників служби охорони здоров'я США (доктор Керрол) виявив прямий зв'язок між смертністю від серцево-судинних захворювань і вмістом кадмію в атмосфері. До таких висновків він дійшов, проаналізувавши дані 28 міст. У чотирьох з них - Нью-Йорку, Чикаго, Філадельфії і Індіанополіса - вміст кадмію в повітрі виявилося значно вище, ніж в інших містах; більш високою була тут і частка смертних випадків в результаті хвороб серця.

Крім «стандартних» заходів по обмеженню викидів кадмію в атмосферу, воду і грунт (фільтра та очищувачі на підприємствах, видалення житла і посівних полів від таких підприємств), вчені розробляють і нові - перспективні. Так американські вчені в бухті річки Міссісіпі висадили водні гіацинти, вважаючи, що з їх допомогою вдасться очистити воду від таких небажаних елементів, як кадмій і ртуть.

Історія

Історії відомо чимало «відкриттів», які були зроблені під час різних перевірок, оглядів та ревізій. Однак подібні знахідки мають скоріше кримінальний характер, ніж науковий. І все-таки був такий випадок, коли почалася ревізія в результаті привела до відкриття нового хімічного елемента. Сталося це в Німеччині на початку XIX століття. Окружний лікар Р. Ролов перевіряв аптеки свого округу, в ході ревізії - в ряді аптек поблизу Магдебурга - він виявив окис цинку, зовнішній вигляд якої викликав підозри і наводив на думку про вміст в ній миш'яку. На підтвердження своїх припущень Ролов розчинив вилучений препарат в кислоті і пропустив через розчин сірководню, що призвело до випадання жовтого осаду, схожого на сульфід миш'яку. Негайно були вилучені з продажу всі підозрілі лікарські препарати - мазі, присипки, емульсії, порошки. Подібний крок обурив власника фабрики в Шенебек, що виробляла все забраковані ролів препарати. Цей підприємець - Герман, будучи за професією хіміком, провів власну експертизу товару. Випробувавши весь відомий в той час арсенал дослідів по виявленню миш'яку, він переконався в тому, що його продукція чиста в цьому відношенні, а смути ревізора жовтий колір окису цинку надає залізо. Повідомивши про результати своїх дослідів ролів і владі землі Ганновер, Герман зажадав незалежної експертизи і повної «реабілітації» свого товару. В результаті було вирішено з'ясувати думку професора Штромейер, який очолював кафедру хімії Геттінгенського університету, а за сумісництвом обіймав пост генерального інспектора всіх ганноверських аптек. Природно, що Штромейер на перевірку відіслали не тільки окис цинку, а й інші цинкові препарати з Шенебекской фабрики, в тому числі карбонат цинку, з якого цей окис отримували. Прокалив карбонат цинку ZnCO3, Фрідріх Штромейер отримав оксид, але не білий, як це повинно було бути, а жовтуватий. В результаті подальших досліджень, виявилося, що препарати не містять ні миш'яку, як припускав Ролів, ні заліза, як думав Герман. Причиною незвичайної колірної забарвлення був зовсім інший метал - раніше невідомий і за властивостями дуже схожий з цинком. Відмінність була лише в тому, що гідроокис його, на відміну від Zn (OH) 2, що не була амфотерной, а мала яскраво виражені основні властивості. Штромейер назвав новий метал кадмієм, натякаючи на сильну схожість нового елемента з цинком - грецьким словом καδμεια (kadmeia) здавна позначали цинкові руди (наприклад, смітсоніт ZnCO3) і окис цинку. У свою чергу це слово походить від імені фінікійці Кадма, який, згідно з переказами, першим знайшов цинковий камінь і відкрив його здатність надавати міді (при виплавці її з руди) золотистий колір. Згідно давньогрецьких міфів існував і інший Кадм - герой, який переміг Дракона і побудував на землях поваленого їм ворога фортеця Кадмею, навколо якої згодом виріс великий семибрамних місто Фіви. У семітських ж мовами «кадмос» означає «східний», що, можливо, зводить назва мінералу від місць його видобутку або експорту з будь-якої східної країни або провінції. У 1818 році Фрідріх Штромейер опублікував докладний опис нового металу, властивості якого він вже встиг добре вивчити. У вільному вигляді новий елемент був білий метал, м'який і не дуже міцний, зверху покритий коричневою плівкою оксиду. Досить скоро, як це часто буває, пріоритет Штромейер у відкритті кадмію стали заперечувати, проте всі претензії незабаром були відкинуті. Трохи пізніше інший німецький хімік Керстен, знайшов новий елемент в силезской цинкової руди і назвав його Меллін (від латинського mellinus - «жовтий, як айва»). Причиною такого назви послужив колір осаду, що утворюється під дією сірководню. На жаль Керстена «Меллін» виявився «кадмієм» Штромейер. Ще пізніше були запропоновані й інші назви сорок восьмому елементу: в 1821 році Джон запропонував іменувати новий елемент «Клапрота» - на честь відомого хіміка Мартіна Клапрота - першовідкривача урану, цирконію і титану, а Гільберт «Юнона» - по імені відкритого в 1804 році астероїда Юнони. Але як би не були великі заслуги Клапрота перед наукою, його імені не судилося закріпитися в списку хімічних елементів: кадмій залишився кадмієм. Правда, в російській хімічної літературі першої половини XIX століття кадмій нерідко називали кадмію.

Знаходження в природі

Кадмій типово рідкісний і досить розсіяний елемент, середній вміст даного металу в земній корі (кларк) оцінюється приблизно 1,3 10-5% або 1,6 10-5% по масі, виходить, що в літосфері кадмію приблизно 130 мг / т. Кадмію настільки мало в надрах нашої планети, що навіть вважається рідкісним германію в 25 разів більше! Приблизно такі ж співвідношення у кадмію і з іншими рідкісними металами: берилієм, цезієм, скандієм і индием. Кадмій близький за поширеністю до сурмі (2 10-5%) і в два рази більше поширений, ніж ртуть (8 10-6%).

Для сорок восьмого елемента характерна міграція в гарячих підземних водах разом з цинком (кадмій міститься у вигляді ізоморфної домішки в багатьох мінералах і завжди в мінералах цинку) і іншими халькофільнимі елементами, тобто хімічними елементами, схильними до утворення природних сульфідів, селенидов, теллуридов, сульфосолей і іноді зустрічаються в самородному стані. Крім того, сорок восьмий елемент концентрується в гідротермальних відкладеннях. Досить багаті кадмієм вулканічні породи, що містять до 0,2 мг кадмію на кг; серед осадових порід найбільш багаті сорок восьмим елементом глини - до 0,3 мг / кг (для порівняння вапняки містять кадмію 0,035 мг / кг, пісковик - 0,03 мг / кг). Середній вміст кадмію в грунті - 0,06 мг / кг. Також, цей рідкісний метал присутній у воді - в розчиненому вигляді (сульфат, хлорид, нітрат кадмію) і в підвішеному вигляді в складі органо-мінеральних комплексів. У природних умовах сорок восьмий елемент потрапляє в підземні води в результаті вилуговування руд кольорових металів, а також в результаті розкладання водних рослин і організмів, здатних його накопичувати. З початку XX століття переважаючим фактором надходження кадмію в води і грунт стало антропогенне забруднення кадмієм природних вод. На вміст кадмію у воді істотно впливає pH середовища (в лужному середовищі кадмій випадає в осад у вигляді гідроксиду), а також сорбційні процеси. З тієї ж антропогенної причини кадмій присутній і в повітрі. У сільській місцевості вміст кадмію в повітрі становить 0,1-5,0 нг / м3 (1 нг або 1 нанограмм \u003d 10-9 грам), в містах - 2-15 нг / м3, в промислових районах - від 15 до 150 нг / м3. Головним чином потрапляння кадмію в атмосферне повітря пов'язано з тим, що багато вугілля, що спалюються на теплоелектростанціях, містять цей елемент. Осідаючи з повітря, кадмій потрапляє в воду і грунт. Збільшення вмісту кадмію в грунті сприяє використання мінеральних добрив, адже практично всі вони містять незначні домішки цього металу. З води і грунту кадмій потрапляє в рослини і живі організми і далі по харчовому ланцюжку може «поставлятися» людині.

Кадмій має власні мінерали: Хоулі, отаву CdCO3, монтемпоніт CdO (містить 87,5% Cd), гринокіт CdS (77,8% Cd), ксантохроіт CdS (H2O) х (77,2% Cd) кадмоселіт CdSe (47% Cd ). Однак своїх родовищ вони не утворюють, а присутні у вигляді домішок в цинкових, мідних, свинцевих і поліметалічних рудах (більше 50), які і є основним джерелом промислового видобутку сорок восьмого елемента. Причому головну роль відіграють руди цинку, де концентрація кадмію коливається від 0,01 до 5% (в Сфалерит ZnS). У більшості ж випадків вміст кадмію в Сфалерит не перевищує 0,4 - 0,6%. Кадмій накопичується також в галеніті (0,005 - 0,02%), станете (0,003 - 0,2%), піриті (до 0,02%), халькопірит (0,006 - 0,12%), однак з цих сульфідів кадмій зазвичай не витягується.

застосування

Головним споживачем сорок восьмого елемента є виробництво хімічних джерел струму: нікель-кадмієві та срібно-кадмієві акумулятори, свинцево-кадмієві та ртутно-кадмієві елементи в резервних батареях, нормальні елементи Вестона. Застосовувані в промисловості кадмійнікелевих акумулятори (АКН) - одні з найбільш затребуваних серед інших хімічних джерел струму. Негативні пластини подібних акумуляторів виконані із залізних сіток з губчастим кадмієм в якості активного агента, а позитивні пластини покриті окисом нікелю. В якості електроліту виступає розчин їдкого калі (гідроксид калію). Нікель-кадмієві лужні акумулятори більш надійні, ніж кислотні свинцеві. Хімічні джерела струму, що використовують кадмій відрізняються тривалим терміном експлуатації, стабільністю роботи і високими електричними характеристиками. Крім усього іншого, підзарядка даних акумуляторів займає менше однієї години! Однак АКН можна заряджати без повної попередньої розрядки, і в цьому вони, звичайно ж, поступаються металогідридним акумуляторів.

Інша широка область застосування кадмію - нанесення захисних антикорозійних покриттів на метали (кадміювання). Кадмієві покриття надійно оберігає залізні і сталеві вироби від атмосферної корозії. У минулому кадміювання виробляли шляхом занурення металу в розплавлений кадмій, сучасний процес здійснюють виключно електролітичним шляхом. Кадміювання піддають найбільш відповідальні деталі літаків, кораблів, а також деталі та механізми, призначені для роботи в умовах тропічного клімату. Відомо, що деякі властивості цинку і кадмію схожі, однак у кадмиевого покриття є певні переваги перед оцинкованим: по-перше, воно більш стійке до корозії, по-друге, його легше зробити рівним і гладким. Крім того, на відміну від цинку, кадмій стійкий в лужному середовищі. Кадмірованная жесть використовується досить широко, однак існує область, в якій застосування покриття з сорок восьмого елемента суворо заборонено - це харчова промисловість. Пов'язано це з високою токсичністю кадмію. До певного моменту поширення кадмієвих покриттів було обмежено і з іншої причини - при електролітичному нанесенні кадмію на сталеву деталь в метал може проникнути що міститься в електроліті водень, а, як відомо, цей елемент викликає у високоміцних сталей водневу крихкість, що приводить до несподіваного руйнування металу під навантаженням . Проблему вдалося вирішити радянським вченим з Інституту фізичної хімії Академії наук СРСР. Виявилося, що незначна добавка титану (один атом титану на тисячу атомів кадмію) оберігає кадмірованную сталеву деталь від виникнення водневої крихкості, оскільки титан в процесі нанесення покриття поглинає зі сталі весь водень.

Порядку десятої частини світового виробництва кадмію витрачається на виробництво сплавів. Невелика температура плавлення - одна з причин широкого застосування кадмію в легкоплавких сплавах. Таким, наприклад, є сплав Вуда, що містить 12,5% сорок восьмого елемента. Подібні сплави використовують як припої, як матеріал для отримання тонких і складних виливків, в автоматичних протипожежних системах, для спайки скла з металом. Припої, що містять сорок восьмий елемент, досить стійкі до температурних коливань. Інша відмінна риса кадмієвих сплавів - їх високі антифрикційні властивості. Так, сплав, який містить 99% кадмію та 1% нікелю, застосовують для виготовлення підшипників, що працюють в автомобільних, авіаційних і суднових двигунах. Оскільки кадмій недостатньо стійкий до дії кислот, в тому числі і що містяться в мастильних матеріалах органічних кислот, підшипникові сплави на основі кадмію покривають индием. Легування міді малими добавками кадмію (менше 1%) дозволяє робити більш зносостійкі дроти на лініях електричного транспорту. Настільки незначні добавки кадмію здатні значно підвищити міцність і твердість міді, практично не погіршуючи її електричних властивостей. Амальгаму кадмію (розчин кадмію в ртуті) використовують в стоматологічній техніці для виготовлення зубних пломб.

У сорокові роки XX століття у кадмію з'явилося нове амплуа - з нього стали робити регулюючі та аварійні стрижні атомних реакторів. Причина, по якій сорок восьмий елемент в найкоротший термін став стратегічним матеріалом, полягала в тому, що він дуже добре поглинає теплові нейтрони. А адже перші реактори початку «атомного століття» працювали виключно на теплових нейтронах. Лише пізніше з'ясувалося, що реактори на швидких нейтронах більш перспективні і для енергетики, і для отримання ядерного пального - 239Pu, а проти швидких нейтронів кадмій безсилий, він їх не затримує. Однак ще за часів реакторів на теплових нейтронах кадмій втратив чільну роль, поступившись її бору і його сполук.

Порядку 20% кадмію (у вигляді сполук) використовується для виробництва неорганічних барвників. Сульфід кадмію CdS - важливий мінеральний барвник, що раніше називався кадмиевой жовтий. Вже на початку XX століття було відомо, що можна отримати кадмієві жовтий шести відтінків, починаючи від лимонно-жовтого до помаранчевого. Отримувані при цьому фарби стійкі до слабких лугів і кислот, а до сірководню абсолютно не чутливі. Фарби на основі CdS використовувалися в багатьох областях - живопису, друку, розпису порцеляни, ними покривали пасажирські вагони, захищаючи їх від паровозного диму. Барвники, що містять сульфід кадмію, використовували в текстильному і миловарному виробництвах. Однак в даний час досить дорогий сульфід кадмію часто замінюють дешевшими барвниками - кадмопоном (суміш сульфіду кадмію і сульфату барію) і цинко-кадмієвих літопон (склад, як і у кадмопона, плюс сульфід цинку). Інше з'єднання сорок восьмого елемента - селенід кадмію CdSe - застосовують як червону фарбу. Однак не тільки у виробництві барвників знайшли своє застосування сполуки сорок восьмого елемента - сульфід кадмію, наприклад, також застосовується для виробництва плівкових сонячних батарей, коефіцієнт корисної дії яких становить близько 10-16%. Крім того, CdS - досить хороший термоелектричний матеріал, який використовується як компонент напівпровідникових матеріалів і люмінофорів. Іноді кадмій використовують в кріогенної техніки, що пов'язано з його максимальної теплопровідністю (щодо інших металів) поблизу абсолютного нуля.

виробництво

Головні «постачальники» сорок восьмого елемента - це побічні продукти переробки цинкових, мідно-цинкових і свинцево цинкових руд. Що ж до власних мінералів кадмію, то єдиним, що становлять інтерес в отриманні сорок восьмого елемента, є гринокіт CdS, так звана «кадмієва обманка». Видобувається гринокіт спільно з фаерітом при розробці цинкових руд. У процесі переробки кадмій накопичується в побічних продуктах процесу, звідки його потім витягають. При переробці поліметалічних руд, як говорилося раніше, кадмій є побічним продуктом цинкового виробництва. Це або мідно-кадмієві кеки (опади металів, отримані внаслідок очищення розчинів сульфату цинку ZnSO4 дією цинкового пилу), які містять від 2 до 12% Cd, або пуссьери (летючі фракції, які утворюються при дистиляційному отриманні цинку), що містять від 0,7 до 1,1% кадмію. Найбільш багаті сорок восьмим елементом концентрати, отримані при ректифікації очищенні цинку, вони можуть містити до 40% кадмію. З мідно-кадмієвих Кекова і інших продуктів з високим вмістом сорок восьмого елемента його зазвичай витравлюють сірчаної кислотою H2SO4 при одночасній аерації повітрям. Процес ведуть в присутності окислювача - марганцевої руди або оборотного марганцевого шламу з електролізних ванн.

Крім того, кадмій витягується з пилу свинцевих і мідеплавильних заводів (вона може містити від 0,5 до 5% і від 0,2 до 0,5% кадмію, відповідно). У таких випадках пил зазвичай обробляють концентрованою сірчаною кислотою H2SO4, а потім вийшов сульфат кадмію витравлюють водою. З отриманого розчину сульфату кадмію дією цинкового пилу осаджують кадмієві губку, після чого її розчиняють в сірчаної кислоти і очищають розчин від домішок дією карбонату натрію Na2CO3 або оксиду цинку ZnO, можливо також використання методів іонного обміну. Металевий кадмій виділяють електролізом на алюмінієвих катодах або ж відновленням цинком (витісненням цинком оксиду кадмію CdO з розчинів CdSO4) із застосуванням відцентрових реакторів-сепараторів. Рафінування металевого кадмію зазвичай полягає в переплавки металу під шаром лугу (для видалення цинку і свинцю), при цьому можливе використання Na2CO3; обробці розплаву алюмінієм (для видалення нікелю) і хлоридом амонію NH4Cl (для видалення талію). Кадмій більш високої чистоти отримують електролітичним рафінуванням з проміжною очищенням електроліту, яка проводиться із застосуванням іонного обміну або екстракцією; ректифікацією металу (зазвичай при зниженому тиску), зонної плавкою або іншими кристалізаційними методами. Поєднуючи вище наведені способи очищення, можливо отримання металевого кадмію з вмістом основних домішок (цинк, мідь та інші) всього 10-5% по масі. Крім того, для очищення сорок восьмого елемента можуть бути використані методи електропереносу в рідкому кадмії, електрорафінування в розплаві гідроксиду натрію NaOH, амальгамного електролізу. При поєднанні зонного плавлення з електропереносу поряд з очищенням може відбуватися і поділ ізотопів кадмію.

Світовий обсяг виробництва кадмію в значній мірі пов'язаний з масштабами виробництва цинку і за останні десятиліття значно зріс - за даними 2006 року в світі вироблялося близько 21 тисячі тонн кадмію, в той час як в 1980 році ця цифра становила лише 15 тисяч тонн. Зростання споживання сорок восьмого елемента триває і зараз. Основними виробниками даного металу вважаються країни Азії: Китай, Японія, Корея, Казахстан. На їх частку припадає 12 тисяч тонн від загального виробництва. Великими виробниками кадмію також можна вважати Росію, Канаду і Мексику. Зсув масового виробництва кадмію в бік Азії пов'язано з тим, що в Європі відбулося скорочення використання сорок восьмого елемента, а в Азіатському регіоні навпаки - зростає попит на нікель-кадмієві елементи, що змушує багатьох переводити виробництво в країни Азії.

Фізичні властивості

Кадмій - сріблясто-білий метал, що відливає синявою на свіжому зрізі, однак тускнеющій на повітрі через утворення захисної окисної плівки. Кадмій досить м'який метал - він твердіше олова, але м'якше цинку, його цілком можливо розрізати ножем. У сукупності з м'якістю сорок восьмий елемент володіє такими важливими для промисловості якостями, як гнучкість і тягучість - він відмінно прокочується в листи і простягається в дріт, без особливих проблем піддається поліровці. При нагріванні вище 80 ° C кадмій втрачає свою пружність, причому настільки, що його легко можна потовкти в порошок. Твердість кадмію по Моосу дорівнює двом, по Брінеллю (для відпаленого зразка) 200-275 МПа. Межа міцності при розтягуванні 64 Мн / м2 або 6,4 кгс / мм2, відносне подовження 50% (при температурі 20 ° C), межа плинності 9,8 МПа.

Кадмій має гексагональну щільноупакована кристалічну решітку з періодами: а \u003d 0,296 нм, с \u003d 0,563 нм, ставлення с / а \u003d 1,882, z \u003d 2, енергія кристалічної решітки 116 мкДж / кмоль. Просторова група С6 / mmm, атомний радіус 0,156 нм, іонний радіус Cd2 + 0,099 нм, атомний об'єм 13,01 ∙ 10-6 м3 / моль. Пруток з чистого кадмію при згинанні видає слабкий тріск подібно олова ( «олов'яний крик») - це труться одна об одну мікрокристали металу, проте будь-які домішки в металі знищують цей ефект. Взагалі за своїми фізичними, хімічними і фармакологічними властивостями кадмій належить до групи важких металів, маючи найбільше подібності з цинком і ртуттю.

Температура плавлення сорок восьмого елемента (321,1 ° С) досить низька і може бути порівнянна з температурами плавлення свинцю (327,4 ° С) або талію (303,6 ° С). Однак вона відрізняється від температур плавлення схожих по ряду властивостей металів - нижче, ніж у цинку (419,5 ° С), але вище, ніж у олова (231,9 ° С). Температура кипіння кадмію теж невисока - всього 770 ° С, що досить цікаво - у свинцю, як і у більшості інших металів різниця між температурами плавлення і кипіння велика. Так у свинцю температура кипіння (1 745 ° С) більше температури плавлення в 5 разів, а у олова, температура кипіння якого 2 620 ° С, в 11 разів більше за температуру плавлення! У той же час, подібний до кадмієм цинк має при температурі плавлення в 419,5 ° С температуру кипіння всього 960 ° С. Коефіцієнт термічного розширення для кадмію дорівнює 29,8 10-6 (при температурі 25 ° C). Нижче 0,519 До кадмій стає надпровідників. Теплопровідність сорок восьмого елемента при 0 ° C становить 97,55 Вт / (м К) або 0,233 кал / (см сек ° С). Питома теплоємність кадмію (при температурі 25 ° C) дорівнює 225,02 дж / (кг К) або 0,055 кал / (г ° С). Температурний коефіцієнт електроопору сорок восьмого елемента в температурному інтервалі від 0 ° С до 100 ° С дорівнює 4,3 10-3, питомий електроопір сорок восьмого елемента (при температурі 20 ° C) становить 7,4 10-8 ом м (7,4 10-6 ом см). Кадмій диамагнитен, його магнітна сприйнятливість -0,176,10-9 (при температурі 20 ° С). Стандартний електродний потенціал -0,403 В. Електронегативність кадмію 1,7. Ефективне поперечний переріз захоплення теплових нейтронів 2450- 2900-10 ~ 28 м2. Робота виходу електронів \u003d 4,1 еВ.

Щільність (при кімнатній температурі) сорок восьмого елемента 8,65 г / см3, що дозволяє віднести кадмій до важких металів. За класифікацією Н. Реймерс, важкими слід вважати метали з щільністю більше 8 г / см3. Таким чином, до важких металів відносяться Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. І хоча кадмій легше свинцю (щільність 11,34 г / см3) або ртуті (13,546 г / см3), але важче олова (7,31 г / см3).

Хімічні властивості

Як вже говорилося сорок восьмий елемент розташований в одній групі періодичної системи з цинком і ртуттю, займаючи проміжне місце між ними, з цієї причини ряд хімічних властивостей всіх цих елементів схожий. Наприклад, оксиди і сульфіди даних металів практично нерозчинні в воді.

У сухому повітрі кадмій стійкий, але у вологому на поверхні металу повільно утворюється тонка плівка оксиду CdO, що оберігає метал від подальшого окислення. При сильному прожарюванні кадмій згорає, також перетворюючись в оксид кадмію - кристалічний порошок від світло-коричневого до темно-бурого кольору (відмінність в кольоровій гамі частково обумовлено розміром частинок, але в більшій мірі є результатом дефектів кристалічної решітки), щільність CdO 8,15 г / см3; вище 900 ° С оксид кадмію летючий, а при 1 570 ° С повністю переганяється. Пари кадмію реагують з парами води з виділенням водню.

Кислоти взаємодіють з кадмієм з утворенням солей цього металу. Азотна кислота HNO3 легко розчиняє сорок восьмий елемент, при цьому виділяється оксид азоту і утворюється нітрат, який дає гідрат Cd (NO3) 2 4H2O. З інших кислот - соляної і розведеною сірчаної - кадмій повільно витісняє водень, пояснюється це тим, що в ряді напруг сорок восьмий елемент варто далі цинку, але попереду водню. З розчинами лугів, на відміну від цинку, кадмій не взаємодіє. Кадмій відновлює нітрат амонію NH4NO3 в концентрованих розчинах до нітриту амонію NH4NO2. Вище температури плавлення кадмій безпосередньо з'єднується з галогенами, утворюючи безбарвні сполуки - кадмію галогеніди. CdCl2, CdBr2 і CdI2 дуже легко розчиняються у воді (53,2% по масі при 20 ° С), набагато важче розчинний фторид кадмію CdF2 (4,06% по масі при 20 ° С), який абсолютно не розчинний в етанолі. Його можна отримати дією фтору на метал або фтороводорода на карбонат кадмію. Хлорид кадмію отримують при взаємодії кадмію з концентрованою соляною кислотою або хлоруванням металу при 500 ° С. Бромід кадмію отримують бромування металу або дією бромоводорода на карбонат кадмію. При нагріванні кадмій взаємодіє з сіркою, утворюючи сульфід CdS (від лимонно-жовтого до оранжево-червоного кольору), нерозчинний у воді і розведених кислотах. При сплаві кадмію з фосфором і миш'яком утворюються відповідно Фосфіди і арсеніди складів Cd3P2 і CdAs2, з сурмою - кадмію антимонід. З воднем, азотом, вуглецем, кремнієм і бором кадмій не реагує. Непрямими шляхами отримані легко розкладаються при нагріванні гідрид CdH2 і нітрид Cd3N2.

Cd (OH) 2 + 6NH3 H2O → (OH) 2 + 6H2O

Крім того, Cd (OH) 2 переходить в розчин під дією ціанідів лужних елементів. Вище 170 ° С він розкладається до CdO. Взаємодія гідроксиду кадмію з пероксидом водню у водному розчині призводить до утворення пероксидів різноманітного складу.

Кадмій - м'який, ковкий, але важкий метал сіро-сріблястого кольору, простий елемент періодичної таблиці Менделєєва. Зміст його в земній корі високим не назвеш, але кадмій відноситься до розсіяних елементів: він зустрічається в грунті, морській воді і навіть в повітрі (особливо в містах). , Як правило, супроводжує цинковим мінералів, хоча існують і кадмієві мінерали. Промислового значення, втім, більшість з них не має. Кадмій не утворює окремих родовищ і виділяється з відпрацьованих руд після того, як з них виплавлені цинк, свинець або мідь.

властивості кадмію

Кадмій добре обробляється, вальці і полірується. У сухому повітрі кадмій з киснем реагує (горить) лише при високих температурах. Реагує з неорганічними кислотами з утворенням солей. З розчинами лугів не реагує. У розплавленому стані вступає в реакції з галогенами, сіркою, телуром, селеном, киснем.
- Не дивлячись на те, що кадмій в микроколичествах присутній у всіх живих організмах і бере участь в їх обміні речовин, його пари і пари його сполук дуже отруйні. Наприклад, концентрація 2,5 г / куб. м оксиду кадмію в повітрі вбиває вже через 1 хвилину. Дуже небезпечно вдихання повітря з пилом або димом, що містять кадмій,
- Кадмій має здатність накопичуватися в організмі людини, в рослинах, грибах. Крім цього, сполуки кадмію є канцерогенами.
- Кадмій вважається одним з найнебезпечніших важких металів, він віднесений до речовин 2-го класу небезпеки, так само як ртуть і миш'як. Він негативно впливає на ферментну, гормональну, кровоносну і центральну нервову систему, порушує фосфорно-кальцієвий обмін (руйнує кістки), тому при роботі з ним треба використовувати засоби хімічного захисту. При отруєнні кадмієм потрібна термінова медична допомога.

застосування

Велика частина видобутого кадмію застосовується для виробництва покриттів проти корозії. Кадмієві покриття створює більш міцне і пластичне зчеплення з деталлю, ніж всі інші, тому кадміювання застосовується для захисту від корозії в особливо складних умовах, наприклад, при контакті з морською водою, для захисту електроконтактів.
- Дуже затребуваний при виготовленні акумуляторів і батарей.
- Використовується як реактив для лабораторних досліджень.
- Майже п'ята частина одержуваного речовини йде на виготовлення пігментів - солей кадмію.
- Застосовується для додання сплавам потрібних властивостей. Сплави з кадмієм бувають легкоплавкими (зі свинцем, оловом, вісмутом), пластичними, і тугоплавкими (з нікелем, міддю, цирконієм), зносостійкими. З сплавів виробляють дроти для ЛЕП, тверді припої для алюмінію, підшипники для великих і потужних двигунів (суднових, авіаційних). Легкоплавкие сплави використовують для виготовлення гіпсових виливків, пайки скла і металу, в деяких вогнегасниках.
- Дуже важлива сфера застосування - атомна промисловість. З кадмію виробляють стрижні для регулювання швидкості атомної реакції в реакторі, а також захисні екрани від нейтронного випромінювання.
- Входить до складу напівпровідників, плівкових сонячних батарей, люмінофорів, стабілізаторів для ПВХ, зубних пломб.
- Сплави з золотом застосовуються в ювелірній справі. Варіюючи співвідношення золота і кадмію, можна отримати сплави різних відтінків, від жовтого до зеленуватого.
- Іноді застосовують в Кріотехніка через високу теплопровідності при дуже низьких температурах.
- Кадмій здатний накопичуватися в ракових клітинах, тому використовується в деяких методиках протипухлинної терапії.

У магазині «ПраймКемікалсГрупп» продаються засоби хімічного захисту, хімічних реактиви для лабораторних досліджень, посуд і прилади для обладнання лабораторій і проведення досліджень. Покупців порадують демократичні ціни, доставка по Москві і області, відмінний сервіс.