Кадмий

Кадмий
Кадмий
	← Серебро \| Индий →
Внешний вид простого вещества
	Элементарный кадмий
Свойства атома
Название, символ, номер	Ка́дмий / Cadmium (Cd), 48
Группа, период, блок	12 (устар. 2), 5, ; d-элемент
Атомная масса ; (молярная масса)	112,411(8) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Kr] 4d105s2
Радиус атома	154 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	148 пм
Радиус иона	(+2e) 97 пм
Электроотрицательность	1,69 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−0,403
Степени окисления	0, +1, +2
Энергия ионизации ; (первый электрон)	867,2 (8,99) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	8,65 г/см³
Температура плавления	594,1 K (321 °C)
Температура кипения	1038 K (764,85 °C)
Мол. теплота плавления	6,11 кДж/моль
Мол. теплота испарения	59,1 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,0 Дж/(K·моль)
Молярный объём	13,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a=2,979 c=5,618 Å
Отношение c/a	1,886
Температура Дебая	209 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 96,9 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-43-9

48	Кадмий
Cd 112,414
4d¹⁰5s²

Ка́дмий (химический символ — Cd, от лат. Cadmium) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы второй группы, IIB), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 48.

Простое вещество кадмий (при нормальных условиях) — мягкий ковкий тягучий металл серебристо-белого цвета. Устойчив в сухом воздухе, во влажном на его поверхности образуется плёнка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла. Кадмий и многие его соединения ядовиты.

История открытия

Открыт немецким профессором Ф. Штромейером в 1817 году. Провизоры Магдебурга при изучении оксида цинка ZnO заподозрили в нём примесь мышьяка. Штромейер выделил из ZnO коричнево-бурый оксид, восстановил его водородом и получил серебристо-белый металл, который получил название кадмий.

Происхождение названия

Штромейер назвал кадмий по греческому названию руды, из которой в Германии добывали цинк, — καδμεία. В свою очередь, руда получила своё название в честь Кадма, героя древнегреческой мифологии.

Нахождение в природе

Среднее содержание кадмия в земной коре — 130 мг/т, в морской воде — 0,11 мкг/л. Кадмий относится к редким, рассеянным элементам: он содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка. Известно всего лишь 6 кадмиевых минералов. Весьма редкими минералами кадмия являются гринокит CdS (77,8 % Cd), хоулиит (то же), отавит CdCO₃, монтепонит CdO (87,5 % Cd), кадмоселит CdSe (47 % Cd), ксантохроит CdS(H₂O)_х (77,2 % Cd). Основная масса кадмия рассеяна в большом числе минералов (более 50), преимущественно в сульфидах цинка, свинца, меди, железа, марганца и ртути. Максимальная концентрация отмечена в минералах цинка и, прежде всего, в сфалерите (до 5 %). В большинстве же случаев содержание кадмия в сфалерите не превышает 0,4—0,6 %. В других сульфидах, например, в станине содержание кадмия — 0,003—0,2 %, в галените — 0,005—0,02 %, в халькопирите — 0,006—0,12 %; из этих сульфидов кадмий обычно не извлекается.

Кадмий не образует самостоятельных месторождений, а входит в состав руд месторождений других металлов. Относительно высоко содержание кадмия в рудах среднетемпературных свинцово-цинковых и частично медно-колчеданных месторождений.

Почва содержит 0,06 мг/кг, глина — 0,3 мг/кг. Повышенное содержание в голубых (кембрийских) глинах.

Кадмий входит в состав карбоангидразы некоторых морских диатомовых водорослей^[3], обитающих в среде с низкой концентрациями цинка^[4].

Нахождение в продуктах

ПДК кадмия в питьевой воде согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» — 1 мкг/л.

Ископаемый уголь, древесный уголь, ПЭТ тара, древесные гранулы пеллеты (до 0,5 мг/кг), рыба (0,2 мг/кг), какао-порошок (0,5 мг/кг), почки животных (1 мг/кг), рис (0,06 мг/кг), курительный табак (0,002 мг/кг), пшеничный хлеб (0,03 мг/кг), маргарин (0,042 мг/кг), говядина/свинина (0,016 мг/кг), креветки (1,2 мг/кг)^[5].

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома кадмия: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²

Кадмий — это серебристо-белый мягкий металл с гексагональной кристаллической решёткой. Температура плавления — 321 °C, температура кипения — 770 °C. При сгибании кадмиевой палочки слышен слабый хруст — это вызвано трением друг о друга микрокристаллов металла (так же хрустит при сгибании пруток олова); любые примеси в кадмии устраняют этот эффект. Кадмий твёрже олова, но мягче цинка — его можно резать ножом. При нагревании выше 80 °C кадмий становится хрупким до такой степени, что его можно истолочь в порошок.

Химические свойства

Кадмий расположен в одной группе периодической системы с цинком и ртутью, занимая промежуточное место между ними, поэтому некоторые химические свойства этих элементов сходны. На воздухе кадмий устойчив и не утрачивает металлического блеска. Вступает в реакцию с кислородом лишь при нагревании свыше 350 °C с образованием оксида кадмия ${\ce {CdO}}$ . Сульфид и оксид этого элемента практически нерастворимы в воде. С углеродом кадмий не взаимодействует и карбидов не образует. Вступает в реакции с кислотами, восстанавливая водород:

{\ce {Cd + H2SO4 -> CdSO4 + H2 ^}}

.

Применение

Сплавы

Кадмий используется как компонент твёрдых припоев (сплавов на основе серебра, меди, цинка) для снижения их температуры плавления. Около 10 % добываемого кадмия используется как компонент ювелирных и легкоплавких сплавов. Сплав кадмия с золотом имеет зеленоватый цвет^[6].

Защитные покрытия

Около 40 % кадмия используется для нанесения антикоррозионных покрытий на металлы. Кадмирование — это электролитическая процедура нанесения кадмиевых покрытий на поверхность металлоизделий. Кадмием покрывают высокоуглеродистые, инструментальные и нержавеющие стали, а хлористо-аммонийное кадмирование наносят на высокопрочные стали. Кадмирование стальных деталей даёт бо́льшую устойчивость к коррозии, особенно в морской воде, чем цинкование.

Электрохимические источники тока

Около 20 % кадмия идёт на изготовление кадмиевых электродов, применяемых в (никель-кадмиевых и серебряно-кадмиевых) аккумуляторах, в нормальных элементах Вестона, в резервных батареях (свинцово-кадмиевый элемент, ртутно-кадмиевый элемент) и в других электрохимических источниках тока^[7].

Пигменты

Около 20 % кадмия используется для производства неорганических пигментов (в виде сульфидов и селенидов, смешанных солей, например, сульфид кадмия — кадмий лимонный).

Цена

Цена на кадмий в августе 2011 года составила примерно $3 за 1 кг^[8].

Другие сферы применения

Сульфид кадмия применяется для производства плёночных солнечных батарей с КПД около 10—16 %, а также как очень эффективный термоэлектрический материал.
Соединения кадмия используется как компоненты полупроводниковых материалов и люминофоров.
Кадмий очень хорошо поглощает тепловые нейтроны (среднее сечение радиационного захвата тепловых нейтронов изотопом ¹¹⁴Cd содержание которого в природном кадмии 29 ат.% составляет 20600 барн)^[9]. Поэтому кадмий служит для изготовления регулирующих стержней для атомных реакторов и в качестве защиты от нейтронов. Иногда эти свойства используются в экспериментальных методах противоопухолевой терапии (нейтрон-захватная терапия).
Фтороборат кадмия — флюс, применяемый для пайки алюминия и других металлов.
Теплопроводность кадмия вблизи абсолютного нуля — наивысшая среди всех металлов, поэтому кадмий иногда применяется для изготовления деталей в криогенной техники.
Экранирование гамма-спектрометров от естественного радиационного фона: «свинцовый домик», в котором располагается спектрометрический датчик, выстилается изнутри медным и кадмиевым слоями для экранирования паразитного излучения свинца, искажающего гамма-спектр измеряемого вещества.

Ограничение применения

В 2016 году принят Технический регламент Евразийского экономического союза «Об ограничении применения опасных веществ в изделиях электротехники и радиоэлектроники» (ТР ЕАЭС 037/2016)^[10], по которому содержание кадмия в изделиях электротехники и радиоэлектроники не должно превышать 0,01 % по весу однородного материала (Приложение № 2). В Европейском союзе действует аналогичная директива RoHS, существенно ограничивающая использование кадмия.

Получение

Единственный минерал, который представляет интерес для получения кадмия — гринокит, так называемая «кадмиевая обманка». Его добывают вместе со сфалеритом при разработке цинковых руд. В ходе переработки кадмий концентрируется в побочных продуктах при извлечении цинка, откуда его затем выделяют. В настоящее время (c 1987 года) производится около 20000 тонн кадмия в год^[11].

Физиологическое действие

Кадмий и многие его соединения ядовиты^[12] (в больших концентрациях). Особенно опасным случаем является вдыхание паров его оксида (CdO)^[13]. Вдыхание в течение 1 минуты воздуха с содержанием 2,5 г/м³ оксида кадмия, или 30 секунд при концентрации 5 г/м³ является смертельным^[14]. Кадмий является канцерогеном^[15]. Имеются сведения об ототоксичности: при поступлении хлорида кадмия с питьевой водой у подопытных крыс возникали нарушения слуха из-за токсического повреждения улитки^[16].

По российским гигиеническим нормативам, максимально разовая ПДК кадмия и его неорганических соединений в воздухе рабочей зоны 0,05 мг/м³; среднесменная — 0,01 мг/м³^[17].

В качестве первой помощи при остром кадмиевом отравлении рекомендуется свежий воздух, полный покой, предотвращение охлаждения тела. При раздражении дыхательных путей — тёплое молоко с содой, ингаляции 2%-ным раствором NaHCO₃. При упорном кашле — кодеин, дионин, горчичники на грудную клетку, необходима врачебная помощь. Противоядием при отравлении, вызванном приёмом внутрь кадмиевых солей, служит альбумин с карбонатом натрия^[14].

Острая токсичность

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

Симптомы острого отравления кадмием — рвота и судороги.

Хроническая токсичность

Кадмий — кумулятивный яд (способен накапливаться в организме).

Санитарно-экологические нормативы

В питьевой воде ПДК для кадмия 0,001 мг/дм³ = 1 мкг/дм³ (СанПиН 2.1.4.1074-01).

Механизм токсического действия

Механизм токсического действия кадмия заключается, по-видимому, в связывании карбоксильных, аминных и особенно сульфгидрильных групп белковых молекул, в результате чего угнетается активность ферментных систем^[14].

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

Кадмий в норме в небольших количествах присутствует в организме здорового человека. Кадмий легко накапливается в быстроразмножающихся клетках (например, в опухолевых или половых). Он связывается с цитоплазматическим и ядерным материалом клеток и повреждает их. Он изменяет активность многих гормонов и ферментов. Это обусловлено его способностью связывать сульфгидрильные (-SH) группы.

Изотопы

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

Примечания

↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.
↑ ¹ ² Химическая энциклопедия: в 5 томах / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 280. — 671 с. — 100 000 экз.
↑ Lane, Todd W.; Saito, Mak A.; George, Graham N.; et al. (2005). "A cadmium enzyme from a marine diatom" (PDF). Nature. 435 (42): 42. Bibcode:2005Natur.435...42L. doi:10.1038/435042a. PMID 15875011. S2CID 52819760.
↑ Lane, Todd W.; Morel, F. M. (2000). "A biological function for cadmium in marine diatoms". Proc. Natl. Acad. Sci. 97 (9): 4627—4631. Bibcode:2000PNAS...97.4627L. doi:10.1073/pnas.090091397. PMC 18283. PMID 10781068.
↑ Кадмий в продуктах питания (неопр.). Дата обращения: 25 марта 2014. Архивировано 28 марта 2014 года.
↑ Ювелирное дело " Сплавы драгоценных металлов (неопр.). Дата обращения: 3 января 2011. Архивировано 9 января 2014 года.
↑ Кадмий // Казахстан. Национальная энциклопедия (рус.). — Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2005. — Т. III. — ISBN 9965-9746-4-0. (CC BY-SA 3.0)
↑ Free Cadmium Price Charts Архивная копия от 22 февраля 2012 на Wayback Machine (англ.)
↑ ВВЭР-1000: физические основы эксплуатации, ядерное топливо, безопасность / А. М. Афров, С. А. Андрушечко, В. Ф. Украинцев и др. — М.: Университетская книга, Логос, 2006. — С. 45.
↑ ТР ЕАЭС 037/2016: Решение Совета Евразийской экономической комиссии от 18 октября 2016 года № 113 (рус.). Совет Евразийской экономической комиссии. Дата обращения: 19 апреля 2019. Архивировано 28 марта 2020 года.
↑ Архивированная копия (неопр.). Дата обращения: 29 февраля 2012. Архивировано 13 мая 2012 года.
↑ Ковальский В. В., Воробьева P. С., Рубцов А. Ф. Кадмий // Большая медицинская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. Б. В. Петровский. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1979. — Т. 10 : Кабаков — Коалесценция. — С. 11—13. — 528 с. : ил.
↑ Кадмий (рус.). — Кадмий на сайте «Справочник химика». Дата обращения: 16 мая 2010. Архивировано 30 января 2012 года.
↑ ¹ ² ³ Токсичность кадмия и его соединений :: Охрана труда в металлургии (неопр.). Дата обращения: 15 октября 2011. Архивировано 19 декабря 2011 года.
↑ McDonald‘s отзывает 12 млн стаканов из-за примесей кадмия (рус.). Интерфакс (4 июня 2010). Дата обращения: 4 июня 2010. Архивировано 8 июня 2010 года.
↑ Пьер Кампо, Кэти Маген, Стефан Габриэль, Анжела Мёллер, Эберхард Нис, Мария Долорес Соле Гомес и Эско Топпила. Ухудшение слуха при воздействии промышленного шума и химикатов. Обзор = Combined exposure to Noise and Ototoxic Substance (англ.) / Эусебио Риал Гонсалес и Джоанна Коск-Биенко (ред). — Люксембург: Европейское агентство по безопасности и гигиене труда, 2009. — 63 p. — ISBN 978-92-9191-276-612. — doi:10.2802/16028. Архивировано 9 декабря 2023 года. P. Campo, K. Maguin, S. Gabriel, A. Möller, E. Nies, M. Dolores, S. Gómez, E. Toppila. 4.2.2. Compounds with “fair evidence” of ototoxicity (suspected ototoxic substances) - Metals and metalloids // Combined Exposure to Noise and Ototoxic Substances (англ.) / E.R. González, J. Kosk-Bienko. — Luxembourg: European Agency for Safety and Health, 2009. — P. 21. — 62 p. — (Literature reviews). — ISBN 978-92-9191-276-6. — doi:10.2802/16028.
↑ (Роспотребнадзор). № 1075 Кадмий // ГН 2.2.5.3532-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны» (рус.) / утверждены А. Ю. Поповой. — Москва, 2018. — С. 78. — 170 с. — (Санитарные правила). Архивировано 12 июня 2020 года.