КАДМІЙ (CD): ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Кадмію (Cd) , являє собою перехідний метал або пост - перехідний атомний номер 48 і срібло. Він ковкий і пластичний, має відносно низькі температури плавлення і кипіння. Кадмій є рідкісним елементом і має лише концентрацію земної кори лише 0,2 г / т.

Greenockite (CdS) - єдина важлива кадмієва руда з інтенсивним жовтим забарвленням. Виявлено, що кадмій пов'язаний з цинком у сфалериті (ZnS), який містить від 0,1 до 03% кадмію у вигляді катіона Cd ²⁺ .

Кристали кадмію Джерело: Зображення високої здатності хімічних елементів

При обробці сфалериту для отримання, виплавки та очищення цинку кадмій отримують у вторинній формі, що є його основним джерелом виробництва.

Цей метал був відкритий у 1817 році незалежно Фрідріхом Стромайєром та Карлом Германом. Стромаєр хрестив новий елемент з назвою кадмій, що походить від латинського слова «кадмія», був відомий термін як каламін (карбонат цинку).

Кадмій є хімічним елементом із символом Cd, атомний номер якого 48. Джерело: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Кадмій є елементом великої корисності та численних застосувань, таких як антикорозійне залізо, сталь та кольорові метали; використовувати як пігмент; стабілізація ПВХ; елемент у сплавах, використовуваних при зварюванні; акумуляторні нікелеві кадмієві батареї тощо.

Однак це дуже токсичний елемент, який завдає серйозної шкоди легеням, ниркам і кісткам, і навіть повідомлялося про канцерогенну дію, через що його використання було обмеженим. Але, незважаючи на це, він продовжує ретельно використовуватись у деяких програмах.

Історія

- Подвійне відкриття

Кадмій виявив німецький хімік Фрідріх Стромайер у 1817 році в зразку карбонату цинку (каламіну). Того ж року KSL Герман і Дж. Р. Ролофф зробили те саме відкриття самостійно в експерименті з сульфіду цинку.

Повідомляється, що Стромайер зробив своє відкриття, виконуючи урядовий запит на інспекцію аптек у місті Хільдесхайм, Німеччина. Оксид цинку, як і зараз, застосовувався для лікування певних шкірних захворювань.

Схоже, аптеки не постачали оксид цинку, а натомість продавали карбонат цинку: сировину для виробництва оксиду цинку. Виробники оксиду цинку стверджували, що при нагріванні карбонату цинку утворюється жовтий «оксид цинку».

Оксид кадмію

Вони не могли продати цей «оксид цинку», оскільки колір сполуки був зазвичай білим; Натомість вони продавали карбонат цинку, також білий. Зіткнувшись із цією ситуацією, Стромайер вирішив вивчити передбачуваний жовтий оксид цинку.

Для цього він нагрівав зразки карбонату цинку (каламіну) і виробляв жовтий оксид цинку, як повідомлялося. Проаналізувавши це, він дійшов висновку, що жовтий колір був обумовлений наявністю оксиду металу нового елемента.

Після вилучення цього нового оксиду металу він виробляв його відновлення, досягаючи виділення кадмію. Стромаєр визначив його щільність і отримав значення 8,75 г / см ³ , близьке до значення, відомого в даний час для цього параметра (8,65 г / см ³ ).

Також Стромайер зазначав, що новий елемент мав вигляд, подібний до платини, і що він також присутній у багатьох цинкових сполуках і навіть у очищеному цинку.

Стромаєр запропонував назву "кадмій" від латинського слова "кадмія", назва, що дається каламіну, ZnCO ₃ .

Кадмій в сульфіді цинку

Карл Герман (1817) виявив несподіваний жовтий колір при обробці сульфіду цинку і вважав, що це може бути зараження миш'яком. Але як тільки ця можливість була виключена, Герман зрозумів, що він перебуває у присутності нового елемента.

- Додатки

1840-1940

У 1840-х роках використання кадмію як пігменту почало комерційно використовуватися. Британський фармацевтичний кодекс вказує на 1907 р. На використання йодиду кадмію як ліки для лікування «розширених суглобів», скрофузних залоз та кишковоподібних залоз.

У 1930-1940-х роках виробництво кадмію було спрямоване на покриття сталі та чавуну для захисту їх від корозії. У 1950-х роках кадмиєві сполуки, такі як сульфід кадмію та селенід кадмію, використовувались як джерела пігментів червоного, оранжевого та жовтого кольорів.

1970-1990

В 1970-х та 1980-х роках стабілізаторами ПВХ є лаурат кадмію та стеарат кадмію, що призводить до збільшення попиту на кадмій. Однак екологічні норми через токсичність кадмію спричинили зменшення його споживання.

У 1980-х та 1990-х роках кадмій перестав використовуватись у багатьох своїх сферах застосування, але потім його виробництво збільшилося завдяки створенню нікель-кадмієвих акумуляторів, що перезаряджаються, що становило 80% споживання кадмію в США. .

Фізичні та хімічні властивості кадмію

Зовнішній вигляд

Сріблясто-сірувато-білий з м'яким металевим блиском. Він стає крихким при впливі 80ºC і може бути розрізаний ножем. Він ковкий і його можна згортати в рулони.

Стандартна атомна маса

112,414 u

Атомне число (Z)

48

Категорія предмета

Постперехідний метал, альтернативно вважається перехідним металом. Визначення IUPAC перехідного металу - це той, атоми якого мають неповну d нижню оболонку, або який може породжувати катіони з неповною d нижньою оболонкою.

Згідно з цим визначенням, кадмій не є перехідним металом, оскільки його катіон Cd ²⁺ має 4d орбіталі, повністю заповнені електронами (4d ¹⁰ ).

Запах

Туалет

Точка плавлення

321,07 ºC

Точка кипіння

767 ºC

Щільність

Температура навколишнього середовища: 8,65 г / см ³

При температурі плавлення (рідина): 7,996 г / см ³

Тепло синтезу

6,21 кДж / моль

Тепло випаровування

99,87 кДж / моль

Молярна калорійність

26,020 Дж / (моль К)

Електронегативність

1.6 за шкалою Полінга

Енергії іонізації

По-перше: 867,8 кДж / моль (Cd ⁺ газ)

Другий: 1631,4 кДж / моль ( газоподібний Cd ²⁺ )

Третє: 3616 кДж / моль (Cd ³⁺ газоподібні)

Теплопровідність

96,6 Вт / (мК)

Опір

72,7 нО · м при 22 ºC

Твердість

2,0 за шкалою Мооса. Це метал, хоча і щільний, значно м'який.

Стабільність

Він повільно окислюється вологим повітрям, утворюючи оксид кадмію, який затьмарює його металевий блиск. Він не горючий, але у вигляді порошку може горіти і самозапалюватися.

Автоматичне запалювання

250 ºC для кадмію є порошковою формою.

Показник заломлення

1,8 при 20 ºC

Реактивність

Кадмій може горіти на повітрі, утворюючи оксид кадмію (СаО), коричневий аморфний порошок, тоді як кристалічна форма - темно-червона.

Кадмій швидко реагує з розведеною азотною кислотою і повільно з гарячою соляною кислотою. Він також здатний вступати в реакцію з сірчаною кислотою, але не вступає в реакцію з лугами. У всіх цих реакціях утворюються солі кадмію відповідних аніонів (Cl ^- ) або оксоаніонів (NO ₃ ^- і SO ₄ ^2- ).

Структура та електронна конфігурація

Електронна оболонка діаграми кадмію, елемент 48 періодичної таблиці. Джерело: Pumbaa (оригінальна робота Грега Робсона) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Атоми кадмію його кристала встановлюють металевий зв’язок з їх валентних електронів, які розташовані на орбіталях 4d і 5s відповідно до їх електронної конфігурації:

4d ¹⁰ 5s ²

Однак, хоча 4d орбіталі сповнені електронів, і можна також думати, що «море електронів» достатньо, щоб сильно зв’язати атоми Cd, насправді взаємодії слабкі. Це можна продемонструвати експериментально з низькою температурою плавлення (321 ° C) порівняно з іншими перехідними металами.

З цієї та інших хімічних причин кадмій іноді не вважається перехідним металом. У його металевому зв’язку бере участь стільки електронів (дванадцять), що вони починають сильно порушувати його негативні відштовхування; що разом з енергетичною різницею між заповненими орбіталями 4d і 5s послаблює взаємодію Cd-Cd.

Атоми Cd в кінцевому підсумку визначають компактну гексагональну кристалічну структуру (hcp), яка не зазнає фазових переходів перед точкою плавлення. Коли кристали кадмію hcp піддаються тиску, еквівалентному 10 ГПа, структура лише деформується; але без жодної зміни фази.

Окислювальні числа

Кадмій не може втратити дванадцять валентних електронів; насправді він не може втратити навіть одну зі своїх 4d орбіталей, які є більш стабільними за енергією порівняно з орбіталлю 5s. Тому він може втратити лише два електрони орбіталі 5s ² , отже, є двовалентним металом; як це стосується цинку, ртуті та лужноземельних металів (Містер Бекамбара).

Коли припускається існування катіону Cd ²⁺ у його сполуках , то кажуть, що кадмій має окислювальне число або стан +2. Це ваш основний номер окислення. Наприклад, такі сполуки містять кадмій як +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2- ) та Cd (NO ₃ ) ₂ .

Крім цього числа окислення, є також +1 (Cd ⁺ ) і -2 (Cd ^2- ). Окислювальне число +1 спостерігається в дикації Cd ₂ ²⁺ , в якій кожен атом кадмію має позитивний заряд. Тим часом -2 досить дивно, і стосується аніону "кадміду".

Де знайти та отримати

Кристали греенокита. Джерело: Роб Лавінський, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Кадмій - рідкісний елемент, який має концентрацію в земній корі 0,2 г / т. Єдиним важливим кадмієвим мінералом є греєноккіт (CdS), який не піддається корисному видобутку з гірничо-комерційної точки зору.

Кадмій виявляється пов'язаним з цинком у мінеральному сфалериті (ZnS), який зазвичай містить його у концентрації від 0,1% до 0,3%; але в деяких випадках концентрація кадмію в сфалериті може досягати 1,4%.

Гірські породи, оброблені для отримання фосфорних добрив, можуть мати концентрацію кадмію 300 мг / кг добрива. Також вугілля може містити невелику, але значну кількість кадмію.

Основним джерелом кадмію є вулканічні викиди, які кадмій може переносити у поверхневі води. Використання фосфорних добрив у сільськогосподарських ґрунтах призвело до його забруднення кадмієм.

Кадмій, присутній у кислих ґрунтах, засвоюється рослинами. Частина овочів людина використовується як їжа, що пояснює, як споживання води та їжі є основним джерелом потрапляння кадмію у неекспонованих людей чи курців.

Лікування сфалериту

Під час видобутку, плавки та рафінування цинку, присутнього в сфалериті, кадмій зазвичай отримують як побічний продукт. Подібна подія також відбувається, хоча і в значно меншій мірі, під час переробки міді та свинцю.

Так само невеликі кількості кадмію можна отримати при переробці металобрухту заліза та сталі.

Сфалерит обсмажують так, що сульфід цинку перетворюється на його оксид ZnO. Таку ж реакцію зазнає і сульфід кадмію:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Якщо цю оксидну суміш нагріти деревним вугіллям, вони будуть зведені до відповідних металів:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Також цинк і кадмій можуть бути отримані електролізом, оскільки оксиди розчиняються в сірчаній кислоті.

Будь-який метод генерує забруднений кадмієм цинк. Після плавлення кадмій може бути відганяється у вакуумі завдяки нижчій температурі плавлення (321 ° C) порівняно з цинком (420 ° C).

Ізотопи

Серед природних і стабільних ізотопів кадмію у нас є їхні достатки тут на Землі:

- ¹⁰⁶ кд (1,25%)

- ¹⁰⁸ кд (0,89%)

- ¹¹⁰ кд (12,47%)

- ¹¹¹ кд (12,8%)

- ¹¹² кд (24,11%)

- ¹¹⁴ кд (28,75%)

- ¹¹³ кд (12,23%)

¹¹³ Cd радіоактивний, але з - за такої велике значення половини - життя (т _1/2 = 7,7 × 10 ¹⁵ років), можна вважати стабільною. І тоді є ¹¹⁶ Cd, також радіоактивний, із періодом напіввиведення 3,1 · 10 ¹⁹ років, тому його можна вважати стабільним ізотопом, що становить 7,51% кадмію.

Зауважимо, що середня атомна маса становить 112,414 u, ближче до 112, ніж 114. Існування переважаючого ізотопу над іншими не спостерігається в кадмії.

Ризики

Загальні

Поглинання кадмію відбувається в основному з їжі, особливо печінки, грибів, молюсків, какао-порошку та сухих морських водоростей.

Емблематичний випадок стався в Китаї в минулому столітті, де було значне забруднення кадмієм серед населення. Забруднення кадмієм було пов’язане з високою концентрацією в рису, викликаною наявністю кадмію в ґрунтах злакових культур.

Курці в середньому споживають 60 мкг / добу. Максимальна концентрація кадмію, дозволена в крові, становить 15 мкг / добу. Некурящі мають концентрацію кадмію в крові близько 0,5 мкг / л.

Легені поглинають від 40 до 60% кадмію в тютюновому димі. Кадмій, що всмоктується в легенях, транспортується в крові, утворюючи комплекси з білками, цистеїном та глутатіоном, які потім потрапляють у печінку, нирки тощо.

Гостре вдихання кадмію може викликати симптоми, подібні до тих, що спостерігаються при грипоподібному процесі; наприклад, застуда, лихоманка та біль у м’язах, що може спричинити пошкодження легенів. Тим часом, хронічний вплив кадмію може спричинити захворювання легенів, нирок та кісток.

Вплив на нирки

У нирках кадмій зазвичай викликає зміну метаболізму фосфору та кальцію, про що свідчить збільшення виробництва ниркових каменів. Крім того, він спричинює ураження нирок, що проявляється у появі в сечі транспортуючого білка ретинолу та β-2-мікроглобуліну.

Вплив на розмноження

Отримка кадмієм матері пов'язана з низькою вагою дитини при народженні та збільшенням частоти мимовільних абортів.

Пошкодження кісток

Кадмій пов’язаний в Японії з наявністю хвороби Ітаї-Ітая в минулому столітті. Це захворювання характеризується низькою мінералізацією кісток, крихкістю кісток з високою швидкістю переломів, посиленням остеопорозу та болю в кістках.

Канцерогенез

Хоча експерименти на щурах встановили зв’язок між кадмієм і раком передміхурової залози, це не було продемонстровано у людей. Показана зв'язок між раком і нирком кадмію, і він також був пов'язаний з раком легенів.

Програми

Нікель-кадмієві акумуляторні бактерії

Різні осередки або Ni-Cd акумулятори. Джерело: Boffy b через Wikipedia.

Кадмій гідроксид використовувався як катод в батареях Ni-Cd. Вони використовувались у залізничній та авіаційній промисловості, а також у інструментах для колективного використання, включаючи стільникові телефони, відеокамери, ноутбуки тощо.

Витрата кадмію на виробництво Ni-Cd акумуляторів становила 80% виробництва кадмію. Однак через токсичність цього елемента акумулятори Ni-Cd поступово були замінені нікель-металевими гідридними батареями.

Пігменти

Кадмій червоний. Джерело: Марко Альмбауер

Сульфід кадмію використовується як жовтий пігмент, а селенід кадмію як червоний пігмент, відомий як кадмій червоний. Ці пігменти характеризуються своїм блиском і інтенсивністю, саме тому їх застосовували в пластмасі, кераміці, склі, емалі та художніх кольорах.

Зазначено, що художник Вінсент Ван Гог використовував у своїх картинах пігменти кадмію, що дозволило йому досягти різноманітних яскравих червоних, апельсинових та жовтих кольорів.

Забарвлення кадмієвих пігментів повинно бути ослаблено, перш ніж розмелюватися з олією або змішуватися в акварелі та акрилі.

Телевізор

Кадмієсодержащі компоненти використовувались у люмінофорі чорно-білих телевізорів, а також у синьому та зеленому люмінофорах для кольорових телевізійних труб.

Фосфор був частиною екрану, який опромінювався катодними променями, відповідаючи за формування зображення. Кадмій, незважаючи на його токсичність, почав використовуватись у нещодавно створених телевізорах QLED.

Стабілізація ПВХ

З'єднання кадмію, утворені карбоксилатом, лауратом та стеаратом, використовувались як стабілізатори полівінілхлориду, оскільки вони затримують деградацію, що виникає під впливом тепла та ультрафіолетового світла, які розкладають ПВХ у процесі його виготовлення.

Через токсичність кадмію стабілізатори ПВХ, пов'язані з кадмієм, знову були замінені іншими стабілізаторами, такими як барій-цинк, кальцій-цинк та органотин.

Сплави

Кадмій використовувався в несучих сплавах завдяки високій стійкості до втомлення та низькому коефіцієнту тертя. Кадмій має відносно низьку температуру плавлення, через що його використовують у сплавах з низькою температурою плавлення і є компонентом на додаток до багатьох видів зварних швів.

Кадмій також може використовуватися в електропровідних, теплопровідних та електричних контактних сплавах.

Покриття

Кадмій використовується для захисту кріплень із сталі, алюмінію та інших кольорових металів, а також рухомих деталей. Покриття кадмієм забезпечує захист від корозії в сольових та лужних середовищах. Крім того, він служить мастилом.

Кадмій використовується також у багатьох електричних та електронних програмах, які потребують корозійної стійкості та низького електричного опору.

Ядерні реактори

Кадмій використовується в ядерних реакторах за його здатності захоплювати нейтрони, що дає можливість контролювати надлишки нейтронів від ядерного поділу, уникаючи додаткових ядерних поділів.

Напівпровідники

Селенід і телурид кадмію - це сполуки, які діють як напівпровідники при виявленні світла та у сонячних елементах. HgCdTe чутливий до інфрачервоного світла і використовується як детектор руху, а також комутатор для пристроїв дистанційного керування.

біологія

He-Cd лазерне світло. Джерело: досить анонімне (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Гелій-Cd бере участь у формуванні лазерного променя синьо-фіолетового світла з довжиною хвилі між 325 і 422 нм, застосованим у флуоресцентних мікроскопах.

Кадмій використовується в молекулярній біології для блокування кальцієвих каналів, які залежать від мембранного потенціалу.

Список літератури

1. Вікіпедія. (2019). Кадмій. Відновлено з: en.wikipedia.org
2. Selva VR & et al. (2014). Висока тиск і температура структури рідких і твердих речовин Cd: наслідки для кривої плавлення Cd. Відновлено з: researchgate.net
3. Доктор Тісто Стюарт. (2019). Факти кадмію. Відновлено з: chemicool.com
4. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Кадмій. PubChem База даних. CID = 23973. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Годт, Дж., Шейдіг, Ф., Гросс-Сєструп, К., Ешче, В., Бранденбург, П., Рейх, А., Гронеберг, DA (2006). Токсичність кадмію та пов'язані з цим небезпеки для здоров'я людини. Журнал медицини праці та токсикології (Лондон, Англія), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Рос Рейчел. (30 липня 2018 р.). Факти про камій. Відновлено з сайту: lifecience.com
7. Редактори Encyclopeedia Britannica. (6 вересня 2018 р.). Кадмій. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
8. Міжнародна асоціація кадмію. (sf). Застосування кадмію. Відновлено з: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Кадмій. Відновлено з: lenntech.com