Кадмий
Общие сведения
Кадмий является химическим элементом двенадцатой группы периодической системы с атомным номером 48. Данный элемент был открыт в 1817 году в Германии при исследовании оксида цинка, в котором была обнаружена специфическая примесь. Ученый Фридрих Штромейер выделил оксид данного вещества, восстановил его водородом и доказал существование нового самостоятельного химического элемента. Название образовано от греческого наименования руды, из которой добывали цинк, что восходит к имени героя древнегреческой мифологии Кадма. Кадмий относится к редким элементам и характеризуется высокой токсичностью, сопоставимой с токсичностью ртути и мышьяка. Элемент является кумулятивным ядом и канцерогеном, способным накапливаться во внутренних органах, печени, почках и быстро делящихся клетках. В организме кадмий способен ошибочно распознаваться как кальций, что ведет к замещению кальция в костях, нарушению фосфорно-кальциевого обмена и разрушению костной ткани. Вдыхание паров металла или его оксида крайне опасно; воздействие высокой концентрации паров оксида кадмия в воздухе в течение одной минуты является смертельным. При остром отравлении, сопровождающемся рвотой и судорогами, применяется антидот на основе альбумина с карбонатом натрия. В связи с высокой опасностью вещества установлены строгие предельно допустимые концентрации кадмия в питьевой воде, продуктах питания и регламентируется его присутствие в электронике.
Свойства и характеристики
В виде простого вещества кадмий представляет собой мягкий, ковкий и тягучий металл серебристо-белого цвета. Вещество обладает гексагональной кристаллической решеткой. Металл настолько мягок, что поддается резке ножом, а при небольшом нагревании легко растирается в порошок. При сгибании кадмиевой палочки возникает характерный слабый хруст, обусловленный трением микрокристаллов друг о друга. Физические свойства включают низкую температуру плавления, составляющую 321 градус Цельсия, и температуру кипения на уровне 770 градусов Цельсия, из-за чего в промышленных условиях легко образуются токсичные пары. В периодической системе элемент располагается между цинком и ртутью, занимая промежуточное положение и демонстрируя сходные с ними химические свойства. В сухом воздухе металл устойчив и сохраняет металлический блеск, а во влажной среде на его поверхности образуется защитная оксидная пленка, препятствующая дальнейшему разрушению. Реакция с кислородом происходит при нагревании свыше 350 градусов Цельсия с образованием оксида кадмия. Элемент не взаимодействует с углеродом и не образует карбидов. Вещество способно восстанавливать водород и вступает в реакции с кислотами. Оксид и сульфид кадмия нерастворимы в воде.
Нахождение в природе
Кадмий является редким элементом, который не образует крупных самостоятельных месторождений. В природе известно всего шесть минералов, в которых кадмий выступает основным компонентом. К их числу относятся гринокит, хоулиит, отавит, монтепонит, кадмоселит и ксантохроит. Наибольшее содержание элемента отмечается в гриноките, где доля кадмия достигает 78 процентов, однако данный минерал встречается крайне редко. В подавляющем большинстве случаев кадмий присутствует в земной коре в виде примеси в минералах других элементов. Основным источником является сфалерит, представляющий собой минерал цинка, в котором концентрация кадмия может достигать пяти процентов. Незначительные доли процента кадмия также могут содержаться в станнине и халькопирите.
Получение
В связи с редкостью минералов, богатых кадмием, целевая добыча элемента непосредственно из них не осуществляется. Основным источником для промышленного получения кадмия служат цинковые руды. Металл добывается в качестве побочного продукта при переработке сфалерита и извлечении цинка. Исторический метод получения чистого вещества, примененный при его открытии, заключался в химическом выделении оксида кадмия с последующим его восстановлением до чистого металла при помощи водорода.
Применение
Кадмий находит широкое применение в различных отраслях благодаря своим физико-химическим характеристикам. Элемент вводится в состав сплавов на основе серебра, меди и цинка для существенного снижения температуры их плавления, в результате чего производятся легкоплавкие сплавы. Также вещество используется в создании некоторых ювелирных сплавов, в том числе в соединениях с золотом. Значительная часть металла расходуется на нанесение антикоррозийных покрытий на высокоуглеродистые, инструментальные и нержавеющие стали. Процесс кадмирования обеспечивает более высокую устойчивость к коррозии по сравнению с цинкованием, однако применяется реже из-за высокой цены и токсичности. Около двадцати процентов производимого кадмия используется для изготовления электродов в никель-кадмиевых, серебряно-кадмиевых, свинцово-кадмиевых и ртутно-кадмиевых элементах питания. В химической промышленности вещество служит основой для производства неорганических пигментов, таких как кадмий лимонный. В сфере альтернативной энергетики элемент применяется при создании пленочных солнечных батарей. Благодаря способности эффективно поглощать тепловые нейтроны, кадмий используется в ядерной энергетике для создания элементов защиты на электростанциях и для экранирования гамма-спектрометров от естественного радиационного фона. Потенциально рассматривается возможность применения свойств кадмия накапливаться в опухолевых клетках для специфической противоопухолевой терапии.