- история
- - Двойное открытие
- Оксид кадмия
- Кадмий в сульфиде цинка
- - Приложения
- 1840-1940
- 1970-1990
- Физико-химические свойства кадмия
- Внешность
- Стандартный атомный вес
- Атомный номер (Z)
- Категория товара
- запах
- Температура плавления
- Точка кипения
- плотность
- Теплота плавления
- Теплота испарения
- Молярная калорийность
- Электроотрицательность
- Энергии ионизации
- Теплопроводность
- удельное сопротивление
- твердость
- стабильность
- Самовозгорание
- Показатель преломления
- Реактивность
- Структура и электронная конфигурация
- Числа окисления
- Где найти и получить
- Лечение сфалерита
- Изотопы
- риски
- Общее
- Влияние на почки
- Влияние на размножение
- Повреждение костей
- канцерогенез
- Приложения
- Никель-кадмиевые перезаряжаемые бактерии
- Пигменты
- телевидение
- Стабилизация ПВХ
- сплавы
- покрытие
- Ядерные реакторы
- Полупроводники
- биология
- Ссылки
Кадмия (Cd) , представляет собой переходный металл или пост - переходный атомный номер 48 и серебро. Он ковкий и пластичный, с относительно низкими температурами плавления и кипения. Кадмий - редкий элемент, и его концентрация составляет всего 0,2 г / т земной коры.
Гринокит (CdS) - единственная важная кадмиевая руда с интенсивной желтой окраской. Кадмий находится в ассоциации с цинком в сфалерите (ZnS), который содержит от 0,1 до 03% кадмия в виде катиона Cd 2+ .
Кристаллы кадмия. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.
При переработке сфалерита для получения, плавления и очистки цинка кадмий получают во вторичной форме, что является его основным источником производства.
Этот металл был открыт в 1817 году независимо Фридрихом Стромайером и Карлом Германом. Стромайер окрестил новый элемент названием кадмий, происходящим от латинского слова «кадмия», термин был известен как каламин (карбонат цинка).
Кадмий представляет собой химический элемент с символом Cd и его атомный номер 48. Источник: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)
Кадмий - это элемент, имеющий большую полезность и множество применений, таких как антикоррозийное средство для железа, стали и цветных металлов; использовать как пигмент; стабилизация ПВХ; элемент в сплавах, используемых при сварке; аккумуляторные никель-кадмиевые батареи и т. д.
Тем не менее, это очень токсичный элемент, вызывающий серьезные повреждения легких, почек и костей, и даже сообщалось о его канцерогенном действии, поэтому его использование было ограничено. Но, несмотря на это, в некоторых приложениях его продолжают осторожно использовать.
история
- Двойное открытие
Кадмий был открыт немецким химиком Фридрихом Стромайером в 1817 году в образце карбоната цинка (каламина). В том же году KSL Hermann и JCH Roloff независимо друг от друга сделали то же открытие в эксперименте с сульфидом цинка.
Сообщается, что Стромайер сделал свое открытие, выполняя правительственный запрос о проверке аптек в городе Хильдесхайм, Германия. Оксид цинка в нынешнем виде использовался для лечения определенных кожных заболеваний.
Похоже, что аптеки не поставляли оксид цинка, а продавали карбонат цинка: сырье для производства оксида цинка. Производители оксида цинка утверждали, что нагревание карбоната цинка дает желтый «оксид цинка».
Оксид кадмия
Они не могли продавать этот «оксид цинка», так как цвет соединения обычно был белым; Вместо этого они продавали карбонат цинка, тоже белый. Столкнувшись с этой ситуацией, Стромайер решил изучить предполагаемый желтый оксид цинка.
Для этого он нагрел образцы карбоната цинка (каламина) и получил желтый оксид цинка, как сообщается. Проанализировав это, он пришел к выводу, что желтый цвет был вызван присутствием металлического оксида нового элемента.
После извлечения этого нового оксида металла он произвел его восстановление, достигнув выделения кадмия. Стромайер определил его плотность и получил значение 8,75 г / см 3 , близкое к известному в настоящее время значению этого параметра (8,65 г / см 3 ).
Кроме того, Стромайер указал, что новый элемент имеет внешний вид, похожий на платину, и что он также присутствует во многих соединениях цинка и даже в очищенном цинке.
Стромайер предложил название «кадмий» от латинского слова «кадмия» - названия каламина, ZnCO 3 .
Кадмий в сульфиде цинка
Карл Германн (1817) обнаружил неожиданный желтый цвет при обработке сульфида цинка и подумал, что это может быть загрязнение мышьяком. Но как только эта возможность была исключена, Германн осознал, что перед ним появился новый элемент.
- Приложения
1840-1940
В 1840-х годах кадмий в качестве пигмента начали использовать в коммерческих целях. Британский фармацевтический кодекс в 1907 году указывает на использование йодида кадмия в качестве лекарства для лечения «увеличенных суставов», золотушных желез и обморожений.
В 1930-х и 1940-х годах производство кадмия было направлено на покрытие стали и железа для защиты их от коррозии. В 1950-х годах соединения кадмия, такие как сульфид кадмия и селенид кадмия, использовались в качестве источников красных, оранжевых и желтых пигментов.
1970-1990
В 1970-х и 1980-х годах было обнаружено, что лаурат кадмия и соединения стеарата кадмия являются стабилизаторами для ПВХ, что привело к увеличению спроса на кадмий. Однако экологические нормы из-за токсичности кадмия привели к снижению его потребления.
В 1980-х и 1990-х годах кадмий перестали использоваться во многих сферах применения, но затем его производство увеличилось с появлением перезаряжаемых никель-кадмиевых батарей, которые составляли 80% потребления кадмия в Соединенных Штатах. ,
Физико-химические свойства кадмия
Внешность
Серебристо-серовато-белый с мягким металлическим блеском. Под воздействием температуры 80ºC он становится хрупким, его можно разрезать ножом. Он податливый, его можно свернуть в рулоны.
Стандартный атомный вес
112 414 единиц
Атомный номер (Z)
48
Категория товара
Постпереходный металл, альтернативно считающийся переходным металлом. По определению IUPAC переходный металл - это металл, атомы которого имеют неполную d-подоболочку или которые могут давать катионы с неполной d-подоболочкой.
Согласно этому определению, кадмий не является переходным металлом, поскольку его катион Cd 2+ имеет 4d-орбитали, полностью заполненные электронами (4d 10 ).
запах
Туалет
Температура плавления
321,07 ºC
Точка кипения
767 ºC
плотность
Температура окружающей среды: 8,65 г / см 3
При температуре плавления (жидкость): 7,996 г / см 3.
Теплота плавления
6,21 кДж / моль
Теплота испарения
99,87 кДж / моль
Молярная калорийность
26,020 Дж / (моль К)
Электроотрицательность
1,6 по шкале Полинга
Энергии ионизации
Первая: 867,8 кДж / моль (Cd + газ)
Второй: 1631,4 кДж / моль (Cd 2+ в газообразном состоянии)
Третий: 3616 кДж / моль ( газообразный Cd 3+ )
Теплопроводность
96,6 Вт / (м · К)
удельное сопротивление
72,7 нОм · м при 22 ºC
твердость
2,0 по шкале Мооса. Это металл, хоть и плотный, но довольно мягкий.
стабильность
Он медленно окисляется влажным воздухом с образованием оксида кадмия, который тускнеет его металлический блеск. Он не горюч, но в виде порошка может гореть и самовоспламеняться.
Самовозгорание
250 ºC для кадмия - это порошок.
Показатель преломления
1,8 при 20 ºC
Реактивность
Кадмий может гореть на воздухе с образованием оксида кадмия (CaO), коричневого аморфного порошка, в то время как кристаллическая форма имеет темно-красный цвет.
Кадмий быстро реагирует с разбавленной азотной кислотой и медленно с горячей соляной кислотой. Он также способен реагировать с серной кислотой, но не реагирует со щелочами. Во всех этих реакциях образуются соли кадмия их соответствующих анионов (Cl - ) или оксоанионов (NO 3 - и SO 4 2- ).
Структура и электронная конфигурация
Диаграмма электронной оболочки кадмия, 48 элемента периодической таблицы. Источник: Pumbaa (оригинальная работа Грега Робсона) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)
Атомы кадмия в его кристалле устанавливают металлическую связь со своими валентными электронами, которые расположены на 4d и 5s орбиталях в соответствии с их электронной конфигурацией:
4д 10 5с 2
Однако, хотя 4d-орбитали заполнены электронами, и можно также подумать, что «море электронов» достаточно, чтобы прочно связать атомы Cd, в действительности взаимодействия слабые. Это можно продемонстрировать экспериментально с его низкой температурой плавления (321 ° C) по сравнению с другими переходными металлами.
По этой и другим химическим причинам кадмий иногда не считают переходным металлом. В его металлическую связь вовлечено так много электронов (двенадцать), что они начинают сильно мешать его отрицательному отталкиванию; что вместе с разностью энергий заполненных 4d- и 5s-орбиталями ослабляет взаимодействие Cd-Cd.
Атомы Cd образуют компактную гексагональную кристаллическую структуру (ГПУ), которая не претерпевает фазовых переходов до точки плавления. Когда кристаллы кадмия с ГПУ подвергаются давлению, эквивалентному 10 ГПа, структура только деформируется; но без сообщения об изменении фазы.
Числа окисления
Кадмий не может потерять двенадцать валентных электронов; фактически, он не может потерять даже одну из своих 4d-орбиталей, которые более стабильны по энергии по сравнению с 5s-орбитали. Следовательно, он может потерять только два электрона орбитали 5s 2 , следовательно, являясь двухвалентным металлом; как в случае с цинком, ртутью и щелочноземельными металлами (г-н Бекамбара).
Когда предполагается наличие катиона Cd 2+ в его соединениях , тогда говорят, что кадмий имеет степень окисления или состояние +2. Это ваша основная степень окисления. Например, следующие соединения содержат кадмий в виде +2: CdO (Cd 2+ O 2- ), CdCl 2 (Cd 2+ Cl 2 - ), CdSO 4 (Cd 2+ SO 4 2- ) и Cd (NO 3 ) 2 .
В дополнение к этой степени окисления есть также +1 (Cd + ) и -2 (Cd 2- ). Степень окисления +1 наблюдается в дикатоне Cd 2 2+ , в котором каждый атом кадмия имеет положительный заряд. Между тем, -2 довольно странно и применимо к «кадмидному» аниону.
Где найти и получить
Кристаллы гринокита. Источник: Роб Лавинский, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0
Кадмий - редкий элемент, концентрация которого в земной коре составляет 0,2 г / т. Единственным важным минералом кадмия является гринокит (CdS), который нельзя добывать с горнодобывающей и коммерческой точек зрения.
Кадмий связан с цинком в минерале сфалерите (ZnS), который обычно содержит его в концентрации от 0,1% до 0,3%; но в некоторых случаях концентрация кадмия в сфалерите может достигать 1,4%.
Камни, обработанные для получения фосфорных удобрений, могут иметь концентрацию кадмия 300 мг / кг удобрения. Также уголь может содержать небольшое, но значительное количество кадмия.
Основным источником кадмия являются вулканические выбросы, которые кадмий может переносить в поверхностные воды. Использование фосфорных удобрений в сельскохозяйственных почвах привело к их загрязнению кадмием.
Кадмий, присутствующий в кислых почвах, усваивается растениями. Некоторые овощи используются человеком в пищу, что объясняет, почему потребление воды и пищи является основным источником попадания кадмия в организм людей, не подвергавшихся воздействию, или курильщиков.
Лечение сфалерита
Во время добычи, плавки и рафинирования цинка, присутствующего в сфалерите, кадмий обычно получается как побочный продукт. Подобное событие также происходит, хотя и в гораздо меньшей степени, при обработке меди и свинца.
Точно так же небольшое количество кадмия можно получить при переработке лома чугуна и стали.
Сфалерит обжигается так, что сульфид цинка превращается в его оксид ZnO. Такую же реакцию претерпевает сульфид кадмия:
2 ZnS + 3 O 2 → 2 ZnO + 2 SO 2
Если эту смесь оксидов нагреть с древесным углем, они будут восстановлены до соответствующих металлов:
ZnO + CO → Zn + CO 2
Кроме того, цинк и кадмий можно получить электролизом, так как оксиды растворяются в серной кислоте.
В любом из этих методов образуется цинк, загрязненный кадмием. После плавления кадмий можно перегонять в вакууме из-за его более низкой температуры плавления (321 ° C) по сравнению с цинком (420 ° C).
Изотопы
Среди природных и стабильных изотопов кадмия с их соответственным содержанием здесь, на Земле, есть:
- 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 радиоактивен, но из - за такой большое значение половины - жизнь (т 1/2 = 7,7 × 10 15 лет), можно считать стабильной. Кроме того, есть 116 Cd, также радиоактивный, с периодом полураспада 3,1 · 10 19 лет, поэтому его можно считать стабильным изотопом, составляющим 7,51% кадмия.
Обратите внимание, что средняя атомная масса составляет 112,414 ед., Что ближе к 112, чем 114. Существование преобладающего изотопа над другими не наблюдается у кадмия.
риски
Общее
Поглощение кадмия происходит в основном из пищи, особенно из печени, грибов, моллюсков, какао-порошка и сушеных морских водорослей.
Характерный случай произошел в Китае в прошлом веке, где население было подвержено значительному загрязнению кадмием. Загрязнение кадмием произошло из-за его высокой концентрации в рисе, вызванной присутствием кадмия в почвах зерновых культур.
Курильщик получает в среднем 60 мкг в день. Максимально допустимая концентрация кадмия в крови - 15 мкг / день. У некурящих людей концентрация кадмия в крови составляет около 0,5 мкг / л.
Легкие поглощают от 40 до 60% кадмия, содержащегося в табачном дыме. Кадмий, абсорбированный в легких, переносится кровью, образуя комплексы с белками, цистеином и глутатионом, которые затем попадают в печень, почки и т. Д.
Острое вдыхание кадмия может вызвать симптомы, подобные тем, которые наблюдаются при гриппоподобном процессе; такие как простуда, жар и мышечные боли, которые могут вызвать повреждение легких. Между тем, хроническое воздействие кадмия может вызвать заболевания легких, почек и костей.
Влияние на почки
В почках кадмий обычно вызывает изменение метаболизма фосфора и кальция, о чем свидетельствует увеличение образования камней в почках. Кроме того, он вызывает поражение почек, проявляющееся в появлении в моче белка-переносчика ретинола и β-2-микроглобулина.
Влияние на размножение
Воздействие кадмия на мать связано с низким весом ребенка при рождении и увеличением числа самопроизвольных абортов.
Повреждение костей
В Японии кадмий связан с появлением в прошлом веке болезни Итаи-Итай. Это заболевание характеризуется низкой минерализацией костей, хрупкостью костей с высокой частотой переломов, повышенным остеопорозом и болями в костях.
канцерогенез
Хотя эксперименты на крысах установили связь между кадмием и раком простаты, на людях это не было продемонстрировано. Была показана связь между кадмием и раком почек, а также с раком легких.
Приложения
Никель-кадмиевые перезаряжаемые бактерии
Различные элементы или никель-кадмиевые батареи. Источник: Boffy b через Википедию.
Гидроксид кадмия использовался в качестве катода в Ni-Cd батареях. Они использовались в железнодорожной и авиационной промышленности, а также в инструментах коллективного пользования, включая сотовые телефоны, видеокамеры, ноутбуки и т. Д.
Потребление кадмия для производства Ni-Cd аккумуляторов составляет 80% от производства кадмия. Однако из-за токсичности этого элемента никель-кадмиевые батареи постепенно были заменены никель-металлогидридными батареями.
Пигменты
Кадмий красный. Источник: Марко Альмбауэр
Сульфид кадмия используется как желтый пигмент, а селенид кадмия - как красный пигмент, известный как красный кадмий. Эти пигменты отличаются яркостью и интенсивностью, поэтому их используют в пластике, керамике, стекле, эмали и художественных красках.
Было отмечено, что художник Винсент Ван Гог использовал в своих картинах кадмиевые пигменты, что позволило ему получить множество ярких красных, оранжевых и желтых оттенков.
Окрашивание кадмиевых пигментов необходимо ослабить перед тем, как растирать их маслами или смешивать с акварелью и акрилом.
телевидение
Компоненты, содержащие кадмий, использовались в люминофоре черно-белых телевизоров, а также в синих и зеленых люминофорах для кинескопов цветного телевидения.
Люминофор был частью экрана, который облучается катодными лучами, отвечая за формирование изображения. Кадмий, несмотря на его токсичность, начал использоваться в недавно созданных телевизорах QLED.
Стабилизация ПВХ
Соединения кадмия, образованные из карбоксилата, лаурата и стеарата, использовались в качестве стабилизаторов поливинилхлорида, поскольку они задерживают разложение, вызванное воздействием тепла и ультрафиолетового света, которые разлагают ПВХ в процессе его производства.
Опять же, из-за токсичности кадмия стабилизаторы ПВХ, связанные с кадмием, были заменены другими стабилизаторами, такими как барий-цинк, кальций-цинк и оловоорганическое соединение.
сплавы
Кадмий используется в подшипниковых сплавах из-за его высокой усталостной прочности и низкого коэффициента трения. Кадмий имеет относительно низкую температуру плавления, поэтому он используется в сплавах с низкой температурой плавления и является компонентом в дополнение ко многим типам сварных швов.
Кадмий также может использоваться в электропроводящих, теплопроводных и контактных сплавах.
покрытие
Кадмий используется для защиты стальных, алюминиевых и других крепежных изделий из цветных металлов, а также движущихся частей. Кадмиевое покрытие обеспечивает защиту от коррозии в соленых и щелочных средах. Кроме того, он служит смазкой.
Кадмий также используется во многих электрических и электронных устройствах, где требуется устойчивость к коррозии и низкое электрическое сопротивление.
Ядерные реакторы
Кадмий используется в ядерных реакторах из-за его способности захватывать нейтроны, что позволяет контролировать избыточные нейтроны от ядерного деления, избегая дополнительных ядерных делений.
Полупроводники
Селенид и теллурид кадмия - это соединения, которые действуют как полупроводники при обнаружении света и в солнечных элементах. HgCdTe чувствителен к инфракрасному свету и используется в качестве детектора движения, а также в качестве переключателя для устройств дистанционного управления.
биология
He-Cd лазерный свет. Источник: Rather Anonymous (https://www.flickr.com/photos//35766549)
Гелий-Cd участвует в формировании лазерного луча сине-фиолетового света с длиной волны от 325 до 422 нм, пригодного для использования в флуоресцентных микроскопах.
Кадмий используется в молекулярной биологии для блокировки кальциевых каналов в зависимости от мембранного потенциала.
Ссылки
- Wikipedia. (2019). Кадмий. Получено с: en.wikipedia.org
- Selva VR и др. (2014). Структура жидкого и твердого Cd при высоких давлениях и температурах: влияние на кривую плавления Cd. Получено с: researchgate.net
- Доктор Доф Стюарт. (2019). Факты об элементе кадмия. Получено с: chemicool.com
- Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Кадмий. База данных PubChem. CID = 23973. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
- Годт, Дж., Шейдиг, Ф., Гросс-Систруп, К., Эше, В., Бранденбург, П., Райх, А., и Гронеберг, Д.А. (2006). Токсичность кадмия и связанные с этим опасности для здоровья человека. Журнал медицины труда и токсикологии (Лондон, Англия), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
- Рос Рэйчел. (30 июля 2018 г.). Факты о камиуме. Получено с: livescience.com
- Редакторы энциклопедии Британника. (6 сентября 2018 г.). Кадмий. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
- Международная кадмиевая ассоциация. (SF). Применение кадмия. Получено с: cadmium.org
- Lenntech BV (2019). Кадмий. Получено с: lenntech.com