Ключевые слова: кадмий элемент, история открытия кадмий элемента ,кадмий элемент в природе, получение кадмия элемента, применение кадмия, токсичность кадмия и его соединений, физические и химические свойства кадмия элемента, соединения кадмия элемента: оксид кадмия, гидроксид кадмия, карбонат кадмия, молибдат кадмия, нитрат кадмия, сульфат кадмия, сульфид кадмия.
Кадмий элемент — серебристо-белый, с синеватым отливом, металл, по цвету ближе к стали, чем к олову, имеет несколько желтоватый оттенок. На воздухе кадмий быстро тускнеет из-за образования тонкой окисной пленки, но сохраняет металлический блеск; излом его острый, лучистый. Тонкая кадмиевая фольга в проходящем свете имеет синевато-фиолетовую окраску. Пары кадмия оранжево-желтые; подобно большинству других металлов, состоят преимущественно из отдельных атомов (их молекулярный вес 114,1 при атомном весе кадмия 112,4). В Периодической системе элементов Д. И. Менделеева кадмий элемент находится в побочной подгруппе II группы (5-й период) между цинком и ртутью; его соседи по периоду — серебро и индий.
ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
Кадмий элемент был открыт в 1817 г. Фридрихом Штромейером, профессором химии и фармации в Геттингенском университете .При инспекции аптек Штромейер обратил внимание на то, что при прокаливании некоторых образцов карбоната цинка образуется не белый, а оранжево-желтый или коричневый оксид, который, однако, не содержит ни железа, ни свинца. Он предположил, что такая необычная окраска вызвана присутствием какого-то постороннего элемента. Специальной обработкой Штромейер отделил оксид неизвестного элемента от соединений меди и пинка, а затем восстановил его до металла.
Независимо от Штромейера и почти в то же время кадмий в соединениях цинка открыли К. Херман из Шонебека и И. Ролофф из Магдебурга ( они обнаружили новый элемент в оксиде цинка, раствор которого давал с сероводородом вместо белого — желтый осадок), а также В. Мейсснер из Галле и С. Карстен из Берлина. Более поздние исследования подтвердили наличие неизвестного элемента (кадмия) во многих образцах металлического цинка и его соединений и позволили получить из них оксид металла и выделить его в чистом виде .По свидетельству Гомера, цинковую руду, добавляемую к меди при выплавке латуни, именовали в Древней Греции к а д м е й я . Поэтому Штромейер открытому в соединениях цинка новому элементу дал название «кадмий» . В русской химической литературе первой половины XIX в. кадмий нередко называли кадмом, за рубежом для него в первое время предлагали и другие названия: меллиний, клапротий и юноний .
КАДМИЙ ЭЛЕМЕНТ В ПРИРОДЕ.
Содержание элемента кадмия в литосфере составляет 1,5∙ 10-5весовых %, в метеоритах 1∙10-5%. Кадмий образует ограниченное число природных соединений. Основной его минерал — гринокит, гексагональный CdS (77,6% Cd) открыл в 1841 г. Кеткарт, лорд Гринок . Гринокит не образует естественных скоплений и встречается обычно лишь в виде землистой корочки на цинковых минералах. Гринокит находят в зоне окисления некоторых сульфидных месторождений Центрального Казахстана, Средней Азии и Южного Урала . Известны еще два сульфида кадмия — кубический—хоулиит и аморфный, содержащий воду, ксантохроит . Очень редки другие минералы кадмия: монтепонит — CdO (87,5% Cd), отавит — CdCО3 (65,3% Cd) и кадмоселит - CdSe (47,00% Cd) . В различных типах пород присутствует 1∙10-6—6∙10-5 % кадмия .
ПОЛУЧЕНИЕ КАДМИЯ.
Основное сырье для получения элемента кадмия — отходы цинкового, свинцового и медного производств: пыли при обжиге цинковых концентратов, пыли свинцовоплавильных печей, медно-кадмиевые кеки цинковых электролитных заводов, остатки литопонного производства. Содержание кадмия в этих продуктах может достигать 30—40% (например, в кадмиевой фракции при ректификации цинка). Наряду с элементом кадмием цинковые и свинцовые концентраты содержат Ga, Ge, In, TI, Se и Те; содержание последних двух элементов в свинцовых концентратах достигает сотых (селена — даже десятых) долей процента.
Первые упоминания о промышленном производстве кадмия (в Верхней Силезии) относятся к 1829 г.; до 1870 г. оно не превышало 125 кг в год. В начале XX в. был разработан гидроэлектрометаллургический способ получения кадмия, и к 1925 г. его выпуск возрос с десятков до сотен тонн.Производство металлического кадмия обычно включает следующие основные стадии: выщелачивание сырья, очистку растворов от основной массы посторонних элементов, электролитическое осаждение кадмия или его цементацию на цинке, плавку выделенной губки, рафинирование и получение металла высокой чистоты.При извлечении кадмия из полу-продуктов свинцово-цинкового производства применяют амальгамные способы — цементацию амальгамой цинка и ее последующее анодное окисление, в результате чего получают продукт с содержанием 99,95%Cd.
ПРИМЕНЕНИЕ КАДМИЯ.
Основное техническое применение кадмия элемента (более половины его мирового производства) заключается в антикоррозионном покрытии металлов; около 20% расходуется на антифрикционные сплавы, до 10% используют для производства солей кадмия. Кадмирование стальных изделий предохраняет их от коррозии значительно эффективнее, чем никелирование, цинкование и лужение; подшипники с кадмий -содержащими сплавами имеют преимущества при работе в условиях больших скоростей вращения, высоких температур и давлений. Многочисленные легкоплавкие эвтектики кадмия с другими металлами применяют в автоматических противопожарных устройствах, в виде плавких предохранителей и в качестве припоев; ими можно паять железо, латунь, нейзильбер, олово, свинец и цинк.
Добавление кадмия элемента в медные сплавы также повышает их механическую прочность, жароустойчивость и сопротивление коррозии; введение циркония увеличивает и твердость; такие сплавы используют в линиях высоковольтных передач. В платино-железных сплавах кадмий служит для изготовления часовых пружинок, а со свинцом и оловом — для типографских клише .
Наряду с бором, гафнием, золотом и некоторыми редкоземельными элементами металлический кадмий высокой чистоты применяют в атомной промышленности в качестве поглотителя тепловых нейтронов. Употребление в ювелирном деле основано на способности кадмия придавать изделиям из драгоценных металлов различные оттенки («зеленое» золото); он входит также в некоторые составы монетного серебра . Кадмиевые электроды используют в элементах Вестона и в кислотных аккумуляторах, а с железом и никелем — в щелочных. Металлический кадмий широко применяется в военном деле, входит в состав смесей для дымовых завес и добавляется к металлам цериевой группы в пирофорных сплавах .
Соли кадмия элемента также широко применяют в стеклоделии, в фотографии, в производстве люминофоров и силиконовых каучуков, в качестве катализаторов в органическом синтезе, а так же красок различных цветов (от цвета слоновой кости до малинового). Антимониды, арсениды, селениды, сульфиды и теллуриды кадмия (для синтеза используют 99,99999%-ный Cd) обладают полупроводниковыми свойствами и применяются в фотоэлектрических и электронно-оптических приборах, — в качестве материала для фототранзисторов и фотоэлементов.
ТОКСИЧНОСТЬ КАДМИЯ И ЕГО СОЕДИНЕНИЙ.
Соединения элемента кадмия, независимо от их агрегатного состояния (пыль, дым окиси кадмия, нары, туман), ядовиты. Отравления кадмием могут происходить при нагревании металла или его сплавов, плавке руд и при производстве и применении красок и сплавов, в состав которых он входит. По своей токсичности кадмий аналогичен ртути или мышьяку. Менее растворимые соединения его действуют в первую очередь на дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт, а более растворимые — после всасывания в кровь — поражают центральную нервную систему (сильное отравление), вызывают дегенеративные изменения во внутренних органах (главным образом — в печени и почках) и нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Механизм токсического действия кадмия заключается, по-видимому, в связывании карбоксильных, аминных и особенно сульфгидрильных групп белковых молекул, в результате чего угнетается активность ферментных систем. В связи с ядовитостью элемента кадмия и его соединений их контакт с пищевыми продуктами недопустим .
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАДМИЯ
Плотность металлического кадмия при 0° К равняется 9,65 г/см3, в нормальных условиях .Кадмий существует в трех различных модификациях, неразличимых структурно при рентгенометрическом исследовании, но различающихся коэффициентами расширения и величиной электролитического потенциала растворения (но лишь на тысячные доли вольта). При комнатной температуре элемент кадмий устойчив и лишь незначительно тускнеет под действием воздуха и воды; поэтому его широко применяют в качестве антикоррозионных покрытий. При сильном нагревании на воздухе кадмий сгорает красным пламенем с образованием коричневого дыма оксида кадмия CdO (при этом образуются также следы перекиси ).
СОЕДИНЕНИЯ КАДМИЯ ЭЛЕМЕНТА
Оксид кадмия CdO получается при нагревании металла на воздухе или при прокаливании его гидроксида, карбоната, нитрата или сульфида. Цвет оксида кадмия зависит от температуры: прокаливание при 350—370° С дает зеленовато- желтую окраску, при нагревании до 800° С получается соединение густого сине-черного цвета; последнее образуется также при длительном кипячении гидроксида с очень концентрированным раствором КОН. При прокаливании карбоната кадмия получается аморфная коричневая, из нитрата кадмия — кристаллический черный оксид. Продукты разного цвета различаются лишь величиной частиц. При нагревании на воздухе CdO очень устойчив, около 700° С, не плавясь, начинает возгоняться, при более высокой температуре (до 1000° С) отщепляет кислород. Но в токе водорода легко восстанавливается уже при 270—300° С, а углеродом или монооксидом углерода (угарный газ) — при 700° С. Нагреванием в токе хлора оксид кадмия можно перевести в хлорид CdCl2. На воздухе коричневый CdO поглощает СО2 и постепенно белеет, переходя в карбонат. CdO нерастворим в воде и щелочах, в кислотах растворяется с образованием ионов Cd2+, а в аммиаке — комплексных катионов [Cd(NH3)4]2+.Оксид кадмия использовали в гравиметрии в виде весовой формы после прокаливания CdS или CdCО3; но при выполнении анализа необходимо учитывать ее способность легко восстанавливаться газами пламени и углем фильтровальной бумаги, что может привести к заниженным результатам.
Гидроксид кадмия Cd(OH)2 выделяется из растворов солей кадмия при действии едких щелочей в виде белого студенистого осадка, практически нерастворимого в избытке реагента, но легко растворяющегося в кислотах, цианидах и аммиаке. При нагревании до 170°С Cd(OH)2 не разлагается, при 371° С образуется CdO .
Карбонат кадмия CdCО3, выделяющийся в виде белого осадка карбонатами щелочных металлов, обычно загрязнен основной солью Cd2(ОH)2CО3. Соли аммония препятствуют выделению, но при кипячении аммиак удаляется в виде газа и происходит полное осаждение. При действии NaHCО3 осаждается не основная, а средняя соль.
Нитрат кадмия Cd(NО3)2∙4H2О — расплывающиеся лучистые иглы, получаются при растворении металла или карбоната в азотной кислоте. Осторожное обезвоживание тетрагидрата при 75—80° С (или в эксикаторе над H2SО4) дает безводную соль, плавящуюся при 360° С; при более высокой температуре разлагается с выделением CdO.
Сульфат кадмия 3CdSО4∙8H2О получают кристаллизацией раствора кадмия, его оксида или карбоната в разбавленной серной кислоте; при температурах ниже 70° С нерастворим в этаноле. При нагревании соли между 80 и 120° С образуется моногидрат, а при 320° С — безводная соль, устойчивая до 906° С. Кадмий образует двойные соли с сульфатами щелочных металлов, меди и Fe(II). Из водных растворов, содержащих аммиак, кристаллизуется в виде аммиаката. Сульфат кадмия — одна из наиболее распространенных весовых форм при определении кадмия, которую высушивают при 350—400° С. Если исходят из CdS, то его сначала растворяют в соляной кислоте и выпаривают с серной; полное удаление ее происходит с большим трудом, поэтому прокаленный сульфат растворяют в воде, снова выпаривают, прокаливают, взвешивают и повторяют эти операции до достижения постоянного веса .
Сульфид кадмия образуется при действии на растворы кадмия растворимых сульфидов или газообразного сероводорода. Цвет осадка зависит от условий выделения и меняется от зеленовато-желтого через оранжевый до красного. Желтый сульфид получается при его осаждении из холодного щелочного раствора, красный — из кислого при нагревании. Желтая форма при нагревании становится оранжево-красной, по охлаждении первоначальный желтый цвет восстанавливается; изменения цвета можно достигнуть также трением и давлением. Свежеосажденный сульфид немного растворим в разбавленных кислотах с выделением сероводорода (в соляной значительно легче, чем в серной), растворяется в концентрированном растворе хлорида аммония, но нерастворим в растворах щелочных сульфидов и очень мало — в растворе сульфида аммония. До сравнительно недавнего времени CdS, благодаря своей малой растворимости, служил основой для отделения кадмия от других элементов и использовался при его гравиметрическом, титриметрическом и колориметрическом определении.
ключевые слова: кадмий элемент. как получить кадмий элемент, кадмий элемент в природе, кадмий элемент применение. кадмий элемент свойства, кадмий элемент что это, кадмий элемент формула, кадмий элемент название..
На химический анализ сточных вод для декларации действует
