История открытия кадмия и сфера его использования

Кадмий – простой элемент периодической таблицы Менделеева. Мягкий и ковкий, но чрезвычайно опасный тяжелый металл. Благодаря легкости обработки и пластичности, востребован практически во всех сферах деятельности – от атомной промышленности до медицины и даже ювелирного дела.

История открытия

Химический элемент был открыт известным немецким фармацевтом и химиком Фридрихом Штромейером в начале XIX столетия. При прокаливании образцов карбоната натрия он отметил, что некоторые из них образуют оксид коричневого либо оранжево-желтого оттенков. При более тщательном исследовании, обнаружении отсутствия свинца и железа, он объяснил окраску наличием неизвестного элемента. Вещество получило название кадмий, что в греческом языке означает – нечистый оксид цинка.

Честь открытия с ним разделяет также группа немецких ученых, в частности К. Герман и К. Карстен, которые практически в то же время выделили кадмий в ходе изучения соединений в цинковых рудах.

Кадмий в таблице Менделеева

Кадмий – простой элемент таблицы под номером 48, с латинским названием Cadmium, формулой Cd и уникальными свойствами. Состоит в побочной подгруппе 2-й группы, 5-го периода периодической системы Менделеева.

При нормальных условиях простой элемент кадмий тяжелый переходный металл с плотностью 8,65 г/см³. Он состоит из 8 изотопов, шесть из которых стабильны, двум другим свойственна слабая радиоактивность.

Как отличить металлы и неметаллы в таблице элементов Менделеева мы рассказывали в статье ранее.

Строение атома

Имеет одноатомную молекулу. Атом состоит из положительно заряженного ядра, с 48 протонами и 64 нейтронами.

Вокруг по 5-ти оболочкам двигаются 48 электронов (из них 46 находятся на внутреннем уровне, 2 – на внешнем). Атомная масса – 112.411 (8) а. е. м.

Физические свойства элемента

Кадмий – тяжелый, тягучий металл серовато-серебристого оттенка с характерным металлическим блеском. Довольно мягкий – более твердый, чем олово, но мягче, чем цинк. Поддается резке ножом. Обладает ценными для промышленного производства свойствами: ковкостью, тягучестью. Хорошо прокатывается в листы, вытягивается в проволоку, поддается полировке.

При нагреве свыше 80 градусов теряет упругость. Верхняя граница прочности при растяжении – 64 Мн/м², относительное удлинение – 50%, предел текучести – 9.8 МПа.

Имеет гексагональную плотную кристаллическую решетку. Более всего сходен с цинком и ртутью. Отличается довольно низкой (327 ºС) температурой плавления и кипения (770 ºС).

Химические свойства

Элемент имеет постоянную вторую валентность. Его основные химические свойства:

1. На открытом воздухе появляется характерная оксидная пленка.
2. Кадмий хорошо обрабатывается, поддается полировке.
3. В сухом воздухе элемент реагирует с кислородом (горит) только при высоких температурах.
4. При контакте с неорганическими кислотами образует соли.
5. Азотная кислота легко растворяет элемент, при этом образуется оксид азота, нитрат.
6. Из соляной и разбавленной серной кислот кадмий вытесняет водород.
7. С растворами щелочей в реакции не вступает.
8. В расплавленном состоянии взаимодействует с галогенными веществами, серой, селеном, кислородом. Не вступает в реакцию с бором, кремнием, углеродом.
9. В процессе нагревания и взаимодействия с серой образует сульфид, нерастворимый в воде, разбавленных кислотах. Может сплавляться с фосфором и мышьяком, образуя фосфиды, арсениды.

Кадмий в природе

Кадмий – рассеянный элемент. Он содержится в:

• почве;
• воде;
• воздухе (особенно в городах).

Кадмий в основном сопутствует цинковым минералам, образуя ограниченное число соединений. Отдельных месторождений сорок восьмой элемент не образует и выделяется из отработанных руд после выплавки из них цинка, свинца или меди.

Основным минералом, в котором содержится кадмий в значительном количестве, является гринокит. Его добывают в зонах сульфидных отложений, самые значительные из которых расположены в Средней Азии.

К кадмийсодеражищим минералам также относятся:

• кадмоселит;
• отавит;
• монтепонит.

Перечисленные минералы в виде примесей присутствуют в цинковых и свинцовых рудах, которые и являются основным промышленным источником 48-го элемента, без формирования собственных месторождений.

Обилием кадмия характеризуются вулканические породы. Металл также можно обнаружить в осадочных морских породах – сланцах. Мировые запасы вещества оцениваются в 25 млн тонн, промышленные – в 650 тыс. тонн. Среднее содержание в почве составляет 0.06 мг/кг.

В воде присутствуют растворы кадмия (сульфат, хлорид, нитрат кадмия). В естественных условиях элемент попадает в подземные воды вследствие перколяции руд цветных металлов, перегнивания подводных растений, организмов. Далее он поступает в растения (самая высокая концентрация в грибах), живые организмы (особенно страдают морские и речные обитатели). Результаты исследований показали наличие элемента в организмах всех позвоночных животных. Затем по пищевой цепочки он попадает к человеку.

Какие химические свойства карбоновых кислот, какие их виды существуют в природе, как их получить и где они применяются? Ответ можно найти в нашей статье по ссылке.

Влияние на организм человека

Как и иные тяжелые металлы, кадмий представляет собой суммационный яд, т. е. способен к накоплению в организме. Соединения его являются канцерогенами. Кадмий считается одним из самых опасных тяжелых металлов, наряду с ртутью и мышьяком. Оказывает губительное влияние на организм человека, его эндокринную, кровеносную и центральную нервную системы, разрушает костную ткань. При работе с веществом необходимо использование средств химической защиты.

Особенно опасно вдыхать пары оксида кадмия. Например, концентрация 2.5 г/м³ вещества в воздухе способна вызвать летальный исход уже через 1 минуту воздействия. Острую интоксикацию организма вызывает попадание в организм 30 мг вещества. При отравлении необходима экстренная медицинская помощь.

Применение

Сфера использования кадмия напрямую связана с характеристиками сплавов, добавляемых в процессе производства. Они бывают:

• легкоплавкими пластичными (со свинцом, оловом, висмутом);
• тугоплавкими износостойкими (с никелем, медью, цирконием).

Применяют в различных сферах, включая:

1. Судостроительная и авиационная отрасли. Кадмийсодержащие сплавы используются для изготовления подшипников для двигателей.
2. Производство антикоррозионных покрытий. Кадмирование создает устойчивое и пластичное сцепление с деталью, поэтому применяется для защиты от коррозии в сложных климатических условиях, при контакте с морской водой и др.
3. Изготовление солнечных батарей и аккумуляторов.
4. Лабораторные исследования. Применяют в качестве реактивов.
5. Атомная сфера. Из кадмия производят стержни для регулировки скорости реакций в атомном реакторе, а также защитные экраны.
6. В медицине используется в некоторых методиках лечения онкологических заболеваний. Входит в состав зубных пломб.
7. Ювелирное искусство. Модифицируя пропорции золота и кадмия, получают сплавы различных, от желтого до зеленоватого, оттенков.
8. Высокая теплопроводность при низких температурах позволяет использовать металл в криотехнологиях.

Кроме того, кадмийсодержащие сплавы успешно применяют для изготовления проводов ЛЭП, гипсовых отливок и стеклообработки.

Подводя итоги, сорок восьмой элемент таблицы Менделеева заслуженно обладает званием одновременно полезного и опасного металла с широкими, благодаря своим техническим данным, возможностями применения. Значение этого востребованного в сегодняшних реалиях элемента, с учетом непрерывного развития технологий, в будущем будет только возрастать. А что вы думаете по этому поводу? Оставьте комментарий, нам важно ваше мнение.

Также ниже рекомендуем посмотреть подобранные видео по теме.

Получение кадмия:

Кадмий — токсичный металл из старых батареек: