Кадмий реферат по химии

Обновлено: 18.05.2024

Ф. Штромейер, который был генеральным инспектором аптек провинции Ганновер, поместил в другом журнале обстоятельную статью о новом металле. Статья, датированная 26 апреля 1818 г., опубликована в выпуске, на обложке которого проставлен 1817 г. Видимо, это обстоятельство в сочетании с тем, что Штромейер (с согласия Германна) дал наименование открытому металлу, и привело к ошибкам в определении как даты, так и автора открытия.

Кадмий ‑ серебристо-белый , отливающий синевой металл , тускнеющий на воздухе из-за образования защитной пленки оксида. Температура плавления – 321 ° C, температура кипения - 770 ° С. Палочка чистого кадмия при сгибании хрустит подобно олову, но любые примеси в металле уничтожают этот эффект. Кадмий тверже олова, но мягче чинка – его можно резать ножом. При нагревании выше 80 ° C кадмий теряет упругость до такой степени, что его можно истолочь в порошок.

Кадмий образует сплавы и соединения со многими металлами, хорошо растворяется в ртути.

Общая химическая характеристика кадмия.

При нагревании окисление становится интенсивнее и возможно воспламенение металла. Порошкообразный кадмий легко загорается на воздухе ярким красным пламенем, образуя оксид.

Если энергично смешивать с водой порошкообразный кадмий, то наблюдается выделение водорода и можно обнаружить присутствие пероксида водорода.

Разбавленные соляная и серная кислоты при нагревании постепенно реагируют с кадмием, выделяя водород. Сухой хлороводород взаимодействует с кадмием при температуре 440 ° С. Сухой сернистый газ также реагирует с металлом, при этом образуется сульфид кадмия CdS и отчасти его сульфат CdSO₄. Азотная кислота, взаимодействуя с кадмием в условиях обычных выделяет аммиак, а при нагревании - оксиды азота.

Кадмий, в отличии от цинка, не растворим в едких щелочах , но также растворяется в гидроксиде аммония. При взаимодействии кадмия с раствором нитрата аммония образуются нитраты.

Алюминий, цинк и железо вытесняют кадмий из растворов его соединений. Сам он осаждает из растворов медь и другие более электроположительные элементы. При нагревании кадмий непосредственно соединяется с фосфором, серой, селеном, теллуром и галогенами, однако получить его гидрид и нитрид прямым взаимодействием с водородом и азотом не удается.

Важнейшие соединения кадмия.

Оксид кадмия CdO можно получить сжиганием металла на воздухе или в кислороде, обжигом его сульфида или термическим разложением некоторых соединений. Это порошок разного цвета, в зависимости от температуры, при которой он получен: зеленовато-желтый (350-370 ° С.), густого темно-синего (800 ° С.), коричневого, черного.

Гидроксид кадмия Cd ( OH )₂ в виде белого студенистого осадка выделяется из растворов его солей при действии щелочей.

Сульфид кадмия CdS – одно из важнейших соединений кадмия. В зависимости от физико-химических условий получения он может быть от лимонно-желтого до красного цвета.

Галогениты кадмия достаточно легко получают прямым взаимодействием элементов, а также растворением кадмия, его оксида или карбоната в соответствующих кислотах. Все образующие соли – бесцветные кристаллические вещества.

Карбонат кадмия CdC О₃ в виде белого аморфного осадка выпадает из растворов кадмия при добавлении к ним щелочных карбонатов.

Сырьевые источники кадмия. Получение кадмия.

Кадмий является рассеянным элементом, т.е. он почти не образует собственных минералов, а месторождения таких минералов не известны совсем. Кадмий присутствует в рудах других металлов в концентрациях, составляющих сотые и тысячные доли процента. Некоторые руды, содержащие 1-1,5% кадмия, считаются чрезвычайно богатыми этим металлом.

Единственный минерал кадмия, представляющий некоторый интерес, - его природный сульфид – гринокит, или кадмиевая обманка. При разработке месторождений цинковых руд гринокит добывается вместе с фаеритом и попадает на цинковые заводы. В ходе переработки кадмий концентрируется в некоторых полупродуктах процесса, из которых затем его и извлекают.

Таким образом, реальным сырьем для получения кадмия являются кеки цинкоэлектролитных заводов, свинцовых и медеплавильных заводов.

Впервые производство было организовано в Верхней Силезии в 1829 г.

В настоящее время в мире производится свыше 10000 т кадмия в год.

Основная часть промышленного потребления кадмия приходится на кадмиевые защитные покрытия , предохраняющие металлы от коррозии. Эти покрытия имеют значительное преимущество перед никелевыми, цинковыми или оловянными, т.к. не отслаиваются от деталей при деформации.

Кадмиевые покрытия в некоторых случаях превосходят все остальные: 1) при защите от морской воды, 2) для деталей, работающих в закрытых помещениях с высокой влажностью, 3) для защиты электроконтактов.

Вторая область применения кадмия – производство сплавов . Сплавы кадмия серебристо-белые, пластичные, хорошо поддаются механической обработке. Сплавы кадмия с небольшими добавками никеля, меди и серебра используют для изготовления подшипников мощных судовых, авиационных и автомобильных двигателей.

Провод из меди с добавлением всего 1% кадмия в два раза прочнее, при этом его электропроводность снижается незначительно.

Медно-кадмиевый сплав с добавкой циркония обладает еще большой прочностью и используется для линий высоковольтных передач.

Чистый кадмий, благодаря замечательному свойству – высокому сечению захвата тепловых нейтронов, используется для изготовления регулирующих и аварийных стержней ядерных реакторов на медленных нейтронах.

В ювелирном деле используют сплавы золота с кадмием. Изменяя соотношение компонентов получают различные цветовые оттенки.

Никелево-кадмиевые аккумуляторы , даже полностью разряженные не приходят в полную негодность.

Амальгама кадмия используется в стоматологии для изготовления пломб.

Биологические свойства кадмия.

Кадмиевые покрытия, недопустимы, когда они должны контактировать с пищевыми продуктами. Сам металл нетоксичен, зато чрезвычайно ядовиты растворимые соединения кадмия. Причем опасен любой путь их попадания в организм и в любом состоянии (раствор, пыль, дым, туман). По токсичности кадмий не уступает ртути и мышьяку. Соединения кадмия угнетающе действуют на нервную систему, поражают дыхательные пути и вызывают изменения внутренних органов.

Большие концентрации кадмия могут привести к острому отравлению: минутное пребывание в помещении, содержащим 2500 мг/м 3 его соединений, приводит к смерти. При остром отравлении симптомы поражения развиваются не сразу, а после некоторого скрытого периода, который может продолжаться от 1-2 до 30-40 ч.

Несмотря на токсичность, доказано, что кадмий микроэлемент, жизненно необходимый для развития живых организмов. Функции его пока неясны. Подкормка растений благоприятно сказывается на их развитии.

В 1817 году окружной врач Магдебурга Иоганн Ролов заподозрил, что в оксиде цинка, который производили на шёнебекской фабрике Германа, содержится ядовитая примесь – мышьяк. И действительно, при пропускании сероводорода через раствор, полученный растворением производимого на фабрике оксида цинка в кислоте, выпадал желтый осадок, очень похожий на сульфид мышьяка As₂ S₂ . Герман же утверждал, что мышьяка в производимом им веществе нет. Разрешить спор был призван генеральный инспектор ганноверских аптек Фридрих Штромейер (1776 – 1835), который по совместительству занимал кафедру химии Геттингенского университета.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ,

ПЕРЕРАБОТКА РУД, ПОЛУЧЕНИЕ

Кадмий – редкий и весьма рассеянный элемент. Его содержание в земной коре составляет 1,1∙10 -5 %. Из-за сильного рассеяния он не образует самостоятельных рудных скоплений промышленного значения, а встречается в рудах тяжелых цветных металлов в качестве примеси и извлекается из них как побочный продукт.

Основные минералы кадмия гренокит (CdS) и отавит (CdCO₃ ) находятся в рассеянном состоянии и, как отмечалось выше, самостоятельных месторождений промышленного значения не образуют. Оксид кадмия (CdO) встречается в виде тонкого налета на гальмее и самостоятельных оруденений промышленного значения также не образует. Самородный кадмий в природе не встречается.

Наиболее богаты кадмием цинковые руды: в них содержится от сотых до десятых долей процента кадмия. В свинцовых и медных рудах концентрация кадмия не превышает сотых долей процента.

В процессе пирометаллургической переработки цинковых руд кадмий концентрируется в пылях, улавливаемых из газов спекательных машин (до 5%), и в первых порциях пуссьеры дистилляционных печей (до 10%). Кроме того, при рафинировании цинка в ректификационных колоннах получают пуссьеру, содержащую около 40% кадмия.

На гидрометаллургических цинковых и литопонных заводах получают медно-кадмиевые кеки, содержащие от 3 до 12% кадмия. При шахтной свинцовой плавке кадмий возгоняется и переходит в выносимую с газами из печи пыль, содержащую десятые доли процента кадмия. Аналогично ведет себя кадмий и при плавке медных руд и концентратов.

Таким образом, сырьем для производства кадмия служат следующие полупродукты:

1) медно-кадмиевые кеки гидрометаллургических цинковых заводов;

2) кадмийсодержащие отходы литопонных заводов;

3) пыли и пуссьеры цинковых дистилляционных заводов;

4) пыли медеплавильных заводов;

5) пыли свинцовых заводов.

Способы получения кадмия – пирометаллургический, гидрометаллургический и комбинированный – обуславливаются характером перерабатываемого сырья.

Пирометаллургический (сухой) способ производства кадмия, основанный на большой разнице температур кипения кадмия и цинка и на восстановительной способности окислов этих металлов , применяли с 1829 г. Этим способом перерабатывали пуссьеры цинковых дистилляционных печей. Кадмий извлекали из первых порций пуссьеры, богатых кадмием, а пуссьеру, бедную кадмием, возвращали в шихту дистилляции.

Сухой способ получения кадмия заключается в многократной дистилляции смеси пуссьеры с восстановителем в ретортных печах при 700-800 °[1] . Процесс дистилляции длится от 12 до 70 часов, и в результате двух-трех перегонок получается чистый металл. Однако извлечение кадмия не превышает 30-40%. Данный метод связан с тяжелыми условиями труда и с большими безвозвратными потерями металла, поэтому теперь не применяется.

Гидрометаллургический способ заключается в следующем . Кадмийсодержащее сырье выщелачивают раствором серной кислоты или отработанным электролитом цинкового производства и затем осаждают из раствора кадмиевую губку цинковой пылью и приготовляют кадмиевый раствор, обрабатывая губку разбавленной серной кислотой или отработанным кадмиевым электролитом. Кадмий из полученного раствора осаждают электролизом, а катодный осадок плавят под слоем каустической соды.

Комбинированный способ состоит из сочетания гидрометаллургических и пирометаллургических операций. Этим способом перерабатывают пуссьеры и пыли на некоторых цинковых дистилляционных заводах, а также пыли на свинцовых заводах.

Пыли после соответствующей подготовки выщелачивают разбавленной серной кислотой; из полученного раствора кадмий осаждают в виде губки цинковой пылью или на цинковых пластинках. Губку брикетируют и подвергают дистилляции. Дистилляционный кадмий рафинируют от цинка и талия. На некоторых заводах брикетированную губку плавят под слоем каустической соды, а затем металл рафинируют от цинка, таллия и никеля.

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Кадмий – элемент второй группы пятого периода периодической системы элементов, его порядковый номер 48, атомный вес 112,41; он кристаллизуется в гексагональной сингонии. Первая энергия ионизации равна 867 кДж/моль. Стандартный ионный потенциал = -0,4 В. Удельный вес кадмия при комнатной температуре 8,65, в точке плавления в твердом состоянии 8,366, в жидком – 8,017. С повышением температуры удельный вес снижается так как указано в таблице 1.

Температура, С О	339	378	416	466	500	545	559	700
Плотность, г/см 3	8,00	7,96	7,90	7,82	7,79	7,74	7,68	7,56

При переходе из твердого состояния в жидкое 1 г кадмия расширяется на 0,0064 см 3 . Прессованный под давлением 10000кг/см 2 кадмий имеет уд. вес 8,64766, непрессованный – 8,6482. Удельный вес при заданной температуре можно определить по формуле Хонгнесса:

Температура плавления кадмия, по данным разных исследователей, колеблется от 320,7 до 321,01°, в современной справочной литературе при нормальном давлении она принимается равной 320,9.

Также было установлено, что с увеличением давления температура плавления повышается. Так, под гидростатическим давлением 30000 кг/см 2 точка плавления повышается на 187°. Во всем исследованном интервале давления температура плавления повышается равномерно(6,2° на каждые 1000 кг/см 2 ).

Точка кипения кадмия принимается равной 765°.

Пары кадмия темно-желтого цвета, ядовиты и обладают большей упругостью, чем пары цинка.

Теплоемкость жидкого кадмия С_р =7,13 (5%, 594-973° К).

Зависимость теплоемкости кадмия от температуры приведены в таблице 2.

Т, °К	10	25	50	100	150	200	293,16
С_р , кал/град·моль	0,22	1,71	3,9	5,32	5,73	5,93	6,19

Электрохимический эквивалент кадмия равен 0,5824 мг/кулон. За 1а-ч на электроде выделяется 2,0980 г металла.

Металлический кадмий имеет серебристо-белый цвет синеватым отливом, он мягче цинка, но тверже олова, режется ножом, хорошо кусается, протягивается в проволоку и прокатывается в листы. Чистый кадмий аналогично олову, при изгибании издает характерный треск, утрачиваемый при наличии примесей.

По химическим свойствам кадмий близок к цинку. Он хорошо растворяется в азотной кислоте с выделением оксидов азота:

А также растворяется в водном растворе нитрата аммония с образованием метааммина:

Значительно хуже растворяется он в серной и соляной кислотах, выделяя водород:

Металлический кадмий при красном калении разлагает пары воды. Сухой воздух при обычной атмосферной температуре на кадмий практически не действует, так как кадмий покрывается поверхностной пленкой, препятствующей окислению. Это свойство металла широко используется при кадмировании.

Окисление твердого кадмия (99,98%) на воздухе при 300° в течении первых 40 часов протекает приблизительно по параболическому закону с коэффициентом скорости К_р =3,2∙10 -14 г 2 ·см -4 ∙сек -1 , а затем прекращается. При 500° константа скорости равняется 1,0·10 -9 г 2 ·см -4 ∙сек -1 , а поверхностная пленка имеет темно-серый оттенок, а не коричневый, какой обычно имеет СdO.

Водород в кадмии не растворяется и гидридов не образует. Азот в кадмии также не растворяется, однако образует с ним химическое соединение Cd₃ N₂ , представляющий собой порошок черного цвета плотностью 6,85 г/см 3 . Предполагается существование весьма непрочного соединения CdN₂ .

С углеродом кадмий не взаимодействует и карбидов не образует; с фосфором взаимодействует, образуя Cd₃ P₂

и, вероятно, малопрочный фосфид CdP₂ . С мышьяком и сурьмой кадмий образует соединения Cd₃ As₂ и CdSb₂ :

Гидроксид кадмия

Состав и строение гидроксида кадмия (молекулярный вес 146,41) до сих пор твердо не установлены. Хюттиг считает, что гидроокись является оксигидратом и отвечает формуле CdO∙H₂ O. По Фику, Cd(OH)₂ ∙H₂ O. Паскаль показал, что при нормальных условиях вода вступает с окисью в обычное соединение, а при высоких температурах получается смесь CdOс Cd(OH)₂ .[1]

Гидроокись кадмия представляет собой мелкокристаллическое вещество. Ее мелкокристаллическое строение является результатом очень большой скорости зарождения центров кристаллизации и очень малой скорости роста кристаллов.

Воздушно-сухая гидроокись имеет состав Cd(OH)₂ ∙H₂ O. При 20° она содержит 78,05% CdO и 21,95% H₂ O, при 95° - 89,25% CdO и 10,75 H₂ O и имеет светло-желтый цвет, при 240° состоит из чистой CdO темно-коричневого цвета.

Едкие щелочи осаждают из растворов солей кадмия мелкокристалический студенистый, белый осадок гидроксида, не растворимый в избытке реагента. Гидроокись хорошо растворяется в кислотах, аммиаке и в растворах цианидов щелочных металлов:

Осаждение из растворов Cd(OH)₂ начинается при pH=8. В присутствии NH₄ Cl гидроокись не выпадает вследствие образования тетрааммина Cd(NH₃ )₄ ; винная и лимонная кислоты также препятствуют ее осаждению.

Гидроксид кадмия относится к числу труднорастворимых соединений. Произведению растворимости даны значения от 1·10 -14 до 2,62 -15 . Если в растворе присутствуют ионы, образующие с кадмием комплексные соединения, то равновесие реакции Cd(OH)₂ 4OH - +Cd 2+ смещается вправо, т.е. в сторону растворения осадка, например при действии KCN на осадок Cd(OH)₂ образуется комплексный анион [Cd(CN)₄ ] 2- , в растворе которого концентрация иона Cd 2+ значительно меньшая, чем в насыщенном растворе Cd(OH)₂ . В последнем составляет 1,3·10 -5 .

Ион CN - образует с кадмием комплексный анион [Cd(CN)₄ ] 2- константа нестойкости которого равна:

K=[Cd 2+ ][CN - ] 4 /[Cd(CN)₄ ] 2- =1·10 -7 .

Энтропия Cd(OH)₂ S₂₉₈ =21,2 кал/град. Равновесный потенциал реакции 2OH - +Cd 2+ =Cd(OH)₂ +2e, в щелочной среде принимается равным 0,815 в.

Оксид кадмия ( II )

При нагревании на воздухе кадмий загорается, образуя оксид кадмия CdO (молекулярный вес 128,41). Окись можно получить также прокаливанием азотнокислой или углекислой солей кадмия. Этим путем оксид получается в виде бурого порошка, имеющего две модификации: аморфную и кристаллическую. Аморфная окись при нагревании переходит в кристаллическую, кристаллизуясь в кубической системе: она адсорбирует углекислый газ и ведет себя как сильное основание. Теплота превращения CdO_АМОРФН CdO_КРИСТ

Плотность искусственно приготовленной окиси колеблется от 7,28 до 8,27 г/см 3 . В природе CdO образует черный налет на галмее, обладающий плотностью 6,15 г/см 3 . Температура плавления 1385°.

Оксид кадмия восстанавливается водородом, углеродом и окисью углерода. Водород начинает восстанавливать CdO при 250-260° по обратимой реакции:

Которая быстро заканчивается при 300°.

Оксид кадмия хорошо растворяется в кислотах и в растворе сульфата цинка по обратимой реакции:

Сульфид кадмия

Сульфид (CdS, молекулярный вес 144,7) является одним из важных соединений кадмия. Он растворяется в концентрированных растворах соляной и азотной кислот, в кипящей разбавленной серной кислоте и в растворах трехвалентного железа; на холоду в кислотах растворяется плохоЮ а в разбавленной серной кислоте нерастворим. Произведение растворимости сульфида 1,4·10 -28 . Кристаллический сульфид в природе встречается в виде гренакита как примесь к рудам тяжелых и цветных металлов. Искусственно его можно получить путем сплавления серы с кадмием или с окисью кадмия. При сплавлении металлического кадмия с серой развитие реакции сульфидообразования тормозится предохранительными пленками CdS. Реакция

начинается при 283° и при 424° проходит с большой скоростью.

Известны три модификации CdS: аморфный (желтый) и две кристаллических (красный и желтый) .Красная разновидность кристаллического сульфида тяжелее (уд. вес 4,5) желтой (уд. вес 3). Аморфный CdS при нагревании до 450° переходит в кристаллический.

Сульфид кадмия при нагревании в окислительной атмосфере окисляется до сульфата или окиси в зависимости от температуры обжига.

Сульфат кадмия

Сульфат кадмия (CdSO₄ , молекулярный вес 208,47) представляет собой белый кристаллический порошок, кристаллизующийся в ромбической системе. Он легко растворим в воде, но нерастворим в спирте. Сульфат кристаллизуется из водного раствора в моноклинной системе с 8/3 молекулами воды (CdSO₄ ·8/3H₂ O), устойчив до 74°, но при более высокой температуре переходит в одноводный сульфат (CdSO₄ ·H₂ O).С повышением температуры растворимость сульфата несколько возрастает, но при дальнейшем повышении температуры снижается как показано в таблице 3:

t,°C	-18	0	20	40	60	74	77	85	100	112
CdSO₄ %	43,35	43,37	43,37	43,99	45,00	46,70	42,20	39,60	37,80	37,00

Было установлено существование трех модификаций сульфата: α, β и γ. После выделения последней молекулы воды при 200° из кристаллогидрата 3CdSO₄ ·8H₂ Oобразуется α-модификация, устойчивая до 500°; при дальнейшем повышении температуры возникает β-модификация, которая при температуре выше 735° переходит в γ-модификацию. Высокотемпературные модификации (β и γ) при охлаждении переходят в α-модификацию.

СПЛАВЫ КАДМИЯ

Немало кадмия идет для приготовления сплавов. Присадка кадмия к меди существенно повышает ее механические свойства. При добавлении к электролитной меди от 0,5 до 1,2% Cd увеличивает ее сопротивление на разрыв более чем в два раза, твердость – на 20-22 ед. по Бринеллю, а прочность на истирание – в три раза. Проволока из меднокадмиевого сплава обладает механическими свойствами фосфористой или кремнистой бронзы при сохранении 96% электропроводности чистой меди. Добавка кадмия в подшипниковые сплавы (от 2,75 до 18%) существенно снижает их коэффициент трения.

Кадмий входит в состав многих припоев и легкоплавких сплавов. В припоях 1 часть кадмия заменяет 5 частей олова. Кадмийсодержащим припоем можно паять в горячей воде. Серию легкоплавких кадмиевых сплавов, имеющих температуру плавления от 60 до 300°, используют в замках для автоматического пожаротушения и электрических предохранителях.

В таблице4 приведен состав и температура плавления некоторых легкоплавких сплавов.

Температура плавления, °С

ПРИМЕНЕНИЕ КАДМИЯ

Область применения кадмия благодаря его ценным свойствам расширяется с каждым годом.

Большая часть производимого в мире кадмия расходуется на электропокрытия и для приготовления сплавов. Кадмий в качестве защитного покрытия обладает существенными приемуществами перед цинком и никелем, так как он более коррозионностоек в тонком слое; кадмий плотно связан с поверхностью металлического изделия и не отстает от нее при ее повреждении.

Кадмий, также, используется у английских криминалистов: с помощью тончайшего слоя этого металла, напыленного на обследуемую поверхность, удается быстро выявить четкие отпечатки пальцев.

Кадмий, также, применяют в изготовлении кадмиево-никелевых аккумуляторов. Роль отрицательного электрода в них выполняют железные сетки с губчатым кадмием, а положительного пластины покрыты окисью никеля; электролитом служит раствор едкого калия. Такие источники тока отличаются высокими электрическими характеристиками, большой надежностью, длительным сроком эксплуатации, а их подзарядка занимает всего 15 минут.

Свойство кадмия поглощать нейтроны обусловило еще одну область применения кадмия- в атомной энергетики.

Подобно тому как автомобиль не обходится без тормозов, реактор не может работать без регулирующих стержней, увеличивающих или уменьшающих поток нейтронов.

В каждом реакторе предусмотрен также массивный аварийный стержень, который приступает к делу в том случае, если регулирующие стержни почему-либо не справляются с возложенными на них обязанностями.

Самая лучшая желтая краска представляет собой соединение кадмия с серой. Большие количества кадмия расходуются на изготовление этой краски.

В многогранной деятельности кадмия есть и негативные стороны. Несколько лет назад один из сотрудников службы здравоохранения США установил, что существует прямая связь между смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний и. содержанием кадмия в атмосфере. Этот вывод был сделан после тщательного обследования жителей 28 американских городов. В четырех из них — Чикаго, Нью-Йорке, Филадельфии и Индианополисе — содержание кадмия в воздухе оказалось значительно выше, чем в остальных городах; более высокой была здесь и доля смертных случаев в результате болезней сердца.

Пока медики и биологи определяют, вреден ли кадмий, и ищут пути снижения его содержания в окружающей среде, представители техники принимают все меры к увеличению его производства. Если за всю вторую половину прошлого столетия было добыто лишь 160 тонн кадмия, то в конце 20-х годов нашего века ежегодное производство его в капиталистических странах составляло уже примерно 700 тонн, а в 50-х годах оно достигло 7000 тонн (ведь именно в это время кадмий обрел статус стратегического материала, предназначенного для изготовления стержней атомных реакторов). И в XXI веке использование кадмия только возрастет, благодаря его незаменимым свойствам.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1) Дзлиев И.И. Металлургия кадмия. М.: Металлургиздат, 1962.

2) Крестовников А.Н. Кадмий. М.: Цветметиздат, 1956.

3) Крестовников А.Н. Каретникова В. П. Редкие металлы. М.: Цветметиздат, 1966.

4) Лебедев Б.Н. Кузнецова В.А. Цветные металлы. М.: Наука, 1976.

5) Любченко В.А. Цветные металлы. М.: Наука, 1963.

6) Максимова Г.В. Кадмий // Журнал неорганическая химия, № 3, 1959, С-98.

7) Плаксин И.Н. Юхтанов Д.М. Гидрометаллургия. М.: Металлургиздат, 1949.

8) Пейсахов И.Л. Цветные металлы. М.: Наука, 1950.

9) Планер В.И. Кадмий как предохранитель от коррозии. М.: Цветметиздат, 1952.

10) Славинский М.П. Физико-химические свойства элементов. М.: Металлургиздат, 1952.

11) Хан О.К. Цветные металлы. М.: Наука, 1957.

[1] На тех заводах, где предпочитали возгонку при более высокой температуре, получали загрязненный металл.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ,

ПЕРЕРАБОТКА РУД, ПОЛУЧЕНИЕ

Таким образом, сырьем для производства кадмия служат следующие полупродукты:

1) медно-кадмиевые кеки гидрометаллургических цинковых заводов;

2) кадмийсодержащие отходы литопонных заводов;

3) пыли и пуссьеры цинковых дистилляционных заводов;

4) пыли медеплавильных заводов;

5) пыли свинцовых заводов.

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Температура, С О	339	378	416	466	500	545	559	700
Плотность, г/см 3	8,00	7,96	7,90	7,82	7,79	7,74	7,68	7,56

Точка кипения кадмия принимается равной 765°.

Пары кадмия темно-желтого цвета, ядовиты и обладают большей упругостью, чем пары цинка.

Слово кадмий известно с древнейших времен. Оно употреблялось античными писателями и алхимиками средневековья для обозначения различных веществ, обычно окисных и углекислых цинковых руд, сообщающих выплавляемой из руды меди золотистый цвет. Однако это скорее собирательное, а не определенно значащее название. Само слово кадмий, согласно Липпману, происходит от имени финикийца Кадмоса, который будто бы первым нашел камень и открыл его способность изменять цвет меди при выплавке из руды. Кадмос на семитских языках означает "восточный" и одновременно является именем легендарного героя-полубога, основателя Фив, победившего властителя этой области - Дракона. От греческого происходит арабское обозначение каламия (или каламина), в свою очередь послужившее исходным для образования слова галмей. Алхимики различали много видов кадмии, в частности естественные и искусственные. В алхимическом словаре Руланда искусственная кадмия определяется как "тончайший пепел пирита".

Файлы: 1 файл

кадмий.docx

История открытия 3
Кадмий 4
Строение атома кадмия 4
Химические свойства кадмия 5
Физиологическое действие кадмия 6
Применение кадмия 8

История открытия кадмия

Металл кадмий, получивший свое название от древней кадмии, был открыт в 1817 г. Штомейером. Интересна история этого открытия. Окружной врач Ролов ревизовал аптеки своего округа и в некоторых аптеках вблизи Магдебурга обнаружил окись цинка, внешний вид которой позволял заподозрить, что она содержит мышьяк: действительно, при действии сероводорода на кислый раствор этой окиси цинка появлялся желтый осадок. Продажа этого препарата, вырабатываемого на фабрике Германа в Шенебеке, была запрещена. Владельцу фабрики это, естественно, не понравилось. Он сделал проверочные анализы своей окиси цинка, не обнаружил в ней никакого мышьяка и сообщил об этом Ролову и властям. От Германа потребовали образцы для анализа и послали их в Геттинген профессору Штомейеру, который был тогда генеральным инспектором аптек провинции Ганновер. Штомейер прокалил окись цинка, имевшую блестящий серый цвет, и увидел, что она пожелтела. На фабрике в Шенебеке это явление ему объяснили тем, что в цинке, мол, содержится небольшая примесь железа. Штомейер не удовлетворился этим объяснением и, произведя полный анализ препарата, обнаружил в нем новый металл, легко отделяемый от цинка с помощью сероводорода. Он назвал новый металл кадмием, так как нашел его в результате прокаливания cadmia furnacum, и в 1818 г. опубликовал подробные данные о новом металле. Приоритет Штомейера оспаривал Ролов, тоже сделавший анализ продажной окиси цинка, но его претензии были отвергнуты. Независимо от Штомейера, но позднее его, кадмий был открыт Керстеном, который назвал металл мелинумом (melinus - желтый, как айва) из-за цвета осадка при действии сероводорода. В 1821 г. Джон предложил именовать кадмий клапротием (Klaprothium), а Гильберт - юнонием (Junonium), но общее признание завоевало название кадмий. В русской литературе первой половины XIX в. Страхов называл металл кадмом.

Кадмий относится к редким, рассеянным элементам: он содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка. Известно всего лишь 6 кадмиевых минералов. Основная масса кадмия рассеяна в большом числе минералов (более 50), преимущественно в сульфидах цинка, свинца, меди, железа, марганца и ртути. Максимальная концентрация отмечена в минералах цинка.

Кадмий не образует самостоятельных месторождений, а входит в состав руд месторождений других металлов. Относительно высоко содержание кадмия в рудах среднетемпературных свинцово-цинковых и частично медно-колчеданных месторождений.

Кадмий расположен в одной группе периодической системы с цинком и ртутью, занимая промежуточное место между ними, поэтому некоторые химические свойства этих элементов сходны. Так, сульфиды и оксиды этих элементов практически нерастворимы в воде. С углеродом кадмий не взаимодействует, отсюда следует, что кадмий карбидов не образует.

В соответствии с внешней электронной конфигурацией атома 4d10 5s2 валентность Кадмия в соединениях равна 2. На воздухе Кадмий тускнеет, покрываясь тонкой пленкой оксида CdO, которая защищает металл от дальнейшего окисления. При сильном нагревании на воздухе Кадмий сгорает в оксид CdO - кристаллический порошок от светло-коричневого до темно-бурого цвета, плотность 8,15 г/см3; при 700°C CdO возгоняется, не плавясь. Кадмий непосредственно соединяется с галогенами; эти соединения бесцветны; CdCl2, CdBr2 и CdI2 очень легко растворимы в воде (около 1 части безводной соли в 1 части воды при 20 °C), CdF2 растворим труднее (1 часть в 25 частях воды). С серой Кадмий образует сульфид CdS от лимонно-желтого до оранжево-красного цвета, нерастворимый в воде и разбавленных кислотах. Кадмий легко растворяется в азотной кислоте с выделением оксидов азота и образованием нитрата, который дает гидрат Cd(NOa)2·4H2O.

В сухой атмосфере кадмий устойчив, во влажной постепенно покрывается пленкой оксида CdO. Выше температуры плавления кадмий горит на воздухе с образованием оксида CdO бурого цвета:

Пары кадмия реагируют с парами воды с образованием водорода:

Кадмий медленно реагирует с кислотами:

Легче всего реакция протекает с азотной кислотой:

Со щелочами кадмий не реагирует.

В реакциях может выступать в качестве мягкого восстановителя, например, в концентрированных растворах он способен восстанавливать нитрат аммония до нитрита NH4NO2:

Выше температуры плавления кадмий реагирует с галогенами с образованием галогенидов:

Физиологическое действие кадмия

Потенциальная опасность для здоровья.
Кадмий - один из самых токсичных тяжелых металлов и поэтому Российским СанПиНом он отнесен ко 2-му классу опасности - "высокоопасные вещества". Некоторые источники даже называют кадмий "наиболее опасным экотоксикантом на рубеже тысячелетий" (см., например, бюллетень "Проблемы химической безопасности" от 29.04.1999 г.).
Как и многие другие тяжелые металлы, кадмий имеет отчетливую тенденцию к накоплению в организме - период его полувыведения составляет 10-35 лет. К 50 годам его общее весовое содержание в теле человека может достигать 30-50 мг. Главным "хранилищем" кадмия в организме служат почки (30-60% всего количества) и печень (20-25%). Остальной кадмий находится в поджелудочной железе, селезенке, трубчатых костях, других органах и тканях. В основном кадмий находится в организме в связанном состоянии - в комплексе с белком-металлотионеином (являющимся, таким образом естественной защитой организма, по последним данным альфа-2 глобулин также связывает кадмий), и в таком виде он менее токсичен, хотя и далеко не безвреден. Даже "связанный" кадмий, накапливаясь годами способен привести к неприятностям со здоровьем, в частности к нарушению работы почек и повышенной вероятности образования почечных камней. К тому же часть кадмия остается в более токсичной ионной форме. Кадмий химически очень близок к цинку и способен замещать его в биохимических реакциях, например, выступать как псевдоактиватор или, наоборот, ингибитор содержащих цинк белков и ферментов (а их в организме человека более двухсот). Кадмий является также антагонистом кальция и железа и способен замещать эти элементы, например, кальций в костной ткани. Поэтому недостаток в организме цинка, железа и кальция может привести к 2-3 кратному повышению усвояемости кадмия из желудочно-кишечного тракта (до 15-20%).
Классическим примером хронического отравления кадмием является заболевание, впервые описанное в Японии в 50-е годы ХХ века и получившее название "итай-итай" (если переводить художественно, то получится что-то типа: "Ох-ох, как больно!"). Болезнь сопровождалась сильными болями в поясничной области, миалгией (болью в мышцах), а также остеомаляцией (размягчением костей), проявлявшейся хрупкостью и ломкостью костей и деформацией скелета. Налицо были и характерные признаки поражения почек, носившие необратимый характер. Были зафиксированы сотни смертельных исходов "итай-итай". Это заболевание приняло массовый характер в силу высокой загрязненности окружающей среды в Японии в то время и специфики питания японцев - преимущественно рисом и морепродуктами. Оба продукта способны накапливать кадмий в высоких концентрациях. Исследования показали, что заболевшие "итай-итай" потребляли в сутки до 600 мкг кадмия. В дальнейшем, в результате мероприятий по охране окружающей среды, частота и острота синдромов, подобных "итай-итай" заметно снизилась.
Острое пищевое отравление кадмием наступает при поступлении больших разовых доз с пищей (15-30 мг) или с водой (13-15 мг). При этом наблюдаются признаки острого гастроэнтерита - рвота, боли и судороги в эпигастральной области. Летальная разовая доза для кадмия не определена, но по оценкам ВОЗ может составлять 350-3500 мг. Гораздо опаснее отравление кадмием при вдыхании его паров или кадмий, содержащей пыли (как правило, на связанных с использованием кадмия производствах). Симптомами такого отравления являются отек легких, головная боль, подташнивание или рвота, озноб, слабость и диарея. В результате таких отравлений были зафиксированы смертельные случаи.
Экспертами совместной комиссии ФАО ( Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН) и ВОЗ установлен показатель Временного Переносимого Недельного Потребления (ВПНП) для кадмия на уровне 7мкг/кг массы тела человека (т.е. в среднем 1мкг/сутки на 1 кг собственного веса).
Данные о канцерогенности кадмия ограничены. В опытах на животных не было зафиксировано возрастание числа опухолей при употреблении кадмия внутрь. Такая тенденция наблюдалась только при вдыхании частиц пыли, содержащих неорганические соединения кадмия. Международным Агентством по Изучению Рака (МАИР) кадмий был отнесен к Группе 2А - "агенты, вероятно являющиеся канцерогенными для человека".

Физиологическое значение.
Несмотря на то, что кадмий обнаруживается в организме практически у всех животных (у наземных в на уровне в среднем около 0.5 мг/кг веса, а у морских - от 0.15 до 3 мг/кг), его специфическое физиологическое значение достоверно не установлено. Известно, что кадмий влияет на углеводный обмен, на синтез в печени гиппуровой кислоты, на активность некоторых ферментов, а также на обмен в организме цинка, меди, железа и кальция. Некоторые исследования позволяют предполагать, что микроскопические количества кадмия в пище могут стимулировать рост у млекопитающихся. На основании такого рода фактов некоторые ученые относят кадмий к условно-эссенциальным микроэлементам

Кадмий обрёл популярность в 40-е годы 20-го столетия. Именно в это время кадмий превратился в стратегический материал – из него стали делать регулирующие и аварийные стержни атомных реакторов.

Однако не следует преувеличивать роль кадмия в реакторостроении, т.к. физико-химические свойства этого металла (прочность, твердость, термостойкость – его температура плавления всего 321°C) оставляют желать лучшего. Кадмий был первым стержневым материалом. Затем на первые роли стали выдвигаться бор и его соединения. Но кадмий легче получать в больших количествах.

На производство сплавов расходуется примерно десятая часть мирового производства кадмия. Кадмиевые сплавы используют главным образом как антифрикционные материалы и припои. Известный сплав состава 99% Cd и 1% Ni применяют для изготовления подшипников, работающих в автомобильных, авиационных и судовых двигателях в условиях высоких температур. Поскольку кадмий недостаточно стоек к действию кислот, в том числе и содержащихся в смазочных материалах органических кислот, иногда подшипниковые сплавы на основе кадмия покрывают индием.

Припои, содержащие элемент №48, довольно устойчивы к температурным колебаниям.

Легирование меди небольшими добавками кадмия позволяет делать более износостойкие провода на линиях электрического транспорта. Медь с добавкой кадмия почти не отличается по электропроводности от чистой меди, но зато заметно превосходит ее прочностью и твердостью.

Сплав кадмия с золотом имеет зеленоватый цвет. Сплав кадмия с вольфрамом, рением и 0,15 % урана 235 — небесно-голубого цвета был получен испанскими учеными в 1998 году.

Защитные покрытия с помощью кадмия

Всем известна оцинкованная жесть, но далеко не все знают, что для предохранения железа от коррозии применяют не только цинкование, но и кадмирование. Кадмиевое покрытие сейчас наносят только электролитически, чаще всего в промышленных условиях применяют цианидовые ванны. Раньше кадмировали железо и другие металлы погружением изделий в расплавленный кадмий.

Несмотря на сходство свойств кадмия и цинка, у кадмиевого покрытия есть несколько преимуществ: оно более устойчиво к коррозии, его легче сделать ровным и гладким. К тому же кадмий, в отличие от цинка, устойчив в щелочной среде. Кадмированную жесть применяют довольно широко, закрыт ей доступ только в производство тары для пищевых продуктов, потому что кадмий токсичен. У кадмиевых покрытий есть еще одна любопытная особенность: в атмосфере сельских местностей они обладают значительно большей коррозийной устойчивостью, чем в атмосфере промышленных районов. Особенно быстро такое покрытие выходит из строя, если в воздухе повышено содержание сернистого или серного ангидридов.

Кадмий в производстве химических источников тока

Важнейшей областью применения кадмия является производство химических источников тока. Кадмиевые электроды используются в батареях и аккумуляторах. Отрицательные пластины никель-кадмиевых аккумуляторов изготовлены из железных сеток с губчатым кадмием в качестве активного агента. Положительные пластины покрыты гидроксидом никеля. Электролитом служит раствор гидроксида калия. На основе кадмия и никеля изготавливают и компактные аккумуляторы для управляемых ракет, только в этом случае в качестве основы устанавливают не железные, а никелевые сетки.

Никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы более надежны, чем свинцовые (кислотные). Эти источники тока отличаются высокими электрическими характеристиками, стабильностью работы, длительным сроком эксплуатации. Их можно зарядить всего за один час. Однако никель-кадмиевые аккумуляторы нельзя подзаряжать без полной предварительной разрядки (в этом отношении они уступают металлогидридным аккумуляторам).

Около 20 % кадмия идет на изготовление кадмиевых электродов, применяемых в аккумуляторах (никель-кадмиевых и серебряно-кадмиевых), нормальных элементах Вестона, в резервных батареях (свинцово-кадмиевый элемент, ртутно-кадмиевый элемент и др.

Около 20 % кадмия используется для производства неорганических красящих веществ (сульфиды и селениды, смешанные соли, например, сульфид кадмия — кадмий лимонный).

Читайте также:

Кадмий реферат по химии

Оглавление

Файлы: 1 файл

кадмий.docx