Кадмий

Кадмий
Атомный номер	48
Внешний вид простого вещества	мягкий ковкий металл, серебристо-белого цвета
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	112,411 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	154 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	867,2 (8,99) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Kr] 4d10 5s2
Химические свойства
Ковалентный радиус	148 пм
Радиус иона	(+2e) 97 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,69
Электродный потенциал	−0,403
Степени окисления	2
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	8,65 г/см³
Молярная теплоёмкость	26,0[1] Дж/(K·моль)
Теплопроводность	96,9 Вт/(м·K)
Температура плавления	594,1 K
Теплота плавления	6,11 кДж/моль
Температура кипения	1 038 K
Теплота испарения	59,1 кДж/моль
Молярный объём	13,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная
Параметры решётки	a=2,979 c=5,618 Å
Отношение c/a	1,886
Температура Дебая	209 K

Кадмий — элемент побочной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 48. Обозначается символом Cd (лат. Cadmium). Простое вещество кадмий (CAS-номер: 7440-43-9) при нормальных условиях — мягкий ковкий тягучий переходный металл серебристо-белого цвета. Устойчив в сухом воздухе, во влажном на его поверхности образуется плёнка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла.

Открыт немецким профессором Ф. Штромейером в 1817. Провизоры Магдебурга при изучении оксида цинка ZnO заподозрили в нём примесь мышьяка. Штромейер выделил из ZnO коричнево-бурый оксид, восстановил его водородом и получил серебристо-белый металл, который получил название кадмий.

Происхождение названия

Штромейер назвал кадмий по греческому названию руды, из которой в Германии добывали цинк, — καδμεία. В свою очередь, руда получила своё название в честь Кадма, героя древнегреческой мифологии.

Нахождение в природе

Кадмий относится к редким, рассеянным элементам: он содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка. Весьма редкими минералами кадмия являются гринокит CdS, отавит CdCO3, монтемпонит CdO и кадмоселит CdSe.

Получение

Единственный минерал, который представляет интерес в получении кадмия — гринокит, так называемая «кадмиевая обманка». Его добывают вместе с фаеритом при разработке цинковых руд. В ходе переработки кадмий концентрируется в побочных продуктах процесса, откуда его потом извлекают. В настоящее время производится свыше 10³ тонн кадмия в год.

Физические свойства

Кадмий — серебристо-белый мягкий металл с гексагональной решёткой. Если кадмиевую палочку изгибать, то можно услышать слабый треск — это трутся друг о друга микрокристаллы металла (так же трещит и пруток олова).

Химические свойства

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.

Применение

Сплавы

Кадмий используется как компонент твёрдых припоев (сплавов на основе серебра, меди, цинка) для снижения их температуры плавления. Около 10 % производимого кадмия — компонент ювелирных и легкоплавких сплавов. Сплав кадмия с золотом — единственный металлический сплав зелёного цвета. Сплав кадмия с вольфрамом, рением и 0,15 % урана 235 — небесно-голубого цвета был получен испанскими учеными в 1998 году.

Защитные покрытия

40 % производимого кадмия используется для нанесения антикоррозионных покрытий на металлы.

Химические источники тока

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.

Пигменты

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

Медицина

• Иногда кадмий применяется в экспериментальной медицине.

Кадмий используется в гомеопатической медицине

• В последние годы кадмий стал применяться при создании новых противоопухолевых нано-медикаментов. В России в начале 1950-х годов были проведены первые успешные эксперименты, связанные с разработкой противоопухолевых медикаментов на основе соединений кадмия.

Другие сферы применения

• Сульфид кадмия применяется для производства плёночных солнечных батарей с КПД около 10—16 %, а также как очень хороший термоэлектрический материал.

• Кадмий используется как компонент полупроводниковых материалов и люминофоров.

• Кадмий очень хорошо захватывает тепловые нейтроны и служит для изготовления регулирующих стержней для атомных реакторов и в качестве защиты от нейтронов. Иногда эти свойства используются в экспериментальных моделях противоопухолевой терапии Neutron Capture Therapy

• Фтороборат кадмия — важный флюс, применяемый для пайки алюминия и других металлов.

• Теплопроводность кадмия вблизи абсолютного нуля наивысшая среди всех металлов, поэтому кадмий иногда применяется для криогенной техники.

Физиологическое действие

Острая токсичность

Пары кадмия, все его соединения токсичны, что связано, в частности, с его способностью связывать серосодержащие ферменты и аминокислоты.

Симптомы острого отравления солями кадмия — рвота и судороги.

Хроническая токсичность

Кадмий — кумулятивный яд (способен накапливаться в организме).

Санитарно-экологические нормативы

В питьевой воде ПДК для кадмия 0,001 мг/дм3 (СанПиН 2.1.4.1074-01).

Механизм токсического действия

Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Хроническое отравление приводит к анемии и разрушению костей.

Кадмий в норме в небольших количествах присутствуют в организме здорового человека. Кадмий легко накапливается в быстроразмножающихся клетках (например в опухолевых или половых). Он связывается с цитоплазматическим и ядерным материалом клеток и повреждает их. Он изменяет активность многих гормонов и ферментов. Это обусловлено его способностью связывать сульфгидрильные (-SH) группы.

Изотопы

Из восьми природных изотопов кадмия шесть стабильны, для двух изотопов обнаружена слабая радиоактивность. Это ¹¹³Cd (изотопная распространённость 12,22 %, бета-распад с периодом полураспада 7,7×10¹⁵ лет) и ¹¹⁶Cd (изотопная распространённость 7,49 %, двойной бета-распад с периодом полураспада 3,0×10¹⁹ лет).