Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место кадмий занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 151 pm — that is 0.151 nm, so about 3311 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Кадмий is liquid over a 446 K window, from 594 K to 1040 K.
История
A soft, toxic metal that gave the world rechargeable NiCd cells and the brilliant yellow of old paint.
Кадмий был открыт в 1817 году немецким химиком Friedrich Stromeyer при исследовании необычного жёлтого соединения, загрязнявшего лекарственные препараты цинка. Это случайное открытие выявило один из самых токсичных элементов периодической таблицы.
Friedrich Stromeyer, профессор Гёттингенского университета, получил задание расследовать сообщения о жёлтом окрашивании оксида цинка, использовавшегося в медицине. Фармацевты жаловались, что некоторые партии оксида цинка желтеют при нагревании, из-за чего становятся непригодными для медицинского применения. Stromeyer предположил наличие неизвестного вещества.
Stromeyer методично анализировал загрязнённые образцы оксида цинка. Он растворял их в кислоте и проводил реакции осаждения, чтобы разделить различные компоненты. Жёлтый цвет сохранялся после различных химических обработок, что указывало: его причиной были не известные примеси, такие как железо или мышьяк. Тщательная аналитическая работа показала, что это было совершенно новое вещество.
В результате серии химических разделений Stromeyer успешно выделил небольшое количество металлического кадмия, восстановив жёлтое соединение древесным углём. Новый металл был серебристо-белым, ковким и обладал необычными свойствами. Он назвал его «кадмий» — от греческого слова «kadmeia» (каламин), обозначавшего цинковую руду, из которой его извлекли.
Примечательно, что примерно в то же время аналогичные открытия сделали ещё два химика. Karl Samuel Leberecht Hermann в Германии и Jöns Jacob Berzelius в Швеции независимо выделили кадмий в 1818 году, подтвердив работу Stromeyer. Это параллельное открытие продемонстрировало систематический подход химии начала XIX века.
Через несколько десятилетий после открытия кадмий начали использовать как пигмент. Кадмиевый жёлтый (сульфид кадмия) и кадмиевый красный (селенид кадмия) стали цениться художниками за яркие, светостойкие цвета. Эти пигменты были более насыщенными и стабильными, чем прежние жёлтые и оранжевые красители.
Лишь в середине XX века тяжёлая токсичность кадмия получила широкое признание. Трагическая «болезнь итай-итай» в Японии в 1950-60-х годах, вызванная загрязнением кадмием из-за горнодобывающих работ, продемонстрировала опасное воздействие элемента на здоровье. Это привело к строгому регулированию и прекращению многих применений кадмия.
Сегодня кадмий служит моделью для изучения токсичности тяжёлых металлов и загрязнения окружающей среды. Исследования биологических эффектов кадмия значительно расширили понимание клеточного стресса, повреждения ДНК и экологического здоровья. Несмотря на токсичность, кадмий сохраняет значение в специализированных областях, таких как ядерные управляющие стержни и современные солнечные элементы.
Открытие кадмия Stromeyer служит примером тщательной аналитической химии начала XIX века. Его систематический подход к выделению и характеристике неизвестных веществ стал образцом для открытия элементов. Последующее признание токсичности кадмия также способствовало формированию экологической токсикологии и пониманию важности изучения воздействия элементов на здоровье.
Применение
Из-за токсичности кадмия многие традиционные области применения были прекращены или строго ограничены. ЕС запретил кадмий в большинстве потребительских товаров, а во многих странах действуют жёсткие ограничения на выбросы и утилизацию кадмия.
Аккумуляторы NiCd когда-то широко использовались благодаря долговечности и способности обеспечивать большой ток. Они применялись в беспроводных телефонах, аварийном освещении и электроинструментах. Однако экологические проблемы привели к их замене литий-ионными и никель-металл-гидридными аккумуляторами в большинстве областей.
Сульфид кадмия создаёт ярко-жёлтые пигменты, а селенид кадмия — насыщенные красные и оранжевые оттенки. Художники ценили эти пигменты за интенсивность цвета и светостойкость. Известные художники, такие как Monet и Van Gogh, использовали кадмиевые жёлтые пигменты. Сегодня для большинства применений предпочитают более безопасные альтернативы.
Кадмиевое покрытие обеспечивает отличную коррозионную стойкость, особенно в морской среде. Его широко использовали для деталей самолётов, болтов и электронных компонентов. В военной и аэрокосмической промышленности кадмиевые покрытия по-прежнему применяются там, где альтернативы не могут обеспечить сопоставимые характеристики, но только при строгом контроле.
Исключительная способность кадмия поглощать нейтроны делает его ценным материалом для ядерных реакторов: он используется в управляющих стержнях и нейтронных экранах. Кадмий-113 имеет одно из самых больших сечений поглощения нейтронов среди стабильных изотопов, что делает его необходимым для систем ядерной безопасности.
Тонкоплёночные солнечные элементы из теллурида кадмия (CdTe) отличаются высокой эффективностью и экономичностью. Несмотря на экологические опасения, связанные с кадмием, такие солнечные панели имеют отличные показатели энергетической окупаемости и подлежат переработке. Это одна из немногих быстро развивающихся областей применения кадмия.
Легкоплавкие сплавы кадмия применяются в специализированных системах, например в автоматических пожарных спринклерах и предохранительных пробках сосудов, работающих под давлением. Эти сплавы плавятся при заранее заданных температурах, обеспечивая автоматический сброс давления в чрезвычайных ситуациях.
Соединения кадмия служат исследовательскими инструментами в биохимии и токсикологии. Хлорид кадмия используют для изучения клеточных реакций на стресс и токсикологии окружающей среды. Эти области применения требуют строгих протоколов безопасности и процедур обращения с отходами.
Из-за токсичности кадмия большинство бытовых применений было прекращено или строго ограничено. Современные потребители редко сталкиваются с кадмием напрямую, поскольку более безопасные альтернативы заменили большинство традиционных применений.
Старые аккумуляторы в электроинструментах, системах аварийного освещения и беспроводных телефонах содержали кадмий. Сейчас их заменяют литий-ионными и никель-металл-гидридными аккумуляторами. Правильная переработка старых аккумуляторов NiCd крайне важна для предотвращения загрязнения окружающей среды.
Профессиональные художники всё ещё могут использовать краски на основе кадмия благодаря их исключительным цветовым свойствам, однако многие производители теперь предлагают альтернативы без кадмия. Студентов художественных учебных заведений часто обучают использовать более безопасные заменители, имитирующие яркие жёлтые, оранжевые и красные оттенки кадмия.
Некоторые тонкоплёночные солнечные панели содержат теллурид кадмия, хотя потребители напрямую не взаимодействуют с этим материалом. Такие панели герметично закрыты и по окончании срока службы должны правильно перерабатываться, чтобы предотвратить попадание кадмия в окружающую среду.
В винтажной керамике и глазури иногда содержатся кадмиевые пигменты, которые могут вымываться в пищу и напитки. Современные нормы запрещают кадмий на поверхностях, контактирующих с пищевыми продуктами. Антикварную или импортную посуду следует проверять перед использованием для еды.
Некоторое специализированное промышленное оборудование может содержать компоненты с кадмиевым покрытием для защиты от коррозии. Работники этих отраслей проходят специальное обучение и регулярный контроль состояния здоровья. Воздействие на потребителей минимально благодаря промышленным мерам изоляции.
Кадмий может накапливаться в почве и растениях, особенно в листовых овощах и зерновых культурах. Современные методы ведения сельского хозяйства предусматривают контроль уровня кадмия для обеспечения безопасности пищевых продуктов. Курение табака является значительным источником воздействия кадмия для курящих людей.
Такие регулирующие органы, как EPA и FDA, строго ограничивают содержание кадмия в потребительских товарах. Большая часть бытового воздействия связана с пищей и табаком, а не с прямым контактом с изделиями, содержащими кадмий. Правильная переработка и утилизация предотвращают накопление кадмия в окружающей среде.
Откуда он берётся
0.15 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 43% of elements
Кадмий — один из самых редких стабильных элементов в земной коре: его средняя концентрация составляет всего 0.1-0.2 части на миллион. Этот токсичный тяжёлый металл редко образует собственные минералы, чаще присутствуя как незначительный компонент руд цинка, свинца и меди.
Химическое сходство кадмия с цинком означает, что он почти всегда встречается вместе с минералами цинка. Важнейший содержащий кадмий минерал — гринокит (CdS), образующий покрытие на цинковых рудах. Обычно кадмий составляет 0.1-0.5% цинковых концентратов, поэтому переработка цинка является основным источником получения кадмия.
К основным регионам производства кадмия относятся Китай (60% мирового производства), Южная Корея, Канада и Казахстан. На руднике Red Dog на Аляске получают значительные количества кадмия как побочного продукта добычи цинка. Месторождения Mount Isa и Broken Hill в Австралии также содержат существенные запасы кадмия.
Чистые минералы кадмия встречаются крайне редко. Помимо гринокита (CdS), к минералам кадмия относятся отавит (CdCO₃) и монтеポнит (CdO).
Деятельность человека значительно повысила уровень кадмия в окружающей среде. Сжигание угля, выплавка металлов и промышленные процессы выбрасывают кадмий в воздух, воду и почву. Сжигание муниципальных отходов и использование фосфатных удобрений также способствуют загрязнению окружающей среды кадмием.
Кадмий биоаккумулируется в живых организмах, особенно в почках и печени. Растения могут поглощать кадмий из загрязнённых почв; в листовых овощах и зерновых культурах наблюдаются более высокие концентрации. Моллюски и некоторые виды рыб концентрируют кадмий из воды, поэтому морепродукты могут быть источником воздействия.
Морская вода содержит примерно 0.1 части кадмия на миллиард, тогда как в пресной воде концентрации обычно ниже. Загрязнение кадмием из-за добычи полезных ископаемых и промышленной деятельности может значительно повышать его концентрацию в реках и озёрах рядом с загрязнёнными участками.
Кадмий переносится атмосферой на большие расстояния, поэтому загрязнение промышленных районов может затрагивать удалённые регионы. Вулканическая активность также высвобождает природный кадмий в атмосферу. Устойчивость и токсичность элемента делают его глобальной экологической проблемой, требующей международного сотрудничества для контроля.
Обращение
Кадмий классифицируется Международным агентством по изучению рака (IARC) как канцероген группы 1. Он представляет серьёзную угрозу здоровью при вдыхании, проглатывании и контакте с кожей. Воздействие следует свести к минимуму и строго контролировать.
Острое вдыхание: пары кадмия могут вызвать сильное раздражение лёгких, отёк лёгких и потенциально смертельный пневмонит. Симптомы могут появиться через 4-24 часа после воздействия. Хроническое воздействие: длительное вдыхание вызывает необратимое повреждение лёгких, эмфизему и повышает риск рака лёгких.
Основной орган-мишень: кадмий накапливается в почках; его биологический период полураспада составляет 10-30 лет. Хроническое воздействие вызывает нарушение функции почек, протеинурию и в конечном итоге почечную недостаточность. Даже длительное воздействие низких уровней может привести к необратимому повреждению почек.
Нарушение обмена кальция: кадмий нарушает обмен кальция, что приводит к деминерализации костей, остеопорозу и повышенному риску переломов. Знаменитая «болезнь итай-итай» в Японии характеризовалась сильными болями в костях и переломами, вызванными загрязнением кадмием.
Множественные виды рака: воздействие кадмия связано с раком лёгких, предстательной железы, почек и мочевого пузыря. Механизм включает повреждение ДНК, окислительный стресс и нарушение механизмов восстановления клеток. Безопасный порог воздействия не установлен.
Необходим строгий контроль: OSHA ограничивает воздействие на рабочем месте до 0.005 мг/м³ за 8-часовой рабочий день. Работники должны использовать средства защиты органов дыхания и защитную одежду, а также регулярно проходить медицинский контроль. В рабочих зонах с кадмием запрещены еда, напитки и курение.
Предотвращение загрязнения: правильная утилизация аккумуляторов и электроники, содержащих кадмий, имеет решающее значение. Мониторинг сельскохозяйственных земель предотвращает накопление кадмия в пищевых культурах. Рекультивация загрязнённых участков требует специализированных методов и длительного контроля.
Немедленные действия: вывести пострадавшего из зоны воздействия, обеспечить свежий воздух и при вдыхании немедленно обратиться за медицинской помощью. После контакта с кожей тщательно промыть её. При остром отравлении может рассматриваться хелатотерапия, хотя её эффективность ограничена. При любом значительном воздействии необходим длительный медицинский контроль.
Краткие ответы
Кадмий (symbol Cd) is element 48 on the periodic table, a переходный металл in period 5, group 12. A soft, toxic metal that gave the world rechargeable NiCd cells and the brilliant yellow of old paint. At room temperature it is a solid.
[Kr] 4d¹⁰ 5s², giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 18, 2 electrons respectively.Кадмий melts at 594.2 K (321.1 °C) and boils at 1040 K (766.9 °C).
The standard atomic weight of Кадмий is 112.414 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Кадмий has a density of 8.65 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of кадмий is about 8.7× heavier.
Кадмий has a Pauling electronegativity of 1.69. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Кадмий was discovered in 1817 by Stromeyer & Hermann. It is named after latin cadmia, "calamine".
Кадмий makes up about 0.15 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.