Cd · Элемент 48 · Переходный металл
Мягкий токсичный металл, подаривший миру перезаряжаемые никель-кадмиевые элементы и ярко-жёлтый цвет старой краски.
Строение
Это не диаграмма 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 химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение кадмий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 151 pm — это 0,151 нм, поэтому около 3,31 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Кадмий находится в жидком состоянии в диапазоне 446 K — от 594 K до 1040 K.
Положение
История
Мягкий токсичный металл, подаривший миру перезаряжаемые никель-кадмиевые элементы и ярко-жёлтый цвет старой краски.
Кадмий был открыт в 1817 году немецким химиком Фридрихом Штромейером, который исследовал необычное жёлтое соединение, загрязнявшее лекарственные препараты цинка. Это случайное открытие выявило один из самых токсичных элементов периодической таблицы.
Фридрих Штромейер, профессор Гёттингенского университета, получил задание исследовать сообщения о жёлтом окрашивании оксида цинка, использовавшегося в медицинских целях. Фармацевты жаловались, что некоторые партии оксида цинка желтеют при нагревании, из-за чего становятся непригодными для медицинского применения. Штромейер предположил присутствие неизвестного вещества.
Штромейер методично анализировал загрязнённые образцы оксида цинка. Он растворял их в кислоте и проводил реакции осаждения для разделения различных компонентов. Жёлтая окраска сохранялась после различных химических обработок, что указывало: причиной были не известные примеси, такие как железо или мышьяк. Его тщательная аналитическая работа показала, что это было совершенно новое вещество.
После серии химических разделений Штромейер успешно выделил небольшое количество металлического кадмия, восстановив жёлтое соединение древесным углём. Новый металл был серебристо-белым, ковким и обладал необычными свойствами. Он назвал его «кадмием» по греческому слову «kadmeia» (каламина), обозначавшему цинковую руду, из которой металл был извлечён.
Примечательно, что примерно в то же время аналогичные открытия сделали ещё два химика. Карл Самуэль Леберехт Герман в Германии и Йёнс Якоб Берцелиус в Швеции независимо выделили кадмий в 1818 году, подтвердив работу Штромейера. Это параллельное открытие продемонстрировало систематический подход химии начала XIX века.
В течение нескольких 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 устойчивыми, чем прежние жёлтые и оранжевые красители.
Лишь к середине XX века высокая токсичность кадмия получила широкое признание. Трагическая «болезнь итай-итай» в Японии в 1950–60-х годах, вызванная загрязнением кадмием в результате горных работ, продемонстрировала опасное воздействие элемента на здоровье. Это привело к строгому регулированию и отказу от 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 применениях, таких как управляющие стержни ядерных реакторов и современные солнечные элементы.
Открытие кадмия Штромейером 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 подверглись строгому регулированию. ЕС запретил кадмий в большинстве потребительских товаров, а во многих странах установлены жёсткие ограничения на выбросы и утилизацию кадмия.
Аккумуляторы NiCd когда-то широко применялись благодаря долговечности и способности отдавать большие токи. Они использовались в беспроводных телефонах, аварийном освещении и электроинструментах. Однако из-за экологических проблем в большинстве применений их заменили литий-ионные и никель-металлогидридные аккумуляторы.
Сульфид кадмия образует ярко-жёлтые пигменты, а селенид кадмия — насыщенные красные и оранжевые оттенки. Художники ценили эти пигменты за интенсивность цвета и светостойкость. Известные художники, такие как Моне и Ван Гог, использовали кадмиевые жёлтые пигменты. Сегодня для большинства применений предпочитают более безопасные альтернативы.
Кадмиевое покрытие обеспечивает превосходную коррозионную стойкость, особенно в морской среде. Его широко применяли для деталей самолётов, болтов и электронных компонентов. В военной и аэрокосмической технике кадмиевые покрытия всё ещё используют там, где альтернативы не обеспечивают сопоставимых характеристик, но при строгом контроле.
Исключительная способность кадмия поглощать нейтроны делает его ценным материалом для ядерных реакторов — в управляющих стержнях и нейтронных экранах. Кадмий-113 обладает одним из самых высоких сечений поглощения нейтронов среди стабильных изотопов, что делает его важным для систем ядерной безопасности.
Тонкоплёночные солнечные элементы из теллурида кадмия (CdTe) отличаются высокой эффективностью и низкой стоимостью. Несмотря на экологические опасения, связанные с кадмием, такие солнечные панели имеют отличное соотношение получаемой и затраченной энергии и пригодны для переработки. Это одна из немногих растущих областей применения кадмия.
Легкоплавкие сплавы кадмия применяют 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 аварийных ситуациях.
Соединения кадмия служат исследовательскими инструментами в биохимии и токсикологии. Хлорид кадмия используют для изучения клеточных стрессовых реакций и экологической токсикологии. Эти работы требуют строгих протоколов безопасности и процедур обращения с отходами.
Из-за токсичности кадмия большинство бытовых применений было прекращено или подверглось строгому регулированию. Современные потребители редко сталкиваются с кадмием напрямую, поскольку более безопасные альтернативы заменили большинство традиционных применений.
Старые аккумуляторы для электроинструментов, аварийного освещения и беспроводных телефонов содержали кадмий. Сейчас их заменяют литий-ионными и никель-металлогидридными 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 цветовыми свойствам, однако многие производители теперь предлагают безкадмиевые альтернативы. Студентов художественных учебных заведений часто учат 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 герметичны и по окончании срока службы должны правильно перерабатываться, чтобы предотвратить попадание кадмия в окружающую среду.
В старинной керамике и глазурях иногда содержатся кадмиевые пигменты, которые могут вымываться в пищу и напитки. Современные нормы запрещают кадмий на поверхностях, контактирующих с пищевыми продуктами. Перед использованием антикварную или импортную посуду следует проверить.
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 практике изоляции в промышленности.
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 курильщиков.
Регулирующие органы, такие как EPA и FDA, строго ограничивают содержание кадмия в потребительских товарах. Большая часть бытового воздействия связана с пищей и табаком, а не с непосредственным контактом с содержащими кадмий изделиями. Правильная переработка и утилизация предотвращают накопление кадмия в окружающей среде.
Откуда он происходит
0,15 мг/кг земной коры · более распространён, чем 43% элементов
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, а обычно присутствует как примесь в рудах цинка, свинца и меди.
Химическое сходство кадмия с цинком означает, что он почти всегда встречается вместе с минералами цинка. Важнейший кадмийсодержащий минерал — гринокит (CdS), образующий налёт на цинковых рудах. Кадмий обычно составляет 0,1–0,5% цинковых концентратов, поэтому переработка цинка является главным источником производства 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 чрезвычайно редки. Помимо гринокита (CdS), к минералам кадмия относятся отавит (CdCO₃) и монте приблизительно? (CdO).
Деятельность человека значительно повысила содержание кадмия в окружающей среде. Сжигание угля, выплавка металлов и промышленные процессы выбрасывают кадмий в воздух, воду и почву. Сжигание бытовых 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; более высокие концентрации обнаруживаются в листовых овощах и зерновых культурах. 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 пресных водах концентрации обычно ниже. Загрязнение кадмием в результате 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 воздействовать на удалённые регионы. Вулканическая активность также выбрасывает природный кадмий в атмосферу. Стойкость и токсичность элемента делают его глобальной экологической проблемой, требующей международного сотрудничества.
Обращение
Кадмий классифицируется Международным агентством по изучению рака (IARC) как канцероген группы 1. Он представляет серьёзную опасность для здоровья 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 проявиться 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, приводя к деминерализации костей, остеопорозу и повышенному риску переломов. Знаменитая «болезнь итай-итай» в Японии характеризовалась сильными болями в костях и переломами, вызванными загрязнением кадмием.
Несколько типов 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 в течение 8-часового рабочего дня. Работники должны использовать средства защиты органов дыхания и защитную одежду, а также регулярно проходить медицинский контроль. В рабочих зонах с кадмием запрещены еда, питьё и курение.
Предотвращение загрязнения: правильная утилизация содержащих кадмий аккумуляторов и электроники имеет важнейшее значение. Контроль в сельском хозяйстве предотвращает накопление кадмия в пищевых культурах. Очистка загрязнённых участков требует специализированных методов и длительного мониторинга.
Неотложные 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 хелатная терапия, хотя её эффективность ограничена. При любом значительном воздействии необходим длительный медицинский контроль.
Краткие ответы
Кадмий (символ Cd) — элемент 48 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 5 периоде, 12 группе. Мягкий токсичный металл, подаривший миру перезаряжаемые никель-кадмиевые элементы и ярко-жёлтый цвет старой краски. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Kr] 4d¹⁰ 5s²; она включает 5 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 18, 2.Кадмий плавится при 594.2 K (321.1 °C) и кипит при 1040 K (766.9 °C).
Стандартная атомная масса Кадмий составляет 112.414 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Кадмий составляет 8.65 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Кадмий примерно в 8.7× тяжелее.
Электроотрицательность Кадмий по шкале Полинга составляет 1.69. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Кадмий был открыт в 1817 году Stromeyer & Hermann. Назван в честь латинское cadmia, «каламин».
На долю Кадмий приходится около 0.15 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.