Кадмий — химический элемент¶
Кадмий (Cd, лат. Cadmium) — химический элемент 12-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы II) периодической таблицы Менделеева, второй по порядку в подгруппе цинка. Атомный номер 42, атомная масса 112,414. При нормальных условиях — мягкий, тягучий, серебристо-белый металл с голубоватым оттенком, легко поддающийся механической обработке. Кадмий и его соединения токсичны, относятся к первому классу опасности.
¶Открытие и происхождение названия
Кадмий открыт в 1817 году немецкими химиками Фридрихом Штромайером, Карлом Германом и Карлом Самуэлем Леберехтом. Металл был выделен из цинковых руд — карбоната цинка (смитсонита) и оксида цинка — как примесь, не удалявшаяся при обычной очистке. Штромайер первым получил чистый образец и описал его свойства. Название элемент получил от латинизированного греческого слова kadmeia — «кадмия», древнего названия оксида цинка (карбоната), которое в свою очередь восходит к имени Кадма, мифического основателя Фив. Слово «кадмия» использовалось ещё в античности для обозначения минералов, содержащих оксид цинка.
¶Физические и химические свойства
Кадмий — мягкий металл (твёрдость по Бринеллю около 20 МПа), плавится при 321,1 °C, кипит при 767 °C. Плотность 8,65 г/см³. В чистом виде обладает хорошей пластичностью, легко прокатывается в листы и вытягивается в проволоку. На воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида, защищающей от дальнейшего окисления.
По химическим свойствам кадмий сходен с цинком, но менее активен. В сухом воздухе практически не окисляется, во влажном — медленно образует основной карбонат. При нагревании выше 300 °C активно реагирует с кислородом с образованием оксида CdO. С галогенами даёт галогениды (CdCl₂, CdBr₂, CdI₂). С кислотами образует соли, но с разбавленной серной и соляной кислотой реагирует медленно из-за низкого электродного потенциала (−0,403 В). С щелочами образует комплексные соединения — кадмиаты.
¶Месторождения и добыча
Кадмий не образует самостоятельных минералов в промышленных количествах и добывается практически исключительно как побочный продукт переработки цинковых, свинцовых и медных руд. Содержание кадмия в цинковых рудах обычно составляет 0,1–0,5 %. При выплавке цинка кадмий переходит в шлак и улавливается из печных газов.
Крупнейшие производители кадмия — Китай, Южная Корея, Индия, Мексика и Перу. Мировое производство оценивается примерно в 17–20 тысяч тонн в год. Россия также входит в число стран, добывающих кадмий как сопутствующий продукт (в частности, на предприятиях Урала и Западной Сибири).
¶Применение
Основные направления использования кадмия:
- Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы — исторически самое крупное применение. Ёмкостные, морозостойкие, долговечные, но постепенно вытесняются литий-ионными и никель-металлгидридными аналогами из-за токсичности.
- Кадмирование — гальваническое покрытие стальных деталей кадмием для защиты от коррозии, особенно в авиации и судостроении.
- Пигменты — сульфид кадмия (CdS, «жёлтая кадмия») и селенид-сульфид кадмия (CdS·CdSe, «красная кадмия») дают яркие, устойчивые к выцветанию жёлтые, оранжевые и красные краски, применяются в керамике, стекле, пластмассах.
- Полупроводники — теллурид кадмия (CdTe) используется в солнечных элементах и инфракрасных детекторах, сульфид кадмия — в фотоэлементах и датчиках освещённости.
- Сплавы — кадмий входит в состав припоев, низкоплавких сплавов для предохранительных вставок, сплавов для типографских шрифтов.
¶Токсичность и воздействие на здоровье
Кадмий и его соединения относятся к высокоопасным токсикантам. Основные пути поступления в организм — вдыхание пыли и паров на производстве и приём пищи (в первую очередь моллюсков, почек и печени животных, выращенных на загрязнённых территориях).
Острое отравление проявляется металлическим привкусом, тошнотой, болями в животе, повреждением лёгких. Хроническое воздействие приводит к:
- Нефротоксичности — поражению канальцевого аппарата почек с потерей белка с мочой.
- Поражению лёгких — энфиземе и бронхиту (так называемая «латунная лихорадка» у работников латунных производств).
- Остеопорозу и остеомаляции — нарушению кальциевого обмена (болезнь Итай-Итай, впервые описанная в Японии в 1950-е годы в префектуре Тояма, где причиной стал рис, выращенный на почвах, загрязнённых сточными водами горнодобывающих предприятий).
Кадмий накапливается в организме с периодом полувыведения 10–30 лет, преимущественно в почках и печени. ВОЗ и национальные органы здравоохранения устанавливают предельно допустимые суточные поступления (например, 1 мкг/кг массы тела по рекомендациям ФАО/ВОЗ).
¶Экологические аспекты
Кадмий загрязняет почвы и воду в результате горнодобывающей и металлургической деятельности, сжигания ископаемого топлива и захоронения отходов. Он относится к числу «тяжёлых» загрязнителей, контролируемых международными конвенциями. В 1992 году кадмий был включён в список приоритетных опасных веществ Базельской конвенции, а также регулируется Стокгольмской конвенцией (в части побочных продуктов производства и потребления).
В Евросоюзе производство никель-кадмиевых аккумуляторов и применение кадмия в пластмассах и красках ограничены директивами RoHS и REACH. Ряд стран запретил кадмирование стальных деталей, заменив его цинкованием.
¶Интересные факты
- Кадмий входит в число элементов, названных по древним минеральным терминам, а не по месту обнаружения или имени учёного.
- Сине-зелёное свечение некоторых пламён обусловлено присутствием кадмия — этот признак использовался в качественном химическом анализе.
- Токсичность кадмия стала причиной его постепенного отказа в потребительской электронике: с 2019 года ЕС запретил NiCd-аккумуляторы в портативных устройствах.
¶Источники
- Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева
- «Справочник химика» — Б. П. Никольский и др.
- «Краткая химическая энциклопедия» — Гл. ред. И. Л. Кнунянц, т. 2
- FAO/WHO — Expert Committee on Food Additives, Evaluations of cadmium
- ГОСТ и санитарные нормы содержания кадмия в пищевых продуктах (Роспотребнадзор)