Кадмий как один из ядовитых металлов периодической таблицы

Кадмий является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 48 и условным обозначением Cd. В свободном виде кадмий представляет собой мягкий ковкий тягучий металл серебристо-белого цвета.

Открытие кадмия

Кадмий (лат. cadmia , греч. καδμεία , что означает «каламин», кадмийсодержащая смесь минералов, которая была названа в честь греческого мифологического персонажа Κάδμος, Кадма , основателя Фив) был обнаружен в загрязненных соединениях цинка, продаваемых в аптеках в Германии в 1817 году Фридрихом Штромейером. Карл Самуэль Леберехт Германн одновременно исследовал изменение цвета в оксиде цинка и обнаружил примесь, который изначально был принят за мышьяк, из-за желтого осадка с сероводородом. Кроме того Штромейер обнаружил, что один из местных поставщиков продавал карбонат цинка вместо оксида цинка. Штромейер обнаружил новый элемент как примесь в карбонате цинка (каламине), и в течение 100 лет Германия оставалась единственным важным производителем этого металла. Металл получил название по латинскому слову «каламин», поскольку он был обнаружен в этой цинковой руде. Штромейер отметил, что некоторые образцы каламина с примесями меняют цвет при нагревании, в то время как чистый каламин этого не делает. Он упорно изучал эти результаты и в конечном итоге выделил металлический кадмий путем обжига и восстановления сульфида.

---

Характеристики

---

Добыча и производство кадмия

Кадмий составляет около 0,1 частей на миллион земной коры и является 65-м самым распространенным элементом. Он встречается гораздо реже, чем цинк, содержание которого составляет около 65 частей на миллион. Значительных месторождений руд, содержащих кадмий на данном этапе времени не известно. Единственным важным минералом кадмия является гринокит (CdS), который почти всегда связан со сфалеритом (ZnS).

Эта ассоциация вызвана геохимическим сходством между цинком и кадмием, и ни один геологический процесс, вероятно, не может их разделить. Таким образом, кадмий производится в основном как побочный продукт добычи, плавки и очистки сульфидных руд цинка и, в меньшей степени, свинца и меди. Небольшие количества кадмия, около 10% потребления, производятся из вторичных источников, в основном из пыли, образующейся при переработке железного и стального лома. Массовое производство кадмия началось уже в 1907 году, но широкое применение началось только после Первой мировой войны.

Кадмий является распространенной примесью в цинковых рудах, и чаще всего он добывается в процессе производства цинка. Некоторые концентраты цинковых руд из сульфатных руд цинка содержат до 1,4% кадмия. В 1970-х годах процесс производства кадмия составлял 2,9 килограмма на тонну цинка. Руды сульфида цинка обжигают в присутствии кислорода, преобразуя сульфид цинка в оксид. Металлический цинк получают либо плавкой оксида с углеродом, либо электролизом в серной кислоте. Кадмий выделяют из металлического цинка вакуумной перегонкой, если цинк плавят, или сульфат кадмия осаждают из электролизного раствора.

Мировое производство кадмия в 2020 году составило около 24 000 тонн. Лидерами в производстве данного химического элемента являются Китай, Южная Корея, Япония, Канада, Казахстан и Россия. Кадмий в качестве самородного минерала встречается в единственном на планете месте — в Вилюйском бассейне Республики Саха на Дальнем Востоке Российской Федерации.

---

Применение кадмия

Кадмий является распространенным компонентом электрических батарей, пигментов, покрытий и гальванопокрытий. В современности около 86% кадмия использовалось в батареях, преимущественно в перезаряжаемых никель-кадмиевых батареях. Никель-кадмиевые элементы имеют номинальный потенциал элемента 1,2 В. Элемент состоит из положительного электрода из гидроксида никеля и отрицательного электрода из кадмиевой пластины, разделенных щелочным электролитом (гидроксидом калия). Европейский союз установил ограничение на содержание кадмия в электронике в 2004 году в размере 0,01% с некоторыми исключениями, а в 2006 году снизил ограничение на содержание кадмия до 0,002%. Другим типом батарей на основе кадмия является серебряно-кадмиевая батарея.

Кадмиевое гальванопокрытие, на долю которого приходится 6% мирового производства, используется в авиационной промышленности для снижения коррозии стальных деталей. Это покрытие пассивируется хромовыми солями. Ограничением кадмирования является водородная хрупкость высокопрочных сталей, возникающая в процессе гальванопокрытия. Поэтому стальные детали, подвергнутые термической обработке до предела прочности на разрыв выше 1300 МПа, следует покрывать альтернативным методом. Хрупкость титана, вызванная остатками кадмированного инструмента, привела к запрету использования таких инструментов (и внедрению плановых испытаний инструментов для обнаружения загрязнения кадмием) в программах по созданию самолетов A-12/SR-71, U-2 и последующих программах, в которых использовался титан.

Кадмий используется в регулирующих стержнях ядерных реакторов, выступая в качестве очень эффективного нейтронного поглотителя, контролирующего поток нейтронов при ядерном делении. Когда кадмиевые стержни вставляются в активную зону ядерного реактора, кадмий поглощает нейтроны, предотвращая их появление в процессе деления, тем самым контролируя уровень реактивности. В реакторе, разработанном компанией Westinghouse Electric Company, используется сплав, состоящий из 80% серебра, 15% индия и 5% кадмия.

В конструкции телевизоров QLED начали использовать кадмий. Некоторые компании стремятся снизить воздействие на окружающую среду, связанное с воздействием на человека и загрязнением материалов, используемых в производстве телевизоров. Комплексы на основе кадмия и других тяжелых металлов имеют потенциал для лечения рака, но их применение часто ограничено из-за токсических побочных эффектов. Кадмий входит в состав некоторых полупроводниковых материалов. Сульфид кадмия, селенид кадмия и теллурид кадмия используются в некоторых фотодетекторах и солнечных батареях . Детекторы на основе HgCdTe чувствительны к среднему инфракрасному излучению и используются в некоторых датчиках движения. Гелий-кадмиевые лазеры являются распространённым источником синего или ультрафиолетового лазерного излучения. Лазеры с длинами волн 325, 354 и 442 нм изготавливаются с использованием этой среды усиления. Некоторые модели могут переключаться между этими длинами волн. Они широко используются во флуоресцентной микроскопии, а также в различных лабораторных исследованиях, требующих лазерного излучения с этими длинами волн. Существует еще множество известных применений, но они ограничены из-за ограничений безопасности.

---

Безопасность

Кадмий не имеет известной функции в высших организмах и является токсичным. Кадмий считается загрязнителем окружающей среды и опасным для живых организмов. У некоторых морских диатомовых водорослей была обнаружена кадмий-зависимая карбоангидраза, которая обитает в среде с низким содержанием цинка. Воздействие кадмия приводит к повышению его уровня в клетках крови в течение нескольких месяцев. У позвоночных кадмий преимущественно абсорбируется почками, а также печенью и костями. В течение детства и подросткового возраста человек вдыхает до 30 мг кадмия. Кадмий выводится из организма в очень малых количествах, в основном с мочой, что обеспечивает биологический период полураспада от 20 до 40 лет.

Кадмий и многие его соединения ядовиты (в больших концентрациях), по токсичности кадмий аналогичен ртути или мышьяку. Особенно опасным случаем является вдыхание паров его оксида (CdO). Вдыхание в течение 1 минуты воздуха с содержанием 2,5 г/м³ оксида кадмия, или 30 секунд при концентрации 5 г/м³ является смертельным. Кадмий является канцерогеном. Имеются сведения об ототоксичности: при поступлении хлорида кадмия с питьевой водой у подопытных крыс возникали нарушения слуха из-за токсического повреждения улитки. По российским гигиеническим нормативам, максимально разовая ПДК кадмия и его неорганических соединений в воздухе рабочей зоны 0,05 мг/м³ и среднесменная — 0,01 мг/м³.