Свойства кадмия

Название одного элемента переводится как «цинковая руда», в которой несколько составляющих. Почему?

Потому что впервые кадмий выделили именно из цинкосодержащей руды. Произошло это в 1817-ом году в Германии.

Профессор Штромейер изучал оксид . Он показался ученому нечистым, мужчина заподозрил в составе вещества наличие еще и .

Отделив его от общей массы, профессор понял, что перед ним металл. Цвет был серебристо-, а не оранжевым, как у мышьяка.

Обнаруженный элемент назвали кадмий в честь руды, из которой он был получен.

Правда, некоторые источники трактуют имя металла иначе, вспоминая крепость Кадмея, построенную в древнем Египте.

Якобы в честь ее крепости и нерушимости и был наречен металл кадмий . Похожее слово есть и в мифологии Греции.

Бог Кадмос основал Фивы, победил и, кстати, по приданию первым нашел и показал людям цинковую руду.

Небожитель соединил породу с , открыв народу свойство цинка изменять ее цвет.

Но, про кадмий его теска тогда умолчал. Поэтому, наверное, и открыли металл только в 19-ом столетии.

Кадмий с атомной массой 112,41 поставили на 48-е место во второй группе периодической .

Добыча кадмия

То, что металл содержится не только в цинкосодержащийх породах, но и в некоторых минералах.

Примеси кадмия обнаружили в гриноките, отавите, хоулиите, кадмоселите, монтемпоните и ксантохроите.

Все 6 крайне редкие и не могут стать подмогой в промышленной добыче металла №48.

Есть кадмий и в морях в пропорции 0,00011 миллиграммов на литр воды. Обнаружен элемент также в воздухе.

В городах содержание металла в атмосфере от 2-х до 15-ти нанограммов на кубический метр.

В сельском воздухе кадмия и того меньше. Интересно, что гораздо больше, чем в воздухе или воде, кадмия в почках и печени.

Эти органы накапливают металл. Но, естественно, добывать элемент из живых тканей никто не собирается.

Месторождения кадмия

Поэтому, основным источником редкого вещества, по-прежнему, остаются цинковые руды.

Общие запасы кадмия на месторождениях планеты оцениваются всего в 600 тысяч тонн. 100 из них в КНР; 60 в Австралии; 50 в Перу; по 40 в и Мексике.

Остальные страны довольствуются малым, на них примерно равномерно распределены оставшиеся 300 тысяч тонн.

В год на нужды человечества уходит 20 тысяч тонн редкого металла. Если не открыть новые месторождения, хватит всего на 3 десятилетия. На что же тратят дефицитный элемент?

Применение кадмия

В чистом виде кадмий пластичный , тягучий, мягкий. Цвет у металла белый с отливом. Эстетика металла пригождается при изготовлении аккумуляторов. Их декоративные покрытия сделаны на основе элемента №48.

В атомных реакторах важнее стойкость кадмия к коррозии.

Высоковольтные провода сделаны из сплава кадмия с медью. Всего один процент 48-го элемента делает медь в два раза прочнее. На проводимость же тока, добавка практически не влияет.

Износостойкость сделала «героя » материалом для машинных подшипников.

Живописцы ценят сульфид металла. Его используют в качестве краски, поскольку соединение ярко-желтое.

— используют кадмий, правда, лишь в качестве примеси к . Элемент делает его более пластичным, послушным в руках мастера.

Сам по себе металл тоже красив. Загвоздка в том, что на воздухе он моментально тускнеет, покрывается мутной пленкой. Сохраняют сияние кадмиевые поверхности только в среде без кислорода.

Добавляя кадмий к золоту, главное, точно соблюдать пропорции. Излишек элемента под номером 48 придает зеленоватый оттенок.

К тому же, кадмий снижает температуру плавление состава, ведь и сам металл закипает уже при 700 градусов Цельсия.

— В промышленности кадмий используют и как . Вещество идеально соединяет детали из и . Сцепление получается надежным, долговечным.

В перспективе – солнечных батарей. Пока, они используются в порядке исключения. Однако, в скором времени, прогнозируют эксперты, будут устанавливаться повсеместно. Пленки для установок, аккумулирующие лучи, делают именно из кадмия.

Металл безвреден. Чего не скажешь о растворимых соединениях 48-го элемента. Они крайне токсичны.

Влияние соединений на организм сравнимо с действием паров или мышьяка. Угнетается дыхание, поражается система и органы человеческого тела.

Причем, не важно, попало вещество на , в воздух, было съедено или выпито.

В период второй мировой войны противоборствующие стороны резко увеличили добычу свинцовых руд, дабы производить из них оружие.

Одно из месторождений было в Японии. Население страны восходящего сутками трудилось в шахтах, ело рыбу из близлежащей реки и рис с окрестных полей.

Люди стали умирать. Причем здесь кадмий? Притом, что именно он, просачиваясь в воду, попадая в растения, а потом и желудки рабочих, стал причиной смертей.

Болезнь назвали итай-итай. 10 лет ученые не могли понять, в чем ее причина, греша на .

Однако, некоторые соединения кадмия способны и спасать. Металл используют при лечении опухолей. Кадмий если не побеждает то, по крайней мере, приостанавливает болезнь.

В лечении рака кадмий используют с середины прошлого века. Более того, если в сутки организм человека с пищей или при дыхании не будет получать от 1-го до 5-ти микрограмма 48-го элемента, нарушится выработка гиппуровой в печени.

Без нее орган не сможет обезвреживать яды. Произойдет сбой и в обмене углеводов, цинка, и меди.

Ряд ферментов в организме человека так же не вырабатываются без присутствия кадмия .

Кадмий (латинское Cadmium, обозначается символом Cd) - элемент с атомным номером 48 и атомной массой 112,411. Является элементом побочной подгруппы второй группы, пятого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. При нормальных условиях простое вещество кадмий - тяжелый (плотность 8,65 г/см3) мягкий ковкий тягучий переходный металл серебристо-белого цвета.

Природный кадмий состоит из восьми изотопов, шесть из которых стабильны: 106Cd (изотопная распространённость 1,22 %), 108Cd (0,88 %), 110Cd (12,39 %), 111Cd (12,75 %), 112Cd (24,07 %), 114Cd (28,85 %). Для двух других природных изотопов обнаружена слабая радиоактивность: 113Cd (изотопная распространённость 12,22 %, β-распад с периодом полураспада 7,7∙1015 лет) и 116Cd (изотопная распространённость 7,49 %, двойной β-распад с периодом полураспада 3,0∙1019 лет).

Сорок восьмой элемент периодической системы был открыт немецким профессором Фридрихом Штромейером в 1817 году, это открытие можно назвать случайным. Дело в том, что провизоры Магдебурга при изучении препаратов, содержащих оксид цинка ZnO, заподозрили в них присутствие мышьяка. Так как окись цинка входит в состав многих мазей, присыпок и эмульсий, применяемых при различных кожных болезнях, проверяющие категорически запретили продажу всех подозрительных лекарств. Естественно, что производитель лекарственных препаратов, отстаивая свои интересы, потребовал независимой экспертизы. В роли эксперта выступил Штромейер. Он выделил из ZnO коричнево-бурый оксид, восстановил его водородом и получил серебристо-белый металл, который был им назван «кадмием» (от греч. kadmeia - нечистый оксид цинка, также цинковая руда). Независимо от профессора Штромейера кадмий был обнаружен в силезских цинковых рудах группой немецких ученых - К. Германом, К. Карстеном и В. Мейснером в 1818 году.

Кадмий хорошо поглощает медленные нейтроны, по этой причине кадмиевые стержни применяют в ядерных реакторах для регулирования скорости цепной реакции. Кадмий используется в щелочных аккумуляторах, входит как компонент в некоторые сплавы. Так, например, сплавы меди, содержащие порядка 1 % Cd (кадмиевые бронзы), служат для изготовления телеграфных, телефонных, троллейбусных проводов, так как эти сплавы обладают большей прочностью и износостойкостью, чем медь. Ряд легкоплавких сплавов, например, применяющиеся в автоматических огнетушителях, содержат сорок восьмой элемент. Кроме того, кадмий входит в состав некоторых ювелирных сплавов. Этот металл применяется для кадмирования стальных изделий, ведь он несет на своей поверхности оксидную пленку, обладающую защитным действием. Дело в том, что в морской воде и в ряде других сред кадмирование более эффективно, чем цинкование. Кадмий имеет долгую историю использования в гомеопатической медицине. Широкое применение нашли и соединения сорок восьмого элемента - сульфид кадмия применяется для изготовления желтой краски и цветных стекол, а фтороборат кадмия - важный флюс, применяемый для пайки алюминия и других металлов.

Кадмий обнаружен в организме всех позвоночных животных, установлено, что он влияет на углеродный обмен, активность ряда ферментов и синтез гиппуровой кислоты в печени. Однако соединения кадмия ядовиты, а сам металл является канцерогеном. Особенно опасно вдыхание паров оксида кадмия CdO, нередки случаи со смертельным исходом. Вредно и проникновение кадмия в желудочно-кишечный тракт, но случаев смертельного отравления не зафиксировано, вероятнее всего это связано с тем, что организм сам стремится избавиться от токсина (рвота).

Биологические свойства

Оказывается, кадмий присутствует практически во всех живых организмах - в наземных содержание сорок восьмого элемента приблизительно равно 0,5 мг на 1 кг массы, в морских организмах (губки, кишечнополостные, иглокожие, черви) - от 0,15 до 3 мг/кг, содержание кадмия в растениях составляет порядка 10-4 % (на сухое вещество). Несмотря на присутствие кадмия в большинстве живых организмов, его специфическое физиологическое значение пока достоверно не установлено. Ученым удалось выяснить, что этот элемент влияет на углеводный обмен, на синтез в печени гиппуровой кислоты, на активность ряда ферментов, а также на обмен в организме цинка, меди, железа и кальция. Существует предположение, обоснованное некоторыми исследованиями, что микроскопические количества кадмия в пище могут стимулировать рост у млекопитающих. По этой причине некоторые ученые причисляют кадмий к условно-эссенциальным микроэлементам, то есть жизненно-важным, но токсичным в определенных дозах. Даже в организме вполне здорового человека содержится небольшое количество кадмия. И все-таки, несмотря на это, кадмий относят к наиболее токсичным тяжелым металлам - Российским СанПиНом он отнесен ко 2-му классу опасности - высокоопасные вещества - куда входят также сурьма, стронций, фенол и другие отравляющие вещества. В бюллетене «Проблемы химической безопасности» от 29 апреля 1999 года кадмий фигурирует как «наиболее опасный экотоксикант на рубеже тысячелетий»!

Как и прочие тяжелые металлы, кадмий является кумулятивным ядом, то есть, он способен накапливаться в организме - период его полувыведения составляет от 10 до 35 лет. Человеческий организм к пятидесяти годам способен накопить от 30 до 50 мг кадмия. Основными «депо отложения» сорок восьмого элемента в человеческом теле являются почки, содержащие от 30 до 60 % суммарного количества этого металла в организме, печень (20-25 %). В меньшей степени накапливать кадмий способны: поджелудочная железа, селезенка, трубчатые кости, другие органы и ткани. В небольших количествах сорок восьмой элемент присутствует даже в крови. Однако, в отличие от свинца или ртути, кадмий не проникает в мозг. По большей части кадмий в организме находится в связанном состоянии - в комплексе с белком-металлотионеином - это своеобразный защитный механизм, реакция организма на присутствие тяжелого металла. В таком виде кадмий менее токсичен, однако, даже в связанном виде он не становится безвредным - накапливаясь годами этот металл способен привести к нарушению работы почек и повышенной вероятности образования почечных камней. Намного опаснее кадмий, находящийся в ионной форме, ведь он химически весьма близок к цинку и способен замещать его в биохимических реакциях, выступая в качестве псевдоактиватора или, наоборот, ингибитора содержащих цинк белков и ферментов. Кадмий связывается с цитоплазматическим и ядерным материалом клеток и повреждает их, изменяет активность многих гормонов и ферментов, что объясняется его способностью связывать сульфгидрильные (-SH) группы. Кроме того, сорок восьмой элемент, в связи с близостью ионных радиусов кальция и кадмия, способен замещать кальций в костной ткани. Такая же ситуация с железом, которое кадмий также способен замещать. По этой причине недостаток кальция, цинка и железа в организме способен привести к повышению усвояемости кадмия из желудочно-кишечного тракта до 15-20 %. Считается, что безвредной суточной дозой кадмия для взрослого человека является 1 мкг кадмия на 1 кг собственного веса, большие количества кадмия чрезвычайно опасны для здоровья.

Каковы же механизмы поступления кадмия и его соединений в организм? Отравление происходит при употреблении воды (ПДК для питьевой воды составляет 0,01 мг/л), загрязненной кадмиесодержащими отходами, а также при употреблении в пищу овощей и зерновых, произрастающих на землях, расположенных вблизи от нефтеперегонных заводов и металлургических предприятий. Особо опасно употребление грибов с таких территорий, так как они, по некоторым сведениям, способны накапливать более 100 мг кадмия на кг собственного веса. Курение - еще один источник поступления кадмия в организм, причем, как самого курящего, так и окружающих его людей, ведь металл находится в табачном дыме. Характерными признаками хронического отравления кадмием являются, как говорилось ранее, поражения почек, боли в мышцах, разрушение костной ткани, анемия. Острое пищевое отравление кадмием наступает при поступлении больших разовых доз с пищей (15-30 мг) или с водой (13-15 мг). При этом наблюдаются признаки острого гастроэнтерита - рвота, боли и судороги в эпигастральной области, однако случаи смертельного отравления соединениями кадмия, попавшими в организм с пищей, науке неизвестны, но по оценкам ВОЗ летальная разовая доза может составлять 350-3500 мг. Гораздо опаснее отравление кадмием при вдыхании его паров (CdO) или кадмийсодержащей пыли (как правило, это происходит на связанных с использованием кадмия производствах). Симптомами подобного отравления являются отек легких, головная боль, тошнота или рвота, озноб, слабость и диарея. В результате таких отравлений были зафиксированы смертельные случаи.

Противоядием при отравлении кадмием является селен, который способствует снижению усвояемости сорок восьмого элемента. Однако требуется сбалансированный прием селена, связано это с тем, что избыток его в организме приводит к снижению содержания серы, а это обязательно приведет к тому, что кадмий вновь станет легко усваиваться организмом.

Установлено, что одна сигарета содержит от 1 до 2 мкг кадмия. Выходит, что человек, выкуривающий за день хотя бы пачку сигарет, получает дополнительно порядка 20 мкг кадмия, как минимум! Опасность заключается и в том, что усвояемость сорок восьмого элемента через легкие максимальна - от 10 до 20 %, таким образом, в организме курильщика усваивается от 2 до 4 мкг кадмия с каждой пачкой сигарет! Канцерогенное действие никотина, содержащегося в табачном дыме, как правило, связано с присутствием кадмия, причем он не задерживается даже угольными фильтрами.

Пример массового хронического отравления кадмием с многочисленными смертельными исходами был описан в конце 50-х годов XX века. На территории Японии были зафиксированы случаи массового заболевания, которое местные жители прозвали «итай-итай», что дословно можно перевести, как «ой-ой, как больно!». Симптомами болезни были сильные поясничные боли, что, как позже выяснилось, было вызвано необратимыми поражениями почек; сильными болями в мышцах. Повсеместное распространение болезни и столь тяжелое ее протекание были вызваны высокой загрязненностью окружающей среды в Японии в то время и спецификой питания японцев (рис и морепродукты накапливают большое количество кадмия). Было установлено, что заболевшие странной болезнью употребляли порядка 600 мкг кадмия ежесуточно!

Несмотря на то, что кадмий признан одним из самых токсичных веществ, он нашел применение и в медицине! Так, введенная в грудную клетку пациента, страдающего сердечной недостаточностью, никель-кадмиевая батарейка обеспечивают энергией механический стимулятор работы сердца. Удобство такого аккумулятора заключается в том, что для его подзарядки или замены больному не придется ложиться на операционный стол. Для бесперебойной службы батарейки достаточно раз в неделю надевать всего на полтора часа специальную намагниченную куртку.

Кадмий применяется в гомеопатии, экспериментальной медицине, а совсем недавно его стали использовать при создании новых противоопухолевых препаратов.

Сплав Вуда (Wood"s metal), содержащий 50 % висмута, 12,5 % олова, 25 % свинца, 12,5 % кадмия, легко можно расплавить в кипящей воде. Сплав был изобретен в 1860 году не очень известным английским инженером Б.Вудом (B.Wood). С этим легкоплавким сплавом связано несколько любопытных фактов: во-первых, первые буквы компонентов сплава Вуда образуют аббревиатуру ВОСК, во-вторых, довольно часто изобретение ошибочно приписывают однофамильцу Б.Вуда - знаменитому американскому физику Роберту Уильямсу Вуду, который родился лишь спустя восемь лет.

Не так давно сорок восьмой элемент периодической системы поступил на «вооружение» Скотленд-ярда: с помощью тончайшего слоя кадмия, напыленного на обследуемую поверхность, удается быстро выявить четкие отпечатки пальцев преступника.

Учеными был установлен такой интересный факт: кадмированная жесть в атмосфере сельских местностей обладает значительно большей коррозийной устойчивостью, чем в атмосфере промышленных районов. Особенно быстро такое покрытие выходит из строя, если в воздухе повышено содержание сернистого или серного ангидридов.

В 1968 году один из сотрудников службы здравоохранения США (доктор Кэррол) обнаружил прямую связь между смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний и содержанием кадмия в атмосфере. К таким выводам он пришел, проанализировав данные 28 городов. В четырех из них - Нью-Йорке, Чикаго, Филадельфии и Индианополисе - содержание кадмия в воздухе оказалось значительно выше, чем в остальных городах; более высокой была здесь и доля смертных случаев в результате болезней сердца.

Помимо «стандартных» мероприятий по ограничению выбросов кадмия в атмосферу, воду и почву (фильтра и очистители на предприятиях, удаление жилья и посевных полей от таких предприятий), ученые разрабатывают и новые - перспективные. Так американские ученые в бухте реки Миссисипи высадили водные гиацинты, полагая, что с их помощью удастся очистить воду от таких нежелательных элементов, как кадмий и ртуть.

История

Истории известно немало «открытий», которые были сделаны во время различных проверок, смотров и ревизий. Однако подобные находки имеют скорее криминальный характер, нежели научный. И все-таки был такой случай, когда начавшаяся ревизия в итоге привела к открытию нового химического элемента. Произошло это в Германии в начале XIX века. Окружной врач Р. Ролов проверял аптеки своего округа, в ходе ревизии - в ряде аптек вблизи Магдебурга - он обнаружил окись цинка, внешний вид которой вызывал подозрения и наводил на мысль о содержании в ней мышьяка. В подтверждение своих предположений Ролов растворил изъятый препарат в кислоте и пропустил через раствор сероводорода, что привело к выпадению желтого осадка, похожего на сульфид мышьяка. Немедленно были изъяты из продажи все подозрительные лекарственные препараты - мази, присыпки, эмульсии, порошки. Подобный шаг возмутил владельца фабрики в Шенебеке, производившей все забракованные Роловым препараты. Этот предприниматель - Герман, будучи по профессии химиком, провел собственную экспертизу товара. Испробовав весь известный в то время арсенал опытов по обнаружению мышьяка, он убедился в том, что его продукция чиста в этом отношении, а смутивший ревизора желтый цвет окиси цинка придает железо. Сообщив о результатах своих опытов Ролову и властям земли Ганновер, Герман потребовал независимой экспертизы и полной «реабилитации» своего товара. В результате было решено выяснить мнение профессора Штромейера, возглавлявшего кафедру химии Геттингенского университета, а по совместительству занимавшего пост генерального инспектора всех ганноверских аптек. Естественно, что Штромейеру на проверку отослали не только окись цинка, но и другие цинковые препараты с Шенебекской фабрики, в том числе карбонат цинка, из которого эту окись получали. Прокалив карбонат цинка ZnCO3, Фридрих Штромейер получил оксид, но не белый, как это должно было быть, а желтоватый. В результате дальнейших исследований, оказалось, что препараты не содержат ни мышьяка, как предполагал Ролов, ни железа, как думал Герман. Причиной необычной цветовой окраски был совершенно другой металл - ранее неизвестный и по свойствам весьма схожий с цинком. Различие было лишь в том, что гидроокись его, в отличие от Zn(OH)2, не была амфотерной, а имела ярко выраженные основные свойства. Штромейер назвал новый металл кадмием, намекая на сильную схожесть нового элемента с цинком - греческим словом καδμεια (kadmeia) издавна обозначали цинковые руды (например, смитсонит ZnCO3) и окись цинка. В свою очередь это слово происходит от имени финикийца Кадма, который, согласно преданиям, первым нашел цинковый камень и открыл его способность придавать меди (при выплавке ее из руды) золотистый цвет. Согласно древнегреческим мифам существовал и другой Кадм - герой, победивший Дракона и построивший на землях поверженного им врага крепость Кадмею, вокруг которой впоследствии вырос великий семивратный город Фивы. В семитских же языках «кадмос» означает «восточный», что, возможно, возводит название минерала от мест его добычи либо экспорта из какой-либо восточной страны или провинции. В 1818 году Фридрих Штромейер опубликовал подробное описание нового металла, свойства которого он уже успел хорошо изучить. В свободном виде новый элемент представлял собой белый металл, мягкий и не очень прочный, сверху покрытый коричневатой пленкой окисла. Довольно скоро, как это часто бывает, приоритет Штромейера в открытии кадмия стали оспаривать, однако все претензии вскоре были отвергнуты. Несколько позже другой немецкий химик Керстен, нашел новый элемент в силезской цинковой руде и назвал его меллином (от латинского mellinus - «желтый, как айва»). Причиной такого названия послужил цвет осадка, образующегося под действием сероводорода. К огорчению Керстена «меллин» оказался «кадмием» Штромейера. Еще позже были предложены и другие названия сорок восьмому элементу: в 1821 году Джон предложил именовать новый элемент «клапротием» - в честь известного химика Мартина Клапрота - первооткрывателя урана, циркония и титана, а Гильберт «юнонием» - по имени открытого в 1804 году астероида Юноны. Но как бы ни были велики заслуги Клапрота перед наукой, его имени не суждено было закрепиться в списке химических элементов: кадмий остался кадмием. Правда, в русской химической литературе первой половины XIX века кадмий нередко называли кадмом.

Нахождение в природе

Кадмий типично редкий и довольно рассеянный элемент, среднее содержание данного металла в земной коре (кларк) оценивается примерно 1,3 10–5 % либо 1,6 10–5 % по массе, получается, что в литосфере кадмия приблизительно 130 мг/т. Кадмия настолько мало в недрах нашей планеты, что даже считающегося редким германия в 25 раз больше! Приблизительно такие же соотношения у кадмия и с другими редкими металлами: бериллием, цезием, скандием и индием. Кадмий близок по распространенности к сурьме (2 10–5 %) и в два раза более распространен, чем ртуть (8 10–6 %).

Для сорок восьмого элемента характерна миграция в горячих подземных водах вместе с цинком (кадмий содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка) и другими халькофильными элементами, то есть химическими элементами, склонными к образованию природных сульфидов, селенидов, теллуридов, сульфосолей и иногда встречающихся в самородном состоянии. Кроме того, сорок восьмой элемент концентрируется в гидротермальных отложениях. Довольно богаты кадмием вулканические породы, содержащие до 0,2 мг кадмия на кг; среди осадочных пород наиболее богаты сорок восьмым элементом глины - до 0,3 мг/кг (для сравнения известняки содержат кадмия 0,035 мг/кг, песчанники - 0,03 мг/кг). Среднее содержание кадмия в почве - 0,06 мг/кг. Также, этот редкий металл присутствует в воде - в растворенном виде (сульфат, хлорид, нитрат кадмия) и во взвешенном виде в составе органо-минеральных комплексов. В природных условиях сорок восьмой элемент попадает в подземные воды в результате выщелачивания руд цветных металлов, а также в результате разложения водных растений и организмов, способных его накапливать. С начала XX века преобладающим фактором поступления кадмия в воды и почву стало антропогенное загрязнение кадмием природных вод. На содержание кадмия в воде существенное влияние оказывает pH среды (в щелочной среде кадмий выпадает в осадок в виде гидроксида), а также сорбционные процессы. По той же антропогенной причине кадмий присутствует и в воздухе. В сельской местности содержание кадмия в воздухе составляет 0,1-5,0 нг/м3 (1 нг или 1 нанограмм = 10-9 грамм), в городах - 2-15 нг/м3, в промышленных районах - от 15 до 150 нг/м3. Главным образом попадание кадмия в атмосферный воздух связано с тем, что многие угли, сжигаемые на теплоэлектростанциях, содержат этот элемент. Осаждаясь из воздуха, кадмий попадает в воду и почву. Увеличению содержания кадмия в почве способствует использование минеральных удобрений, ведь практически все они содержат незначительные примеси этого металла. Из воды и почвы кадмий попадает в растения и живые организмы и далее по пищевой цепочке может «поставляться» человеку.

Кадмий имеет собственные минералы: хоулиит, отавит CdCO3, монтемпонит CdO (содержит 87,5 % Cd), гринокит CdS (77,8 % Cd), ксантохроит CdS(H2O)х (77,2 % Cd) кадмоселит CdSe (47 % Cd). Однако своих месторождений они не образуют, а присутствуют в виде примесей в цинковых, медных, свинцовых и полиметаллических рудах (более 50), которые и являются основным источником промышленной добычи сорок восьмого элемента. Причем главную роль играют руды цинка, где концентрация кадмия колеблется от 0,01 до 5 % (в сфалерите ZnS). В большинстве же случаев содержание кадмия в сфалерите не превышает 0,4 – 0,6 %. Кадмий накапливается также в галените (0,005 – 0,02 %), станните (0,003 – 0,2 %), пирите (до 0,02 %), халькопирите (0,006 – 0,12 %), однако из этих сульфидов кадмий обычно не извлекается.

Кадмий способен накапливаться в растениях (больше всего в грибах) и живых организмах (особенно в водных), по этой причине кадмий можно обнаружить в морских осадочных породах - сланцах (Мансфельд, Германия). Общие мировые ресурсы кадмия оцениваются в 20 млн тонн, промышленные - в 600 тыс. тонн.

Применение

Главным потребителем сорок восьмого элемента является производство химических источников тока: никель-кадмиевые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы, свинцово-кадмиевые и ртутно-кадмиевые элементы в резервных батареях, нормальные элементы Вестона. Применяемые в промышленности кадмийникелеве аккумуляторы (АКН) - одни из самых востребованных среди прочих химических источников тока. Отрицательные пластины подобных аккумуляторов выполнены из железных сеток с губчатым кадмием в качестве активного агента, а положительные пластины покрыты окисью никеля. В качестве электролита выступает раствор едкого кали (гидроксид калия). Никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы более надежны, чем кислотные свинцовые. Химические источники тока, использующие кадмий отличаются продолжительным сроком эксплуатации, стабильностью работы и высокими электрическими характеристиками. Помимо всего прочего, подзарядка данных аккумуляторов занимает менее одного часа! Однако АКН нельзя подзаряжать без полной предварительной разрядки, и в этом они, конечно же, уступают металлогидридным аккумуляторам.

Другая широкая область применения кадмия - нанесение защитных антикоррозионных покрытий на металлы (кадмирование). Кадмиевое покрытие надежно предохраняет железные и стальные изделия от атмосферной коррозии. В прошлом кадмирование производили путем погружения металла в расплавленный кадмий, современный процесс осуществляют исключительно электролитическим путем. Кадмированию подвергают наиболее ответственные детали самолетов, кораблей, а также детали и механизмы, предназначенные для работы в условиях тропического климата. Известно, что некоторые свойства цинка и кадмия схожи, однако у кадмиевого покрытия есть определенные преимущества перед оцинкованным: во-первых, оно более устойчиво к коррозии, во-вторых, его легче сделать ровным и гладким. Кроме того, в отличие от цинка, кадмий устойчив в щелочной среде. Кадмированная жесть используется довольно широко, однако существует область, в которой применение покрытия из сорок восьмого элемента строго запрещено - это пищевая промышленность. Связано это с высокой токсичностью кадмия. До определенного момента распространение кадмиевых покрытий было ограничено и по другой причине - при электролитическом нанесении кадмия на стальную деталь в металл может проникнуть содержащийся в электролите водород, а, как известно, этот элемент вызывает у высокопрочных сталей водородную хрупкость, приводящую к неожиданному разрушению металла под нагрузкой. Проблему удалось решить советским ученым из Института физической химии Академии наук СССР. Оказалось, что ничтожная добавка титана (один атом титана на тысячу атомов кадмия) предохраняет кадмированную стальную деталь от возникновения водородной хрупкости, поскольку титан в процессе нанесения покрытия поглощает из стали весь водород.

Порядка десятой части мирового производства кадмия расходуется на производство сплавов. Небольшая температура плавления - одна из причин широкого применения кадмия в легкоплавких сплавах. Таковым, например, является сплав Вуда, содержащий 12,5 % сорок восьмого элемента. Подобные сплавы используют как припои, как материал для получения тонких и сложных отливок, в автоматических противопожарных системах, для спайки стекла с металлом. Припои, содержащие сорок восьмой элемент, довольно устойчивы к температурным колебаниям. Другая отличительная черта кадмиевых сплавов - их высокие антифрикционные свойства. Так, сплав, содержащий 99 % кадмия и 1 % никеля, применяют для изготовления подшипников, работающих в автомобильных, авиационных и судовых двигателях. Поскольку кадмий недостаточно стоек к действию кислот, в том числе и содержащихся в смазочных материалах органических кислот, подшипниковые сплавы на основе кадмия покрывают индием. Легирование меди малыми добавками кадмия (менее 1 %) позволяет делать более износостойкие провода на линиях электрического транспорта. Столь ничтожные добавки кадмия способны значительно повысить прочность и твердость меди, практически не ухудшая ее электрических свойств. Амальгаму кадмия (раствор кадмия в ртути) используют в зубоврачебной технике для изготовления зубных пломб.

В сороковые годы XX века у кадмия появилось новое амплуа - из него стали делать регулирующие и аварийные стержни атомных реакторов. Причина, по которой сорок восьмой элемент в кратчайший срок стал стратегическим материалом, заключалась в том, что он очень хорошо поглощает тепловые нейтроны. А ведь первые реакторы начала «атомного века» работали исключительно на тепловых нейтронах. Лишь позже выяснилось, что реакторы на быстрых нейтронах более перспективны и для энергетики, и для получения ядерного горючего - 239Pu, а против быстрых нейтронов кадмий бессилен, он их не задерживает. Однако еще во времена реакторов на тепловых нейтронах кадмий утратил главенствующую роль, уступив ее бору и его соединениям.

Порядка 20 % кадмия (в виде соединений) используется для производства неорганических красящих веществ. Сульфид кадмия CdS - важный минеральный краситель, ранее называвшийся кадмиевой желтью. Уже в начале XX века было известно, что можно получить кадмиевую желть шести оттенков, начиная от лимонно-желтого до оранжевого. Получаемые при этом краски устойчивы к слабым щелочам и кислотам, а к сероводороду совершенно не чувствительны. Краски на основе CdS использовались во многих областях - живописи, печати, росписи фарфора, ими покрывали пассажирские вагоны, защищая их от паровозного дыма. Красители, содержащие сульфид кадмия, использовали в текстильном и мыловаренном производствах. Однако в настоящее время довольно дорогой сульфид кадмия часто заменяют более дешевыми красителями - кадмопоном (смесь сульфида кадмия и сульфата бария) и цинко-кадмиевым литопоном (состав, как и у кадмопона, плюс сульфид цинка). Другое соединение сорок восьмого элемента - селенид кадмия CdSe - применяют как красную краску. Однако не только в производстве красящих веществ нашли свое применение соединения сорок восьмого элемента - сульфид кадмия, например, также применяется для производства плёночных солнечных батарей, коэффициент полезного действия которых составляет порядка 10-16 %. Кроме того, CdS - довольно хороший термоэлектрический материал, который используется как компонент полупроводниковых материалов и люминофоров. Иногда кадмий используют в криогенной технике, что связано с его максимальной теплопроводностью (относительно прочих металлов) вблизи абсолютного нуля.

Производство

Главные «поставщики» сорок восьмого элемента - это побочные продукты переработки цинковых, медно-цинковых и свинцово цинковых руд. Что же касается собственных минералов кадмия, то единственным, представляющим интерес в получении сорок восьмого элемента, является гринокит CdS, так называемая «кадмиевая обманка». Добывается гринокит совместно с фаеритом при разработке цинковых руд. В процессе переработки кадмий накапливается в побочных продуктах процесса, откуда его потом извлекают. При переработке полиметаллических руд, как говорилось ранее, кадмий является побочным продуктом цинкового производства. Это либо медно-кадмиевые кеки (осадки металлов, полученные вследствие очистки растворов сульфата цинка ZnSO4 действием цинковой пыли), которые содержат от 2 до 12 % Cd, либо пуссьеры (летучие фракции, образующиеся при дистилляционном получении цинка), содержащие от 0,7 до 1,1 % кадмия. Наиболее богаты сорок восьмым элементом концентраты, полученные при ректификационной очистке цинка, они могут содержать до 40 % кадмия. Из медно-кадмиевых кеков и других продуктов с высоким содержанием сорок восьмого элемента его обычно выщелачивают серной кислотой H2SO4 при одновременной аэрации воздухом. Процесс ведут в присутствии окислителя - марганцевой руды или оборотного марганцевого шлама из электролизных ванн.

Кроме того, кадмий извлекается из пыли свинцовых и медеплавильных заводов (она может содержать от 0,5 до 5% и от 0,2 до 0,5 % кадмия, соответственно). В таких случаях пыль обычно обрабатывают концентрированной серной кислотой H2SO4, а затем получившийся сульфат кадмия выщелачивают водой. Из полученного раствора сульфата кадмия действием цинковой пыли осаждают кадмиевую губку, после чего ее растворяют в серной кислоте и очищают раствор от примесей действием карбоната натрия Na2CO3 или оксида цинка ZnO, возможно также использование методов ионного обмена. Металлический кадмий выделяют электролизом на алюминиевых катодах или же восстановлением цинком (вытеснением цинком оксида кадмия CdO из растворов CdSO4) с применением центробежных реакторов-сепараторов. Рафинирование металлического кадмия обычно заключается в переплавке металла под слоем щелочи (для удаления цинка и свинца), при этом возможно использование Na2CO3; обработке расплава алюминием (для удаления никеля) и хлоридом аммония NH4Cl (для удаления таллия). Кадмий более высокой чистоты получают электролитическим рафинированием с промежуточной очисткой электролита, которая проводится с применением ионного обмена или экстракцией; ректификацией металла (обычно при пониженном давлении), зонной плавкой или другими кристаллизационными методами. Сочетая выше приведенные способы очистки, возможно получение металлического кадмия с содержанием основных примесей (цинк, медь и прочие) всего 10-5 % по массе. Кроме того, для очистки сорок восьмого элемента могут быть использованы методы электропереноса в жидком кадмии, электрорафинирования в расплаве гидроксида натрия NaOH, амальгамного электролиза. При сочетании зонной плавки с электропереносом наряду с очисткой может происходить и разделение изотопов кадмия.

Мировой объем производства кадмия в значительной степени связан с масштабами производства цинка и за последние десятилетия значительно возрос - по данным 2006 года в мире производилось порядка 21 тысячи тонн кадмия, в то время как в 1980 году эта цифра составляла всего 15 тысяч тонн. Рост потребления сорок восьмого элемента продолжается и сейчас. Основными производителями данного металла считаются страны Азии: Китай, Япония, Корея, Казахстан. На их долю приходится 12 тысяч тонн от общего производства. Крупными производителями кадмия также можно считать Россию, Канаду и Мексику. Смещение массового производства кадмия в сторону Азии связано с тем, что в Европе произошло сокращение использования сорок восьмого элемента, а в Азиатском регионе наоборот - растет спрос на никель-кадмиевые элементы, что заставляет многих переводить производство в страны Азии.

Физические свойства

Кадмий - серебристо-белый металл, отливающий синевой на свежем срезе, однако тускнеющий на воздухе из-за образования защитной окисной пленки. Кадмий довольно мягкий металл - он тверже олова, но мягче цинка, его вполне возможно разрезать ножом. В совокупности с мягкостью сорок восьмой элемент обладает такими важными для промышленности качествами, как ковкость и тягучесть - он отлично прокатывается в листы и протягивается в проволоку, без особых проблем поддается полировке. При нагреве выше 80 °C кадмий теряет свою упругость, причем настолько, что его легко можно истолочь в порошок. Твердость кадмия по Моосу равна двум, по Бринеллю (для отожженного образца) 200-275 МПа. Предел прочности при растяжении 64 Мн/м2 или 6,4 кгс/мм2, относительное удлинение 50 % (при температуре 20 °C), предел текучести 9,8 МПа.

Кадмий имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку с периодами: а = 0,296 нм, с = 0,563 нм, отношение с/а = 1,882, z = 2, энергия кристаллической решетки 116 мкДж/кмоль. Пространственная группа С6/mmm, атомный радиус 0,156 нм, ионный радиус Cd2+ 0,099 нм, атомный объем 13,01∙10-6 м3/моль. Пруток из чистого кадмия при изгибании издает слабый треск подобно олову («оловянный крик») - это трутся друг о друга микрокристаллы металла, однако любые примеси в металле уничтожают этот эффект. Вообще по своим физическим, химическим и фармакологическим свойствам кадмий принадлежит к группе тяжелых металлов, имея более всего сходства с цинком и ртутью.

Температура плавления сорок восьмого элемента (321,1 °С) довольно низка и может быть сравнима с температурами плавления свинца (327,4 °С) или таллия (303,6 °С). Однако она отличается от температур плавления схожих по ряду свойств металлов - ниже, чем у цинка (419,5 °С), но выше, чем у олова (231,9 °С). Температура кипения кадмия тоже невысока - всего 770 °С, что довольно интересно - у свинца, как и у большинства других металлов разница между температурами плавления и кипения большая. Так у свинца температура кипения (1 745 °С) больше температуры плавления в 5 раз, а у олова, температура кипения которого 2 620 °С, в 11 раз больше температуры плавления! В тоже время, сходный с кадмием цинк имеет при температуре плавления в 419,5° С температуру кипения всего 960 °С. Коэффициент термического расширения для кадмия равен 29,8 10-6 (при температуре 25 °C). Ниже 0,519 К кадмий становится сверхпроводником. Теплопроводность сорок восьмого элемента при 0 °C составляет 97,55 вт/(м К) или 0,233 кал/(см сек °С). Удельная теплоемкость кадмия (при температуре 25 °C) равна 225,02 дж/(кг К) или 0,055 кал/(г °С). Температурный коэффициент электросопротивления сорок восьмого элемента в температурном интервале от 0 °С до 100 °С равен 4,3 10-3, удельное электросопротивление сорок восьмого элемента (при температуре 20 °C) составляет 7,4 10-8 ом м (7,4 10-6 ом см). Кадмий диамагнитен, его магнитная восприимчивость -0,176,10-9 (при температуре 20 °С). Стандартный электродный потенциал -0,403 В. Электроотрицательность кадмия 1,7. Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 2450- 2900-10 ~ 28 м2. Работа выхода электронов = 4,1 эВ.

Плотность (при комнатной температуре) сорок восьмого элемента 8,65 г/см3, что позволяет отнести кадмий к тяжелым металлам. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. И хотя кадмий легче свинца (плотность 11,34 г/см3) или ртути (13,546 г/см3), но тяжелее олова (7,31 г/см3).

Химические свойства

В химических соединениях кадмий всегда проявляет валентность 2 (конфигурация внешнего электронного слоя 5s2) - дело в том, что у атомов элементов побочной подгруппы второй группы (цинк, кадмий, ртуть), как и у атомов элементов подгруппы меди, d-подуровень второго снаружи электронного слоя целиком заполнен. Однако у элементов подгруппы цинка этот подуровень уже вполне стабилен и удаление из него электронов требует очень большой затраты энергии. Другой характерной особенностью элементов подгруппы цинка, сближающей их с элементами подгруппы меди, является их склонность к комплексообразованию.

Как уже говорилось сорок восьмой элемент расположен в одной группе периодической системы с цинком и ртутью, занимая промежуточное место между ними, по этой причине ряд химических свойств всех этих элементов сходен. Например, оксиды и сульфиды данных металлов практически нерастворимы в воде.

В сухом воздухе кадмий устойчив, но во влажном на поверхности металла медленно образуется тонкая пленка оксида CdO, предохраняющая металл от дальнейшего окисления. При сильном накаливании кадмий сгорает, также превращаясь в оксид кадмия - кристаллический порошок от светло-коричневого до темно-бурого цвета (различие в цветовой гамме частично обусловлено размером частиц, но в большей степени является результатом дефектов кристаллической решетки), плотность CdO 8,15 г/см3; выше 900 °С оксид кадмия летуч, а при 1 570 °С полностью возгоняется. Пары кадмия реагируют с парами воды с выделением водорода.

Кислоты взаимодействуют с кадмием с образованием солей этого металла. Азотная кислота HNO3 легко растворяет сорок восьмой элемент, при этом выделяется оксид азота и образуется нитрат, который дает гидрат Cd(NO3)2 4H2O. Из других кислот - соляной и разбавленной серной - кадмий медленно вытесняет водород, объясняется это тем, что в ряду напряжений сорок восьмой элемент стоит дальше цинка, но впереди водорода. С растворами щелочей, в отличие от цинка, кадмий не взаимодействует. Кадмий восстанавливает нитрат аммония NH4NO3 в концентрированных растворах до нитрита аммония NH4NO2. Выше температуры плавления кадмий непосредственно соединяется с галогенами, образуя бесцветные соединения - кадмия галогениды. CdCl2, CdBr2 и CdI2 очень легко растворяются в воде (53,2 % по массе при 20 °С), гораздо труднее растворим фторид кадмия CdF2 (4,06 % по массе при 20 °С), который совершенно не растворим в этаноле. Его можно получить действием фтора на металл или фтороводорода на карбонат кадмия. Хлорид кадмия получают при взаимодействии кадмия с концентрированной соляной кислотой или хлорированием металла при 500 °С. Бромид кадмия получают бромированием металла или действием бромоводорода на карбонат кадмия. При нагревании кадмий взаимодействует с серой, образуя сульфид CdS (от лимонно-желтого до оранжево-красного цвета), нерастворимый в воде и разбавленных кислотах. При сплавлении кадмия с фосфором и мышьяком образуются соответственно фосфиды и арсениды составов Cd3P2 и CdAs2, с сурьмой - кадмия антимонид. С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором кадмий не реагирует. Косвенными путями получены легко разлагающиеся при нагревании гидрид CdH2 и нитрид Cd3N2.

Растворы солей кадмия имеют кислую реакцию вследствие гидролиза, едкие щелочи осаждают из них белый гидрооксид Cd(OH)2. При действии очень концентрированных растворов щелочей он превращается в гидроксокадматы, такие, как Na2. Гидроксид кадмия реагирует с аммиаком с образованием растворимых комплексов:

Cd(OH)2 + 6NH3 H2O → (OH)2 + 6H2O

Кроме того, Cd(OH)2 переходит в раствор под действием цианидов щелочных элементов. Выше 170 °С он разлагается до CdO. Взаимодействие гидроксида кадмия с пероксидом водорода в водном растворе приводит к образованию пероксидов разнообразного состава.

КАДМИЙ (Cadmium, Cd ) - химический элемент второй группы периодической системы Д. И. Менделеева. Специфическое физиол, значение не установлено, но известно его влияние на обмен цинка, меди и железа и токсическое действие на организм человека. К. применяется в промышленности для защиты поверхности стальных изделий от коррозии в условиях их соприкосновения с морской водой или другой агрессивной средой. Сплавы К. с другими металлами легко подвергаются механической обработке, поэтому они широко используются в технике. Некоторые соединения К. очень ядовиты и представляют значительную профвредность.

Порядковый номер К. 48, атомный вес 112,41. Известно 8 стабильных изотопов К. с массовыми числами 106, 108, 110, 111, 112, ИЗ, 114, 116 и несколько радиоактивных изотопов. К. был открыт как примесь к окиси цинка нем. химиком Штромейером (F. Strohmeyer) в 1817 г. В природе известны кадмийсодержащие минералы гринокит (CdS) и карбонат К., находящиеся в цинковых рудах.

К. обладает выраженными щелочными свойствами, растворяется в азотной, слабее - в серной и соляной к-тах, образуя соответствующие соли (бесцветные кристаллические вещества), легко образующие комплексные соединения.

К.- серебристо-белый металл, ковкий и тягучий, уд. вес 8,65 г/см 3 (при t° 20°), t° пл 320,9°, t° кип 767°, удельная электропроводность 13,2 10 4 ом -1 см -1 . По хим. свойствам К. подобен цинку. В соединениях двухвалентен; при повышенной влажности на воздухе покрывается пленкой окисла. При нагревании в токе воздуха К. окрашивает пламя в красный цвет, горит с образованием бурой окиси К. (CdO), нерастворимой в воде, но растворяющейся в к-тах. Вулканические породы содержат 0,2 мг К. на 1 кг, осадочные породы - глины 0,3 мг/кг, песчаники - 0,03 мг/кг, известняки - 0,035 лег К. на 1 кг. Почвы, образующиеся на кристаллических породах, обычно богаче К. В среднем в почвах содержится 0,06 мг К. на 1 кг. В пресных водах содержится ок. 0,08 мг К. на 1 л, в морских - 0,00011 мг на 1 л. В воздухе также находят К., особенно много его в воздухе городов - до 0,062 мг/м3. Наземные растения богаче К., чем морские,- 0,6 мг/кг по сравнению с 0,4 мг/кг; грибы (концентраторы К.) содержат до 4 К. на 1 кг. Наземные животные организмы более однородны по содержанию К. (в среднем ок. 0,5 мг/кг), чем морские (0,15-3 мг/кг). Способностью концентрировать К. обладают моллюски - устрицы, иногда рыбы.

Важным звеном в биогенных циклах хим. элементов в биосфере являются корма и пищевые продукты, которые определяют поступление К. в организм животных и человека (табл. 1).

В организме человека весом 70 кг содержится ок. 0,03 г К. Распределение К. по органам и тканям человека показано в таблице 2.

Всасывание К. происходит в тонком отделе кишечника (особенно в двенадцатиперстной и подвздошной кишке); он легко адсорбируется легкими. К. депонируется в печени и почках. У человека К. выделяется с мочой 20% от принятого количества при нормальной нагрузке и с калом - ок. 80%.

При введении в организм избыточных количеств кадмия нарушается обмен фосфора, кальция, железа, меди, угнетается синтез гемоглобина (гипохромная микроцитарная анемия), резко снижаются запасы меди в печени и других органах. Повышенное потребление К. при недостатке в рационе меди приводит к гибели животных. Введение в организм К. в последние сроки беременности может стать причиной токсикоза беременности. К. влияет на воспроизводительную функцию, вызывая дегенерацию семенников и бесплодие самцов. Введение К. в рацион кур-несушек прекращает яйценоскость. Медь и цинк нивелируют или задерживают токсическое действие К. Между К. и цинком во многих случаях наблюдается антагонизм.

Металлоферменты, содержащие К., не известны, но установлена возможность образования in vitro комплексов К. с нек-рыми ферментами (напр., с карбоксипептидазой).

Ингибирующее действие К. на активность ряда ферментов объясняется его связыванием с активными центрами ферментов, вероятно с их сульфгидрильными (SH-) группами.

К. значительно усиливает и удлиняет гипергликемическое действие адреналина.

Для определения содержания К. в ткани или биол, жидкости (кровь, моча, навеска любой ткани) пробу сжигают в тугоплавкой колбе с серной или азотной к-той. Для качественного и количественного определения К. используют реактив кадион, щелочной р-р к-рого при наличии К. окрашивается в оранжево-красный цвет; с этой целью используют также дитизон и дифенилкарбазид. Количество К. определяют по величине поглощения в ультрафиолетовом свете.

Профессиональные вредности

Большое практическое значение имеют проблемы токсикологии К. Их значение определяется ростом его промышленного получения и использования. К. и его соединения могут поступать в воздух производственных помещений при производстве щелочных аккумуляторов, люминофоров, электроконтактов; при использовании К. и его соединений в качестве краски для стекла, фарфора и пластмасс, стабилизаторов для поливинилхлорида, при нанесении антикоррозионных и декоративных покрытий, при сварке металлов, содержащих К. Особенно неблагоприятны с точки зрения профессиональной вредности термические процессы при получении К. и его сплавов, при которых в воздух попадает окись К., а также сушка, измельчение и расфасовка готовой продукции.

Все соединения К. токсичны. Особенно высокотоксичны окись К. (CdO) и соли К. (сернокислая, хлористая, азотнокислая); умеренно токсичны - металлический К. в виде аэрозоля, органические соединения К. (стеарат, каприлат, лаурат, салицилат); плохо растворимые соединения К.- сернистый К. и сульфоселенид К. малотоксичны. К. обладает выраженными кумулятивными свойствами, накапливаясь в основном в печени и почках. Он медленно выводится из организма, дефицит кальция в организме увеличивает задержку К. Затравка аэрозолем окиси К. экспериментальных животных в концентрации 1,8-2 мг/м 3 в течение 1-2 час. в день через месяц приводит к нарушениям в обмене белка, липидов, витаминов (С и B 1), нарушению условных рефлексов. Соли К. обладают прижигающим действием на кожу и слизистые оболочки.

Предельно допустимые концентрации: окиси К. и стеарата К. 0,1 мг/м 3 (по К.).

Определение кадмия в воздухе производится полярографическим, фотометрическим методом с дитизоном, турбидиметрическим методом с трифенилтетразолийхлоридом, колориметрическим методом с бромбензтиазониевым красителем.

При отравлениях К. или его соединениями при аутопсии наблюдают резкое вздутие желудка и кишечника, полнокровие и кровоизлияния во внутренних органах, дистрофические изменения в печени и почках, некротические изменения в яичках, десквамацию эпителия желудка.

Клиническая картина острой интоксикации кадмием характеризуется нарушениями со стороны жел.-киш. тракта (боли в животе, кровавая рвота и понос) и органов дыхания (трахеит, бронхит, бронхиолит с приступами болезненного судорожного кашля с мокротой), появляется резкая слабость, головная боль. В тяжелых случаях развивается бронхопневмония и отек легких. Основными симптомами хрон, интоксикации К. и его соединениями являются желтая кайма на зубах, аносмия, катар верхних дыхательных путей, гипохромная анемия, ускоренная РОЭ, нарушения обмена кальция, протеинурия, нарушение аппетита, похудание. При выраженных формах интоксикации поражаются печень и почки, наблюдаются изменения в структуре костной ткани, пневмосклероз, неврастенический синдром.

Первая помощь и лечение

При остром отравлении соединениями К. пострадавшего необходимо немедленно перенести на свежий воздух и обеспечить ему максимальный покой. Необходимо предотвратить переохлаждение. При раздражении дыхательных путей - тепловлажные ингаляции 2% р-ром питьевой соды, питье теплого молока с содой или щелочной минеральной водой. При упорном кашле - кодеин, дионин, горчичники на грудную клетку; для профилактики пневмонии - сульфаниламиды, антибиотики. При начинающемся отеке легких - кислородная терапия, внутривенное введение хлорида кальция (по 10-20 мл 10% р-ра), 40% р-ра глюкозы (20 мл) с аскорбиновой к-той (500 мг), бессолевая диета, сердечные средства. Специфическое лечение отравлений К.- использование комплексонобразующих препаратов, связывающих К. (ЭДТА и др.).

Индивидуальные защитные приспособления

Для защиты от пыли К. используют респираторы или фильтрующие промышленные противогазы с дополнительными фильтрами при работе с аэрозолями (дымами) К., резиновые перчатки и передники.

Меры предупреждения

Оздоровление условий труда в тех производствах, где используются и образуется в технологическом процессе соединения К., может быть достигнуто усовершенствованием технологического процесса, использованием современных герметичных конструкций, оборудования, эффективной вентиляции, гидрообеспыливания, применением средств индивидуальной защиты. Необходимо профилактически принимать витамин D.

Кадмий в судебно-медицинском отношении

При отравлении соединениями К. экспертное значение имеют следующие клин, симптомы: резкие боли в области живота, тошнота, рвота, иногда кровавая, понос, появление эритроцитов и белка в моче, увеличение печени.

При вскрытии трупа отмечаются следующие изменения: жировая дистрофия печени и почек, отек и полнокровие легких. Могут быть обнаружены кровоизлияния в легкие (частичный ателектаз). При тяжелых отравлениях соединениями К. описаны жировая инфильтрация поджелудочной железы, полнокровие селезенки.

Суд.-хим. определение К. производится в различных органах и костях трупа человека дробным методом после окисления органического субстрата в смеси концентрированных серной и азотной к-т или в хлорной к-те в присутствий серной и азотной к-т. Определенный объем минерализата, освобожденного от окислителей, экстрагируют в присутствии диэтилдитиокарбамата натрия хлороформом, затем реэкстрагируют 1 н. р-ром соляной к-ты.

При суд.-хим. определениях К. предварительно связывают медь, почти всегда сопровождающую К. Для этого к исследуемой жидкости добавляют избыток цианистого калия, переводящего медь в комплексное соединение, и р-р насыщают сероводородом или обрабатывают сульфидом натрия. При наличии К. образуется желтый осадок - CdS.

Обнаружение К. производится при помощи макро- и микрометодов.

Макрометод позволяет обнаруживать К. при его содержании 4 мг в 100 г органа.

С насыщенным р-ром бруцина в присутствии бромида калия в р-ре, содержащем К., образуются бесцветные призматические кристаллы, собранные в сфероиды. При действии бромида калия в присутствии пиридина образуются кристаллы в виде сфероидов.

Количественное определение К. производится при помощи комплексона III в присутствии хромогена черного EТ-00 или эриохрома синего.

В печени и почках К. может быть определен в количестве от 0,64 до 6,68 мг и от 1,32 до 8,48 мг в 100 г ткани соответственно. Естественно содержащееся количество К. в организме человека должно учитываться при суд.-мед. оценке результатов определения К. в органах человека.

Таблица 1. СОДЕРЖАНИЕ КАДМИЯ В НЕКОТОРЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ (по Геннигу, 1976)

Таблица 2 СОДЕРЖАНИЕ КАДМИЯ В ОРГАНАХ И ТКАНЯХ ЧЕЛОВЕКА (в мкг на 1 г веса ткани)

Ткань, орган
Тонкая кишка
Поджелудочная железа
Щитовидная железа
Предстательная железа
Селезенка
Грудная мышца
Тощая кишка
Двенадцатиперстная кишка
Диафрагма
Ободочная, слепая, прямая кишка
кочевой пузырь

Библиография Воробьева Р. С. и Шабалина Л. П. Экспериментальное исследование токсических свойств различных соединений кадмия, Гиг. и сан., № 2, с. 102, 1975; Радиационная защита, пер. с англ., под ред. М. А. Смирнова, с. 171, М., 1961; Тарасенко Н. Ю. и Воробьева Р. С. Гигиенические проблемы при использовании кадмия, Вестн. АМН СССР, № 10, с. 37, 1973; Тарасенко Н. Ю. и др. Кадмий во внешней среде и его влияние на обмен кальция, Гиг. и сан., № 9, с. 22, 1975, библиогр.; Токсикология редких металлов, под ред. 3. И. Израэльсона, с. 135, М., 1963; X e н н и г А. Минеральные вещества, витамины, биостимуляторы в кормлении сельскохозяйственных животных, пер. с нем., с. 197, М., 1976; Швайкова М. Д. Токсикологическая химия, с. 337, М., 1975; AnkeM. а. о. Cadmium and its influence on plants, animals and man, в кн.: Trace substances in environm, health, ed. by D. D. Hemphill, v. 10, p. 105, Univ. Missouri, Columb., 1976; F r i-b e rgL. a. o. Cadmium in the environment, Cleveland, 1974; Malcolm D. Potential carcinogenic effect of cadmium in animals and men, Ann. Occup. Hyg., v. 15, p. 33, 1972, bibliogr.; Nordberg G. F. Cadmium metabolism and toxicity, Stockholm, 1972, bibliogr.; U n d e r w o o d E. J. Trace elements in human and animal nutrition, p . 243, N. Y., 1977.

В. В. Ковальский; P. С. Воробьева (гиг.), А. Ф. Рубцов (суд.).

Осенью 1817г. при проверке некоторых аптек округа Магдебург в Германии был обнаружен оксид цинка, содержавший какую-то примесь. Окружной врач Р. Ролов заподозрил присутствие в нем мышьяка и запретил продажу препарата. Владелец фабрики, выпускавшей оксид цинка, К. Германн не согласился с таким решением и приступил к исследованию злополучного продукта. В результате своих экспериментов он заключил, что вырабатываемый его фабрикой оксид цинка содержит примесь какого-то неизвестного металла. Полученные данные К. Германн опубликовал в апреле 1818 г. в статье «О силезском оксиде цинка и о найденном в нем вероятно еще неизвестном металле». Одновременно было опубликовано благоприятное заключение Ф. Штромейера, который подтвердил выводы Германна и предложил назвать новый металл кадмием.

Ф. Штромейер, который был генеральным инспектором аптек провинции Ганновер, поместил в другом журнале обстоятельную статью о новом металле. Статья, датированная 26 апреля 1818 г., опубликована в выпуске, на обложке которого проставлен 1817 г. Видимо, это обстоятельство в сочетании с тем, что Штромейер (с согласия Германна) дал наименование открытому металлу, и привело к ошибкам в определении как даты, так и автора открытия.

Физические свойства.

Кадмий ‑ серебристо-белый , отливающий синевой металл , тускнеющий на воздухе из-за образования защитной пленки оксида. Температура плавления – 321°C, температура кипения - 770 °С. Палочка чистого кадмия при сгибании хрустит подобно олову, но любые примеси в металле уничтожают этот эффект. Кадмий тверже олова, но мягче чинка – его можно резать ножом. При нагревании выше 80°C кадмий теряет упругость до такой степени, что его можно истолочь в порошок.

Кадмий образует сплавы и соединения со многими металлами, хорошо растворяется в ртути.

Общая химическая характеристика кадмия.

При нагревании окисление становится интенсивнее и возможно воспламенение металла. Порошкообразный кадмий легко загорается на воздухе ярким красным пламенем, образуя оксид.

Если энергично смешивать с водой порошкообразный кадмий, то наблюдается выделение водорода и можно обнаружить присутствие пероксида водорода.

Разбавленные соляная и серная кислоты при нагревании постепеннореагируют с кадмием, выделяя водород. Сухой хлороводород взаимодействует с кадмием при температуре 440 °С. Сухой сернистый газ также реагирует с металлом, при этом образуется сульфид кадмия CdS и отчасти его сульфат CdSO 4 . Азотная кислота, взаимодействуя с кадмием в условиях обычных выделяет аммиак, а при нагревании - оксиды азота.

Кадмий, в отличии от цинка, не растворим в едких щелочах , но также растворяется в гидроксиде аммония. При взаимодействии кадмия с раствором нитрата аммония образуются нитраты.

Алюминий, цинк и железо вытесняют кадмий из растворов его соединений. Сам он осаждает из растворов медь и другие более электроположительные элементы. При нагревании кадмий непосредственно соединяется с фосфором, серой, селеном, теллуром и галогенами, однако получить его гидрид и нитрид прямым взаимодействием с водородом и азотом не удается.

Важнейшие соединения кадмия.

Оксид кадмия CdO можно получить сжиганием металла на воздухе или в кислороде, обжигом его сульфида или термическим разложением некоторых соединений. Это порошок разного цвета, в зависимости от температуры, при которой он получен: зеленовато-желтый (350-370 °С.), густого темно-синего (800 °С.), коричневого, черного.

Гидроксид кадмия Cd ( OH ) 2 в виде белого студенистого осадка выделяется из растворов его солей при действии щелочей.

Сульфид кадмия CdS – одно из важнейших соединений кадмия. В зависимости от физико-химических условий получения он может быть от лимонно-желтого до красного цвета.

Галогениты кадмия достаточно легко получают прямым взаимодействием элементов, а также растворением кадмия, его оксида или карбоната в соответствующих кислотах. Все образующие соли – бесцветные кристаллические вещества.

Карбонат кадмия CdC О 3 в виде белого аморфного осадка выпадает из растворов кадмия при добавлении к ним щелочных карбонатов.

Сырьевые источники кадмия. Получение кадмия.

Кадмий является рассеянным элементом, т.е. он почти не образует собственных минералов, а месторождения таких минералов не известны совсем. Кадмий присутствует в рудах других металлов в концентрациях, составляющих сотые и тысячные доли процента. Некоторые руды, содержащие 1-1,5% кадмия, считаются чрезвычайно богатыми этим металлом.

Единственный минерал кадмия, представляющий некоторый интерес, - его природный сульфид – гринокит, или кадмиевая обманка. При разработке месторождений цинковых руд гринокит добывается вместе с фаеритом и попадает на цинковые заводы. В ходе переработки кадмий концентрируется в некоторых полупродуктах процесса, из которых затем его и извлекают.

Таким образом, реальным сырьем для получения кадмия являются кеки цинкоэлектролитных заводов, свинцовых и медеплавильных заводов.

Впервые производство было организовано в Верхней Силезии в 1829 г.

В настоящее время в мире производится свыше 10000 т кадмия в год.

Применение кадмия.

Основная часть промышленного потребления кадмия приходится на кадмиевые защитные покрытия , предохраняющие металлы от коррозии. Эти покрытия имеют значительное преимущество перед никелевыми, цинковыми или оловянными, т.к. не отслаиваются от деталей при деформации.

Кадмиевые покрытия в некоторых случаях превосходят все остальные: 1) при защите от морской воды, 2) для деталей, работающих в закрытых помещениях с высокой влажностью, 3) для защиты электроконтактов.

Вторая область применения кадмия – производство сплавов . Сплавы кадмия серебристо-белые, пластичные, хорошо поддаются механической обработке. Сплавы кадмия с небольшими добавками никеля, меди и серебра используют для изготовления подшипников мощных судовых, авиационных и автомобильных двигателей.

Провод из меди с добавлением всего 1% кадмия в два раза прочнее, при этом его электропроводность снижается незначительно.

Медно-кадмиевый сплав с добавкой циркония обладает еще большой прочностью и используется для линий высоковольтных передач.

Чистый кадмий, благодаря замечательному свойству – высокому сечению захвата тепловых нейтронов, используется для изготовления регулирующих и аварийных стержней ядерных реакторов на медленных нейтронах.

В ювелирном деле используют сплавы золота с кадмием. Изменяя соотношение компонентов получают различные цветовые оттенки.

Никелево-кадмиевые аккумуляторы , даже полностью разряженные не приходят в полную негодность.

Амальгама кадмия используется в стоматологии для изготовления пломб.

Биологические свойства кадмия.

Кадмиевые покрытия, недопустимы, когда они должны контактировать с пищевыми продуктами. Сам металл нетоксичен, зато чрезвычайно ядовиты растворимые соединения кадмия. Причем опасен любой путь их попадания в организм и в любом состоянии (раствор, пыль, дым, туман). По токсичности кадмий не уступает ртути и мышьяку. Соединения кадмия угнетающе действуют на нервную систему, поражают дыхательные пути и вызывают изменения внутренних органов.

Большие концентрации кадмия могут привести к острому отравлению: минутное пребывание в помещении, содержащим 2500 мг/м 3 его соединений, приводит к смерти. При остром отравлении симптомы поражения развиваются не сразу, а после некоторого скрытого периода, который может продолжаться от 1-2 до 30-40 ч.

Несмотря на токсичность, доказано, что кадмий микроэлемент, жизненно необходимый для развития живых организмов. Функции его пока неясны. Подкормка растений благоприятно сказывается на их развитии.

Что такое кадмий? Это тяжелый металл, который получается в результате выплавки других металлов, таких как цинк, медь или свинец. Его широко используют для изготовления никель-кадмиевых аккумуляторов. Кроме того, сигаретный дым также содержит такой элемент. В результате непрерывного воздействия кадмия возникают очень тяжелые заболевания легких и почек. Рассмотрим особенности этого металла более подробно.

Сфера применения кадмия

Большая часть промышленного использования этого металла приходится на защитные покрытия, которые предохраняют металлы от коррозии. Такое покрытие имеет большое преимущество перед цинковыми, никелевыми или оловянными, потому что при деформации оно не отслаивается.

Какое еще может быть применение кадмия? Он используется для производства сплавов, которые замечательно поддаются механической обработке. Сплавы кадмия с незначительными добавками меди, никеля и серебра применяют для изготовления подшипников автомобильных, авиационных и судовых двигателей.

Где еще используется кадмий?

Сварщики, металлурги и работники, связанные с текстильной, электронной промышленностью и производством аккумуляторов, чаще других подвергаются риску отравлением кадмием. Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются в мобильных телефонах и прочих электронных устройствах. Используется этот металл также в производстве пластика, красок, металлических покрытий. Многие почвы, которые регулярно удобряют, также могут содержать такой токсичный металл в большом количестве.

кадмий: свойства

Кадмий, а также его соединения характеризуются как но не было доказано, что небольшое количество элемента в окружающей среде вызывает раковые заболевания. Вдыхание частиц металла на промышленном производстве действительно способствует развитию рака легких, но при употреблении зараженной пищи они не представляют опасности развития рака.

Каким образом кадмий попадает в организм человека?

Уже давно всем известно, что сигаретный дым содержит кадмий. Этот тяжелый металл поступает в организм курильщика в количестве, в два раза большем, чем в организм человека, который не подвержен такой вредной привычке. Однако пассивное курение способно нанести вред.

Листовые овощи, злаки и картофель, выращенные на почве, содержащей большое количество кадмия, могут нести в себе угрозу. Повышенным содержанием этого металла также славится печень и почки морских обитателей и животных.

Многие промышленные предприятия, особенно металлургические, выделяют в атмосферу большое количество кадмия. Люди, проживающие около таких предприятий, автоматически заносятся в группу риска.

Некоторые сельскохозяйственные районы активно применяют фосфатные удобрения, которые содержат незначительное количество кадмия. Продукты, выращенные на этой земле, представляют для человека потенциальную угрозу.

Воздействие кадмия на организм человека

Таким образом, мы разобрали, что представляет собой кадмий. Влияние на организм человека этого тяжелого металла может вызвать негативные последствия. В любом живом организме он находится в незначительном количестве, и его биологическая роль до сих пор до конца не выяснена. Обычно кадмий ассоциируется с негативной функцией.

Его токсичное воздействие основано на блокировке серосодержащих аминокислот, что приводит к нарушению белкового обмена и поражению ядра клетки. Этот тяжелый металл способствует выводу кальция из костей и поражает нервную систему. Может накапливаться в почках и печени, а выводится из организма он очень медленно. Этот процесс может занимать десятилетия. Обычно кадмий выводится с мочой и калом.

Вдыхание кадмия

Этот элемент попадает в организм работников промышленности при вдыхании. Чтобы не допустить этого, используют эффективные защитные средства. Пренебрежение этим правилом приводит к печальным последствиям. Если вдохнуть кадмий, влияние на организм человека такого металла проявляется следующим образом: повышается температура тела, появляется озноб и боли в мышцах.

Через некоторое время происходит повреждение легких, возникает боль в груди, одышка, кашель. В тяжелых случаях такое состояние вызывает смерть больного. Вдыхание воздуха, содержащего кадмий, способствует развитию заболеваний почек и остеопороза. Вероятность рака легких повышается в несколько раз.

Поступление кадмия вместе с пищей

Чем опасен кадмий в воде и пище? При регулярном употреблении зараженных продуктов и воды в организме начинает накапливаться этот металл, что приводит к негативным последствиям: нарушается работа почек, происходит ослабление костной ткани, поражается печень, сердце, а в тяжелых случаях наступает смерть.

Употребление продуктов, загрязненных кадмием, может спровоцировать раздражение желудка, тошноту, боль в животе, диарею и рвоту. Кроме этого, появляются симптомы, напоминающие грипп, развивается отек гортани и возникает покалывание в руках.

Причины отравления кадмием

Отравление тяжелыми металлами чаще всего происходит у детей, диабетиков, беременных и кормящих женщин, людей, злоупотребляющих курением. В Японии интоксикация организма кадмием происходит в результате употребления загрязненного риса. В этом случае развивается апатия, поражаются почки, кости размягчаются и деформируются.

Промышленно развитые районы, в которых располагаются нефтеперерабатывающие и металлургические предприятия, славятся тем, что там почва загрязнена кадмием. Если в таких местах выращивают растительную продукцию, то велика вероятность того, что произойдет отравление тяжелыми металлами.

Элемент в больших количествах может накапливаться в табаке. Если сырье высушивается, то содержание металла резко увеличивается. Поступление в организм кадмия происходит как при активном, так и при Возникновение рака легких напрямую зависит от содержания в дыме металла.

Лечение при отравлении

Кадмием:

• поражение центральной нервной системы;
• острые боли в костях;
• белок в моче;
• камни в почках;
• дисфункция половых органов.

Если произошло острое отравление, пострадавшему следует находиться в тепле, ему необходимо обеспечить приток свежего воздуха и покой. После промывания желудка ему нужно дать теплое молоко, в которое добавляют немного пищевой соды. Не существует каких-либо антидотов кадмия. Чтобы нейтрализовать металл, используют "Унитиол", стероиды и мочегонные препараты. Комплексное лечение предусматривает применение антагонистов кадмия (цинк, железо, селен, витамины). Врач может назначить общеукрепляющую диету, содержащую большое количество клетчатки и пектиновых веществ.

Возможные последствия

Такой металл, как кадмий, влияние на организм человека оказывает очень серьезное, а если произошло отравление этим элементом, то последствия могут быть опасными. Он вытесняет кальций из костей, способствуя развитию остеопороза. У взрослых и детей начинает искривляться позвоночник и происходит деформация костей. В детском возрасте подобное отравление приводит к энцефалопатии и нейропатии.

Вывод

Таким образом, мы разобрали, что представляет собой такой тяжелый металл, как кадмий. Влияние на организм человека этого элемента довольно серьезное. Постепенно накапливаясь в организме, он приводит к разрушению многих органов. Можно даже отравиться кадмием, если употреблять в большом количестве зараженные продукты. Последствия отравления также достаточно опасные.

---