Jesienią 1817 r Podczas kontroli niektórych aptek w powiecie magdeburskim w Niemczech odkryto tlenek cynku zawierający pewnego rodzaju zanieczyszczenia. Lekarz okręgowy R. Rołow podejrzewał w nim obecność arsenu i zakazał sprzedaży leku. Właściciel fabryki tlenku cynku K. Hermanna nie zgodził się z tą decyzją i rozpoczął badania nad niefortunnym produktem. W wyniku swoich eksperymentów doszedł do wniosku, że tlenek cynku wytwarzany w jego fabryce zawiera domieszkę jakiegoś nieznanego metalu. Dane uzyskane w kwietniu 1818 r. opublikował K. Hermann w artykule „O śląskim tlenku cynku i znalezionym w nim prawdopodobnie nieznanym jeszcze metalu”. Jednocześnie pozytywną konkluzję opublikował F. Strohmeier, który potwierdził wnioski Hermanna i zaproponował nazwanie nowego metalu kadmem.

F. Strohmeyer, który był generalnym inspektorem aptek prowincji Hanower, opublikował w innym czasopiśmie szczegółowy artykuł na temat nowego metalu. Artykuł z datą 26 kwietnia 1818 ukazał się w numerze z numerem 1817 na okładce. Najwyraźniej okoliczność ta w połączeniu z faktem, że Strohmeyer (za zgodą Hermanna) nadał nazwę odkrytemu metalowi, doprowadziła do błędów w określeniu zarówno data i autor odkrycia.

Właściwości fizyczne.

Kadm - srebrno-biały, połyskujący błękit metal, który blaknie w powietrzu w wyniku tworzenia ochronnej warstwy tlenkowej. Temperatura topnienia – 321°C, temperatura wrzenia – 770°C. Pałeczka czystego kadmu przy zginaniu chrzęści jak cyna, ale wszelkie zanieczyszczenia w metalu niszczą ten efekt. Kadm jest twardszy niż cyna, ale bardziej miękki niż cyna - można go ciąć nożem. Kadm po podgrzaniu powyżej 80°C traci swoją elastyczność do tego stopnia, że ​​można go rozdrobnić na proszek.

Kadm tworzy stopy i związki z wieloma metalami i jest dobrze rozpuszczalny w rtęci.

Ogólny charakterystyka chemiczna kadm

Po podgrzaniu utlenianie staje się bardziej intensywne, a metal może się zapalić. Sproszkowany kadm łatwo zapala się w powietrzu jasnym czerwonym płomieniem, tworząc tlenek.

Jeśli sproszkowany kadm zostanie energicznie zmieszany z wodą, wydziela się wodór i można wykryć obecność nadtlenku wodoru.

Rozcieńczona sól i Kwas Siarkowy po podgrzaniu stopniowo reagują z kadmem, uwalniając wodór. Suchy chlorowodór reaguje z kadmem w temperaturze 440°C. Suchy dwutlenek siarki również reaguje z metalem, powodując powstanie siarczku kadmu CdS i częściowo jego siarczanu CdSO4. Kwas azotowy wchodząc w normalne warunki z kadmem, uwalnia amoniak, a po podgrzaniu tlenki azotu.

Kadm, w przeciwieństwie do cynku, nierozpuszczalny w żrących zasadach, ale rozpuszcza się także w wodorotlenku amonu. Kiedy kadm reaguje z roztworem azotanu amonu, tworzą się azotany.

Glin, cynk i żelazo wypierają kadm z roztworów jego związków. Sam wytrąca z roztworów miedź i inne pierwiastki bardziej elektrododatnie. Po podgrzaniu kadm łączy się bezpośrednio z fosforem, siarką, selenem, tellurem i halogenami, ale nie jest możliwe otrzymanie jego wodorku i azotku w drodze bezpośredniej interakcji z wodorem i azotem.

Najważniejsze związki kadmu.

Tlenek kadmuCDO można otrzymać poprzez spalenie metalu w powietrzu lub tlenie, prażenie jego siarczku lub rozkład termiczny niektórych związków. Jest to proszek o różnej barwie, w zależności od temperatury, w jakiej jest otrzymywany: zielonkawo-żółty (350-370°C), gęsty ciemnoniebieski (800°C), brązowy, czarny.

Wodorotlenek kadmuPłyta CD(OH) 2 Uwalnia się w postaci białego galaretowatego osadu z roztworów jego soli pod działaniem zasad.

Siarczek kadmuCdS- jeden z najważniejsze połączenia kadm W zależności od fizykochemicznych warunków produkcji może mieć kolor od cytrynowożółtego do czerwonego.

Halogenity Kadm można dość łatwo otrzymać poprzez bezpośrednie oddziaływanie pierwiastków, a także poprzez rozpuszczenie kadmu, jego tlenku lub węglanu w odpowiednich kwasach. Wszystkie sole tworzące są bezbarwne substancje krystaliczne.

Węglan kadmuCDCO 3 Wytrąca się w postaci białego, bezpostaciowego osadu z roztworów kadmu po dodaniu do nich węglanów alkalicznych.

Surowce i źródła kadmu. Produkcja kadmu.

Kadm jest bujający w obłokach element, tj. prawie nie tworzy własnych minerałów, a złoża takich minerałów nie są w ogóle znane. Kadm występuje w rudach innych metali w stężeniach setnych i tysięcznych procenta. Niektóre rudy zawierające 1-1,5% kadmu są uważane za wyjątkowo bogate w ten metal.

Jedynym minerałem kadmu, który budzi zainteresowanie, jest jego naturalny siarczek, greenokit lub mieszanka kadmu. Podczas zagospodarowywania złóż rud cynku, greenockit wydobywa się razem z fireitem i trafia do fabryk cynku. Podczas przetwarzania kadm jest zagęszczany w niektórych produktach pośrednich procesu, z których następnie jest ekstrahowany.

Zatem prawdziwymi surowcami do produkcji kadmu są placki z zakładów cynkowo-elektrolitowych, hut ołowiu i miedzi.

Produkcja została po raz pierwszy zorganizowana na Górnym Śląsku w 1829 roku.

Obecnie na świecie produkuje się ponad 10 000 ton kadmu rocznie.

Zastosowanie kadmu.

Większość kadmu zużywanego w przemyśle pochodzi z kadmu powłoki ochronne, chroniąc metale przed korozją. Powłoki te mają znaczną przewagę nad niklem, cynkiem czy cyną, ponieważ... nie odklejać się od części w przypadku odkształcenia.

Powłoki kadmowe w niektórych przypadkach przewyższają wszystkie inne: 1) w ochronie przed woda morska, 2) do części pracujących w zamkniętych pomieszczeniach o dużej wilgotności, 3) do ochrony styków elektrycznych.

Drugim obszarem zastosowania kadmu jest produkcja stopów. Stopy kadmu są srebrzystobiałe, plastyczne i łatwe w obróbce. Stopy kadmu z niewielkimi dodatkami niklu, miedzi i srebra służą do produkcji łożysk do potężnych silników statków, samolotów i samochodów.

Drut miedziany z dodatkiem zaledwie 1% kadmu jest dwukrotnie mocniejszy, a jego przewodność elektryczna nieznacznie maleje.

Stop miedzi i kadmu z dodatkiem cyrkonu ma jeszcze większą wytrzymałość i jest stosowany w liniach przesyłowych wysokiego napięcia.

Czysty kadm, ze względu na swoją niezwykłą właściwość - duży przekrój wychwytu neutronów termicznych, stosowany jest do produkcji prętów kontrolnych i awaryjnych reaktor nuklearny na wolnych neutronach.

W biżuteria Stosowane są stopy złota i kadmu. Zmieniając proporcje składników, uzyskuje się różne odcienie kolorów.

Niklowo-kadmowy baterie, nawet całkowicie rozładowane nie stają się całkowicie bezużyteczne.

Stosowany jest amalgamat kadmu w stomatologii do robienia nadzienia.

Właściwości biologiczne kadmu.

Powłoki kadmowe są niedopuszczalne, gdy muszą mieć kontakt z żywnością. Sam metal jest nietoksyczny, ale niezwykle trujący rozpuszczalne związki kadmu. Ponadto każda droga ich przedostania się do organizmu i w każdych warunkach (roztwór, kurz, dym, mgła) jest niebezpieczna. Pod względem toksyczności kadm nie jest gorszy od rtęci i arsenu. Związki kadmu działają uspokajająco system nerwowy, wpływają na drogi oddechowe i powodują zmiany w narządach wewnętrznych.

Duże stężenia kadmu mogą prowadzić do ostrego zatrucia: minutowy pobyt w pomieszczeniu zawierającym 2500 mg/m 3 jego związków prowadzi do śmierci. W przypadku ostrego zatrucia objawy uszkodzenia nie pojawiają się natychmiast, ale po pewnym okresie utajonym, który może trwać od 1-2 do 30-40 godzin.

Pomimo swojej toksyczności udowodniono, że kadm jest pierwiastkiem śladowym niezbędnym do rozwoju organizmów żywych. Jego funkcje są nadal niejasne. Dokarmianie roślin korzystnie wpływa na ich rozwój.

W 1968 roku w znanym czasopiśmie „Kadm i serce” ukazał się artykuł. Stwierdzono w nim, że dr Carroll, urzędnik amerykańskiej służby zdrowia, odkrył związek pomiędzy poziomem kadmu w atmosferze a występowaniem zgonów z powodu chorób układu krążenia. Jeżeli, powiedzmy, w mieście A zawartość kadmu w powietrzu jest wyższa niż w mieście B, to chorzy na choroby serca w mieście A umierają wcześniej, niż gdyby mieszkali w mieście B. Carroll doszedł do takiego wniosku po analizie danych dla 28 miast. Swoją drogą w grupie A znalazły się takie ośrodki jak Nowy Jork, Chicago, Filadelfia...
Zatem po raz kolejny oskarżyli element otwarty w butelce farmaceutycznej o zatrucie!

Element z butelki aptecznej

Jest mało prawdopodobne, aby którykolwiek z magdeburskich aptekarzy wypowiedział słynne zdanie burmistrza: „Zapraszałem was, panowie, aby przekazać wam nieprzyjemne wieści”, ale łączyło ich z nim jedno: bali się audytora.
Lekarz okręgowy Rołow miał twardy temperament. Tym samym w 1817 roku nakazał wycofanie ze sprzedaży wszystkich preparatów zawierających tlenek cynku wytwarzanych w fabryce Hermana Schenebeca. Przez wygląd narkotyków, podejrzewał, że tlenek cynku zawiera arsen! (Tlenek cynku jest nadal stosowany w leczeniu chorób skóry; wytwarza się z niego maści, proszki i emulsje.)
Aby udowodnić, że miał rację, rygorystyczny audytor rozpuścił podejrzany tlenek w kwasie i przepuścił siarkowodór przez ten roztwór: utworzył się żółty osad. Siarczki arsenu są po prostu żółte!

Właściciel fabryki zaczął kwestionować decyzję Rolowa. On sam był chemikiem i po osobistej analizie Próbek Produktów nie znalazł w nich arsenu. Wyniki analizy przekazał Rołowowi i jednocześnie władzom stanu Hanower. Władze oczywiście zażądały przesłania próbek do analizy jednemu z renomowanych chemików. Zdecydowano, że sędzią w sporze Rolowa z Hermannem powinien być profesor Friedrich Strohmeyer, który od 1802 roku zajmował wydział chemii na uniwersytecie w Getyndze i stanowisko generalnego inspektora wszystkich hanowerskich aptek.
Strohmeyerowi przysłano nie tylko tlenek cynku, ale także inne preparaty cynku z fabryki Hermana, w tym ZnC0 3, z którego otrzymano ten tlenek. Po kalcynowaniu węglanu cynku Strohmeyer otrzymał tlenek, ale nie biały, jak powinien, ale żółtawy. Właściciel fabryki wyjaśnił zabarwienie jako zanieczyszczenie żelazem, ale Strohmeyer nie był usatysfakcjonowany tym wyjaśnieniem. Po zakupie kolejnych preparatów cynkowych przeprowadził ich pełną analizę bez specjalna praca uwydatnił element powodujący zażółcenie. Z analizy wynika, że ​​nie był to arszenik (jak twierdził Rołow), ale też nie żelazo (jak twierdził Herman).

Fryderyk Strohmeyer (1776-1835)

Był to nowy, nieznany wcześniej metal, bardzo podobny pod względem chemicznym do cynku. Jedynie jego wodorotlenek, w odróżnieniu od Zn(OH)2, nie był amfoteryczny, lecz miał wyraźne właściwości zasadowe.
Nowy pierwiastek w swojej wolnej postaci był białym metalem, miękkim i niezbyt mocnym, pokrytym z wierzchu brązowawą warstwą tlenku. Strohmeier nazwał ten metal kadmem, co wyraźnie wskazywało na jego „cynkowe” pochodzenie: greckie słowo było od dawna używane do określenia rud cynku i tlenku cynku.
W 1818 roku Strohmeyer opublikował szczegółowe informacje na temat nowego pierwiastka chemicznego i niemal natychmiast zaczęto naruszać jego priorytety. Jako pierwszy odezwał się ten sam Rołow, który wcześniej uważał, że narkotyki z fabryki Hermana zawierają arszenik. Wkrótce po Strohmeyerze inny niemiecki chemik Kersten odkrył w śląskiej rudzie cynku nowy pierwiastek i nazwał go mellin (od łacińskiego mellinus – „żółty jak pigwa”) ze względu na kolor osadu powstałego w wyniku działania siarkowodoru. Ale odkrył to już Strohmeyer kadm. Później zaproponowano dla tego pierwiastka jeszcze dwie nazwy: klaprotium – na cześć słynnego chemika Martina Klaprotha i junonium – na cześć asteroidy Juno odkrytej w 1804 roku. Mimo to nazwa nadana pierwiastkowi przez jego odkrywcę została ustalona. To prawda, że ​​\u200b\u200bw rosyjskiej literaturze chemicznej pierwszy połowa XIX wieku V. kadm był często nazywany kadmem.


Siedem kolorów tęczy

Siarczek kadmu CdS był prawdopodobnie pierwszym związkiem pierwiastka nr 48, którym zainteresował się przemysł. CdS to sześcienne lub sześciokątne kryształy o gęstości 4,8 g/cm 3 . Ich kolor waha się od jasnożółtego do pomarańczowo-czerwonego (w zależności od metody gotowania). Siarczek ten jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie, jest także odporny na działanie roztworów alkalicznych i większości kwasów. Uzyskanie CdS jest całkiem proste: wystarczy przepuścić, jak to zrobili Strohmeyer i Rolov, siarkowodór przez zakwaszony roztwór zawierający jony Cd 2+. Można go również otrzymać w reakcji wymiany pomiędzy rozpuszczalna sól kadm, na przykład CdS04 i dowolny rozpuszczalny siarczek.
CdS jest ważnym barwnikiem mineralnym. Kiedyś nazywano go żółcią kadmową. Tak napisali o żółcieni kadmowej w pierwszej rosyjskiej „Encyklopedii Technicznej”, opublikowanej na początku XX wieku.
„Jasnożółte odcienie, zaczynając od cytrynowożółtego, otrzymuje się z czystych, słabo kwaśnych i obojętnych roztworów siarczanu kadmu, a po wytrąceniu siarczku kadmu roztworem siarczku sodu uzyskuje się ciemniejsze żółte odcienie. Istotną rolę w produkcji żółcieni kadmowej odgrywa obecność w roztworze zanieczyszczeń innymi metalami, np. cynkiem. Jeśli ten ostatni jest obecny razem z kadmem w roztworze, to po wytrąceniu otrzymana farba ma matowo żółty odcień z białawym odcieniem... W ten czy inny sposób można uzyskać żółć kadmową w sześciu odcieniach, od cytrynowożółtego do pomarańczowego ...Tak wykończona farba ma bardzo piękny połysk żółty. Jest dość odporny na słabe zasady i kwasy i jest całkowicie niewrażliwy na siarkowodór; dlatego też miesza się go na sucho z ultramaryną i daje doskonały zielony barwnik, który w handlu nazywany jest zielenią kadmową.
Po zmieszaniu z schnącym olejem działa jak farba olejna w malarstwie; Jest bardzo kryjąca, jednak ze względu na wysoką cenę rynkową wykorzystywana jest głównie w malarstwie jako farba olejna, akwarelowa, a także do druku. Ze względu na dużą odporność ogniową stosowany jest do malowania porcelany.”
Pozostaje tylko dodać, że później żółcień kadmowa zaczęła być szerzej stosowana „w przemyśle malarskim”. Malowano nią zwłaszcza samochody osobowe, między innymi dlatego, że farba ta była odporna na dym lokomotyw. Jako barwnik siarczek kadmu stosowano także w produkcji tekstyliów i mydła.

Ale w ostatnie lata przemysł wykorzystuje coraz mniej czystego siarczku kadmu – jest on nadal drogi. Zastępują go tańsze substancje – kadmopon i litopon cynkowo-kadmowy.
Reakcja powstania kadmoponu jest klasycznym przykładem powstania dwóch osadów jednocześnie, gdy w roztworze praktycznie nie pozostaje nic poza wodą:
CdSO 4 4-BaS (obie sole są rozpuszczalne w wodzie) _*CdS J + BaS04 J .
Kadmopon jest mieszaniną siarczku kadmu i siarczanu baru. Skład ilościowy tej mieszaniny zależy od stężenia roztworów. Łatwo jest zmieniać skład, a co za tym idzie odcień barwnika.
Litopon cynkowo-kadmowy zawiera także siarczek cynku. Podczas wytwarzania tego barwnika wytrącają się jednocześnie trzy sole. Kolor litoponu jest kremowy lub kości słoniowej.
Jak już widzieliśmy, materialne rzeczy można pomalować za pomocą siarczku kadmu w trzech kolorach: pomarańczowym, zielonym (zielony kadmowy) i wszystkich odcieniach żółtego, ale siarczek kadmu nadaje płomieniowi inny kolor - niebieski. Właściwość ta jest wykorzystywana w pirotechnice.
Tak więc, łącząc element 48, możesz uzyskać cztery z siedmiu kolorów tęczy. Pozostał tylko czerwony, niebieski i fioletowy. Błękitną lub fioletową barwę płomienia można uzyskać uzupełniając blask siarczku kadmu odpowiednimi dodatkami pirotechnicznymi – dla doświadczonego pirotechnika nie będzie to trudne.
A czerwony kolor można uzyskać stosując inny związek pierwiastka nr 48 – jego selenek. CdSe stosuje się jako farbę artystyczną, co swoją drogą jest bardzo cenne. Szkło rubinowe barwi się selenkiem kadmu; i to nie tlenek chromu, jak w samym rubinie, ale selenek kadmu sprawił, że gwiazdy moskiewskiego Kremla były rubinowoczerwone.
Jednak wartość soli kadmu jest znacznie mniejsza niż wartość samego metalu.


Przesada rujnuje reputację

Jeśli zbudujesz wykres z datami na osi poziomej i zapotrzebowaniem na kadm na osi pionowej, otrzymasz krzywą rosnącą. Produkcja tego pierwiastka rośnie, a najostrzejszy „skok” nastąpił w latach 40. naszego stulecia. W tym czasie kadm stał się materiałem strategicznym - zaczęto z niego wytwarzać pręty sterujące i awaryjne reaktorów jądrowych.

W literaturze popularnej można spotkać stwierdzenie, że gdyby nie te pręty pochłaniające nadmiar neutronów, reaktor „wypadłby z równowagi” i zamieniłby się w bomba atomowa. Nie jest to do końca prawdą. Aby tak się stało wybuch jądrowy, musi zostać spełnionych wiele warunków (nie miejsce, aby o nich szczegółowo mówić, ale nie da się pokrótce wyjaśnić ET0). Reaktor, w którym reakcja łańcuchowa stała się niekontrolowana, niekoniecznie eksploduje, ale w każdym razie następuje poważny wypadek, wiążący się z ogromnymi kosztami materiałowymi. A czasem nie tylko materiałowe... A więc rola prętów regulujących i regulujących, i to bez przesady, jest dość spora
Stwierdzenie jest równie niedokładne (zob. np. słynna książka II. R. Taube i E. I. Rudenko „Od wodoru do…”. M., 1970), że kadm jest najodpowiedniejszym materiałem do wytwarzania prętów i regulacji strumienia neutronów. Gdyby przed słowem „neutrony” istniał także „termiczny”, wówczas stwierdzenie to stałoby się naprawdę trafne.
Jak wiadomo, neutrony mogą znacznie różnić się energią. Istnieją neutrony niskoenergetyczne - ich energia nie przekracza 10 kiloelektronowoltów (keV). Istnieją szybkie neutrony - o energii większej niż 100 keV. Wręcz przeciwnie, istnieją neutrony niskoenergetyczne - neutrony termiczne i „zimne”. Energię pierwszego z nich mierzy się w setnych części elektronowoltów, podczas gdy w przypadku drugiego jest ona mniejsza niż 0,005 eV.
Początkowo głównym materiałem „prętów” okazał się kadm, przede wszystkim dlatego, że dobrze pochłania neutrony termiczne. Wszystkie reaktory początku „ery atomowej” (a pierwszy z nich zbudował Enrich Fermi w 1942 r.) działały na neutronach termicznych. Dopiero wiele lat później stało się jasne, że reaktory na prędkie neutrony są bardziej obiecujące zarówno pod względem energii, jak i produkcji paliwa jądrowego - plutonu-239. I przeciw szybkie neutrony kadm jest bezsilny, nie opóźnia ich.
Dlatego nie należy przeceniać roli kadmu w konstrukcji reaktorów. A także dlatego właściwości fizykochemiczne Metal ten (wytrzymałość, twardość, żaroodporność – jego temperatura topnienia wynosi zaledwie 321°C) pozostawia wiele do życzenia. A także dlatego, że bez przesady rola, jaką kadm odegrał i nadal odgrywa w technologii nuklearnej, jest dość znacząca.
Kadm był pierwszym materiałem rdzenia. Następnie bor i jego związki zaczęły zajmować centralne miejsce. Jednak kadm jest łatwiejszy do uzyskania w dużych ilościach niż bor: kadm był i jest otrzymywany jako produkt uboczny przy produkcji cynku i ołowiu. Przy przeróbce rud polimetalicznych ten - analog cynku - niezmiennie trafia głównie do koncentratu cynku. Kadm ulega redukcji jeszcze łatwiej niż cynk i ma niższą temperaturę wrzenia (odpowiednio 767 i 906 ° C). Dlatego w temperaturze około 800°C oddzielenie cynku i kadmu nie jest trudne.

Kadm jest miękki, plastyczny i łatwy w obróbce. Ułatwiło to i przyspieszyło jego drogę do technologii nuklearnej. Wysoka selektywność CAD i jego czułość szczególnie na neutrony termiczne były również korzystne dla fizyków. A jeśli chodzi o główną charakterystykę działania - przekrój wychwytu neutronów termicznych - kadm zajmuje jedno z pierwszych miejsc wśród wszystkich pierwiastków układ okresowy- 2400 stodoła. (Przypomnijmy, że przekrój wychwytu to zdolność do „absorbowania” neutronów, mierzona w konwencjonalnych jednostkach barn.)
Kadm naturalny składa się z ośmiu izotopów (o liczbach masowych 106, 108, 110, 111, 112, IZ, 114 i 116), a przekrój poprzeczny wychwytu jest cechą, w której izotopy jednego pierwiastka mogą się znacznie różnić. W naturalnej mieszaninie izotopów kadmu głównym „połykaczem neutronów” jest izotop o liczbie masowej kadmu. Jego indywidualna sekcja przechwytywania jest ogromna - 25 tysięcy stodół!
Dodając neutron, kadm-113 zamienia się w najpopularniejszy (28,86% naturalnej mieszaniny) izotop pierwiastka nr 48 - kadm-114. Udział samego kadmu-113 wynosi zaledwie 12,26%.
Pręty sterujące reaktora jądrowego.

Niestety rozdzielenie ośmiu izotopów kadmu jest znacznie trudniejsze niż rozdzielenie dwóch izotopów boru.
Pręty sterujące i awaryjne to nie jedyne miejsce „atomowej służby” pierwiastka nr 48. Jego zdolność do pochłaniania neutronów o ściśle określonych energiach pozwala na badanie widm energetycznych powstających wiązek neutronów. Za pomocą płytki kadmowej, którą umieszcza się na drodze wiązki neutronów, określa się, jak jednorodna jest ta wiązka (pod względem wartości energii), jaki jest w niej udział neutronów termicznych itp.
Niewiele, ale jest
I wreszcie – o zasobach kadmu. Jak mówią, jego własne minerały są liczniejsze. Tylko jeden został dostatecznie dokładnie zbadany – rzadki, nieagregujący CdS z greenokitu. Jeszcze dwa minerały pierwiastka nr 48 – otawit CdCO 3 i monteponit CdO – są bardzo rzadkie. Ale kadm nie „żyje” własnymi minerałami. Minerały cynku i rudy polimetaliczne stanowią dość niezawodną bazę surowcową do jego produkcji.

Powłoka kadmowa

Blachę ocynkowaną zna każdy, jednak nie każdy wie, że do zabezpieczenia mchu przed korozją stosuje się nie tylko cynkowanie, ale także kadmowanie. Powłoki kadmowe nanoszone są obecnie wyłącznie metodą elektrolityczną, w warunkach przemysłowych najczęściej stosuje się kąpiele cyjankowe. Wcześniej kadm był używany do zanurzania żelaza i innych metali w stopionym kadmie.


Pomimo podobnych właściwości kadmu i cynku, powłoka kadmowa ma kilka zalet: jest bardziej odporna na korozję, łatwiej jest ją wyrównać i wygładzić. Ponadto kadm, w przeciwieństwie do cynku, jest stabilny w środowisku zasadowym. Blacha kadmowana ma szerokie zastosowanie, dostęp do niej ograniczony jest jedynie do produkcji pojemników na żywność, gdyż kadm jest toksyczny. Powłoki kadmowe mają jeszcze jedną ciekawą cechę: w atmosferze obszarów wiejskich wykazują znacznie większą odporność na korozję niż w atmosferze terenów przemysłowych. Taka powłoka zawodzi szczególnie szybko, jeśli zawartość dwutlenku siarki lub bezwodnika siarki w powietrzu jest wysoka.

Kadm w stopach

Produkcja stopów pochłania około jednej dziesiątej światowej produkcji kadmu. Stopy kadmu stosowane są głównie jako materiały przeciwcierne i lutowie. Znany stop o składzie 99% Cd i 1% Ni stosowany jest do produkcji łożysk pracujących w wysokich temperaturach w silnikach samochodowych, lotniczych i morskich. Ponieważ kadm nie jest wystarczająco odporny na kwasy, w tym kwasy organiczne zawarte w smarach, czasami stopy łożyskowe na bazie kadmu powleka się indem.
Luty zawierające element nr 48 są dość odporne na wahania temperatury.
Dodatek miedzi z niewielkimi dodatkami kadmu umożliwia wytwarzanie bardziej odpornych na zużycie drutów w elektrycznych liniach transportowych. Miedź z dodatkiem kadmu prawie nie różni się przewodnością elektryczną od czystej miedzi, ale jest zauważalnie lepsza pod względem wytrzymałości i twardości.

AKUMULATOR AKN I ZWYKŁE Ogniwo WESTON.

Wśród chemicznych źródeł prądu stosowanych w przemyśle poczesne miejsce zajmują akumulatory niklowo-kadmowe (ACN). Płyty ujemne takich akumulatorów wykonane są z siatek żelaznych z dodatkiem gąbki kadmowej jako substancją czynną. Płytki dodatnie są pokryte tlenkiem niklu. Elektrolitem jest roztwór wodorotlenku potasu. Baterie alkaliczne niklowo-kadmowe różnią się od baterii ołowiowych (kwasowych) większą niezawodnością. Na bazie tej pary powstają bardzo kompaktowe akumulatory do rakiet kierowanych. Tylko w tym przypadku jako podstawę stosuje się nie żelazo, ale siatkę niklową.

Pierwiastek nr 48 i jego związki są wykorzystywane w innym źródle prądu chemicznego. Konstrukcja normalnego pierwiastka Westona wykorzystuje zarówno amalgamat kadmu, kryształy siarczanu kadmu, jak i roztwór tej soli.

Toksyczność kadmu

Informacje na temat toksyczności kadmu są dość sprzeczne. A raczej fakt, że kadm jest trujący, jest bezsporny: naukowcy spierają się o stopień zagrożenia kadmu. Znane są przypadki śmiertelnego zatrucia oparami tego metalu i jego związków - dlatego opary takie stanowią poważne zagrożenie. Jeśli kadm dostanie się do żołądka, również jest szkodliwy, ale nauce nie są znane przypadki śmiertelnego zatrucia związkami kadmu, które dostają się do organizmu z pożywienia. Najwyraźniej tłumaczy się to natychmiastowym usunięciem trucizny z żołądka, podejmowanym przez sam organizm. Jednakże w wielu krajach stosowanie powłok kadmowych w produkcji pojemników na żywność jest prawnie zabronione.

DEFINICJA

Kadm- czterdziesty ósmy element układu okresowego. Oznaczenie - Cd od łacińskiego „kadmu”. Znajduje się w piątym okresie, grupa IIB. Odnosi się do metali. Ładunek jądrowy wynosi 48.

Kadm ma podobne właściwości do cynku i zwykle występuje jako zanieczyszczenie rud cynku. Pod względem występowania w przyrodzie jest znacznie gorszy od cynku: zawartość kadmu w skorupa Ziemska wynosi tylko około 10 -5% (mas.).

Kadm jest srebrzystobiałym (ryc. 1), miękkim, kowalnym i kowalnym metalem. W szeregu napięć stoi dalej niż cynk, ale przed wodorem i wypiera ten ostatni z kwasów. Ponieważ Cd(OH) 2 jest słabym elektrolitem, sole kadmu hydrolizują, a ich roztwory mają odczyn kwasowy.

Ryż. 1. Kadm. Wygląd.

Masa atomowa i cząsteczkowa kadmu

Względna masa cząsteczkowa substancji(M r) to liczba pokazująca, ile razy masa danej cząsteczki jest większa od 1/12 masy atomu węgla, oraz względny masa atomowa element(A r) - ile razy średnia masa atomów pierwiastek chemiczny więcej niż 1/12 masy atomu węgla.

Ponieważ kadm w stanie wolnym występuje w postaci jednoatomowych cząsteczek Cd, wartości jego mas atomowych i cząsteczkowych są zbieżne. Są one równe 112,411.

Izotopy kadmu

Wiadomo, że w przyrodzie kadm występuje w postaci ośmiu stabilnych izotopów, z czego dwa są radioaktywne (113 Cd, 116 Cd): 106 Cd, 108 Cd, 110 Cd, 111 Cd, 112 Cd i 114 Cd. Ich liczby masowe wynoszą odpowiednio 106, 108, 110, 111, 112, 113, 114 i 116. Jądro atomu izotopu kadmu 106 Cd zawiera czterdzieści osiem protonów i pięćdziesiąt osiem neutronów, a pozostałe izotopy różnią się od niego jedynie liczbą neutronów.

Jony kadmu

Na zewnętrznym poziomie energetycznym atomu kadmu znajdują się dwa elektrony, które są wartościowością:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 .

W rezultacie interakcja chemiczna kadm oddaje swoje elektrony walencyjne, tj. jest ich dawcą i zamienia się w dodatnio naładowany jon:

Cd 0 -2e → Cd 2+ .

Cząsteczka i atom kadmu

W stanie wolnym kadm występuje w postaci jednoatomowych cząsteczek Cd. Oto niektóre właściwości charakteryzujące atom i cząsteczkę kadmu:

Stopy kadmu

Kadm jest składnikiem niektórych stopów. Na przykład stopy miedzi zawierające około 1% kadmu (brąz kadmowy) stosuje się do produkcji przewodów telegraficznych, telefonicznych i trolejbusowych, ponieważ stopy te mają większą wytrzymałość i odporność na zużycie niż miedź. Wiele stopów lekkich, na przykład stosowanych w automatycznych gaśnicach, zawiera kadm.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia Który kompleks dominuje w roztworze zawierającym 1×10 -2 M kadmu (II) i 1 M amoniaku?
Rozwiązanie W roztworze zawierającym jony kadmu i amoniak ustala się następujące równowagi:

Cd2+ + NH3 ↔Cd(NH3)2+;

Cd(NH 3) 2+ + NH 3 ↔ Cd(NH 3) 2 2+ ;

Cd(NH 3) 3 2+ + NH 3 ↔ Cd(NH 3) 4 2+.

Z tabel referencyjnych b 1 = 3,24 × 10 2, b 2 = 2,95 × 10 4, b 3 = 5,89 × 10 5, b 4 = 3,63 × 10 6. Biorąc pod uwagę, że c(NH 3) >>c(Cd), zakładamy, że = c(NH 3) = 1M. Obliczamy 0:

Większość kadmu produkowanego na świecie wykorzystywana jest do powłok elektrycznych i do wytwarzania stopów. Kadm jako powłoka ochronna ma znaczną przewagę nad cynkiem i niklem, ponieważ w cienkiej warstwie jest bardziej odporny na korozję; kadm ściśle wiąże się z powierzchnią wyrobu metalowego i nie opuszcza jej w przypadku uszkodzenia.

Do niedawna powłoki kadmowe miały „chorobę”, która dawała o sobie znać od czasu do czasu. Faktem jest, że gdy kadm zostanie elektrolitycznie nałożony na część stalową, wodór zawarty w elektrolicie może wniknąć w metal. Ten bardzo niepożądany gość powoduje niebezpieczną „chorobę” stali o wysokiej wytrzymałości - kruchość wodorową, która prowadzi do nieoczekiwanego zniszczenia metalu pod obciążeniem. Okazało się, że z jednej strony kadmowanie skutecznie chroniło część przed korozją, z drugiej stwarzało ryzyko przedwczesnej awarii części. Dlatego projektanci często byli zmuszeni odmówić „usług” kadmu.

Naukowcy Instytutu Chemia fizyczna Akademia Nauk ZSRR zdołała wyeliminować tę „chorobę” powłok kadmowych. Tytan działał jak lekarstwo. Okazało się, że jeśli w warstwie kadmu znajduje się tylko jeden atom tytanu na tysiąc jego atomów, część stalowa jest zabezpieczona przed wystąpieniem kruchości wodorowej, gdyż tytan podczas procesu powlekania wyciąga ze stali cały wodór.

Kadm stosowany jest także przez angielskich kryminologów: za pomocą cienkiej warstwy tego metalu natryskiwanej na badaną powierzchnię można szybko zidentyfikować wyraźne odciski palców.

Kadm wykorzystuje się także do produkcji akumulatorów kadmowo-niklowych. Rolę elektrody ujemnej pełnią w nich siatki żelazne z gąbczastym kadmem, a płytki dodatnie pokryte są tlenkiem niklu; Elektrolitem jest roztwór wodorotlenku potasu. Takie źródła prądu charakteryzują się wysokim Parametry elektryczne, dużą niezawodność, długą żywotność, a ich ładowanie zajmuje tylko 15 minut.

Właściwość kadmu do pochłaniania neutronów doprowadziła do innego obszaru zastosowań kadmu - w energetyce jądrowej.

Tak jak samochód nie może działać bez hamulców, tak reaktor nie może działać bez prętów regulacyjnych, które zwiększają lub zmniejszają strumień neutronów.

Każdy reaktor wyposażony jest także w masywny pręt awaryjny, który zostaje uruchomiony w przypadku, gdy pręty sterujące z jakichś powodów nie spełniają swoich obowiązków.

Pouczający przypadek miał miejsce w elektrowni jądrowej w Kalifornii. Ze względu na pewne problemy konstrukcyjne pręta awaryjnego nie udało się w odpowiednim czasie zanurzyć w kotle - reakcja łańcuchowa stała się niekontrolowana i doszło do poważnego wypadku. Reaktor z szalejącymi neutronami stanowił ogromne zagrożenie dla okolicznej ludności. Musieliśmy pilnie ewakuować ludzi ze strefy zagrożenia, zanim zgasł nuklearny „ogień”. Na szczęście nie było ofiar, ale straty były bardzo duże, a reaktor przez pewien czas był nieczynny.

Głównym wymaganiem dla materiału prętów kontrolnych i awaryjnych jest zdolność do pochłaniania neutronów, a kadm jest jednym z „największych specjalistów” w tej dziedzinie. Z jednym zastrzeżeniem: jeśli mówimy o neutronach termicznych, których energia jest bardzo niska (mierzona w setnych części elektronowoltów). W pierwszych latach ery atomowej reaktory jądrowe działały właśnie na neutrony termiczne, a kadm przez długi czas uważany był za „pierwsze skrzypce” wśród materiałów prętowych. Później jednak musiał zrezygnować z wiodącej roli na rzecz boru i jego związków. Ale w przypadku kadmu fizycy jądrowi znajdują coraz więcej nowych obszarów działalności: na przykład za pomocą płytki kadmowej zainstalowanej na drodze wiązki neutronów badają jej widmo energii, określają, jak jest ona jednorodna, jaki jest udział ciepła cieplnego w nim neutrony.

Szczególnie interesujący dla naukowców był wzrost nieważkości kryształu MRT, który jest stałym roztworem tellurków kadmu i rtęci. Ten materiał półprzewodnikowy jest niezbędny do produkcji kamer termowizyjnych – bardzo dokładnych urządzeń na podczerwień stosowanych w medycynie, geologii, astronomii, elektronice, radiotechnice i wielu innych ważnych dziedzinach nauki i technologii. Uzyskanie tego związku w warunkach lądowych jest niezwykle trudne: jego składniki, ze względu na dużą różnicę gęstości, zachowują się jak bohaterowie słynnej bajki I. A. Kryłowa – łabędź, rak i szczupak, w wyniku czego zamiast tego z jednorodnego stopu otrzymuje się warstwowe „ciasto”. Aby otrzymać malutki kryształ MCT, trzeba wyhodować duży kryształ i wyciąć z niego najcieńszą płytkę warstwy granicznej, a wszystko inne pójdzie na marne. Nie może być inaczej: w końcu czystość i jednorodność kryształu MCT szacuje się na sto milionowych procenta. Nic dziwnego, że na rynku światowym jeden gram tych kryształów kosztuje „tylko” osiem tysięcy dolarów.

Najlepsza żółta farba to połączenie kadmu i siarki. Do produkcji tej farby wykorzystuje się duże ilości kadmu.

WNIOSEK

Wielostronne działanie kadmu ma także swoje negatywne strony. Kilka lat temu jeden z urzędników amerykańskiej służby zdrowia odkrył, że istnieje bezpośredni związek pomiędzy śmiertelnością z powodu chorób układu krążenia a śmiertelnością. zawartość kadmu w atmosferze. Do takiego wniosku doszło po wnikliwym badaniu mieszkańców 28 amerykańskich miast. W czterech z nich – Chicago, Nowym Jorku, Filadelfii i Indianapolis – zawartość kadmu w powietrzu była znacznie wyższa niż w pozostałych miastach; Większy był tu także odsetek zgonów z powodu chorób serca.

Podczas gdy lekarze i biolodzy ustalają, czy kadm jest szkodliwy i szukają sposobów na zmniejszenie jego zawartości środowisko przedstawiciele technologii podejmują wszelkie działania w celu zwiększenia jego produkcji. Jeśli w ciągu całej drugiej połowy ubiegłego wieku wydobyto zaledwie 160 ton kadmu, to pod koniec lat dwudziestych naszego stulecia jego roczna produkcja w krajach kapitalistycznych wynosiła już około 700 ton, a w latach pięćdziesiątych osiągnęła 7000 ton (po w sumie to właśnie w tym okresie kadm uzyskał status materiału strategicznego przeznaczonego do produkcji prętów reaktorów jądrowych). A w XXI wieku zużycie kadmu będzie tylko rosło, ze względu na jego niezastąpione właściwości.

BIBLIOGRAFIA

1) Dzliev I.I. Metalurgia kadmu. M.: Metallurgizdat, 1962.

2) Krestovnikov A.N. Kadm. M.: Cwietmetizdat, 1956.

3) Krestovnikov A.N. Karetnikova V.P. Metale rzadkie. M.: Cwietmetizdat, 1966.

4) Lebiediew B.N. Kuznetsova V.A. Metale nieżelazne. M.: Nauka, 1976.

5) Lyubchenko V.A. Metale nieżelazne. M.: Nauka, 1963.

6) Maksimova G.V. Kadm // Dziennik chemia nieorganiczna, nr 3, 1959, S-98.

7) Plaksin I.N. Jukhtanov D.M. Hydrometalurgia. M.: Metallurgizdat, 1949.

8) Peysakhov I.L. Metale nieżelazne. M.: Nauka, 1950.

9) Szybowiec V.I. Kadm jako środek zapobiegający korozji. M.: Cwietmetizdat, 1952.

DEFINICJA

Kadm znajduje się w piątym okresie grupy II drugiej podgrupy (B) układu okresowego.

Odnosi się do elementów D-rodziny. Metal. Oznaczenie - CD. Numer seryjny - 48. Względna masa atomowa - 112,41 amu.

Budowa elektronowa atomu kadmu

Atom kadmu składa się z dodatnio naładowanego jądra (+48), wewnątrz którego znajduje się 48 protonów i 64 neutronów, a 48 elektronów porusza się po pięciu orbitach.

Ryc.1. Schematyczna budowa atomu kadmu.

Rozkład elektronów pomiędzy orbitalami jest następujący:

48Cd) 2) 8) 18) 18) 2 ;

1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 10 4S 2 4P 6 4D 10 5S 2 .

Za elektrony walencyjne atomu kadmu uważa się elektrony znajdujące się w pozycji 4 D- i 5 S-orbitale. Schemat energetyczny stanu podstawowego przyjmuje następującą postać:

Elektrony walencyjne atomu kadmu można scharakteryzować za pomocą zestawu czterech liczb kwantowych: N(kwant główny), l(orbitalny), m l(magnetyczne) i S(kręcić się):

Poziom podrzędny

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia Ile orbitali atomowych P-podpoziom jest wypełniony elementami numer seryjny 35 i 54? Zapisz ich elektroniczne formuły.
Odpowiedź Pierwiastki o liczbach atomowych 35 i 54 to brom i ksenon. Zapiszmy ich wzory elektroniczne w stanie podstawowym:

35 Br1 S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 10 4S 2 4P 5 ;

54 Xe1 S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 3D 10 4S 2 4P 6 4D 10 5S 2 5P 6 .

Na podpoziomie p znajdują się 3 orbitale, z których każdy może pomieścić nie więcej niż 2 elektrony (w sumie 6). Orbitale p atomów bromu i ksenonu są wypełnione.

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia Jakie wartości mogą przyjmować liczby kwantowe? N, l, m l I SM, charakteryzujący stan elektronów w atomie. Jakie wartości przyjmują zewnętrzne elektrony atomu wapnia?
Odpowiedź Główna liczba kwantowa n może przyjmować wartości od 1 do nieskończoności, ale w rzeczywistości jej granicą jest liczba 7. Orbitalna liczba kwantowa l może przyjmować wartości od 0 do 3. Magnetyczna liczba kwantowa m l przyjmuje wartości od -l poprzez 0 do +l. Liczba kwantowa spinu SM mogą występować tylko dwie wartości: +1/2 i -1/2.

Zapiszmy konfigurację elektronową stanu podstawowego atomu magnezu (elektrony walencyjne zaznaczono pogrubioną czcionką):

1S 2 2S 2 2P 6 3S 2 3P 6 4S 2 .

Elektrony zewnętrzne poziom energii będzie scharakteryzowana następującym zbiorem liczb kwantowych:

Poziom podrzędny