Кадмий

Природный кадмий состоит из восьми стабильных изотопов: ¹⁰⁶Cd (1, 22%), ¹⁰⁸Cd (0, 88%), ¹¹⁰Cd (12, 39%), ¹¹¹Cd (12, 75%), ¹¹²Cd (24, 07%), ¹¹³Cd (12, 26%), ¹¹⁴Cd (28, 85%) и ¹¹⁶Cd (12, 75%). Расположен в 5 периоде в группе IIВ периодической системы элементов. Конфигурация двух внешних электронных слоев 4s²p⁶d¹⁰5s². Степень окисления +2 (валентность II).

Радиус атома 0, 154 нм, радиус иона Cd ²⁺0, 099 нм. Энергии последовательной ионизации — 8, 99, 16, 90, 37, 48 эВ. Электроотрицательность по Полингу 1, 69.

Открыт немецким профессором Ф. Штромейером в 1817. Провизоры Магдебурга при изучении оксида цинка ZnO заподозрили в нем примесь мышьяка. Ф. Штромейер выделил из ZnO коричнево-бурый оксид, восстановил его водородом и получил серебристо-белый металл, который получил название кадмий (от греческого kadmeia — цинковая руда).

Содержание в земной коре 1, 35·10^–5 % по массе, в воде морей и океанов 0, 00011 мг/л. Известно несколько очень редких минералов, например, гринокит GdS, отавит CdCO₃, монтепонит CdO. Кадмий накапливается в полиметаллических рудах: сфалерите (0, 01-5%), галените (0, 02%), халькопирите (0, 12%), пирите (0, 02%), блеклых рудах и станнине (до 0, 2%).

Основные источники кадмия — промежуточные продукты цинкового производства, пыль свинцовых и медеплавильных заводов. Сырье обрабатывают концентрированной серной кислотой и получают СdSO₄ в растворе. Из раствора Cd выделяют, используя цинковую пыль:

CdSO₄ + Zn = ZnSO₄ + Cd

Полученный металл очищают переплавкой под слоем щелочи для удаления примесей цинка и свинца. Кадмий высокой чистоты получают электрохимическим рафинированием с промежуточной очисткой электролита или методом зонной плавки.

Кадмий — серебристо-белый мягкий металл с гексагональной решеткой (а = 0, 2979, с = 0, 5618 нм). Температура плавления 321, 1 °C, кипения 766, 5 °C, плотность 8, 65 кг/дм³. Если кадмиевую палочку изгибать, то можно услышать слабый треск — это трутся друг о друга микрокристаллики металла. Стандартный электродный потенциал кадмия —0, 403 В, в ряду стандартных потенциалов он расположен до водорода.

В сухой атмосфере кадмий устойчив, во влажной постепенно покрывается пленкой оксида CdO. Выше температуры плавления кадмий горит на воздухе с образованием оксида CdO бурого цвета:

2Сd + O₂ = 2CdO

Пары кадмия реагируют с парами воды с образованием водорода:

Cd + H₂O = CdO + H₂

По сравнению со своим соседом по группе IIB — Zn кадмий медленнее реагирует с кислотами:

Сd + 2HCl = CdCl₂ + H₂­

Легче всего реакция протекает с азотной кислотой:

3Cd + 8HNO₃ = 3Cd(NO₃)₂ + 2NO^– + 4H₂O

Со щелочами кадмий не реагирует.

В реакциях может выступать в качестве мягкого восстановителя, например в концентрированных растворах он способен восстанавливать нитрат аммония до нитрита NH₄NO₂:

NH₄NO₃ + Cd = NH₄NO₂ + CdO

Кадмий окисляется растворами солей Cu (II) или Fe (III):

Cd + CuCl₂ = Cu + CdCl₂;

2FeCl₃ + Cd = 2FeCl₂ + CdCl₂

Выше температуры плавления кадмий реагирует с галогенами с образованием галогенидов:

Cd + Cl₂ = CdCl₂

С серой и другими халькогенами образует халькогениды:

Cd + S = CdS

С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором кадмий не реагирует. Нитрид Cd₃N₂ и гидрид CdH₂ получают косвенными путями.

В водных растворах ионы кадмия Cd²⁺ образуют аквакомплексы [Cd(H₂O)₄]²⁺ и [Cd(H₂O)₆]²⁺.

Гидроксид кадмия Cd(OH)₂ получают добавлением к раствору соли кадмия щелочи:

СdSO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + Cd(OH)₂Ї

Гидроксид кадмия в щелочах практически не растворяется, хотя при длительном кипячении в очень концентрированных растворах щелочей зафиксировано образование гидроксидных комплексов [Cd(OH)₆]^2–. Таким образом, амфотерные свойства оксида CdO и гидроксида Cd(OH)₂ кадмия выражены гораздо слабее, чем у соответствующих соединений цинка.

Гидроксид кадмия Cd(OH)₂ за счет комплексообразования легко растворяется в водных растворах аммиака NH₃:

Cd(OH)₂ + 6NH₃ = [Cd(NH₃)₆](OH)₂

40% производимого кадмия используется для нанесения антикоррозионных покрытий на металлы. 20% кадмия идет на изготовление кадмиевых электродов, применяемых в аккумуляторах, нормальных элементах Вестона. Около 20% кадмия используется для производства неорганических красящих веществ, специальных припоев, полупроводниковых материалов и люминофоров. 10% кадмия — компонент ювелирных и легкоплавких сплавов, пластмасс.

Пары кадмия и его соединения токсичны, причем кадмий может накапливаться в организме. В питьевой воде ПДК для кадмия 10 мг/м³. Симптомы острого отравления солями кадмия — рвота и судороги. Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Хроническое отравление приводит к анемии и разрушению костей.

Авторы: С.С. Бердоносов, П.С. Бердоносов