Кадмий в таблице Менделеева и сфера его использования

Кадмий – вещество, без которого невозможно представить производство аккумуляторов. Металл известен еще с времен Средневековья. Сегодня же обладает спросом во многих отраслях промышленности.

История открытия

Металл был открыт в 1817 году профессором университета из Геттингена – Штромейером. Во время ревизии аптек он обнаружил, что при прокаливании отдельных экземпляров карбоната цинка образуется окись ярко-желтого или коричневого цвета. Однако при анализе было обнаружено, что химическое соединение не содержит в своем составе железа.

Химик предположил, что окраска оксида появляется из-за присутствия в нем неизвестного химического элемента. Его удалось получить путем восстановления водородом оксида.

Вместе с Штромейером новое вещество открыли К. Херман и И. Ролофф, а также берлинские химики В. Мейсснер и С. Карстен. Штромейер предложил назвать новый элемент кадмий по названию цинковой руды, которую во времена Гомера добавляли при выплавке латуни.

Кадмий в таблице Менделеева

Это элемент 5 периода 12 группы (или побочной подгруппы 2-й группы) периодической системы. Обозначение – Cd. Атомный (порядковый) номер – 48. Атомная масса – 112.

Принадлежит к группе переходных металлов. Кадмий – это представитель d-элементов.

Строение атома

Конфигурация электронного облака – 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2. По орбиталям электроны распределяются так: +48Cd)2)8)18)18)2.

Схематическое строение атома кадмия

Валентные электроны – те, которые располагаются на 4d и 5s электронных орбиталях. В основном состоянии энергетическая диаграмма имеет такой вид:

Ион этого элемента имеет вид 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d9.

Физические характеристики

Кадмий – это серебристо-белый мягкий металл. Плавится при температуре 321 градусов, кипит – при 770. Удельная теплота плавления – 6,1 кДж/моль, испарения – 59,1 кДж/моль. Простое вещество имеет гексагональную кристаллическую решетку. Удельная плотность металла – 8,65 г /куб. см.

Благодаря ковкости, тягучести и мягкости этот металл легко протянуть в тонкий лист. Изделия из вещества хорошо полируются.

При сгибании кадмиевой палочки слышен треск (он исчезает, если в металл добавить примеси).

Химические свойства

Атомы этого элемента в соединениях имеют степени окисления 1, 2. Проявляют валентность II, I.

Главные химические характеристики кадмия такие:

Реакция с кислородом с получением оксида.
Реакция с водой – образуется оксид и водород.
Образование солей при реакции с кислотами.
Окисление солями двухвалентной меди или трехвалентного железа.
В жидком состоянии реагирует с галогенами (при воздействии хлора образуется гигроскопичный хлорид кадмия).
Не реагирует со щелочами, водородом, бором, азотом, углеродом, инертными газами. Гидроокись практически не растворяется в щелочах.

Кадмий в природе

Нахождение самородного металла в земной коре незначительно. Однако химический элемент находится в составе руд, из которых добывают цинк, свинец и медь. Так что его могут добывать как побочный продукт при выплавке этих металлов. В цинковом концентрате находится до 0,5% кадмия.

Основная масса простого вещества находится примерно в составе 50 минералов. В 1 кг почвы может содержаться до 60 мкг Cd. Граничное содержание вещества в питьевой воде – 1 мкг в 1 л.

Токсичен ли кадмий

Этот химический элемент может попасть в организм с табачным дымом, дорожной пылью. Он находится в дыме теплоэлектростанций, дыме, образующегося после сжигания дров. Любители пива рискуют получить некоторую дозу элемента, потому что его добавляют в напиток для повышения пенообразования.

Японские ученые доказали, что у людей, которые проживают на территориях, загрязненных солями Cd, обнаруживается высокая ломкость костей. Впервые эта болезнь была замечена у фермеров, которые применяли воду с цинковой шахты для орошения рисового поля. Поразительно, но с рисом каждую неделю в организм человека поступало до 4 мг металла (в 8 раз больше предельной нормы).

Вещество угнетает активность ферментов, поражает нервную систему, печень, почки. Хроническая интоксикация приводит к развитию анемии. Пары оксидов и чистого металла токсичны: вдыхание на протяжении полуминуты воздуха с концентрацией паров 5 граммов на кубический метр оказывает смертельное влияние на организм. Острое отравление сопровождается рвотой и судорогами.

Применение

Директива RoHS, принятая в Евросоюзе, ограничивает использование кадмия в промышленности при производстве:

бытовой техники;
осветительной аппаратуры;
электроники;
игрушек;
товаров для досуга;
лампах накаливания и проч.

Почти 40% всего кадмия расходуется на антикоррозионные покрытия. Кадмированные поверхности устойчивы в морской воде.

Это вещество применяется для изготовления никель-кадмиевых аккумуляторов. Подобные устройства выдерживают в несколько раз больше циклов зарядки и разрядки, нежели их конкуренты. Несмотря на высокую цену, никель-кадмиевые аккумуляторы имеют большие перспективы для использования в электромобилях. Срок их службы превышает 30 лет, они быстро заряжаются и так же быстро отдают накопленную энергию.

Указанные аккумуляторы применяются всюду, где нужен ток большой плотности: в троллейбусах, электрокарах, трамваях, троллейбусах. Эти устройства могут хранить до 6,5 мегаватт-час электрической энергии.

Химический элемент имеет перспективы в производстве солнечных батарей: соединение металла с теллуром эффективно превращает свет в электрический ток.

Соединения этого металла могут применяться как краситель. Получая определенными способами сульфокислую соль, можно сделать краску разных цветов и оттенков – от лимонно-желтого до оранжевого. Кадмиевый желтый цвет подходит для художественной росписи керамики. При смешивании сульфата кадмия с ультрамарином получается краска красивого зеленого цвета.

Вещество используется в пиротехнике – во время горения его соли дают синий оттенок. Раствор кадмия хлорида применяется в фотореактивах.

Cd относится к редким элементам, находящимся в большом количестве руд. Соединения кадмия токсичны. Вещество ограниченно используется в промышленности. Как считаете вы, может стоит больше использовать в промышленности этот элемент? Напишите свое мнение в комментариях. Поделитесь статьей в социальных сетях с друзьями и сохраните ее в закладках, чтобы не потерять полезную информацию.

Как получают кадмий можно узнать из видео: