Кадмий

КАДМИЙ (латинский Cadmium), Cd, химический элемент II группы короткой формы (12-й группы длинной формы) периодической системы, атомный номер 48, атомная масса 112,411. В природе восемь стабильных изотопов: ¹⁰⁶Cd (1,25%), ¹⁰⁸Cd (0,89%), ¹¹⁰Cd (12,49%), ¹¹¹Cd (12,80%), ¹¹²Cd (24,13%), ¹¹³Cd (12,22%), ¹¹⁴Cd (28,73%), ¹¹⁶Cd (7,49%). Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 97-130.

Кадмий относится к рассеянным элементам; содержание в земной коре составляет 1,35∙10^-5% по массе, в воде морей и океанов - 0,00011 кг/м³. В природе кадмий присутствует в сульфидных рудах, в первую очередь в сфалерите (0,01-5,0% по массе), особенно в маложелезистом, а также в галените (до 0,02%), пирите (до 0,02%), халькопирите (до 0,12%), блёклых рудах и станнине (до 0,2%); собственные минералы - гринокит CdS, отавит CdCO₃, кадмоселит CdSe - очень редки. Открыт в 1817 году немецким химиком Ф. Штромейером при анализе химических препаратов оксида цинка. Название происходит от греческого ϰαδμεία - цинковая руда.

Конфигурация внешних электронных оболочек атома кадмия 4d¹⁰5s²; в соединениях обычно проявляет степень окисления +2, редко +1; энергии ионизации Cd⁰→ Cd⁺→ Cd²⁺→ Cd³⁺  соответственно равны 8,99, 16,91 и 37,48 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,69; атомный радиус 155 пм, радиус ионов Cd²⁺ 92 пм (координационное число 4), 109 пм (координационное число 6). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов 29∙10^-26 м², для ¹¹³Cd 25·10^-25 м². Кадмий - серебристо-белый мягкий, ковкий, тягучий металл; кристаллическая решётка гексагональная; t_пл 321,07°С, t_кип 767°С; плотность 8650 кг/м³; твёрдость по Бринеллю (для  отожжённого образца) 200-275 МПа. Кадмий хорошо вальцуется в листы, легко поддаётся полированию.

Металлический кадмий с Н₂, N₂, С, Si и В не взаимодействует. При нормальных условиях устойчив на воздухе, во влажном воздухе пассивируется. При нагревании выше температуры плавления кадмий взаимодействует с кислородом (образуется оксид CdO), галогенами (галогениды, например, хлорид CdCl₂), халькогенами (сульфид CdS, селенид CdSe, теллурид CdTe). С фосфором, мышьяком и сурьмой образует соответственно фосфиды, арсениды и антимониды состава Cd₃Э₂ и CdЭ₂ (где Э - Р, As, Sb).

Кадмий медленно взаимодействует с минеральными кислотами (легче с HNO₃) с образованием соответствующих солей. С растворами щелочей не взаимодействует. Простые соли кадмия, например, сульфат CdSO₄, гидролизуются водой - их растворы имеют слабокислую реакцию, при pH > 7-8 из таких растворов осаждаются гидроксопроизводные, например, CdSО₄∙3,5Cd(ОH)₂∙H₂О. Для кадмия характерно образование комплексных соединений, в частности аммиачных, содержащих от 1 до 6 молекул аммиака. Так, гидроксид Cd(OH)₂ взаимодействует с раствором NH₃ с образованием комплекса [Cd(NH₃)₄]²⁺; аммиачные комплексы кадмия при кипячении их растворов разлагаются. Плохо растворимый в воде цианид Cd(CN)₂ при взаимодействии с избытком цианидов щелочных металлов образует хорошо растворимые в воде комплексы состава М₂[Cd(CN)₄] и М₄[Cd(CN)₆], где М - щелочной металл.

Основные источники кадмия - промежуточные продукты цинкового производства: медно-кадмиевые «кеки» (содержание кадмия 2-12% по массе), пуссьеры (0,7-1,1%), летучие фракции, выделенные при ректификационной очистке Zn (до 40%), пыли свинцовых (0,5-5%) и медеплавильных (0,2-0,5%) заводов. Сырьё, содержащее кадмий, растворяют в Н₂SO₄ в присутствии окислителей, затем цинковой пылью осаждают металлический кадмий в виде так называемой кадмиевой губки, которую растворяют в Н₂SO₄. Полученный раствор очищают различными способами, например, методом ионного обмена. Из кислых растворов металлический кадмий выделяют электролизом или вытесняют металлическим цинком. Металлический кадмий высокой чистоты получают электролитическим рафинированием, ректификацией металла, зонной плавкой и др. Сочетанием этих способов получают кадмий с содержанием основных примесей (Zn, Cu и др.) менее 10-5% по массе.

Кадмий используют для нанесения антикоррозионных покрытий на металлы, изготовления электродов для аккумуляторов, получения пигментов, изготовления специальных припоев, полупроводниковых материалов, стабилизаторов пластмасс, регулирующих и аварийных стержней ядерных реакторов, как компонент антифрикционных, легкоплавких и ювелирных сплавов. Объём мирового производства кадмия около 20 тысяч т/год (2000).

Пары кадмия и его соединений токсичны. Растворимые соединения кадмия при попадании внутрь организма поражают центральную нервную систему, печень и почки. Хроническое отравление кадмием приводит к анемии и разрушению костей.

Лит.: Дзлиев И. И. Металлургия кадмия. М., 1962; Чижиков Д. М. Кадмий. 2-е изд. М., 1967; Щербов Д. П., Матвеец М. А. Аналитическая химия кадмия. М., 1973; Федоров П. И. Химия и технология малых металлов. Висмут и кадмий. М., 1986; Киселев Ю. М., Шабалина Л. П., Спиридонова В. С. Вопросы безопасности при производстве ВТСП-керамик // Журнал Всесоюзного химического общества имени Д. И. Менделеева. 1989. Т. 34. №4. С. 112.