История и происхождение названия
Считается, что кадмий открыт в 1817 г. профессором Гетингенского университета Ф. Штромейером. Однако более тщательные исследования истории открытия кадмия привели к заключению, что первооткрывателем кадмия является владелец фабрики по производству оксида цинка К. Германн. Дело в том, что при ревизии аптек вблизи Магдебурга возникло подозрение, что имевшийся там в продаже оксид цинка содержит примесь мышьяка. Оксид цинка выпускался фабрикой, принадлежащей К. Германну, который не согласился с решением комиссии и приступил к исследованию оксида цинка и карбоната цинка как сырья для производства его оксида. В результате своих исследований он пришел к выводу, что выпускаемый его фабрикой оксид цинка содержит примесь какого-то неизвестного металла. Полученные данные он опубликовал в апреле 1818 г. в статье «О силезском оксиде цинка и о найденном в нем, вероятно, еще не известном металле». Одновременно были опубликованы заключения Ф. Штромейера, подтвердившие выводы К. Германна. Вместе с тем Ф. Штромейер опубликовал в другом журнале статью о свойствах нового металла, который он предложил назвать кадмием. Статья Штромейера, датированная апрелем 1818 г., была опубликована в выпуске, ошибочно датированном 1817 г., что и привело к ошибке в определении даты и автора открытия. Справедливее сейчас все-таки признать приоритет К. Германна.
Нахождение в природе
Кадмий является рассеянным элементом и практически не образует месторождений собственных минералов, и присутствует в рудах других металлов в количестве сотых и тысячных долей процента. Руды, содержащие 1—1,5% кадмия, считаются богатыми этим металлом, поэтому кадмий получается за счет комплексной переработки руд других металлов. Так один из немногих минералов кадмия — его природный сульфид— гринокит (кадмиевая обманка) встречается месте с цинковыми рудами — сфалеритом и вюрцитом, в ходе переработки которых он концентрируется в некоторых полупродуктах процесса. Из этих продуктов его потом и извлекают.
Получение
Реальным сырьем для получения кадмия является пыль цинк дистилляционных, свинец и медеплавильных установок. Переработка этих отходов и полупродуктов сводится к следующим операциям:
1. Обработка отходов, содержащих 0,3—0,7% кадмия, разбавленной серной кислотой для растворения оксидов цинка и кадмия.
2. Очистка полученного раствора от примесей.
3. Осаждение кадмия из раствора металлическим цинком
CdSO4 + Zn = ZnSO4 + Cd
4. Образовавшийся губчатый осадок (смесь кадмия и цинка) растворяют в разбавленной серной кислоте, и из раствора сульфатов осаждают кадмий электролизом на кадмиевом катоде со свинцовыми анодами.
Полученный кадмий переплавляют при 330—450°С под слоем расплавленного гидроксида натрия и отливают в виде чушек или палочек.
Физические свойства
Кадмий — серебристо-белый мягкий тяжелый металл, тускнеющий на воздухе из-за образования защитной пленки. Плотность кадмия 8,65 г/см3, температура плавления кадмия 320,9 С, температура кипения 767°С. Если палочку чистого кадмия приложить к уху и изгибать, то слышится характерный треск, вызываемый трением кристаллов металла друг о друга. Это явление впервые было обнаружено у чистого олова и названо «криком олова». Интересно, что этим свойством обладают только чистые металлы, наличие примесей приводит к исчезновению этого явления.
Кадмий тверже олова, но мягче цинка, поэтому покрытия из кадмия противостоят механическому износу слабее цинка. Но есть у кадмиевых покрытий преимущество: они не отслаиваются от металла и вместе с ним могут подвергаться прокатке. При нагревании выше 80°С кадмий становится настолько хрупким, что его можно истолочь в порошок. Электрическая проводимость и теплопроводность кадмия примерно в 5 раз меньше, чем у серебра. Кадмий образует сплавы со многими металлами.
Химические свойства
Металлический кадмий устойчив на воздухе и лишь слегка тускнеет. Однако при нагревании окисление становится интенсивнее и возможно возгорание металла. Порошкообразный кадмий легко загорается на воздухе ярким красным пламенем, образуя оксид:
2Cd + O2 = 2CdO
По главным своим химическим свойствам кадмий во многом напоминает цинк. При обычной температуре вода практически не действует на компактный металл, что позволяет использовать кадмий для антикоррозионного покрытия более активных металлов, в частности железа.
Порошкообразный кадмий медленно взаимодействует с водой с выделением водорода:
Сd + 2H2O = Cd(OH)2 + H2↑
В электрохимическом ряду напряжений металлов кадмий расположен правее железа (тогда как цинк левее его), но левее водорода. Разбавленная соляная и серная кислоты при нагревании постепенно реагируют с кадмием с выделением водорода:
Cd + 2HCl = CdCl2 + H2↑
При нагревании кадмий непосредственно соединяется с фосфором:
3Cd + 2P = Cd3P2
с серой:
Cd + X = CdX (где X – S, Se, Te)
с галогенами:
Сd + X2 = CdX2 (где X – F, Cl, Br, I)
Не реагирует непосредственно ни с водородом, ни с азотом.
Изотопы
Природный кадмий состоит из смеси восьми стабильных изотопов с массовыми числами 106, 108, 110—114, 116.
Применение
С пуском первого уранового реактора кадмий попал в число стратегически важных материалов. Оказалось, что изотоп 113Cd (в обычном кадмии его содержится ~12%) обладает способностью поглощать тепловые нейтроны во много раз больше, чем большинство других элементов. Это и определило применение кадмия для изготовления аварийных стержней ядерных реакторов. Вводя кадмиевые стержни в активную зону реактора, можно поглотить избыток нейтронов, прекратив тем самым слишком бурное течение ядерной реакции. Так в первом ядерном реакторе, созданном в США, Э. Ферми использовал именно кадмиевые стержни.
Основная же часть получаемого кадмия расходуется на защитные покрытия, предохраняющие металл от коррозии. Эти покрытия имеют значительные преимущества перед никелевыми, цинковыми или оловянными, тан как не отслаиваются от деталей при их деформации, что позволяет уже покрытые кадмием изделия подвергать штамповке и сварке. Кадмиевые покрытия выгодно использовать (хотя они несколько дороже цинковых) в таких условиях, когда коррозия особенно сильна (контакт с морской водой, высокая температура и влажность тропиков). Кадмиевые покрытия применяют для защиты от коррозии танков, самолетов, морских судов. Однако кадмиевые покрытия нельзя применять для изделий, соприкасающихся с пищевыми продуктами, так как растворимые соединения кадмия ядовиты.
Другая обширная область применения кадмия — производство сплавов. Сплавы кадмия — серебристо-белые, пластичные, хорошо поддаются механической обработке. Некоторые типографские сплавы содержат до 20% кадмия. Сплавы кадмия с небольшими добавками никеля, меди и серебра используют для изготовления подшипников мощных двигателей. Кадмий — необходимый компонент многих легкоплавких сплавов. Например, так называемый сплав Вуда состоит из 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего лишь при 68°С. Такие сплавы применяют как легкоплавкие припои при использовании которых нет необходимости пользоваться раскаленным паяльником, а всю работу можно пронести при температуре горячей воды. Интересно, что упомянутый сплав был изобретен еще в I860 г. малоизвестным англичанином Б. Вудом, но по недоразумению это изобретение часто приписывают знаменитому американскому физику Р. Вуду.
Много хлопот доставлял работникам городского транспорта быстрый износ трамвайных и троллейбусных медных проводов под действием токоснимающих устройств. Чтобы увеличить их прочность и стойкость к истиранию, в медь добавляют 1% кадмия. При этом электрическая проводимость меди уменьшается всего на 12%, зато прочность увеличивается в 1,5 раза, а стойкость к истиранию в 3 раза.
Медно-кадмиевый сплав с добавкой циркония обладает еще большей прочностью и используется при изготовлении проводов для линий высоковольтных передач. Большое количество кадмия идет на изготовление мощных электрических аккумуляторов; щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы могут полностью разряжаться, не приходя при этом в негодность.
Важная, хотя и ограниченная, сфера применения кадмия — изготовление гальванических элементов сравнения (элементы Вестона). Они служат образцовыми, и без них не обходится ни одна научная лаборатория, где проводятся физико-химические измерения. Катодом в них служит амальгама кадмия, а электролитом — Насыщенный раствор сульфата кадмия. Электродвижущая сила такого элемента отличается высокой стабильностью и составляет при нормальных условиях 1,0186 В.
Кадмий также применяется и в ювелирном деле, так как, меняя его содержание в сплавах с золотом, можно получить золото различных цветовых оттенков. Некоторое применение находит кадмий для получения полупроводников. Так в космических экспериментах в условиях невесомости выращиваются монокристаллы теллурида кадмия.
|