Кадмий: Свойства и применение элементов

Введение в кадмий

Кадмий (атомный номер 48, аббревиатура Cd) - это мягкий, голубовато-белый металл, отличающийся исключительными физическими свойствами и тщательно задокументированной токсичностью. Кадмий был впервые выделен в XIX веке и с тех пор стал одним из ключевых материалов в различных промышленных процессах - от аккумуляторов до пигментов. В основном он производится как побочный продукт при выплавке цинка. В 2022 году мировое производство составило около 23 000 метрических тонн, сосредоточенных в основном в таких странах, как Китай, Южная Корея и Япония. Из-за своей токсичности кадмий строго регламентирован в большинстве отраслей промышленности.

Химические свойства кадмия

Кадмий имеет тенденцию проявлять состояние окисления +2 (Cd²⁺), которое охватывает большую часть его химического поведения. Будучи очень инертным по сравнению с другими переходными элементами, кадмий вступает в реакцию с кислородом, серой и галогенами, образуя такие соединения, как оксид кадмия (CdO) и сульфид кадмия (CdS). Такие соединения являются основой гальванических покрытий, пигментов и полупроводников.

Основные химические свойства включают:

- Устойчивость к реакции на воздухе при комнатной температуре, хотя он медленно окисляется за счет образования защитного покрытия.

- Растворимость в кислотах, благодаря чему он может участвовать в электрохимии.

- Способность к поглощению с образованием сверкающих цветных соединений, особенно с серой и селеном, что ранее делало его ценным пигментом.

Более подробную информацию о химическом составе см. в разделе Stanford Advanced Materials (SAM).

Ключевые промышленные применения с примерами и статистикой

1. Никель-кадмиевые (Ni-Cd) батареи

• Никель-кадмиевые батареи нашли широкое применение в портативной электронике, электроинструментах и авиационной технике.
• Типичная никель-кадмиевая батарея напряжением 1,2 В содержит около 5-10 % кадмия по весу.

Несмотря на стабильность и способность выдерживать сотни циклов заряда-разряда, экологические проблемы привели к сокращению их использования. Например, Европейский союз ограничил применение никель-кадмиевых батарей Директивой о батареях (2006/66/EC).

2.Пигменты для пластика, керамики и стекла

• Из CdS получаются интенсивно окрашенные желтые пигменты, а из CdSe - красно-оранжевые.
• Пример: В 1990-х годах пигменты CdS стали применяться в строительных пластмассах, обеспечивая цветостойкость изделий, не разрушающихся более 20 лет.
• В настоящее время пигменты RTEs регулируются, содержание кадмия в потребительских товарах в большинстве стран ограничено менее чем 0,01%.

3. Гальваническое покрытие и устойчивость к коррозии

Гальваническое покрытие кадмием используется в аэрокосмической и оборонной промышленности благодаря его высокой коррозионной стойкости, особенно в морской среде.

Пример: Крепежи военного класса с кадмиевым покрытием противостоят коррозии в соляном тумане в течение 1 000+ часов, в то время как оцинкованные альтернативы выходят из строя через 200-300 часов.

4.Полупроводники и фотовольтаика

• Теллурид кадмия (CdTe) используется в тонкопленочных солнечных элементах, которые являются эффективной и экономически выгодной альтернативой кремнию.
• Примеры: Солнечные модули из CdTe могут достигать эффективности до 22 % в стандартных условиях испытаний при более низкой стоимости производства одного ватта по сравнению с кристаллическим кремнием.

Опасения для окружающей среды и здоровья

Кадмий очень ядовит для животных и людей. Длительное воздействие в небольших количествах приводит к:

-нарушению работы почек и декальцинации костей

-Дыхательным заболеваниям и раку легких (при вдыхании кадмиевой пыли или паров)

-Биоаккумуляция в пищевом тракте, особенно в листовых овощах, зерновых и моллюсках

Опасность кадмия проявляется в результате экологических событий:

-Болезнь Итай-Итай в Японии (1960-е годы), рис, загрязненный кадмием, вызвал тяжелые заболевания костей и почек у более чем 200 жертв.

- Выбросы кадмия при добыче и выплавке стали жестко регламентироваться; например, EPA ограничивает содержание кадмия в сточных водах до 0,005 мг/л, демонстрируя, насколько жесткий контроль должен применяться для предотвращения экологического и человеческого вреда.

В связи с этими рисками промышленность переходит на безкадмиевые альтернативы, например, литий-ионные аккумуляторы вместо никель-кадмиевых батарей и некадмиевые пигменты для пластмасс и красок. Однако кадмию нет замены в высокопроизводительных солнечных батареях и специальных гальванических покрытиях благодаря его уникальным характеристикам.

Часто задаваемые вопросы

Каков атомный номер кадмия?

Атомный номер кадмия - 48, что позволяет отнести его к ряду переходных металлов.

Насколько токсичен кадмий?

Он очень токсичен; длительное воздействие вызывает повреждение почек, костей и легких. Чтобы ограничить риск для человека и окружающей среды, используются жесткие регулирующие дозы.

Каковы основные области применения кадмия в промышленности?

Никель-кадмиевые батареи, пигменты, кадмиевые гальванические покрытия и солнечные элементы CdTe по-прежнему находят широкое применение.

Как производится кадмий?

В основном он производится как побочный продукт при выплавке цинка, как правило, путем обжига, дистилляции и электролитических процессов.

Существует ли альтернатива, которая была бы более безопасной?

Да. NiMH и литий-ионные заменяют Ni-Cd, а некадмиевые пигменты снижают воздействие на окружающую среду. Однако кадмий все же необходим в некоторых высокоэффективных областях применения, таких как аэрокосмические покрытия и фотовольтаика CdTe.