Реферат: Химия кадмия
Сульфид кадмия при нагревании в окислительной атмосфере окисляется до сульфата или окиси в зависимости от температуры обжига.
Сульфат кадмия
Сульфат кадмия (CdSO4 , молекулярный вес 208,47) представляет собой белый кристаллический порошок, кристаллизующийся в ромбической системе. Он легко растворим в воде, но нерастворим в спирте. Сульфат кристаллизуется из водного раствора в моноклинной системе с 8/3 молекулами воды (CdSO4 ·8/3H2 O), устойчив до 74°, но при более высокой температуре переходит в одноводный сульфат (CdSO4 ·H2 O).С повышением температуры растворимость сульфата несколько возрастает, но при дальнейшем повышении температуры снижается как показано в таблице 3:
Таблица 3
| t,°C | -18 | 0 | 20 | 40 | 60 | 74 | 77 | 85 | 100 | 112 |
| CdSO4 % | 43,35 | 43,37 | 43,37 | 43,99 | 45,00 | 46,70 | 42,20 | 39,60 | 37,80 | 37,00 |
Было установлено существование трех модификаций сульфата: α, β и γ. После выделения последней молекулы воды при 200° из кристаллогидрата 3CdSO4 ·8H2 Oобразуется α-модификация, устойчивая до 500°; при дальнейшем повышении температуры возникает β-модификация, которая при температуре выше 735° переходит в γ-модификацию. Высокотемпературные модификации (β и γ) при охлаждении переходят в α-модификацию.
СПЛАВЫ КАДМИЯ
Немало кадмия идет для приготовления сплавов. Присадка кадмия к меди существенно повышает ее механические свойства. При добавлении к электролитной меди от 0,5 до 1,2% Cd увеличивает ее сопротивление на разрыв более чем в два раза, твердость – на 20-22 ед. по Бринеллю, а прочность на истирание – в три раза. Проволока из меднокадмиевого сплава обладает механическими свойствами фосфористой или кремнистой бронзы при сохранении 96% электропроводности чистой меди. Добавка кадмия в подшипниковые сплавы (от 2,75 до 18%) существенно снижает их коэффициент трения.
Кадмий входит в состав многих припоев и легкоплавких сплавов. В припоях 1 часть кадмия заменяет 5 частей олова. Кадмийсодержащим припоем можно паять в горячей воде. Серию легкоплавких кадмиевых сплавов, имеющих температуру плавления от 60 до 300°, используют в замках для автоматического пожаротушения и электрических предохранителях.
В таблице4 приведен состав и температура плавления некоторых легкоплавких сплавов.
Таблица 4
| Состав, вес, г. | Температура плавления, °С | |||
| Cd | Pb | Sn | Bi | |
| 3 | 8 | 4 | 15 | 60 |
| 1 | 2 | 1 | 4 | 65,5 |
| 10 | 4 | 3 | 8 | 75 |
| 1 | - | 2 | 3 | 95 |
| 2 | 2 | 4 | - | 86,1 |
ПРИМЕНЕНИЕ КАДМИЯ
Область применения кадмия благодаря его ценным свойствам расширяется с каждым годом.
Большая часть производимого в мире кадмия расходуется на электропокрытия и для приготовления сплавов. Кадмий в качестве защитного покрытия обладает существенными приемуществами перед цинком и никелем, так как он более коррозионностоек в тонком слое; кадмий плотно связан с поверхностью металлического изделия и не отстает от нее при ее повреждении.
До недавних пор у кадмиевых покрытий имелся «недуг», время от времени дававший о себе знать. Дело в том, что при электролитическом нанесении кадмия на стальную деталь в металл может проникнуть содержащийся в электролите водород. Этот весьма нежеланный гость вызывает у высокопрочных сталей опасное «заболевание»—водородную хрупкость, приводящую к неожиданному разрушению металла под нагрузкой. Получалось, что, с одной стороны, кадмирование надежно предохраняло деталь от коррозии, а с другой — создавало угрозу преждевременного выхода детали из строя. Вот почему конструкторы часто были вынуждены отказываться от «услуг» кадмия.
Ученым Института физической химии Академии наук СССР удалось устранить эту «болезнь» кадмиевых покрытий. В роли лекарства выступил титан. Оказалось, что, если в слое кадмия на тысячу его атомов приходится всего один атом титана, стальная деталь застрахована от возникновения водородной хрупкости, поскольку титан в процессе нанесения покрытия вытягивает из стали весь водород.
Кадмий, также, используется у английских криминалистов: с помощью тончайшего слоя этого металла, напыленного на обследуемую поверхность, удается быстро выявить четкие отпечатки пальцев.
Кадмий, также, применяют в изготовлении кадмиево-никелевых аккумуляторов. Роль отрицательного электрода в них выполняют железные сетки с губчатым кадмием, а положительного пластины покрыты окисью никеля; электролитом служит раствор едкого калия. Такие источники тока отличаются высокими электрическими характеристиками, большой надежностью, длительным сроком эксплуатации, а их подзарядка занимает всего 15 минут.
Свойство кадмия поглощать нейтроны обусловило еще одну область применения кадмия- в атомной энергетики.
Подобно тому как автомобиль не обходится без тормозов, реактор не может работать без регулирующих стержней, увеличивающих или уменьшающих поток нейтронов.
В каждом реакторе предусмотрен также массивный аварийный стержень, который приступает к делу в том случае, если регулирующие стержни почему-либо не справляются с возложенными на них обязанностями.
Поучительный случай возник на АЭС в Калифорнии. Из-за каких-то конструктивных неполадок аварийный стержень не смог своевременно погрузиться в котел — цепная реакция стала неуправляемой, возникла серьезная авария. Реактор с разбушевавшимися нейтронами представлял огромную опасность для окрестного населения. Пришлось срочно эвакуировать людей из опасной зоны, пока ядерный «костер» не погас. К счастью, обошлось без жертв, но убытки были очень велики, да и реактор на некоторое время вышел из строя.
Главное требование, предъявляемое к материалу регулирующих и аварийных стержней, — способность поглощать нейтроны, а кадмий—один из «крупнейших специалистов» в этой области. С одной только оговоркой: если речь идет о тепловых нейтронах, энергия которых очень мала (она измеряется сотыми долями электрон-вольта). В первые годы атомной эры ядерные реакторы работали именно на тепловых нейтронах и кадмий долгое время считался «первой скрипкой» среди стержневых материалов. Позднее, правда, ему пришлось уступить ведущую роль бору и его соединениям. Но для кадмия физики-атомщики находят все новые и новые сферы деятельности: так, например, с помощью кадмиевой пластинки, устанавливаемой на пути нейтронного пучка, исследуют его энергетический спектр, определяют, насколько он однороден, какова в нем доля тепловых нейтронов.
Особый интерес ученых вызывало выращивание в невесомости кристалла КРТ, представляющего собой твердый раствор теллуридов кадмия и ртути. Этот полупроводниковый материал незаменим для изготовления теплэвизиров — точнейших инфракрасных приборов, применяемых в медицине, геологии, астрономии, электронике, радиотехнике и многих других важных областях науки и техники. Получить это соединение в земных условиях чрезвычайно трудно: его компоненты из-за большой разницы в плотности ведут себя как герои известной басни И. А. Крылова — лебедь, рак и щука, и в результате вместо однородного сплава получается слоеный «пирог». Ради крохотного кристаллика КРТ приходится выращивать большой кристалл и вырезать из него тончайшую пластинку пограничного слоя, а все остальное идет в отходы. Иначе нельзя: ведь чистота и однородность кристалла КРТ оцениваются в стомиллионных долях процента. Немудрено, что на мировом рынке один грамм этих кристаллов стоит «всего» восемь тысяч долларов.
Самая лучшая желтая краска представляет собой соединение кадмия с серой. Большие количества кадмия расходуются на изготовление этой краски.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В многогранной деятельности кадмия есть и негативные стороны. Несколько лет назад один из сотрудников службы здравоохранения США установил, что существует прямая связь между смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний и... содержанием кадмия в атмосфере. Этот вывод был сделан после тщательного обследования жителей 28 американских городов. В четырех из них — Чикаго, Нью-Йорке, Филадельфии и Индианополисе — содержание кадмия в воздухе оказалось значительно выше, чем в остальных городах; более высокой была здесь и доля смертных случаев в результате болезней сердца.
Пока медики и биологи определяют, вреден ли кадмий, и ищут пути снижения его содержания в окружающей среде, представители техники принимают все меры к увеличению его производства. Если за всю вторую половину прошлого столетия было добыто лишь 160 тонн кадмия, то в конце 20-х годов нашего века ежегодное производство его в капиталистических странах составляло уже примерно 700 тонн, а в 50-х годах оно достигло 7000 тонн (ведь именно в это время кадмий обрел статус стратегического материала, предназначенного для изготовления стержней атомных реакторов). И в XXI веке использование кадмия только возрастет, благодаря его незаменимым свойствам.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1) Дзлиев И.И. Металлургия кадмия. М.: Металлургиздат, 1962.
2) Крестовников А.Н. Кадмий. М.: Цветметиздат, 1956.
3) Крестовников А.Н. Каретникова В. П. Редкие металлы. М.: Цветметиздат, 1966.
4) Лебедев Б.Н. Кузнецова В.А. Цветные металлы. М.: Наука, 1976.
5) Любченко В.А. Цветные металлы. М.: Наука, 1963.