Кадмиев(II) оксид
При нагряване на въздух кадмият се запалва, образувайки кадмиев оксид CdO (молекулно тегло 128,41). Оксидът може да се получи и чрез калциниране на соли на кадмиев нитрат или въглероден диоксид. По този начин оксидът се получава под формата на кафяв прах, който има две модификации: аморфен и кристален. При нагряване аморфният оксид става кристален, кристализирайки в кубична система: той адсорбира въглероден двуокиси се държи като здрава основа. Топлината на трансформация на CdO AMORPH CdO CRYST е 540 кал.
Плътността на изкуствено получения оксид варира от 7,28 до 8,27 g/cm3. В природата CdO образува черно покритие върху galmea, което има плътност 6,15 g/cm 3 . Точка на топене 1385°.
Кадмиевият оксид се редуцира от водород, въглерод и въглероден оксид. Водородът започва да редуцира CdO при 250-260° в съответствие с обратима реакция:
CdO+H 2 Cd+H 2 O,
Което свършва бързо на 300°.
Кадмиевият оксид се разтваря добре в киселини и в разтвор на цинков сулфат съгласно обратима реакция:
CdO + H 2 O + ZnSO 4 CdSO 4 + Zn(OH) 2.
Кадмиев сулфид
Сулфидът (CdS, молекулно тегло 144,7) е едно от важните кадмиеви съединения. Разтваря се в концентрирани разтвори на солна и азотна киселина, в кипяща разредена сярна киселина и в разтвори на тривалентно желязо; на студено се разтваря слабо в киселини и е неразтворим в разредена сярна киселина. Продуктът на разтворимост на сулфида е 1,4·10 -28. Кристалният сулфид се среща в природата под формата на гренакит като примес в руди на тежки и цветни метали. Може да се произведе изкуствено чрез сливане на сяра с кадмий или кадмиев оксид. Когато металният кадмий се слее със сяра, развитието на реакцията на образуване на сулфид се инхибира от защитните филми на CdS. реакция
2CdO+3S=2CdS+SO2
започва при 283° и при 424° преминава с висока скорост.
Известни са три модификации на CdS: аморфна (жълта) и две кристални (червена и жълта).Червената разновидност на кристалния сулфид е по-тежка (специфично тегло 4,5) от жълтото (специфично тегло 3). При нагряване до 450° аморфният CdS става кристален.
Кадмиевият сулфид, когато се нагрява в окислителна атмосфера, се окислява до сулфат или оксид в зависимост от температурата на изпичане.
Кадмиев сулфат
Кадмиевият сулфат (CdSO 4 , молекулно тегло 208,47) е бял кристален прах, който кристализира в орторомбична система. Той е лесно разтворим във вода, но неразтворим в алкохол. Сулфатът кристализира от воден разтвор в моноклинна система с 8/3 водни молекули (CdSO 4 8/3H 2 O), стабилен е до 74 °, но при по-високи температури се превръща в монохидратен сулфат (CdSO 4 H 2 O) , С повишаване на температурата разтворимостта на сулфата се увеличава леко, но при допълнително увеличениетемпературата намалява, както е показано в таблица 3:
Таблица 3
Установено е съществуването на три модификации на сулфата: b, c и d. След освобождаването на последната водна молекула при 200 ° от кристалния хидрат 3CdSO 4 8H 2 O се образува b модификация, стабилна до 500 °; с по-нататъшно повишаване на температурата се появява β-модификация, която при температури над 735 ° се трансформира в g-модификация. Високотемпературните модификации (c и d) се превръщат в b-модификация при охлаждане.
Изобретението може да се използва в неорганичната химия. Метод за производство на кристален кадмиев сулфид включва поставяне на сулфат-редуциращи бактерии в синтетична среда, съдържаща метали и добавяне хранителни вещества, включително разтвори на витамини, соли, кофактори. При култивирането се използват сулфат-редуциращи бактерии Desulfovibrio sp. A2, и синтетична среда, съдържаща източник на кадмиеви йони - разтвор на кадмиев хлорид. Концентрацията на кадмиеви йони в синтетичната среда е 150 mg/l. Алуминиевото фолио се поставя в контейнера за култивиране и култивирането се извършва при температура 28°C в продължение на 18 дни. Утайката, съдържаща кристали от кадмиев сулфид, събрана от фолиото и от дъното на бутилката, се изсушава. Изобретението дава възможност за получаване на кадмиев сулфид от Отпадъчни водии течни отпадъци от металургични предприятия. 2 ил., 3 таблици, 1 пр.
Чертежи за RF патент 2526456
Изобретението се отнася до метод за получаване на чист кадмиев сулфид (CdS) от разтвори, съдържащи метали, с помощта на сулфат-редуциращи бактерии (SRB).
Предложеният метод може да се използва за получаване на чист кадмиев сулфид от отпадъчни води, съдържащи метални йони, включително кадмий, и течни отпадъци от минни и преработвателни металургични предприятия. При прилагането на предложения метод е възможно селективно утаяване на кадмий под формата на сулфиди. Тази функция позволява използването на течни отпадъци от металургични предприятия и отпадъчни води като вторичен източник на суровини за производството на кадмиеви сулфиди. Кадмиевият сулфид се използва в полупроводникови лазери и е материал за производството на фотоклетки, слънчеви клетки, фотодиоди, светодиоди, фосфор, пигменти за художествени бои, стъкло и керамика. Пигментите от кадмиев сулфид се ценят заради добрата си температурна стабилност в много полимери, като инженерни пластмаси. Чрез заместване на част от серните атоми със селен в CdS кристали може да се получи голямо разнообразие от цветове на багрилото от зелено-жълто до червено-виолетово. Кадмиевият сулфид е широкозонен полупроводник. Това свойство на CdS се използва в оптоелектрониката, както във фотодетекторите, така и в слънчевите клетки. Сцинтилаторите за запис са направени от монокристали на кадмиев сулфид елементарни частиции гама лъчение.
В природата кадмиевият сулфид съществува като минералите грийнокит и хаулиит, които се срещат като жълти отлагания върху сфалерит (ZnS) и смитсонит. Тъй като тези минерали не са широко разпространени в природата, кадмиевият сулфид се получава чрез синтез за промишлена употреба и научна и техническа работа.
Получават се кадмиеви сулфиди химични методи- нагряване на сяра с кадмий или преминаване на сероводород през кадмий, кадмиев оксид или хлорид при нагряване. Известен е метод за получаване на прахообразни кадмиеви и оловни сулфиди (RF патент, № 2203855, C01G 11/02, C01G 21/21, 2003). Изобретението се отнася до методи за получаване на прахообразни материали в разтопени соли. Синтезът се извършва в разтопена среда. Разтопената среда се образува от кристална тиокарбамид и включва безводен кадмий или оловни ацетати като съдържащ метал компонент. Синтезът се извършва чрез смесване на прахове от една от тези соли и тиокарбамид при 2-4-кратен моларен излишък на тиокарбамид и допълнително задържане при 160-180 ° С за 20-30 минути. Практическият добив на продуктите, получени по предложения метод, е над 95%. В допълнение, те съдържат примес на елементарна сяра (3-4 тегл.%), която в зависимост от по-нататъшното използване на продукта може да бъде отстранена чрез промиване с органичен разтворител (толуен, тетрахлорметан и др.). Недостатъците на този метод са енергоемкостта на производството и необходимостта от използване на специално, скъпо оборудване. Освен това, химическо производствовлияе негативно на състоянието заобикаляща среда.
Известно е образуването на кристалити от кадмиев сулфид върху клетъчната повърхност от бактериите Klebsiella pneumonia и Clostridium thermoaceticum (Aiking H. et al. Детоксикация на живак, кадмий и олово в Klebsiella aerogenes NCTC 418, растящи в непрекъсната култура // Appi Environ Microbiol. 1985 ноември;50(5 - P.1262-1267; P.R. Smith et al. ФОТОФИЗИЧНА И ФОТОХИМИЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА НА БАКТЕРИАЛНИ ПОЛУПРОВОДНИКОВИ КАДМИЕВО-СУЛФИДНИ ЧАСТИЦИ // Journal of the Chemical Society. Transactions на Faraday. - 1998, 94(9). - pp .1235-1241).
CdS кристалитите, синтезирани на повърхността на бактерията K. pneumonia, ефективно абсорбират ултравиолетовата светлина, което предпазва бактерията от нейните вредни ефекти. Дълбоководната флуоресцентна бактерия Pseudomonas aeruginosa премахва кадмий от околната среда чрез образуване на CdS кристалити върху клетъчната стена (Wang C.L. et al. Cadmium remove by a new strain of Pseudomonas aeruginosa in aerobic culture // Appl. Environ. Microbiol. - 1997, 63. - стр. 4075-4078). Размерите на кристалите на кадмиев сулфид варират от десетки микрони извън клетките до десетки ангстрьоми вътре в клетките или на тяхната повърхност. Кристалитите на кадмиев сулфид се образуват само при определени условия, за да могат организмите да понасят неблагоприятни условия на околната среда.
Най-близкият по същество и постигнат резултат до претендираното изобретение е метод за отстраняване на кадмиеви йони с ниска концентрация с помощта на биореактор със сулфат-редуциращи бактерии (Hiroshi H. et al. Removal of Low Concentrated Cadmium Ions Using Fixed-bed Sulfate-Reducing Bioreactor with FS Carrier // Journal of the Mining and Materials Processing Institute of Japan.- 2003. - V.119, No.9.- pp.559-563). Възстановяването на йони на тежки метали от вода се извършва в биореактор с помощта на сулфат-редуциращи бактерии, имобилизирани върху влакнеста шлака, която се използва като бионосител. В този процес сулфатните йони в течността се превръщат биологично в сероводород (H 2 S), който реагира с метални йони, за да образува ултрафини частици метален сулфид. След това получените частици се събират на повърхността на носителя в горната част на реактора, което води до натрупване на йони на тежки метали и техните сулфиди. При непрекъснато третиране на вода, замърсена с 6 mg/l кадмий, се постига почти пълно отстраняване за период от около 30 дни.
Недостатъкът на този известен метод е, че използването му е възможно само при ниски концентрации на кадмиеви йони в средата и не се образува кристален кадмиев сулфид.
Целта на настоящото изобретение е да се разработи метод за получаване на кристален кадмиев сулфид от разтвори с повишено съдържаниекадмиеви йони (до 150 mg/l), който не съдържа примеси на други метални сулфиди, като се използват сулфатредуциращи бактерии, устойчиви на повишени концентрации на кадмиеви йони.
Проблемът се решава чрез поставяне на SRB, силно устойчив на кадмиеви йони, в синтетична среда, симулираща отпадъчни води, съдържащи метали, с добавяне на хранителни вещества, включително разтвори на витамини, соли, кофактори, лактат, натриев сулфид, с по-нататъшно култивиране в термостат и сушене, но за разлика от прототипа се използва SRB, който е устойчив на кадмиеви йони, към средата се добавя алуминиево фолио и култивирането се извършва при температура 28°C в продължение на 18 дни.
Култивирането се извършва в синтетична среда (Таблица 1 - състав на синтетичната среда) с добавяне на хранителни вещества, които стимулират бактериалния растеж. Хранителни вещества и двувалентен кадмий се добавят към синтетичната среда преди засяването на бактериалната култура. Съставът на хранителните вещества и последователността на тяхното добавяне са показани в таблица 2. Всички хранителни вещества, с изключение на витамините, се автоклавират при 1 atm за 30 минути. Витамините се стерилизират чрез филтриране с бактериален филтър (0,20 микрона).
Засяването се извършва в стерилни контейнери с поставено фолио, обемът на инокулума (SRB култура) в количество 10% от обема на контейнера. Контейнерите с инокулум се пълнят догоре със синтетична среда (с всички добавени хранителни вещества). рН на средата се регулира до 7,0-7,8 с разтвор на NaHC03. Бутилките се затварят с алуминиеви капачки, запечатват се и се поставят в термостат при температура 28°С. Образуването на кристали от кадмиев сулфид става върху фолиото и частично на дъното на бутилката. След култивиране, утайката се събира от фолиото и от дъното на флакона чрез центрофугиране и се суши на въздух. Примери за изпълнение на изобретението в лабораторни условияса дадени по-долу.
Чиста култура на SRB Desulfovibrio sp. А2 се култивира върху синтетична среда, съдържаща двувалентен кадмий в концентрация 150 mgCd/L и алуминиево фолио. Получават се кристали на кадмиев сулфид върху фолиото и частично на дъното на бутилка от 120 ml. Флакони с алуминиево фолио се стерилизират чрез суха топлина в стерилизатор при 160 ° С в продължение на 2, 2 часа.
Засяването се извършва в стерилен капак с ламинарен поток, който предварително се дезинфекцира с ултравиолетова светлина в продължение на 30 минути. Преди засяване синтетичната среда (Таблица 1) се довежда до кипене и след това бързо се охлажда под течаща студена вода, за да се отстрани разтвореният кислород. Към охладената до стайна температура среда се добавят хранителни вещества (таблица 2) (на 1 литър) в следната последователност: витамини (2 ml), солев разтвор (10 ml), разтвор на кофактор (1 ml), органичен субстрат - лактат (1 0,6 ml), разтвор на NaHC03 (рН коригирано до 7,0-7,8), разтвор на натриев сулфид (2 ml). Добавя се изходен разтвор на кадмий (CdCl 2 × 2,5 H 2 O 2 g на 100 ml вода) в количество от 16,72 ml на 1 литър синтетична среда (по този начин се получава концентрация на кадмий в средата от 150 mg/l постигнати).
Във флакони с фолио се добавят около 50 ml синтетична среда с добавени към нея добавки и 10 ml инокулум (бактериална култура), след което средата се добавя до върха. Гумените запушалки се смилат до краищата на флаконите с помощта на стерилна игла, което намалява вероятността от проникване на кислород от въздуха. В края на сеитбата бутилките се затварят с алуминиеви капачки, бутилката се запечатва с машина за зашиване и термостатът се поставя на температура 28°C. Кристализацията на кадмиев сулфид започва след 10 дни култивиране; при култивиране в продължение на 18 дни кадмиевият сулфид кристализира напълно. Образуваната утайка се събира от фолиото и от дъното на флакона чрез центрофугиране и се суши на въздух. Масата на образуваната утайка е 0,38 g.
Образуваните седименти са изследвани с помощта на сканираща електронна микроскопия (Philips SEM515 с анализатор EDAX ECON IV). Кристалната фаза се определя чрез рентгенов фазов анализ с помощта на Shimadzu XRD 6000 дифрактометър.
Размерът на кристала се определя чрез сканиране електронен микроскоп, беше 50-300 µm, Фигура 1 - микрографии (SEM) на седименти, получени по време на култивирането на Desulfovibrio sp. A2 в присъствието на Cd йони (150 mg/l) за 18 дни и съответната е.д.с. Утайки, получени чрез култивиране на щама Desulfovibrio sp. A2, съдържа кадмий, сяра, желязо, кислород, въглерод и натрий, като въглеродът и кислородът идват от въглеродния субстрат, върху който лежи пробата. Съотношението на елементите е представено в Таблица 3 - елементен състав на утайките, получени при култивирането на Desulfovibrio sp. A2 в присъствието на Cd йони (150 mg/l) в продължение на 18 дни (елементите C и O идват от субстрата, върху който лежи пробата).
При изследване на седименти чрез рентгенофазов анализ е показано образуването на кристален кадмиев сулфид в рамките на 18 дни (Фигура 2 - дифракционна картина на седименти, получени чрез култивиране на Desulfovibrio sp. A2 в присъствието на първоначална концентрация на Cd (150 mg/l ) за 18 дни Означения върху дифракционната картина: CdS - кадмиев сулфид).
В контролните седименти, получени по време на инкубация без добавяне на инокулум, не се наблюдава кристална фаза и основните елементи са кадмий и кислород. Методът, който предлагаме, включва възможността за използване на отпадъчни води и течни отпадъци от минни и преработвателни металургични предприятия като синтетична среда за производството на кадмиев сулфид.
| маса 1 | |
| реагент | Концентрация, mg/l |
| Na2SO4 | 4000 |
| MgCl2·6H2O | 400 |
| NaCl (25%) | 0,0125* |
| FeSO 4 * 7H 2 O | 2,1 |
| N 3 VO 3 | 0,03 |
| MnCl2*4H2O | 0,1 |
| CoCl2*6H2O | 0,19 |
| NiCl2*6H2O | 0,024 |
| CuCl2*2H2O | 0,002 |
| ZnSO 4 * 7H 2 O | 0,144 |
| Na 2 MoO 4 * 2H 2 O | 0,036 |
| CuSO 4 * 7H 2 O | 750 |
| H2O | 1 л |
| * - ml/l | |
| таблица 2 | ||
| Разтвор (приложено количество на 1 литър синтетична среда) | ||
| реагент | Концентрация | |
| 4-аминобензоена киселина | 4 mg/l | |
| Биотин (витамин H) | 1 mg/l | |
| Никотинова киселина (витамин B5) | 10 mg/l | |
| 1. Витамини (2 ml/l) | Калциев пантотенат (витамин B3) | 5 mg/l |
| Пиридоксин дихидрохлорид (витамин B6) | 15 mg/l | |
| Цианокобаламин (витамин В12) | 5 mg/l | |
| Тиамин (витамин B1) | 10 mg/l | |
| Рибофлавин (витамин B2) | 0,5 mg/l | |
| Фолиева киселина | 0,2 mg/l | |
| KH 2 PO 4 | 20 g/l | |
| NH4CI | 25 g/l | |
| 2. Разтвор на сол (10 ml/l) | NaCl | 100 g/l |
| KCl | 50 g/l | |
| CaCl2 | 11,3 g/l | |
| H2O | 1 л | |
| 3. Кофакторно решение (1 ml/l) | NaOH | 4 g/l |
| Na 2 SeO 3 × 5H 2 O | 6 mg/l | |
| Na 2 WO 4 × 2H 2 O | 8 mg/l | |
| 4. Разтвор на лактат (1,6 ml/l) | ||
| лактат | 40% | |
| 5. Разтвор на Na 2 S (2 ml/l) | ||
| Na 2 S × 9H 2 O | 4,8 g | |
| Таблица 3 | ||
| елемент | Тегловна фракция (Wt%) | Атомна фракция (At%) |
| СЪС | 7,56 | 15,1 |
| О | 2,75 | 4,1 |
| Na | 0,41 | 0,4 |
| С | 23,3 | 44,5 |
| Cd | 64,7 | 35,4 |
| Fe | 1,28 | 0,5 |
ИСК
1. Метод за получаване на кристален кадмиев сулфид чрез поставяне на сулфат-редуциращи бактерии в синтетична среда, съдържаща метали с добавяне на хранителни вещества, включително разтвори на витамини, соли, кофактори, характеризиращ се с това, че сулфат-редуциращите бактерии Desulfovibrio sp. се използват по време на култивирането. A2, използвайте синтетична среда, съдържаща източник на кадмиеви йони - разтвор на кадмиев хлорид, като концентрацията на кадмиеви йони в синтетичната среда е 150 mg/l, докато алуминиевото фолио се поставя в контейнера за култивиране, култивирането се извършва при температура от 28°C в продължение на 18 дни и Утайката, съдържаща кристали на кадмиев сулфид, събрана от фолиото и от дъното на бутилката, се изсушава.
Традиционно кадмиевият сулфид се използва като багрило. Може да се види в картините на такива велики художници като Ван Гог, Клод Моне, Матис. IN последните годиниИнтересът към него е свързан с използването на кадмиев сулфид като филмово покритие за слънчеви клетки и във фоточувствителни устройства. Тази връзка се характеризира с добър омичен контакт с много материали. Неговото съпротивление не зависи от големината и посоката на тока. Благодарение на това материалът е обещаващ за използване в оптоелектрониката, лазерната технология и светодиодите.
общо описание
Кадмиевият сулфид е неорганично съединение, който се среща в природата под формата на редките минерали цинкова бленда и хаулиит. Те не представляват интерес за индустрията. Основният източник на кадмиев сулфид е изкуственият синтез.
от външен видтова съединение е жълт прах. Нюансите могат да варират от лимонено до оранжево-червено. Благодарение на яркия си цвят и висока устойчивост на външни влияния, кадмиевият сулфид се използва като висококачествено багрило. Веществото става широко достъпно през 18 век.
Химичната формула на съединението е CdS. Има 2 структурни форми на кристали: хексагонална (вюрцит) и кубична (цинкова бленда). Под въздействието на високо налягане се образува и трета форма, като каменната сол.
Кадмиев сулфид: свойства
Материал с шестоъгълна решетъчна структура има следните физични и механични свойства:
- точка на топене - 1475 °C;
- плътност - 4824 kg/m3;
- коефициент на линейно разширение - (4,1-6,5) μK -1;
- твърдост по скалата на Моос - 3,8;
- температура на сублимация - 980 °C.
Тази връзка е директен полупроводник. При облъчване със светлина неговата проводимост се увеличава, което прави възможно използването на материала като фоторезистор. При легиране с мед и алуминий се наблюдава ефект на луминесценция. CdS кристалите могат да се използват в твърдотелни лазери.
Разтворимостта на кадмиевия сулфид във вода липсва, в разредени киселини е слаба, а в концентрирана солна и сярна киселина е добра. Cd също се разтваря добре в него.
Веществото се характеризира със следното Химични свойства:
- утаява се при излагане на разтвор на сероводород или алкални метали;
- при реакция с солна киселинаОбразуват се CdCl2 и сероводород;
- когато се нагрява в атмосфера с излишък на кислород, той се окислява до сулфат или оксид (това зависи от температурата в пещта за изпичане).
Касова бележка
Кадмиевият сулфид се синтезира по няколко начина:
- по време на взаимодействието на кадмий и серни пари;
- в реакцията на органосерни и кадмиеви съединения;
- утаяване от разтвор под въздействието на H 2 S или Na 2 S.
Филмите на базата на това вещество се произвеждат по специални методи:
- химическо утаяване с използване на тиокарбамид като източник на сулфидни аниони;
- атомизация, последвана от пиролиза;
- методът на молекулярно-лъчева епитаксия, при който кристалите се отглеждат във вакуумни условия;
- в резултат на зол-гел процеса;
- чрез метод на йонно разпрашване;
- анодиране и електрофореза;
- по метода на ситопечат.
За да се направи пигментът, утаеният твърд кадмиев сулфид се измива и калцинира, за да се получи шестоъгълна форма. кристална решеткаи след това се смила на прах.
Приложение
Багрилата на основата на това съединение имат висока устойчивост на топлина и светлина. Добавките от селенид, кадмиев телурид и живачен сулфид ви позволяват да промените цвета на праха до зелено-жълт и червено-виолетов. Пигментите се използват при производството на полимерни продукти.
Има и други области на приложение на кадмиев сулфид:
- детектори (записващи устройства) на елементарни частици, включително гама лъчение;
- тънкослойни транзистори;
- пиезоелектрични преобразуватели, способни да работят в GHz диапазон;
- производство на нанопроводници и тръби, които се използват като луминесцентни етикети в медицината и биологията.
Слънчеви клетки с кадмиев сулфид
Тънкослойните соларни панели са едно от най-новите изобретения в алтернативната енергия. Развитието на тази индустрия става все по-важно, тъй като запасите от минерали, използвани за производство на електроенергия, бързо се изчерпват. Предимствата на слънчевите клетки на базата на кадмиев сулфид са следните:
- по-ниски материални разходи при производството им;
- повишаване на ефективността на преобразуване на слънчевата енергия в електрическа (от 8% за традиционните видове батерии до 15% за CdS/CdTe);
- възможността за генериране на енергия при липса на директни лъчи и използване на батерии в мъгливи зони, на места с високо ниво на прах.
Филмите, използвани за направата на слънчеви клетки, са с дебелина само 15-30 микрона. Те имат гранулирана структура, размерът на елементите е 1-5 микрона. Учените смятат, че тънкослойните батерии в бъдеще ще могат да се превърнат в алтернатива на поликристалните батерии поради техните непретенциозни условия на работа и дълъг експлоатационен живот.
(Кадмий)Cd , химичен елемент 12 ( IIб ) групи Периодичната таблица. Атомен номер 48, относителен атомна маса 112.41. Естественият кадмий се състои от осем стабилни изотопа: 106 Cd (1,22%), 108 Cd (0,88%), 110 Cd (12,39%), 111 Cd (12,75%), 112 Cd (24,07%), 113 Cd (12,26%), 114 Cd (28,85%) и 116 Cd (7,58%). Степен на окисление +2, рядко +1.Кадмият е открит през 1817 г. от немския химик Фридрих Стромайер (
Стромайер Фридрих ) (17761835).При проверка на цинков оксид, произведен от една от фабриките на Шенебек, възникна подозрение, че съдържа примес от арсен. Когато лекарството се разтвори в киселина и през разтвора се прекара сероводород, се образува жълта утайка, подобна на арсеновите сулфиди, но по-щателна проверка показа, че този елемент не присъства. За окончателното заключение, проба от подозрителен цинков оксид и други цинкови препарати (включително цинков карбонат) от същата фабрика бяха изпратени на Фридрих Щромайер, който от 1802 г. заемаше катедрата по химия в университета в Гьотинген и длъжността генерален инспектор на Хановерски аптеки.
Като калцинира цинков карбонат, Strohmeyer получи оксид, но не бял, както би трябвало да бъде, а жълтеникав. Той предположи, че цветът е от примес на желязо, но се оказа, че няма желязо. Strohmeyer напълно анализира цинковите препарати и установи, че жълтият цвят се появява поради нов елемент. Наречен е на цинковата руда, в която е намерен: гръцката дума
кадмея , „кадмиева пръст“ древно имеСмитсонит ZnCO 3. Тази дума, според легендата, идва от името на финикийския Кадъм, който уж е първият, който е намерил цинков камък и е забелязал способността му да придава на медта (когато се топи от руда) златист цвят. Това е името на героя древногръцка митология: според една легенда Кадъм побеждава Дракона в труден двубой и на неговите земи построява крепостта Кадмея, около която след това израства градът със седем порти Тива.Разпространение на кадмий в природата и неговото промишлено извличане. Съдържание на кадмий в земната корае 1,6·10 5%. Той е близо до антимона (2·105%) и два пъти по-разпространен от живака (8·106%). Кадмият се характеризира с миграция в горещи подземни води заедно с цинк и други химични елементи, склонни към образуване на естествени сулфиди. Концентрира се в хидротермални утайки. Вулканичните скали съдържат до 0,2 mg кадмий на kg; сред седиментните скали най-богати на кадмий са глините (до 0,3 mg/kg), в по-малка степен варовиците и пясъчниците (около 0,03 mg/kg). Средното съдържание на кадмий в почвата е 0,06 mg/kg.Кадмият има свой собствен минерал грийнокит
CdS, отавит CdCO 3, монтепонит CdO . Те обаче не формират собствени депозити. Единственият промишлено значим източник на кадмий са цинковите руди, където той се съдържа в концентрация от 0,015%. Кадмият се натрупва и в галенит (до 0,02%), халкопирит (до 0,12%), пирит (до 0,02%), станит (до 0,2%). Общите световни ресурси на кадмий се оценяват на 20 милиона тона, промишлените - на 600 хиляди тона.Характеристики на просто вещество и промишлено производство на метален кадмий. Кадмиево сребро твърдосъс синкав блясък върху свежа повърхност, мек, ковък, ковък метал, лесно се навива на листове, лесно се полира. Подобно на калая, кадмиевите пръчки издават пукащ звук, когато се огъват. Топи се при 321,1° C, кипи при 766,5° C, плътност 8,65 g/cm 3, което позволява да се класифицира като тежък метал.Кадмият е стабилен на сух въздух. Във влажен въздух бързо избледнява, а при нагряване лесно взаимодейства с кислород, сяра, фосфор и халогени. Кадмият не реагира с водород, азот, въглерод, силиций и бор.
Кадмиевите пари взаимодействат с водните пари, за да отделят водород. Киселините разтварят кадмий, за да образуват соли на този метал. Кадмият редуцира амониевия нитрат в концентрирани разтвори до амониев нитрит. Той се окислява във воден разтвор от катиони на някои метали, като мед (
II) и желязо (III ). За разлика от цинка, кадмият не взаимодейства с алкални разтвори.Основните източници на кадмий са междинните продукти от производството на цинк. Металните утайки, получени след пречистване на разтвори на цинков сулфат чрез действието на цинков прах, съдържат 212% кадмий. Фракциите, образувани по време на дестилационното производство на цинк, съдържат 0,7-1,1% кадмий, а фракциите, получени по време на ректификационното пречистване на цинка, съдържат до 40% кадмий. Кадмият се извлича и от прах от топилни заводи за олово и мед (може да съдържа съответно до 5% и 0,5% кадмий). Прахът обикновено се третира с концентрирана сярна киселина и след това кадмиевият сулфат се излугва с вода.
Кадмиевата гъба се утаява от разтвори на кадмиев сулфат чрез действието на цинков прах, след това се разтваря в сярна киселина и разтворът се пречиства от примеси чрез действието на цинков оксид или натриев карбонат, както и чрез йонообменни методи. Металният кадмий се изолира чрез електролиза върху алуминиеви катоди или чрез редукция с цинк.
За да се отстранят цинкът и оловото, металният кадмий се разтопява под слой алкали. Стопилката се обработва с алуминий за отстраняване на никела и амониев хлорид за отстраняване на талия. Използвайки допълнителни методи за пречистване, е възможно да се получи кадмий със съдържание на примеси от 10 5% от теглото.
Годишно се произвеждат около 20 хиляди тона кадмий. Обемът на производството му до голяма степен е свързан с мащаба на производството на цинк.
Най-важната област на приложение на кадмий е производството на химически източници на енергия. Кадмиевите електроди се използват в батерии и акумулатори. Отрицателните пластини на никел-кадмиевите батерии са направени от железни мрежи с кадмиева гъба като активен агент. Положителните плочи са покрити с никелов хидроксид. Електролитът е разтвор на калиев хидроксид. Компактните батерии за управляеми ракети също се изработват на базата на кадмий и никел, само че в този случай като основа са монтирани не желязо, а никелови мрежи.
Процесите, протичащи в никел-кадмиева алкална батерия, могат да бъдат описани с общото уравнение:
Cd + 2NiO(OH) + 2H 2 O Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 Никел-кадмиевите алкални батерии са по-надеждни от оловно-киселинните батерии. Тези източници на ток се отличават с високи електрически характеристики, стабилна работа и дълъг експлоатационен живот. Те могат да бъдат заредени само за един час. Но никел-кадмиевите батерии не могат да се презареждат, без преди това да са напълно разредени (в това отношение те са по-ниски от металните хидридни батерии).Кадмият се използва широко за нанасяне на антикорозионни покрития върху метали, особено в случаи на контакт с морска вода. Най-важните части на кораби, самолети, както и различни продукти, предназначени за експлоатация в тропически климат, са покрити с кадмий. Преди това желязото и другите метали са били покрити с кадмий чрез потапяне на продукти в разтопен кадмий; сега кадмиевото покритие се нанася електролитно.
Кадмиевите покрития имат някои предимства пред цинковите: те са по-устойчиви на корозия и по-лесно се правят равномерни и гладки. Високата пластичност на такива покрития осигурява херметичността на резбовите връзки. Освен това кадмият, за разлика от цинка, е стабилен в алкална среда.
Покритието с кадмий обаче има своите проблеми. Когато кадмий се прилага електролитно върху стоманена част, съдържащият се в електролита водород може да проникне в метала. Той причинява така наречената водородна крехкост в стомани с висока якост, което води до неочаквано разрушаване на метала при натоварване. За да се предотврати това явление, в кадмиевите покрития се въвежда титанова добавка.
Освен това кадмият е токсичен. Следователно, въпреки че кадмиевият калай се използва доста широко, за производството на кухненски прибори и съдове за хранителни продуктизабранено е използването му.
Около една десета от световното производство на кадмий се изразходва за производството на сплави. Кадмиевите сплави се използват главно като антифрикционни материали и припои. Сплавта, съдържаща 99% кадмий и 1% никел, се използва за производството на лагери, работещи в автомобилни, самолетни и морски двигатели при условия високи температури. Тъй като кадмият не е достатъчно устойчив на киселини, включително органични киселини, съдържащи се в смазочните материали, носещите сплави на базата на кадмий понякога се покриват с индий.
Легирането на мед с малки добавки на кадмий прави възможно проводниците на електрическите транспортни линии да бъдат по-устойчиви на износване. Медта с добавка на кадмий почти не се различава по електрическа проводимост от чистата мед, но значително превъзхожда по сила и твърдост.
Кадмият е включен в метала на Ууд, нискотопима сплав, съдържаща 50% бисмут, 25% олово, 12,5% калай, 12,5% кадмий. Сплавта на Ууд може да се разтопи във вряща вода. Любопитно е, че първите букви на компонентите на сплавта на Ууд образуват съкращението VOSK.Тя е изобретена през 1860 г. от не много известен английски инженерБ.Ууд (
б. дърво ). Това изобретение често погрешно се приписва на неговия съименник, известния американски физик Робърт Уилямс Ууд, който се роди само осем години по-късно. Нискотопимите кадмиеви сплави се използват като материал за производство на тънки и сложни отливки, в автоматични противопожарни системи и за запояване на стъкло към метал. Припоите, съдържащи кадмий, са доста устойчиви на температурни колебания.Рязкото нарастване на търсенето на кадмий започва през 40-те години на миналия век и е свързано с използването на кадмий в ядрената индустрия; беше открито, че той абсорбира неутрони и от него започнаха да се правят контролни и аварийни пръти ядрени реактори. Способността на кадмия да абсорбира неутрони със строго определени енергии се използва при изследване на енергийните спектри на неутронните лъчи.
Кадмиеви съединения. Кадмият образува бинарни съединения, соли и множество сложни, включително органометални съединения. В разтворите се свързват молекулите на много соли, по-специално халиди. Разтворите имат леко кисела среда поради хидролиза. При излагане на алкални разтвори, започвайки от pH 78, се утаяват основни соли.Кадмиев оксид
CdO получени чрез взаимодействие прости веществаили чрез калциниране на кадмиев хидроксид или карбонат. В зависимост от "термичната история" може да бъде зеленикаво-жълт, кафяв, червен или почти черен. Това отчасти се дължи на размера на частиците, но до голяма степен е резултат от дефекти на решетката. Над 900°C кадмиевият оксид е летлив, а при 1570°C се сублимира напълно. Има полупроводникови свойства.Кадмиевият оксид е лесно разтворим в киселини и слабо в основи, лесно се редуцира от водород (при 900 ° C), въглероден оксид (над 350 ° C), въглерод (над 500 ° C).
Като електроден материал се използва кадмиев оксид. Включва се в смазочни масла и партиди за производство на специални стъкла. Кадмиевият оксид катализира редица реакции на хидрогениране и дехидрогениране.
Кадмиев хидроксид
Cd(OH ) 2 се утаява като бяла утайка от водни разтвори на кадмиеви соли ( II ) при добавяне на алкали. Когато е изложен на много концентрирани алкални разтвори, той се превръща в хидроксокадмати, като напр Na2[Cd(OH ) 4 ]. Кадмиевият хидроксид реагира с амоняк, за да образува разтворими комплекси:Cd(OH) 2 + 6NH 3 H 2 O = (OH) 2 + 6H 2 OВ допълнение, кадмиевият хидроксид преминава в разтвор под въздействието на цианиди на алкални елементи. Над 170°C се разлага до кадмиев оксид. Взаимодействието на кадмиев хидроксид с водороден пероксид във воден разтвор води до образуване на пероксиди с различен състав.Кадмиевият хидроксид се използва за получаване на други кадмиеви съединения, а също и като аналитичен реагент. Той е част от кадмиевите електроди в източници на ток. Освен това кадмиевият хидроксид се използва в декоративни стъкла и емайли.
Кадмиев флуорид
CdF 2 е слабо разтворим във вода (4,06% тегловни при 20°C), неразтворим в етанол. Може да се получи чрез действието на флуор върху метал или флуороводород върху кадмиев карбонат.Като оптичен материал се използва кадмиев флуорид. Той е съставна част на някои стъкла и фосфори, както и на твърди електролити в химически източници на ток.
Кадмиев хлорид
CdCl 2 е силно разтворим във вода (53,2% тегловни при 20°C). Неговата ковалентна природа го прави относително ниска температуратопене (568,5° С), както и разтворимост в етанол (1,5% при 25° С).Кадмиевият хлорид се получава чрез взаимодействие на кадмий с концентрирана солна киселина или хлориране на метала при 500°C.
Кадмиевият хлорид е компонент на електролитите в кадмиевите галванични елементи и сорбентите в газовата хроматография. Той е част от някои решения във фотографията, катализатори в органичния синтез и потоци за отглеждане на полупроводникови кристали. Използва се като щипка при боядисване и щамповане на тъкани. Органокадмиевите съединения се получават от кадмиев хлорид.
Кадмиев бромид
CdBr 2 образува люспести кристали с перлен блясък. Той е много хигроскопичен, силно разтворим във вода (52,9% тегловни при 25°C), метанол (13,9% тегловни при 20°C), етанол (23,3% тегловни при 20°C).Кадмиевият бромид се получава чрез бромиране на метала или чрез действието на бромоводород върху кадмиев карбонат.
Кадмиевият бромид служи като катализатор в органичния синтез, е стабилизатор на фотографски емулсии и компонент на вибриращи състави във фотографията.
Кадмиев йодид
CdI 2 образува блестящи листовидни кристали, те имат слоеста (двуизмерна) кристална структура. Известни са до 200 политипа на кадмиев йодид, които се различават по последователността на слоевете с хексагонална и кубична плътна опаковка.За разлика от други халогени, кадмиевият йодид не е хигроскопичен. Той е силно разтворим във вода (46,4% тегловни при 25°C). Кадмиевият йодид се получава чрез йодиране на метала чрез нагряване или в присъствието на вода, както и чрез действието на йодоводород върху кадмиев карбонат или оксид.
Кадмиевият йодид служи като катализатор в органичния синтез. Той е съставна част на пиротехнически състави и смазки.
Кадмиев сулфид CdS вероятно е първото съединение на този елемент, към което индустрията се интересува. Образува лимоненожълти до оранжевочервени кристали. Кадмиевият сулфид има полупроводникови свойства.
Това съединение е практически неразтворимо във вода. Освен това е устойчив на алкални разтвори и повечето киселини.
Кадмиевият сулфид се получава чрез взаимодействие на кадмиеви и серни пари, утаяване от разтвори под въздействието на сероводород или натриев сулфид и реакции между кадмиеви и органосерни съединения.
Кадмиевият сулфид е важно минерално багрило, по-рано наричано кадмиево жълто.
В бояджийския бизнес впоследствие жълтият кадмий започва да се използва по-широко. По-специално, леките автомобили бяха боядисани с него, тъй като, наред с други предимства, тази боя издържа добре на локомотивния дим. как оцветителКадмиевият сулфид се използва и в производството на текстил и сапун. Съответни колоидни дисперсии бяха използвани за получаване на цветни прозрачни стъкла.
През последните години чистият кадмиев сулфид беше заменен от по-евтини пигменти като кадмопон и цинк-кадмиев литопон. Cadmopon е смес от кадмиев сулфид и бариев сулфат. Получава се при смесване на две разтворими соликадмиев сулфат и бариев сулфид. В резултат на това се образува утайка, съдържаща две неразтворими соли:
CdSO 4 + BaS = CdS
Ї + BaSO 4 ЇЦинк-кадмиевият литопон също съдържа цинков сулфид. При производството на това багрило се утаяват три соли едновременно. Литопон крем или цвят слонова кост.
С добавянето на кадмиев селенид, цинков сулфид, живачен сулфид и други съединения, кадмиевият сулфид произвежда термично стабилни пигменти с ярки цветове, вариращи от бледо жълто до тъмно червено.
Кадмиевият сулфид придава на пламъка син цвят. Това свойство се използва в пиротехниката.
Освен това кадмиевият сулфид се използва като активна среда в полупроводникови лазери. Може да се използва като материал за производството на фотоклетки, слънчеви клетки, фотодиоди, светодиоди и фосфор.
Кадмиев селенид CdSe образува тъмночервени кристали. Той е неразтворим във вода и се разлага със солна, азотна и сярна киселина. Кадмиевият селенид се получава чрез сливане на прости вещества или от газообразен кадмий и селен, както и чрез утаяване от разтвор на кадмиев сулфат под действието на селеноводород, реакцията на кадмиев сулфид със селенова киселина и взаимодействието между кадмиеви и органоселенови съединения .
Кадмиевият селенид е фосфор. Той служи като активна среда в полупроводникови лазери и е материал за производството на фоторезистори, фотодиоди и слънчеви клетки.
Кадмиевият селенид е пигмент за емайллакове, глазури и художествени бои. Рубинено стъкло е оцветено с кадмиев селенид. Именно това, а не хромният оксид, както в самия рубин, направи звездите на Московския Кремъл рубиненочервени.
Кадмиев телурид CdTe може да варира в цвят от тъмно сиво до тъмно кафяво. Не се разтваря във вода, а се разлага концентрирани киселини. Получава се при взаимодействието на течен или газообразен кадмий и телур.
Кадмиевият телурид, който има полупроводникови свойства, се използва като рентгеново и
ж -радиация, а живачно-кадмиевият телурид е намерил широко приложение (особено за военни цели) в инфрачервени детектори за термично изображение.Когато се наруши стехиометрията или се въведат примеси (например медни и хлорни атоми), кадмиевият телурид придобива фоточувствителни свойства. Използва се в електрофотографията.
Органокадмиеви съединения CdR 2 и CdRX (R = CH 3, C 2 H 5, C 6 H 5 и други въглеводородни радикали, X халогени, OR, SR и т.н.) обикновено се получават от съответните реактиви на Гриняр. Те са по-малко термично стабилни от техните цинкови аналози, но като цяло са по-малко реактивни (обикновено незапалими във въздуха). Повечето от тях важна областприложение е производството на кетони от киселинни хлориди.
Биологична роля на кадмия. Кадмият се съдържа в организмите на почти всички животни (при сухоземните е около 0,5 mg на 1 kg маса, а при морските е от 0,15 до 3 mg/kg). В същото време се смята за един от най-токсичните тежки метали.Кадмият се концентрира в тялото главно в бъбреците и черния дроб, докато съдържанието на кадмий в тялото се увеличава с напредване на възрастта. Натрупва се под формата на комплекси с протеини, които участват в ензимните процеси. Влизайки в тялото отвън, кадмият има инхибиторен ефект върху редица ензими, като ги унищожава. Действието му се основава на свързване на SH групата на цистеинови остатъци в протеини и инхибиране на SH ензими. Той може също така да инхибира действието на цинк-съдържащи ензими чрез изместване на цинка. Поради близостта на йонните радиуси на калций и кадмий, той може да замести калция в костната тъкан.
Хората се отравят с кадмий чрез пиене на вода, замърсена с отпадъци, съдържащи кадмий, както и зеленчуци и зърнени култури, растящи на земи, разположени в близост до петролни рафинерии и металургични заводи. Гъбите имат специална способност да натрупват кадмий. Според някои доклади съдържанието на кадмий в гъбите може да достигне единици, десетки и дори 100 или повече милиграма на килограм собствено тегло. Кадмиевите съединения са сред вредните вещества, открити в тютюневия дим (една цигара съдържа 12 mcg кадмий).
Класически пример за хронично отравяне с кадмий е заболяване, описано за първи път в Япония през 50-те години на миналия век и наречено „итай-итай“. Заболяването е придружено от силна болка в лумбалната област и болки в мускулите. Появяват се и характерни признаци на необратимо бъбречно увреждане. Регистрирани са стотици смъртни случаи на итай-итай. Заболяването стана широко разпространено поради силното замърсяване на околната среда в Япония по онова време и специфичната диета на японците - основно ориз и морски дарове (те са способни да натрупват кадмий във високи концентрации). Проучванията показват, че хората с "Итай-Итай" консумират до 600 мкг кадмий на ден. Впоследствие, в резултат на мерките за опазване на околната среда, честотата и тежестта на синдроми като "Итай-Итай" значително намаля.
В САЩ е открита връзка между нивата на кадмий в атмосферата и честотата на смъртните случаи от сърдечно-съдови заболявания.
Смята се, че около 1 mcg кадмий на 1 kg телесно тегло може да влезе в човешкото тяло на ден без вреда за здравето. Питейната вода не трябва да съдържа повече от 0,01 mg/l кадмий. Антидотът при отравяне с кадмий е селенът, но консумацията на храни, богати на този елемент, води до намаляване на съдържанието на сяра в организма, в който случай кадмият отново става опасен.
Елена Савинкина
ЛИТЕРАТУРА Популярна библиотека химически елементи . М., Наука, 1977Карапетянц М.Х., Дракин С.И. Общи и неорганична химия . М., Химия, 1992
Грийнууд Н.Н., Ърншоу А. Химия на елементите, Оксфорд: Бътъруърт, 1997 г
Въведение
В момента броят на използваните материали в електронна технологияза различни цели възлиза на няколко хиляди. Според най-общата класификация те се делят на четири класа: проводници, полупроводници, диелектрици и магнитни материали. Сред най-важните и сравнително нови материали са полупроводниците химични съединения, сред които съединения от тип A II B VI представляват най-голям научен и практически интерес. Един от най-значимите материали от тази група е CdS.
CdS е основата на съвременната IR технология, тъй като неговият спектър на фоточувствителност покрива прозореца на прозрачност на атмосферата (8-14 µm), в който излъчват всички обекти от околната среда. Това позволява да се използва във военното дело, екологията, медицината и други индустрии. човешка дейност. Днес CdS се произвежда под формата на филм чрез хидрохимичен метод.
Целта на този курсов проект е да се изпълни проект за производство на чувствителни елементи на фоторезистори на базата на CdS по хидрохимичен метод с производителност 100 хиляди единици / година, както и запознаване с изчислителния метод, предназначен за предварително определяне на условията за образуване на CdS, хидроксид и кадмиев цианамид.
Характеристики на кадмиев сулфид
Диаграмата на системата Cd - S не е изградена; системата има едно съединение CdS, съществуващо в две модификации: b (шестоъгълна) и c (кубична). CdS се среща естествено под формата на минералите грийнокит и хаулиит.
Кристална структура
Съединенията от тип A II B VI обикновено кристализират в структурата на сфалерит или вюрцит. Структурата на сфалерита е кубична, тип B-3, пространствена група F4 3m (T d 2). Структурата на вюрцита е хексагонална, тип B-4, пространствена група P 6 3 mc (C 6v 4). Тези структури са много сходни една с друга, те имат еднакъв брой атоми както в първата, така и във втората координационна сфера - съответно 4 и 12. Междуатомните връзки в тетраедрите на двете модификации са много близки.
Кадмиевият сулфид е получен както със структури на сфалерит, така и с вюрцит.
Термодинамични и електрофизични свойства
Кадмиевият сулфид е едностранна фаза с променлив състав, винаги с излишък от кадмий. При нагряване до 1350°C кадмиевият сулфид сублимира при атмосферно налягане, без топене, във вакуум при 180°С се дестилира, без топене и без разлагане, при налягане 100 атм се топи при температура около 1750°С. Степента на дисоциация на кадмий при температури над 1000°C достига 85-98%. Топлина на образуване на CdS D H 298 0 = -34,71 kcal/mol.
В зависимост от условията на получаване и топлинна обработка свойствата на CdS могат да бъдат различни. По този начин кристалите, отглеждани в излишък от кадмиеви пари, имат значително по-висока топлопроводимост от кристалите, отглеждани при условия на стехиометричен състав. Съпротивлението на CdS, в зависимост от различни фактори, може да варира в широки граници (от 10 12 до 10 -3 ohm*m).
Отклоненията от стехиометрията имат решаващо влияние върху електрическите свойства на CdS. Въвеждането на кислород в пробите води до силно намаляване на електрическата проводимост. Забранената зона на CdS, определена от оптични данни, е 2,4 V. Кадмиевият сулфид обикновено има n-тип проводимост, което се дължи на липсата на сяра спрямо стехиометричния състав.
Разтворимостта на кадмий във вода е незначителна: 1,5 * 10 -10 mol/l.
