Кадмий в биосфере и его влияние на живые организмы

Министерство сельского хозяйства РФ Департамент кадровой политики и образования Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Государственный университет по землеустройству Кафедра почвоведения, экологии и природопользования

Реферат на тему:

«Кадмий в биосфере и его влияние на живые организмы»

Москва 2013 г.

1. Общая характеристика кадмия

1.1 История открытия кадмия

1.2 Физические свойства

1.3 Химические свойства

1.4 Важнейшие соединения кадмия

2. Основные источники поступления кадмия в окружающую среду

2.1 Кадмий в природе

2.2 Применение

2.3 Производство

2.4 Опасное действие кадмия на организм. Отравления кадмием

2.5 Защита организма от действия кадмия Заключение Список использованной литературы

Конец ХХ и начало ХХI века характеризуется широким использованием химических веществ во всех сферах человеческой деятельности, включая сельское хозяйство, производство продуктов питания и т. д. Согласно Программе Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). К основным задачам развития в XXI веке относят обеспечение химической безопасности и предотвращение вредного влияния потенциально опасных химических веществ на здоровье человека.

Значительную опасность для здоровья представляют собой тяжелые металлы и их соединения. Тяжелые металлы — естественные компоненты Земной коры. Они не могут быть деградированы или разрушены. В небольших количествах они попадают к нам в организм с пищей, питьевой водой и воздухом. Как элементы-следы, некоторые тяжелые металлы (например, медь, селен, цинк) необходимы для поддержания метаболизма человеческого организма. Однако, при более высоких концентрациях они могут вести к отравлению. Отравление тяжелым металлом может произойти, к примеру, при загрязнении питьевой воды (например, трубопровод), из-за высоких концентрации в окружающем воздухе вблизи источников эмиссии, или потреблении через пищевую цепь. Они опасны, потому что имеют тенденцию к биоаккумулированию. Биоаккумуляция означает увеличение концентрации химического элемента в биологическом организме, через какое-то время, по сравнению с концентрацией этого элемента в окружающей среде.

Все металлы по степени токсичности можно разделить на три группы:

1) высокотоксичные металлы — ртуть, уран, индий, кадмий, медь, таллий, мышьяк, золото, ванадий, платина, бериллий, серебро, цинк, никель, висмут;

2) умеренно токсичные металлы — марганец, хром, палладий, свинец, осмий, барий, иридий, олово, кобальт, галлий, молибден, скандий, сурьма, рутений, родий, лантан, лантаноиды;

3) малотоксичные металлы — алюминий, железо, германий, кальций, магний, стронций, цезий, рубидий, литий, титан, натрий.

Металлы расположены в каждом ряду по мере убывания их токсичности. Если токсичность ионов Na+ принять за единицу, то токсичность иона ртути будет почти в 2300 раз выше.

Практически каждый взрослый человек знает, что свинец и ртуть — это опасно, но мало кому известно, что не меньшую опасность представляет собой кадмий и его соединения, хотя на самом деле, кадмий (Cd) — один из самых опасных токсикантов внешней среды. [1]

1. Общая характеристика кадмия

1.1 История открытия химического элемента

Автором открытия кадмия в 1817 г. считается профессор Геттингенского университета Фридрих Штромейер. Однако было несколько сообщений разных авторов, и все они датированы весной 1818 г.

Осенью 1817 г. при проверке некоторых аптек округа Магдебург в Германии был обнаружен оксид цинка, содержавший какую-то примесь. Окружной врач Р. Ролов заподозрил присутствие в нем мышьяка и запретил продажу препарата. Владелец фабрики, выпускавшей оксид цинка, К. Германн не согласился с таким решением и приступил к исследованию злополучного продукта. В результате своих экспериментов он заключил, что вырабатываемый его фабрикой оксид цинка содержит примесь какого-то неизвестного металла. Полученные данные К. Германн опубликовал в апреле 1818 г. в статье «О силезском оксиде цинка и о найденном в нем вероятно еще неизвестном металле». Одновременно было опубликовано благоприятное заключение Ф. Штромейера, который подтвердил выводы Германна и предложил назвать новый металл кадмием.

Ф. Штромейер, который был генеральным инспектором аптек провинции Ганновер, поместил в другом журнале обстоятельную статью о новом металле. Статья, датированная 26 апреля 1818 г., опубликована в выпуске, на обложке которого проставлен 1817 г. Видимо, это обстоятельство в сочетании с тем, что Штромейер (с согласия Германна) дал наименование открытому металлу, и привело к ошибкам в определении как даты, так и автора открытия. [2]

1.2 Физические свойства

Кадмий — серебристо-белый металл, отливающий синевой на свежем срезе, однако тускнеющий на воздухе из-за образования защитной окисной пленки. Кадмий довольно мягкий металл — он тверже олова, но мягче цинка, его вполне возможно разрезать ножом. В совокупности с мягкостью сорок восьмой элемент обладает такими важными для промышленности качествами, как ковкость и тягучесть — он отлично прокатывается в листы и протягивается в проволоку, без особых проблем поддается полировке. При нагреве выше 80 °C кадмий теряет свою упругость, причем настолько, что его легко можно истолочь в порошок. Твердость кадмия по Моосу равна двум, по Бринеллю (для отожженного образца) 200−275 МПа. Предел прочности при растяжении 64 Мн/м2 или 6,4 кгс/мм2, относительное удлинение 50% (при температуре 20 °C), предел текучести 9,8 МПа.

Кадмий имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку с периодами: а = 0,296 нм, с = 0,563 нм, отношение с/а = 1,882, z = 2, энергия кристаллической решетки 116 мкДж/кмоль. Пространственная группа С6/mmm, атомный радиус 0,156 нм, ионный радиус Cd2+ 0,099 нм, атомный объем 13,01•10−6 м3/моль. Пруток из чистого кадмия при изгибании издает слабый треск подобно олову («оловянный крик») — это трутся друг о друга микрокристаллы металла, однако любые примеси в металле уничтожают этот эффект. Вообще по своим физическим, химическим и фармакологическим свойствам кадмий принадлежит к группе тяжелых металлов, имея более всего сходства с цинком и ртутью.

Температура плавления сорок восьмого элемента (321,1 °С) довольно низка и может быть сравнима с температурами плавления свинца (327,4 °С) или таллия (303,6 °С). Однако она отличается от температур плавления схожих по ряду свойств металлов — ниже, чем у цинка (419,5 °С), но выше, чем у олова (231,9 °С). Температура кипения кадмия тоже невысока — всего 770 °C, что довольно интересно — у свинца, как и у большинства других металлов разница между температурами плавления и кипения большая. Так у свинца температура кипения (1 745 °С) больше температуры плавления в 5 раз, а у олова, температура кипения которого 2 620 °С, в 11 раз больше температуры плавления! В тоже время, сходный с кадмием цинк имеет при температуре плавления в 419,5° С температуру кипения всего 960 °C. Коэффициент термического расширения для кадмия равен 29,8*10−6 (при температуре 25 °C). Ниже 0,519 К кадмий становится сверхпроводником. Теплопроводность сорок восьмого элемента при 0 °C составляет 97,55 вт/(м*К) или 0,233 кал/(см*сек*°С). Удельная теплоемкость кадмия (при температуре 25 °C) равна 225,02 дж/(кг*К) или 0,055 кал/(г*°С). Температурный коэффициент электросопротивления сорок восьмого элемента в температурном интервале от 0 °C до 100 °C равен 4,3*10−3, удельное электросопротивление сорок восьмого элемента (при температуре 20 °C) составляет 7,4*10−8 ом*м (7,4*10−6 ом*см). Кадмий диамагнитен, его магнитная восприимчивость -0,176,10−9 (при температуре 20 °С). Стандартный электродный потенциал -0,403 В. Электроотрицательность кадмия 1,7. Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 2450- 2900−10 ~ 28 м². Работа выхода электронов = 4,1 эВ.

Плотность (при комнатной температуре) сорок восьмого элемента 8,65 г/см3, что позволяет отнести кадмий к тяжелым металлам. По классификации Н. Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см3. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. И хотя кадмий легче свинца (плотность 11,34 г/см3) или ртути (13,546 г/см3), но тяжелее олова (7,31 г/см3). [3]

1.3 Химические свойства

В химических соединениях кадмий всегда проявляет валентность 2 (конфигурация внешнего электронного слоя 5s2) — дело в том, что у атомов элементов побочной подгруппы второй группы (цинк, кадмий, ртуть), как и у атомов элементов подгруппы меди, d-подуровень второго снаружи электронного слоя целиком заполнен. Однако у элементов подгруппы цинка этот подуровень уже вполне стабилен и удаление из него электронов требует очень большой затраты энергии. Другой характерной особенностью элементов подгруппы цинка, сближающей их с элементами подгруппы меди, является их склонность к комплексообразованию.

Как уже говорилось сорок восьмой элемент расположен в одной группе периодической системы с цинком и ртутью, занимая промежуточное место между ними, по этой причине ряд химических свойств всех этих элементов сходен. Например, оксиды и сульфиды данных металлов практически нерастворимы в воде.

В сухом воздухе кадмий устойчив, но во влажном на поверхности металла медленно образуется тонкая пленка оксида CdO, предохраняющая металл от дальнейшего окисления. При сильном накаливании кадмий сгорает, также превращаясь в оксид кадмия — кристаллический порошок от светло-коричневого до темно-бурого цвета (различие в цветовой гамме частично обусловлено размером частиц, но в большей степени является результатом дефектов кристаллической решетки), плотность CdO 8,15 г/см3; выше 900 °C оксид кадмия летуч, а при 1 570 °С полностью возгоняется. Пары кадмия реагируют с парами воды с выделением водорода.

Кислоты взаимодействуют с кадмием с образованием солей этого металла. Азотная кислота HNO3 легко растворяет сорок восьмой элемент, при этом выделяется оксид азота и образуется нитрат, который дает гидрат Cd (NO3)2*4H2O. Из других кислот — соляной и разбавленной серной — кадмий медленно вытесняет водород, объясняется это тем, что в ряду напряжений сорок восьмой элемент стоит дальше цинка, но впереди водорода. С растворами щелочей, в отличие от цинка, кадмий не взаимодействует. Кадмий восстанавливает нитрат аммония NH4NO3 в концентрированных растворах до нитрита аммония NH4NO2. Выше температуры плавления кадмий непосредственно соединяется с галогенами, образуя бесцветные соединения — кадмия галогениды. CdCl2, CdBr2 и CdI2 очень легко растворяются в воде (53,2% по массе при 20 °С), гораздо труднее растворим фторид кадмия CdF2 (4,06% по массе при 20 °С), который совершенно не растворим в этаноле. Его можно получить действием фтора на металл или фтороводорода на карбонат кадмия. Хлорид кадмия получают при взаимодействии кадмия с концентрированной соляной кислотой или хлорированием металла при 500 °C. Бромид кадмия получают бромированием металла или действием бромоводорода на карбонат кадмия. При нагревании кадмий взаимодействует с серой, образуя сульфид CdS (от лимонно-желтого до оранжево-красного цвета), нерастворимый в воде и разбавленных кислотах. При сплавлении кадмия с фосфором и мышьяком образуются соответственно фосфиды и арсениды составов Cd3P2 и CdAs2, с сурьмой — кадмия антимонид. С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором кадмий не реагирует. Косвенными путями получены легко разлагающиеся при нагревании гидрид CdH2 и нитрид Cd3N2.

Растворы солей кадмия имеют кислую реакцию вследствие гидролиза, едкие щелочи осаждают из них белый гидрооксид Cd (OH)2. При действии очень концентрированных растворов щелочей он превращается в гидроксокадматы, такие, как Na2[Cd (OH)4]. Гидроксид кадмия реагирует с аммиаком с образованием растворимых комплексов:

Cd (OH)2 + 6NH3*H2O > [Cd (NH3)6](OH)2 + 6H2O

Кроме того, Cd (OH)2 переходит в раствор под действием цианидов щелочных элементов. Выше 170 °C он разлагается до CdO. Взаимодействие гидроксида кадмия с пероксидом водорода в водном растворе приводит к образованию пероксидов разнообразного состава. 3]

1.4 Важнейшие соединения кадмия

Оксид кадмия CdO можно получить сжиганием металла на воздухе или в кислороде, обжигом его сульфида или термическим разложением некоторых соединений. Это порошок разного цвета, в зависимости от температуры, при которой он получен: зеленовато-желтый (350−370 °С.), густого темно-синего (800 °С.), коричневого, черного.

Гидроксид кадмия Cd (OH)2 в виде белого студенистого осадка выделяется из растворов его солей при действии щелочей.

Сульфид кадмия CdSодно из важнейших соединений кадмия. В зависимости от физико-химических условий получения он может быть от лимонно-желтого до красного цвета.

Галогениты кадмия достаточно легко получают прямым взаимодействием элементов, а также растворением кадмия, его оксида или карбоната в соответствующих кислотах. Все образующие соли — бесцветные кристаллические вещества.

Карбонат кадмия CdCО3 в виде белого аморфного осадка выпадает из растворов кадмия при добавлении к ним щелочных карбонатов. 2]

2. Основные источники поступления кадмия в окружающую среду

2.1 Кадмий в природе

Кадмий типично редкий и довольно рассеянный элемент, среднее содержание данного металла в земной коре (кларк) оценивается примерно 1,3*10−5% либо 1,6*10−5% по массе, получается, что в литосфере кадмия приблизительно 130 мг/т. Кадмия настолько мало в недрах нашей планеты, что даже считающегося редким германия в 25 раз больше! Приблизительно такие же соотношения у кадмия и с другими редкими металлами: бериллием, цезием, скандием и индием. Кадмий близок по распространенности к сурьме (2*10−5%) и в два раза более распространен, чем ртуть (8*10−6%).

Для сорок восьмого элемента характерна миграция в горячих подземных водах вместе с цинком (кадмий содержится в виде изоморфной примеси во многих минералах и всегда в минералах цинка) и другими халькофильными элементами, то есть химическими элементами, склонными к образованию природных сульфидов, селенидов, теллуридов, сульфосолей и иногда встречающихся в самородном состоянии. Кроме того, сорок восьмой элемент концентрируется в гидротермальных отложениях. Довольно богаты кадмием вулканические породы, содержащие до 0,2 мг кадмия на кг; среди осадочных пород наиболее богаты сорок восьмым элементом глины — до 0,3 мг/кг (для сравнения известняки содержат кадмия 0,035 мг/кг, песчанники — 0,03 мг/кг). Среднее содержание кадмия в почве — 0,06 мг/кг. Также, этот редкий металл присутствует в воде — в растворенном виде (сульфат, хлорид, нитрат кадмия) и во взвешенном виде в составе органо-минеральных комплексов. В природных условиях сорок восьмой элемент попадает в подземные воды в результате выщелачивания руд цветных металлов, а также в результате разложения водных растений и организмов, способных его накапливать. С начала XX века преобладающим фактором поступления кадмия в воды и почву стало антропогенное загрязнение кадмием природных вод. На содержание кадмия в воде существенное влияние оказывает pH среды (в щелочной среде кадмий выпадает в осадок в виде гидроксида), а также сорбционные процессы. По той же антропогенной причине кадмий присутствует и в воздухе. В сельской местности содержание кадмия в воздухе составляет 0,1−5,0 нг/м3 (1 нг или 1 нанограмм = 10−9 грамм), в городах — 2−15 нг/м3, в промышленных районах — от 15 до 150 нг/м3. Главным образом попадание кадмия в атмосферный воздух связано с тем, что многие угли, сжигаемые на теплоэлектростанциях, содержат этот элемент. Осаждаясь из воздуха, кадмий попадает в воду и почву. Увеличению содержания кадмия в почве способствует использование минеральных удобрений, ведь практически все они содержат незначительные примеси этого металла. Из воды и почвы кадмий попадает в растения и живые организмы и далее по пищевой цепочке может «поставляться» человеку.

Кадмий имеет собственные минералы: хоулиит, отавит CdCO3, монтемпонит CdO (содержит 87,5% Cd), гринокит CdS (77,8% Cd), ксантохроит CdS (H2O)х (77,2% Cd) кадмоселит CdSe (47% Cd). Однако своих месторождений они не образуют, а присутствуют в виде примесей в цинковых, медных, свинцовых и полиметаллических рудах (более 50), которые и являются основным источником промышленной добычи сорок восьмого элемента. Причем главную роль играют руды цинка, где концентрация кадмия колеблется от 0,01 до 5% (в сфалерите ZnS). В большинстве же случаев содержание кадмия в сфалерите не превышает 0,4 — 0,6%. Кадмий накапливается также в галените (0,005 — 0,02%), станните (0,003 — 0,2%), пирите (до 0,02%), халькопирите (0,006 — 0,12%), однако из этих сульфидов кадмий обычно не извлекается.

Кадмий способен накапливаться в растениях и живых организмах, по этой причине кадмий можно обнаружить в морских осадочных породах — сланцах (Мансфельд, Германия). Общие мировые ресурсы кадмия оцениваются в 20 млн тонн, промышленные — в 600 тыс. тонн.

2.2 Применение

Главным потребителем сорок восьмого элемента является производство химических источников тока: никель-кадмиевые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы, свинцово-кадмиевые и ртутно-кадмиевые элементы в резервных батареях, нормальные элементы Вестона. Применяемые в промышленности кадмийникелеве аккумуляторы (АКН) — одни из самых востребованных среди прочих химических источников тока. Отрицательные пластины подобных аккумуляторов выполнены из железных сеток с губчатым кадмием в качестве активного агента, а положительные пластины покрыты окисью никеля. В качестве электролита выступает раствор едкого кали (гидроксид калия). Никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы более надежны, чем кислотные свинцовые. Химические источники тока, использующие кадмий отличаются продолжительным сроком эксплуатации, стабильностью работы и высокими электрическими характеристиками. Помимо всего прочего, подзарядка данных аккумуляторов занимает менее одного часа! Однако АКН нельзя подзаряжать без полной предварительной разрядки, и в этом они, конечно же, уступают металлогидридным аккумуляторам.

Другая широкая область применения кадмия — нанесение защитных антикоррозионных покрытий на металлы (кадмирование). Кадмиевое покрытие надежно предохраняет железные и стальные изделия от атмосферной коррозии. В прошлом кадмирование производили путем погружения металла в расплавленный кадмий, современный процесс осуществляют исключительно электролитическим путем. Кадмированию подвергают наиболее ответственные детали самолетов, кораблей, а также детали и механизмы, предназначенные для работы в условиях тропического климата. Известно, что некоторые свойства цинка и кадмия схожи, однако у кадмиевого покрытия есть определенные преимущества перед оцинкованным: во-первых, оно более устойчиво к коррозии, во-вторых, его легче сделать ровным и гладким. Кроме того, в отличие от цинка, кадмий устойчив в щелочной среде. Кадмированная жесть используется довольно широко, однако существует область, в которой применение покрытия из сорок восьмого элемента строго запрещено — это пищевая промышленность. Связано это с высокой токсичностью кадмия. До определенного момента распространение кадмиевых покрытий было ограничено и по другой причине — при электролитическом нанесении кадмия на стальную деталь в металл может проникнуть содержащийся в электролите водород, а, как известно, этот элемент вызывает у высокопрочных сталей водородную хрупкость, приводящую к неожиданному разрушению металла под нагрузкой. Проблему удалось решить советским ученым из Института физической химии Академии наук СССР. Оказалось, что ничтожная добавка титана (один атом титана на тысячу атомов кадмия) предохраняет кадмированную стальную деталь от возникновения водородной хрупкости, поскольку титан в процессе нанесения покрытия поглощает из стали весь водород.

Порядка десятой части мирового производства кадмия расходуется на производство сплавов. Небольшая температура плавления — одна из причин широкого применения кадмия в легкоплавких сплавах. Таковым, например, является сплав Вуда, содержащий 12,5% сорок восьмого элемента. Подобные сплавы используют как припои, как материал для получения тонких и сложных отливок, в автоматических противопожарных системах, для спайки стекла с металлом. Припои, содержащие сорок восьмой элемент, довольно устойчивы к температурным колебаниям. Другая отличительная черта кадмиевых сплавов — их высокие антифрикционные свойства. Так, сплав, содержащий 99% кадмия и 1% никеля, применяют для изготовления подшипников, работающих в автомобильных, авиационных и судовых двигателях. Поскольку кадмий недостаточно стоек к действию кислот, в том числе и содержащихся в смазочных материалах органических кислот, подшипниковые сплавы на основе кадмия покрывают индием. Легирование меди малыми добавками кадмия (менее 1%) позволяет делать более износостойкие провода на линиях электрического транспорта. Столь ничтожные добавки кадмия способны значительно повысить прочность и твердость меди, практически не ухудшая ее электрических свойств. Амальгаму кадмия (раствор кадмия в ртути) используют в зубоврачебной технике для изготовления зубных пломб.

В сороковые годы XX века у кадмия появилось новое амплуа — из него стали делать регулирующие и аварийные стержни атомных реакторов. Причина, по которой сорок восьмой элемент в кратчайший срок стал стратегическим материалом, заключалась в том, что он очень хорошо поглощает тепловые нейтроны. А ведь первые реакторы начала «атомного века» работали исключительно на тепловых нейтронах. Лишь позже выяснилось, что реакторы на быстрых нейтронах более перспективны и для энергетики, и для получения ядерного горючего — 239Pu, а против быстрых нейтронов кадмий бессилен, он их не задерживает. Однако еще во времена реакторов на тепловых нейтронах кадмий утратил главенствующую роль, уступив ее бору и его соединениям.

Порядка 20% кадмия (в виде соединений) используется для производства неорганических красящих веществ. Сульфид кадмия CdS — важный минеральный краситель, ранее называвшийся кадмиевой желтью. Уже в начале XX века было известно, что можно получить кадмиевую желть шести оттенков, начиная от лимонно-желтого до оранжевого. Получаемые при этом краски устойчивы к слабым щелочам и кислотам, а к сероводороду совершенно не чувствительны. Краски на основе CdS использовались во многих областях — живописи, печати, росписи фарфора, ими покрывали пассажирские вагоны, защищая их от паровозного дыма. Красители, содержащие сульфид кадмия, использовали в текстильном и мыловаренном производствах. Однако в настоящее время довольно дорогой сульфид кадмия часто заменяют более дешевыми красителями — кадмопоном (смесь сульфида кадмия и сульфата бария) и цинко-кадмиевым литопоном (состав, как и у кадмопона, плюс сульфид цинка). Другое соединение сорок восьмого элемента — селенид кадмия CdSe — применяют как красную краску. Однако не только в производстве красящих веществ нашли свое применение соединения сорок восьмого элемента — сульфид кадмия, например, также применяется для производства плёночных солнечных батарей, коэффициент полезного действия которых составляет порядка 10−16%. Кроме того, CdS — довольно хороший термоэлектрический материал, который используется как компонент полупроводниковых материалов и люминофоров. Иногда кадмий используют в криогенной технике, что связано с его максимальной теплопроводностью (относительно прочих металлов) вблизи абсолютного нуля. 3]

2.3 Кадмий в производстве

Главные «поставщики» сорок восьмого элемента — это побочные продукты переработки цинковых, медно-цинковых и свинцово цинковых руд. Что же касается собственных минералов кадмия, то единственным, представляющим интерес в получении сорок восьмого элемента, является гринокит CdS, так называемая «кадмиевая обманка». Добывается гринокит совместно с фаеритом при разработке цинковых руд. В процессе переработки кадмий накапливается в побочных продуктах процесса, откуда его потом извлекают. При переработке полиметаллических руд, как говорилось ранее, кадмий является побочным продуктом цинкового производства. Это либо медно-кадмиевые кеки (осадки металлов, полученные вследствие очистки растворов сульфата цинка ZnSO4 действием цинковой пыли), которые содержат от 2 до 12% Cd, либо пуссьеры (летучие фракции, образующиеся при дистилляционном получении цинка), содержащие от 0,7 до 1,1% кадмия. Наиболее богаты сорок восьмым элементом концентраты, полученные при ректификационной очистке цинка, они могут содержать до 40% кадмия. Из медно-кадмиевых кеков и других продуктов с высоким содержанием сорок восьмого элемента его обычно выщелачивают серной кислотой H2SO4 при одновременной аэрации воздухом. Процесс ведут в присутствии окислителя — марганцевой руды или оборотного марганцевого шлама из электролизных ванн.

Кроме того, кадмий извлекается из пыли свинцовых и медеплавильных заводов (она может содержать от 0,5 до 5% и от 0,2 до 0,5% кадмия, соответственно). В таких случаях пыль обычно обрабатывают концентрированной серной кислотой H2SO4, а затем получившийся сульфат кадмия выщелачивают водой. Из полученного раствора сульфата кадмия действием цинковой пыли осаждают кадмиевую губку, после чего ее растворяют в серной кислоте и очищают раствор от примесей действием карбоната натрия Na2CO3 или оксида цинка ZnO, возможно также использование методов ионного обмена. Металлический кадмий выделяют электролизом на алюминиевых катодах или же восстановлением цинком (вытеснением цинком оксида кадмия CdO из растворов CdSO4) с применением центробежных реакторов-сепараторов. Рафинирование металлического кадмия обычно заключается в переплавке металла под слоем щелочи (для удаления цинка и свинца), при этом возможно использование Na2CO3; обработке расплава алюминием (для удаления никеля) и хлоридом аммония NH4Cl (для удаления таллия). Кадмий более высокой чистоты получают электролитическим рафинированием с промежуточной очисткой электролита, которая проводится с применением ионного обмена или экстракцией; ректификацией металла (обычно при пониженном давлении), зонной плавкой или другими кристаллизационными методами. Сочетая выше приведенные способы очистки, возможно получение металлического кадмия с содержанием основных примесей (цинк, медь и прочие) всего 10−5% по массе. Кроме того, для очистки сорок восьмого элемента могут быть использованы методы электропереноса в жидком кадмии, электрорафинирования в расплаве гидроксида натрия NaOH, амальгамного электролиза. При сочетании зонной плавки с электропереносом наряду с очисткой может происходить и разделение изотопов кадмия.

Мировой объем производства кадмия в значительной степени связан с масштабами производства цинка и за последние десятилетия значительно возрос — по данным 2006 года в мире производилось порядка 21 тысячи тонн кадмия, в то время как в 1980 году эта цифра составляла всего 15 тысяч тонн. Рост потребления сорок восьмого элемента продолжается и сейчас. Основными производителями данного металла считаются страны Азии: Китай, Япония, Корея, Казахстан. На их долю приходится 12 тысяч тонн от общего производства. Крупными производителями кадмия также можно считать Россию, Канаду и Мексику. Смещение массового производства кадмия в сторону Азии связано с тем, что в Европе произошло сокращение использования сорок восьмого элемента, а в Азиатском регионе наоборот — растет спрос на никель-кадмиевые элементы, что заставляет многих переводить производство в страны Азии. 3]

2.4 Опасное действие кадмия на организм. Отравления кадмием

Свое название этот «опасный» элемент получил от греческого слова, означающего цинковую руду, поскольку кадмий представляет собой серебристо-белый мягкий металл, применяемый в легкоплавких и других сплавах, для защитных покрытий, в атомной энергетике. Это побочный продукт, который получают при переработке цинковых руд.

Большие количества кадмия очень опасны для здоровья.

Люди отравляются кадмием, употребляя воду и зерновые, овощи, растущие на землях, расположенных вблизи от нефтеперегонных заводов и металлургических предприятий. Появляются невыносимая боль в мышцах, непроизвольные переломы костей (кадмий способен вымывать кальций из организма), деформация скелета, нарушения функций легких, почек и других органов. Излишек кадмия может вызывать злокачественные опухоли.

Канцерогенное действие никотина, находящегося в табачном дыме, как правило, связано с присутствием кадмия.

Выделяется кадмий с калом и мочой, но не более 48 мг в день. Больше всего он накапливается в печени и почках, немного — в крови.

Чем больше развита промышленность в стране, тем больше, к сожалению, концентрация этого элемента в почве. В присутствии суперфосфатов растения усваивают кадмий в больших количествах, а если суперфосфатов мало, то кадмий может не усваиваться или усваиваться в минимальных количествах.

Кадмий — один из самых токсичных тяжелых металлов отнесен ко 2-му классу опасности — «высокоопасные вещества». Как и многие другие тяжелые металлы, кадмий имеет отчетливую тенденцию к накоплению в организме — период его полувыведения составляет 10−35 лет. К 50 годам его общее весовое содержание в теле человека может достигать 30−50 мг. Главным «хранилищем» кадмия в организме служат почки (30−60% всего количества) и печень (20−25%). Остальной кадмий находится в поджелудочной железе, селезенке, трубчатых костях, других органах и тканях. В основном кадмий находится в организме в связанном состоянии — в комплексе с белком-металлотионеином (являющимся, таким образом естественной защитой организма, по последним данным альфа-2 глобулин также связывает кадмий), и в таком виде он менее токсичен, хотя и далеко не безвреден. Даже «связанный» кадмий, накапливаясь годами способен привести к неприятностям со здоровьем, в частности к нарушению работы почек и повышенной вероятности образования почечных камней. К тому же часть кадмия остается в более токсичной ионной форме. Кадмий химически очень близок к цинку и способен замещать его в биохимических реакциях, например, выступать как псевдоактиватор или, наоборот, ингибитор содержащих цинк белков и ферментов (а их в организме человека более двухсот). Адсорбируясь через легкие и желудочно-кишечный тракт, уже через несколько минут он обнаруживается в крови. Кадмий обладает канцерогенным, гонадотропным, эмбриотропным, мутагенным и нефротоксическим действием. Реальная угроза неблагоприятного воздействия на население даже при низких уровнях загрязнения связана с высокой биологической кумуляцией этого металла. Последствия короткого контакта с высокими концентрациями кадмия в воздухе приводят к легочному фиброзу, стойкому нарушению легочных и печеночных функций. В легких оседает до 50% Cd, попавшего в организм ингаляционным путем. В желудочно-кишечном тракте адсорбция Cd в среднем состовляет 5%. Органами — мишенями Cd являются печень, почки, костный мозг, сперма, трубчатые кости и отчасти селезенка. Кадмий депонируется в печени и почках, где его содержится до 30% от общего количества в организме. 4]

2.5 Как уберечь организм от действия кадмия

кадмий применение окружающий среда Прежде всего, промышленные предприятия должны обеспечиваться высококачественными очистителями, несмотря на их колоссальную дороговизну. Жилье, поля, реки, озера должны быть удалены от таких предприятий на значительное расстояние. Необходима непримиримая борьба с курением. Кроме того, усвоение кадмия можно уменьшить, назначая одновременно селен, который служит противоядием не только для ртути, но и для других металлов.

Однако употребление продуктов, богатых селеном, как правило, снижает содержание серы, и кадмий снова становится опасным. Чрезмерная доза этого микроэлемента может повлиять на обмен веществ. Например, избыток кадмия выше принятой средней нормы 50 мкг может нарушить солевой обмен: железа, кальция, цинка, магния и меди. Между кадмием и железом существует антагонизм, поэтому геохимические исследования должны прогнозировать питательную ценность продукта с учетом наличия антагонистических элементов.

Вот почему в проржавевших водопроводных трубах вместо железа находится избыток кадмия — опасного врага нашего организма.

Кадмий попадает в организм с сигаретным дымом, некоторыми видами краски, с водой, кофе, чаем и загрязненными продуктами, особенно рафинированными зерновыми. Кадмий содержится в почве, в частности в местах природных залежей цинка. Этот тяжелый металл может препятствовать нормальному действию цинка в организме, поражая иммунитет, предстательную железу и кости.

Основные проблемы, связанные с кадмием.

Кадмий вызывает у человека токсические проявления умеренной и средней степени тяжести. Он может поражать почки и нарушать кровяное давление, являясь одним из факторов развития гипертонии. Этот тяжелый металл не настолько токсичен как свинец или ртуть, потому что он, по-видимому, не попадает в мозг.

Уменьшить токсичность кадмия и вывести его из тканей в тяжелых случаях отравления можно путем введения витаминов внутривенно. С этой же целью применяются препараты, содержащие цинк, медь, железо, селен.

Избегайте воздействия сигаретного дыма, употребления загрязненных морских и рафинированных продуктов, в то же время старайтесь поддерживать в организме достаточный уровень цинка.

Острое пищевое отравление кадмием наступает при поступлении больших разовых доз с пищей (15−30 мг) или с водой (13−15 мг). При этом наблюдаются признаки острого гастроэнтерита — рвота, боли и судороги в эпигастральной области. Гораздо опаснее отравление кадмием при вдыхании его паров или кадмийсодержащей пыли (как правило, на связанных с использованием кадмия производствах). Симптомами такого отравлениея являются отек легких, головная боль, подташнивание или рвота, озноб, слабость и диарея. В результате таких отравлений были зафиксированы смертельные случаи.

Кадмий считают повинным в развитии поражений почек, нервной системы, семенников у мужчин и яичников у женщин. Кроме того, он способствует повышению давления и, возможно, является канцерогеном. Больше всего подвержены интоксикации кадмием женщины, у которых наблюдается недостаток железа и кальция. Обычно эти состояния бывают во время беременности, кормления грудью или при большой потери крови в критические дни. Из мужчин группу риска составляют курильщики: из одной пачки сигарет организм усваивает примерно 1 мкг кадмия. Усвоению кадмия препятствуют железо, кальций и цинк, но, усердно налегая на эти металлы, их тоже можно передозировать. 4]

Заключение

Тяжелый металл кадмий вообще представляет собой один из самых опасных токсикантов (токсичнее свинца). В природной среде кадмий встречается лишь в очень малых количествах, поэтому его отравляющее действие выявлено лишь недавно. Он содержится в мазуте и дизельном топливе, в сплавах (в качестве присадки), в гальванических покрытиях, в кадмиевых пигментах (используемых в производстве лаков, эмалей, керамики), в пластмассах (как стабилизатор), электрических батарейках и т. д. В результате сжигания отходов пластмасс и промышленных производств кадмий попадает в воздух. В Балтийское море (по данным Хаянена, 1993) ежегодно поступает около 200 тонн кадмия. А во всем мире в окружающую среду ежегодно выбрасывается около 5000 тонн этого металла.

Кадмий опасен в любой форме. Доза в 30 — 40 мг смертельна. Даже питье лимонада из сосудов, содержащих кадмий в эмали, чревато опасностью. Выводится из организма очень плохо, лишь 0,1% в сутки. Ранними симптомами отравления кадмием являются поражение почек и нервной системы, белок в моче, нарушение функции половых органов (воздействие на семенники), острые костные боли в спине и ногах. Кроме того, кадмий вызывает нарушение функции легких и обладает канцерогенным действием, накапливается в почках (содержание 0,2 мг Cd на 1 г массы почек вызывает тяжелое отравление).

Причиной попадания кадмия в пищевые цепи являются промышленные газообразные выбросы. Человек получает кадмий в основном с растительной пищей, так как он легко усваивается растениями из почвы (до 70%). Очень большую опасность в этом отношении представляют грибы. Луговые шампиньоны могут накапливать до 170 миллиграмм на килограмм грибов. Федеральные власти Германии рекомендуют меньше употреблять в пищу дикорастущие грибы, а также свиные и говяжьи почки.

Недостаток железа в организме усиливает аккумуляцию кадмия. Поэтому женщины больше подвержены отравлению кадмием, так как во время менструальных циклов теряют вместе с кровью много железа, Особенно опасно это беременным женщинам, потому что много железа забирает печень ребенка. В этих случаях необходима профилактика восстановления содержания железа и защита от аккумуляции кадмия.

Недопустимо использовать ил донных отложений при очистке русла рек в качестве удобрений, так как сахарная свекла, картофель, сельдерей концентрируют кадмий.

Установлено, что одна сигарета содержит от 1 до 2 мкг кадмия. Выходит, что человек, выкуривающий за день хотя бы пачку сигарет, получает дополнительно порядка 20 мкг кадмия, как минимум! Опасность заключается и в том, что усвояемость сорок восьмого элемента через легкие максимальна — от 10 до 20%, таким образом, в организме курильщика усваивается от 2 до 4 мкг кадмия с каждой пачкой сигарет! Канцерогенное действие никотина, содержащегося в табачном дыме, как правило, связано с присутствием кадмия, причем он не задерживается даже угольными фильтрами.

Пример массового хронического отравления кадмием с многочисленными смертельными исходами был описан в конце 50-х годов XX века. На территории Японии были зафиксированы случаи массового заболевания, которое местные жители прозвали «итай-итай», что дословно можно перевести, как «ой-ой, как больно!». Симптомами болезни были сильные поясничные боли, что, как позже выяснилось, было вызвано необратимыми поражениями почек; сильными болями в мышцах. Повсеместное распространение болезни и столь тяжелое ее протекание были вызваны высокой загрязненностью окружающей среды в Японии в то время и спецификой питания японцев (рис и морепродукты накапливают большое количество кадмия). Было установлено, что заболевшие странной болезнью употребляли порядка 600 мкг кадмия ежесуточно!

Несмотря на то, что кадмий признан одним из самых токсичных веществ, он нашел применение и в медицине! Так, введенная в грудную клетку пациента, страдающего сердечной недостаточностью, никель-кадмиевая батарейка обеспечивают энергией механический стимулятор работы сердца. Удобство такого аккумулятора заключается в том, что для его подзарядки или замены больному не придется ложиться на операционный стол. Для бесперебойной службы батарейки достаточно раз в неделю надевать всего на полтора часа специальную намагниченную куртку.

Кадмий применяется в гомеопатии, экспериментальной медицине, а совсем недавно его стали использовать при создании новых противоопухолевых препаратов. 5]

Список использованной литературы

1. http://xreferat.ru/112/3457−1-tyazhelye-metally.html

2. http://www.km.ru/referats/6C86300E742445A8BBA76D5D0F1E6CE7

3. http://www.i-think.ru/wikimet/?type=metall§ion_id=396#72 260

4. http://www.inmoment.ru/beauty/health-body/cadmium.html

5. http://n-t.ru/ri/eh/yd04.htm