Использование уникальных свойств кадмия и его соединений в современной науке и технике

Введение

Современную жизнь невозможно представить без электроники, атомной и радиационный техники, полупроводниковой промышленности. Во всех этих и многих других областях кадмий является незаменимой составляющей благодаря своимценным физико-химическим и полупроводниковым свойствам[1].

Основным исходным сырьем для получения кадмия являются медно – кадмиевые кеки, образующиеся при гидрометаллургическим способе переработки цинксодержащего сырья. Цинковые руды, кроме кадмия, также являются источником целого ряда элементов спутников – индия,галлия,таллия,селена,теллура.Эти элементы являются основой современной электроники, полупроводниковой техники и солнечный энергетики. Быстрое развитие указанных отраслей техники вызывает постоянно растущую потребность в рассеянных элементах, удовлетворить которую невозможно без интенсификации технологических процессов и применения эффективных технологических методов.

Успешному решению этой задачи должно способствовать широкое внедрение в химическую технологию кадмия экстракционных и сорбционных процессов, которые в настоящее время эффективно используются для извлечения, концентрирования и очистки многих редких, радиоактивных и цветных металлов.

Процессы экстракции и сорбции отличают высокая производительность и селективность, что особенно важно для извлечения кадмия из больших объемов растворов сложного состава с низким содержанием ценного компонента.

Предложено большое число экстрагентов для извлечения кадмия из щелочных сред. Как правило, эти экстрагенты относятся к азотосодержащим хелатообразующим реагентам.

Поэтому целью данной работы является изучение процесса жидкостной экстракции кадмия из его щелочных растворов с использованием экстрагента НБЭА- 2.

Аналитический обзор литературы

Использование уникальных свойств кадмия и его соединений в современной науке и технике

Кадмий применяют главным образом для электролитического железа с целью предохранения его от коррозии, а также для производства сплавов и красок. Кадмий в качестве защитного покрытия обладает существенными преимуществами перед цинком и никелем. Детали, покрытые кадмием, обладает хорошей ковкостью, вследствие чего их можно формовать и штамповать. Покрытые кадмием детали легче свариваются, чемоцинкованные. При повреждении поверхности изделия кадмиевые покрытия не отслаиваются, как это наблюдается с покрытиями из цинка или никеля.

По химической стойкости кадмиевые покрытия более стойки, чемцинковые в щелочных и солевых средах. Вследствие этого кадмиевые покрытия обладают большей защитной способностью, чем цинковые, при одинаковой и даже меньшей толщине слоя. Широкому внедрению кадмирования способствовало также и то, что кадмиевые покрытия получаются более красивыми по сравнению с цинковыми. Также покрытия,как правило, применяют как предохранительные покрытия для деталей, которые постоянно подвергаются сильной коррозии, но не воспринимают значительных механических усилий[2]

Основные области применения кадмиевых покрытий:

1) Защита от коррозии металлических изделий, соприкасающихся с морской водой и подобными ей растворами, цинковые покрытия в этом случае совсем непригодны;

2) Защита от коррозии деталей машин, работающих в закрытых помещениях с умеренной или сильной влажностью;

3) Защита от коррозии электрических контактов.

Большое количество кадмия используют в производстве сплавов:

антифрикционных, легкоплавких, сплавов с драгоценными металлами и др.Антифрикционные сплавы содержат до 80% Cd.При введении кадмия в подшипниковые сплавы достигается низкий коэффициент трения при длительной эксплуатации. Сплавы, содержащие 98,3- 98,5% Cd и различные количества никеля, серебра или меди, применяют обычно в двигателях внутреннего сгорания, работающих при высоких скоростях и темперетурах.

Наиболее распространены легкоплавких, сплавы кадмия со свинцом, оловом и висмутом, имеющие температуру плавление ниже точки кипения воды. Эти сплавы используют для изготовление электрических предохранителей, пожарных сигнализаторов, пробок к автоматическим огнетушителям и к паровым котлом.

Из сплавов меди с кадмием изготовляют телефонные и трамвайные провода. Добавление около 1% Cd увеличивает прочность медной проволоки почти вдвое при небольшом снижении электропроводности. Сплав медь- цирконий кадмий употребляется в линиях высоковольтных передач и отличается еще более высокой прочностью и твердостью, чем меднокадмиевые сплавы[3].

Кадмий употребляют в ювелирном деле в виде двойного сплава с золотом (зеленого цвета), тройного сплава с золотом и серебром и т.д. Кадмий придает различные оттенки изделиям из драгоценных металлов.

Металлический кадмий используют при сооружении атомных реакторов. Обладая большим сечением захвата тепловых нейтронов, кадмий является хорошим поглотителем нейтронов, что позволяет применять его для контрольных стержней, регулирующих скорость атомной реакции.

Кадмий применяют в радиотехнике, особенно в качестве фотоэлементов. Соединения кадмия – теллуриды, селениды, сульфиды, являются эффективными полупроводниковыми материалами, применяемыми в фотоэлектрических приборах. Например, сульфид кадмия является широкозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 2,42 эВ. Это свойство CdS, полезное в оптоэлектронике, используется как в фоточувствительных, так и в фотогальванических устройствах. Его используют для изготовления фоторезисторов (приборов, электрическое сопротивление которых меняется в зависимости от освещенности). Теллурид кадмия (CdTe) и теллурид цинка-кадмия (CdZnTe) используются для изготовление электрооптических модуляторов, приемников радиационного и ИК- излучения и других оптических элементов ИК- оптических систем. CdTe - используется в солнечных батареях и в детекторах радиации. Промышленные солнечные элементы (СЭ) на основе тонких пленок CdTe, со структурой, изображенной на рис.1, в настоящее время обладают КПД до 10%, а в ближайшие годы ожидается увеличение до 15%.

На изготовление СЭ площадью 1м2 требу ется около 10г теллура и 9г кадмия. Сегодня при к.п.д. около 10% для генерации 1ГВт требуется 100т Te

Селенид кадмия, сульфид и сульфоселенид кадмия используются для изготовления преобразователей длин волн лазерного излучения, квантоскопов красного, оранжевого, желтого и зеленого цветов излучения.

Созданный английской компанией Миллард фотоэлемент из сульфидного кадмия обладает исключительно высокой чувствительностью, примерно в 20 тыс.раз большей, чем обычный фотоэмиссионный элемент.

Новая перспективная область применения кадмиевых соединений – химическая промышленность:поливиниловые пластики, выпускаемые в США, стабилизируются системами, в основе которых лежат бариевокадмиевые

Наиболее распространены легкоплавких, сплавы кадмия со свинцом, оловом и висмутом, имеющие температуру плавление ниже точки кипения воды. Эти сплавы используют для изготовление электрических предохранителей, пожарных сигнализаторов, пробок к автоматическим огнетушителям и к паровым котлом.

Из сплавов меди с кадмием изготовляют телефонные и трамвайные провода. Добавление около 1% Cd увеличивает прочность медной проволоки почти вдвое при небольшом снижении электропроводности. Сплав медь- цирконий кадмий употребляется в линиях высоковольтных передач и отличается еще более высокой прочностью и твердостью, чем меднокадмиевые сплавы[3]

Металлический кадмий используют для изготовления электродов к нормальным кадмиевым элементам Вестона и аккумляторам. Аккумуляторы с кадмиевыми электродами имеют перед свинцовыми то преимущество, что могут быть нацело разряжены и в таком виде оставаться произвольно долгий срок, не теряя своих качеств. Особенно широко применяются кадмиеникелевые аккумуляторы. На всех американских спутниках аппаратура питалась от кадмиеникелевых батарей.

Кадмий употребляют в ювелирном деле в виде двойного сплава с золотом (зеленого цвета), тройного сплава с золотом и серебром и т.д. Кадмий придает различные оттенки изделиям из драгоценных металлов.

Металлический кадмий используют при сооружении атомных реакторов. Обладая большим сечением захвата тепловых нейтронов, кадмий является хорошим поглотителем нейтронов, что позволяет применять его для контрольных стержней, регулирующих скорость атомной реакции.

Авторами работы [1] разработаны условия синтеза новых координационных соединений на основе CdCl2*2,5Н2О и Е- капролактама. С помощью рентгенофазого анализа установлено, что индивидуальные соединения кадмия с Е – капролактамом соответствуют составу 1:1(1) и 1:2 (2)

Е – капролактама (1665см) в низкочастотную область, что свидетельствует о координации с кадмием через атом кислорода карбонильной группы.

При нагревании е – капролактама на кривой ДТА наблюдается два эффекта:первый при 69 С, не сопровождающийся потерей массы образца, соответствует плавлению вещества, второй при 262С, отражает процесс кипения, в результате которого происходит полная потеря массы

В последние годы возрос интерес к координационным полимерам. Это вызвано возможностью использования их как материалов с наноразмерными монодисперсными порами. Интересным свойством координационных полимеров любой размерности, является их способность переплетаться, образуя пространственно неразделимые, но химически не связанные конгломераты. Известно, что кристаллы, содержащие такие конгломераты, проявляют особые механические, электрические, магнитные, оптические и каталитические свойства.

Известно, что кадмий успешно ионализуется в производства ир

К наиболее богатым фосфором соединением в системе Cd – Р относится тетрафосфида кадмия – CdP4 который кристаллизуется в моноклинной сингонии. Его кристаллическая структура представлена на рисунке 2.5

Метод пересублимации в вакууме является основным при получении монокристаллов Cd3P2, CdP2 и CdP4

Было установлено что критическое переохлаждение для образования зародышей CdP2 оставляет 3 – 8К, а температура зоны кристаллизации 980- 1010К. Для управления зародышеобразования и органичением разумными временами процесса, в ампулах большого диаметра (18-20мм) создавались более низкие пересыщения. Обеспечив необходимое зародышеобразование, проводилось перемещение ампулы со скоростью 0.6-0.8 мм/час, с увеличением температурного градиента. Были получены массивные монокристаллические були диаметром в основании до 20мм и длиной до 40-50мм (рисунок 2.8).