大学化学, 2021, 36(10): 2105016-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202105016

 

镉小白游学记

谢榕杰, 朱亚先,

Cadmium's Journey

Xie Rongjie, Zhu Yaxian,

通讯作者: 朱亚先, Email: yaxian@xmu.edu.cn

第一联系人:

2019级本科生

收稿日期: 2021-05-6   接受日期: 2021-05-12  

基金资助: 国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024

Received: 2021-05-6   Accepted: 2021-05-12  

Abstract

Cadmium and its compounds have many applications in human production and life, but it also causes environmental pollution. Herein, this paper shows the properties and applications of cadmium.

Keywords: Cadmium ; Property ; Application

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谢榕杰, 朱亚先. 镉小白游学记. 大学化学[J], 2021, 36(10): 2105016-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202105016

Xie Rongjie. Cadmium's Journey. University Chemistry[J], 2021, 36(10): 2105016-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202105016

大家好!我的名字叫做镉,据我的族谱介绍,我的家族位于元素王国中的ds区第五排,占据着第十二街。这条街在我来之前只住着汞和锌两位老人家,汞老被发现于1500年前的古埃及墓中[1]。锌老早于公元1637年就被中国人记载[2]。而我作为家族里的第三代传人,一般在锌矿或汞矿中伴生,以锌矿为主,在自然界中少得可怜,看起来平平无奇。但正是平凡的我,却有着不平凡的经历。

我在800华氏度左右时会汽化逸出[3],所以在高温炼制锌、汞时,我总不被发现。1817年我终于遇到了我的伯乐:F. Stromeyer,他在碳酸锌中发现了我,并让我以一种新元素的身份出现在了世人眼前,在元素王国中排位48号[4]

刚出生的我身体柔软,银白色的长礼服是我童年时期的最爱。我的礼服颜色不是一成不变的,偶尔会散发着淡蓝色的光泽,而潮湿的空气会将礼服缓慢氧化,逐渐失去光泽;在热一些的天气下,礼服的材料会变成棕红色的氧化镉,五颜六色的礼服给我的童年增添了不少乐趣[5]

我一天天长大,为能掌握更多知识,拓展视野,我计划出门游学一日。出门前家人送给了我一个感应器,里面装着百科全书。

1 第一站:单质世界

我游学的第一站是接触元素王国的其他单质。我带着我的护卫队——12个价电子,他们分成两队,前面10个是4d贴身保镖,后面是2个5s侦察兵护卫。按着地图所指示的方向,我穿过d区,跨过主族和副族的分界线来拜见氢老大。

氢老大热情地握着我的手,并通过广播召集元素王国里的各种元素单质前来参加我的欢迎会。

欢迎会上有着一个神奇的仪器,“你先站到左边”。氢老大边说边一个箭步跳上右侧。

“嘟—”仪器亮起了红灯,“哎,看来我和你通过简单结合没法形成新的物质呀。”氢老大的话语中充满了遗憾。

“还有谁愿意上来尝试一下吗?”氢老大对着台下说。

话音刚落,活泼的卤素兄弟冲上了台。

氟作为大哥先站了上去,仪器“叮—”地一声亮起了绿灯,显示板背景变成了白色,板中央出现了CdF2的字样,“氟化镉可由碳酸镉和氢氟酸溶液制备[6]……”百科全书发出来声音。

百科全书的声音瞬间被台下的掌声覆盖。

氯、溴、碘也依次站了上去,均显示出白色背景。卤素兄弟的性质果然如此相似啊!

台下坐着的其他非金属元素也跃跃欲试,氧小姐站上去以后出现了棕红色的背景;硒妹妹站上去也显示红色背景;而到硫哥哥站上去的时候,背景出现了两种颜色:柠檬黄色和桔红色,看来硫化镉是双胞胎兄弟呀。

“怎么都是非金属元素呀?有金属元素愿意上来试一下吗?”

银作为金属元素代表被推举上台,这时显示屏上除了出现Ag-Cd,还出现了一行特殊的字:合金。“银镉合金有很好的耐腐蚀性,镉含量为17%的银镉合金中含有金属间化合物AgCd [7]。”百科全书的声音又响起来了……

越来越多的元素走上台,各式各样的镉的化合物被发现并送往人类世界探索其用途。

2 第二站:饮料代言人争霸赛

从氢老大家里出来后,我经过元素王国里的一家商店门口。

“商店门口怎么这么多人呢?”我抓住刚从店里走出来的金兄弟问道。

“店里在举办单质饮料挑战赛,只要能与店内5种招牌饮料中的2种反应就可以成为饮料代言人,还可以获得前往人族世界游历的奖励呢。不过……”

金垂头丧气:“我的性质太稳定了,没有挑战成功……”

“那我去试试!”我冲上前,一跃上台。

店内一张桌子上摆放着5杯元素王国的特制饮料:盐酸水、火碱茶、海水混合汁、碳酸汽水、硝酸银拿铁。

“开始吧!”工作人员拿起摄像机对准我。

我拿起盐酸水抿了一口,衣服瞬间变为无色透明,我立刻感受到身体内有两股电荷。

“Cd + 2HCl = CdCl2+ H2,氯化镉为无色的离子晶体,正负离子相互吸引。”百科全书立刻解答了我的疑惑。

“第一杯挑战成功。”

我迫不及待地端起第二杯饮料火碱茶一饮而尽,然而没有变化。

第三杯海水混合汁亦没有变化。

第四杯碳酸汽水还是没有变化。

我充满期待地缓缓举起最后一杯饮料——硝酸银拿铁,能否去人族世界游历就看此一试了。我猛灌一口,衣服马上变成了镶着黑珍珠的白西装。

“Cd + 2AgNO3= Cd(NO3)2 + 2Ag,硝酸镉为白色晶体,而反应生成的银粉呈现黑色。”百科全书再次解说。

“成功了!成功了!”我兴奋得站到去往人族世界的传送门上。

3 第三站:日本之旅

我被传送到日本的一个村庄,村庄里的村民有些奇怪。不少村民腰、手、脚疼痛,行动困难,有的骨骼软化、萎缩,四肢弯曲、脊柱变形。

我穿过人群,时不时能听到他们大喊:“痛死了!好痛啊!”。

“阿嚏!”突然有一个人打了个喷嚏,立马有两个保安扶住了他。

为啥打个喷嚏都要人扶着呢?

紧接着的一幕让我吃惊地合不拢嘴,只见那个刚打完喷嚏的人的骨头处出现了歪曲,很明显,这个人骨折了。

打个喷嚏都能骨折?

我对眼前的这一幕满怀疑惑,于是我赶紧打开百科全书寻找答案。

原来这里是1930年的日本富山县。

因为战争需求,神冈矿山开采重点由银转向铅和锌,在锌的产量大幅度提高的同时,排放的含镉烟尘、矿渣和废水也大幅度增加[8]

“工厂的废水未经严格处理都直接排到我这里,随着水体的流动,整条河都被污染了。河水中富含镉,导致生活在其中的鱼和虾也富含了镉,镉通过食物链传递与积累,人类怎么能独善其身呢?”河水痛苦地诉说着。

土壤接着说:“我们土壤因为需要你们河水滋润,也因此富含了镉。土壤中水溶性的镉主要以离子态或络合态存在[9],易被植物吸收、富集。通过食物链,最终也流向了人类餐桌啊。”

空气也愤愤不平:“工业生产除了产生含镉废水,还产生了含镉废气。这些飘尘镉毒,可悬浮于空气中达数年,随呼吸可直达肺的深处沉积,通过血液传输至全身,对身体危害甚大[10]。”

“镉进入人体后会取代骨骼中的钙离子,还会干扰维生素D的代谢,骨胶原无法正常固化成熟, 进而产生骨质疏松和骨骼萎缩等多种不良反应。这就是痛痛病。镉中毒不止对骨骼有害,对神经系统、肾脏等也有损伤[11]。”医生接着解释:

“而镉的半衰期为10–30年,且有着较显著的生物富集作用,即使人们停止接触镉,过去积累的镉仍然会停留在人体内,引发慢性镉中毒。”

看到自己给人类带来这么大的痛苦,我深感惭愧。我拿起感应器,看到了在世界的其他地方,镉污染一直困扰着人们的生活和健康,直至21世纪仍未彻底解决。

我只会危害人类吗?我存在的价值在哪里呢?我低下头思索着。

4 第四站:镉工业基地

传送门又将我送到了一个工业区——镉工业基地。

镉大哥正站在门口等我:“我先带你参观一下镉单质车间。”

镉大哥边走边说;“我们可以附着在钢铁的表面通过牺牲阳极保护法保护内部金属,常用于飞机和一些军用零件上,耐腐蚀性好;我们在合金中也是抗拉强度和耐磨性的担当,在飞机的轴承中也有我们的身影;而且我们截面大,可以俘获大量的热中子,还可作为原子反应堆的中子吸收控制棒呢[12]。”

“可是镉在地壳中分布很散,单质难以制备吧?”

镉大哥听出了我的疑惑,“咱们镉的化学性质与锌姐姐相似,所以在成矿作用过程中常随着闪锌矿被富集,锌姐姐被提取后剩下镉渣。工人伯伯将锌姐姐和硫酸加入镉渣中置换出粗镉,然后再进行精炼。传统的精镉生产有两种方法:‘全湿法电解工艺’和‘湿法-火法联合工艺’[13]。”

“我听说第一种方法的除杂流程很复杂,不适合处理杂质含量高的镉原料;第二种方法曾出现过镉蒸气的泄漏,会影响到工人的生产安全。”我忘不了在日本的经历,皱着眉头。

镉大哥停下脚步,“所以我们这几年在尝试一种清洁生产精镉的新方法,请看这儿。”

我顺着镉大哥手指的方向,看到了一个工作区:真空精馏技术区。

“铜、铅、锌和镉的关系密切,常腻歪在一起,我们基地目前主要是利用不同金属的饱和蒸气压的差异,通过真空蒸馏使镉挥发而其他杂质留在残留物中,从而来实现镉的精炼。”

“你们如何做到环保呢?”我迫不及待地追问。

“请看这张图。”镉大哥打开了流程图(图 1),详细地给我讲解了镉烟气的处理。

图1

图1   镉烟气的处理


我看到基地严格遵守环保要求,对镉废物进行规范处理,不禁竖起了大拇指。

紧接着,我来到了镍镉电池车间。

这个车间更像一间陈列室。里面陈列着二十多年前“大哥大”、飞机发动机、电动剃须刀、电动玩具等,陈列室中间摆放着不同大小的镍镉电池:大型袋式、圆柱密封式、小型纽扣式……

镉大哥道,“小弟与镍联手开发的镍铬电池,体积小、容量大、经济耐用而被广泛使用……”

“老师曾经讲过它的充放电原理:Cd + 2NiO(OH) + 2H2O $\rightleftharpoons $ 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2”我连忙说。

“但是,它也有致命的缺点,记忆效应强、带来环境污染等,随着技术的进步,曾经叱咤风云的它们如今已被锂离子电池取代。现在这个车间已经停止生产了,只是作为陈列馆供参观,纪念它们为人类做出的贡献[14]。”

不远处,皮肤灰黑的碲化镉向我招手。于是,我告别镉大哥,走进半导体车间。

“我可由碲化氢与氯化镉在溶液中制得。我是半导体,禁带宽度与地表的太阳光谱相配,可见光照射在我身上会产生电流。因此,太阳能电池常欢迎我去做客;我还可以被用作发光二极管磷光体[15]。”

接下来,我还参观了用于涂料、太阳能电池的电子传输层的硫化镉车间[16],可用于做信号弹的卤化镉车间等。

看着镉有这么多的用途,我心里踏实了,原来镉是人类的好朋友啊!

暮色降临,我通过传送门回到了家中。我拿起笔记录下自己这一天的经历:镉小白游学记。

参考文献

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