Кадмий
Элементы Периодической системы – это химический алфавит, из букв которого составляются формулы любых веществ. Но если отвлечься от химического смысла обозначений элементов, то можно забавы ради составить из них какие-нибудь слова или поискать похожие аббревиатуры далеко за пределами учебника по химии.
Никакого особенного смысла это, конечно же, не имеет, хотя и поможет скоротать время в дороге или творчески поздравить знакомого химика. Вот, например, из каких элементов состоит название медицинского сериала «Доктор Хаус» (House M.D.)? Если разобрались, тогда вам не составит труда отыскать в Периодической таблице ещё и компакт-диск. Впрочем, вот он: элемент с порядковым номером сорок восемь – кадмий.
Гринокит – минерал, состоящий преимущественно из сульфида кадмия. Назван в честь лорда Гринока, на чьей земле он был впервые обнаружен, и совсем ничего общее не имеет с зелёным цветом. Фото: James St. John/Flickr.com CC BY 2.0
Но шутки шутками, а настоящий кадмий не любит легкомысленного к себе отношения, и вполне может вызвать серьёзное отравление, а то и смерть. Тем более странным, на первый взгляд, выглядит применение этого опасного металла в красках для кухонной посуды. Однако если вы уже разогрели себе первое, второе и сварили компот в красивой жёлтой эмалированной кастрюле, то не стоит в приступе хемофобии бежать быстрее сдавать анализы на тяжёлые металлы. Давайте выясним, почему.
Токсичность разных соединений кадмия может очень сильно отличаться. Например, оксид кадмия – очень ядовит, вдыхание его паров или пыли опасно даже в малых концентрациях. В то же время тысячи художников по всему миру использовали и используют краски жёлтых и красных оттенков, состоящие преимущественно из сульфида кадмия, хотя симптомов острого отравления этим металлом у них обычно не наблюдается, почему?
Кадмий входит в состав некоторых жёлтых красок. Фото: Peyri Herrera/Flickr.com CC BY-ND 2.0
Во-первых, сульфид кадмия – весьма инертное вещество, нерастворимое в воде и устойчивое к высоким температурам. Это, собственно, и определило его роль как распространённого жёлтого, красного или оранжевого пигмента. Поэтому, просто потрогав руками такой краситель, получить сколь-либо опасную дозу кадмия, скорее всего, не получится. Хотя можно повысить «усвояемость» сульфида кадмия, растерев его в порошок либо сжигая в костре холсты с осенними пейзажами и находясь при этом с подветренной стороны от костра.
И всё же вернёмся к эмалированным кастрюлям. Некоторые из них действительно покрывают краской, содержащей сульфид кадмия, но только с наружной стороны, к тому же её часто покрывают дополнительным защитным слоем. Внутренняя же сторона покрывается эмалью, не содержащей кадмий и другие тяжёлые металлы, именно поэтому внутри такие кастрюли почти всегда белого цвета, хотя снаружи они могут быть коричневыми, красными, жёлтыми или оранжевыми.
Плохо это или хорошо? С одной стороны, какой-то специфической опасности эмалированные кастрюли или масляные холсты не представляют. Но с другой стороны, для производства кадмиевых красок очевидно нужны соединения кадмия – а это потенциальные выбросы, вредные отходы и опасные условия производства, и поэтому от них стараются по возможности отказываться.
Жаропрочные кадмиевые краски часто используют для окраски эмалированной кухонной утвари. Фото: Matt McGee/Flickr.com CC BY-ND 2.0
Однако есть области, где кадмий и его соединения очень любят, уважают и не спешат от него отказываться, и, в отличие от производства кухонной утвари, это самые настоящие высокие технологии: авиация и электроника.
Первым делом начнём с самолётов, оставив OLED экраны, тепловизоры и другие интересные устройства на потом. По своим свойствам кадмий похож на цинк – своего соседа по Периодической таблице. Вам наверняка попадалось выражения оцинкованный гвоздь, оцинкованный кузов автомобиля или что-то другое оцинкованное, но непременно металлическое.
Различные детали покрывают цинком, чтобы защитить их от коррозии – главного врага железа. Но кадмий защищает металл ещё лучше, чем цинк, поэтому в тех сферах, где надёжность в приоритете, применяют кадмирование – электрохимическое покрытие детали тонким слоем кадмия. Кадмированные детали дольше оцинкованных способны сопротивляться влажным и коррозионным средам.
Кстати, если вы посмотрите на фотографии кадмированных изделий, то, скорее всего, они будут иметь красивый золотистый цвет, а когда придёте в любой строительный магазин, то без труда увидите там множество металлического крепежа точно такого же цвета. Неужели все эти шурупы, гайки и дверные петли кадмированы?
Внешне оцинкованные и кадмированные изделия выглядят одинаково за счёт характерной окраски, появляющейся на стадии хроматирования детали. Фото: Vagawi/Flickr.com CC BY 2.0)
Золотистый цвет и оцинкованные и кадмированные изделия приобретают на стадии хроматирования – погружения уже покрытой цинком или кадмием детали в раствор солей хрома. Это придаёт покрытию дополнительную коррозионную стойкость и тот самый золотистый оттенок. Но оцинкованная деталь намного дешевле кадмированной, поэтому никто в здравом уме не будет продавать кадмированные болты и гайки вместо оцинкованных – это было бы тоже самое, что попытка продать золотой слиток под видом серебряного. Поэтому кадмируют детали по большей части только для ответственных узлов и механизмов: в авиации, строительной технике или в промышленном оборудовании, где можно простить кадмию стоимость и токсичность за его уникальные свойства.
Уже знакомый нам сульфид кадмия не только позволяет художникам передать краски золотой осени, но и инженерам показать самые яркие цвета на телевизионном экране. И в этом им помогают необычные объекты – квантовые точки. Если в геометрии точка – это бесконечно малый абстрактный объект, то в физике полупроводников квантовая точка – объект хоть и малый, но вполне реальный. По сути, это самая настоящая наночастица, состоящая из тысяч или десятков тысяч атомов. Квантовые точки можно изготовить из разных полупроводниковых материалов, один из которых как раз сульфид кадмия. Квантовую точку часто сравнивают с искусственным атомом – за счёт схожего квантового «поведения» электронов. В чём оно состоит?
Для окрашивания витражных стёкол мастера прошлого, сами того не зная, использовали нанотехнологии. Фото: Grufnik/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Если электрон поместить в ограниченную область пространства, то его энергия сможет принимать только определённые значения. Образно говоря, его энергия может быть условные 1 или 2 единицы, но не может иметь значение 1.5. Квантовая точка становится своего рода ловушкой для электронов, ограничивая их «энергетическую» свободу.
Переходы между энергетическими уровнями связаны с поглощением или с потерей энергии. Если электрон теряет энергию, переходя с высокого уровня на низкий, то он испускает излучение с длиной волны, соответствующей разнице в энергии. Расстояние между энергетическими уровнями в квантовой точке зависит от её размеров, т.е. от количества атомов – это позволяет очень точно «настраивать» цвет излучения. И это одно из основных свойств, за которые любят квантовые точки: из одного и того же материала можно сделать вещество, испускающее свет разного цвета.
Ещё задолго до открытия вообще каких-либо квантовых явлений люди уже использовали квантовые точки для создания световых эффектов, например, для окраски витражных стёкол коллоидными красителями.
Если в стекло ввести соединения некоторых металлов, то при определённых условиях (нагреве) можно добиться образования в стекле металлических наночастиц – тех самых квантовых точек, которые в зависимости от своего размера будут придавать стеклу разные цветовые оттенки. В наше время квантовым точкам нашли применение в экранах высокой чёткости. О создании первого в мире экрана на квантовых точках в 2006 году заявила компаний QD Vision, однако первая модель на рынке появилась сильно позже – это сделала компания Sony лишь в 2013 году.
В отличие от жидкокристаллических дисплеев, где требуется подсветка экрана белым светом, который, в свою очередь, создаёт синий светодиод с люминофорным покрытием, квантовые точки могут сами излучать чистые красный, зелёный и синий цвета, что делает картинку на экране очень «живой».
Картинка на дисплее с квантовыми точками ярче и живее, чем на обычном ЖК-экране. Фото: Byron Chin/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Кадмий «засветился» ещё в одном интересном явлении – какое-то время он служил для установления неофициального эталона длины. Вполне возможно, что вам попадалось определение метра, выраженное через число длин волн поглощения в спектре какого-нибудь атома, например, что один метр равен 1 553 163.5 длинам волн красной линии кадмия.
Но как можно посчитать такое большое количество, и главное, где взять эти длины волн, чтобы из них потом составить целый метр? Эту задачу решил ещё в начале XX века знаменитый физик Альберт Майкельсон, создатель не менее знаменитого измерительного прибора – интерферометра. С помощью этого оптического прибора можно фиксировать очень маленькие смещения объектов друг относительно друга, порядка тех самых длин волн.
Майкельсон, конечно, не отсчитывал все эти полтора миллиона отрезков, из которых складывается один метр, вместо этого он сначала посчитал, сколько длин волн красной линии кадмия укладывается в отрезок длиной около 0.4 миллиметра – число получилось чуть больше тысячи: 1212.35, что, согласитесь, посчитать уже намного проще, чем миллион. Затем он сделал точные копии этого мини-эталона, чтобы получить более длинный отрезок и так далее, пока таким образом не добрался до целого метра.
Почему же выбрали именно кадмий? Всё дело в том, что на тот момент красная линия в спектре кадмия была самой чёткой и узкой из известных – это означает, что в интерференционных экспериментах она будет давать наименьшую погрешность.
Впоследствии кадмий заменили на другой элемент – криптон, с помощью него точность измерения удалось повысить на пару порядков, и тогда метр стал официально определяться через длину волны. Правда, и криптон со временем сдал свои позиции, и теперь метр определяют через расстояние, которое преодолевает свет за фиксированный отрезок времени.
Интерференционные кольца. Фото: Warren Leywon/Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
И напоследок расскажем о том, как кадмий помогает не только видеть в темноте, но и, пафосно выражаясь, заглядывать во тьму Вселенной. Речь идёт о фотоприёмниках инфракрасной области спектра, изготовленных на основе вещества кадмий-ртуть-теллур.
Все нагретые тела испускают инфракрасные волны, которые невидимы нашему глазу, но их успешно можно регистрировать с помощью специальных детекторов. Например, если посмотреть на изображение вашего любимого котика на дисплее тепловизора, то можно не только увидеть тёплого кота в тёмной комнате, но и с легкостью определить на его теле самые горячие места. Правда, сам тепловизор – это весьма дорогое устройство, к тому же и сам инфракрасный детектор часто требует охлаждения до низких температур чем-то вроде жидкого азота, а то и жидкого гелия.
Помимо фотографирования теплокровной фауны инфракрасные детекторы выполняют и другие задачи. Они широко распространены в астрономии: как в наземных обсерваториях, так и в орбитальных телескопах. У телескопов на орбите есть одно большое преимущество перед наземными – им не мешает земная атмосфера, которая поглощает инфракрасное излучение в довольно широких диапазонах, оставляя для наблюдений пару «окон». Поэтому изучать слабосветящиеся объекты вроде тусклых звёзд, столкновения планет и молекулярных облаков лучше всего именно с орбиты.
Матричный детектор ближнего ИК диапазона, изготовленный на основе ртути-кадмий-теллура, для орбитального телескопа «Джеймс Уэбб». Вывод телескопа на орбиту запланирован на март 2021 года. Фото: University of Arizona/NASA CC BY-NC-ND 2.0
Кадмий помогает инженерам защищать от коррозии ответственные детали, а астрофизикам – изучать далёкие галактики, однако к этому элементу нужно относиться с осторожностью и помнить о его токсичности.
