KADMIUM (CD): ELŐZMÉNYEK, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2026

A kadmium (Cd) egy átmeneti fém vagy az átmenetet követő 48 atomszám és ezüst. Könnyű alakítható és elasztikus, viszonylag alacsony olvadási és forrásponttal rendelkezik. A kadmium ritka elem, és a földkéreg koncentrációja csak 0,2 g / tonna.

A greenockite (CdS) az egyetlen fontos kadmiumérc, intenzív sárga színben. A kadmium megtalálható a cinkkel a szfaleritben (ZnS), amely 0,1-3,0% kadmiumot tartalmaz Cd2 ⁺ kationként.

Kadmium kristályok. Forrás: Kémiai elemek nagy felbontású képei

A szfalerit feldolgozásakor a cink megolvasztása és finomítása céljából a kadmium másodlagos formában nyerhető, ez a fő termelési forrás.

Ezt a fémet 1817-ben fedezték fel Friedrich Stromayer és Karl Hermann egymástól függetlenül. Stromayer keresztelte az új elemet kadmium néven, amely a „cadmia” latin szóból származott, ismert volt a calamin (cink-karbonát) kifejezés.

A kadmium egy kémiai elem, Cd szimbólummal és atomszám 48. Forrás: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/).

A kadmium nagy hasznosságú és számos felhasználási elem, például vas, acél és színesfém korróziógátló eleme; pigmentekként való felhasználás; a PVC stabilizálása; elem hegesztéshez használt ötvözetekben; újratölthető nikkel-kadmium elemek stb.

Ez azonban egy nagyon mérgező elem, amely súlyos károkat okoz a tüdőben, a vesében és a csontokban, és arról is beszámoltak, hogy rákkeltő hatású, ezért használata korlátozott. Ennek ellenére néhány alkalmazásban továbbra is óvatosan használják.

Történelem

- Dupla felfedezés

A kadmiumot Friedrich Stromayer német vegyész 1817-ben fedezte fel cink-karbonát (calamin) mintájában. Ugyanebben az évben a KSL Hermann és a JCH Roloff ugyanazt a felfedezést tett függetlenül, cink-szulfiddal végzett kísérletben.

A jelentések szerint Stromayer felfedezte, miközben teljesítette a németországi Hildesheim városában található gyógyszertárak ellenőrzésére irányuló kormányzati kérést. A cink-oxidot, mint jelenleg, bizonyos bőrbetegségek kezelésére használták.

Úgy tűnik, hogy a gyógyszertárak nem cink-oxidot szállítottak, hanem cink-karbonátot értékesítettek: ez a nyersanyag a cink-oxid előállításához. A cink-oxid gyártói azt állították, hogy a cink-karbonát melegítése sárga „cink-oxidot” eredményez.

Kadmium-oxid

Nem tudták eladni ezt a „cink-oxidot”, mivel a vegyület színe általában fehér; Ehelyett cink-karbonátot értékesítettek, szintén fehér. A helyzettel szembesülve, Stromayer úgy döntött, hogy megvizsgálja az állítólagos sárga cink-oxidot.

Ehhez melegítette a cink-karbonát (calamin) mintáit, és sárga cink-oxidot állított elő, amint arról beszámoltak. Vizsgálása után arra a következtetésre jutott, hogy a sárga színét egy új elem fém-oxidjának jelenléte okozta.

Az új fém-oxid kivonása után redukcióval járt el, és elkülönítette a kadmiumot. Stromayer meghatározva annak sűrűségét és kapott értéket 8,75 g / cm ³, közel a értéke jelenleg ismert ez a paraméter (8,65 g / cm ³).

Ezenkívül Stromayer rámutatott arra, hogy az új elem hasonló a platinahoz hasonló megjelenéssel, és sok cinkvegyületben és még tisztított cinkben is megtalálható.

Stromayer a „kadmium” nevet javasolta a „cadmia” latin szóból, a kalaminnak, a ZnCO _3-nak.

Kadmium cink-szulfidban

Karl Hermann (1817) váratlan sárga színt észlelt a cink-szulfid feldolgozásakor, és azt gondolta, hogy az arzénszennyezés lehet. Miután ezt a lehetőséget kizárták, Hermann rájött, hogy új elem jelenlétében van.

- Alkalmazások

1840-1940

Az 1840-es években a kadmium pigmentekként való felhasználását elkezdték kereskedelmi forgalomban. A Brit Gyógyszerészeti Kódex 1907-ben rámutat a kadmium-jodid gyógyszerként történő felhasználására "megnagyobbodott ízületek", tekercselt mirigyek és gyermekbérek kezelésére.

Az 1930-as és 1940-es években a kadmium előállításának célja az acél és a vas bevonása volt, hogy megvédje őket a korróziótól. Az 1950-es években a kadmiumvegyületeket, például a kadmium-szulfidot és a kadmium-szelenidet vörös, narancs és sárga pigmentek forrásául használták.

1970-1990

Az 1970-es és 1980-as években a kadmium-laurát és a kadmium-sztearát-vegyületek stabilizálták a PVC-t, ami növeli a kadmium iránti igényt. A kadmium mérgező hatása miatt a környezetvédelmi előírások azonban csökkent annak fogyasztásában.

Az 1980-as és 1990-es években a kadmiumot nem használták sok alkalmazásban, de akkor a termelés növekedett az újratölthető nikkel-kadmium elemek létrehozásával, amelyek az Egyesült Államok kadmiumfogyasztásának 80% -át képviselték..

A kadmium fizikai és kémiai tulajdonságai

Megjelenés

Ezüstös szürkésfehér, lágy fémfényű. 80 ° C-os hőmérsékleten törékennyé válik, és késsel vágható. Temperönthető és tekercsekbe gördíthető.

Szabványos atomtömeg

112,414 u

Atomszám (Z)

48

Tételkategória

Átmeneti fém, alternatívaként átmeneti fémnek tekinthető. Az átmenetifém IUPAC meghatározása az, amelynek atomjai hiányos d alhéjúak, vagy amelyek kationokat eredményezhetnek hiányos d alhéjjal.

E meghatározás szerint a kadmium nem egy átmeneti fém, mivel Cd ²⁺ kationjának 4d körüli pályája teljesen elektronokkal tele van (4d ¹⁰).

Szag

WC

Olvadáspont

321,07 ° C

Forráspont

767 ºC

Sűrűség

Környezeti hőmérséklet: 8,65 g / cm ³

A Olvadáspont (folyadék): 7,996 g / cm ³

A fúziós hő

6,21 kJ / mol

A párolgás hője

99,87 kJ / mol

Moláris kalóriakapacitás

26,020 J / (mol K)

elektronegativitás

1.6 a Pauling skálán

Ionizációs energiák

Először: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gáz)

Második: 1631,4 kJ / mol (Cd ²⁺ gáznemű)

Harmadik: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ gáznemű)

Hővezető

96,6 W / (mK)

Resistivity

72,7 nΩ · m 22 ° C-on

Keménység

2,0 a Mohs skálán. Ez egy fém, bár sűrű, viszont lágy.

Stabilitás

A nedves levegő lassan oxidálja, és Kadmium-oxiddá alakul, amely elrontja a fémfényt. Nem tűzveszélyes, de por formájában éghet és öngyulladhat.

Öngyulladás

A kadmium esetében 250 ºC por.

Törésmutató

1,8 20 ° C-on

Reakcióképesség

A kadmium a levegőben éghet, és így Kadmium-oxidot (CaO) képezhet, amely barna amorf por, míg a kristályos forma sötétvörös.

A kadmium gyorsan reagál híg salétromsavval, lassan forró sósavval. Képes savval is képes reagálni, de lúgokkal nem reagál. Ezen reakciók során megfelelő anionok (Cl ^-) vagy oxoanionok (NO ₃ ^- és SO ₄ ^2-) kadmium sói képződnek.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

A kadmium, a 48 elem, a periódusos rendszer elektronhéjdiagramja. Forrás: Pumbaa (Greg Robson eredeti műve) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Kristálya kadmium-atomjai fémmegkötést képeznek a vegyérték-elektronukból, amelyek elektronikus konfigurációjuk szerint a 4d és 5s pályákon helyezkednek el:

4d ¹⁰ 5s ²

Annak ellenére, hogy a 4d körüli elektronok tele vannak elektronokkal, és azt is gondolhatjuk, hogy az "elektronok tengere" elég bőséges ahhoz, hogy a Cd atomokat erősen megkösse, a valóságban azonban az interakciók gyengék. Ez kísérletileg bizonyítható alacsony olvadáspontjával (321 ° C), összehasonlítva más átmeneti fémekkel.

Ezen és más kémiai okok miatt a kadmiumot néha nem tekintik átmeneti fémnek. Olyan sok elektron (tizenkét) vesz részt a fémes kötésében, hogy elkezdenek erősen zavarni annak negatív visszatéréseit; amely a megtöltött 4d és 5s pályák közötti energetikai különbséggel gyengíti a Cd-Cd kölcsönhatást.

A Cd-atomok végül egy kompakt hatszögletű kristályszerkezetet (hcp) határoznak meg, amelyen az olvadáspontja előtt nem megy keresztül fázistranszferek. Amikor a hcp-kadmium-kristályokat 10 GPa-nak megfelelő nyomásnak vetik alá, a szerkezet csak deformálódik; de fázisváltozás nélkül.

Oxidációs számok

A kadmium nem veszítheti el a tizenkét valencia elektronot; Valójában nem veszíti el sem a 4d körüli pályáját, amelynek energiája stabilabb, mint az 5s körüli pályán. Ezért csak az 5s ² pálya két elektronját veszítheti el, következésképpen kétértékű fém; mint a cink, a higany és az alkáliföldfémek esetében (Mr. Becambara).

Ha feltételezzük, hogy vegyületeiben létezik Cd ²⁺ kation, akkor azt mondják, hogy a kadmium oxidációs száma vagy állapota +2. Ez a fő oxidációs száma. Például a következő vegyületek kadmiumot tartalmaznak +2 formájában: CdO (Cd ²⁺ O ²), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^-), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ²) és Cd (NO ₃₎) ₂.

Ezen oxidációs szám mellett +1 (Cd ⁺) és -2 (Cd ^2-) is vannak. A +1 oxidációs szám megfigyelhető a Cd ₂ ²⁺ dikációban, amelyben minden kadmium atom pozitív töltéssel rendelkezik. Eközben a -2 nagyon furcsa, és vonatkozna a "kadmid" anionra.

Hol található és szerezhető be

Greenockite kristályok. Forrás: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

A kadmium egy ritka elem, amelynek koncentrációja a földkéregben 0,2 g / tonna. Az egyetlen fontos kadmium-ásvány a greenockite (CdS), amely bányászati ​​és kereskedelmi szempontból nem bányászható.

A kadmium a cinkhez kapcsolódik az ásványi sphaleritben (ZnS), amely általában 0,1–0,3% koncentrációban tartalmazza azt; de bizonyos esetekben a kadmium-koncentráció a szfaleritben elérheti az 1,4% -ot.

A foszfor-műtrágyák előállításához feldolgozott kőzetek kadmium-koncentrációja 300 mg / kg műtrágya lehet. Szén is tartalmazhat kis, de jelentős mennyiségű kadmiumot.

A kadmium egyik fő forrása a vulkáni kibocsátás, amelyet a kadmium képes továbbvinni a felszíni vizekbe. A foszfor-műtrágyák mezőgazdasági talajban történő használata kadmiumszennyezéshez vezetett.

A savas talajban lévő kadmium a növények által felszívódik. Néhány zöldséget az ember táplálékként használ fel, ami megmagyarázza, hogy a víz és az étel bevitele hogyan okozza a kadmium belépésének fő forrását a nem látható emberek vagy dohányosok körében.

A sphalerite kezelése

A sphaleritben lévő cink bányászata, olvasztása és finomítása során a kadmiumot általában melléktermékként kapják meg. Hasonló esemény fordul elő, bár sokkal kevésbé, a réz és az ólom feldolgozása során.

Hasonlóképpen, kis mennyiségű kadmium nyerhető vas- és acélhulladék újrahasznosításával.

A szfaleritet pörköltük úgy, hogy a cink-szulfid oxidjává, ZnO-ra alakuljon. Ugyanezt a reakciót érinti a kadmium-szulfid:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Ha ezt az oxidkeveréket szénnel melegítik, akkor ezek redukálódnak a megfelelő fémekké:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

A cink és kadmium elektrolízissel is előállítható, mivel az oxidok kénsavban oldódnak.

Bármelyik módszer állít elő kadmiummal szennyezett cinket. Olvadáskor a kadmium vákuumdesztillálható annak alacsonyabb olvadáspontja (321 ° C) miatt, mint a cink (420 ° C).

Izotóp

A kadmium természetes és stabil izotópjai között, a jelen lévő földi kiterjedésükkel:

- ¹⁰⁶ Cd (1,25%)

- ¹⁰⁸ Cd (0,89%)

- ¹¹⁰ Cd (12,47%)

- ¹¹¹ Cd (12,8%)

- ¹¹² Cd (24,11%)

- ¹¹⁴ Cd (28,75%)

- ¹¹³ Cd (12,23%)

A ¹¹³ Cd radioaktív, hanem azért, mert az ilyen nagy értékű fele - az élet (t _1/2 = 7,7 × 10 ¹⁵ év), stabilnak mondható. És akkor van ¹¹⁶ Cd, szintén radioaktív, felezési ideje 3,1 · 10 ¹⁹ év, tehát stabil izotópnak tekinthető, amely a kadmium 7,51% -át képviseli.

Vegye figyelembe, hogy az átlagos atomtömeg 112,414 u, közelebb a 112-hez, mint a 114-nek. A kadmiumban nem figyelhető meg a többiek feletti domináns izotóp létezése.

kockázatok

Tábornok

A kadmium felszívódása elsősorban az élelmiszerekből, különösen a májból, a gombából, a kagylóból, a kakaóporból és a szárított algaból származik.

Emblematikus eset történt Kínában a múlt században, ahol a lakosság jelentős kadmiumszennyeződéssel rendelkezik. A kadmiumszennyezettség magas rizskoncentrációjának tudható be, amelyet a gabonafélék talajában lévő kadmium jelenléte okozott.

A dohányosok átlagos bevitele 60 µg / nap. A kadmium maximális koncentrációja a vérben 15 μg / nap. A nem dohányzók vérében a kadmium koncentrációja körülbelül 0,5 μg / L.

A tüdő a dohányfüstben lévő kadmium 40–60% -át abszorbeálja. A tüdőben felszívódott kadmium a vérben szállítódik, és komplexeket képez fehérjékkel, cisztein és glutationnal, amelyek a májban, a vesékben stb.

A kadmium akut belélegzése hasonló tüneteket idézhet elő, mint amelyeket az influenza-szerű folyamat során észleltek; például megfázás, láz és izomfájdalmak, amelyek tüdőkárosodást okozhatnak. Eközben a kadmium krónikus expozíciója tüdő-, vese- és csontbetegségeket okozhat.

A vesére gyakorolt ​​hatás

A vesékben a kadmium általában megváltoztatja a foszfor és kalcium anyagcserét, amit a vesekő képződésének növekedése tanúsít. Ezenkívül vesekárosodást okoz, amely a vizeletben megjelenik a retinol transzporter fehérje és a β-2-mikroglobulin között.

A reprodukcióra gyakorolt ​​hatás

Az anyai kadmiumnak való kitettség a gyermek alacsony születési súlyával és a spontán vetélések arányának növekedésével jár.

Csontkárosodás

Japánban a kadmium az Itai-Itai betegség jelenlétével függ össze a múlt században. Ezt a betegséget jellemzi a csontok alacsony mineralizációja, a csontok törékenysége, nagy a törések aránya, fokozott csontritkulás és csontfájdalom.

Karcinogenezis

Noha patkányokkal végzett kísérletek kimutatták a kadmium és a prosztata rák közötti összefüggést, ezt emberben nem bizonyították. Kimutatták a kadmium és a vese rák közötti kapcsolatot, és összefüggésbe hoztak a tüdőrákkal is.

Alkalmazások

Nikkel-kadmium újratölthető baktériumok

Különböző cellák vagy Ni-Cd elemek. Forrás: Boffy b a Wikipedia segítségével.

A kadmium-hidroxidot katódként használták a Ni-Cd elemekben. Ezeket a vasúti és a repülésiparban, valamint a kollektív felhasználású eszközökben használták, beleértve a mobiltelefonokat, videokamerákat, laptopokat stb.

A Ni-Cd elemek gyártásához használt kadmiumfogyasztás a kadmiumtermelés 80% -át tette ki. Ennek az elemnek a toxicitása miatt azonban a Ni-Cd elemeket fokozatosan felváltotta a nikkel-fém-hidrid elemek.

pigmentek

Kadmiumvörös. Forrás: Marco Almbauer

A kadmium-szulfidot sárga pigmenteként, a kadmium-szelenidet pedig piros pigmentekként alkalmazzák. Ezeket a pigmenteket ragyogása és intenzitása jellemzi, ezért használják őket műanyagokban, kerámiában, üvegben, zománcokban és művészi színekben.

Megjegyezzük, hogy Vincent Van Gogh festő kadmium-pigmenteket használt a festményein, amelyek lehetővé tette számtalan fényes vörös, narancs és sárga sárgát.

A kadmium-pigmentek elszíneződését meg kell enyhíteni, mielőtt olajokkal őrlik, vagy akvarellekben és akrilokban keverik.

tévé

A kadmiumtartalmú komponenseket alkalmazták a fekete-fehér televíziók foszforában, valamint a kék és zöld foszforban a színes televíziós képcsövekhez.

A foszfor a képernyő része volt, amelyet katód sugarakkal besugárztak, és ez volt a kép kialakításáért felelős. A kadmiumot, annak toxicitása ellenére, nemrégiben létrehozott QLED televíziókban kezdték használni.

PVC stabilizálás

A karboxilát, laurát és sztearát formájában képződött kadmiumvegyületeket használták a polivinil-klorid stabilizálóiként, mivel késleltetik a hő és ultraibolya fény hatására létrejövő degradációt, amely a PVC-t bomlik a gyártási folyamat során.

A kadmium-toxicitás miatt a kadmiumhoz kötött PVC-stabilizátorokat más stabilizátorok helyettesítették, például bárium-cink, kalcium-cink és szerves ón.

ötvözetek

A kadmiumot a csapágyötvözetekben használják, magas fáradtsági ellenállása és alacsony súrlódási együtthatója miatt. A kadmium viszonylag alacsony olvadáspontú, ezért használják alacsony olvadáspontú ötvözetekben, és sokféle hegesztési varrattal együtt alkotóeleme.

A kadmium felhasználható elektromosan vezető, hővezető és elektromos érintkező ötvözetekben is.

fedő

A kadmiumot acél, alumínium és más színesfém kötőelemek, valamint a mozgó alkatrészek védelmére használják. A kadmium bevonat korrózióvédelmet biztosít sós és lúgos közegekben. Ezen felül kenőanyagként is szolgál.

A kadmiumot számos olyan elektromos és elektronikus alkalmazásban is használják, amelyek korrózióállóságot és alacsony elektromos ellenállást igényelnek.

Atomreaktorok

A kadmiumot a nukleáris reaktorokban neutronok elfogására használják, ami lehetővé teszi a felesleges neutronok atommaghasadás általi szabályozását, elkerülve a további atommaghasadásokat.

félvezetők

A kadmium-szelenid és a tellurid olyan vegyületek, amelyek félvezetőkként működnek a fény detektálásában és a napelemekben. A HgCdTe érzékeny az infravörös fényre, mozgásérzékelőként és kapcsolóként is használható a távirányító eszközök számára.

biológia

He-Cd lézerfény. Forrás: Inkább névtelen (https://www.flickr.com/photos//35766549)

A hélium-Cd részt vesz egy 325 és 422 nm közötti hullámhosszú, kék-lila fényű lézernyaláb kialakításában, amely felhasználható fluoreszcens mikroszkópokban.

A kadmiumot a molekuláris biológiában használják a kalciumcsatornák blokkolására, a membránpotenciál függvényében.

Irodalom

1. Wikipedia. (2019). Kadmium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
2. Selva VR és et al. (2014). A folyékony és szilárd Cd magas nyomású és hőmérsékleti szerkezete: A Cd olvadási görbéjének következményei. Visszaállítva: researchgate.net
3. Dr. Dough Stewart. (2019). Kadmium elem tények. Helyreállítva: chemicool.com
4. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Kadmium. PubChem adatbázis. CID = 23973. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A. és Groneberg, DA (2006). A kadmium mérgező hatása és az abból eredő veszélyek az emberi egészségre. Munkahelyi orvoslás és toxikológia folyóirat (London, Anglia), 1., 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (2018. július 30.) Tények a camiumról. Helyreállítva: livescience.com
7. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2018. szeptember 6.) Kadmium. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
8. Nemzetközi Kadmiumszövetség. (Sf). Kadmium alkalmazások. Helyreállítva: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Kadmium. Helyreállítva: lenntech.com