KADMIUM (CD): HISTORIA, OMINAISUUDET, RAKENNE, KÄYTÖT - KEMIA - 2026

Kadmium (Cd) on siirtymämetalli tai post - siirtymäkauden järjestysluku 48 ja hopea. Se on muovattava ja muovautuva, suhteellisen alhaisilla sulamis- ja kiehumispisteillä. Kadmium on harvinainen alkuaine, ja sen pitoisuus maankuoressa on vain 0,2 g / tonni.

Greenockite (CdS) on ainoa tärkeä kadmiummalmi, jolla on voimakas keltainen väri. Kadmiumia todetaan liittyvän sfaliiniin sphaleriitissa (ZnS), joka sisältää 0,1-3,0% kadmiumia Cd2 ⁺ -kationina.

Kadmiumkiteet. Lähde: Hi-Res-kuvat kemiallisista elementeistä

Kun prosessoidaan sfaleriittia sinkin saamiseksi, sulattamiseksi ja puhdistamiseksi, kadmium saadaan toissijaisessa muodossa, joka on sen tärkein tuotantolähde.

Tämän metallin löysivät vuonna 1817 Friedrich Stromayer ja Karl Hermann. Stromayer kastoi uuden elementin kadmium-nimellä, joka oli peräisin latinalaisesta sanasta “cadmia”, termi kalamiini (sinkkikarbonaatti) tunnettiin.

Kadmium on kemiallinen elementti, jonka tunnus on Cd, ja sen atominumero on 48. Lähde: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/).

Kadmium on hyödyllinen elementti ja lukuisia sovelluksia, kuten raudan, teräksen ja ei-rautametallien ruosteenesto; käyttö pigmenttinä; stabilointi PVC; elementti hitsauksessa käytetyissä seoksissa; ladattavat nikkeli-kadmium-akut jne.

Se on kuitenkin erittäin myrkyllinen alkuaine, joka aiheuttaa vakavia vaurioita keuhkoihin, munuaisiin ja luihin, ja sen on jopa ilmoitettu aiheuttavan syöpää, minkä vuoksi sen käyttöä on rajoitettu. Siitä huolimatta sitä on edelleen käytetty huolellisesti joissain sovelluksissa.

Historia

- Kaksinkertainen löytö

Saksalainen kemisti Friedrich Stromayer löysi kadmiumin vuonna 1817 sinkkikarbonaatin (kalamiinin) näytteestä. Samana vuonna KSL Hermann ja JCH Roloff tekivät saman löytön itsenäisesti sinkkisulfidikokeessa.

Stromayerin on ilmoitettu tehneensä löytönsä täyttäessään hallituksen pyynnön tarkastaa apteekeja Hildesheimin kaupungissa, Saksassa. Sinkkioksidia, sellaisena kuin se on nyt, käytettiin tiettyjen iho-ongelmien hoitamiseen.

Vaikuttaa siltä, ​​että apteekit eivät lähettäneet sinkkioksidia, vaan myivät sinkkikarbonaattia: sinkkioksidin tuotannon raaka-ainetta. Sinkkioksidin valmistajat väittivät, että sinkkikarbonaatin kuumennus tuotti keltaista “sinkkioksidia”.

Kadmiumoksidi

He eivät voineet myydä tätä “sinkkioksidia”, koska yhdisteen väri oli yleensä valkoinen; Sen sijaan he myivät sinkkikarbonaattia, myös valkoista. Tässä tilanteessa Stromayer päätti tutkia oletettua keltaista sinkkioksidia.

Tätä varten hän lämmitti sinkkikarbonaatin (kalamiini) näytteitä ja tuotti keltaisen sinkkioksidin, kuten ilmoitettiin. Analysoittuaan sitä hän päätteli, että keltainen väri johtui uuden alkuaineen metallisesta oksidista.

Uuttamisen jälkeen tämä uusi metallioksidi tuotti pelkistyksensä, jolloin kadmiumi eristyi. Stromayer määritetään sen tiheys ja saatu arvo 8,75 g / cm ³, lähellä arvoa tällä hetkellä tunnetaan tämän parametrin (8,65 g / cm ³).

Stromayer huomautti myös, että uudella elementillä oli samanlainen ulkonäkö kuin platinalla ja että sitä oli läsnä myös monissa sinkkiyhdisteissä ja jopa puhdistetussa sinkissä.

Stromayer ehdotti nimeä “kadmium” latinalaisesta sanasta “cadmia”, nimi annettiin kalamiinille, ZnCO ₃.

Kadmium sinkkisulfidissa

Karl Hermann (1817) löysi odottamattoman keltaisen värin sinkkisulfidia prosessoidessaan ja ajatteli, että se voisi olla arseenikontaminaatio. Mutta kun tämä mahdollisuus oli suljettu pois, Hermann tajusi olevansa uuden elementin läsnäollessa.

- Sovellukset

1840-1940

1840-luvulla kadmiumin käyttöä pigmenttinä alettiin hyödyntää kaupallisesti. Ison-Britannian lääketieteellinen säännöstö korosti vuonna 1907 kadmiumjodidin käyttöä lääkkeenä "laajentuneiden nivelten", verenrauhasten ja lastenrauhojen hoidossa.

1930- ja 1940-luvulla kadmiumintuotannon tavoitteena oli teräksen ja raudan pinnoitus niiden suojaamiseksi korroosiolta. 1950-luvulla kadmiumyhdisteitä, kuten kadmiumsulfidia ja kadmiumselenidiä, käytettiin punaisten, oranssien ja keltaisten pigmenttien lähteinä.

1970-1990

1970- ja 1980-luvuilla kadmiumlauraatin ja kadmiumstearaatin yhdisteiden todettiin olevan stabilointiaineita PVC: lle, mikä lisäsi kadmiumin kysyntää. Kadmiumin myrkyllisyydestä johtuvat ympäristömääräykset kuitenkin vähensivät sen kulutusta.

1980- ja 1990-luvuilla kadmiumi lakkasi käyttämästä monissa sovelluksissa, mutta sitten sen tuotanto kasvoi luomalla ladattavia nikkeli-kadmium-akkuja, joiden osuus kadmiumin kulutuksesta oli 80 prosenttia Yhdysvalloissa..

Kadmiumin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Ulkomuoto

Hopeanharmahtava valkoinen, pehmeä metalli kiilto. Se muuttuu hauraaksi altistamalla 80ºC: lle ja voidaan leikata veitsellä. Se on muovattavissa ja voidaan rullata rullina.

Vakio atomipaino

112 414 u

Atominumero (Z)

48

Tuoteryhmä

Siirtymävaiheen metalli, jota vaihtoehtoisesti pidetään siirtymämetallina. Siirtymämetallin IUPAC-määritelmä on sellainen, jonka atomeilla on epätäydellinen d-alikappale tai jotka voivat aiheuttaa kationeja epätäydellisellä d-kuorella.

Tämän määritelmän mukaan, kadmiumia ei siirtymämetalli, koska sen Cd ²⁺ kationi on sen 4d orbitaalien kokonaan täytetty elektroneja (4d ¹⁰).

Haju

WC

Sulamispiste

321,07 ° C

Kiehumispiste

767 ° C

Tiheys

Ympäristön lämpötila: 8,65 g / cm ³

On sulamispiste (neste): 7,996 g / cm ³

Fuusion lämpö

6,21 kJ / mol

Höyrystymislämpö

99,87 kJ / mol

Kaloriarvo

26,020 J / (mol K)

elektronegatiivisuus

1.6 Paulingin asteikolla

Ionisaatioenergiat

Ensin: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ kaasu)

Toinen: 1631,4 kJ / mol (Cd2 ⁺ kaasumainen)

Kolmas: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ kaasumainen)

Lämmönjohtokyky

96,6 W / (mK)

ominaisvastus

72,7 nΩ · m 22 ° C: ssa

Kovuus

2,0 Mohsin asteikolla. Se on metalli, vaikkakin tiheä, huomattavasti pehmeä.

pysyvyys

Kostea ilma hapettaa sitä hitaasti kadmiumoksidiksi, joka tuhoaa sen metallisen kiillon. Se ei ole syttyvää, mutta jauhemaisessa muodossa se voi polttaa ja syttyä itsestään.

Itsesyttymispiste

Kadmiumin 250 ºC on jauhemainen muoto.

Taitekerroin

1,8 20 ° C: ssa

reaktiivisuus

Kadmium voi palaa ilmassa muodostaen kadmiumoksidia (CaO), joka on ruskea amorfinen jauhe, kun taas kiteinen muoto on tummanpunainen.

Kadmium reagoi nopeasti laimean typpihapon kanssa ja hitaasti kuuman suolahapon kanssa. Se kykenee myös reagoimaan rikkihapon kanssa, mutta ei reagoi emästen kanssa. Kaikissa näissä reaktioissa muodostuu vastaavien anionien (Cl ^-) tai oksoanionien (NO ₃ ^- ja SO ₄ ²) kadmiumsuoloja.

Rakenne ja elektroninen kokoonpano

Kadmiumin, elementin 48 jaksotaulukon elektronikuorikaavio. Lähde: Pumbaa (alkuperäinen teos Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Kristallin kadmiumiatomit muodostavat metallisidoksen valenssielektroneistaan, jotka sijaitsevat 4d: n ja 5s: n kiertoradalla niiden elektronisen konfiguraation mukaisesti:

4d ¹⁰ 5s ²

Vaikka 4d-kiertoradat ovatkin täynnä elektroneja, ja voidaan myös ajatella, että "elektronien meri" on tarpeeksi runsas sitoutumaan voimakkaasti Cd-atomeihin, todellisuudessa vuorovaikutukset ovat heikkoja. Tämä voidaan osoittaa kokeellisesti sen alhaisella sulamispisteellä (321 ° C) verrattuna muihin siirtymämetalleihin.

Tästä ja muista kemiallisista syistä kadmiumia ei joskus pidetä siirtymämetallina. Sen metallisessa sidoksessa on niin paljon elektroneja (kaksitoista), että ne alkavat häiritä voimakkaasti sen negatiivisia heikentymisiä; joka heikentää Cd-Cd-vuorovaikutusta täytettyjen 4d- ja 5s-kiertoratojen välisen energeettisen eron kanssa.

Cd-atomit lopulta määrittelevät kompaktion kuusikulmaisen kiteisen rakenteen (hcp), joka ei läpikäy faasimuutoksia ennen sulamispisteensä. Kun hcp-kadmiumkiteitä altistetaan paineelle, joka vastaa 10 GPa: ta, rakenne vain deformoituu; mutta ilman vaihemuutosta.

Hapetusnumerot

Kadmium ei voi menettää 12 valenssielektronia; Itse asiassa se ei voi menettää yhtäkään sen 4d-kiertoradaltaan, joiden energia on vakaampaa kuin 5s: n kiertoradalla. Näin ollen se voi menettää vain kaksi elektronien 5s ² kiertoradan, minkä vuoksi se on kaksiarvoinen metalli; kuten sinkin, elohopean ja maa-alkalimetallien tapauksessa (herra Becambara).

Kun oletetaan Cd2 ⁺ -kationin olemassaolo sen yhdisteissä, sanotaan, että kadmiumin hapetusluku tai tila on +2. Tämä on tärkein hapettumisnumerosi. Esimerkiksi seuraavat yhdisteet sisältävät kadmiumia +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2-), CdCb ₂ (Cd ²⁺: lla ₂ ^-), CDSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ²) ja Cd (NO ₃) ₂.

Tämän hapetusluvun lisäksi on myös +1 (Cd ⁺) ja -2 (Cd ^2-). Hapetusluku +1 havaitaan Cd ₂ ²⁺ -kirjoituksessa, jossa jokaisella kadmiumiatomilla on positiivinen varaus. Samaan aikaan -2 on melko outo, ja sitä sovellettaisiin "kadmidi" -anioniin.

Mistä löytää ja saada

Greenockite-kiteet. Lähde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Kadmium on harvinainen alkuaine, jonka pitoisuus maankuoressa on 0,2 g / tonni. Ainoa tärkeä kadmiummineraali on greenockite (CdS), jota ei voida kaivoa kaivos- ja kaupalliselta kannalta.

Kadmiumia liittyy sinkkiin mineraalifaleriitissa (ZnS), joka sisältää sitä yleensä pitoisuutena välillä 0,1% - 0,3%; mutta joissain tapauksissa kadmiumpitoisuus sphaleriitissa voi olla 1,4%.

Fosforilannoitteiden saamiseksi jalostettujen kivien kadmiumpitoisuus voi olla 300 mg / kg lannoitetta. Myös hiili voi sisältää pieniä, mutta merkittäviä määriä kadmiumia.

Tärkein kadmiumin lähde on tulivuoren päästöt, joita kadmium voi kuljettaa pintavesiin. Fosforilannoitteiden käyttö maataloudessa on johtanut niiden saastumiseen kadmiumilla.

Hapanta maaperässä oleva kadmium imeytyy kasvien toimesta. Ihmiset käyttävät osaa vihanneksista ruuana, mikä selittää, kuinka veden ja ruoan saanti on pääasiallinen kadmiumin pääsyn lähde ihmisille tai tupakoitsijoille.

Sphaleriitin käsittely

Sfaleriitissa olevan sinkin louhinnan, sulattamisen ja puhdistamisen aikana kadmium saadaan yleensä sivutuotteena. Samanlainen tapahtuma tapahtuu myös, vaikkakin vähemmän, kuparin ja lyijyn prosessoinnin aikana.

Samoin pieniä määriä kadmiumia voidaan saada kierrättämällä rauta- ja teräsromua.

Sphaleriitti paahdellaan siten, että sinkkisulfidi muuttuu oksidikseen ZnO. Samaa reaktiota kärsii kadmiumsulfidista:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Jos tätä oksidiseosta kuumennetaan hiilellä, ne pelkistetään vastaaviksi metalleiksi:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Sinkkiä ja kadmiumia voidaan myös tuottaa elektrolyysillä, kun oksidit liukenevat rikkihappoon.

Kummallakin menetelmällä saadaan kadmiumpitoista sinkkiä. Sulamisen jälkeen kadmium voidaan tyhjösislata sen alhaisemman sulamispisteen (321 ° C) vuoksi sinkiin (420 ° C) verrattuna.

isotoopit

Luonnollisista ja stabiileista kadmiumin isotoopeista, joita meillä on maan päällä:

- 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%)

¹¹³ Cd on radioaktiivinen, mutta koska niin suuri arvo puoli - elämän (t _1/2 = 7,7 x 10 ¹⁵ vuotta), voidaan pitää vakaana. Ja sitten on ¹¹⁶ Cd, myös radioaktiivista, puoliintumisaika on 3,1 · 10 ¹⁹ vuotta, joten sitä voidaan pitää vakaana isotooppina, edustaen 7,51% kadmiumia.

Huomaa, että keskimääräinen atomimassa on 112,414 u, lähempänä arvoa 112 kuin 114. Muiden yläpuolella vallitsevan isotoopin olemassaoloa ei havaita kadmiumissa.

riskit

yleinen

Kadmiumi imeytyy pääasiassa ruoasta, erityisesti maksasta, sienistä, äyriäisistä, kaakaojauheesta ja kuivatusta merilevästä.

Symbolinen tapaus tapahtui viime vuosisadalla Kiinassa, missä väestössä oli merkittävää kadmiumsaastumista. Kadmiumpitoisuus johtui sen korkeasta pitoisuudesta riisissä, jonka aiheutti kadmiumin esiintyminen viljakasvien maaperässä.

Tupakoitsijan keskimääräinen saanti on 60 ug / päivä. Kadmiumin enimmäispitoisuus veressä on 15 ug / päivä. Tupakoimattomien kadmium-pitoisuus veressä on noin 0,5 ug / l.

Keuhkot absorboivat 40–60% tupakansavun kadmiumista. Keuhkoihin imeytynyt kadmium kuljetetaan veressä muodostaen komplekseja proteiinien, kysteiinin ja glutationin kanssa, jotka päätyvät sitten maksaan, munuaisiin jne.

Kadmiumin akuutti hengittäminen voi aiheuttaa samanlaisia ​​oireita kuin flunssan kaltaisessa prosessissa havaitut; kuten vilustuminen, kuume ja lihaskiput, jotka voivat aiheuttaa keuhkovaurioita. Samaan aikaan krooninen altistuminen kadmiumille voi aiheuttaa keuhko-, munuais- ja luusairauksia.

Vaikutus munuaisiin

Munuaisissa kadmium aiheuttaa yleensä muutoksia fosforin ja kalsiumin metaboliassa, josta käy ilmi munuaiskivien tuotannon lisääntyminen. Lisäksi se aiheuttaa munuaisvaurioita, jotka ilmenevät retinolin kuljettajaproteiinin ja β-2-mikroglobuliinin esiintymisestä virtsassa.

Vaikutus lisääntymiseen

Äidien altistuminen kadmiumille liittyy lapsen alhaiseen syntymäpainoon ja spontaanien aborttien määrän lisääntymiseen.

Luuvauriot

Kadmium liittyy Japanissa Itai-Itai-taudin esiintymiseen viime vuosisadalla. Tälle sairaudelle on ominaista alhainen luun mineralisaatio, luun hauraus, jolla on paljon murtumia, lisääntynyt osteoporoosi ja luukipu.

karsinogeneesi

Vaikka rottikokeet osoittivat yhteyden kadmiumin ja eturauhassyövän välillä, sitä ei ole osoitettu ihmisillä. Kadmiumin ja munuaissyövän välinen yhteys on osoitettu, ja se on liitetty myös keuhkosyöpään.

Sovellukset

Nikkelikadmium-ladattavat bakteerit

Eri kennot tai Ni-Cd-paristot. Lähde: Boffy b Wikipedian kautta.

Kadmiumhydroksidia käytettiin katodina Ni-Cd-akkuissa. Niitä käytettiin rautatie- ja ilmailuteollisuudessa sekä yhteiskäyttöön tarkoitetuissa välineissä, mukaan lukien matkapuhelimet, videokamerat, kannettavat tietokoneet jne.

Kadmiumin kulutus Ni-Cd-paristojen valmistuksessa oli 80% kadmiumin tuotannosta. Tämän elementin myrkyllisyyden vuoksi Ni-Cd-akut on kuitenkin vähitellen korvattu nikkeli-metallihydridiakuilla.

pigmentit

Kadmium punainen. Lähde: Marco Almbauer

Kadmiumsulfidia käytetään keltaisena pigmenttinä ja kadmiumselenidiä punaisena pigmenttinä, joka tunnetaan kadmiumpunaisena. Näille pigmenteille on ominaista niiden kirkkaus ja voimakkuus, minkä vuoksi niitä on käytetty muoveissa, keramiikassa, lasissa, emaloissa ja taiteellisissa väreissä.

On huomattu, että maalari Vincent Van Gogh käytti maalauksissaan kadmiumpigmenttejä, joiden avulla hän sai aikaan erilaisia ​​kirkkaita punaisia, appelsiineja ja keltaisia.

Kadmiumpigmenttien väri on heikennettävä ennen kuin ne jauhetaan öljyillä tai sekoitetaan vesiväreihin ja akryyliin.

TV

Kadmiumia sisältäviä komponentteja käytettiin mustavalkoisten televisioiden fosforissa, samoin kuin sinisen ja vihreän fosforien väritelevisiokuvaputkissa.

Fosfori oli osa näytöstä, jota säteilytettiin katodisäteillä ja joka vastasi kuvan muodostumisesta. Kadmiumia on myrkyllisyydestään huolimatta alettu käyttää hiljattain luotuissa QLED-televisioissa.

PVC-stabilointi

Kadmiumyhdisteitä, jotka muodostettiin karboksylaatin, lauraatin ja stearaatin kanssa, käytettiin stabilointiaineina polyvinyylikloridille, koska ne viivästyttävät hajoamista, joka johtuu altistumisesta lämmölle ja ultraviolettivalolle, joka hajottaa PVC: n sen valmistusprosessin aikana.

Kadmiummyrkyllisyyden takia kadmiumiin sitoutuneet PVC-stabilisaattorit on jälleen korvattu muilla stabilisaattoreilla, kuten barium-sinkki, kalsium-sinkki ja orgaaninen tina.

Alloys

Kadmiumia on käytetty laakeriseoksissa korkean väsymiskestävyytensä ja alhaisen kitkakertoimensa vuoksi. Kadmiumilla on suhteellisen matala sulamispiste, minkä vuoksi sitä käytetään alhaisen sulamispisteisen seoksen ominaisuuksissa, ja se on komponentti monentyyppisten hitsien lisäksi.

Kadmiumia voidaan käyttää myös sähköä johtavissa, lämpöä johtavissa ja sähköisissä kontaktiseoksissa.

Päällyste

Kadmiumia käytetään suojaamaan terästä, alumiinia ja muita ei-rautametallikiinnikkeitä sekä liikkuvia osia. Kadmiumpinnoite suojaa korroosiolta suolaisissa ja emäksisissä väliaineissa. Lisäksi se toimii voiteluaineena.

Kadmiumia käytetään myös monissa sähköisissä ja elektronisissa sovelluksissa, jotka vaativat korroosionkestävyyttä ja alhaista sähkövastetta.

Ydinreaktorit

Kadmiumia käytetään ydinreaktoreissa sen kyvyn vuoksi vangita neutroneja, mikä mahdollistaa ylimääräisten neutronien hallinnan ydinfission avulla välttäen ylimääräisiä ydinfisioita.

Puolijohteet

Kadmiumselenidi ja telluridi ovat yhdisteitä, jotka toimivat puolijohteina valon havaitsemisessa ja aurinkokennoissa. HgCdTe on herkkä infrapunavalolle ja sitä käytetään liiketunnistimena sekä kytkimenä kauko-ohjaimille.

biologia

He-Cd-laservalo. Lähde: Melko anonyymi (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Helium-Cd osallistuu sinivioletin lasersäteen muodostamiseen, jonka aallonpituus on välillä 325 - 422 nm ja jota voidaan käyttää fluoresenssimikroskoopeissa.

Kadmiumia käytetään molekyylibiologiassa kalsiumkanavien estämiseen kalvopotentiaalista riippuen.

Viitteet

1. Wikipedia. (2019). Kadmiumia. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
2. Selva VR & et ai. (2014). Nestemäisen ja kiinteän Cd: n korkea paine- ja lämpötilarakenne: vaikutukset Cd: n sulamiskäyrään. Palautettu: researchgate.net
3. Dr. Dough Stewart. (2019). Kadmium-elementti. Palautettu osoitteesta: chemicool.com
4. Kansallinen bioteknologiatietokeskus. (2019). Kadmiumia. PubChem-tietokanta. CID = 23973. Palautettu: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., ja Groneberg, DA (2006). Kadmiumin myrkyllisyys ja siitä johtuvat vaarat ihmisten terveydelle. Työterveyslääketieteen ja toksikologian lehti (Lontoo, Englanti), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30. heinäkuuta 2018). Tietoja kampiumista. Palautettu sivustolta: livescience.com
7. Encyclopaedia Britannican toimittajat. (6. syyskuuta 2018). Kadmiumia. Encyclopædia Britannica. Palautettu osoitteesta: britannica.com
8. Kansainvälinen kadmiumyhdistys. (SF). Kadmium-sovellukset. Palautettu osoitteesta: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Kadmiumia. Palautettu sivustolta: lenntech.com