KADM (CD): HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, BUDOWA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Kadm (Cd) jest z metalu przejściowego lub po - przejściowy o liczbie atomowej 48 i srebro. Jest kowalny i ciągliwy, o stosunkowo niskich temperaturach topnienia i wrzenia. Kadm to rzadki pierwiastek, którego stężenie w skorupie ziemskiej wynosi zaledwie 0,2 g / tonę.

Greenockite (CdS) to jedyna ważna ruda kadmu o intensywnym żółtym zabarwieniu. Kadm jest związany z cynkiem w sfalerytzie (ZnS), który zawiera od 0,1 do 03% kadmu w postaci kationu Cd ²⁺ .

Kryształy kadmu. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

Podczas przetwarzania sfalerytu w celu uzyskania, wytapiania i rafinacji cynku, kadm uzyskuje się w postaci wtórnej, będącej głównym źródłem jego produkcji.

Metal ten został odkryty w 1817 roku niezależnie przez Friedricha Stromayera i Karla Hermanna. Stromayer ochrzcił nowy pierwiastek nazwą kadmu, wywodzącą się od łacińskiego słowa „kadmia”, znanego określenia jako calamine (węglan cynku).

Kadm to pierwiastek chemiczny o symbolu Cd, a jego liczba atomowa to 48. Źródło: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Kadm to pierwiastek o wielkiej użyteczności i wielu zastosowaniach, m.in. antykorozyjny do żelaza, stali i metali nieżelaznych; używać jako pigmentu; stabilizacja PVC; pierwiastek ze stopów używanych do spawania; akumulatory niklowo-kadmowe itp.

Jednak jest to bardzo toksyczny pierwiastek, który powoduje poważne uszkodzenia płuc, nerek i kości, a nawet odnotowano, że ma działanie rakotwórcze, dlatego jego stosowanie zostało ograniczone. Mimo to w niektórych zastosowaniach nadal jest ostrożnie używany.

Historia

- Podwójne odkrycie

Kadm został odkryty przez Friedricha Stromayera, niemieckiego chemika, w 1817 roku w próbce węglanu cynku (kalamina). W tym samym roku KSL Hermann i JCH Roloff dokonali niezależnie tego samego odkrycia w eksperymencie z siarczkiem cynku.

Podobno Stromayer dokonał odkrycia podczas wypełniania rządowego wniosku o przeprowadzenie inspekcji aptek w mieście Hildesheim w Niemczech. Tlenek cynku, tak jak jest teraz, był używany w leczeniu niektórych chorób skóry.

Wydaje się, że apteki nie wysyłały tlenku cynku, ale zamiast tego sprzedawały węglan cynku: surowiec do produkcji tlenku cynku. Producenci tlenku cynku argumentowali, że ogrzewanie węglanu cynku prowadzi do powstania żółtego „tlenku cynku”.

Tlenek kadmu

Nie mogli sprzedawać tego „tlenku cynku”, ponieważ kolor związku był zwykle biały; Zamiast tego sprzedawali węglan cynku, również biały. W obliczu tej sytuacji Stromayer postanowił zbadać rzekomy żółty tlenek cynku.

Aby to zrobić, ogrzał próbki węglanu cynku (kalaminy) i, jak doniesiono, wytworzył żółty tlenek cynku. Po przeanalizowaniu tego doszedł do wniosku, że żółty kolor jest spowodowany obecnością metalicznego tlenku nowego pierwiastka.

Po wyekstrahowaniu tego nowego tlenku metalu wytworzył jego redukcję, uzyskując izolację kadmu. Stromayer wyznaczył jego gęstość i uzyskał wartość 8,75 g / cm ³ , bliską obecnie znanej wartości dla tego parametru (8,65 g / cm ³ ).

Stromayer zwrócił również uwagę, że nowy pierwiastek miał wygląd podobny do platyny i był również obecny w wielu związkach cynku, a nawet w oczyszczonym cynku.

Stromayer zasugerował nazwę „kadm” od łacińskiego słowa „kadmia”, nazwy nadanej calamine, ZnCO ₃ .

Kadm w siarczku cynku

Karl Hermann (1817) odkrył nieoczekiwany żółty kolor podczas przetwarzania siarczku cynku i pomyślał, że może to być zanieczyszczenie arszenikiem. Ale kiedy ta możliwość została wykluczona, Hermann zdał sobie sprawę, że był w obecności nowego elementu.

- Aplikacje

1840-1940

W latach czterdziestych XIX wieku zaczęto komercyjnie wykorzystywać kadm jako pigment. Brytyjski Kodeks Farmaceutyczny wskazuje w 1907 r. Na stosowanie jodku kadmu jako leku w leczeniu „przerostów stawów”, gruczołów skrofulnych i odmrożeń.

W latach 30. i 40. XX wieku produkcja kadmu miała na celu powlekanie stali i żelaza w celu ochrony przed korozją. W latach pięćdziesiątych XX wieku jako źródła czerwonego, pomarańczowego i żółtego pigmentu stosowano związki kadmu, takie jak siarczek kadmu i selenek kadmu.

1970-1990

W latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku stwierdzono, że laurynian kadmu i stearynian kadmu są stabilizatorami PCW, co prowadzi do wzrostu zapotrzebowania na kadm. Jednak regulacje środowiskowe ze względu na toksyczność kadmu spowodowały zmniejszenie jego zużycia.

W latach osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych XX wieku kadm przestał być używany w wielu zastosowaniach, ale potem jego produkcja wzrosła wraz z powstaniem akumulatorów niklowo-kadmowych, które w Stanach Zjednoczonych stanowiły 80% zużycia kadmu. .

Właściwości fizyczne i chemiczne kadmu

Wygląd

Srebrzysto szaro-biały z delikatnym metalicznym połyskiem. Pod wpływem temperatury 80 ° C staje się kruchy i można go przeciąć nożem. Jest plastyczny i można go zwijać w rolki.

Standardowa masa atomowa

112,414 u

Liczba atomowa (Z)

48

Kategoria pozycji

Metal występujący po przejściu, alternatywnie uważany za metal przejściowy. Definicja IUPAC metalu przejściowego to taka, której atomy mają niepełną podpowłokę d lub która może prowadzić do powstania kationów z niepełną podpowłoką d.

Zgodnie z tą definicją, kadm jest metalem przejściowym, ponieważ jego Cd ²⁺ kation posiada 4d orbitali całkowicie wypełnione 4d elektronów ( ¹⁰ ).

Zapach

Toaleta

Temperatura topnienia

321,07 ° C

Temperatura wrzenia

767 ºC

Gęstość

Temperatura otoczenia: 8,65 g / cm ³

W temperaturze topnienia (ciecz): 7,996 g / cm ³

Ciepło topnienia

6,21 kJ / mol

Ciepło parowania

99,87 kJ / mol

Molowa pojemność kaloryczna

26,020 J / (mol K)

Elektroujemność

1,6 w skali Paulinga

Energie jonizacji

Po pierwsze: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gaz)

Po drugie: 1631,4 kJ / mol (Cd ^{2+ w stanie} gazowym)

Po trzecie: 3616 kJ / mol (Cd ^{3+ w stanie} gazowym)

Przewodność cieplna

96,6 W / (mK)

Oporność

72,7 nΩ · m przy 22 ° C

Twardość

2,0 w ​​skali Mohsa. Jest to metal, choć gęsty, dość miękki.

Stabilność

Jest powoli utleniany przez wilgotne powietrze, tworząc tlenek kadmu, który matowieje jego metaliczny połysk. Nie jest łatwopalny, ale w postaci proszku może się palić i samozapalić.

Samozapłon

250 ºC dla kadmu ma postać proszku.

Współczynnik załamania światła

1,8 w 20 ° C

Reaktywność

Kadm może spalać się w powietrzu, tworząc tlenek kadmu (CaO), brązowy bezpostaciowy proszek, podczas gdy postać krystaliczna jest ciemnoczerwona.

Kadm szybko reaguje z rozcieńczonym kwasem azotowym i powoli z gorącym kwasem solnym. Jest również zdolny do reagowania z kwasem siarkowym, ale nie reaguje z zasadami. We wszystkich tych reakcjach powstają sole kadmu z odpowiadającymi im anionami (Cl ^- ) lub oksoanionami (NO ₃ ^- i SO ₄ ^2- ).

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Diagram powłoki elektronowej kadmu, pierwiastek 48 w układzie okresowym. Źródło: Pumbaa (oryginalna praca Grega Robsona) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Atomy kadmu w jego krysztale tworzą wiązanie metaliczne z ich elektronów walencyjnych, które znajdują się na orbitali 4d i 5s zgodnie z ich konfiguracją elektroniczną:

4d ¹⁰ 5s ²

Jednakże, chociaż orbitale 4d są pełne elektronów i można również pomyśleć, że „morze elektronów” jest dostatecznie obfite, aby silnie związać atomy Cd, w rzeczywistości oddziaływania są słabe. Można to wykazać eksperymentalnie dzięki jego niskiej temperaturze topnienia (321 ° C) w porównaniu z innymi metalami przejściowymi.

Z tego i innych powodów chemicznych czasami kadm nie jest uważany za metal przejściowy. Jest tak wiele elektronów (dwanaście) zaangażowanych w jego metaliczne wiązanie, że zaczynają one znacznie zakłócać jego ujemne odpychanie; co wraz z różnicą energetyczną między wypełnionymi orbitalami 4d i 5s osłabia oddziaływanie Cd-Cd.

Atomy Cd ostatecznie określają zwartą heksagonalną strukturę krystaliczną (hcp), która nie podlega przemianom fazowym przed temperaturą topnienia. Kiedy kryształy kadmu hcp zostaną poddane ciśnieniu równoważnemu 10 GPa, struktura tylko odkształca się; ale bez zgłaszania żadnej zmiany fazy.

Liczby utleniania

Kadm nie może stracić dwunastu elektronów walencyjnych; w rzeczywistości nie może stracić nawet jednego ze swoich orbitali 4d, które są bardziej stabilne energetycznie w porównaniu z orbitalem 5s. Dlatego może stracić tylko dwa elektrony z orbity 5s ² , będąc w konsekwencji metalem dwuwartościowym; jak w przypadku cynku, rtęci i metali ziem alkalicznych (pan Becambara).

Kiedy zakłada się istnienie kationu Cd ²⁺ w jego związkach , to mówi się, że kadm ma stopień utlenienia lub stan +2. To jest twój główny stopień utlenienia. Na przykład następujące związki zawierają kadm jako +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2- ) i Cd (NO ₃ ) ₂ .

Oprócz tego stopnia utlenienia występuje również +1 (Cd ⁺ ) i -2 (Cd ^2- ). Stopień utlenienia +1 obserwuje się w przypadku Cd ₂ ²⁺ , w którym każdy atom kadmu ma ładunek dodatni. Tymczasem -2 jest dość dziwne i odnosi się do anionu „cadmide”.

Gdzie znaleźć i uzyskać

Kryształy greenockite. Źródło: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Kadm to rzadki pierwiastek o stężeniu 0,2 g / tonę w skorupie ziemskiej. Jedynym ważnym minerałem kadmu jest zielonokit (CdS), którego nie można wydobywać z górniczego i handlowego punktu widzenia.

Kadm jest związany z cynkiem w mineralnym sfalerytzie (ZnS), który zwykle zawiera go w stężeniu od 0,1% do 0,3%; ale w niektórych przypadkach stężenie kadmu w sfalerytach może osiągnąć 1,4%.

Skały przetwarzane na nawozy fosforowe mogą mieć stężenie kadmu na poziomie 300 mg / kg nawozu. Węgiel może również zawierać niewielkie, ale znaczne ilości kadmu.

Głównym źródłem kadmu są emisje wulkaniczne, które kadm może przenosić do wód powierzchniowych. Stosowanie nawozów fosforowych w glebach rolniczych doprowadziło do ich zanieczyszczenia kadmem.

Kadm obecny w kwaśnych glebach jest przyswajalny przez rośliny. Niektóre warzywa są wykorzystywane przez człowieka jako pożywienie, co wyjaśnia, dlaczego spożycie wody i pożywienia jest głównym źródłem przenikania kadmu przez osoby nie narażone lub palacze.

Leczenie sfalerytu

Podczas wydobywania, wytapiania i rafinacji cynku obecnego w sfalerytzie, kadm jest zwykle uzyskiwany jako produkt uboczny. Podobne zdarzenie występuje również, choć w znacznie mniejszym stopniu, przy przeróbce miedzi i ołowiu.

Podobnie niewielkie ilości kadmu można uzyskać z recyklingu złomu żelaza i stali.

Sfaleryt jest prażony, tak że siarczek cynku przekształca się w jego tlenek ZnO. Ta sama reakcja zachodzi przez siarczek kadmu:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Jeśli ta mieszanina tlenków zostanie podgrzana węglem drzewnym, zostaną zredukowane do odpowiednich metali:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Również cynk i kadm mogą być wytwarzane przez elektrolizę, gdy tlenki rozpuszczają się w kwasie siarkowym.

Obie metody generują cynk zanieczyszczony kadmem. Po stopieniu kadm może być destylowany próżniowo ze względu na niższą temperaturę topnienia (321 ° C) w porównaniu do cynku (420 ° C).

Izotopy

Wśród naturalnych i stabilnych izotopów kadmu mamy, wraz z ich odpowiednią obfitością na Ziemi:

- 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 radioaktywnych, ale ze względu na tak wielką wartość połowy - półtrwania (t _1/2 = 7,7 x 10 ¹⁵ lat), mogą być uważane za stabilne. Jest jeszcze ¹¹⁶ Cd, również radioaktywna, z okresem półtrwania 3,1 · 10 ¹⁹ lat, więc można go uznać za stabilny izotop, stanowiący 7,51% kadmu.

Należy zauważyć, że średnia masa atomowa wynosi 112,414 u, bliżej 112 niż 114. Istnienie dominującego izotopu nad pozostałymi nie jest obserwowane w kadmie.

Ryzyka

Generał

Wchłanianie kadmu następuje głównie z pożywienia, zwłaszcza wątroby, grzybów, skorupiaków, proszku kakaowego i suszonych wodorostów.

Emblematyczny przypadek miał miejsce w Chinach w ubiegłym wieku, gdzie doszło do znacznego skażenia populacji kadmem. Zanieczyszczenie kadmem spowodowane było jego wysokim stężeniem w ryżu, spowodowanym obecnością kadmu w glebach zbóż.

Palacz spożywa średnio 60 µg / dzień. Maksymalne dozwolone stężenie kadmu we krwi wynosi 15 µg / dzień. Osoby niepalące mają stężenie kadmu we krwi około 0,5 µg / l.

Płuca pochłaniają od 40 do 60% kadmu z dymu tytoniowego. Kadm wchłaniany w płucach jest transportowany do krwi, tworząc kompleksy z białkami, cysteiną i glutationem, które następnie trafiają do wątroby, nerek itp.

Ostra inhalacja kadmu może wywołać objawy podobne do tych obserwowanych podczas grypopodobnego procesu; takie jak przeziębienia, gorączka i bóle mięśni, które mogą powodować uszkodzenie płuc. Tymczasem przewlekła ekspozycja na kadm może powodować choroby płuc, nerek i kości.

Wpływ na nerki

W nerkach kadm zwykle powoduje zmiany w metabolizmie fosforu i wapnia, na co wskazuje wzrost produkcji kamieni nerkowych. Dodatkowo powoduje uszkodzenie nerek objawiające się pojawieniem się w moczu białka transportera retinolu oraz β-2-mikroglobuliny.

Wpływ na rozmnażanie

Narażenie matki na kadm wiąże się z niską masą urodzeniową dziecka i wzrostem wskaźnika poronień samoistnych.

Uszkodzenie kości

Kadm jest powiązany w Japonii z obecnością choroby Itai-Itai w ostatnim stuleciu. Choroba ta charakteryzuje się niską mineralizacją kości, łamliwością kości z dużą częstością złamań, zwiększoną osteoporozą i bólem kostnym.

Karcynogeneza

Chociaż eksperymenty na szczurach wykazały związek między kadmem a rakiem prostaty, nie wykazano tego u ludzi. Wykazano związek między kadmem a rakiem nerki, a także z rakiem płuc.

Aplikacje

Ładowane bakterie niklowo-kadmowe

Różne ogniwa lub akumulatory Ni-Cd. Źródło: Boffy b za pośrednictwem Wikipedii.

Wodorotlenek kadmu był używany jako katoda w akumulatorach Ni-Cd. Były one używane w przemyśle kolejowym i lotniczym, a także w przyrządach do użytku zbiorowego, w tym w telefonach komórkowych, kamerach wideo, laptopach itp.

Zużycie kadmu do produkcji akumulatorów Ni-Cd stanowiło 80% produkcji kadmu. Jednak ze względu na toksyczność tego pierwiastka akumulatory Ni-Cd były stopniowo zastępowane akumulatorami niklowo-wodorkowymi.

Pigmenty

Czerwień kadmowa. Źródło: Marco Almbauer

Siarczek kadmu jest używany jako żółty pigment, a selenek kadmu jako czerwony pigment, znany jako czerwień kadmu. Pigmenty te charakteryzują się blaskiem i intensywnością, dlatego znalazły zastosowanie w tworzywach sztucznych, ceramice, szkle, emaliach i barwach artystycznych.

Zauważono, że malarz Vincent Van Gogh użył w swoich obrazach pigmentów kadmu, co pozwoliło mu uzyskać różnorodne jaskrawe czerwienie, pomarańcze i żółcie.

Zabarwienie pigmentów kadmu należy osłabić przed zmieleniem za pomocą olejów lub zmieszaniem z akwarelami i akrylem.

telewizja

Elementy zawierające kadm zastosowano w luminoforze telewizorów czarno-białych, a także w luminoforze niebieskim i zielonym do kineskopów telewizji kolorowej.

Luminofor był częścią ekranu napromieniowanego promieniami katodowymi, odpowiedzialnymi za tworzenie obrazu. Kadm, pomimo swojej toksyczności, zaczął być stosowany w niedawno powstałych telewizorach QLED.

Stabilizacja PVC

Związki kadmu powstałe z karboksylanu, laurynianu i stearynianu zastosowano jako stabilizatory polichlorku winylu, ponieważ opóźniają degradację wywołaną działaniem ciepła i światła ultrafioletowego, które rozkładają PVC w procesie jego produkcji.

Z powodu toksyczności kadmu ponownie stabilizatory PVC związane z kadmem zostały zastąpione innymi stabilizatorami, takimi jak barowo-cynkowy, wapniowo-cynkowy i cynoorganiczny.

Stopy

Kadm został zastosowany w stopach łożyskowych ze względu na jego wysoką wytrzymałość zmęczeniową i niski współczynnik tarcia. Kadm ma stosunkowo niską temperaturę topnienia, dlatego jest stosowany w stopach o niskiej temperaturze topnienia i jest składnikiem wielu rodzajów spoin.

Kadm można również stosować w stopach przewodzących prąd, przewodzących ciepło i stopach do kontaktu elektrycznego.

Pokrycie

Kadm służy do ochrony elementów złącznych ze stali, aluminium i innych metali nieżelaznych, a także części ruchomych. Powłoka kadmu zapewnia ochronę przed korozją w mediach solnych i alkalicznych. Ponadto służy jako smar.

Kadm jest również używany w wielu zastosowaniach elektrycznych i elektronicznych, które wymagają odporności na korozję i niskiej rezystywności elektrycznej.

Reaktor nuklearny

Kadm jest wykorzystywany w reaktorach jądrowych ze względu na jego zdolność do wychwytywania neutronów, co pozwala kontrolować nadmiar neutronów powstających w wyniku rozszczepienia jądrowego, unikając dodatkowych rozszczepień jądrowych.

Półprzewodniki

Selenek kadmu i tellurek to związki, które działają jako półprzewodniki w detekcji światła i w ogniwach słonecznych. HgCdTe jest wrażliwy na światło podczerwone i jest używany jako czujnik ruchu, a także jako przełącznik do urządzeń zdalnego sterowania.

biologia

Światło lasera He-Cd. Źródło: Rather Anonymous (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Hel-Cd bierze udział w tworzeniu wiązki laserowej światła niebiesko-fioletowego o długości fali w zakresie od 325 do 422 nm, nadającej się do wykorzystania w mikroskopach fluorescencyjnych.

Kadm jest używany w biologii molekularnej do blokowania kanałów wapniowych, w zależności od potencjału błony.

Bibliografia

1. Wikipedia. (2019). Kadm. Odzyskane z: en.wikipedia.org
2. Selva VR i in. (2014). Struktura wysokociśnieniowa i temperaturowa cieczy i ciała stałego Cd: Implikacje dla krzywej topnienia Cd. Źródło: researchgate.net
3. Dr Dough Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastka kadmu. Źródło: chemicool.com
4. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Kadm. Baza danych PubChem. CID = 23973. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). Toksyczność kadmu i wynikające z tego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego. Journal of medycyny pracy i toksykologii (Londyn, Anglia), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30 lipca 2018). Fakty na temat Camium. Odzyskane z: livescience.com
7. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (6 września 2018). Kadm. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
8. Międzynarodowe Stowarzyszenie Kadmu. (sf). Zastosowania kadmu. Odzyskany z: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Kadm. Odzyskany z: lenntech.com