KADMIUM (CD): HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, BRUK - KJEMI - 2026

Den kadmium (Cd) er et overgangsmetall eller post - overgangsatomnummer 48 og sølv. Den er formbar og smidig, med relativt lave smelte- og kokepunkter. Kadmium er et sjeldent element og har bare en konsentrasjon på 0,2 g / tonn av jordskorpen.

Greenockite (CdS) er den eneste viktige kadmiummalmen med en intens gul farge. Kadmium finnes assosiert med sink i sfæraleritt (ZnS), som inneholder mellom 0,1 og 03% kadmium som en Cd ²⁺ -kation .

Kadmiumkrystaller. Kilde: Hi-Res Images of Chemical Elements

Ved behandling av sfæraleritt for å oppnå, smelte og foredle sink, oppnås kadmium i en sekundær form, dette er den viktigste produksjonskilden.

Dette metallet ble oppdaget i 1817, uavhengig av Friedrich Stromayer og Karl Hermann. Stromayer døpte det nye elementet med navnet kadmium, stammet fra det latinske ordet “kadmia”, et begrep som kalamin (sinkkarbonat) var kjent.

Kadmium er et kjemisk element med symbolet Cd og atomnummeret er 48. Kilde: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Kadmium er et element av stor nytteverdi og mange bruksområder, for eksempel antikorrosivt av jern, stål og ikke-jernholdige metaller; bruk som pigment; stabilisering av PVC; element i legeringer brukt i sveising; oppladbare nikkel-kadmium-batterier, etc.

Imidlertid er det et veldig giftig element som forårsaker alvorlig skade på lungene, nyrene og beinene, og det har til og med blitt rapportert å ha en kreftfremkallende virkning, og derfor har bruken vært begrenset. Men til tross for dette, har det fortsatt å bli brukt nøye i noen applikasjoner.

Historie

- Dobbelt funn

Kadmium ble oppdaget av Friedrich Stromayer, en tysk kjemiker, i 1817 i en prøve sinkkarbonat (calamine). Samme år gjorde KSL Hermann og JCH Roloff den samme oppdagelsen, uavhengig av hverandre, i et eksperiment med sinksulfid.

Det er rapportert at Stromayer har gjort sitt oppdagelse mens han oppfylte en regjeringsanmodning om å inspisere apotek i byen Hildesheim, Tyskland. Sinkoksid, slik det er nå, ble brukt til å behandle visse hudtilstander.

Det ser ut til at apotek ikke sendte sinkoksid, men i stedet solgte sinkkarbonat: et råstoff for produksjon av sinkoksid. Produsentene av sinkoksid hevdet at oppvarming av sinkkarbonatet ga et gult "sinkoksid".

Kadmiumoksyd

De kunne ikke selge dette “sinkoksidet”, siden fargen på forbindelsen normalt var hvit; I stedet solgte de sinkkarbonat, også hvitt. Overfor denne situasjonen bestemte Stromayer seg for å studere det antatte gule sinkoksidet.

For å gjøre dette, oppvarmet han prøver av sinkkarbonatet (calamine) og produserte et gult sinkoksid, som rapportert. Etter å ha analysert den, konkluderte han med at den gule fargen var forårsaket av tilstedeværelsen av et metallisk oksid av et nytt element.

Etter å ha utvunnet dette nye metalloksydet, produserte det sin reduksjon, og oppnådde isolering av kadmium. Stromayer bestemmes dens tetthet og oppnådde en verdi på 8,75 g / cm ³ , nær verdien for tiden er kjent for denne parameter (8,65 g / cm ³ ).

Stromayer påpekte også at det nye elementet hadde et utseende som ligner på platina, og at det også var til stede i mange sinkforbindelser, og til og med i renset sink.

Stromayer foreslo navnet “cadmium” fra det latinske ordet “cadmia”, navnet gitt til calamine, ZnCO ₃ .

Kadmium i sinksulfid

Karl Hermann (1817) fant en uventet gul farge når han behandlet sinksulfid og mente det kunne være arsenforurensning. Men når denne muligheten ble utelukket, innså Hermann at han var i nærvær av et nytt element.

- Applikasjoner

1840-1940

I 1840-årene begynte bruken av kadmium som pigment å bli utnyttet kommersielt. Den britiske farmasøytiske kodeksen indikerer i 1907 bruken av kadmiumjodid som medisin for å behandle "forstørrede ledd", skrogfulle kjertler og chilblains.

På 1930- og 1940-tallet var kadmiumproduksjonen rettet mot plating stål og jern for å beskytte dem mot korrosjon. På 1950-tallet ble kadmiumforbindelser som kadmiumsulfid og kadmiumselenid brukt som kilder til røde, oransje og gule pigmenter.

1970-1990

Kadmiumlaurat- og kadmiumstearatforbindelser ble funnet å være stabilisatorer for PVC på 1970- og 1980-tallet, noe som førte til økt etterspørsel etter kadmium. Miljømessige forskrifter på grunn av giftigheten av kadmium forårsaket imidlertid en nedgang i forbruket.

På 1980- og 1990-tallet sluttet kadmium å bli brukt i mange av applikasjonene, men da økte produksjonen med opprettelsen av oppladbare nikkel-kadmiumbatterier, som kom til å representere 80% av kadmiumforbruket i USA. .

Fysiske og kjemiske egenskaper ved kadmium

Utseende

Sølvgråhvit med myk metallisk glans. Det blir sprøtt ved eksponering for 80 ºC, og kan kuttes med en kniv. Den er formbar og kan rulles i ruller.

Standard atomvekt

112.414 u

Atomnummer (Z)

48

Varekategori

Etterovergangsmetall, alternativt betraktet som et overgangsmetall. IUPAC-definisjonen av et overgangsmetall er en hvis atomer har en ufullstendig d-underhylle eller som kan gi opphav til kationer med et ufullstendig d-underhode.

I henhold til denne definisjonen er kadmium ikke et overgangsmetall siden Cd ²⁺ -kationen har sine 4d orbitaler fullstendig fylt med elektroner (4d ¹⁰ ).

lukt

Toalett

Smeltepunkt

321,07 ºC

Kokepunkt

767 ºC

tetthet

Omgivelsestemperatur: 8,65 g / cm ³

Ved smeltepunkt (flytende): 7,996 g / cm ³

Fusjonsvarme

6,21 kJ / mol

Fordampingsvarme

99,87 kJ / mol

Molær kalorikapasitet

26,020 J / (mol K)

elektro

1.6 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

Først: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gass)

Andre: 1631,4 kJ / mol (Cd ²⁺ gassformig)

Tredje: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ gassformig)

Termisk ledningsevne

96,6 W / (mK)

resistivitet

72,7 nΩ · m ved 22 ºC

hardhet

2.0 på Mohs-skalaen. Det er et metall, selv om det er tett, betydelig mykt.

Stabilitet

Det oksideres sakte av fuktig luft for å danne kadmiumoksyd, som pletter dets metalliske glans. Det er ikke brannfarlig, men i pulverform kan det brenne og selvantennes.

Selvantennelse

250 ºC for kadmium er en pulverform.

Brytningsindeks

1,8 ved 20 ºC

reaktivitet

Kadmium kan brenne i luft og danne kadmiumoksyd (CaO), et brunt amorft pulver, mens den krystallinske formen er mørkerød.

Kadmium reagerer raskt med fortynnet salpetersyre, og sakte med varm saltsyre. Den er også i stand til å reagere med svovelsyre, men den reagerer ikke med alkalier. I alle disse reaksjonene dannes kadmiumsalter av deres tilsvarende anioner (Cl ^- ) eller oksoanioner (NO ₃ ^- og SO ₄ ^2- ).

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Elektronskaldiagram over kadmium, element 48 i periodiske tabeller. Kilde: Pumbaa (originalverk av Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Kadmiumatomer i dets krystall oppretter en metallisk binding fra deres valenselektroner, som er plassert i 4d og 5s orbitaler i henhold til deres elektroniske konfigurasjon:

4d ¹⁰ 5s ²

Selv om 4d-orbitalene er fulle av elektroner, og det kan også antas at "havet av elektronene" er rikelig nok til å binde Cd-atomer sterkt, er interaksjonene i virkeligheten svake. Dette kan demonstreres eksperimentelt med dets lave smeltepunkt (321 ° C), sammenlignet med andre overgangsmetaller.

Av denne og andre kjemiske årsaker anses kadmium noen ganger ikke som et overgangsmetall. Det er så mange elektroner (tolv) involvert i dens metalliske binding at de begynner å forstyrre dens negative frastøtninger; som sammen med den energiske forskjellen mellom de fylte 4d- og 5-talls-orbitalene svekker Cd-Cd-interaksjonen.

Cd-atomene ender opp med å definere en kompakt sekskantet krystallinsk struktur (hcp), som ikke gjennomgår faseoverganger før smeltepunktet. Når hcp kadmiumkrystaller utsettes for et trykk som tilsvarer 10 GPa, deformeres strukturen bare; men uten at noen faseendring er rapportert.

Oksidasjonsnummer

Kadmium kan ikke miste de tolv valenselektronene; faktisk kan den ikke miste en av sine 4d-bane, som er mer stabile i energi sammenlignet med 5-bane. Derfor kan den bare miste de to elektronene fra 5s ^2- bane , og følgelig være et toverdig metall; som tilfelle med sink, kvikksølv og jordalkalimetaller (Mr. Becambara).

Når det antas at eksistensen av Cd ²⁺ -kation er i forbindelsene , sies det at kadmium har et oksidasjonsnummer eller -tilstand på +2. Dette er ditt viktigste oksidasjonsnummer. For eksempel har de følgende forbindelsene inneholder kadmium som 2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CdCl ₂ (Cd ^{2 +} Cl ₂ ^- ), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ² ) og Cd (NO ₃ ) ₂ .

I tillegg til dette oksidasjonsnummeret er det også +1 (Cd ⁺ ) og -2 (Cd ^2- ). Oksidasjonsnummeret +1 blir observert i Cd ₂ ²⁺ -dikasjonen , der hvert kadmiumatom har en positiv ladning. I mellomtiden er -2 ganske merkelig, og vil gjelde "kadmide" -anjonen.

Hvor å finne og skaffe

Greenockite-krystaller. Kilde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Kadmium er et sjeldent element som har en konsentrasjon på 0,2 g / tonn i jordskorpen. Det eneste viktige kadmiummineralet er greenockite (CdS), som ikke kan utvinnes fra et gruve- og kommersielt synspunkt.

Kadmium finnes assosiert med sink i mineralsfæraleritten (ZnS), som vanligvis inneholder det i en konsentrasjon mellom 0,1% og 0,3%; men i noen tilfeller kan kadmiumkonsentrasjonen i spaleritt nå 1,4%.

Bergartene som er bearbeidet for å få fosforgjødsel kan ha en kadmiumkonsentrasjon på 300 mg / kg gjødsel. Også kull kan inneholde små, men betydelige mengder kadmium.

En viktig kilde til kadmium er vulkanutslipp som kadmium kan føre til overflatevann. Bruken av fosforgjødsel i jordbruksjord har ført til forurensning av den med kadmium.

Kadmium som er tilstede i syre jordsmonn kan tas opp av planter. Noen av grønnsakene brukes av mennesker som mat, noe som forklarer hvordan inntak av vann og mat er den viktigste kilden til inntreden av kadmium hos ueksponerte personer eller røykere.

Behandling av sfæraleritt

Under gruvedrift, smelting og raffinering av sink som er til stede i sfæraleritt, oppnås vanligvis kadmium som et biprodukt. En lignende hendelse forekommer også, selv i mye mindre grad, under bearbeiding av kobber og bly.

Tilsvarende kan små mengder kadmium oppnås fra resirkulering av jern og stålskrap.

Sphaleritten stekes slik at sinksulfidet blir til oksid, ZnO. Den samme reaksjonen lider av kadmiumsulfid:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Hvis denne oksydblandingen varmes opp med trekull, vil de reduseres til sine respektive metaller:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Sink og kadmium kan også produseres ved elektrolyse når oksydene løses opp i svovelsyre.

Enten av metodene genererer en kadmiumforurenset sink. Ved smelting kan kadmium vakuumdestilleres på grunn av dets lavere smeltepunkt (321 ° C) sammenlignet med sink (420 ° C).

isotoper

Blant de naturlige og stabile isotoper av kadmium vi har, med deres respektive overflod her på jorden:

- 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%)

Den ¹¹³ Cd er radioaktivt, men på grunn av så stor verdi halv - liv (t _1/2 = 7,7 x 10 ¹⁵ år), kan betraktes som stabil. Og så er det ¹¹⁶ Cd, også radioaktiv, med en halveringstid på 3,1 · 10 ¹⁹ år, så det kan betraktes som en stabil isotop, som representerer 7,51% kadmium.

Legg merke til at den gjennomsnittlige atommassen er 112.414 u, nærmere 112 enn 114. Eksistensen av en dominerende isotop over de andre blir ikke observert i kadmium.

risiko

Generell

Opptak av kadmium skjer hovedsakelig fra mat, spesielt lever, sopp, skalldyr, kakaopulver og tørket tang.

En emblematisk sak skjedde i Kina i forrige århundre, hvor det var betydelig kadmiumforurensning i befolkningen. Kadmiumforurensningen skyldtes den høye konsentrasjonen i ris, forårsaket av tilstedeværelsen av kadmium i jordsmonnene i kornavlinger.

En røyker har et gjennomsnittlig inntak på 60 ug / dag. Maksimal konsentrasjon av kadmium som er tillatt i blodet er 15 ug / dag. Ikke-røykere har en kadmiumkonsentrasjon i blodet rundt 0,5 ug / L.

Lungene tar opp mellom 40 og 60% av kadmium i tobakksrøyk. Kadmium absorbert i lungene transporteres i blodet, og danner komplekser med proteiner, cystein og glutation, som deretter havner i leveren, nyrene, etc.

En akutt innånding av kadmium kan gi symptomer som ligner de som er observert i en influensalignende prosess; som forkjølelse, feber og muskelsmerter, som kan forårsake lungeskader. I mellomtiden kan kronisk eksponering for kadmium forårsake lunge-, nyre- og bein sykdom.

Effekt på nyrene

I nyrene forårsaker kadmium vanligvis en endring i metabolismen av fosfor og kalsium, hvilket kan bevises av en økning i produksjonen av nyrestein. I tillegg forårsaker det nyreskade manifesteres i utseendet i urinen av retinoltransportørprotein og β-2-mikroglobulin.

Effekt på reproduksjon

Mors eksponering for kadmium er assosiert med en lav fødselsvekt hos barnet og en økning i frekvensen av spontane aborter.

Benskader

Kadmium er i Japan relatert til tilstedeværelsen av Itai-Itai sykdom i forrige århundre. Denne sykdommen er preget av lav beinmineralisering, skjørhet i benet med en høy frekvens av brudd, økt osteoporose og beinsmerter.

karsinogenese

Selv om eksperimenter med rotter etablerte en sammenheng mellom kadmium og prostatakreft, er dette ikke påvist hos mennesker. Det er vist en sammenheng mellom kadmium og nyrekreft, og den har også vært knyttet til lungekreft.

applikasjoner

Nikkel kadmium ladbare bakterier

Ulike celler eller Ni-Cd-batterier. Kilde: Boffy b via Wikipedia.

Kadmiumhydroksyd ble brukt som katode i Ni-Cd-batterier. Disse ble brukt i jernbane- og luftfartsindustrien, samt i instrumenter for kollektiv bruk inkludert mobiltelefoner, videokameraer, bærbare datamaskiner, etc.

Kadmiumforbruket for produksjon av Ni-Cd-batterier utgjorde 80% av kadmiumproduksjonen. På grunn av toksisiteten til dette elementet er imidlertid Ni-Cd-batterier gradvis erstattet av nikkel-metallhydridbatterier.

pigmenter

Kadmium rød. Kilde: Marco Almbauer

Kadmiumsulfid brukes som et gult pigment og kadmiumselenid som et rødt pigment, kjent som kadmiumrødt. Disse pigmentene er preget av deres glans og intensitet, og det er derfor de har blitt brukt i plast, keramikk, glass, emaljer og kunstneriske farger.

Det er blitt bemerket at maleren Vincent Van Gogh brukte kadmiumpigmenter i maleriene sine, noe som gjorde at han kunne oppnå en rekke lysrøde, appelsiner og gule.

Fargen på kadmiumpigmenter må dempes før de males med oljer eller blandes i akvareller og akryl.

TV

Kadmiumholdige komponenter ble brukt i fosfor av svart-hvitt fjernsyn, så vel som i de blå og grønne fosforene til fargefjernsynsbilder.

Fosfor var en del av skjermen som ble bestrålet av katodestråler, og var ansvarlig for dannelsen av bildet. Til tross for toksisiteten har kadmium begynt å bli brukt i nylig opprettede QLED-TV-apparater.

PVC-stabilisering

Kadmiumforbindelser dannet med karboksylat, laurat og stearat ble brukt som stabilisatorer for polyvinylklorid, siden de forsinker nedbrytningen produsert ved eksponering for varme og ultrafiolett lys som dekomponerer PVC under fremstillingsprosessen.

På grunn av kadmiumtoksisitet er kadmiumbundne PVC-stabilisatorer igjen erstattet av andre stabilisatorer, så som barium-sink, kalsium-sink og organotin.

legeringer

Kadmium har blitt brukt til å bære legeringer på grunn av sin høye utmattingsmotstand og lave friksjonskoeffisient. Kadmium har et relativt lavt smeltepunkt, og det er grunnen til at det brukes i legeringer med lavt smeltepunkt, og er en komponent i tillegg til mange typer sveiser.

Kadmium kan også brukes i elektrisk ledende, termisk ledende og elektriske kontaktlegeringer.

dekker

Kadmium brukes til å beskytte stål, aluminium og andre ikke-jernholdige metallfester, samt bevegelige deler. Kadmiumbelegg gir korrosjonsbeskyttelse i saltvann og alkaliske medier. I tillegg fungerer det som smøremiddel.

Kadmium brukes også i mange elektriske og elektroniske applikasjoner som krever korrosjonsmotstand og lav elektrisk motstand.

Atomreaktorer

Kadmium brukes i kjernefysiske reaktorer for sin evne til å fange opp nøytroner, noe som gjør det mulig å kontrollere overflødig nøytroner fra kjernefysjon, og unngå ytterligere kjernefysiske fisjoner.

halvledere

Kadmiumselenid og tellurid er forbindelser som fungerer som halvledere ved lysdeteksjon og i solceller. HgCdTe er følsom for infrarødt lys og brukes som bevegelsesdetektor så vel som bryter for fjernkontrollenheter.

biologi

He-Cd laserlys. Kilde: Rather Anonym (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Helium-Cd er involvert i dannelsen av en blåfiolett laserstråle med en bølgelengde fra 325 til 422 nm, anvendelig i fluorescensmikroskop.

Kadmium brukes i molekylærbiologi for å blokkere kalsiumkanaler, avhengig av membranpotensialet.

referanser

1. Wikipedia. (2019). Kadmium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
2. Selva VR & et al. (2014). Høytrykk og temperaturstruktur for væske og fast Cd: Implikasjoner for smeltekurven for Cd. Gjenopprettet fra: researchgate.net
3. Dr. Dough Stewart. (2019). Fakta om kadmiumelement. Gjenopprettet fra: chemicool.com
4. Nasjonalt senter for informasjon om bioteknologi. (2019). Kadmium. PubChem-databasen. CID = 23973. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). Giftigheten av kadmium og de resulterende farene for menneskers helse. Tidsskrift for arbeidsmedisin og toksikologi (London, England), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30. juli 2018). Fakta om kamium. Gjenopprettet fra: livescience.com
7. Redaktørene av Encyclopaedia Britannica. (6. september 2018). Kadmium. Encyclopædia Britannica. Gjenopprettet fra: britannica.com
8. International Cadmium Association. (SF). Kadmium applikasjoner. Gjenopprettet fra: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Kadmium. Gjenopprettet fra: lenntech.com