KADMIUM (CD): HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, POUŽITIE - CHÉMIA - 2026

Kadmium (Cd) je prechodný kov alebo post - prechodné atómové číslo 48 a striebro. Je kujná a tvárná, s relatívne nízkym bodom topenia a varom. Kadmium je zriedkavý prvok a má iba koncentráciu 0,2 g / tonu zemskej kôry.

Greenockite (CdS) je jediná dôležitá ruda kadmia s intenzívnym žltým zafarbením. Zistilo sa, že kadmium je spojené so zinkom v sfalerite (ZnS), ktorý obsahuje medzi 0,1 a 03% kadmia ako katiónu Cd2 ⁺ .

Kryštály kadmia. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvkov

Pri spracovaní sfaleritu na získanie, tavenie a rafináciu zinku sa kadmium získava v sekundárnej forme, čo je jeho hlavným zdrojom výroby.

Tento kov bol objavený v roku 1817 nezávisle od Friedricha Stromayera a Karla Hermanna. Stromayer krstil nový prvok menom kadmia, ktorý pochádza z latinského slova „kadmia“, bol známy termín ako kalamín (uhličitan zinočnatý).

Kadmium je chemický prvok so symbolom Cd a jeho atómové číslo je 48. Zdroj: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Kadmium je prvkom veľkej užitočnosti a mnohých aplikácií, ako je antikorózna ochrana železa, ocele a neželezných kovov; použitie ako pigment; stabilizácia PVC; prvok v zliatinách používaných na zváranie; dobíjacie niklové kadmiové batérie atď.

Je to však veľmi toxický prvok, ktorý spôsobuje vážne poškodenie pľúc, obličiek a kostí, a dokonca sa uvádza, že má karcinogénne účinky, a preto je jeho použitie obmedzené. Napriek tomu sa však v niektorých aplikáciách naďalej používa opatrne.

histórie

- Dvojitý objav

Kadmium objavil nemecký chemik Friedrich Stromayer v roku 1817 vo vzorke uhličitanu zinočnatého (calamín). V tom istom roku KSL Hermann a JCH Roloff urobili rovnaký objav nezávisle v experimente so sulfidom zinočnatým.

Hovorí sa o tom, že Stromayer zistil, že splnil vládnu žiadosť o prehliadku lekární v meste Hildesheim v Nemecku. Oxid zinočnatý, ako je teraz, sa používal na liečenie určitých stavov pokožky.

Zdá sa, že lekárne nedodávali oxid zinočnatý, ale predávali uhličitan zinočnatý: surovinu na výrobu oxidu zinočnatého. Výrobcovia oxidu zinočnatého tvrdili, že zahriatím uhličitanu zinočnatého sa získa žltý „oxid zinočnatý“.

Oxid kadmia

Tento „oxid zinočnatý“ nemohli predať, pretože farba zlúčeniny bola normálne biela; Namiesto toho predávali uhličitan zinočnatý, tiež biely. Vzhľadom na túto situáciu sa Stromayer rozhodol preštudovať predpokladaný žltý oxid zinočnatý.

Za týmto účelom zahrieval vzorky uhličitanu zinočnatého (calamín) a produkoval žltý oxid zinočnatý, ako bolo uvedené. Po jeho analýze dospel k záveru, že žlté zafarbenie bolo spôsobené prítomnosťou oxidu kovu nového prvku.

Po extrakcii tohto nového oxidu kovu došlo k jeho redukcii, čím sa dosiahla izolácia kadmia. Stromayer stanovená jeho hustotu a získať hodnotu 8,75 g / cm ³ , v blízkosti hodnoty v súčasnosti známe pre tento parameter (8,65 g / cm ³ ).

Stromayer tiež zdôraznil, že nový prvok má vzhľad podobný platine a že je tiež prítomný v mnohých zlúčeninách zinku a dokonca aj v čistenom zinku.

Stromayer navrhol názov „kadmium“ z latinského slova „kadmia“, ktorý sa nazýva calamín, ZnCO ₃ .

Kadmium v ​​sulfide zinočnatom

Karl Hermann (1817) zistil pri spracovaní sulfidu zinočnatého neočakávanú žltú farbu a myslel si, že by to mohla byť kontaminácia arzénom. Ale keď bola táto možnosť vylúčená, Hermann si uvedomil, že je v prítomnosti nového prvku.

- Aplikácie

1840-1940

V roku 1840 sa začalo komerčne využívať kadmium ako pigment. V Britskom farmaceutickom kódexe sa v roku 1907 uvádza použitie jodidu kadmia ako liečiva na liečenie „zväčšených kĺbov“, škvrnitých žliaz a chilblaínov.

V 30. a 40. rokoch 20. storočia bola výroba kadmia zameraná na pokovovanie ocele a železa na ich ochranu pred koróziou. V 50-tych rokoch boli ako zdroje červených, oranžových a žltých pigmentov použité zlúčeniny kadmia, ako je sulfid kadmia a selenid kadmia.

1970-1990

V sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch sa zistilo, že laurát kadmia a stearát kadmia sú stabilizátory PVC, čo vedie k zvýšenému dopytu po kadmiu. Environmentálne predpisy v dôsledku toxicity kadmia však spôsobili zníženie jeho spotreby.

V 80. a 90. rokoch sa kadmium prestávalo používať v mnohých svojich aplikáciách, ale potom sa jeho výroba zvýšila s vytvorením nabíjateľných nikel-kadmiových batérií, ktoré predstavovali 80% spotreby kadmia v Spojených štátoch. ,

Fyzikálne a chemické vlastnosti kadmia

vzhľad

Strieborná šedo-biela s mäkkým kovovým leskom. Po vystavení účinkom 80 ° C sa stane krehkým a môže sa rezať nožom. Je tvárny a dá sa rolovať do roliek.

Štandardná atómová hmotnosť

112 414 u

Atómové číslo (Z)

48

Kategória položky

Post-prechodný kov, alternatívne sa považuje za prechodný kov. Definícia IUPAC prechodného kovu je taká, ktorej atómy majú neúplnú dshell alebo ktoré môžu spôsobiť katióny s neúplnou dshshell.

Podľa tejto definície nie je kadmium prechodným kovom, pretože jeho katión Cd2 ⁺ má svoje 4d orbitaly úplne vyplnené elektrónmi (4d ¹⁰ ).

vône

Toaleta, WC

Bod topenia

321,07 ° C

Bod varu

767 ° C

Hustota

Okolitá teplota: 8,65 g / cm ³

Na bod topenia (kvapalina): 7,996 g / cm ³

Teplo fúzie

6,21 kJ / mol

Odparovacie teplo

99,87 kJ / mol

Molárna kalorická kapacita

26,020 J / (mol K)

electronegativity

1,6 na Paulingovej stupnici

Ionizačné energie

Najprv: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ plyn)

Po druhé: 1631,4 kJ / mol ( plynný Cd ²⁺ )

Tretie: 3616 kJ / mol ( plynný Cd ³⁺ )

Tepelná vodivosť

96,6 W / (mK)

odpor

72,7 nΩ · m pri 22 ° C

tvrdosť

2,0 na Mohsovej stupnici. Je to kov, aj keď je hustý, značne mäkký.

stabilita

Vlhký vzduch sa pomaly oxiduje za vzniku oxidu kadmia, ktorý poškodzuje jeho kovový lesk. Nie je horľavý, ale v práškovej forme môže horieť a samovznietiť.

samovznietenia

250 ° C pre kadmium je prášková forma.

Index lomu

1,8 pri 20 ° C

reaktivita

Kadmium môže horieť na vzduchu za vzniku oxidu kadmia (CaO), hnedého amorfného prášku, zatiaľ čo kryštalická forma je tmavo červená.

Kadmium reaguje rýchlo so zriedenou kyselinou dusičnou a pomaly s horúcou kyselinou chlorovodíkovou. Je tiež schopný reagovať s kyselinou sírovou, ale nereaguje s alkáliami. Vo všetkých týchto reakcií, kadmiové soli ich zodpovedajúce anióny (Cl ^- ) alebo oxoaniontů (NO ₃ ^- a SO ₄ ^2- sú vytvorené).

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Schéma elektrónového kadmia, prvok 48 v periodickej tabuľke. Zdroj: Pumbaa (pôvodné dielo Grega Robsona) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Atómy kadmia jeho kryštálu vytvárajú kovovú väzbu zo svojich valenčných elektrónov, ktoré sú umiestnené na 4d a 5s orbitaloch podľa ich elektronickej konfigurácie:

4d ¹⁰ 5s ²

Aj keď sú 4d obežné dráhy plné elektrónov a možno si tiež myslieť, že „more elektrónov“ je dosť bohaté na to, aby silne viazalo atómy Cd, v skutočnosti sú interakcie slabé. Toto je možné demonštrovať experimentálne s nízkou teplotou topenia (321 ° C) v porovnaní s inými prechodnými kovmi.

Z tohto a iných chemických dôvodov sa kadmium niekedy nepovažuje za prechodný kov. Jeho kovovej väzby je zapojených toľko elektrónov (dvanásť), že začnú veľmi rušiť jeho negatívne odrazenia; ktoré spolu s energetickým rozdielom medzi vyplnenými 4d a 5s orbitálmi oslabujú interakciu Cd-Cd.

Atómy Cd nakoniec definujú kompaktnú hexagonálnu kryštalickú štruktúru (hcp), ktorá nepodlieha fázovým prechodom pred jej teplotou topenia. Keď sú kryštály kadmia hcp vystavené tlaku ekvivalentnému 10 GPa, štruktúra sa iba deformuje; ale bez hlásenia zmeny fázy.

Oxidačné čísla

Kadmium nemôže stratiť dvanásť valenčných elektrónov; v skutočnosti nemôže stratiť ani jeden zo svojich 4d obežných dráh, ktoré sú energeticky stabilnejšie v porovnaní s orbitálom 5s. Z tohto dôvodu sa môže stratiť iba dva elektróny 5S ² orbitálnej je v dôsledku toho dvojmocný kov; ako je to v prípade zinku, ortuti a kovov alkalických zemín (Mr. Becambara).

Ak sa predpokladá, že vo svojich zlúčeninách existuje katión Cd2 ⁺ , potom sa hovorí, že kadmium má oxidačné číslo alebo stav +2. Toto je vaše hlavné oxidačné číslo. Napríklad, tieto zlúčeniny obsahujú kadmium ako +2: CDO (Cd ²⁺ O ² ), CDCI, ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), ZKPDS ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ² ), a Cd (NO ₃ ) ₂ .

Okrem tohto oxidačného čísla, sú tu aj 1 (Cd ⁺ ) a -2 (Cd ² ). Oxidačné číslo 1 je pozorovaná Cd ₂ ²⁺ dication , v ktorom každý atóm kadmium má kladný náboj. Medzitým je -2 dosť zvláštne a vzťahuje sa na anión „kadmidu“.

Kde nájsť a získať

Greenockite kryštály. Zdroj: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Kadmium je zriedkavý prvok, ktorý má v zemskej kôre koncentráciu 0,2 g / tona. Jediným dôležitým minerálom kadmia je greenockit (CdS), ktorý sa z ťažobného a obchodného hľadiska nedá ťažiť.

Zistilo sa, že kadmium je spojené so zinkom v minerálnom sfalerite (ZnS), ktorý ho zvyčajne obsahuje v koncentrácii v rozmedzí 0,1% až 0,3%; ale v niektorých prípadoch môže koncentrácia kadmia v sfalerite dosiahnuť 1,4%.

Horniny spracované na získanie fosforečných hnojív môžu mať koncentráciu kadmia 300 mg / kg hnojiva. Uhlie môže tiež obsahovať malé, ale významné množstvo kadmia.

Hlavným zdrojom kadmia sú sopečné emisie, ktoré môže kadmium prenášať do povrchových vôd. Používanie fosforečných hnojív v poľnohospodárskych pôdach viedlo ku kontaminácii kadmiom.

Kadmium prítomné v kyslej pôde je rastlinami absorbovateľné. Niektoré druhy zeleniny používa človek ako jedlo, čo vysvetľuje, ako je príjem vody a potravín hlavným zdrojom vstupu kadmia u neexponovaných ľudí alebo fajčiarov.

Liečba sfaleritu

Počas ťažby, tavenia a rafinácie zinku prítomného v sfalerite sa kadmium zvyčajne získava ako vedľajší produkt. K podobnej udalosti dochádza, aj keď v oveľa menšej miere, pri spracovaní medi a olova.

Podobne malé množstvá kadmia sa dajú získať recykláciou železného a oceľového šrotu.

Sfalerit sa praží tak, aby sa sulfid zinočnatý transformoval na oxid ZnO. Rovnakú reakciu má sulfid kadmia:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Ak sa táto zmes oxidov zahrieva s aktívnym uhlím, redukuje sa na príslušné kovy:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Elektrolýzou je možné vyrábať aj zinok a kadmium, pretože oxidy sa rozpúšťajú v kyseline sírovej.

Pri oboch spôsoboch sa vytvára zinok kontaminovaný kadmiom. Po roztavení sa môže kadmium destilovať vo vákuu z dôvodu jeho nižšej teploty topenia (321 ° C) v porovnaní so zinkom (420 ° C).

izotopy

Medzi prírodnými a stabilnými izotopmi kadmia, ktoré máme, sú ich početné zastúpenia tu na Zemi:

- 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 je rádioaktívny, ale preto, že tak veľkú hodnotu polovice - životnosť (t _1/2 = 7,7 x 10 ¹⁵ rokov), môže byť považovaný za stabilný. A potom existuje ¹¹⁶ Cd, tiež rádioaktívny, s polčasom rozpadu 3,1 - 10 ¹⁹ rokov, takže ho možno považovať za stabilný izotop predstavujúci 7,51% kadmia.

Všimnite si, že priemerná atómová hmotnosť je 112,414 u, bližšie k 112 ako 114. Existencia prevažujúceho izotopu nad ostatnými sa u kadmia nepozoruje.

riziká

všeobecný

K absorpcii kadmia dochádza hlavne z jedla, najmä z pečene, húb, mäkkýšov, kakaového prášku a sušených morských rias.

V Číne sa v poslednom storočí vyskytol symbolický prípad, keď došlo k výraznej kontaminácii kadmiom v populácii. Kontaminácia kadmiom bola spôsobená jeho vysokou koncentráciou v ryži, ktorá bola spôsobená prítomnosťou kadmia v pôde obilnín.

Priemerný príjem fajčiara je 60 µg / deň. Maximálna povolená koncentrácia kadmia v krvi je 15 µg / deň. Nefajčiari majú koncentráciu kadmia v krvi okolo 0,5 µg / l.

Pľúca absorbujú medzi 40 a 60% kadmia v tabakovom dyme. Kadmium absorbované v pľúcach sa transportuje do krvi a tvorí komplexy s proteínmi, cysteínom a glutatiónom, ktoré potom končia v pečeni, obličkách atď.

Akútna inhalácia kadmia môže vyvolať príznaky podobné tým, ktoré sa pozorujú pri chrípkovom procese; ako je prechladnutie, horúčka a bolesti svalov, ktoré môžu spôsobiť poškodenie pľúc. Medzitým môže chronické vystavenie kadmiu spôsobiť ochorenie pľúc, obličiek a kostí.

Účinok na obličky

V obličkách kadmium zvyčajne spôsobuje zmenu metabolizmu fosforu a vápnika, čoho dôkazom je zvýšená tvorba obličkových kameňov. Okrem toho spôsobuje poškodenie obličiek, ktoré sa prejavuje objavením sa retinolového transportného proteínu a β-2-mikroglobulínu v moči.

Vplyv na reprodukciu

Expozícia kadmia matkám je spojená s nízkou pôrodnou hmotnosťou dieťaťa a zvýšením miery spontánnych potratov.

Poškodenie kostí

Kadmium je v Japonsku spojené s výskytom choroby Itai-Itai v poslednom storočí. Toto ochorenie sa vyznačuje nízkou mineralizáciou kostí, krehkosťou kostí s vysokou mierou zlomenín, zvýšenou osteoporózou a bolesťou kostí.

karcinogenézy

Aj keď experimenty na potkanoch preukázali vzťah medzi rakovinou kadmia a prostaty, u ľudí sa to nepreukázalo. Ukázala sa súvislosť medzi rakovinou kadmia a obličkami a súvisí tiež s rakovinou pľúc.

aplikácia

Niklové kadmiové baktérie

Rôzne články alebo Ni-Cd batérie. Zdroj: Boffy b prostredníctvom Wikipédie.

Hydroxid kadmia sa použil ako katóda v Ni-Cd batériách. Používali sa v železničnom a leteckom priemysle, ako aj v nástrojoch pre kolektívne použitie vrátane mobilných telefónov, videokamier, notebookov atď.

Spotreba kadmia na výrobu batérií Ni-Cd predstavovala 80% výroby kadmia. Avšak kvôli toxicite tohto prvku boli Ni-Cd batérie postupne nahradené nikel-kovovými hydridovými batériami.

pigmenty

Kadmium červené. Zdroj: Marco Almbauer

Sulfid kadmia sa používa ako žltý pigment a selenid kadmia ako červený pigment, známy ako červená kadmium. Tieto pigmenty sa vyznačujú brilanciou a intenzitou, a preto sa používajú v plastoch, keramike, skle, smalte a umeleckých farbách.

Poznamenali sme, že maliar Vincent Van Gogh vo svojich obrazoch použil kadmiové pigmenty, ktoré mu umožnili dosiahnuť rôzne jasne červené, pomaranče a žlté farby.

Sfarbenie kadmiových pigmentov musí byť zoslabené pred mletím olejmi alebo zmiešaním s vodovodnými a akrylovými farbami.

televízia

Zložky obsahujúce kadmium sa použili vo fosfore čiernobielych televízorov, ako aj v modrom a zelenom fosfore pre farebné televízne obrazovky.

Fosfor bol súčasťou obrazovky, ktorá bola ožarovaná katódovými lúčmi a bola zodpovedná za tvorbu obrazu. Kadmium sa napriek svojej toxicite začalo používať v nedávno vytvorených televízoroch QLED.

Stabilizácia PVC

Ako stabilizátory pre polyvinylchlorid sa použili zlúčeniny kadmia tvorené s karboxylátom, laurátom a stearátom, pretože spomaľujú degradáciu vzniknutú vystavením teplu a ultrafialovému svetlu, ktoré rozkladá PVC počas jeho výrobného procesu.

Kvôli toxicite kadmia boli opäť stabilizátory PVC viazané na kadmium nahradené inými stabilizátormi, ako je bárium-zinok, vápnik-zinok a organotín.

zliatiny

Kadmium sa používa v ložiskových zliatinách pre svoju vysokú únavovú odolnosť a nízky koeficient trenia. Kadmium má relatívne nízku teplotu topenia, a preto sa používa v zliatinách s nízkou teplotou topenia a je súčasťou mnohých druhov zvarov.

Kadmium sa môže používať aj v elektricky vodivých, tepelne vodivých a elektricky zlievateľných zliatinách.

Krytina

Kadmium sa používa na ochranu oceľových, hliníkových a iných spojovacích prvkov z neželezných kovov, ako aj pred pohyblivými časťami. Povlak kadmia poskytuje ochranu proti korózii v slanom a alkalickom prostredí. Okrem toho slúži ako mazivo.

Kadmium sa tiež používa v mnohých elektrických a elektronických aplikáciách, ktoré vyžadujú odolnosť proti korózii a nízky elektrický odpor.

Jadrové reaktory

Kadmium sa používa v jadrových reaktoroch pre svoju schopnosť zachytávať neutróny, čo umožňuje kontrolovať nadbytok neutrónov z jadrového štiepenia a vyhnúť sa tak ďalším jadrovým štiepeniam.

Semiconductors

Selenid kadmia a telurid sú zlúčeniny, ktoré pôsobia ako polovodiče pri detekcii svetla a v solárnych článkoch. HgCdTe je citlivý na infračervené svetlo a používa sa ako detektor pohybu a tiež ako spínač pre diaľkové ovládače.

biológie

He-Cd laserové svetlo. Zdroj: Skôr anonymný (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Hélium-Cd sa podieľa na tvorbe laserového lúča modro-fialového svetla s vlnovou dĺžkou v rozmedzí 325 až 422 nm, použiteľnou vo fluorescenčných mikroskopoch.

Kadmium sa používa v molekulárnej biológii na blokovanie vápnikových kanálov v závislosti od membránového potenciálu.

Referencie

1. Wikipedia. (2019). Kadmium. Obnovené z: en.wikipedia.org
2. Selva VR a kol. (2014). Štruktúra tekutého a pevného Cd s vysokým tlakom a teplotou: Dôsledky pre krivku topenia Cd. Získané z: researchgate.net
3. Dough Stewart. (2019). Fakty o kadmiu. Získané z: chemicool.com
4. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Kadmium. PubChem Database. CID = 23973. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). Toxicita kadmia az toho vyplývajúce riziká pre zdravie ľudí. Vestník pracovného lekárstva a toxikológie (Londýn, Anglicko), 1. 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30. júla 2018). Fakty o kadume. Získané z: livescience.com
7. Editori encyklopédie Britannica. (6. september 2018). Kadmium. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com
8. Medzinárodná asociácia kadmia. (SF). Aplikácie kadmia. Získané z: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Kadmium. Obnovené z: lenntech.com