KADMIUM (CD): HISTORIK, EGENSKAPER, STRUKTUR, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2026

Den kadmium (Cd) är en övergångsmetall eller post - övergångsatomnummer 48 och silver. Det är formbart och smidigt, med relativt låga smält- och kokpunkter. Kadmium är ett sällsynt element och har endast en koncentration på 0,2 g / ton av jordskorpan.

Greenockite (CdS) är den enda viktiga kadmiummalmen med en intensiv gul färg. Kadmium finns associerat med zink i sfalerit (ZnS), som innehåller mellan 0,1 och 03% kadmium som en Cd 2 ⁺ -katjon .

Kadmiumkristaller. Källa: Hi-Res Images of Chemical Elements

Vid bearbetning av sfalerit för att erhålla, smälta och förfina zink erhålls kadmium i en sekundär form, vilket är dess huvudsakliga produktionskälla.

Denna metall upptäcktes 1817, oberoende av Friedrich Stromayer och Karl Hermann. Stromayer döpte det nya elementet med namnet kadmium, som härstammar från det latinska ordet “kadmia”, en term som kalamin (zinkkarbonat) var känt.

Kadmium är ett kemiskt element med symbolen Cd och dess atomnummer är 48. Källa: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Kadmium är ett element med stor användbarhet och många tillämpningar, såsom korrosionsskyddande av järn, stål och icke-järnmetaller; använda som pigment; stabilisering av PVC; element i legeringar som används vid svetsning; laddningsbara nickelkadmiumbatterier, etc.

Det är emellertid ett mycket giftigt element som orsakar allvarlig skada på lungor, njurar och ben, och det har till och med rapporterats om en cancerframkallande verkan, varför användningen har begränsats. Men trots detta har det fortsatt att användas noggrant i vissa applikationer.

Historia

- Dubbel upptäckt

Kadmium upptäcktes av Friedrich Stromayer, en tysk kemist, år 1817 i ett prov av zinkkarbonat (kalamin). Samma år gjorde KSL Hermann och JCH Roloff samma upptäckt, oberoende, i ett experiment med zinksulfid.

Stromayer rapporteras ha gjort sin upptäckt medan han uppfyllt en regeringsbegäran om att inspektera apotek i staden Hildesheim, Tyskland. Zinkoxid, som det är nu, användes för att behandla vissa hudtillstånd.

Det verkar som att apotek inte levererade zinkoxid utan istället sålde zinkkarbonat: ett råmaterial för produktion av zinkoxid. Tillverkarna av zinkoxid hävdade att uppvärmning av zinkkarbonatet gav en gul "zinkoxid".

Kadmiumoxid

De kunde inte sälja denna "zinkoxid", eftersom färgen på föreningen normalt var vit; Istället sålde de zinkkarbonat, också vitt. Inför denna situation beslutade Stromayer att studera den förmodade gula zinkoxiden.

För att göra detta upphettade han prover av zinkkarbonatet (calamin) och producerade en gul zinkoxid, som rapporterats. Efter att ha analyserat den drog han slutsatsen att den gula färgen orsakades av närvaron av en metallisk oxid av ett nytt element.

Efter extraktion av denna nya metalloxid producerade den dess reduktion och uppnådde isoleringen av kadmium. Stromayer bestäms dess densitet och erhålles ett värde på 8,75 g / cm ³ , nära värdet för närvarande är kända för denna parameter (8,65 g / cm ³ ).

Stromayer påpekade också att det nya elementet hade ett utseende som liknar platina, och att det också fanns i många zinkföreningar och till och med i renat zink.

Stromayer föreslog namnet "kadmium" från det latinska ordet "kadmia", namnet som ges till kalamin, ZnCO ₃ .

Kadmium i zinksulfid

Karl Hermann (1817) fann en oväntad gul färg när han behandlade zinksulfid och trodde att det kunde vara arsenikförorening. Men när denna möjlighet utesluts insåg Hermann att han var i närvaro av ett nytt element.

- Ansökningar

1840-1940

På 1840-talet började användningen av kadmium som pigment kommersiellt utnyttjas. Den brittiska farmaceutiska Codex indikerar 1907 användningen av kadmiumjodid som ett läkemedel för att behandla "förstorade leder", grova körtlar och kyla.

På 1930- och 1940-talet syftade kadmiumproduktionen till plätering av stål och järn för att skydda dem från korrosion. Under 1950-talet användes kadmiumföreningar såsom kadmiumsulfid och kadmiumselenid som källor till röda, orange och gula pigment.

1970-1990

På 1970- och 1980-talet befanns föreningarna kadmiumlaurat och kadmiumstearat vara stabilisatorer för PVC, vilket ledde till en ökning av efterfrågan på kadmium. Emellertid orsakade miljöföreskrifter på grund av giftigheten hos kadmium en minskning av dess konsumtion.

Under 1980- och 1990-talet upphörde kadmium att användas i många av dess applikationer, men sedan ökade produktionen med skapandet av uppladdningsbara nickel-kadmiumbatterier, som kom att representera 80% av kadmiumförbrukningen i USA. .

Kadmiums fysikaliska och kemiska egenskaper

Utseende

Silvig gråaktig vit med mjukt metalliskt lyster. Den blir spröd genom exponering för 80 ° C och kan skäras med en kniv. Det är formbart och kan rullas till rullar.

Atomvikt standard

112.414 u

Atomnummer (Z)

48

Produktkategori

Metall efter övergång, alternativt betraktade som en övergångsmetall. IUPAC-definitionen av en övergångsmetall är en vars atomer har ett ofullständigt d-delskal eller som kan ge upphov till katjoner med ett ofullständigt d-delskal.

Enligt denna definition är kadmium inte en övergångsmetall eftersom dess Cd 2 ⁺ -katjon har sina 4d-orbitaler helt fyllda med elektroner (4d ¹⁰ ).

Odör

Toalett

Smältpunkt

321,07 ºC

Kokpunkt

767 ºC

Densitet

Omgivningstemperatur: 8,65 g / cm ³

Vid smältpunkt (vätska): 7,996 g / cm ³

Smältvärme

6,21 kJ / mol

Förångningsvärme

99,87 kJ / mol

Molär kalorikapacitet

26,020 J / (mol K)

Elektronnegativitet

1.6 på Pauling-skalan

Ioniseringsenergier

Först: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gas)

Andra: 1631,4 kJ / mol (Cd2 ⁺ gasformig)

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

Värmeledningsförmåga

96,6 W / (mK)

resistivitet

72,7 nΩ · m vid 22 ºC

Hårdhet

2,0 på Mohs-skalan. Det är en metall, även om den är tät, betydligt mjuk.

Stabilitet

Det oxideras långsamt av fuktig luft för att bilda kadmiumoxid, vilket plockar dess metalliska glans. Det är inte brandfarligt, men i pulverform kan det brinna och självantändas.

Tänd

250 ºC för kadmium är en pulverform.

Brytningsindex

1,8 vid 20 ºC

Reaktivitet

Kadmium kan brinna i luft för att bilda kadmiumoxid (CaO), ett brunt amorft pulver, medan den kristallina formen är mörkröd.

Kadmium reagerar snabbt med utspädd salpetersyra och långsamt med varm saltsyra. Den kan också reagera med svavelsyra, men den reagerar inte med alkalier. I alla dessa reaktioner, kadmiumalter av deras motsvarande anjoner (Cl ^- ) eller oxoanjoner (NO ₃ ^- och SO ₄ ^2- ) är bildade.

Struktur och elektronisk konfiguration

Elektronskaldiagram över kadmium, element 48 i den periodiska tabellen. Källa: Pumbaa (originalverk av Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Kadmiumatomerna i dess kristall bildar en metallbindning från deras valenselektroner, som är belägna i 4d- och 5-orbitalerna enligt deras elektroniska konfiguration:

4d ¹⁰ 5s ²

Trots att 4d-orbitalerna är fulla av elektroner, och det kan också tänkas att "havet av elektroner" är tillräckligt rikligt för att starkt binda Cd-atomerna, är i verkligheten interaktionerna svaga. Detta kan demonstreras experimentellt med dess låga smältpunkt (321 ° C), jämfört med andra övergångsmetaller.

Av detta och andra kemiska skäl anses kadmium ibland inte vara en övergångsmetall. Det är så många elektroner (tolv) involverade i dess metalliska bindning att de börjar störa dess negativa avvisningar kraftigt; vilket tillsammans med den energiska skillnaden mellan de fyllda 4d- och 5-orbitalerna försvagar Cd-Cd-interaktionen.

Cd-atomerna definierar en kompakt hexagonal kristallin struktur (hcp), som inte genomgår fasövergångar innan dess smältpunkt. När hcp-kadmiumkristaller utsätts för ett tryck motsvarande 10 GPa, deformeras strukturen endast; men utan att någon fasändring rapporterats.

Oxidationsnummer

Kadmium kan inte förlora de tolv valenselektronerna; i själva verket kan den inte förlora ens en av sina 4d-bana, som är mer stabil i energi jämfört med 5-bana. Därför kan den bara förlora de två elektronerna i 5s ^2- kretsloppet , vilket följaktligen är en tvåvärd metall; precis som zink, kvicksilver och jordalkalimetaller (Mr. Becambara).

När förekomsten av Cd2 ⁺ -katjon antas i dess föreningar , sägs det att kadmium har ett oxidationsnummer eller tillstånd på +2. Detta är ditt huvudsakliga oxidationsnummer. Till exempel, följande föreningar innehåller kadmium som 2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CDSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2- ) och Cd (NO ₃ ) ₂ .

Förutom detta oxidationsnummer finns det också +1 (Cd ⁺ ) och -2 (Cd ^2- ). Oxidationstalet 1 observeras i Cd ₂ ²⁺ dikatjon , i vilken varje kadmiumatom har en positiv laddning. Under tiden är -2 ganska konstig och skulle gälla för "kadmid" -anjonen.

Var att hitta och få

Greenockite-kristaller. Källa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Kadmium är ett sällsynt element som har en koncentration på 0,2 g / ton i jordskorpan. Det enda viktiga kadmiummineralet är greenockite (CdS), som inte kan brytas ur gruv- och kommersiell synvinkel.

Kadmium förekommer förknippat med zink i mineralshalerit (ZnS), som vanligtvis innehåller det i en koncentration mellan 0,1% och 0,3%; men i vissa fall kan kadmiumkoncentrationen i sfalerit nå 1,4%.

Stenarna som bearbetas för att få fosforgödselmedel kan ha en kadmiumkoncentration på 300 mg / kg gödselmedel. Kol kan också innehålla små men betydande mängder kadmium.

En viktig källa till kadmium är vulkanutsläpp som kadmium kan transportera till ytvatten. Användningen av fosforgödselmedel i jordbruksjord har lett till kontaminering av kadmium.

Kadmium som finns i sura jordar kan absorberas av växter. En del av grönsakerna används av människan som mat, vilket förklarar hur intaget av vatten och mat är den viktigaste källan till kadmiuminträde hos icke exponerade människor eller rökare.

Behandling av sfalerit

Under gruvdrift, smältning och förädling av zink som finns i sfalerit erhålls vanligtvis kadmium som en biprodukt. En liknande händelse inträffar också, även i mycket mindre grad, under bearbetningen av koppar och bly.

På liknande sätt kan små mängder kadmium erhållas från återvinning av järn och stålskrot.

Spaleralen rostas så att zinksulfiden förvandlas till sin oxid, ZnO. Samma reaktion lider av kadmiumsulfid:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Om denna oxidblandning värms upp med kol, kommer de att reduceras till deras respektive metaller:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Zink och kadmium kan också produceras genom elektrolys när oxiderna upplöses i svavelsyra.

Endera metoden genererar en kadmiumförorenad zink. Vid smältning kan kadmium vakuumdestilleras på grund av dess lägre smältpunkt (321 ° C) jämfört med zink (420 ° C).

isotoper

Bland de naturliga och stabila isotoperna av kadmium vi har, med deras respektive överflöd här 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 är radioaktiv, men på grund av ett sådant stort värde halv - life (t _1/2 = 7,7 x 10 ¹⁵ år), kan betraktas som stabil. Och sedan finns det ¹¹⁶ Cd, också radioaktiv, med en halveringstid på 3,1 · 10 ¹⁹ år, så det kan betraktas som en stabil isotop, vilket representerar 7,51% kadmium.

Observera att den genomsnittliga atommassan är 112.414 u, närmare 112 än 114. Förekomsten av en dominerande isotop ovanför de andra observeras inte i kadmium.

risker

Allmän

Kadmiumabsorption sker huvudsakligen från mat, särskilt lever, svamp, skaldjur, kakaopulver och torkad tång.

Ett emblematiskt fall inträffade i Kina under förra seklet, där det var betydande kadmiumföroreningar i befolkningen. Kadmiumföroreningen berodde på dess höga koncentration i ris, orsakad av närvaron av kadmium i marken av spannmål.

En rökare har ett genomsnittligt intag på 60 μg / dag. Den högsta tillåtna kadmiumkoncentrationen i blodet är 15 ug / dag. Icke-rökare har en kadmiumkoncentration i blodet cirka 0,5 ug / L.

Lungorna absorberar mellan 40 och 60% av kadmium i tobaksrök. Kadmium som absorberas i lungorna transporteras i blodet och bildar komplex med proteiner, cystein och glutation, som sedan hamnar i levern, njurarna etc.

En akut inandning av kadmium kan ge symtom liknande de som observerats i en influensaliknande process; såsom förkylningar, feber och muskelvärk, vilket kan orsaka lungskador. Under tiden kan kronisk exponering för kadmium orsaka lung-, njure- och bensjukdom.

Effekt på njurarna

I njurarna orsakar kadmium vanligtvis en förändring i metabolismen av fosfor och kalcium, vilket framgår av en ökning av produktionen av njursten. Dessutom orsakar det njurskada som manifesteras i utseendet i urin av retinoltransportörprotein och ß-2-mikroglobulin.

Effekt på reproduktion

Moderens exponering för kadmium är förknippad med en låg födelsevikt hos barnet och en ökning av frekvensen av spontana aborter.

Benskador

Kadmium är relaterat i Japan till förekomsten av Itai-Itais sjukdom under förra seklet. Denna sjukdom kännetecknas av låg benmineralisering, benbräcklighet med höga frakturer, ökad osteoporos och bensmärta.

Karcinogenicitet

Även om experiment på råttor etablerade en relation mellan kadmium och prostatacancer, har detta inte visats på människor. En koppling mellan kadmium och njurcancer har visats, och den har också varit kopplad till lungcancer.

tillämpningar

Uppladdningsbara bakterier av nickelkadmium

Olika celler eller Ni-Cd-batterier. Källa: Boffy b via Wikipedia.

Kadmiumhydroxid användes som en katod i Ni-Cd-batterier. Dessa användes inom järnvägs- och flygindustrin samt i instrument för kollektiv användning inklusive mobiltelefoner, videokameror, bärbara datorer etc.

Kadmiumförbrukningen för tillverkning av Ni-Cd-batterier svarade för 80% av kadmiumproduktionen. På grund av toxiciteten hos detta element har Ni-Cd-batterier emellertid gradvis ersatts av nickel-metallhydridbatterier.

pigment

Kadmiumröd. Källa: Marco Almbauer

Kadmiumsulfid används som ett gult pigment och kadmiumselenid som ett rött pigment, känt som kadmiumrött. Dessa pigment kännetecknas av deras glans och intensitet, varför de har använts i plast, keramik, glas, emaljer och konstnärliga färger.

Det har noterats att målaren Vincent Van Gogh använde kadmiumpigment i sina målningar, vilket gjorde att han kunde uppnå en mängd ljusröda, apelsiner och gula.

Färgen på kadmiumpigment måste dämpas innan den malas med oljor eller blandas i akvareller och akryl.

TV

Kadmiuminnehållande komponenter användes i fosforen i svartvita tv-apparater, liksom i de blå och gröna fosforerna för färg-tv-bildrör.

Fosforen var en del av skärmen som bestrålades av katodstrålar och var ansvarig för bildandet av bilden. Trots dess toxicitet har kadmium börjat användas i nyligen skapade QLED-tv-apparater.

PVC-stabilisering

Kadmiumföreningar bildade med karboxylat, laurat och stearat användes som stabilisatorer för polyvinylklorid, eftersom de försenar nedbrytningen som produceras genom exponering för värme och ultraviolett ljus som sönderdelar PVC under dess tillverkningsprocess.

På grund av kadmiumtoxicitet har kadmiumbundna PVC-stabilisatorer återigen ersatts av andra stabilisatorer, såsom bariumzink, kalciumzink och organotin.

Alloys

Kadmium har använts i legeringar på grund av dess höga utmattningsbeständighet och låga friktionskoefficient. Kadmium har en relativt låg smältpunkt, varför den används i legeringar med låg smältpunkt och är en komponent utöver många svetstyper.

Kadmium kan också användas i elektriskt ledande, termiskt ledande och elektriska kontaktlegeringar.

Beläggning

Kadmium används för att skydda stål, aluminium och andra fästelement av icke-järnmetall samt rörliga delar. Kadmiumbeläggning ger korrosionsskydd i saltlösning och alkaliska medier. Dessutom fungerar det som ett smörjmedel.

Kadmium används också i många elektriska och elektroniska applikationer som kräver korrosionsbeständighet och låg elektrisk resistivitet.

Kärnreaktorer

Kadmium används i kärnreaktorer för dess förmåga att fånga neutroner, vilket gör det möjligt att kontrollera överskott av neutroner från kärnklyvning och undvika ytterligare kärnklyftor.

halvledare

Kadmiumselenid och tellurid är föreningar som fungerar som halvledare vid ljusdetektering och i solceller. HgCdTe är känslig för infrarött ljus och används som en rörelsedetektor samt en switch för fjärrkontrollenheter.

biologi

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

Helium-Cd är involverad i bildandet av en laserstråle av blåviolett ljus med en våglängd mellan 325 och 422 nm, användbar i fluorescensmikroskop.

Kadmium används i molekylärbiologi för att blockera kalciumkanaler, beroende på membranpotentialen.

referenser

1. Wikipedia. (2019). Kadmium. Återställd från: en.wikipedia.org
2. Selva VR & et al. (2014). Högtryck och temperaturstruktur för vätska och fast Cd: Implikationer för smältkurvan för Cd. Återställd från: researchgate.net
3. Dr. Dough Stewart. (2019). Kadmiumelementfakta. Återställd från: chemicool.com
4. National Center for Biotechnology Information. (2019). Kadmium. PubChem-databas. CID = 23973. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). Giftigheten för kadmium och därmed risker för människors hälsa. Tidsskrift för arbetsmedicin och toxikologi (London, England), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30 juli 2018). Fakta om camium. Återställs från: livescience.com
7. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (6 september 2018). Kadmium. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
8. International Kadmium Association. (Sf). Kadmium-applikationer. Återställd från: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Kadmium. Återställd från: lenntech.com