KADMIJ (CD): ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, UPORABE - KEMIJA - 2026

Kadmij (Cd) je prehodna kovina ali po - prehodno atomsko število 48 in srebro. Je koban in nodičen, ima relativno nizka tališča in vrelišča. Kadmij je redek element in ima le 0,2 g / tono zemeljske skorje.

Greenockit (CdS) je edina pomembna kadmijeva ruda z intenzivno rumeno obarvanostjo. Kadmij je povezan s cinkom v sfaleritu (ZnS), ki vsebuje med 0,1 in 03% kadmija kot kation Cd ²⁺ .

Kristali kadmija. Vir: Hi-Res slike kemičnih elementov

Pri predelavi sfalerita za pridobivanje, taljenje in rafiniranje cinka se kadmij pridobi v sekundarni obliki, ki je njegov glavni vir proizvodnje.

To kovino sta odkrila leta 1817 neodvisno Friedrich Stromayer in Karl Hermann. Stromayer je novi element krstil z imenom kadmij, ki izvira iz latinske besede „kadmija“, znan je bil izraz kalamin (cinkov karbonat).

Kadmij je kemični element s simbolom Cd in njegova atomska številka je 48. Vir: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Kadmij je element velike uporabnosti in številnih uporab, kot so antikorozivno železo, jeklo in barvne kovine; uporaba kot pigment; stabilizacija PVC-ja; element v zlitinah, ki se uporabljajo pri varjenju; polnilne nikljeve kadmijeve baterije itd.

Je pa zelo strupen element, ki povzroča hude poškodbe pljuč, ledvic in kosti, poročajo pa celo o kancerogenem delovanju, zato je bila njegova uporaba omejena. Toda kljub temu ga v nekaterih aplikacijah še naprej previdno uporabljajo.

Zgodovina

- Dvojno odkritje

Kadmij je leta 1817 v vzorcu cinkovega karbonata (kalamina) odkril nemški kemik Friedrich Stromayer. Istega leta sta KSL Hermann in JCH Roloff v poskusu s cinkovim sulfidom samostojno odkrila isto odkritje.

Stromayer naj bi odkril svoje odkritje, ko je izpolnil vladno prošnjo za pregled lekarn v mestu Hildesheim v Nemčiji. Cinkov oksid se je, tako kot zdaj, uporabljal za zdravljenje določenih kožnih stanj.

Zdi se, da lekarne niso dobavljale cinkovega oksida, temveč so prodale cinkov karbonat: surovino za proizvodnjo cinkovega oksida. Proizvajalci cinkovega oksida so trdili, da segrevanje cinkovega karbonata povzroči rumen „cinkov oksid“.

Kadmijev oksid

Tega „cinkovega oksida“ niso mogli prodati, saj je bila barva spojine običajno bela; Namesto tega so prodali cinkov karbonat, tudi bel. Soočen s to situacijo se je Stromayer odločil preučiti domnevni rumeni cinkov oksid.

V ta namen je ogreval vzorce cinkovega karbonata (kalamina) in proizvedel rumeni cinkov oksid, kot je poročalo. Po analizi je ugotovil, da je rumeno barvo povzročila prisotnost kovinskega oksida novega elementa.

Po ekstrakciji tega novega kovinskega oksida je prišlo do njegove redukcije in doseglo izolacijo kadmija. Stromayer je določil njegovo gostoto in dobil vrednost 8,75 g / cm ³ , kar je blizu vrednosti, ki je za ta parameter trenutno znana (8,65 g / cm ³ ).

Prav tako je Stromayer opozoril, da ima novi element videz podoben platini in da je prisoten tudi v številnih cinkovih spojinah in celo v prečiščenem cinku.

Stromayer je predlagal ime „kadmij“ iz latinske besede „kadmija“, ime kalamina, ZnCO ₃ .

Kadmij v cinkovem sulfidu

Karl Hermann (1817) je pri predelavi cinkovega sulfida našel nepričakovano rumeno barvo in menil, da bi lahko šlo za kontaminacijo arzena. Ko pa je bila ta možnost izključena, je Hermann spoznal, da je prisoten nov element.

- Prijave

1840-1940

V štiridesetih letih prejšnjega stoletja so začeli komercialno izkoriščati uporabo kadmija kot pigmenta. Britanski farmacevtski kodeks leta 1907 navaja uporabo kadmijevega jodida kot zdravila za zdravljenje "razširjenih sklepov", skrofusnih žlez in črevesja.

V tridesetih in štiridesetih letih prejšnjega stoletja je bila proizvodnja kadmija namenjena prekrivanju jekla in železa za zaščito pred korozijo. V petdesetih letih so bile kot vir rdečih, oranžnih in rumenih pigmentov uporabljene kadmijeve spojine, kot sta kadmijev sulfid in kadmijev selenid.

1970-1990

V sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo ugotovljeno, da sta spojini kadmijev laurat in kadmijev stearat stabilizatorja za PVC, kar je povečalo povpraševanje po kadmiju. Vendar so okoljski predpisi zaradi strupenosti kadmija povzročili zmanjšanje njegove porabe.

V osemdesetih in devetdesetih letih je kadmij prenehal uporabljati v mnogih njegovih aplikacijah, potem pa se je njegova proizvodnja povečala z ustvarjanjem polnilnih nikljevo-kadmijevih baterij, ki so predstavljale 80% porabe kadmija v ZDA. .

Fizikalne in kemijske lastnosti kadmija

Videz

Srebrno sivkasto bele barve z mehkim kovinskim sijajem. Ob izpostavljenosti 80 ° C postane krhka in se lahko razreže z nožem. Je mehak in ga je mogoče valjati v zvitke.

Standardna atomska teža

112.414 u

Atomska številka (Z)

48

Kategorija predmeta

Post tranzicijska kovina, ki se alternativno šteje za prehodno kovino. Definicija prehodne kovine IUPAC je tista, katere atomi imajo nepopolno d poddružino ali ki lahko povzročijo ktione z nepopolno d poddružino.

Po tej definiciji kadmij ni prehodna kovina, saj ima kation Cd ²⁺ svoje 4d orbite, ki so popolnoma napolnjene z elektroni (4d ¹⁰ ).

Neprijeten vonj

WC

Tališče

321,07 ° C

Vrelišče

767 ºC

Gostota

Temperatura okolice: 8,65 g / cm ³

Na tališče (tekočina): 7,996 g / cm ³

Vročina fuzije

6,21 kJ / mol

Toplota izparevanja

99,87 kJ / mol

Molarna kalorična zmogljivost

26.020 J / (mol K)

Elektronegativnost

1.6 na Paulingovi lestvici

Ionizacijske energije

Prvič: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ plin)

Drugič: 1631,4 kJ / mol (Cd ²⁺ plinast)

Tretjič: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ plinasti)

Toplotna prevodnost

96,6 W / (mK)

Upornost

72,7 nΩ · m pri 22 ° C

Trdota

2,0 po Mohsovi lestvici. Je kovina, čeprav gosta, precej mehka.

Stabilnost

Vlažni zrak počasi oksidira in tvori kadmijev oksid, ki obarva njegov kovinski sijaj. Ni vnetljiv, v prahu pa lahko gori in se samovžiga.

Samodejni vžig

250 ° C za kadmij je praškasta oblika.

Lomni količnik

1,8 pri 20 ° C

Reaktivnost

Kadmij lahko gori na zraku in tvori kadmijev oksid (CaO), rjavi amorfni prah, medtem ko je kristalna oblika temno rdeča.

Kadmij hitro reagira z razredčeno dušikovo kislino in počasi z vročo klorovodikovo kislino. Sposoben je tudi reagirati z žveplovo kislino, vendar ne reagira z alkalijami. V vseh teh reakcijah nastajajo kadmijeve soli njihovih ustreznih anionov (Cl ^- ) ali oksoanioni (NO ₃ ^- in SO ₄ ^2- ).

Struktura in elektronska konfiguracija

Diagram lupine iz kadmija z elektroni, element 48 v periodični tabeli. Vir: Pumbaa (izvirno delo Grega Robsona) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Atomi kadmija iz njegovega kristala vzpostavijo kovinsko vez iz njihovih valenčnih elektronov, ki se nahajajo v orbiti 4d in 5s v skladu z njihovo elektronsko konfiguracijo:

4d ¹⁰ 5s ²

Kljub temu, da so 4d orbitale polne elektronov in je mogoče tudi misliti, da je "morje elektronov" dovolj obilno, da močno veže Cd atome, so v resnici interakcije šibke. To je mogoče eksperimentalno dokazati z nizko tališčem (321 ° C) v primerjavi z drugimi prehodnimi kovinami.

Zaradi tega in drugih kemijskih razlogov kadmij včasih ne velja za prehodno kovino. V njeno kovinsko vez je vključenih toliko elektronov (dvanajst), da začnejo močno motiti njegove negativne odboje; ki skupaj z energijsko razliko med napolnjenimi 4d in 5s orbitala oslabi interakcijo Cd-Cd.

Cd atomi na koncu definirajo kompaktno šesterokotno kristalno strukturo (hcp), ki ne prestane faznih prehodov pred tališčem. Kadar so kcmiji kristali hcp izpostavljeni tlaku, enakemu 10 GPa, se struktura samo deformira; vendar brez poročanja o spremembah faz.

Oksidacijske številke

Kadmij ne more izgubiti dvanajstih valenčnih elektronov; pravzaprav ne more izgubiti niti ene svoje 4d orbitale, ki so bolj stabilne v primerjavi z orbito 5s. Zato lahko izgubi samo dva elektrona iz orbite 5s ² , ki sta posledično dvovalentna kovina; kot je to primer s cinkom, živim srebrom in zemeljskoalkalijskimi kovinami (g. Becambara).

Ko predpostavljamo obstoj kationa Cd ²⁺ v njegovih spojinah , potem rečemo, da ima kadmij oksidacijsko število ali stanje +2. To je vaša glavna oksidacijska številka. Na primer, naslednje spojine vsebujejo kadmij kot +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2- ) in Cd (NO ₃ ) ₂ .

Poleg tega oksidacijskega števila sta še +1 (Cd ⁺ ) in -2 (Cd ^2- ). Oksidacijsko število +1 opazimo pri dikaciji Cd ₂ ²⁺ , v kateri ima vsak atom kadmija pozitiven naboj. Medtem je -2 precej nenavaden in bi veljal za "kadmični" anion.

Kje najti in pridobiti

Greenockitni kristali. Vir: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Kadmij je redek element, ki ima v zemeljski skorji koncentracijo 0,2 g / tono. Edini pomemben mineral kadmija je greenockit (CdS), ki ga z rudarskega in komercialnega vidika ni mogoče minerati.

Kadmij je povezan s cinkom v mineralnem sfaleritu (ZnS), ki ga običajno vsebuje v koncentraciji med 0,1% in 0,3%; v nekaterih primerih pa lahko koncentracija kadmija v sfaleritu doseže 1,4%.

V kamninah, predelanih za pridobivanje fosfornih gnojil, je koncentracija kadmija 300 mg / kg gnojila. Tudi premog lahko vsebuje majhne, ​​a velike količine kadmija.

Glavni vir kadmija so vulkanske emisije, ki jih kadmij lahko prenaša v površinske vode. Uporaba fosfornih gnojil v kmetijskih tleh je povzročila kontaminacijo s kadmijem.

Kadmij, prisoten v kislih tleh, rastline absorbirajo. Nekatere zelenjave človek uporablja kot hrano, kar pojasnjuje, kako je vnos vode in hrane glavni vir vnosa kadmija pri neizpostavljenih ljudeh ali kadilcih.

Zdravljenje sfalerita

Med rudanjem, taljenjem in rafiniranjem cinka v sfaleritu se kadmij običajno pridobi kot stranski proizvod. Podoben dogodek se zgodi, čeprav v veliko manjši meri, tudi med predelavo bakra in svinca.

Podobno je mogoče z recikliranjem železa in jekla dobiti majhne količine kadmija.

Sfalerit je pražen, tako da se cinkov sulfid pretvori v svoj oksid, ZnO. Enako reakcijo trpi kadmijev sulfid:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Če se ta oksidna mešanica segreje z ogljem, se ta zmanjša na ustrezne kovine:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Tudi cink in kadmij lahko nastaneta z elektrolizo, saj se oksidi raztopijo v žveplovi kislini.

Obe metodi ustvarita cink, kontaminiran s kadmijem. Po taljenju lahko kadmij destiliramo zaradi nižje tališča (321 ° C) v primerjavi s cinkom (420 ° C).

Izotopi

Med naravnimi in stabilnimi izotopi kadmija, ki jih imamo na Zemlji:

- 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 radioaktivna, ampak zato, ker tako veliko vrednost pol - življenje (t _1/2 = 7,7 × 10 ¹⁵ let), se lahko šteje stabilen. Potem je tu še ¹¹⁶ Cd, prav tako radioaktivni, z razpolovno dobo 3,1 · 10 ¹⁹ let, zato ga lahko štejemo za stabilen izotop, ki predstavlja 7,51% kadmija.

Upoštevajte, da je povprečna atomska masa 112.414 u, bližja 112 kot 114. Obstoj prevladujočega izotopa nad ostalimi v kadmiju ni opaziti.

Tveganja

Splošno

Absorpcija kadmija poteka predvsem iz hrane, zlasti jeter, gob, školjk, kakava v prahu in posušenih morskih alg.

Emblematičen primer se je zgodil na Kitajskem v zadnjem stoletju, kjer je prišlo do velike onesnaženosti s kadmijem v prebivalstvu. Kontaminacija kadmija je bila posledica visoke koncentracije riža, ki jo je povzročila prisotnost kadmija v tleh za gojenje žit.

Kadilec ima povprečen vnos 60 µg / dan. Največja dovoljena koncentracija kadmija v krvi je 15 µg / dan. Nekadilci imajo koncentracijo kadmija v krvi okoli 0,5 µg / L.

Pljuča absorbirajo med 40 in 60% kadmija v tobačnem dimu. Kadmij, ki se absorbira v pljučih, se prenaša v krvi, tvori komplekse z beljakovinami, cisteinom in glutationom, ki se nato končajo v jetrih, ledvicah itd.

Akutno vdihavanje kadmija lahko povzroči simptome, podobne simptomom, ki jih opazimo pri gripi podobnem postopku; kot so prehlad, vročina in bolečine v mišicah, kar lahko povzroči poškodbe pljuč. Medtem lahko kronična izpostavljenost kadmiju povzroči bolezni pljuč, ledvic in kosti.

Vpliv na ledvice

Kadmij v ledvicah običajno povzroči spremembo v presnovi fosforja in kalcija, kar dokazuje povečanje proizvodnje ledvičnih kamnov. Poleg tega povzroča poškodbe ledvic, ki se kažejo v pojavu urina beljakovine transporta retinola in β-2-mikroglobulina v urinu.

Vpliv na razmnoževanje

Materina izpostavljenost kadmiju je povezana z nizko porodno težo otroka in povečanjem stopnje spontanih splavov.

Poškodba kosti

Kadmij je na Japonskem povezan s prisotnostjo bolezni Itai-Itai v zadnjem stoletju. Za to bolezen je značilna nizka mineralizacija kosti, krhkost kosti z veliko hitrostjo zlomov, povečana osteoporoza in bolečine v kosteh.

Kancerogeneza

Čeprav so poskusi na podganah vzpostavili povezavo med kadmijem in rakom prostate, to pri ljudeh ni bilo dokazano. Pokazala se je povezava med kadmijem in rakom ledvic, povezana pa je tudi z rakom na pljučih.

Prijave

Nikelj-kadmij ponovno napolni bakterije

Različne celice ali Ni-Cd baterije. Vir: Boffy b prek Wikipedije.

Kadmijev hidroksid je bil uporabljen kot katoda v Ni-Cd baterijah. Ti so bili uporabljeni v železniški in letalski industriji, pa tudi v instrumentih za kolektivno uporabo, vključno z mobilnimi telefoni, video kamerami, prenosnimi računalniki itd.

Poraba kadmija za izdelavo Ni-Cd baterij je predstavljala 80% proizvodnje kadmija. Vendar pa so zaradi toksičnosti tega elementa Ni-Cd akumulatorje postopoma nadomestili nikelj-kovinske hidridne baterije.

Pigmenti

Kadmij rdeča. Vir: Marco Almbauer

Kadmijev sulfid se uporablja kot rumeni pigment, kadmijev selenid pa kot rdeč pigment, znan kot kadmijev rdeč. Za te pigmente je značilna njihova briljantnost in intenzivnost, zato so jih uporabili v plastiki, keramiki, steklu, emajlih in umetniških barvah.

Opaženo je bilo, da je slikar Vincent Van Gogh na svojih slikah uporabil kadmijeve pigmente, ki so mu omogočali doseganje raznolikih rdečih rdečih, pomarančnih in rumenih.

Barvanje kadmijevih pigmentov je treba omiliti, preden jih zmeljemo z olji ali jih zmešamo v akvarelih in akrilih.

TV

Sestavine, ki vsebujejo kadmij, so bile uporabljene v fosforju črno-belih televizorjev, pa tudi v modrem in zelenem fosforju za barvne televizijske slike.

Fosfor je bil del zaslona, ​​ki je bil obsevan s katodnimi žarki in je bil odgovoren za nastanek slike. Kadmij se je kljub strupenosti začel uporabljati v nedavno ustvarjenih televizijah QLED.

Stabilizacija PVC

Kadmijeve spojine, ki jih tvorijo karboksilat, laurat in stearat, so bile uporabljene kot stabilizatorji za polivinilklorid, saj zavirajo razgradnjo, ki nastane zaradi izpostavljenosti toploti in ultravijolični svetlobi, ki razpadejo PVC med njegovim proizvodnim postopkom.

Zaradi strupenosti za kadmij so bili PVC stabilizatorji, vezani na kadmij, zamenjani z drugimi stabilizatorji, kot so barij-cink, kalcij-cink in organotin.

Zlitine

Kadmij se zaradi visoke odpornosti proti utrujenosti in nizkega koeficienta trenja uporablja v nosilnih zlitinah. Kadmij ima sorazmerno nizko tališče, zato ga uporabljamo v zlitinah z nizkim tališčem in je poleg številnih zvarjev sestavina.

Kadmij se lahko uporablja tudi v električno prevodnih, toplotno prevodnih in električnih kontaktnih zlitinah.

Pokrivanje

Kadmij se uporablja za zaščito pritrdilnih elementov iz jekla, aluminija in drugih barvnih kovin ter gibljivih delov. Kadmijeva prevleka zagotavlja protikorozijsko zaščito v fizioloških in alkalnih medijih. Poleg tega služi kot mazivo.

Kadmij se uporablja tudi v mnogih električnih in elektronskih aplikacijah, ki zahtevajo korozijsko odpornost in nizko električno upornost.

Jedrski reaktorji

Kadmij se uporablja v jedrskih reaktorjih zaradi njegove sposobnosti zajemanja nevtronov, kar omogoča nadzor nad odvečnim nevtronom pri jedrski cepitvi, pri čemer se izogne ​​dodatni jedrski cepitvi.

Polprevodniki

Kadmijev selenid in telurid sta spojini, ki delujeta kot polprevodnika pri zaznavanju svetlobe in v sončnih celicah. HgCdTe je občutljiv na infrardečo svetlobo in se uporablja kot detektor gibanja kot tudi stikalo za naprave na daljinsko upravljanje.

biologija

Laserska svetloba He-Cd. Vir: Raje anonimna (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Helium-Cd sodeluje pri tvorbi laserskega žarka modro-vijolične svetlobe z valovno dolžino med 325 in 422 nm, uporabnim v fluorescenčnih mikroskopih.

Kadmij se v molekularni biologiji uporablja za blokiranje kalcijevih kanalov, odvisno od membranskega potenciala.

Reference

1. Wikipedija. (2019). Kadmij. Pridobljeno: en.wikipedia.org
2. Selva VR in sod. (2014). Visoka tlačna in temperaturna struktura tekočega in trdnega Cd: Posledice za krivuljo taljenja Cd.
3. Dr. Dough Stewart. (2019). Dejstva o elementu kadmija Pridobljeno: chemicool.com
4. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Kadmij. Baza podatkov PubChem. CID = 23973. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., in Groneberg, DA (2006). Toksičnost kadmija in posledične nevarnosti za zdravje ljudi. Revija za medicino dela in toksikologijo (London, Anglija), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30. julij 2018). Dejstva o kamiju. Pridobljeno od: lifecience.com
7. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (6. september 2018). Kadmij. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
8. Mednarodno kadmijevo združenje. (sf). Uporaba kadmija. Pridobljeno: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Kadmij. Pridobljeno: lenntech.com