KADMIUM (CD): HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Kadmium (Cd) je přechodný kov nebo post - přechodné atomové číslo 48 a stříbro. Je tvárná a tažná, s relativně nízkými body tání a varu. Kadmium je vzácný prvek a má pouze koncentraci 0,2 g / t zemské kůry.

Greenockite (CdS) je jedinou důležitou rudou kadmia s intenzivním žlutým zbarvením. Bylo zjištěno, že kadmium je spojeno se zinkem ve sfaleritu (ZnS), který obsahuje mezi 0,1 a 03% kadmia jako kationtu Cd ²⁺.

Krystaly kadmia. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvků

Při zpracování sfaleritu za účelem získání, tavení a rafinace zinku se kadmium získává v sekundární formě, což je jeho hlavní zdroj produkce.

Tento kov byl objeven v roce 1817, nezávisle Friedrichem Stromayerem a Karlem Hermannem. Stromayer pokřtil nový prvek jménem kadmia, které pochází z latinského slova „kadmia“, byl znám termín jako kolamin (uhličitan zinečnatý).

Kadmium je chemický prvek se symbolem Cd a jeho atomové číslo je 48. Zdroj: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Kadmium je prvkem velkého využití a mnoha aplikací, jako je antikorozní železo, ocel a barevné kovy; použití jako pigment; stabilizace PVC; prvek ve slitinách používaných při svařování; dobíjecí nikl kadmiové baterie atd.

Jedná se však o velmi toxický prvek, který způsobuje vážné poškození plic, ledvin a kostí, a bylo dokonce hlášeno, že má karcinogenní účinek, a proto je jeho použití omezené. Ale i přes to se v některých aplikacích nadále používá opatrně.

Dějiny

- Dvojitý objev

Kadmium objevil německý chemik Friedrich Stromayer v roce 1817 ve vzorku uhličitanu zinečnatého (calamin). Ve stejném roce provedli KSL Hermann a JCH Roloff stejný objev nezávisle na experimentu se sulfidem zinečnatým.

Stromayer je údajně objevil při plnění žádosti vlády o prohlídku lékáren v německém městě Hildesheim. Oxid zinečnatý byl v současné době používán k léčbě určitých stavů kůže.

Zdá se, že lékárny nedodávaly oxid zinečnatý, ale místo toho prodávaly uhličitan zinečnatý: surovinu pro výrobu oxidu zinečnatého. Výrobci oxidu zinečnatého tvrdili, že zahřátím uhličitanu zinečnatého vznikl žlutý „oxid zinečnatý“.

Oxid kadmia

Tento „oxid zinečnatý“ nemohli prodat, protože barva sloučeniny byla obvykle bílá; Místo toho prodávali uhličitan zinečnatý, také bílý. Vzhledem k této situaci se Stromayer rozhodl prostudovat předpokládaný žlutý oxid zinečnatý.

Za tímto účelem zahříval vzorky uhličitanu zinečnatého (calamin) a produkoval žlutý oxid zinečnatý, jak bylo uvedeno. Poté, co to analyzoval, dospěl k závěru, že žlutá barva byla způsobena přítomností oxidu kovu nového prvku.

Po extrakci tohoto nového oxidu kovu došlo k jeho redukci a dosažení izolace kadmia. Stromayer stanovena jeho hustotu a získat hodnotu 8,75 g / cm ³, v blízkosti hodnoty v současné době známé pro tento parametr (8,65 g / cm ³).

Stromayer rovněž zdůraznil, že nový prvek má vzhled podobný platině a že je přítomen také v mnoha sloučeninách zinku a dokonce v čištěném zinku.

Stromayer navrhl název „kadmium“ z latinského slova „kadmie“, název pro calamin, ZnCO ₃.

Kadmium v ​​sirníku zinečnatém

Karl Hermann (1817) našel při zpracování sulfidu zinečnatého neočekávanou žlutou barvu a myslel si, že by to mohla být kontaminace arsenu. Jakmile však byla tato možnost vyloučena, Hermann si uvědomil, že je v přítomnosti nového prvku.

- Aplikace

1840-1940

Ve 40. letech 20. století se začalo komerčně využívat kadmia jako pigmentu. Britský farmaceutický kodex uvádí v roce 1907 použití jodidu kadmia jako léčiva k léčbě „zvětšených kloubů“, bezohledných žláz a chilblainů.

Ve 30. a 40. letech 20. století byla výroba kadmia zaměřena na pokovování oceli a železa za účelem jejich ochrany před korozí. V 50. letech 20. století byly jako zdroje červených, oranžových a žlutých pigmentů použity sloučeniny kadmia, jako je sulfid kadmia a selenid kadmia.

1970-1990

Bylo zjištěno, že sloučeniny laurátu kadmia a stearátu kadmia jsou stabilizátory pro PVC v 70. a 80. letech 20. století, což vede ke zvýšené poptávce po kadmiu. Environmentální předpisy v důsledku toxicity kadmia však způsobily snížení jeho spotřeby.

V 80. a 90. letech se kadmium přestávalo používat v mnoha svých aplikacích, ale poté se jeho výroba zvýšila s vytvořením dobíjecích nikl-kadmiových baterií, které ve Spojených státech představovaly 80% spotřeby kadmia..

Fyzikální a chemické vlastnosti kadmia

Vzhled

Stříbrná šedavě bílá s měkkým kovovým leskem. Vystavením k 80 ° C se stává křehkým a lze jej řezat nožem. Je tvárný a lze jej válcovat do rolí.

Standardní atomová hmotnost

112 414 u

Atomové číslo (Z)

48

Kategorie položky

Post-přechodný kov, alternativně považovaný za přechodný kov. Definice IUPAC přechodného kovu je taková, jejíž atomy mají neúplnou d-skořepinu nebo které mohou vést kationty s neúplným d-skořepinou.

Podle této definice není kadmium přechodným kovem, protože jeho kationt Cd ²⁺ má své 4d orbity zcela zaplněné elektrony (4d ¹⁰).

Zápach

Toaleta

Bod tání

321,07 ° C

Bod varu

767 ° C

Hustota

Okolní teplota: 8,65 g / cm ³

Na bod tání (kapalina): 7,996 g / cm ³

Teplo fúze

6,21 kJ / mol

Odpařovací teplo

99,87 kJ / mol

Molární kalorická kapacita

26,020 J / (mol K)

Elektronegativita

1,6 na Paulingově stupnici

Ionizační energie

Nejprve: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ plyn)

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

Třetí: 3616 kJ / mol (plynný Cd ³⁺)

Tepelná vodivost

96,6 W / (mK)

Odolnost

72,7 nΩ · m při 22 ° C

Tvrdost

2,0 na Mohsově stupnici. Je to kov, i když hustý, značně měkký.

Stabilita

Vlhký vzduch se pomalu oxiduje za vzniku oxidu kadmia, který znehodnocuje jeho kovový lesk. Není hořlavý, ale v práškové formě může hořet a samovznícení.

Automatické zapalování

250 ° C pro kadmium je prášková forma.

Index lomu

1,8 při 20 ° C

Reaktivita

Kadmium může hořet na vzduchu za vzniku oxidu kademnatého (CaO), hnědého amorfního prášku, zatímco krystalická forma je tmavě červená.

Kadmium reaguje rychle se zředěnou kyselinou dusičnou a pomalu s horkou kyselinou chlorovodíkovou. Je také schopen reagovat s kyselinou sírovou, ale nereaguje s alkáliemi. Ve všech těchto reakcí, kadmiové soli jejich odpovídající anionty (Cl ^-) nebo oxoaniontů (NO ₃ ^- a SO ₄ ^2- jsou vytvořeny).

Struktura a elektronická konfigurace

Schéma elektronového obalu kadmia, prvek 48 v periodické tabulce. Zdroj: Pumbaa (původní práce Grega Robsona) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Atomy kadmia jeho krystalu vytvoří kovovou vazbu ze svých valenčních elektronů, které jsou umístěny na orbitálech 4d a 5s podle jejich elektronické konfigurace:

4d ¹⁰ 5s ²

Přestože jsou však 4d orbity plné elektronů a lze si také myslet, že „moře elektronů“ je dostatečně hojné, aby silně vázalo atomy Cd, ve skutečnosti jsou interakce slabé. To lze demonstrovat experimentálně s nízkou teplotou tání (321 ° C) ve srovnání s jinými přechodnými kovy.

Z tohoto a dalších chemických důvodů není kadmium někdy považováno za přechodný kov. Do jeho kovové vazby je zapojeno tolik elektronů (dvanáct), že začnou velmi rušit jeho negativní odpuzování; což spolu s energetickým rozdílem mezi vyplněnými 4d a 5s orbitaly oslabuje interakci Cd-Cd.

Atomy Cd nakonec definují kompaktní hexagonální krystalickou strukturu (hcp), která nepodléhá fázovým přechodům před bodem tání. Když jsou krystaly kadmia hcp vystaveny tlaku ekvivalentnímu 10 GPa, struktura se deformuje pouze; ale bez hlášení změn fáze.

Oxidační čísla

Kadmium nemůže ztratit dvanáct valenčních elektronů; ve skutečnosti nemůže ztratit ani jeden ze svých 4d orbitálů, které jsou energeticky stabilnější ve srovnání s orbitálem 5s. Proto může ztratit pouze dva elektrony orbitálu 5s ², což je následně dvojmocný kov; jako je tomu v případě zinku, rtuti a kovů alkalických zemin (Mr. Becambara).

Když se předpokládá existence kationtu Cd2 ⁺ ve svých sloučeninách, pak se říká, že kadmium má oxidační číslo nebo stav +2. Toto je vaše hlavní oxidační číslo. Například, tyto sloučeniny obsahují kadmium jako +2: CdO (Cd ²⁺ O ²), CDCI, ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^-), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ²), a Cd (NO ₃) ₂.

Kromě tohoto oxidačního čísla existují také +1 (Cd ⁺) a -2 (Cd ^2-). Oxidační číslo 1 je pozorována Cd ₂ ²⁺ dication, ve kterém každý atom kadmium má kladný náboj. Mezitím je -2 docela podivné a vztahovalo by se na anion „cadmide“.

Kde najít a získat

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

Kadmium je vzácný prvek, který má v zemské kůře koncentraci 0,2 g / t. Jediným důležitým minerálem pro kadmium je greenockit (CdS), který není těžitelný z komerčního hlediska.

Bylo zjištěno, že kadmium je spojeno se zinkem v minerálním sfaleritu (ZnS), který jej obvykle obsahuje v koncentraci v rozmezí 0,1% až 0,3%; ale v některých případech může koncentrace kadmia v sfaleritu dosáhnout 1,4%.

Horniny zpracované k získání fosforových hnojiv mohou mít koncentraci kadmia 300 mg / kg hnojiva. Také uhlí může obsahovat malá, ale významná množství kadmia.

Hlavním zdrojem kadmia jsou sopečné emise, které může kadmium přenášet do povrchových vod. Použití fosforečných hnojiv v zemědělských půdách vedlo ke kontaminaci kadmiem.

Kadmium přítomné v kyselých půdách je rostlinami vstřebatelné. Některé ze zeleniny používají lidé jako jídlo, což vysvětluje, jak je příjem vody a potravin hlavním zdrojem vstupu kadmia u neexponovaných osob nebo kuřáků.

Léčba sfaleritu

Během těžby, tavení a rafinace zinku přítomného ve sfaleritu se kadmium obvykle získává jako vedlejší produkt. K podobné události také dochází, i když v mnohem menší míře, během zpracování mědi a olova.

Podobně lze z recyklace železného a ocelového šrotu získat malá množství kadmia.

Sfalerit se praží tak, aby se sulfid zinečnatý transformoval na svůj oxid ZnO. Stejnou reakci trpí sulfid kadmia:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Pokud se tato směs oxidů zahřeje na uhlí, sníží se na příslušné kovy:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Zinek a kadmium lze také vyrábět elektrolýzou, protože oxidy se rozpustí v kyselině sírové.

Každá z těchto metod generuje kadmium kontaminovaný zinek. Po roztavení může být kadmium vakuově destilováno kvůli jeho nižšímu bodu tání (321 ° C) ve srovnání se zinkem (420 ° C).

Izotopy

Mezi přírodními a stabilními izotopy kadmia, které máme, s jejich příslušným množstvím zde 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 radioaktivní, ale proto, že tak velkou hodnotu poloviny - životnost (t _1/2 = 7,7 x 10 ¹⁵ let), může být považován za stabilní. A pak existuje ¹¹⁶ Cd, také radioaktivní, s poločasem 3,1 · 10 ¹⁹ let, takže jej lze považovat za stabilní izotop představující 7,51% kadmia.

Upozorňujeme, že průměrná atomová hmotnost je 112,414 u, blíže 112 než 114. Existence převládajícího izotopu nad ostatními není pozorována v kadmiu.

Rizika

Všeobecné

K absorpci kadmia dochází hlavně z potravin, zejména z jater, hub, měkkýšů, kakaového prášku a sušených mořských řas.

Symbolický případ se v Číně objevil v minulém století, kdy došlo k významné kontaminaci obyvatelstva kadmiem. Kontaminace kadmia byla způsobena jeho vysokou koncentrací v rýži, způsobenou přítomností kadmia v půdách obilovin.

Kuřák má průměrný příjem 60 µg / den. Maximální koncentrace kadmia povolená v krvi je 15 µg / den. Kuřáci mají koncentraci kadmia v krvi přibližně 0,5 µg / l.

Plíce absorbují mezi 40 a 60% kadmia v tabákovém kouři. Kadmium absorbované v plicích je transportováno v krvi a tvoří komplexy s proteiny, cysteinem a glutathionem, které pak končí v játrech, ledvinách atd.

Akutní inhalace kadmia může vyvolat příznaky podobné těm, které byly pozorovány při chřipkovém procesu; jako je nachlazení, horečka a bolesti svalů, které mohou způsobit poškození plic. Mezitím může chronické vystavení kadmiu způsobit onemocnění plic, ledvin a kostí.

Účinek na ledviny

V ledvinách kadmium obvykle způsobuje změnu metabolismu fosforu a vápníku, což se projevuje zvýšením produkce ledvinových kamenů. Kromě toho způsobuje poškození ledvin projevující se v moči retinolového transportního proteinu a p-2-mikroglobulinu.

Vliv na reprodukci

Expozice kadmia matkám je spojena s nízkou porodní hmotností dítěte a zvýšením míry spontánních potratů.

Poškození kostí

Kadmium je v Japonsku spojeno s výskytem choroby Itai-Itai v posledním století. Toto onemocnění se vyznačuje nízkou mineralizací kostí, křehkostí kostí s vysokou mírou zlomenin, zvýšenou osteoporózou a bolestmi kostí.

Karcinogeneze

Ačkoli experimenty na potkanech prokázaly vztah mezi rakovinou kadmia a prostaty, u lidí to nebylo prokázáno. Byla prokázána souvislost mezi rakovinou kadmia a ledvin a byla také spojena s rakovinou plic.

Aplikace

Nikl kadmiové dobíjecí bakterie

Různé články nebo Ni-Cd baterie. Zdroj: Boffy b přes Wikipedia.

Hydroxid kadmia byl použit jako katoda v Ni-Cd bateriích. Byly použity v železničním a leteckém průmyslu, jakož i v nástrojích pro kolektivní použití, včetně mobilních telefonů, videokamer, notebooků atd.

Spotřeba kadmia při výrobě Ni-Cd baterií představovala 80% výroby kadmia. Kvůli toxicitě tohoto prvku však byly Ni-Cd baterie postupně nahrazovány nikl-metal hydridovými bateriemi.

Pigmenty

Kadmium červené. Zdroj: Marco Almbauer

Sulfid kadmia se používá jako žlutý pigment a selenid kadmia jako červený pigment, známý jako červená kadmium. Tyto pigmenty se vyznačují brilancí a intenzitou, proto byly použity v plastech, keramice, skle, smaltovaných a uměleckých barvách.

Bylo zaznamenáno, že malíř Vincent Van Gogh použil ve svých obrazech pigmenty kadmia, což mu umožnilo dosáhnout různých jasných červených, pomerančů a žlutých.

Zbarvení kadmiových pigmentů musí být zeslabeno před mletím oleji nebo smícháním s akvarely a akryly.

televize

Komponenty obsahující kadmium byly použity ve fosforu černobílých televizorů, jakož i v modrých a zelených fosforech pro obrazové trubice barevné televize.

Fosfor byl součástí obrazovky, která byla ozařována katodovými paprsky a byla zodpovědná za vytvoření obrazu. Kadmium se navzdory své toxicitě začalo používat v nedávno vytvořených televizích QLED.

Stabilizace PVC

Sloučeniny kadmia vytvořené s karboxylátem, laurátem a stearátem byly použity jako stabilizátory pro polyvinylchlorid, protože zpožďují degradaci vzniklou vystavením teplu a ultrafialovému světlu, které během svého výrobního procesu rozkládá PVC.

Kvůli toxicitě kadmia byly opět stabilizátory PVC vázané kadmiem nahrazeny jinými stabilizátory, jako je barium-zinek, vápník-zinek a organotin.

Slitiny

Kadmium se používá v ložiskových slitinách díky vysoké odolnosti proti únavě a nízkému koeficientu tření. Kadmium má relativně nízkou teplotu tání, proto se používá ve slitinách s nízkou teplotou tání a je součástí mnoha druhů svarů.

Kadmium lze také použít v elektricky vodivých, tepelně vodivých a elektrických kontaktních slitinách.

Krytina

Kadmium se používá k ochraně ocelových, hliníkových a jiných neželezných kovových spojovacích prostředků, jakož i před pohyblivými částmi. Povlak kadmia poskytuje ochranu proti korozi ve slaném a alkalickém prostředí. Kromě toho slouží jako mazivo.

Kadmium se také používá v mnoha elektrických a elektronických aplikacích, které vyžadují odolnost proti korozi a nízký elektrický odpor.

Jaderné reaktory

Kadmium se používá v jaderných reaktorech pro jeho schopnost zachytit neutrony, což umožňuje kontrolovat nadbytek neutronů z jaderného štěpení a vyhnout se dalším jaderným štěpením.

Polovodiče

Selenid kadmia a tellurid jsou sloučeniny, které fungují jako polovodiče v detekci světla a v solárních článcích. HgCdTe je citlivý na infračervené světlo a používá se jako detektor pohybu i jako spínač pro dálkové ovládání.

biologie

He-Cd laserové světlo. Zdroj: Spíše anonymní (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Helium-Cd se podílí na tvorbě modro-fialového laserového paprsku s vlnovou délkou v rozmezí 325 až 422 nm, použitelným ve fluorescenčních mikroskopech.

Kadmium se používá v molekulární biologii k blokování vápníkových kanálů v závislosti na membránovém potenciálu.

Reference

1. Wikipedia. (2019). Kadmium. Obnoveno z: en.wikipedia.org
2. Selva VR a kol. (2014). Struktura vysokého tlaku a teploty kapalné a pevné Cd: Důsledky pro křivku tání Cd.
3. Dr. Dough Stewart. (2019). Fakta o kadmiu. Obnoveno z: chemicool.com
4. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2019). Kadmium. PubChem Database. CID = 23973. Obnoveno 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 vyplývající rizika pro lidské zdraví. Žurnál pracovního lékařství a toxikologie (Londýn, Anglie), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30. července 2018). Fakta o kadímu. Obnoveno z: livescience.com
7. Editors of Encyclopaedia Britannica. (6. září 2018). Kadmium. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com
8. Mezinárodní asociace kadmia. (sf). Aplikace kadmia. Obnoveno z: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Kadmium. Obnoveno z: lenntech.com