KADMIUM (CD): HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, ANVENDELSER - KEMI

Den cadmium (Cd) er et overgangsmetal eller post - overgangsperiode atomnummer 48 og sølv. Det er formbart og duktilt med relativt lave smelte- og kogepunkter. Kadmium er et sjældent element og har kun en koncentration på 0,2 g / ton af jordskorpen.

Greenockite (CdS) er den eneste vigtige cadmiummalm med en intens gul farve. Kadmium findes forbundet med zink i sphalerit (ZnS), der indeholder mellem 0,1 og 03% cadmium som en Cd ²⁺ -kation.

Kadmiumkrystaller. Kilde: Hi-Res-billeder af kemiske elementer

Ved forarbejdning af sphalerit til opnåelse, smelteindretning og raffinering af zink opnås cadmium i en sekundær form, hvilket er dens vigtigste produktionskilde.

Dette metal blev opdaget i 1817, uafhængigt af Friedrich Stromayer og Karl Hermann. Stromayer døbt det nye element med navnet cadmium, stammende fra det latinske ord “cadmia”, et udtryk som calamine (zinkcarbonat) var kendt.

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

Kadmium er et element af stor anvendelighed og adskillige anvendelser, såsom antikorrosivt af jern, stål og ikke-jernholdige metaller; brug som pigment; stabilisering af PVC; element i legeringer, der anvendes til svejsning; genopladelige nikkel-cadmium-batterier osv.

Det er imidlertid et meget giftigt element, der forårsager alvorlig skade på lungerne, nyrerne og knoglerne, og det er endda blevet rapporteret at have en kræftfremkaldende virkning, og det er grunden til, at dets anvendelse er blevet begrænset. Men trods dette er det fortsat brugt omhyggeligt i nogle applikationer.

Historie

- Dobbelt opdagelse

Kadmium blev opdaget af Friedrich Stromayer, en tysk kemiker, i år 1817 i en prøve af zinkcarbonat (calamin). Samme år gjorde KSL Hermann og JCH Roloff den samme opdagelse, uafhængigt af hinanden, i et eksperiment med zinksulfid.

Det påstås, at Stromayer har fundet sin opdagelse, mens han opfyldte en regeringsanmodning om at inspicere apoteker i byen Hildesheim, Tyskland. Zinkoxid, som det er nu, blev brugt til behandling af visse hudtilstande.

Det ser ud til, at apoteker ikke sendte zinkoxid, men i stedet solgte zinkcarbonat: et råmateriale til produktion af zinkoxid. Producenterne af zinkoxid hævdede, at opvarmning af zinkcarbonatet producerede et gult "zinkoxid".

Kadmiumoxid

De kunne ikke sælge dette "zinkoxid", da farven på forbindelsen normalt var hvid; I stedet solgte de zinkcarbonat, også hvidt. Overfor denne situation besluttede Stromayer at undersøge det påståede gule zinkoxid.

For at gøre dette opvarmede han prøver af zinkcarbonatet (calamine) og producerede et gult zinkoxid som rapporteret. Efter at have analyseret den konkluderede han, at den gule farve var forårsaget af tilstedeværelsen af et metaloxid af et nyt element.

Efter ekstraktion af dette nye metaloxid producerede det sin reduktion og opnåede isoleringen af cadmium. Stromayer bestemt dets densitet og opnåede en værdi på 8,75 g / cm ³, tæt på værdien for tiden kendt for denne parameter (8,65 g / cm ³).

Stromayer påpegede også, at det nye element havde et udseende, der ligner platin, og at det også var til stede i mange zinkforbindelser og endda i oprenset zink.

Stromayer foreslog navnet "cadmium" fra det latinske ord "cadmia", det navn, der blev givet til calamine, ZnCO ₃.

Kadmium i zinksulfid

Karl Hermann (1817) fandt en uventet gul farve, da han behandlede zinksulfid og troede, at det kunne være arsenforurening. Men når denne mulighed blev udelukket, indså Hermann, at han var i nærværelse af et nyt element.

- Ansøgninger

1840-1940

I 1840'erne begyndte brugen af cadmium som pigment at blive udnyttet kommercielt. Den britiske farmaceutiske kodex angiver i 1907 brugen af cadmiumiodid som medicin til behandling af "forstørrede led", grove kirtler og kuldeblødninger.

I 1930'erne og 1940'erne var cadmiumproduktionen rettet mod plettering af stål og jern for at beskytte dem mod korrosion. I 1950'erne blev cadmiumforbindelser, såsom cadmiumsulfid og cadmiumselenid, brugt som kilder til røde, orange og gule pigmenter.

1970-1990

I 1970'erne og 1980'erne blev forbindelserne cadmiumlaurat og cadmiumstearat vist sig at være stabilisatorer for PVC, hvilket førte til en stigning i efterspørgslen efter cadmium. Miljømæssige regler på grund af giftigheden af cadmium forårsagede imidlertid et fald i forbruget.

I 1980'erne og 1990'erne ophørte cadmium med at blive brugt i mange af dens applikationer, men derefter steg produktionen med oprettelsen af genopladelige nikkel-cadmiumbatterier, som kom til at repræsentere 80% af cadmiumforbruget i USA..

Cadmiums fysiske og kemiske egenskaber

Udseende

Sølvgrå hvid med blød metallisk glans. Det bliver sprødt ved udsættelse for 80 ° C og kan skæres med en kniv. Det er formbart og kan rulles i ruller.

Standard atomvægt

112.414 u

Atomnummer (Z)

Varekategori

Metal efter overgang, alternativt betragtet som et overgangsmetal. IUPAC-definitionen af et overgangsmetal er en, hvis atomer har en ufuldstændig d-delskappe, eller som kan give anledning til kationer med en ufuldstændig d-delskappe.

I henhold til denne definition er cadmium ikke et overgangsmetal, da dens Cd ²⁺ -kation har sine 4d-orbitaler fuldstændigt fyldt med elektroner (4d ¹⁰).

Lugt

Toilet

Smeltepunkt

321,07 ºC

Kogepunkt

767 ºC

Massefylde

Omgivelsestemperatur: 8,65 g / cm ³

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

Fusionsvarme

6,21 kJ / mol

Fordampningsvarme

99,87 kJ / mol

Molær kalorikapacitet

26,020 J / (mol K)

elektronegativitet

1.6 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

Først: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gas)

Andet: 1631,4 kJ / mol (Cd2 ⁺ luftformig)

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

Varmeledningsevne

96,6 W / (mK)

Resistivity

72,7 nΩ · m ved 22 ºC

Hårdhed

2,0 i Mohs-skalaen. Det er et metal, skønt tæt, betydeligt blødt.

Stabilitet

Det oxideres langsomt af fugtig luft til dannelse af cadmiumoxid, der pletter dets metalliske glans. Det er ikke brandfarligt, men i pulverform kan det brænde og selvantændes.

Automatisk tænding

250 ºC for cadmium er en pulverform.

Brydningsindeks

1,8 ved 20 ºC

Reaktivitet

Kadmium kan brænde i luft og danne cadmiumoxid (CaO), et brunt amorft pulver, mens den krystallinske form er mørkerød.

Kadmium reagerer hurtigt med fortyndet salpetersyre og langsomt med varm saltsyre. Det er også i stand til at reagere med svovlsyre, men det reagerer ikke med alkalier. I alle disse reaktioner dannes cadmiumsalte af deres tilsvarende anioner (Cl ^-) eller oxoanioner (NO ₃ ^- og SO ₄ ^2-).

Struktur og elektronisk konfiguration

Elektronskaldiagram over kadmium, element 48 i den periodiske tabel. Kilde: Pumbaa (originalt værk af Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Cadmiumatomer i dets krystal opretter en metallisk binding fra deres valenselektroner, som er placeret i 4d og 5s orbitaler i henhold til deres elektroniske konfiguration:

4d ¹⁰ 5s ²

Selvom 4d-orbitalerne er fulde af elektroner, og det kan også antages, at "havet af elektroner" er rigeligt nok til at binde Cd-atomerne stærkt, er interaktioner i virkeligheden svage. Dette kan demonstreres eksperimentelt med dets lave smeltepunkt (321 ° C) sammenlignet med andre overgangsmetaller.

Af denne og andre kemiske grunde betragtes cadmium sommetider ikke som et overgangsmetal. Der er så mange elektroner (tolv) involveret i dens metalliske binding, at de begynder at forstyrre dens negative frastødninger; hvilket sammen med den energiske forskel mellem de fyldte 4d og 5s orbitaler svækker Cd-Cd interaktionen.

Cd-atomerne ender med at definere en kompakt hexagonal krystallinsk struktur (hcp), som ikke gennemgår faseovergange før dens smeltepunkt. Når hcp cadmiumkrystaller underkastes et tryk, der svarer til 10 GPa, deformeres strukturen kun; men uden nogen faseændring.

Oxidationsnumre

Kadmium kan ikke miste de tolv valenselektroner; faktisk kan den ikke miste engang en af sine 4d-orbitaler, som er mere stabile i energi sammenlignet med 5s-bane. Derfor kan det kun miste de to elektroner fra 5s ^2- orbitalen, hvilket derfor er et divalent metal; som tilfældet er med zink, kviksølv og jordalkalimetaller (Mr. Becambara).

Når der antages eksistensen af Cd2 ⁺ -kation i dets forbindelser, siges det, at cadmium har et oxidationsnummer eller -tilstand på +2. Dette er dit vigtigste oxidationsnummer. For eksempel de følgende forbindelser indeholde cadmium som +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2-), CDC ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^-), CDSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2-) og Cd (NO ₃) ₂.

Ud over dette oxidationsnummer er der også +1 (Cd ⁺) og -2 (Cd ^2-). Oxidationen nummer +1 observeres i Cd ₂ ²⁺ dikation, hvori hver cadmium atom har en positiv ladning. I mellemtiden er -2 ganske mærkelig og gælder for "kadmide" -anionen.

Hvor man kan finde og skaffe

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

Kadmium er et sjældent element, der har en koncentration på 0,2 g / ton i jordskorpen. Det eneste vigtige cadmium-mineral er greenockite (CdS), som ikke kan miner fra et minedrift og kommercielt synspunkt.

Kadmium findes forbundet med zink i mineralsk sphalerit (ZnS), som normalt indeholder det i en koncentration mellem 0,1% og 0,3%; men i nogle tilfælde kan cadmiumkoncentrationen i sphalerit nå 1,4%.

Klipperne, der forarbejdes til opnåelse af fosforholdige gødninger, kan have en cadmiumkoncentration på 300 mg / kg gødning. Også kul kan indeholde små, men betydelige mængder cadmium.

En vigtig kilde til cadmium er vulkanemissioner, som cadmium kan føre til overfladevand. Brugen af fosforgødning i landbrugsjord har ført til kontaminering med cadmium.

Det kadmium, der er til stede i sure jordarter, kan absorberes af planter. Nogle af grøntsagerne bruges af mennesker som mad, hvilket forklarer, hvordan indtagelse af vand og mad er den vigtigste kilde til cadmiumindtræden hos ueksponerede mennesker eller rygere.

Behandling af sphalerit

Under minedrift, smeltning og raffinering af zinket, der er til stede i sfæralerit, opnås sædvanligvis cadmium som et biprodukt. En lignende begivenhed forekommer også, skønt i langt mindre grad, under forarbejdningen af kobber og bly.

Tilsvarende kan små mængder cadmium opnås ved genanvendelse af jern og stålskrot.

Spaleriet ristes, så zinksulfidet omdannes til dets oxid, ZnO. Den samme reaktion lider af cadmiumsulfid:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Hvis denne oxidblanding opvarmes med trækul, reduceres de til deres respektive metaller:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Zink og cadmium kan også produceres ved elektrolyse, når oxiderne opløses i svovlsyre.

Hver af metoderne genererer en cadmium-forurenet zink. Efter smeltning kan cadmium vakuumdestilleres på grund af dets lavere smeltepunkt (321 ° C) sammenlignet med zink (420 ° C).

isotoper

Blandt de naturlige og stabile isotoper af cadmium har vi 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 radioaktiv, men på grund af så stor værdi halv - life (t _1/2 = 7,7 × 10 ¹⁵ år), kan betragtes som stabil. Og så er der ¹¹⁶ Cd, også radioaktiv, med en halveringstid på 3,1 · 10 ¹⁹ år, så det kan betragtes som en stabil isotop, der repræsenterer 7,51% cadmium.

Bemærk, at den gennemsnitlige atommasse er 112.414 u, nærmere 112 end 114. Eksistensen af en overvejende isotop over de andre observeres ikke i cadmium.

Risici

Generel

Kadmiumabsorption forekommer hovedsageligt fra mad, især lever, svampe, skaldyr, kakaopulver og tørret tang.

En emblematisk sag opstod i Kina i det forrige århundrede, hvor der var betydelig cadmiumforurening i befolkningen. Cadmium-kontaminering skyldtes dens høje koncentration i ris, forårsaget af tilstedeværelsen af cadmium i jordbunden i kornafgrøder.

En ryger har et gennemsnitligt indtag på 60 µg / dag. Den maksimale tilladte koncentration af cadmium i blodet er 15 ug / dag. Ikke-rygere har en cadmiumkoncentration i deres blod på omkring 0,5 µg / L.

Lungerne optager mellem 40 og 60% af cadmium i tobaksrøg. Kadmium absorberet i lungerne transporteres i blodet og danner komplekser med proteiner, cystein og glutathion, som derefter ender i leveren, nyrerne osv.

En akut indånding af cadmium kan give symptomer, der ligner dem, der observeres i en influenzalignende proces; såsom forkølelse, feber og muskelsmerter, som kan forårsage lungeskade. I mellemtiden kan kronisk eksponering for cadmium forårsage lunge-, nyre- og knoglesygdomme.

Effekt på nyrerne

I nyrerne forårsager cadmium normalt en ændring i metabolismen af fosfor og calcium, hvilket er beviset af en stigning i produktionen af nyresten. Derudover forårsager det nyreskade, der manifesteres i udseendet i urinen af retinoltransportørprotein og ß-2-mikroglobulin.

Effekt på reproduktion

Mødreeksponering for cadmium er forbundet med en lav fødselsvægt for barnet og en stigning i frekvensen af spontane aborter.

Knogleskader

Kadmium er i Japan relateret til tilstedeværelsen af Itai-Itai sygdom i det forrige århundrede. Denne sygdom er kendetegnet ved lav knoglemineralisering, knogleskørhed med en høj frekvens af brud, øget osteoporose og knoglesmerter.

carcinogenese

Selvom eksperimenter med rotter etablerede et forhold mellem cadmium og prostatacancer, er dette ikke blevet påvist hos mennesker. Der er vist en sammenhæng mellem cadmium og nyrekræft, og den er også knyttet til lungekræft.

Applikationer

Genopladelige nikkel-cadmiumbakterier

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

Kadmiumhydroxid blev brugt som en katode i Ni-Cd-batterier. Disse blev brugt i jernbane- og luftfartsindustrien samt i instrumenter til kollektiv brug, herunder mobiltelefoner, videokameraer, bærbare computere osv.

Cadmiumforbruget til fremstilling af Ni-Cd-batterier udgjorde 80% af cadmiumproduktionen. På grund af toksiciteten ved dette element er Ni-Cd-batterier imidlertid gradvist erstattet af nikkel-metalhydridbatterier.

Pigmenter

Kadmium rød. Kilde: Marco Almbauer

Kadmiumsulfid bruges som et gult pigment og cadmium selenid som et rødt pigment, kendt som cadmiumrødt. Disse pigmenter er kendetegnet ved deres glans og intensitet, hvorfor de er blevet brugt i plast, keramik, glas, emaljer og kunstneriske farver.

Det er blevet bemærket, at maleren Vincent Van Gogh brugte cadmiumpigmenter i sine malerier, hvilket gjorde det muligt for ham at opnå en række lysrøde, appelsiner og gule.

Farven på cadmiumpigmenter skal dæmpes, før de formales med olier eller blandes i akvareller og akryl.

fjernsyn

Komponenter indeholdende cadmium blev brugt i fosfor i sort / hvid fjernsyn, såvel som i blå og grøn fosfor til billedrørene i farve-tv.

Fosfor var en del af skærmen, der blev bestrålet af katodestråler, og var ansvarlig for dannelsen af billedet. På trods af sin toksicitet er kadmium begyndt at blive brugt i nyligt oprettede QLED-fjernsyn.

PVC-stabilisering

Kadmiumforbindelser dannet med carboxylat, laurat og stearat blev anvendt som stabilisatorer for polyvinylchlorid, da de forsinker nedbrydningen produceret ved udsættelse for varme og ultraviolet lys, der nedbrydes PVC under fremstillingsprocessen.

På grund af cadmium-toksicitet er igen cadmium-bundet PVC-stabilisatorer erstattet af andre stabilisatorer, såsom barium-zink, calcium-zink og organotin.

Legeringer

Kadmium er blevet brugt til at bære legeringer på grund af dets høje træthedsbestandighed og lave friktionskoefficient. Kadmium har et relativt lavt smeltepunkt, hvorfor det bruges i legeringer med lavt smeltepunkt og er en komponent ud over mange svejsetyper.

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

Dækker

Kadmium bruges til at beskytte stål, aluminium og andre ikke-jernholdige metalfastgørere samt bevægelige dele. Kadmiumbelægning giver korrosionsbeskyttelse i saltvand og alkaliske medier. Derudover fungerer det som et smøremiddel.

Kadmium bruges også i mange elektriske og elektroniske applikationer, der kræver korrosionsbestandighed og lav elektrisk modstand.

Atomreaktorer

Kadmium bruges i nukleare reaktorer for dens evne til at fange neutroner, hvilket gør det muligt at kontrollere overskydende neutroner fra nuklear fission og undgå yderligere nukleare fissioner.

Halvledere

Kadmiumselenid og tellurid er forbindelser, der fungerer som halvledere ved lysdetektion og i solceller. HgCdTe er følsom overfor infrarødt lys og bruges som en bevægelsesdetektor samt en switch til fjernbetjeningsenheder.

biologi

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

Helium-Cd er involveret i dannelsen af en blå-violet laserstråle med en bølgelængde i området fra 325 til 422 nm, anvendelig i fluorescensmikroskoper.

Kadmium bruges i molekylærbiologi til at blokere calciumkanaler, afhængig af membranpotentialet.

Referencer

Wikipedia. (2019). Cadmium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
Selva VR & et al. (2014). Højtryks- og temperaturstruktur for væske og fast Cd: Implikationer for smeltekurven for Cd. Genvundet fra: researchgate.net
Dr. Dough Stewart. (2019). Fakta om kadmiumelement. Gendannes fra: chemicool.com
National Center for Biotechnology Information. (2019). Cadmium. PubChem-database. CID = 23973. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). Giftigheden af cadmium og de deraf følgende farer for menneskers sundhed. Tidsskrift for arbejdsmedicin og toksikologi (London, England), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
Ros Rachel. (30. juli 2018). Fakta om camium. Gendannes fra: livescience.com
Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (6. september 2018). Cadmium. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com
International Kadmium Association. (Sf). Kadmium applikationer. Gendannet fra: cadmium.org
Lenntech BV (2019). Cadmium. Gendannes fra: lenntech.com

KADMIUM (CD): HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, ANVENDELSER - KEMI - 2025