CADMIUM (CD): ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Cadmiu (Cd) este un metal de tranziție sau post - numărul atomic de tranziție 48 și argint. Este maleabil și ductil, cu puncte de topire și fierbere relativ scăzute. Cadmiul este un element rar și are doar o concentrație de 0,2 g / tonă de scoarță terestră.

Greenockite (CdS) este singurul minereu important de cadmiu cu o colorare galbenă intensă. Cadmiu se găsește asociat cu zinc în sphalerită (ZnS), care conține între 0,1 și 03% cadmiu ca cation ² Cd .

Cristale de cadmiu. Sursa: Imagini Hi-Res ale elementelor chimice

La prelucrarea sphaleritei pentru obținerea, topirea și perfecționarea zincului, cadmiul este obținut într-o formă secundară, aceasta fiind principala sa sursă de producție.

Acest metal a fost descoperit în 1817, independent de Friedrich Stromayer și Karl Hermann. Stromayer a botezat noul element cu numele de cadmiu, provenind de la cuvântul latin „cadmia”, un termen sub denumirea de calamină (carbonat de zinc).

Cadmiul este un element chimic cu simbolul Cd și numărul său atomic este 48. Sursa: Albedo-uk CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Cadmiul este un element de mare utilitate și numeroase aplicații, cum ar fi anticorozivul fierului, oțelului și metalelor neferoase; utilizarea ca pigment; stabilizarea PVC-ului; element în aliaje utilizate la sudare; baterii reîncărcabile din nichel cadmiu etc.

Cu toate acestea, este un element foarte toxic care provoacă daune severe plămânilor, rinichilor și oaselor și chiar s-a raportat că are o acțiune cancerigenă, motiv pentru care utilizarea sa a fost limitată. În ciuda acestui fapt, a continuat să fie utilizat cu atenție în unele aplicații.

Istorie

- Dublu descoperire

Cadmium a fost descoperit de Friedrich Stromayer, un chimist german, în anul 1817 într-un eșantion de carbonat de zinc (calamină). În același an, KSL Hermann și JCH Roloff au făcut aceeași descoperire, în mod independent, într-un experiment cu sulfură de zinc.

Se spune că Stromayer și-a făcut descoperirea în timp ce îndeplinea o cerere guvernamentală de inspecție a farmaciilor din orașul Hildesheim, Germania. Oxidul de zinc, așa cum este acum, a fost folosit pentru a trata anumite afecțiuni ale pielii.

Se pare că farmaciile nu au livrat oxid de zinc, ci au vândut carbonat de zinc: o materie primă pentru producerea de oxid de zinc. Producătorii de oxid de zinc au susținut că încălzirea carbonatului de zinc produce un „oxid de zinc” galben.

Oxid de cadmiu

Nu au putut vinde acest „oxid de zinc”, deoarece culoarea compusului era în mod normal albă; În schimb, au vândut carbonat de zinc, de asemenea, alb. Fata de aceasta situatie, Stromayer a decis sa studieze presupusul oxid galben de zinc.

Pentru a face acest lucru, a încălzit probe de carbonat de zinc (calamină) și a produs un oxid galben de zinc, după cum a fost raportat. După ce a analizat-o, a ajuns la concluzia că culoarea galbenă a fost cauzată de prezența unui oxid metalic a unui element nou.

După extragerea acestui nou oxid de metal, acesta și-a produs reducerea, obținând izolarea cadmiului. Stromayer determinat densitatea și a obținut o valoare de 8,75 g / cm ³ , aproape de valoarea cunoscută pentru acest parametru (8,65 g / cm ³ ).

De asemenea, Stromayer a subliniat că noul element avea un aspect similar cu platina și că este prezent și în mulți compuși de zinc, ba chiar în zinc purificat.

Stromayer a sugerat numele „cadmiu” din cuvântul latin „cadmia”, numele dat calaminei, ZnCO ₃ .

Cadmiu în sulfură de zinc

Karl Hermann (1817) a găsit o culoare galbenă neașteptată la prelucrarea sulfurii de zinc și a crezut că ar putea fi o contaminare cu arsenic. Dar, odată exclusă această posibilitate, Hermann și-a dat seama că se afla în prezența unui element nou.

- Aplicații

1840-1940

În anii 1840, utilizarea cadmiului ca pigment a început să fie exploatată comercial. Codul farmaceutic britanic indică în 1907 utilizarea iodurii de cadmiu ca medicament pentru a trata „articulațiile lărgite”, glandele scrofuloase și chilbașii.

În anii 1930 și 1940, producția de cadmiu avea ca scop placarea oțelului și a fierului pentru a le proteja de coroziune. În anii 1950, compuși de cadmiu, cum ar fi sulfura de cadmiu și selenida de cadmiu au fost folosiți ca surse de pigmenți roșii, portocalii și galbeni.

1970-1990

În anii ’70 -’80, s-a constatat că compușii laurat de cadmiu și stearatul de cadmiu sunt stabilizatori pentru PVC, ceea ce duce la o creștere a cererii de cadmiu. Cu toate acestea, reglementările de mediu din cauza toxicității cadmiului, au provocat o scădere a consumului său.

În anii ’80 și ’90, cadmiul a încetat să mai fie utilizat în multe dintre aplicațiile sale, dar apoi producția sa a crescut odată cu crearea bateriilor reîncărcabile de nichel-cadmiu, care au ajuns să reprezinte 80% din consumul de cadmiu în Statele Unite. .

Proprietățile fizice și chimice ale cadmiului

Aspect

Alb cenușiu argintiu cu luciu metalic moale. Acesta devine fragil prin expunerea la 80ºC și poate fi tăiat cu un cuțit. Este maleabil și poate fi rulat în role.

Greutatea atomică standard

112.414 u

Număr atomic (Z)

48

Categorie articol

Metal post-tranzițional, considerat alternativ un metal de tranziție. Definiția IUPAC a unui metal de tranziție este unul ai cărui atomi au o subsubll d incompletă sau care poate da naștere cationilor cu o subsferă d incompletă.

Conform acestei definiții, cadmiul nu este un metal de tranziție, deoarece cationul Cd ²⁺ are 4b orbitalele sale complet umplute cu electroni (4d ¹⁰ ).

Miros

Toaletă

Punct de topire

321,07 ºC

Punct de fierbere

767 ºC

Densitate

Temperatura mediului ambiant: 8,65 g / cm ³

La punctul de topire (lichid): 7.996 g / cm ³

Căldură de fuziune

6,21 kJ / mol

Căldură de vaporizare

99,87 kJ / mol

Capacitate calorică molară

26.020 J / (mol K)

electronegativitate

1.6 pe scara Pauling

Energii de ionizare

Primul: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gaz)

Al doilea: 1631.4 kJ / mol (Cd ²⁺ gazos)

Al treilea: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ gazos)

Conductivitate termică

96,6 W / (mK)

rezistivitatea

72,7 nΩ · m la 22 ºC

Duritate

2.0 pe scara Mohs. Este un metal, deși dens, considerabil moale.

Stabilitate

Acesta este oxidat lent de aerul umed pentru a forma oxid de cadmiu, care-și îmblânzește strălucirea metalică. Nu este inflamabil, dar sub formă de pulbere se poate arde și se autoaprinde.

Autoaprindere

250 ºC pentru cadmiu este sub formă de pulbere.

Indicele de refracție

1,8 la 20 ºC

reactivitatea

Cadmiul poate arde în aer pentru a forma oxid de cadmiu (CaO), o pulbere amorfă brună, în timp ce forma cristalină este de culoare roșie închisă.

Cadmiul reacționează rapid cu acidul azotic diluat și încet cu acidul clorhidric fierbinte. De asemenea, este capabil să reacționeze cu acid sulfuric, dar nu reacționează cu alcaline. În toate aceste reacții, se formează săruri de cadmiu ale anionilor corespunzători (Cl ^- ) sau oxoanioni (NO ₃ ^- și SO ₄ ^2- ).

Structura și configurația electronică

Schema de coajă electronică a cadmiului, elementul 48 din tabelul periodic. Sursa: Pumbaa (lucrare originală a lui Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Atomii de cadmiu ai cristalului său stabilesc o legătură metalică din electronii lor de valență, care sunt situați pe orbitalii 4d și 5s în conformitate cu configurația lor electronică:

4d ¹⁰ 5s ²

Cu toate acestea, deși orbitalele 4d sunt pline de electroni și se poate crede, de asemenea, că „marea electronilor” este suficient de abundentă pentru a lega puternic atomii Cd, în realitate interacțiunile sunt slabe. Acest lucru poate fi demonstrat experimental cu punctul său de topire scăzut (321 ° C), comparativ cu alte metale de tranziție.

Din acest motiv și din alte motive chimice, cadmiul nu este uneori considerat un metal de tranziție. Există atât de mulți electroni (doisprezece) implicați în legătura sa metalică încât încep să-i perturbe considerabil repulsiile negative; care, împreună cu diferența energetică dintre orbitalele 4d și 5s umplute, slăbește interacțiunea Cd-Cd.

Atomii Cd ajung să definească o structură compactă hexagonală cristalină (CP), care nu suferă tranziții de fază înainte de punctul său de topire. Atunci când cristalele de cadmiu de hcp sunt supuse unei presiuni echivalente cu 10 GPa, structura se deformează numai; dar fără să fie raportată nicio schimbare de fază.

Numere de oxidare

Cadmiul nu poate pierde cei doisprezece electroni de valență; de fapt, nu poate pierde nici măcar unul dintre orbitalii săi 4d, care sunt mai stabili în energie în comparație cu orbitalul 5s. Prin urmare, poate pierde doar cei doi electroni ai orbitalului 5s ² , fiind, prin urmare, un metal divalent; la fel ca zincul, mercurul și metalele alcaline de pământ (domnul Becambara).

Când existența cationului Cd ²⁺ este presupusă în compușii săi , atunci se spune că cadmiul are un număr de oxidare sau o stare de +2. Acesta este principalul tău număr de oxidare. De exemplu, următorii compuși conțin cadmiu ca 2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CDCI ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CDSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2- ) și Cd (NO ₃ ) ₂ .

În plus față de acest număr de oxidare, există și +1 (Cd ⁺ ) și -2 (Cd ^2- ). Numărul de oxidare +1 este observată în Cd ₂ ²⁺ dication , în care fiecare atom de cadmiu are o sarcină pozitivă. Între timp, -2 este destul de ciudat și s-ar aplica anionului „cadmidei”.

Unde să găsești și să obții

Cristale de Greenockite. Sursa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Cadmiul este un element rar care are o concentrație de 0,2 g / tonă în scoarța terestră. Singurul mineral important de cadmiu este greenockitul (CdS), care nu este minabil din punct de vedere minier și comercial.

Cadmiul se găsește asociat cu zinc în sphalerita minerală (ZnS), care îl conține de obicei la o concentrație cuprinsă între 0,1% și 0,3%; dar în unele cazuri, concentrația de cadmiu în sphalerită poate ajunge la 1,4%.

Stâncile prelucrate pentru obținerea îngrășămintelor fosforice pot avea o concentrație de cadmiu de 300 mg / kg de îngrășământ. De asemenea, cărbunele poate conține cantități mici, dar semnificative de cadmiu.

O sursă majoră de cadmiu o reprezintă emisiile vulcanice pe care cadmiul le poate transporta în apele de suprafață. Utilizarea îngrășămintelor fosforice în solurile agricole a dus la contaminarea cu cadmiu.

Cadmiul prezent în solurile acide este absorbibil de plante. Unele dintre legume sunt folosite de om ca hrană, ceea ce explică modul în care aportul de apă și alimente este principala sursă de intrare a cadmiului la persoanele neexpuse sau fumători.

Tratamentul sphaleritei

În timpul exploatării, topirii și rafinării zincului prezent în sphalerită, cadmiul este obținut de obicei ca un produs secundar. Un eveniment similar are loc, de asemenea, într-o măsură mult mai mică, în timpul prelucrării cuprului și plumbului.

În mod similar, cantități mici de cadmiu pot fi obținute din reciclarea resturilor de fier și oțel.

Shalerita este prăjită astfel încât sulful de zinc se transformă în oxidul său, ZnO. Aceeași reacție este suferită de sulfura de cadmiu:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Dacă acest amestec de oxid este încălzit cu cărbune, acestea vor fi reduse la metalele respective:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

De asemenea, zinc și cadmiu pot fi produse prin electroliză, deoarece oxizii se dizolvă în acidul sulfuric.

Oricare dintre metode generează un zinc contaminat cu cadmiu. La topire, cadmiul poate fi distilat sub vid, datorită punctului său de topire mai mic (321 ° C) comparativ cu zincul (420 ° C).

izotopi

Printre izotopii naturali și stabili ai cadmiului pe care îl avem, cu abundențele respective aici, pe Pământ:

- 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 este radioactiv, dar din cauza unei astfel de jumătate de valoare mare - viață (t _1/2 = 7,7 x 10 de ¹⁵ ani), poate fi considerat stabil. Și apoi există ¹¹⁶ Cd, de asemenea radioactiv, cu un timp de înjumătățire de 3,1 · 10 ¹⁹ ani, deci poate fi considerat un izotop stabil, reprezentând 7,51% din cadmiu.

Rețineți că masa atomică medie este de 112.414 u, mai aproape de 112 decât 114. Existența unui izotop predominant peste celelalte nu este observată în cadmiu.

riscuri

General

Absorbția de cadmiu are loc în principal din alimente, în special din ficat, ciuperci, crustacee, pudră de cacao și alge uscate.

Un caz emblematic a avut loc în China în secolul trecut, unde a existat o contaminare semnificativă cu cadmiu în populație. Contaminarea cu cadmiu s-a datorat concentrației mari de orez, cauzată de prezența cadmiului în solurile culturilor de cereale.

Un fumător are un aport mediu de 60 ug / zi. Concentrația maximă de cadmiu admisă în sânge este de 15 pg / zi. Nefumătorii au o concentrație de cadmiu în sângele lor în jur de 0,5 µg / L.

Plămânii absorb între 40 și 60% din cadmiu în fumul de tutun. Cadmiul absorbit în plămâni este transportat în sânge, formând complexe cu proteine, cisteină și glutation, care apoi ajung în ficat, rinichi etc.

O inhalare acută de cadmiu poate produce simptome similare celor observate într-un proces asemănător gripei; cum ar fi răcelile, febra și durerile musculare, care pot provoca leziuni pulmonare. Între timp, expunerea cronică la cadmiu poate provoca boli pulmonare, renale și osoase.

Efect asupra rinichilor

La rinichi, cadmiul provoacă de obicei o modificare a metabolismului fosforului și calciului, evidențiată de o creștere a producției de pietre la rinichi. În plus, provoacă leziuni renale manifestate prin apariția în urină a proteinei transportoare de retinol și a β-2-microglobulinei.

Efect asupra reproducerii

Expunerea maternă la cadmiu este asociată cu o greutate scăzută la naștere a copilului și cu o creștere a ratei avorturilor spontane.

Deteriorarea oaselor

Cadmiul este legat în Japonia de prezența bolii Itai-Itai în secolul trecut. Această boală se caracterizează prin mineralizare osoasă scăzută, fragilitate osoasă cu o rată mare de fracturi, osteoporoză crescută și dureri osoase.

carcinogeneza

Deși experimentele la șobolani au stabilit o relație între cadmiu și cancerul de prostată, acest lucru nu a fost demonstrat la om. S-a arătat o asociere între cadmiu și cancerul renal și a fost legată și de cancerul pulmonar.

Aplicații

Bacterii reîncărcate cu nichel cadmiu

Diferite celule sau baterii Ni-Cd. Sursa: Boffy b prin Wikipedia.

Hidroxidul de cadmiu a fost utilizat ca un catod în bateriile Ni-Cd. Acestea au fost utilizate în industria feroviară și aeronautică, precum și în instrumente de uz colectiv, inclusiv telefoane mobile, camere video, laptopuri etc.

Consumul de cadmiu pentru fabricarea bateriilor Ni-Cd a reprezentat 80% din producția de cadmiu. Cu toate acestea, datorită toxicității acestui element, bateriile Ni-Cd au fost înlocuite treptat cu baterii de hidrură de nichel-metal.

pigmenţi

Cadmiu roșu. Sursa: Marco Almbauer

Sulfura de cadmiu se folosește ca un pigment galben și selenida de cadmiu ca un pigment roșu, cunoscut sub numele de roșu de cadmiu. Acești pigmenți se caracterizează prin strălucirea și intensitatea lor, motiv pentru care au fost folosiți în materiale plastice, ceramică, sticlă, emailuri și culori artistice.

S-a remarcat că pictorul Vincent Van Gogh a folosit pigmenți de cadmiu în tablourile sale, ceea ce i-a permis să obțină o varietate de roșii strălucitoare, portocale și galbene.

Colorația pigmenților de cadmiu trebuie atenuată înainte de a fi măcinată cu uleiuri sau amestecată în acuarele și acrilice.

televizor

Componentele care conțin cadmiu au fost utilizate în fosforul televizoarelor alb-negru, precum și în fosforii albastri și verzi pentru tuburile de imagine ale televiziunii color.

Fosforul făcea parte din ecranul care a fost iradiat de razele catodice, fiind responsabil pentru formarea imaginii. Cadmium, în ciuda toxicității sale, a început să fie utilizat în televizoarele QLED create recent.

Stabilizare PVC

Compușii de cadmiu formați cu carboxilat, laurat și stearat au fost folosiți ca stabilizatori pentru clorura de polivinil, deoarece întârzie degradarea produsă prin expunerea la căldură și la lumina ultravioletă care descompun PVC în timpul procesului său de fabricație.

Datorită toxicității cadmiului, din nou, stabilizatorii de PVC legați de cadmiu au fost înlocuiți de alți stabilizatori, cum ar fi bari-zinc, calciu-zinc și organotină.

aliaje

Cadmiu a fost utilizat în aliaje de rulment datorită rezistenței sale ridicate la oboseală și a coeficientului scăzut de frecare. Cadmiul are un punct de topire relativ scăzut, motiv pentru care este utilizat în aliaje cu punct de topire scăzut și este o componentă pe lângă multe tipuri de suduri.

Cadmiul poate fi utilizat și în aliaje de contact electrice, conductoare termic și electrice.

Acoperire

Cadmium este utilizat pentru a proteja oțelul, aluminiul și alte elemente de fixare din metale neferoase, precum și piesele mobile. Acoperirea cu cadmiu asigură protecția la coroziune în mediu salin și alcalin. În plus, servește ca lubrifiant.

Cadmium este de asemenea utilizat în multe aplicații electrice și electronice care necesită rezistență la coroziune și rezistență electrică scăzută.

Reactoare nucleare

Cadmiul este utilizat în reactoarele nucleare pentru capacitatea sa de a capta neutroni, ceea ce face posibilă controlarea excesului de neutroni rezultați din fisiunea nucleară, evitând fisiunile nucleare suplimentare.

Semiconductori

Selenida de cadmiu și telurida sunt compuși care acționează ca semiconductori în detectarea luminii și în celulele solare. HgCdTe este sensibil la lumina infraroșu și este utilizat ca detector de mișcare, precum și comutator pentru dispozitivele de control de la distanță.

biologie

Lumina laser He-Cd. Sursa: Mai degrabă anonimă (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Helium-Cd este implicat în formarea unui fascicul laser de lumină albastru-violet, cu o lungime de undă cuprinsă între 325 și 422 nm, utilizabil în microscopele fluorescente.

Cadmiul este utilizat în biologia moleculară pentru a bloca canalele de calciu, dependente de potențialul membranei.

Referințe

1. Wikipedia. (2019). Cadmiu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
2. Selva VR și colab. (2014). Structura de înaltă presiune și temperatură a lichidului și solidului Cd: Implicații pentru curba de topire a Cd. Recuperat de la: researchgate.net
3. Dr. Dough Stewart. (2019). Fapte cu element de cadmiu. Recuperat de la: chemicool.com
4. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Cadmiu. Baza de date PubChem. CID = 23973. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). Toxicitatea cadmiului și riscurile rezultate pentru sănătatea umană. Jurnalul de medicina muncii si toxicologie (Londra, Anglia), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30 iulie 2018). Date despre camium. Recuperat de la: livescience.com
7. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (6 septembrie 2018). Cadmiu. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
8. Asociatia Internationala de Cadmiu. (Sf). Aplicații de cadmiu. Recuperat de la: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Cadmiu. Recuperat de la: lenntech.com