KADMIJS (CD): VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Kadmijs (Cd) ir pārejas metāls vai post - pārejas atomu skaits 48 un sudraba. Tas ir kaļams un kaļams, ar relatīvi zemu kušanas un viršanas temperatūru. Kadmijs ir reti sastopams elements, un tā koncentrācija zemes garozā ir tikai 0,2 g / t.

Grīnockīts (CdS) ir vienīgā svarīgā kadmija rūda ar intensīvu dzeltenu krāsu. Kadmijs ir saistīts ar cinku sfalerītā (ZnS), kas Cd ²⁺ katjonā satur no 0,1 līdz 03% kadmija .

Kadmija kristāli. Avots: Ķīmisko elementu Hi-Res attēli

Apstrādājot sfalerītu, lai iegūtu, sakausētu un rafinētu cinku, kadmiju iegūst sekundārā formā, kas ir tā galvenais ražošanas avots.

Šo metālu 1817. gadā patstāvīgi atklāja Frīdrihs Štromajers un Kārlis Hermans. Štromaijers jauno elementu kristīja ar kadmija nosaukumu, kas cēlies no latīņu valodas vārda “kadmija”, un bija zināms termins kalamīns (cinka karbonāts).

Kadmijs ir ķīmisks elements ar simbolu Cd, un tā atomu skaits ir 48. Avots: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/).

Kadmijs ir ļoti noderīgs un daudzām vajadzībām pielietojams elements, piemēram, dzelzs, tērauda un krāsaino metālu pretkorozijas līdzeklis; izmantot kā pigmentu; PVC stabilizācija; elements metinātos sakausējumos; uzlādējamās niķeļa kadmija baterijas utt.

Tomēr tas ir ļoti toksisks elements, kas nopietni bojā plaušas, nieres un kaulus, un pat ir ziņots, ka tam ir kancerogēna iedarbība, tāpēc tā lietošana ir ierobežota. Bet, neskatoties uz to, dažās lietojumprogrammās to turpināja uzmanīgi izmantot.

Vēsture

- Divkāršs atklājums

Kadmiju 1817. gadā cinka karbonāta (kalamīna) paraugā atklāja vācu ķīmiķis Frīdrihs Štromaijers. Tajā pašā gadā KSL Hermann un JCH Roloff veica vienu un to pašu atklājumu patstāvīgi eksperimentā ar cinka sulfīdu.

Tiek ziņots, ka Stromajers ir atradis savu atklājumu, izpildot valdības lūgumu pārbaudīt aptiekas Hildesheimas pilsētā Vācijā. Cinka oksīds, kāds tas ir tagad, tika izmantots noteiktu ādas slimību ārstēšanai.

Šķiet, ka aptiekas nepiegādāja cinka oksīdu, bet tā vietā pārdeva cinka karbonātu - izejvielu cinka oksīda ražošanai. Cinka oksīda ražotāji apgalvoja, ka, sildot cinka karbonātu, iegūst dzeltenu “cinka oksīdu”.

Kadmija oksīds

Viņi nevarēja pārdot šo “cinka oksīdu”, jo savienojuma krāsa parasti bija balta; Tā vietā viņi pārdeva cinka karbonātu, arī baltu. Saskaroties ar šo situāciju, Stromayer nolēma izpētīt domājamo dzeltenā cinka oksīdu.

Lai to izdarītu, viņš karsēja cinka karbonāta (kalamīna) paraugus un, kā ziņots, ražoja dzeltenu cinka oksīdu. Pēc tā analīzes viņš secināja, ka dzelteno krāsu ir izraisījis jauna elementa metālisks oksīds.

Pēc šī jaunā metāla oksīda ieguves tas reducējās, panākot kadmija izolāciju. Stromayer noteica tā blīvumu un ieguva vērtību 8,75 g / cm ³ , kas ir tuvu vērtībai, kas šobrīd zināma šim parametram (8,65 g / cm ³ ).

Stromajers arī norādīja, ka jaunajam elementam ir līdzīgs izskats kā platīnam un ka tas bija arī daudzos cinka savienojumos un pat attīrītā cinkā.

Stromayer ieteica vārdu “kadmijs” no latīņu vārda “kadmija”, nosaukums tika dots kalamīnam, ZnCO ₃ .

Kadmijs cinka sulfīdā

Kārlis Hermans (1817), apstrādājot cinka sulfīdu, atrada negaidītu dzeltenu krāsu un domāja, ka tas varētu būt arsēna piesārņojums. Bet, tiklīdz šī iespēja tika izslēgta, Hermans saprata, ka atrodas jauna elementa klātbūtnē.

- Pieteikumi

1840.-1940

1840. gados kadmija kā pigmenta izmantošanu sāka komerciāli izmantot. Lielbritānijas farmācijas kodekss norāda, ka 1907. gadā kadmija jodīds tiek izmantots kā zāles "paplašinātu locītavu", skrofulāro dziedzeru un chilblains ārstēšanai.

Pagājušā gadsimta trīsdesmitajos un četrdesmitajos gados kadmija ražošanas mērķis bija tērauda un dzelzs pārklājums, lai aizsargātu tos no korozijas. Piecdesmitajos gados kadmija savienojumi, piemēram, kadmija sulfīds un kadmija selenīds, tika izmantoti kā sarkanā, oranžā un dzeltenā pigmenta avoti.

1970.-1990

Tika konstatēts, ka kadmija laurāts un kadmija stearāta savienojumi ir PVC stabilizatori septiņdesmitajos un astoņdesmitajos gados, izraisot palielinātu pieprasījumu pēc kadmija. Tomēr vides noteikumi kadmija toksiskuma dēļ samazināja tā patēriņu.

Astoņdesmitajos un deviņdesmitajos gados kadmijs vairs netika izmantots daudzos tā lietojumos, bet pēc tam tā ražošana palielinājās, izveidojot atkārtoti uzlādējamas niķeļa-kadmija baterijas, kuras sastādīja 80% no kadmija patēriņa Amerikas Savienotajās Valstīs. .

Kadmija fizikālās un ķīmiskās īpašības

Izskats

Sudrabaini pelēcīgi balta ar mīkstu metālisku spīdumu. 80 ° C iedarbībā tas kļūst trausls, un to var sagriezt ar nazi. Tas ir kaļams un to var pārvērst ruļļos.

Standarta atomsvars

112 414 u

Atomu skaitlis (Z)

48

Vienības kategorija

Pēc pārejas metāls, ko alternatīvi uzskata par pārejas metālu. IUPAC pārejas metāla definīcija ir tāda, kuras atomiem ir nepilnīga d apakššūna vai kas var radīt katjonus ar nepilnīgu d apakššūnu.

Saskaņā ar šo definīciju kadmijs nav pārejas metāls, jo tā Cd ²⁺ katjona 4d orbitāles ir pilnībā piepildītas ar elektroniem (4d ¹⁰ ).

Smarža

Tualete

Kušanas punkts

321,07 ºC

Vārīšanās punkts

767 ºC

Blīvums

Apkārtējā temperatūra: 8,65 g / cm ³

Kušanas temperatūrā (šķidrums): 7,996 g / cm ³

Saplūšanas karstums

6,21 kJ / mol

Iztvaikošanas siltums

99,87 kJ / mol

Molārā kaloritāte

26,020 J / (mol K)

Elektronegativitāte

1,6 pēc Polainga skalas

Jonizācijas enerģijas

Pirmais: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gāze)

Otrais: 1631,4 kJ / mol (Cd ²⁺ gāzveida)

Trešais: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ gāzveida)

Siltumvadītspēja

96,6 W / (mK)

Pretestība

72,7 nΩ · m pie 22 ºC

Cietība

2,0 pēc Mosa skalas. Tas ir metāls, kaut arī blīvs, ievērojami mīksts.

Stabilitāte

Mitrs gaiss to lēnām oksidē, veidojot kadmija oksīdu, kas aptraipa tā metālisko spīdumu. Tas nav viegli uzliesmojošs, bet pulvera veidā tas var sadedzināt un pašaizdegties.

Pašaizdegšanās

Kadmijam 250 ºC ir pulvera forma.

Refrakcijas indekss

1,8 pie 20 ºC

Reaģētspēja

Kadmijs var sadedzināt gaisā, veidojot kadmija oksīdu (CaO), brūnu amorfu pulveri, bet kristāliskā forma ir tumši sarkana.

Kadmijs ātri reaģē ar atšķaidītu slāpekļskābi un lēnām ar karstu sālsskābi. Tas spēj reaģēt arī ar sērskābi, bet nereaģē ar sārmiem. Visās šajās reakcijās veidojas to atbilstošo anjonu (Cl ^- ) vai oksoanjonu (NO ₃ ^- un SO ₄ ^2- ) kadmija sāļi .

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

Kadmija, 48. elementa periodiskā tabulas elektronu čaumalu diagramma. Avots: Pumbaa (Grega Robsona oriģināldarbs) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Tā kristāla kadmija atomi izveido metālisku saiti no to valences elektroniem, kas atrodas 4d un 5s orbitālēs atbilstoši to elektroniskajai konfigurācijai:

4d ¹⁰ 5s ²

Tomēr, kaut arī 4d orbitāles ir pilnas ar elektroniem, un var arī domāt, ka “elektronu jūra” ir pietiekami bagātīga, lai stingri sasaistītu Cd atomus, patiesībā mijiedarbība ir vāja. To var pierādīt eksperimentāli ar zemu kušanas temperatūru (321 ° C), salīdzinot ar citiem pārejas metāliem.

Šī un citu ķīmisku iemeslu dēļ kadmijs dažreiz netiek uzskatīts par pārejas metālu. Tā metāliskajā saitē ir iesaistīts tik daudz elektronu (divpadsmit), ka tie sāk ievērojami traucēt tā negatīvās atgrūšanas; kas kopā ar piepildīto 4d un 5s orbitāļu enerģētisko atšķirību vājina Cd-Cd mijiedarbību.

Cd atomi galu galā definē kompaktu sešstūrainu kristālisko struktūru (hcp), kurai pirms tā kušanas punkta netiek veiktas fāzes pārejas. Kad hcp kadmija kristāli tiek pakļauti spiedienam, kas līdzvērtīgs 10 GPa, struktūra tikai deformējas; bet bez fāžu izmaiņām tiek ziņots.

Oksidācijas skaitļi

Kadmijs nevar zaudēt divpadsmit valences elektronus; patiesībā tas nevar pazaudēt pat vienu no 4d orbitāļiem, kuru enerģija ir stabilāka salīdzinājumā ar 5s orbitāli. Tāpēc tas var zaudēt tikai divus 5s ² orbitāles elektronus , tādējādi ir divvērtīgs metāls; tāpat kā cinks, dzīvsudrabs un sārmzemju metāli (Becambara kungs).

Ja tiek pieņemts, ka tā savienojumos ir Cd ²⁺ katjons , tad tiek teikts, ka kadmija oksidācijas numurs vai stāvoklis ir +2. Šis ir tavs galvenais oksidācijas numurs. Piemēram, šādi savienojumi satur kadmiju kā +2: CdO (Cd ²⁺ O ² ), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ² ) un Cd (NO ₃₎ ) ₂ .

Papildus šim oksidācijas skaitam ir arī +1 (Cd ⁺ ) un -2 (Cd ^2- ). Cd ₂ ²⁺ dikcijā tiek novērots oksidācijas skaitlis +1 , kurā katram kadmija atomam ir pozitīva lādiņa. Tikmēr -2 ir diezgan dīvains, un tas attiektos uz “kadmīda” anjonu.

Kur atrast un iegūt

Greenockite kristāli. Avots: Robs Lavinskis, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Kadmijs ir reti sastopams elements, kura koncentrācija zemes garozā ir 0,2 g / t. Vienīgais svarīgais kadmija minerāls ir greenockite (CdS), kas nav derīgs ieguvei no ieguves un komerciālā viedokļa.

Kadmijs ir saistīts ar cinku minerālfalerītā (ZnS), kas to parasti satur koncentrācijā no 0,1% līdz 0,3%; bet dažos gadījumos kadmija koncentrācija sphaleritā var sasniegt 1,4%.

Akmeņiem, kas apstrādāti, lai iegūtu fosfora mēslojumu, kadmija koncentrācija var būt 300 mg / kg mēslojuma. Arī ogles var saturēt nelielu, bet ievērojamu kadmija daudzumu.

Galvenais kadmija avots ir vulkānu emisijas, kuras kadmijs var pārvadāt virszemes ūdeņos. Fosfora mēslošanas līdzekļu izmantošana lauksaimniecības augsnēs ir izraisījusi tā piesārņojumu ar kadmiju.

Kadmiju skābās augsnēs augi absorbē. Dažus dārzeņus cilvēks izmanto kā pārtiku, kas izskaidro, kā ūdens un ēdiena uzņemšana ir galvenais kadmija iekļūšanas avots cilvēkiem, kas nav pakļauti iedarbībai.

Sfalerīta ārstēšana

Kalnrūpniecības, kausēšanas un rafinēšanas laikā sfalerītā esošais cinks parasti kā blakusproduktu iegūst kadmiju. Līdzīgs notikums notiek arī vara un svina apstrādes laikā, kaut arī mazākā mērā.

Tāpat nelielu kadmija daudzumu var iegūt, pārstrādājot dzelzs un tērauda lūžņus.

Sfalerīts tiek grauzdēts tā, ka cinka sulfīds pārvēršas tā oksīdā ZnO. Tādu pašu reakciju cieš arī kadmija sulfīds:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Ja šo oksīdu maisījumu karsē ar kokogli, tie tiks reducēti līdz attiecīgajiem metāliem:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Arī cinku un kadmiju var iegūt elektrolīzē, jo oksīdi izšķīst sērskābē.

Ar katru metodi tiek iegūts ar kadmiju piesārņots cinks. Izkausējot, kadmiju var destilē vakuumā, pateicoties tā zemākajai kušanas temperatūrai (321 ° C), salīdzinot ar cinku (420 ° C).

Izotopi

Starp dabiskajiem un stabilajiem kadmija izotopiem ar to attiecīgajiem pārpalikumiem šeit uz Zemes:

- 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 radioaktīvs, bet gan tāpēc, ka tik lielu vērtību pusi - dzīve (t _1/2 = 7,7 × 10 ¹⁵ gadiem), var uzskatīt par stabilu. Un tad ir ¹¹⁶ Cd, arī radioaktīvs, ar pussabrukšanas periodu 3,1 · 10 ¹⁹ gadus, tāpēc to var uzskatīt par stabilu izotopu, kas veido 7,51% kadmija.

Ņemiet vērā, ka vidējā atomu masa ir 112,414 u, tuvāk 112 nekā 114. Atomiskā izotopu esamība pār citiem nav novērota kadmijā.

Riski

Vispārīgi

Kadmija absorbcija notiek galvenokārt no pārtikas, jo īpaši no aknām, sēnēm, gliemenēm, kakao pulvera un žāvētām jūraszālēm.

Pagājušajā gadsimtā Ķīnā notika simbols, kur iedzīvotāji bija ievērojami piesārņojuši kadmiju. Kadmija piesārņojums bija saistīts ar tā lielo koncentrāciju rīsos, ko izraisīja kadmija klātbūtne labības kultūru augsnēs.

Smēķētāja vidējais patēriņš ir 60 μg dienā. Maksimālā pieļaujamā kadmija koncentrācija asinīs ir 15 μg / dienā. Nesmēķētāju kadmija koncentrācija asinīs ir aptuveni 0,5 μg / L.

Plaušas absorbē no 40 līdz 60% no kadmija tabakas dūmos. Kadmijs, kas absorbēts plaušās, tiek pārvadāts asinīs, veidojot kompleksus ar olbaltumvielām, cisteīnu un glutationu, kas pēc tam nonāk aknās, nierēs utt.

Akūta kadmija ieelpošana var izraisīt simptomus, līdzīgus tiem, kas novēroti gripai līdzīgā procesā; piemēram, saaukstēšanās, drudzis un muskuļu sāpes, kas var izraisīt plaušu bojājumus. Tikmēr hroniska kadmija iedarbība var izraisīt plaušu, nieru un kaulu slimības.

Ietekme uz nierēm

Nierēs kadmijs parasti izraisa fosfora un kalcija metabolisma izmaiņas, par ko liecina nieru akmeņu ražošanas palielināšanās. Turklāt tas izraisa nieru bojājumus, kas izpaužas kā retinola transportētāja olbaltumvielu un β-2-mikroglobulīna parādīšanās urīnā.

Ietekme uz reprodukciju

Kadmija iedarbība uz māti ir saistīta ar mazu bērna dzimšanas svaru un spontāno abortu skaita palielināšanos.

Kaulu bojājumi

Kadmijs Japānā ir saistīts ar Itai-Itai slimību pagājušajā gadsimtā. Šai slimībai raksturīga zema kaulu mineralizācija, kaulu trauslums ar lielu lūzumu līmeni, palielināta osteoporoze un sāpes kaulos.

Kanceroģenēze

Lai gan eksperimenti ar žurkām atklāja saistību starp kadmiju un prostatas vēzi, cilvēkiem tas nav pierādīts. Ir pierādīta saistība starp kadmiju un nieru vēzi, un tā ir saistīta arī ar plaušu vēzi.

Lietojumprogrammas

Niķeļa kadmija uzlādējamās baktērijas

Dažādas šūnas vai Ni-Cd baterijas. Avots: Boffy b, izmantojot Wikipedia.

Kadmija hidroksīds tika izmantots kā katods Ni-Cd baterijās. Tos izmantoja dzelzceļa un aeronavigācijas nozarē, kā arī kolektīvās lietošanas instrumentos, tostarp mobilajos tālruņos, videokamerās, klēpjdatoros utt.

Kadmija patēriņš Ni-Cd bateriju ražošanā veidoja 80% no kadmija ražošanas. Tomēr šī elementa toksicitātes dēļ Ni-Cd baterijas ir pakāpeniski aizstātas ar niķeļa-metāla hidrīda baterijām.

Pigmenti

Kadmija sarkans. Avots: Marco Almbauer

Kadmija sulfīds tiek izmantots kā dzeltenais pigments, bet kadmija selenīds - kā sarkanais pigments, kas pazīstams kā kadmija sarkanais. Šos pigmentus raksturo to spožums un intensitāte, tāpēc tie ir izmantoti plastmasā, keramikā, stiklā, emaljās un mākslinieciskās krāsās.

Tika atzīmēts, ka gleznotājs Vinsents Van Gogs gleznās izmantoja kadmija pigmentus, kas ļāva viņam sasniegt dažādas spilgtas sarkanās krāsas, apelsīnus un dzeltenās krāsas.

Kadmija pigmentu krāsojumam jābūt novājinātam pirms sasmalcināšanas ar eļļām vai sajaukšanas ar akvareļiem un akriliem.

TV

Kadmiju saturoši komponenti tika izmantoti melnbalto televizoru fosforā, kā arī zilu un zaļu fosforos krāsaino televīzijas attēlu caurulēm.

Fosfors bija daļa no ekrāna, kuru apstaroja ar katoda stariem, un tas bija atbildīgs par attēla veidošanos. Kadmijs, neraugoties uz tā toksiskumu, ir ticis izmantots nesen izveidotos QLED televizoros.

PVC stabilizācija

Kadmija savienojumi, kas izveidoti ar karboksilātu, laurātu un stearātu, tika izmantoti kā polivinilhlorīda stabilizatori, jo tie aizkavē noārdīšanos, ko rada siltuma un ultravioletā gaisma, kas ražošanas laikā sadala PVC.

Kadmija toksicitātes dēļ atkal ar kadmiju saistītie PVC stabilizatori ir aizstāti ar citiem stabilizatoriem, piemēram, bārija-cinka, kalcija-cinka un alvas organisko savienojumu.

Sakausējumi

Kadmijs ir izmantots gultņu sakausējumos tā augstās izturības pret nogurumu un zemā berzes koeficienta dēļ. Kadmijam ir relatīvi zema kušanas temperatūra, tāpēc to izmanto sakausējumos ar zemu kušanas temperatūru, un tas ir sastāvdaļa papildus daudzu veidu metinājumiem.

Kadmiju var izmantot arī elektriski vadošos, siltumvadītspējīgos un elektriskos kontaktu sakausējumos.

Pārsegums

Kadmijs tiek izmantots tērauda, ​​alumīnija un citu krāsaino metālu stiprinājumu, kā arī kustīgo daļu aizsardzībai. Kadmija pārklājums nodrošina aizsardzību pret koroziju fizioloģiskā un sārmainā vidē. Turklāt tas kalpo kā smērviela.

Kadmijs tiek izmantots arī daudzos elektriskos un elektroniskos lietojumos, kuriem nepieciešama izturība pret koroziju un zema elektriskā pretestība.

Kodolreaktori

Kadmijs tiek izmantots kodolreaktoros tā spējai uztvert neitronus, kas ļauj kontrolēt neitronu pārpalikumu no kodolskaldīšanas, izvairoties no papildu kodolskaldīšanas.

Pusvadītāji

Kadmija selenīds un telurīds ir savienojumi, kas darbojas kā pusvadītāji gaismas noteikšanā un saules baterijās. HgCdTe ir jutīgs pret infrasarkano gaismu un tiek izmantots kā kustības detektors, kā arī kā tālvadības ierīču slēdzis.

bioloģija

He-Cd lāzera gaisma. Avots: drīzāk anonīms (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Hēlijs-Cd ir iesaistīts zili violetas gaismas lāzera stara veidošanā ar viļņa garumu no 325 līdz 422 nm, ko var izmantot fluorescences mikroskopos.

Kadmijs tiek izmantots molekulārajā bioloģijā, lai bloķētu kalcija kanālus atkarībā no membrānas potenciāla.

Atsauces

1. Wikipedia. (2019. gads). Kadmijs. Atgūts no: en.wikipedia.org
2. Selva VR & et al. (2014). Augsta spiediena un temperatūras struktūra šķidrā un cietā CD: Ietekme uz Cd kausēšanas līkni. Atgūts no: researchgate.net
3. Dr Dough Stewart. (2019. gads). Kadmija elementa fakti. Atgūts no: chemicool.com
4. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs. (2019. gads). Kadmijs. PubChem datu bāze. CID = 23973. Atgūts no: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). Kadmija toksicitāte un no tā izrietošie draudi cilvēku veselībai. Arodmedicīnas un toksikoloģijas žurnāls (Londona, Anglija), 1., 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Roza Rahela. (2018. gada 30. jūlijs). Fakti par pilsētiņu. Atgūts no: livescience.com
7. Enciklopēdijas Britannica redaktori. (2018. gada 6. septembris). Kadmijs. Encyclopædia Britannica. Atgūts no: britannica.com
8. Starptautiskā kadmija asociācija. (sf). Kadmija lietojumi. Atgūts no: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Kadmijs. Atgūts no: lenntech.com