КАДМИЙ (CD): ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

В кадмий (Cd) е преходен метал или пост - преходен атомен номер 48 и сребро. Той е ковък и пластичен, със сравнително ниски температури на топене и кипене. Кадмият е рядък елемент и има само концентрация 0,2 g / тон от земната кора.

Greenockite (CdS) е единствената важна кадмиева руда с интензивно оцветяване в жълто. Установено е, че кадмият е свързан с цинк в сфалерит (ZnS), който съдържа между 0,1 и 03% кадмий като катион Cd ²⁺.

Кадмиеви кристали. Източник: Hi-Res изображения на химически елементи

При обработката на сфалерит за получаване, топене и рафиниране на цинк, кадмият се получава във вторична форма, като това е основният му източник на производство.

Този метал е открит през 1817 г., независимо от Фридрих Стромайер и Карл Херман. Стромайер кръщава новия елемент с името на кадмий, произхождащ от латинската дума „кадмия“, известен е термин като каламин (цинков карбонат).

Кадмият е химичен елемент със символа Cd и атомният му номер е 48. Източник: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Кадмият е елемент от голяма полезност и многобройни приложения, като антикорозионно желязо, стомана и цветни метали; използвайте като пигмент; стабилизиране на PVC; елемент в сплави, използвани при заваряване; акумулаторни никел-кадмиеви батерии и др.

Въпреки това, той е много токсичен елемент, който причинява тежки увреждания на белите дробове, бъбреците и костите и дори се съобщава, че има канцерогенно действие, поради което употребата му е ограничена. Но въпреки това, тя продължава да се използва внимателно в някои приложения.

история

- Двойно откритие

Кадмий е открит от Фридрих Стромайер, немски химик, през 1817 г. в проба от цинков карбонат (каламин). Същата година KSL Hermann и JCH Roloff правят едно и също откритие в експеримент с цинков сулфид.

Съобщава се, че Stromayer е направил своето откритие, докато спазва искането на правителството за инспекция на аптеките в град Хилдесхайм, Германия. Цинковият оксид, както е сега, се използва за лечение на определени кожни състояния.

Изглежда, че аптеките не доставят цинков оксид, а вместо това продават цинков карбонат: суровина за производството на цинков оксид. Производителите на цинков оксид твърдят, че при нагряването на цинковия карбонат се получава жълт „цинков оксид“.

Кадмиев оксид

Те не можеха да продадат този „цинков оксид“, тъй като цветът на съединението беше обикновено бял; Вместо това те продаваха цинков карбонат, също бял. Изправен пред тази ситуация, Стромайер реши да проучи предполагаемия жълт цинков оксид.

За да направи това, той загрява проби от цинков карбонат (каламин) и произвежда жълт цинков оксид, както се съобщава. След като го анализира, той заключи, че жълтият цвят е причинен от наличието на метален оксид на нов елемент.

След извличането на този нов метален оксид той произвежда неговото намаляване, постигайки изолацията на кадмий. Stromayer определи неговата плътност и получи стойност 8,75 g / cm ³, близка до стойността, известна в момента за този параметър (8,65 g / cm ³).

Също така, Стромайер посочи, че новият елемент има външен вид, подобен на платина, и че той също присъства в много цинкови съединения и дори в пречистен цинк.

Стромайер предложи името „кадмий“ от латинската дума „кадмия“, името, дадено на каламин, ZnCO ₃.

Кадмий в цинков сулфид

Карл Херман (1817) откри неочакван жълт цвят при обработката на цинков сулфид и смята, че това може да е замърсяване с арсен. Но след като тази възможност беше изключена, Херман осъзна, че той е в присъствието на нов елемент.

- Приложения

1840-1940

През 1840-те години използването на кадмий като пигмент започва да се експлоатира в търговската мрежа. Британският фармацевтичен кодекс посочва през 1907 г. използването на кадмиев йодид като лекарство за лечение на "разширени стави", скрофулни жлези и чилаблани.

През 30-те и 40-те години на миналия век производството на кадмий е насочено към покриване на стомана и желязо, за да ги предпази от корозия. През 50-те години на миналия век кадмиевите съединения като кадмиев сулфид и кадмиев селенид са използвани като източници на червени, оранжеви и жълти пигменти.

1970-1990

През 70-те и 80-те години се установява, че съединенията кадмиев лаурат и кадмиев стеарат са стабилизатори за PVC, което води до увеличаване на търсенето на кадмий. Наредбите за опазване на околната среда, поради токсичността на кадмий, доведоха до намаляване на неговото потребление.

През 80-те и 90-те години кадмият престава да се използва в много от приложенията си, но след това производството му се увеличава със създаването на акумулаторни никел-кадмиеви батерии, които представляват 80% от консумацията на кадмий в Съединените щати.,

Физични и химични свойства на кадмий

Външен вид

Сребристо сивкаво бяло с мек метален блясък. Той става крехък при излагане на 80ºC и може да бъде нарязан с нож. Той е ковък и може да се навива на рула.

Стандартно атомно тегло

112,414 ф

Атомно число (Z)

48

Категория на артикулите

Следпреходен метал, алтернативно считан за преходен метал. Дефиницията на IUPAC за преходен метал е тази, чиито атоми имат непълна d подгрупа или която може да породи катиони с непълна подгрупа d.

Според това определение кадмият не е преходен метал, тъй като катионът му Cd ²⁺ има своите 4d орбитали, изцяло запълнени с електрони (4d ¹⁰).

миризма

Тоалетна

Точка на топене

321,07 ° C

Точка на кипене

767 ºC

плътност

Температура: 8.65 гр / см ³

В точка на топене (течност): 7.996 гр / см ³

Топлина от синтез

6.21 kJ / mol

Топлина от изпаряване

99,87 kJ / mol

Моларен калоричен капацитет

26.020 J / (мол K)

Електроотрицателност

1.6 по скалата на Полинг

Йонизационни енергии

Първо: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ газ)

Второ: 1631.4 kJ / mol (Cd ²⁺ газообразен)

Трето: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ газообразни)

Топлопроводимост

96,6 W / (mK)

съпротивление

72,7 nΩ · m при 22 ° C

твърдост

2.0 по скалата на Mohs. Това е метал, макар и плътен, значително мек.

стабилност

Бавно се окислява от влажен въздух и образува кадмиев оксид, който омазнява металния му блясък. Не е запалим, но в прахообразна форма може да гори и да се самозапали.

Самозапалване

250 ºC за кадмий е прахообразна форма.

Рефракционен индекс

1,8 при 20 ºC

реактивност

Кадмият може да изгори на въздух, за да образува кадмиев оксид (СаО), кафяв аморфен прах, докато кристалната форма е тъмночервена.

Кадмият реагира бързо с разредена азотна киселина и бавно с гореща солна киселина. Освен това е способна да реагира със сярна киселина, но не реагира с основи. Във всички тези реакции се образуват кадмиеви соли на техните съответни аниони (Cl ^-) или оксоаниони (NO ₃ ^- и SO ₄ ^2-).

Структура и електронна конфигурация

Електронна обвивна диаграма на кадмий, елемент 48 в периодичната таблица. Източник: Pumbaa (оригинално произведение на Грег Робсън) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Кадмиевите атоми на неговия кристал установяват метална връзка от валентните им електрони, които са разположени в орбиталите 4d и 5s според тяхната електронна конфигурация:

4d ¹⁰ 5s ²

Въпреки че, въпреки че 4d орбиталите са пълни с електрони и може също да се мисли, че „морето от електрони“ е достатъчно изобилно, за да свърже силно Cd атомите, в действителност взаимодействията са слаби. Това може да бъде доказано експериментално с ниската му точка на топене (321 ° C) в сравнение с други преходни метали.

По тази и други химически причини, кадмият понякога не се счита за преходен метал. В неговата метална връзка участват толкова много електрони (дванадесет), че те започват силно да нарушават отрицателните му отблъсквания; което заедно с енергийната разлика между запълнените 4d и 5s орбитали отслабва взаимодействието Cd-Cd.

Cd атомите в крайна сметка определят компактна шестоъгълна кристална структура (hcp), която не претърпява фазови преходи преди точката на топене. Когато hcp кадмиевите кристали са подложени на налягане, равно на 10 GPa, структурата се деформира само; но без да се отчита фазова промяна.

Окислителни числа

Кадмият не може да загуби дванадесетте валентни електрона; всъщност той не може да загуби дори една от своите 4d орбитали, които са по-стабилни по отношение на енергията в сравнение с орбиталата на 5s. Поради това може да загуби само двата електрона на 5s ² орбитални, като в последствие е двувалентен; както е при цинка, живака и алкалоземните метали (г-н Becambara).

Когато се предполага съществуването на катиона Cd2 ⁺ в неговите съединения, тогава се казва, че кадмият има окислително число или състояние +2. Това е вашият основен номер на окисляване. Например, следните съединения съдържат кадмий като 2: CDO (Cd ²⁺ О ^2-), CDCb ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^-), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2-) и Cd (NO ₃) ₂.

В допълнение към това число за окисляване има още +1 (Cd ⁺) и -2 (Cd ^2-). Номерът на окисляване 1 се наблюдава в Cd ₂ ²⁺ дикатион, в които всеки атом кадмий има положителен заряд. Междувременно -2 е доста странно и би се отнасяло до аниона "кадмид".

Къде да намеря и получавам

Кристали от греенокит. Източник: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Кадмият е рядък елемент, който има концентрация от 0,2 g / тон в земната кора. Единственият важен кадмиев минерал е греенокцитът (CdS), който не може да бъде минен от минно-търговска гледна точка.

Установено е, че кадмият се свързва с цинка в минералния сфалерит (ZnS), който обикновено го съдържа в концентрация между 0,1% и 0,3%; но в някои случаи концентрацията на кадмий в сфалерит може да достигне 1,4%.

Скалите, обработени за получаване на фосфорни торове, могат да имат концентрация на кадмий 300 mg / kg тор. Също така въглищата могат да съдържат малки, но значителни количества кадмий.

Основен източник на кадмий са вулканичните емисии, които кадмият може да пренася в повърхностните води. Използването на фосфорни торове в земеделските почви е довело до замърсяването му с кадмий.

Кадмият, присъстващ в кисели почви, се абсорбира от растенията. Някои от зеленчуците се използват от човека като храна, което обяснява как приемът на вода и храна е основният източник на влизане на кадмий при неекспонирани лица или пушачи.

Лечение на сфалерит

По време на добив, топене и рафиниране на цинка, присъстващ в сфалерит, кадмият обикновено се получава като страничен продукт. Подобно събитие се случва, макар и в много по-малка степен, по време на обработката на мед и олово.

По същия начин, малки количества кадмий могат да бъдат получени от рециклиране на железен и стоманен скрап.

Сфалеритът се пече, така че цинковият сулфид се трансформира в неговия оксид, ZnO. Същата реакция претърпява кадмиевият сулфид:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Ако тази оксидна смес се нагрява с въглен, те ще се редуцират до съответните им метали:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Също така, цинкът и кадмият могат да се получат чрез електролиза, тъй като оксидите се разтварят в сярна киселина.

И двата метода генерират замърсен с кадмий цинк. При топене кадмият може да се дестилира под вакуум поради ниската му точка на топене (321 ° С) в сравнение с цинка (420 ° С).

Изотопи

Сред природните и стабилни изотопи на кадмий, които имаме, със съответните им изобилия тук на Земята:

- 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%)

В ¹¹³ Cd е радиоактивен, но поради такова голямо половината стойност - живот (т _1/2 = 7.7 х 10 ¹⁵ години), може да се счита стабилен. И тогава има ¹¹⁶ Cd, също радиоактивен, с период на полуразпад 3,1 · 10 ¹⁹ години, така че може да се счита за стабилен изотоп, представляващ 7,51% кадмий.

Обърнете внимание, че средната атомна маса е 112.414 u, по-близо до 112, отколкото 114. Наличието на преобладаващ изотоп над останалите не се наблюдава в кадмий.

Рискове

Общ

Абсорбцията на кадмий се осъществява главно от храната, особено черния дроб, гъбите, мидите, какаото на прах и сушените морски водорасли.

Емблематичен случай се случи в Китай през миналия век, където имаше значително замърсяване с кадмий сред населението. Замърсяването с кадмий се дължи на високата му концентрация в ориза, причинена от присъствието на кадмий в почвите на зърнените култури.

Пушачът има среден прием от 60 µg / ден. Максималната разрешена концентрация на кадмий в кръвта е 15 µg / ден. Непушачите имат концентрация на кадмий в кръвта си около 0,5 µg / L.

Белите дробове абсорбират между 40 и 60% от кадмия в тютюневия дим. Кадмият, абсорбиран в белите дробове, се транспортира в кръвта, образувайки комплекси с протеини, цистеин и глутатион, които след това се озовават в черния дроб, бъбреците и др.

Острата инхалация на кадмий може да доведе до симптоми, подобни на тези, наблюдавани при грипоподобен процес; като настинки, треска и мускулни болки, които могат да причинят увреждане на белите дробове. Междувременно хроничното излагане на кадмий може да причини белодробни, бъбречни и костни заболявания.

Ефект върху бъбреците

В бъбреците кадмият обикновено причинява промяна в метаболизма на фосфор и калций, което се доказва от увеличаване на производството на камъни в бъбреците. В допълнение, той причинява увреждане на бъбреците, проявяващо се в появата в урината на ретинол транспортиращ протеин и β-2-микроглобулин.

Ефект върху репродукцията

Експозицията на майката на кадмий се свързва с ниско тегло при раждане на детето и увеличаване на честотата на спонтанните аборти.

Увреждане на костите

Кадмият е свързан в Япония с наличието на болест Itai-Itai през миналия век. Това заболяване се характеризира с ниска минерализация на костите, крехкост на костите с висока степен на фрактури, повишена остеопороза и болки в костите.

Канцерогенеза

Въпреки че експериментите с плъхове установяват връзка между кадмий и рак на простатата, това не е доказано при хора. Показана е връзка между кадмий и рак на бъбреците и той също е свързан с рак на белия дроб.

Приложения

Никел-кадмиеви акумулаторни бактерии

Различни клетки или Ni-Cd батерии. Източник: Boffy b чрез Wikipedia.

Кадмиевият хидроксид е използван като катод в Ni-Cd батерии. Те се използват в железопътната и авиационната индустрия, както и в инструменти за колективно използване, включително мобилни телефони, видеокамери, лаптопи и др.

Консумацията на кадмий за производството на Ni-Cd батерии представлява 80% от производството на кадмий. Поради токсичността на този елемент, Ni-Cd батериите постепенно са заменени от никело-метални хидридни батерии.

Пигменти

Кадмий червен. Източник: Марко Алмбауер

Кадмиевият сулфид се използва като жълт пигмент, а кадмиевият селенид като червен пигмент, известен като кадмиево червен. Тези пигменти се характеризират със своя блясък и интензивност, поради което са били използвани в пластмаси, керамика, стъкло, емайли и художествени цветове.

Забелязано е, че художникът Винсент Ван Гог е използвал кадмиеви пигменти в своите картини, което му е позволило да постигне разнообразни ярки червени, портокали и жълти.

Оцветяването на кадмиевите пигменти трябва да се намали, преди да се смила с масла или да се смеси в акварели и акрили.

телевизия

Съдържащите кадмий компоненти се използват във фосфора на черно-бели телевизори, както и в синия и зеления фосфор за цветни тръби за телевизионни картини.

Фосфорът беше част от екрана, който беше облъчен от катодни лъчи, като беше отговорен за образуването на изображението. Кадмият, въпреки токсичността си, започва да се използва в наскоро създадени QLED телевизори.

PVC стабилизация

Кадмиевите съединения, образувани с карбоксилат, лаурат и стеарат, бяха използвани като стабилизатори за поливинилхлорид, тъй като те забавят разграждането, получено от излагане на топлина и ултравиолетова светлина, които разлагат PVC по време на производствения му процес.

Поради токсичността на кадмий, отново камиевите PVC стабилизатори са заменени от други стабилизатори, като барий-цинк, калций-цинк и органотин.

сплави

Кадмият е използван в лагерните сплави поради високата устойчивост на умора и ниския коефициент на триене. Кадмият има сравнително ниска точка на топене, поради което се използва в сплави с ниска точка на топене и е компонент в допълнение към много видове заварки.

Кадмият може да се използва и в електропроводими, топлопроводими и електрически контактни сплави.

покритие

Кадмият се използва за защита на стоманени, алуминиеви и други крепежни елементи от цветни метали, както и подвижни части. Кадмиевото покритие осигурява защита от корозия във физиологични и алкални среди. В допълнение, той служи като смазка.

Кадмият се използва също в много електрически и електронни приложения, които изискват устойчивост на корозия и ниско електрическо съпротивление.

Ядрени реактори

Кадмият се използва в ядрените реактори заради способността му да улавя неутрони, което дава възможност за контрол на излишните неутрони от ядрения делене, като се избягват допълнителни ядрени деления.

Полупроводници

Кадмиевият селенид и телурид са съединения, които действат като полупроводници при откриване на светлина и в слънчеви клетки. HgCdTe е чувствителен към инфрачервена светлина и се използва като детектор на движение, както и превключвател за устройства за дистанционно управление.

биология

He-Cd лазерна светлина. Източник: По-скоро анонимен (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Хелий-Cd участва в образуването на лазерен лъч от синьо-виолетова светлина с дължина на вълната между 325 и 422 nm, използваем във флуоресцентни микроскопи.

Кадмият се използва в молекулярната биология за блокиране на калциевите канали, в зависимост от мембранния потенциал.

Препратки

1. Wikipedia. (2019). Кадмий. Възстановено от: en.wikipedia.org
2. Selva VR & et al. (2014). Структура на високо налягане и температура на течен и твърд Cd: Отражение за кривата на топене на Cd. Възстановено от: researchgate.net
3. Д-р Тесто Стюарт. (2019). Факти на кадмиевия елемент. Възстановено от: chemicool.com
4. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Кадмий. PubChem база данни. CID = 23973. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). Токсичността на кадмий и произтичащите от това опасности за човешкото здраве. Списание за трудова медицина и токсикология (Лондон, Англия), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Рос Рейчъл. (30 юли 2018 г.). Факти за камиум. Възстановена от: lifecience.com
7. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (6 септември 2018 г.). Кадмий. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
8. Международна асоциация за кадмий (SF). Приложения на кадмий. Възстановено от: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Кадмий. Възстановена от: lenntech.com