CADMIUM (CD): GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, GEBRUIK - CHEMIE - 2026

Het cadmium (Cd) is een overgangsmetaal of post - transitioneel atoomnummer 48 en zilver. Het is kneedbaar en taai, met relatief lage smelt- en kookpunten. Cadmium is een zeldzaam element en heeft slechts een concentratie van 0,2 g / ton aardkorst.

Greenockite (CdS) is het enige belangrijke cadmiumerts met een intens gele kleur. Cadmium wordt geassocieerd met zink gevonden in sfaleriet (ZnS), dat tussen 0,1 en 03% cadmium als Cd ²⁺ -kation bevat .

Cadmiumkristallen. Bron: hoge resolutie afbeeldingen van chemische elementen

Bij de verwerking van sfaleriet om zink te verkrijgen, te smelten en te raffineren, wordt cadmium verkregen in een secundaire vorm, aangezien dit de belangrijkste bron van productie is.

Dit metaal werd in 1817 onafhankelijk ontdekt door Friedrich Stromayer en Karl Hermann. Stromayer doopte het nieuwe element met de naam cadmium, afkomstig van het Latijnse woord "cadmia", een term die bekend stond als calamine (zinkcarbonaat).

Cadmium is een chemisch element met het symbool Cd en het atoomnummer is 48. Bron: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Cadmium is een element met een grote bruikbaarheid en talrijke toepassingen, zoals corrosiewerende middelen voor ijzer, staal en non-ferrometalen; gebruik als pigment; stabilisatie van PVC; element in legeringen gebruikt bij het lassen; oplaadbare nikkel-cadmium-batterijen, enz.

Het is echter een zeer giftig element dat ernstige schade aan de longen, nieren en botten veroorzaakt en er is zelfs gemeld dat het een kankerverwekkende werking heeft, waardoor het gebruik ervan beperkt is. Maar ondanks dit werd het in sommige toepassingen nog steeds zorgvuldig gebruikt.

Geschiedenis

- Dubbele ontdekking

Cadmium werd ontdekt door Friedrich Stromayer, een Duitse chemicus, in het jaar 1817 in een monster van zinkcarbonaat (calamine). Datzelfde jaar deden KSL Hermann en JCH Roloff dezelfde ontdekking, onafhankelijk van elkaar, in een experiment met zinksulfide.

Stromayer zou zijn ontdekking hebben gedaan tijdens het vervullen van een verzoek van de overheid om apotheken te inspecteren in de stad Hildesheim, Duitsland. Zinkoxide, zoals het nu is, werd gebruikt om bepaalde huidaandoeningen te behandelen.

Het blijkt dat apotheken geen zinkoxide verscheepten, maar zinkcarbonaat verkochten: een grondstof voor de productie van zinkoxide. De fabrikanten van zinkoxide voerden aan dat het verhitten van het zinkcarbonaat een geel "zinkoxide" produceerde.

Cadmiumoxide

Ze konden dit "zinkoxide" niet verkopen, aangezien de kleur van de verbinding normaal wit was; In plaats daarvan verkochten ze zinkcarbonaat, ook wit. Geconfronteerd met deze situatie besloot Stromayer het vermeende gele zinkoxide te bestuderen.

Om dit te doen, verwarmde hij monsters van het zinkcarbonaat (calamine) en produceerde een geel zinkoxide, zoals gerapporteerd. Na analyse kwam hij tot de conclusie dat de gele kleur werd veroorzaakt door de aanwezigheid van een metaaloxide van een nieuw element.

Na het extraheren van dit nieuwe metaaloxide, produceerde het zijn reductie, waardoor de isolatie van cadmium werd bereikt. Stromayer bepalen de dichtheid en verkregen een waarde van 8,75 g / cm ³ , dicht bij de waarde nu toe bekende parameter (8,65 g / cm ³ ).

Stromayer wees er ook op dat het nieuwe element een uiterlijk had dat leek op platina, en dat het ook aanwezig was in veel zinkverbindingen en zelfs in gezuiverd zink.

Stromayer stelde de naam "cadmium" voor van het Latijnse woord "cadmia", de naam die aan calamine werd gegeven, ZnCO ₃ .

Cadmium in zinksulfide

Karl Hermann (1817) vond een onverwachte gele kleur bij het verwerken van zinksulfide en dacht dat het arseenverontreiniging zou kunnen zijn. Maar toen deze mogelijkheid eenmaal was uitgesloten, realiseerde Hermann zich dat hij zich in de aanwezigheid van een nieuw element bevond.

- Toepassingen

1840-1940

In de jaren 1840 begon het gebruik van cadmium als pigment commercieel te worden geëxploiteerd. De British Pharmaceutical Codex geeft in 1907 het gebruik van cadmiumjodide aan als medicijn voor de behandeling van "vergrote gewrichten", scrofuleuze klieren en winterhanden.

In de jaren dertig en veertig was de cadmiumproductie gericht op het plateren van staal en ijzer om ze te beschermen tegen corrosie. In de jaren vijftig werden cadmiumverbindingen zoals cadmiumsulfide en cadmiumselenide gebruikt als bronnen van rode, oranje en gele pigmenten.

1970-1990

In de jaren zeventig en tachtig bleken de verbindingen cadmiumlauraat en cadmiumstearaat stabilisatoren voor PVC te zijn, waardoor de vraag naar cadmium toenam. Milieuregels als gevolg van de giftigheid van cadmium zorgden echter voor een afname van het verbruik.

In de jaren tachtig en negentig werd cadmium niet meer gebruikt in veel van zijn toepassingen, maar toen nam de productie ervan toe met de creatie van oplaadbare nikkel-cadmiumbatterijen, die 80% van het cadmiumverbruik in de Verenigde Staten vertegenwoordigden. .

Fysische en chemische eigenschappen van cadmium

Verschijning

Zilverachtig grijsachtig wit met zachte metaalglans. Het wordt broos bij blootstelling aan 80 ºC en kan met een mes worden gesneden. Het is kneedbaar en kan tot rollen worden opgerold.

Standaard atoomgewicht

112.414 u

Atoomnummer (Z)

48

Artikelcategorie

Post-overgangsmetaal, alternatief beschouwd als een overgangsmetaal. De IUPAC-definitie van een overgangsmetaal is er een waarvan de atomen een onvolledige d-subschaal hebben of die kationen met een onvolledige d-subschaal kunnen veroorzaken.

Volgens deze definitie is cadmium geen overgangsmetaal, aangezien zijn Cd ²⁺ -kation zijn 4d-orbitalen volledig gevuld heeft met elektronen (4d ¹⁰ ).

Geur

Toilet

Smeltpunt

321,07 ºC

Kookpunt

767 ºC

Dichtheid

Omgevingstemperatuur: 8,65 g / cm ³

Op smeltpunt (vloeibaar): 7,996 g / cm ³

Warmte van fusie

6,21 kJ / mol

Warmte van verdamping

99,87 kJ / mol

Molaire calorische capaciteit

26.020 J / (mol K)

Elektronegativiteit

1.6 op de schaal van Pauling

Ionisatie-energieën

Ten eerste: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gas)

Tweede: 1631,4 kJ / mol (Cd ²⁺ gasvormig)

Ten derde: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ gasvormig)

Warmtegeleiding

96,6 W / (mK)

Resistiviteit

72,7 nΩ · m bij 22 ºC

Hardheid

2.0 op de schaal van Mohs. Het is een metaal, hoewel dicht, aanzienlijk zacht.

Stabiliteit

Het wordt langzaam geoxideerd door vochtige lucht om cadmiumoxide te vormen, dat de metaalglans aantast. Het is niet brandbaar, maar in poedervorm kan het branden en zelf ontbranden.

Zelfontbranding

250 ºC voor cadmium is een poedervorm.

Brekingsindex

1.8 bij 20 ºC

Reactiviteit

Cadmium kan in de lucht branden en cadmiumoxide (CaO) vormen, een bruin amorf poeder, terwijl de kristallijne vorm donkerrood is.

Cadmium reageert snel met verdund salpeterzuur en langzaam met heet zoutzuur. Het kan ook reageren met zwavelzuur, maar het reageert niet met alkaliën. Bij al deze reacties worden cadmiumzouten van hun overeenkomstige anionen (Cl ^- ) of oxoanionen (NO ₃ ^- en SO ₄ ^2- ) gevormd.

Structuur en elektronische configuratie

Elektronenschildiagram van cadmium, element 48 in het periodiek systeem. Bron: Pumbaa (origineel werk van Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

De cadmiumatomen van zijn kristal vormen een metaalbinding van hun valentie-elektronen, die zich volgens hun elektronische configuratie in de 4d- en 5s-orbitalen bevinden:

4d ¹⁰ 5s ²

Hoewel de 4d-orbitalen vol elektronen zitten, en men ook mag denken dat de "zee van elektronen" overvloedig genoeg is om de Cd-atomen sterk te binden, zijn de interacties in werkelijkheid zwak. Dit kan experimenteel worden aangetoond met zijn lage smeltpunt (321 ° C), vergeleken met andere overgangsmetalen.

Om deze en andere chemische redenen wordt cadmium soms niet als een overgangsmetaal beschouwd. Er zijn zoveel elektronen (twaalf) betrokken bij de metalen binding dat ze de negatieve afstotingen enorm beginnen te verstoren; wat, samen met het energetische verschil tussen de gevulde 4d- en 5s-orbitalen, de Cd-Cd-interactie verzwakt.

De Cd-atomen bepalen uiteindelijk een compacte hexagonale kristallijne structuur (hcp), die geen faseovergangen ondergaat vóór het smeltpunt. Wanneer hcp-cadmiumkristallen worden onderworpen aan een druk gelijk aan 10 GPa, vervormt de structuur alleen; maar zonder dat er enige faseverandering wordt gerapporteerd.

Oxidatienummers

Cadmium kan de twaalf valentie-elektronen niet verliezen; in feite kan het zelfs geen van zijn 4d-orbitalen verliezen, die stabieler zijn in energie in vergelijking met de 5s-orbitaal. Daarom kan het alleen de twee elektronen van de 5s ^2- orbitaal verliezen , waardoor het een tweewaardig metaal is; zoals het geval is met zink, kwik en aardalkalimetalen (Mr. Becambara).

Wanneer het bestaan ​​van het Cd ²⁺ -kation wordt verondersteld in zijn verbindingen , dan wordt gezegd dat cadmium een ​​oxidatiegetal of -toestand heeft van +2. Dit is je belangrijkste oxidatienummer. De volgende verbindingen bevatten bijvoorbeeld cadmium als +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2- ) en Cd (NO ₃ ) ₂ .

Naast dit oxidatiegetal zijn er ook +1 (Cd ⁺ ) en -2 (Cd ^2- ). Het oxidatiegetal +1 wordt waargenomen in de Cd ₂ ²⁺ dicatie , waarin elk cadmiumatoom een ​​positieve lading heeft. Ondertussen is de -2 nogal vreemd en zou van toepassing zijn op het "cadmide" -anion.

Waar te vinden en te verkrijgen

Greenockite-kristallen. Bron: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Cadmium is een zeldzaam element met een concentratie van 0,2 g / ton in de aardkorst. Het enige belangrijke cadmiummineraal is greenockiet (CdS), dat vanuit mijnbouw- en commercieel oogpunt niet kan worden gewonnen.

Cadmium wordt geassocieerd met zink gevonden in het mineraal sfaleriet (ZnS), dat het gewoonlijk bevat in een concentratie tussen 0,1% en 0,3%; maar in sommige gevallen kan de cadmiumconcentratie in sfaleriet 1,4% bedragen.

De rotsen die worden verwerkt om fosforhoudende meststoffen te verkrijgen, kunnen een cadmiumconcentratie hebben van 300 mg / kg kunstmest. Ook steenkool kan kleine maar aanzienlijke hoeveelheden cadmium bevatten.

Een belangrijke bron van cadmium zijn vulkanische emissies die cadmium in het oppervlaktewater kan brengen. Het gebruik van fosforhoudende meststoffen in landbouwbodems heeft geleid tot besmetting met cadmium.

Het cadmium dat aanwezig is in zure bodems is opneembaar voor planten. Sommige groenten worden door de mens als voedsel gebruikt, wat verklaart dat de opname van water en voedsel de belangrijkste bron van cadmium is bij niet-blootgestelde personen of rokers.

Behandeling van sfaleriet

Bij het winnen, smelten en raffineren van het in sfaleriet aanwezige zink wordt doorgaans cadmium als bijproduct verkregen. Een soortgelijke gebeurtenis doet zich, zij het in veel mindere mate, ook voor tijdens de verwerking van koper en lood.

Evenzo kunnen kleine hoeveelheden cadmium worden verkregen door het recyclen van ijzer- en staalschroot.

Het sfaleriet wordt geroosterd zodat het zinksulfide wordt omgezet in zijn oxide, ZnO. Dezelfde reactie wordt geleden door cadmiumsulfide:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Als dit oxidemengsel wordt verwarmd met houtskool, worden ze gereduceerd tot hun respectievelijke metalen:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Ook kunnen zink en cadmium worden geproduceerd door elektrolyse als de oxiden oplossen in zwavelzuur.

Bij beide methoden wordt met cadmium verontreinigd zink gegenereerd. Bij het smelten kan cadmium vacuüm worden gedestilleerd vanwege het lagere smeltpunt (321 ° C) in vergelijking met zink (420 ° C).

Isotopen

Onder de natuurlijke en stabiele isotopen van cadmium die we hebben, met hun respectievelijke overvloed hier op aarde:

- 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%)

De ¹¹³ Cd radioactief is, maar omdat zo waardevol half - (t _1/2 = 7,7 x 10 ¹⁵ jaar) kan worden als stabiel beschouwd. En dan is er nog ¹¹⁶ Cd, ook radioactief, met een halfwaardetijd van 3,1 · 10 ¹⁹ jaar, dus het kan worden beschouwd als een stabiele isotoop, die 7,51% cadmium vertegenwoordigt.

Merk op dat de gemiddelde atoommassa 112.414 u is, dichter bij 112 dan 114. Het bestaan ​​van een overheersende isotoop boven de andere wordt niet waargenomen in cadmium.

Risico's

Algemeen

De opname van cadmium vindt voornamelijk plaats via voedsel, met name lever, paddenstoelen, schaaldieren, cacaopoeder en gedroogd zeewier.

Een emblematisch geval deed zich voor in China in de vorige eeuw, waar er een aanzienlijke cadmiumverontreiniging onder de bevolking was. De cadmiumverontreiniging was te wijten aan de hoge concentratie in rijst, veroorzaakt door de aanwezigheid van cadmium in de bodems van graangewassen.

Een roker heeft een gemiddelde inname van 60 µg / dag. De maximale cadmiumconcentratie in het bloed is 15 µg / dag. Niet-rokers hebben een cadmiumconcentratie in hun bloed van ongeveer 0,5 µg / L.

De longen nemen tussen de 40 en 60% van het cadmium uit tabaksrook op. Cadmium dat in de longen wordt opgenomen, wordt in het bloed getransporteerd en vormt complexen met eiwitten, cysteïne en glutathion, die vervolgens in de lever, de nieren enz. Terechtkomen.

Een acute inademing van cadmium kan symptomen veroorzaken die lijken op die welke worden waargenomen bij een griepachtig proces; zoals verkoudheid, koorts en spierpijn, die longschade kunnen veroorzaken. Ondertussen kan chronische blootstelling aan cadmium long-, nier- en botaandoeningen veroorzaken.

Effect op de nieren

In de nieren veroorzaakt cadmium meestal een verandering in het metabolisme van fosfor en calcium, wat blijkt uit een toename van de productie van nierstenen. Bovendien veroorzaakt het nierschade die tot uiting komt in het verschijnen in de urine van retinoltransporteiwit en β-2-microglobuline.

Effect op reproductie

De blootstelling van de moeder aan cadmium wordt in verband gebracht met een laag geboortegewicht van het kind en een toename van het aantal spontane abortussen.

Botschade

Cadmium wordt in Japan in verband gebracht met de aanwezigheid van de ziekte van Itai-Itai in de vorige eeuw. Deze ziekte wordt gekenmerkt door een lage botmineralisatie, botfragiliteit met een hoog aantal fracturen, verhoogde osteoporose en botpijn.

Carcinogenese

Hoewel experimenten bij ratten een verband tussen cadmium en prostaatkanker hebben aangetoond, is dit bij mensen niet aangetoond. Er is een verband aangetoond tussen cadmium en nierkanker, en het is ook in verband gebracht met longkanker.

Toepassingen

Nikkel-cadmium oplaadbare bacteriën

Verschillende cellen of Ni-Cd-batterijen. Bron: Boffy b via Wikipedia.

Cadmiumhydroxide werd gebruikt als kathode in Ni-Cd-batterijen. Deze werden gebruikt in de spoorweg- en luchtvaartindustrie, maar ook in instrumenten voor collectief gebruik, waaronder mobiele telefoons, videocamera's, laptops, enz.

Het cadmiumverbruik voor de productie van Ni-Cd-batterijen vertegenwoordigde 80% van de cadmiumproductie. Vanwege de giftigheid van dit element zijn Ni-Cd-batterijen echter geleidelijk vervangen door nikkel-metaalhydride-batterijen.

Pigmenten

Cadmium rood. Bron: Marco Almbauer

Cadmiumsulfide wordt gebruikt als geel pigment en cadmiumselenide als rood pigment, bekend als cadmiumrood. Deze pigmenten worden gekenmerkt door hun schittering en intensiteit, en daarom zijn ze gebruikt in kunststoffen, keramiek, glas, email en artistieke kleuren.

Er is opgemerkt dat de schilder Vincent van Gogh cadmiumpigmenten in zijn schilderijen gebruikte, waardoor hij een verscheidenheid aan heldere rode, oranje en gele tinten kon verkrijgen.

De kleuring van cadmiumpigmenten moet worden verzwakt voordat ze worden vermalen met olie of worden gemengd in aquarellen en acrylverf.

TV

Cadmiumhoudende componenten werden gebruikt in de fosfor van zwart-wittelevisies, evenals in de blauwe en groene fosfor voor kleurentelevisiebeeldbuizen.

De fosfor maakte deel uit van het scherm dat werd bestraald door kathodestralen en was verantwoordelijk voor de vorming van het beeld. Cadmium wordt, ondanks zijn giftigheid, gebruikt in recentelijk gemaakte QLED-televisies.

PVC-stabilisatie

Cadmiumverbindingen gevormd met carboxylaat, lauraat en stearaat werden gebruikt als stabilisatoren voor polyvinylchloride, omdat ze de afbraak vertragen die wordt veroorzaakt door blootstelling aan hitte en ultraviolet licht die PVC tijdens het productieproces afbreken.

Vanwege cadmiumtoxiciteit zijn opnieuw cadmiumgebonden PVC-stabilisatoren vervangen door andere stabilisatoren, zoals barium-zink, calcium-zink en organotin.

Legeringen

Cadmium is gebruikt in lagerlegeringen vanwege zijn hoge weerstand tegen vermoeidheid en lage wrijvingscoëfficiënt. Cadmium heeft een relatief laag smeltpunt, daarom wordt het gebruikt in legeringen met een laag smeltpunt en is het een onderdeel naast vele soorten lassen.

Cadmium kan ook worden gebruikt in elektrisch geleidende, thermisch geleidende en elektrische contactlegeringen.

Aan het bedekken

Cadmium wordt gebruikt om staal, aluminium en andere non-ferro metalen bevestigingsmiddelen en bewegende delen te beschermen. Cadmiumcoating biedt corrosiebescherming in zoute en alkalische media. Bovendien dient het als glijmiddel.

Cadmium wordt ook gebruikt in veel elektrische en elektronische toepassingen die corrosiebestendigheid en lage elektrische weerstand vereisen.

Kernreactor

Cadmium wordt gebruikt in kernreactoren vanwege zijn vermogen om neutronen op te vangen, waardoor het mogelijk is om overtollige neutronen tegen kernsplijting te beheersen en extra kernsplijting te vermijden.

Halfgeleiders

Cadmiumselenide en telluride zijn verbindingen die als halfgeleiders werken bij lichtdetectie en in zonnecellen. De HgCdTe is gevoelig voor infrarood licht en wordt zowel als bewegingsdetector gebruikt als schakelaar voor afstandsbedieningen.

biologie

He-Cd laserlicht. Bron: eerder anoniem (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Helium-Cd is betrokken bij de vorming van een laserstraal van blauwviolet licht met een golflengte tussen 325 en 422 nm, bruikbaar in fluorescentiemicroscopen.

Cadmium wordt in de moleculaire biologie gebruikt om calciumkanalen te blokkeren, afhankelijk van het membraanpotentieel.

Referenties

1. Wikipedia. (2019). Cadmium. Hersteld van: en.wikipedia.org
2. Selva VR & et al. (2014). Hoge druk en temperatuurstructuur van vloeibare en vaste Cd: implicaties voor de smeltcurve van Cd. Hersteld van: researchgate.net
3. Dr. Dough Stewart. (2019). Cadmium Element Feiten. Hersteld van: chemicool.com
4. Nationaal centrum voor informatie over biotechnologie. (2019). Cadmium. PubChem-database. CID = 23973. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). De toxiciteit van cadmium en de daaruit voortvloeiende gevaren voor de menselijke gezondheid. Journal of arbeidsgeneeskunde en toxicologie (Londen, Engeland), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30 juli 2018). Feiten over camium. Hersteld van: livescience.com
7. De redactie van Encyclopaedia Britannica. (6 september 2018). Cadmium. Encyclopædia Britannica. Hersteld van: britannica.com
8. Internationale Cadmium Association. (sf). Cadmium-toepassingen. Hersteld van: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Cadmium. Hersteld van: lenntech.com