CADMIUM (CD): GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Cadmium (Cd) ist ein Übergangsmetall oder eine postübergehende Ordnungszahl 48 und Silber. Es ist formbar und duktil mit relativ niedrigen Schmelz- und Siedepunkten. Cadmium ist ein seltenes Element und hat nur eine Konzentration von 0,2 g / Tonne Erdkruste.

Greenockit (CdS) ist das einzige wichtige Cadmiumerz mit einer intensiven Gelbfärbung. Cadmium ist in Sphalerit (ZnS) mit Zink assoziiert, das zwischen 0,1 und 03% Cadmium als Cd ²⁺ -Kation enthält .

Cadmiumkristalle. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

Bei der Verarbeitung von Sphalerit zur Gewinnung, Schmelze und Veredelung von Zink wird Cadmium in sekundärer Form gewonnen, wobei dies die Hauptproduktionsquelle darstellt.

Dieses Metall wurde 1817 unabhängig von Friedrich Stromayer und Karl Hermann entdeckt. Stromayer taufte das neue Element mit dem Namen Cadmium, der aus dem lateinischen Wort „Cadmia“ stammt, ein Begriff, der als Calamin (Zinkcarbonat) bekannt war.

Cadmium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Cd und einer Ordnungszahl von 48. Quelle: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Cadmium ist ein Element von großer Nützlichkeit und zahlreichen Anwendungen, wie z. B. Korrosionsschutz von Eisen, Stahl und Nichteisenmetallen; Verwendung als Pigment; Stabilisierung von PVC; Element in beim Schweißen verwendeten Legierungen; wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Batterien usw.

Es ist jedoch ein sehr toxisches Element, das schwere Schäden an Lunge, Niere und Knochen verursacht, und es wurde sogar über eine krebserzeugende Wirkung berichtet, weshalb seine Verwendung eingeschränkt wurde. Trotzdem wurde es in einigen Anwendungen weiterhin sorgfältig verwendet.

Geschichte

- Doppelte Entdeckung

Cadmium wurde von Friedrich Stromayer, einem deutschen Chemiker, im Jahr 1817 in einer Probe von Zinkcarbonat (Calamin) entdeckt. Im selben Jahr machten KSL Hermann und JCH Roloff unabhängig voneinander die gleiche Entdeckung in einem Experiment mit Zinksulfid.

Stromayer soll seine Entdeckung gemacht haben, als er einem Antrag der Regierung nach Inspektion von Apotheken in der Stadt Hildesheim nachgekommen ist. Zinkoxid wurde, wie es jetzt ist, zur Behandlung bestimmter Hauterkrankungen verwendet.

Es scheint, dass Apotheken kein Zinkoxid versendeten, sondern Zinkcarbonat verkauften: einen Rohstoff für die Herstellung von Zinkoxid. Die Hersteller von Zinkoxid argumentierten, dass beim Erhitzen des Zinkcarbonats ein gelbes „Zinkoxid“ entsteht.

Cadmiumoxid

Sie konnten dieses „Zinkoxid“ nicht verkaufen, da die Farbe der Verbindung normalerweise weiß war; Stattdessen verkauften sie Zinkcarbonat, ebenfalls weiß. Angesichts dieser Situation beschloss Stromayer, das angebliche gelbe Zinkoxid zu untersuchen.

Zu diesem Zweck erhitzte er Proben des Zinkcarbonats (Calamin) und produzierte, wie berichtet, ein gelbes Zinkoxid. Nach der Analyse kam er zu dem Schluss, dass die gelbe Farbe durch das Vorhandensein eines Metalloxids eines neuen Elements verursacht wurde.

Nach der Extraktion dieses neuen Metalloxids erzeugte es seine Reduktion und erreichte die Isolierung von Cadmium. Stromayer bestimmte seine Dichte und erhielt einen Wert von 8,75 g / cm ³ , nahe dem derzeit für diesen Parameter bekannten Wert (8,65 g / cm ³ ).

Stromayer wies auch darauf hin, dass das neue Element ein ähnliches Aussehen wie Platin hatte und dass es auch in vielen Zinkverbindungen und sogar in gereinigtem Zink vorhanden war.

Stromayer schlug den Namen "Cadmium" vom lateinischen Wort "Cadmia" vor, dem Namen für Calamin, ZnCO ₃ .

Cadmium in Zinksulfid

Karl Hermann (1817) fand bei der Verarbeitung von Zinksulfid eine unerwartete gelbe Farbe und dachte, es könnte sich um eine Arsenkontamination handeln. Doch als diese Möglichkeit ausgeschlossen war, erkannte Hermann, dass er sich in der Gegenwart eines neuen Elements befand.

- Anwendungen

1840-1940

In den 1840er Jahren begann die Verwendung von Cadmium als Pigment kommerziell genutzt zu werden. Der British Pharmaceutical Codex weist 1907 auf die Verwendung von Cadmiumiodid als Arzneimittel zur Behandlung von "vergrößerten Gelenken", scrofulösen Drüsen und Frostbeulen hin.

In den 1930er und 1940er Jahren zielte die Cadmiumproduktion darauf ab, Stahl und Eisen zu beschichten, um sie vor Korrosion zu schützen. In den 1950er Jahren wurden Cadmiumverbindungen wie Cadmiumsulfid und Cadmiumselenid als Quellen für rote, orange und gelbe Pigmente verwendet.

1970-1990

In den 1970er und 1980er Jahren erwiesen sich die Verbindungen Cadmiumlaurat und Cadmiumstearat als Stabilisatoren für PVC, was zu einem Anstieg der Cadmiumnachfrage führte. Umweltvorschriften aufgrund der Toxizität von Cadmium führten jedoch zu einer Verringerung seines Verbrauchs.

In den 1980er und 1990er Jahren wurde Cadmium in vielen seiner Anwendungen nicht mehr verwendet, doch dann stieg seine Produktion mit der Schaffung wiederaufladbarer Nickel-Cadmium-Batterien, die 80% des Cadmiumverbrauchs in den USA ausmachten. .

Physikalische und chemische Eigenschaften von Cadmium

Aussehen

Silbergrauweiß mit weichem metallischem Glanz. Es wird bei 80 ° C spröde und kann mit einem Messer geschnitten werden. Es ist formbar und kann zu Rollen gerollt werden.

Standardatomgewicht

112,414 u

Ordnungszahl (Z)

48

Artikelkategorie

Metall nach dem Übergang, alternativ als Übergangsmetall betrachtet. Die IUPAC-Definition eines Übergangsmetalls ist eines, dessen Atome eine unvollständige d-Unterschale haben oder das zu Kationen mit einer unvollständigen d-Unterschale führen kann.

Nach dieser Definition ist Cadmium kein Übergangsmetall, da sein Cd ²⁺ -Kation seine 4d-Orbitale vollständig mit Elektronen gefüllt hat (4d ¹⁰ ).

Geruch

Toilette

Schmelzpunkt

321,07 ºC

Siedepunkt

767 ºC

Dichte

Umgebungstemperatur: 8,65 g / cm ³

Am Schmelzpunkt (flüssig): 7,996 g / cm ³

Schmelzwärme

6,21 kJ / mol

Verdampfungswärme

99,87 kJ / mol

Molare Kalorienkapazität

26,020 J / (mol K)

Elektronegativität

1.6 auf der Pauling-Skala

Ionisierungsenergien

Erstens: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ Gas)

Zweitens: 1631,4 kJ / mol (Cd ²⁺ gasförmig)

Drittens: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ gasförmig)

Wärmeleitfähigkeit

96,6 W / (mK)

Widerstand

72,7 nΩ · m bei 22 ºC

Härte

2,0 auf der Mohs-Skala. Es ist ein Metall, obwohl dicht, beträchtlich weich.

Stabilität

Es wird langsam durch feuchte Luft zu Cadmiumoxid oxidiert, das seinen metallischen Glanz trübt. Es ist nicht brennbar, kann aber in Pulverform brennen und sich selbst entzünden.

Selbstentzündung

250 ºC für Cadmium ist eine Pulverform.

Brechungsindex

1,8 bei 20 ºC

Reaktivität

Cadmium kann an der Luft unter Bildung von Cadmiumoxid (CaO), einem braunen amorphen Pulver, verbrennen, während die kristalline Form dunkelrot ist.

Cadmium reagiert schnell mit verdünnter Salpetersäure und langsam mit heißer Salzsäure. Es kann auch mit Schwefelsäure reagieren, aber nicht mit Alkalien. Bei all diesen Reaktionen werden Cadmiumsalze ihrer entsprechenden Anionen (Cl ^- ) oder Oxoanionen (NO ₃ ^- und SO ₄ ^2- ) gebildet.

Struktur und elektronische Konfiguration

Elektronenschalendiagramm von Cadmium, Element 48 im Periodensystem. Quelle: Pumbaa (Originalarbeit von Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Die Cadmiumatome seines Kristalls bilden aus ihren Valenzelektronen, die sich gemäß ihrer elektronischen Konfiguration in den 4d- und 5s-Orbitalen befinden, eine metallische Bindung:

4d ¹⁰ 5s ²

Obwohl die 4d-Orbitale voller Elektronen sind und man auch annehmen kann, dass das "Elektronenmeer" reichlich genug ist, um die Cd-Atome stark zu binden, sind die Wechselwirkungen in Wirklichkeit schwach. Dies kann experimentell mit seinem niedrigen Schmelzpunkt (321 ° C) im Vergleich zu anderen Übergangsmetallen nachgewiesen werden.

Aus diesem und anderen chemischen Gründen wird Cadmium manchmal nicht als Übergangsmetall angesehen. Es sind so viele Elektronen (zwölf) an seiner metallischen Bindung beteiligt, dass sie beginnen, seine negativen Abstoßungen stark zu stören; Dies schwächt zusammen mit dem energetischen Unterschied zwischen den gefüllten 4d- und 5s-Orbitalen die Cd-Cd-Wechselwirkung.

Die Cd-Atome definieren am Ende eine kompakte hexagonale Kristallstruktur (hcp), die vor ihrem Schmelzpunkt keine Phasenübergänge durchläuft. Wenn hcp-Cadmiumkristalle einem Druck von 10 GPa ausgesetzt werden, verformt sich die Struktur nur; aber ohne dass ein Phasenwechsel gemeldet wird.

Oxidationszahlen

Cadmium kann die zwölf Valenzelektronen nicht verlieren; Tatsächlich kann es nicht einmal eines seiner 4d-Orbitale verlieren, die im Vergleich zum 5s-Orbital energiestabiler sind. Daher kann es nur die beiden Elektronen des 5s ² -Orbitals verlieren und ist folglich ein zweiwertiges Metall; wie es bei Zink-, Quecksilber- und Erdalkalimetallen der Fall ist (Mr. Becambara).

Wenn die Existenz des Cd ²⁺ -Kations in seinen Verbindungen angenommen wird , wird gesagt, dass Cadmium eine Oxidationszahl oder einen Oxidationszustand von +2 aufweist. Dies ist Ihre Hauptoxidationszahl. Beispielsweise enthalten die folgenden Verbindungen Cadmium als +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2- ) und Cd (NO ₃₎ ) ₂ .

Zusätzlich zu dieser Oxidationszahl gibt es auch +1 (Cd ⁺ ) und -2 (Cd ^2- ). Die Oxidationszahl +1 wird bei der Cd ₂ ²⁺ -Dikation beobachtet , bei der jedes Cadmiumatom eine positive Ladung aufweist. In der Zwischenzeit ist die -2 ziemlich seltsam und würde für das "Cadmid" -Anion gelten.

Wo zu finden und zu erhalten

Greenockitkristalle. Quelle: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Cadmium ist ein seltenes Element mit einer Konzentration von 0,2 g / Tonne in der Erdkruste. Das einzige wichtige Cadmiummineral ist Greenockit (CdS), das aus bergbaulicher und kommerzieller Sicht nicht abgebaut werden kann.

Cadmium wird in Verbindung mit Zink im Mineral Sphalerit (ZnS) gefunden, das es normalerweise in einer Konzentration zwischen 0,1% und 0,3% enthält. In einigen Fällen kann die Cadmiumkonzentration in Sphalerit jedoch 1,4% erreichen.

Die zur Gewinnung von Phosphordüngemitteln verarbeiteten Gesteine ​​können eine Cadmiumkonzentration von 300 mg / kg Dünger aufweisen. Auch Kohle kann kleine, aber erhebliche Mengen Cadmium enthalten.

Eine Hauptquelle für Cadmium sind vulkanische Emissionen, die Cadmium in Oberflächengewässer übertragen kann. Die Verwendung von Phosphordüngemitteln in landwirtschaftlichen Böden hat zu einer Kontamination mit Cadmium geführt.

Das in sauren Böden vorhandene Cadmium kann von Pflanzen aufgenommen werden. Ein Teil des Gemüses wird vom Menschen als Nahrung verwendet, was erklärt, wie die Aufnahme von Wasser und Nahrung die Hauptquelle für den Cadmiumeintritt bei nicht exponierten Personen oder Rauchern ist.

Behandlung von Sphalerit

Während des Abbaus, Schmelzens und Raffinierens des in Sphalerit enthaltenen Zinks wird üblicherweise Cadmium als Nebenprodukt anfallen. Ein ähnliches Ereignis tritt auch in viel geringerem Maße bei der Verarbeitung von Kupfer und Blei auf.

In ähnlicher Weise können kleine Mengen Cadmium durch Recycling von Eisen- und Stahlschrott erhalten werden.

Der Sphalerit wird geröstet, so dass sich das Zinksulfid in sein Oxid ZnO umwandelt. Die gleiche Reaktion wird von Cadmiumsulfid erlitten:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Wenn dieses Oxidgemisch mit Holzkohle erhitzt wird, werden sie zu ihren jeweiligen Metallen reduziert:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Zink und Cadmium können auch durch Elektrolyse hergestellt werden, wenn sich die Oxide in Schwefelsäure lösen.

Beide Methoden erzeugen ein mit Cadmium kontaminiertes Zink. Beim Schmelzen kann Cadmium aufgrund seines niedrigeren Schmelzpunktes (321 ° C) im Vergleich zu Zink (420 ° C) vakuumdestilliert werden.

Isotope

Unter den natürlichen und stabilen Cadmiumisotopen, die wir haben, mit ihren jeweiligen Häufigkeiten hier auf der Erde:

- 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%)

Die ¹¹³ Cd ist radioaktiv, aber wegen des so großen Wert Hälfte - Wertszeit (t _1/2 = 7,7 × 10 ¹⁵ Jahre) kann als stabil angesehen werden. Und dann gibt es ¹¹⁶ Cd, ebenfalls radioaktiv, mit einer Halbwertszeit von 3,1 · 10 ¹⁹ Jahren, so dass es als stabiles Isotop angesehen werden kann, das 7,51% Cadmium darstellt.

Es ist zu beachten, dass die durchschnittliche Atommasse 112,414 u beträgt, näher an 112 als 114. Die Existenz eines vorherrschenden Isotops über den anderen wird bei Cadmium nicht beobachtet.

Risiken

Allgemeines

Die Cadmiumaufnahme erfolgt hauptsächlich aus Nahrungsmitteln, insbesondere Leber, Pilzen, Schalentieren, Kakaopulver und getrockneten Algen.

Ein emblematischer Fall ereignete sich im letzten Jahrhundert in China, wo die Bevölkerung eine erhebliche Cadmiumkontamination aufwies. Die Cadmiumkontamination war auf seine hohe Konzentration im Reis zurückzuführen, die durch das Vorhandensein von Cadmium in den Böden von Getreidekulturen verursacht wurde.

Ein Raucher hat eine durchschnittliche Aufnahme von 60 µg / Tag. Die maximal zulässige Cadmiumkonzentration im Blut beträgt 15 µg / Tag. Nichtraucher haben eine Cadmiumkonzentration im Blut von etwa 0,5 µg / l.

Die Lunge nimmt zwischen 40 und 60% des Cadmiums im Tabakrauch auf. In der Lunge absorbiertes Cadmium wird im Blut transportiert und bildet Komplexe mit Proteinen, Cystein und Glutathion, die dann in Leber, Nieren usw. gelangen.

Eine akute Inhalation von Cadmium kann ähnliche Symptome hervorrufen wie bei einem grippeähnlichen Prozess. wie Erkältungen, Fieber und Muskelschmerzen, die Lungenschäden verursachen können. In der Zwischenzeit kann eine chronische Cadmiumexposition Lungen-, Nieren- und Knochenerkrankungen verursachen.

Wirkung auf die Nieren

In den Nieren verursacht Cadmium normalerweise eine Veränderung des Metabolismus von Phosphor und Kalzium, was durch eine Zunahme der Produktion von Nierensteinen belegt wird. Darüber hinaus verursacht es Nierenschäden, die sich im Auftreten von Retinoltransporterprotein und β-2-Mikroglobulin im Urin manifestieren.

Auswirkung auf die Reproduktion

Die Cadmiumexposition der Mutter ist mit einem geringen Geburtsgewicht des Kindes und einer Zunahme der Rate spontaner Abtreibungen verbunden.

Knochenschaden

Cadmium ist in Japan mit der Itai-Itai-Krankheit im letzten Jahrhundert verwandt. Diese Krankheit ist gekennzeichnet durch geringe Knochenmineralisierung, Knochenbrüchigkeit mit einer hohen Rate an Frakturen, erhöhte Osteoporose und Knochenschmerzen.

Karzinogenese

Obwohl Experimente an Ratten eine Beziehung zwischen Cadmium und Prostatakrebs feststellten, wurde dies beim Menschen nicht nachgewiesen. Ein Zusammenhang zwischen Cadmium und Nierenkrebs wurde gezeigt, und es wurde auch mit Lungenkrebs in Verbindung gebracht.

Anwendungen

Wiederaufladbare Nickel-Cadmium-Bakterien

Verschiedene Zellen oder Ni-Cd-Batterien. Quelle: Boffy b über Wikipedia.

Cadmiumhydroxid wurde als Kathode in Ni-Cd-Batterien verwendet. Diese wurden in der Eisenbahn- und Luftfahrtindustrie sowie in Instrumenten für den kollektiven Gebrauch wie Mobiltelefonen, Videokameras, Laptops usw. verwendet.

Der Cadmiumverbrauch für die Herstellung von Ni-Cd-Batterien machte 80% der Cadmiumproduktion aus. Aufgrund der Toxizität dieses Elements wurden Ni-Cd-Batterien jedoch allmählich durch Nickel-Metallhydrid-Batterien ersetzt.

Pigmente

Cadmiumrot. Quelle: Marco Almbauer

Cadmiumsulfid wird als gelbes Pigment und Cadmiumselenid als rotes Pigment verwendet, das als Cadmiumrot bekannt ist. Diese Pigmente zeichnen sich durch ihre Brillanz und Intensität aus, weshalb sie in Kunststoffen, Keramik, Glas, Emaille und künstlerischen Farben eingesetzt wurden.

Es wurde festgestellt, dass der Maler Vincent Van Gogh in seinen Gemälden Cadmiumpigmente verwendete, die es ihm ermöglichten, eine Vielzahl von leuchtenden Rot-, Orangen- und Gelbtönen zu erzielen.

Die Färbung von Cadmiumpigmenten muss abgeschwächt werden, bevor sie mit Ölen gemahlen oder mit Aquarellen und Acrylfarben gemischt werden.

Fernseher

Cadmiumhaltige Komponenten wurden im Leuchtstoff von Schwarzweißfernsehern sowie im blauen und grünen Leuchtstoff für Farbfernsehbildröhren verwendet.

Der Leuchtstoff war Teil des Bildschirms, der mit Kathodenstrahlen bestrahlt wurde und für die Bildung des Bildes verantwortlich war. Cadmium wird trotz seiner Toxizität in kürzlich entwickelten QLED-Fernsehern eingesetzt.

PVC-Stabilisierung

Mit Carboxylat, Laurat und Stearat gebildete Cadmiumverbindungen wurden als Stabilisatoren für Polyvinylchlorid verwendet, da sie den Abbau verzögern, der durch Einwirkung von Wärme und ultraviolettem Licht entsteht, das PVC während seines Herstellungsprozesses zersetzt.

Aufgrund der Cadmiumtoxizität wurden Cadmium-gebundene PVC-Stabilisatoren wiederum durch andere Stabilisatoren wie Barium-Zink, Calcium-Zink und Organozinn ersetzt.

Legierungen

Cadmium wurde aufgrund seiner hohen Ermüdungsbeständigkeit und seines niedrigen Reibungskoeffizienten in Lagerlegierungen verwendet. Cadmium hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt, weshalb es in Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet wird und zusätzlich zu vielen Arten von Schweißnähten Bestandteil ist.

Cadmium kann auch in elektrisch leitenden, wärmeleitenden und elektrischen Kontaktlegierungen verwendet werden.

Abdeckung

Cadmium wird zum Schutz von Stahl-, Aluminium- und anderen Nichteisenmetall-Verbindungselementen sowie beweglichen Teilen verwendet. Die Cadmiumbeschichtung bietet Korrosionsschutz in salzhaltigen und alkalischen Medien. Darüber hinaus dient es als Schmiermittel.

Cadmium wird auch in vielen elektrischen und elektronischen Anwendungen verwendet, die Korrosionsbeständigkeit und geringen elektrischen Widerstand erfordern.

Kernreaktoren

Cadmium wird in Kernreaktoren wegen seiner Fähigkeit zum Einfangen von Neutronen verwendet, wodurch es möglich wird, überschüssige Neutronen aus der Kernspaltung zu kontrollieren und zusätzliche Kernspaltungen zu vermeiden.

Halbleiter

Cadmiumselenid und Tellurid sind Verbindungen, die als Halbleiter bei der Lichtdetektion und in Solarzellen wirken. Der HgCdTe ist empfindlich gegenüber Infrarotlicht und wird als Bewegungsmelder sowie als Schalter für Fernbedienungsgeräte verwendet.

Biologie

He-Cd Laserlicht. Quelle: Eher anonym (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Helium-Cd ist an der Bildung eines Laserstrahls aus blau-violettem Licht mit einer Wellenlänge zwischen 325 und 422 nm beteiligt, der in Fluoreszenzmikroskopen verwendet werden kann.

Cadmium wird in der Molekularbiologie verwendet, um Kalziumkanäle abhängig vom Membranpotential zu blockieren.

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