Storia del cadmio (CD), proprietà, struttura, usi

Lui cadmio (CD) è un metallo di transizione o post -transizionale del numero atomico 48 e colore argento. È malleabile e duttile, con punti di fusione e bollitura relativamente bassi. Il cadmio è un elemento raro e ha a malapena una concentrazione di 0,2 g / tonnellate di crosta terrestre.

La Greenockita (CDS) è l'unico MENA importante del cadmio che presenta un'intensa colorazione gialla. Il cadmio è associato allo zinco nella sfalerite (Zn), che contiene tra 0,1 e 03 % di cadaggio come catione CD²⁺.

Cristalli di cadmio. Fonte: immagini ad alta risoluzione degli elementi chimici [CC di 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/di/3.0)]

Quando si elaborano lo sfavo per ottenere, fonderia e raffinazione dello zinco, il cadmio si ottiene secondariamente, questa è la sua principale fonte di produzione.

Questo metallo fu scoperto nel 1817, indipendentemente da Friedrich Stromayer e Karl Hermann. Stromayer battezzò il nuovo elemento con il nome del cadmio, originato dalla parola latina "cadmia", era noto un termine come calamina (carbonato di zinco) (carbonato di zinco).

Il cadmio è un elemento chimico con il simbolo del CD e il suo numero atomico è 48. Fonte: Albedo-Ukr CC BY-SA 2.5 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/2.5/)

Il cadmio è un elemento di grande utilità e numerose applicazioni, come ferro anticorrosivo, acciaio e metalli non ferrosi; usare come pigmento; Stabilizzazione in PVC; Elemento in leghe utilizzate nelle saldature; Batterie di nichel-cadmio ricaricabili, ecc.

Tuttavia, è un elemento molto tossico che provoca gravi danni ai polmoni, ai reni e alle ossa e persino un'azione cancerogena è stata indicata, motivo per cui il suo uso è stato limitato. Ma nonostante ciò, ha continuato ad essere usato attentamente in alcune applicazioni.

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Storia

- Double Discovery

Il cadmio fu scoperto da Friedrich Stromayer, un chimico tedesco, nel 1817 in un campione di carbonato di zinco (Calamina). Nello stesso anno, k. S. L. Hermann e J. C. H. Roloff ha fatto la stessa scoperta, indipendentemente, in un esperimento condotto con solfuro di zinco.

È stato sottolineato che Stromayer ha fatto la sua scoperta durante l'adempimento di un'applicazione del governo per ispezionare le farmacie della città di Hildesheim, Germania. L'ossido di zinco, come ora, è stato usato nel trattamento di determinate condizioni della pelle.

Sembra che le farmacie non abbiano emesso ossido di zinco, ma vendevano invece carbonato di zinco: materia prima per la produzione di ossido di zinco. I produttori di ossido di zinco hanno sostenuto che il carbonato di zinco era riscaldato un "ossido di zinco" giallo.

Ossido di cadmio

Non potevano vendere questo "ossido di zinco", poiché il colore del composto era normalmente bianco; E invece, hanno venduto carbonato di zinco, anche bianco. Data questa situazione, Stromayer ha deciso di studiare il presunto ossido di zinco giallo.

Per fare ciò, ha riscaldato campioni di carbonato di zinco (calamina) e c'era un ossido di zinco giallo, come informato. Dopo averlo analizzato, ha concluso che il colore giallo era un prodotto a causa della presenza di un ossido metallico di un nuovo elemento.

Dopo aver estratto questo nuovo ossido metallico, ha prodotto la sua riduzione, raggiungendo l'isolamento del cadmio. Stromayer ha determinato la sua densità e ha ottenuto un valore di 8,75 g/cm³, vicino al valore noto attualmente per questo parametro (8,65 g/cm³).

Allo stesso modo, Stromayer ha sottolineato che il nuovo elemento aveva un aspetto simile al platino e che era presente anche in molti composti di zinco e inclusivo nello zinco purificato.

Stromayer ha suggerito il nome di "Cadmio" dalla voce latina "Cadmia", nome che era chiamato Calamina, Znco₃.

Cadmio nel solfuro di zinco

Karl Hermann (1817) trovò un colore giallo impossibile quando elaborava il solfuro di zinco e pensava che potesse essere una contaminazione con arsenico. Ma una volta che questa possibilità fu scartata, Hermann si rese conto di essere in presenza di un nuovo elemento.

- Applicazioni

1840-1940

Nel 1840 l'uso del cadmio iniziò a essere sfruttato come pigmento. Il codice farmaceutico britannico indica nel 1907 l'uso dello ioduro di cadmio come medicina per curare le "articolazioni allargate", le ghiandole scrofuliche e il sabañones.

Negli anni '30 e '40, la produzione di cadmio era destinata al platino di acciaio e ferro per proteggerli dalla corrosione. Negli anni '50 furono usati composti di cadmio, come solfuro di cadmio e selenide di cadmio come fonti di pigmenti rossi, arancione e giallo.

1970-1990

Negli anni '70 e '80 è stato scoperto che i composti cadmio di cadmio e stearato erano stabilizzatori in PVC, che hanno prodotto un aumento della domanda di cadmio. Tuttavia, regolamenti ambientali dovuti alla tossicità del cadmio.

Negli anni '80 e '90, il cadmio ha smesso di usare molte delle sue applicazioni, ma poi la sua produzione è aumentata con la creazione delle batterie ricaricabili del nichel-cadmio, che hanno rappresentato l'80 % del consumo di cadmio negli Stati Uniti.

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Proprietà fisiche e chimiche del cadmio

Aspetto

Bianco di grigio silved e morbido. Diventa fragile per esposizione a 80 ºC, essendo in grado di tagliare con un coltello. È malleabile e i rotoli possono essere formati con lui.

Peso atomico standard

112.414 u

Numero atomico (Z)

48

Categoria elemento

Metal post -trasmissione, alternativamente considerato un metallo di transizione. La definizione dell'IUPAC di un metallo di transizione è quella i cui atomi hanno un subcap incompleto o che può portare a cationi con un sottocAp incompleto.

Secondo quella definizione, il cadmio non è un metallo di transizione dal suo catione CD²⁺ Ha i suoi orbitali 4D completamente pieni di elettroni (4D¹⁰).

Odore

Gabinetto

Punto di fusione

321,07 ºC

Punto di ebollizione

767 ºC

Densità

Temperatura ambiente: 8,65 g/cm³

Al punto di fusione (liquido): 7.996 g/cm³

Calore di fusione

6,21 kJ/mol

Calore di vaporizzazione

99,87 kJ/mol

Capacità calorica molare

26.020 J/(mol · K)

Elettronegatività

1.6 sulla scala Pauling

Energie di ionizzazione

Primo: 867,8 kJ/mol (CD⁺ gassoso)

Secondo: 1631,4 kJ/mol (CD²⁺ gassoso)

Terzo: 3616 KJ/mol (CD³⁺ gassoso)

Conduttività termica

96,6 W/(M · K)

Resistività Elettrico

72,7 nω · m a 22 ° C

Durezza

2.0 sulla scala MOHS. È un metallo, sebbene denso, considerevolmente morbido.

Stabilità

Viene lentamente ossidato dall'aria umida per formare ossido di cadmio, che offusca la sua luminosità metallica. Non è infiammabile, ma sotto forma di polvere può bruciare e sperimentare autoiligione.

Auto-direzione

250 ºC per il cadmio è una forma di polvere.

Indice di rifrazione

Da 1,8 a 20 ºC

Reattività

Il cadmio può bruciare nell'aria per formare ossido di cadmio (CAO), una polvere amorfa marrone, mentre la forma cristallina è rossa scuro.

Il cadmio reagisce rapidamente con acido nitrico diluito e lentamente con acido cloridrico caldo. È anche in grado di reagire con l'acido solforico, ma non reagisce con gli alcali. In tutte queste reazioni, si formano sali di cadmio dei loro anioni corrispondenti (CL^-) o oxoanions (no₃^- E così₄^2-).

Struttura elettronica e configurazione

Diagramma dello strato di elettrone cadmio, elemento 48 nella tabella periodica. Fonte: Pumbaa (lavoro originale di Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/2.0/)

Gli atomi di cadmio del loro vetro stabiliscono un legame metallico dagli elettroni di valenza, che si trovano negli orbitali 4D e 5S secondo la loro configurazione elettronica:

[Kr] 4D¹⁰ 5s²

Tuttavia, sebbene gli orbitali 4D siano pieni di elettroni e che si possa anche pensare che il "mare degli elettroni" sia abbondante per coere fortemente gli atomi del CD, in realtà le interazioni sono deboli. Questo può essere dimostrato sperimentalmente con il suo basso punto di fusione (321 ºC), rispetto a quello di altri metalli di transizione.

Pertanto, e altre ragioni chimiche, il cadmio a volte non è considerato un metallo di transizione. Ci sono così tanti elettroni (dodici) coinvolti nel loro legame metal, che iniziano a disturbare le loro repulsioni negative; che, insieme alla differenza di energia tra gli orbitali 4D pieni e il 5S, indebolisce l'interazione CD-CD.

Gli atomi di CD finiscono per definire una struttura cristallina esagonale compatta (HCP), che non subisce transizioni di fase prima del suo punto di fusione. Quando i cristalli HCP di cadmio subiscono una pressione equivalente a 10 GPa, la struttura è solo deformata; Ma senza segnalare alcun cambio di fase.

Numeri di ossidazione

Il cadmio non può perdere i dodici elettroni di Valencia; In effetti, non puoi nemmeno perdere uno dei suoi orbitali 4D, più stabile di energia rispetto a 5S Orbital. Pertanto puoi perdere solo i due elettroni orbitali 5s², di conseguenza essere un metallo bivalente; Come con lo zinco, il mercurio e i metalli alcalini (MR. Scholambara).

Quando l'esistenza del catione CD viene assunta nei suoi composti²⁺, Si dice quindi che il cadmio abbia un numero di ossidazione di +2 o uno stato. Questo è il suo numero principale di ossidazione. Ad esempio, i seguenti composti contengono cadmio come +2: CDO (CD²⁺O^2-), Cdcl₂ (CD²⁺Cl₂^-), Cdso₄ (CD²⁺SW₄^2-) e cd (no₃)₂.

Oltre a questo numero di ossidazione, ci sono anche +1 (CD⁺) e -2 (CD^2-). Il numero di ossidazione +1 è osservato nella dicazione CD₂²⁺, in cui ogni atomo di cadmio ha un carico positivo. Nel frattempo, -2 è piuttosto strano e si applicherebbe per l'anione "Cadmuro".

Dov'è e ottieni

Cristalli Greenockita. Fonte: Rob Lavinsky, Irocks.Com-CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]

Il cadmio è un elemento raro che ha una concentrazione di 0,2 g / tonnellata della crosta terrestre. L'unico minerale importante del cadmio è Greenockita (CDS), che non è sfruttabile dal punto di vista minerario e commerciale.

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Il cadmio è associato allo zinco nel minerale della sfingi (ZN), che di solito contiene una concentrazione che varia tra lo 0,1 % e lo 0,3 %; Ma in alcuni casi la concentrazione di cadmio nella sfalerite può raggiungere l'1,4 %.

Le rocce trasformate per ottenere fertilizzanti al fosforo possono avere una concentrazione di cadmio di 300 mg / kg di fertilizzante. Il carbone può contenere anche piccole ma significative quantità di cadmio.

Un'importante fonte di cadmio sono le emissioni vulcaniche che possono portare il cadmio nelle acque superficiali. L'uso di fertilizzanti al fosforo negli errori agricoli ha portato alla contaminazione del cadmio.

Il cadmio presente nei terreni acidi è assorbibile dalle verdure. Alcune verdure sono usate dall'uomo come cibo, il che spiega come l'assunzione di acqua e cibo sia la principale fonte di reddito da cadmio nelle persone non esposte o fumi.

Trattamento della sfalerite

Durante l'estrazione mineraria, la fusione e la raffinazione dello zinco presente nella sfalerite, il cadmio viene generalmente ottenuto come prodotto secondario. Si verifica anche un evento simile, sebbene in misura molto minore, durante l'elaborazione del rame e del piombo.

Allo stesso modo, piccole quantità di cadmio possono essere ottenute dal riciclaggio dei rifiuti di ferro e acciaio.

Lo sprail è sottoposto a toast in modo che il solfuro di zinco diventi il ​​suo ossido, zno. La stessa reazione è subita dal solfuro di cadmio:

2 Zns + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂

Se questa miscela di ossido viene riscaldata con carbone, sarà ridotta ai rispettivi metalli:

ZnO + CO → Zn + Co₂

Allo stesso modo, lo zinco e il cadmio possono essere prodotti mediante elettrolisi quando si dissolvono gli ossidi in acido solforico.

Uno dei due metodi genera cinquanta contaminati con cadmio. Durante lo scioglimento, il cadmio può essere distillato nel vuoto a causa del suo punto di fusione inferiore (321 ° C) rispetto a quello con Cinc (420 ° C).

Isotopi

Tra gli isotopi naturali e stabili del cadmio che abbiamo, con le loro rispettive abbondanze qui sulla Terra:

-¹⁰⁶CD (1,25%)

-¹⁰⁸CD (0.89%)

-¹¹⁰CD (12,47%)

-¹¹¹CD (12,8%)

-¹¹²CD (24,11%)

-¹¹⁴CD (28,75%)

-¹¹³CD (12,23%)

Lui ¹¹³Il CD è radioattivo, ma a causa del grande valore della sua mezza vita (T_1/2= 7,7 · 10^quindici anni), può essere considerato stabile. E poi c'è il ¹¹⁶CD, anche radioattivo, con una mezza vita di 3,1 · 10¹⁹ anni, quindi può essere considerato un isotopo stabile, che rappresenta il 7,51 % del cadmio.

Si noti che la massa atomica media è di 112.414 U, più vicina a 112 rispetto a 114. L'esistenza di un isotopo predominante sopra gli altri non è osservata nel cadmio.

Rischi

Generale

L'assorbimento del cadmio si verifica principalmente dal cibo, in particolare al fegato, ai funghi, ai crostacei, al cacao in polvere e alle alghe secche.

Un caso emblematico si è verificato in Cina nel secolo scorso, dove vi è stato un importante inquinamento con il cadmio nella popolazione. L'inquinamento del cadmio era dovuto alla sua alta concentrazione nel riso, causata dalla presenza di cadmio nei terreni di coltivazione dei cereali.

Un fumatore ha un'assunzione media di 60 µg / giorno. La massima concentrazione del cadmio consentito nel sangue è di 15 µg / giorno. I non fumatori hanno una concentrazione di cadmio nel sangue circa 0,5 µg / L.

I polmoni assorbono tra il 40 e il 60 % del cadmio presenti nel fumo di tabacco. Il cadmio assorbito nei polmoni viene trasportato nel sangue, formando complessi con proteine, cisteina e glutation, che poi terminano nel fegato, nei reni, ecc.

Un'inalazione di cadmio acuto può causare sintomi simili a quelli osservati in un processo di influenza; come freddo, febbre e dolori muscolari, essere in grado di causare danni ai polmoni. Nel frattempo, l'esposizione cronica al cadmio può causare malattie polmonari, reni e ossa.

Effetto sui reni

Nei reni, il cadmio di solito provoca un'alterazione del fosforo e del metabolismo del calcio, evidenziato da un aumento della produzione di calcoli renali. Inoltre, provoca un danno renale manifestato nell'apparizione nelle urine della proteina del trasportatore del retinolo e la β-2-microglobulina.

Effetto di riproduzione

L'esposizione materna al cadmio è associata a un basso peso del bambino alla nascita e ad un aumento del tasso di aborti spontanei.

Danno osseo

Il cadmio è collegato in Giappone alla presenza della malattia di Itai -Itai nel secolo scorso. Questa malattia è caratterizzata da bassa mineralizzazione ossea, fragilità ossea con un alto tasso di frattura, aumento dell'osteoporosi e dolore osseo.

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Carcinogenesi

Sebbene gli esperimenti di ratti abbiano stabilito una relazione tra cadmio e carcinoma della prostata, non è stata dimostrata nell'uomo. È stata evidenziata un'associazione tra cadmio e carcinoma renale ed è stata anche collegata al carcinoma polmonare.

Applicazioni

Batteri ricaricabili in nichel-cadmio

Batterie diverse o batterie Ni-CD. Fonte: Boffy B via Wikipedia.

L'idrossido di cadmio è stato usato come catodo nelle batterie Ni-CD. Questi sono stati utilizzati nell'industria ferroviaria e aeronautica, nonché negli strumenti per l'uso collettivo che includono telefoni cellulari, videocamera, laptop, ecc.

Il consumo di cadmio per l'elaborazione delle batterie Ni-CD rappresentava l'80 % della produzione di cadmio. Tuttavia, a causa della tossicità di questo elemento, le batterie Ni-CD sono state gradualmente sostituite da batterie a idruro di nichel-metallo.

Pigmenti

Cadmio Red. Fonte: Marco Almbauer [dominio pubblico]

Il solfuro di cadmio è usato come pigmento giallo e cadmio seleniuro come pigmento rosso, noto come Cadmio Red. Questi pigmenti sono caratterizzati dalla loro brillantezza e intensità, quindi sono stati usati in materie plastiche, ceramiche, vetro, smalti e colori artistici.

È stato sottolineato che il pittore Vincent Van Gogh ha usato i pigmenti del cadmio nei suoi dipinti, il che gli ha permesso di ottenere una varietà di rosso, arancione e giallo brillante.

La colorazione dei pigmenti del cadmio deve essere attenuata prima di essere macinata con oli o miscelati in acquerelli e acrilici.

Televisione

I componenti contenenti cadmio sono stati usati nel fosforo dei televisori in bianco e nero, nonché in corrispondenza blu e verde per i tubi dell'immagine televisiva a colori.

Il fosforo faceva parte dello schermo irradiato dai raggi catodici, essendo responsabile della formazione di immagini. Il cadmio, nonostante la sua tossicità, ha iniziato ad essere usato sui televisori QLED della recente creazione.

Stabilizzazione in PVC

I composti di cadmio formati con carbossilato, laurerato e stereato sono stati usati come stabilizzatori di cloruro di polivinile, poiché ritardano la degradazione prodotta dall'esposizione a calore e luce ultravioletta che rompe il PVC durante il suo processo di produzione.

A causa della tossicità del cadmio, ancora una volta, gli stabilizzatori in PVC uniti al cadmio sono stati sostituiti da altri stabilizzatori, come il bario, il calcio-zinc e l'organostaño.

Leghe

Il cadmio è stato utilizzato nelle leghe cuscinetti a causa della sua elevata resistenza alla fatica e al coefficiente di attrito basso. Il cadmio ha un punto di fusione relativamente basso, quindi viene utilizzato in leghe a bassa eliminazione ed è componente oltre a molti tipi di saldatura.

Il cadmio può anche essere utilizzato in leghe di conducibilità elettrica, conducibilità termica e contatto elettrico.

Copertura

Il cadmio viene utilizzato per protezione in acciaio, alluminio e altri elementi di fissaggio in metallo non ferroso, nonché parti mobili. Il rivestimento del cadmio fornisce protezione da corrosione in quei media salini e alcalini. Inoltre, funge da lubrificante.

Il cadmio viene utilizzato anche in molte applicazioni elettriche ed elettroniche che richiedono resistenza alla corrosione e bassa resistività elettrica.

Reattori nucleari

Il cadmio viene utilizzato nei reattori nucleari per la loro capacità di catturare neutroni, il che consente di controllare il prodotto in eccesso di neutroni della fissione nucleare, evitando ulteriori fessure nucleari.

Semiconduttori

Il seleniuro e il cadmio telturiuro sono composti che svolgono la funzione dei semiconduttori nella rilevazione della luce e nelle celle solari. HGCDTE è sensibile alla luce a infrarossi e viene utilizzato come rilevatore di movimento, nonché un interruttore per dispositivi di controllo remoto.

biologia

Luce laser He-CD. Fonte: piuttosto anonimo (https: // www.Flickr.com/foto/[e -mail protegge]/35766549)

L'elio-CD interviene nella formazione di un raggio laser blu-viola di una lunghezza d'onda che varia tra 325 e 422 nm, utilizzabile nei microscopi a fluorescenza.

Il cadmio viene utilizzato in biologia molecolare per bloccare i canali del calcio, dipendente dal potenziale della membrana.

Riferimenti

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