קדמיום (CD): היסטוריה, תכונות, מבנה, שימושים - כִּימִיָה - 2025

קדמיום (Cd) הוא מתכת מעבר או פוסט - מספר אטומי מעבר 48 וכסף. הוא ניתן לריפוי ושמיש, עם נקודות התכה ורתיחה נמוכות יחסית. קדמיום הוא יסוד נדיר ויש לו רק ריכוז של 0.2 גרם / טון מקרום כדור הארץ.

Greenockite (CdS) הוא עפרת הקדמיום החשובה היחידה עם צבע צהוב עז. קדמיום נמצא קשור לאבץ בסלחייט (ZnS), המכיל בין 0.1 ל 03% קדמיום כקטיון Cd ²⁺ .

גבישי קדמיום. מקור: תמונות Hi-Res של אלמנטים כימיים

בעת עיבוד ספלתיט להשגת אבץ, זיקוק ואבץ, מתקבל קדמיום בצורה משנית, זהו מקור הייצור העיקרי שלו.

מתכת זו התגלתה בשנת 1817, באופן עצמאי על ידי פרידריך סטרומאייר וקארל הרמן. סטרומאייר הטביל את היסוד החדש בשם קדמיום, שמקורו במילה הלטינית "קדמיה", כינוי שכונה קלמין (אבץ פחמתי).

קדמיום הוא יסוד כימי עם הסמל Cd והמספר האטומי שלו הוא 48. מקור: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

קדמיום הוא מרכיב של תועלת רבה ויישומים רבים, כמו אנטי קורוזיבי מברזל, פלדה ומתכות לא ברזליות; להשתמש כפיגמנט; ייצוב PVC; אלמנט בסגסוגות המשמשות בריתוך; סוללות קדמיום ניקל נטענות וכו '.

עם זאת, זהו גורם רעיל מאוד הגורם נזק קשה לריאות, לכליות ולעצמות, ואף דווח כי הוא פועל מסרטן, וזו הסיבה שהשימוש בו הוגבל. אך למרות זאת, הוא המשיך להשתמש בזהירות ביישומים מסוימים.

הִיסטוֹרִיָה

- גילוי כפול

קדמיום התגלה על ידי פרידריך סטרומאייר, כימאי גרמני, בשנת 1817 במדגם של אבץ קרבונט (קלמין). באותה שנה, KSL הרמן וג'יי.צ. רולוף גילו את אותה תגלית, באופן עצמאי, בניסוי עם אבץ גופרתי.

על פי הדיווחים, סטרומאייר גילה את תגליתו בעת מילוי בקשת הממשלה לבדיקת בתי מרקחת בעיר הילדסהיים, גרמניה. תחמוצת אבץ, כפי שהיא כעת, שימשה לטיפול במצבי עור מסוימים.

נראה כי בתי המרקחת לא שלחו תחמוצת אבץ, אלא במקום זאת מכרו אבץ פחמתי: חומר גלם לייצור תחמוצת אבץ. יצרני תחמוצת האבץ טענו כי חימום פחממת האבץ יוצר "תחמוצת אבץ" צהובה.

תחמוצת קדמיום

הם לא יכלו למכור את "תחמוצת האבץ" הזו, מכיוון שצבע המתחם היה בדרך כלל לבן; במקום זאת הם מכרו אבץ קרבונט, גם לבן. מול מצב זה, החליט שטרומאייר לחקור את תחמוצת האבץ הצהובה כביכול.

לשם כך, הוא חימום דגימות של אבץ קרבונט (קלמין) והפיק תחמוצת אבץ צהובה, כפי שדווח. לאחר ניתוחו הסיק כי הצבע הצהוב נגרם על ידי נוכחות של תחמוצת מתכתית של אלמנט חדש.

לאחר חילוץ תחמוצת המתכת החדשה הזו, הוא ייצר את צמצומו והשיג בידוד קדמיום. Stromayer קבע את צפיפותו וקיבל ערך של 8.75 גרם / ס"מ ³ , קרוב לערך הידוע כרגע לפרמטר זה (8.65 גרם / ס"מ ³ ).

כמו כן, סטרומאייר ציין כי לאלמנט החדש היה מראה דומה לפלטינה, וכי הוא קיים גם בתרכובות אבץ רבות, ואפילו באבץ מטוהר.

סטרומאייר הציע את השם "קדמיום" מהמילה הלטינית "קדמיה", השם שניתן לקלמין, ZnCO ₃ .

קדמיום בסולפיד אבץ

קארל הרמן (1817) מצא צבע צהוב בלתי צפוי בעת עיבוד אבץ גופרתי וחשב שמדובר בזיהום בארסן. אך ברגע שנשללה אפשרות זו, הרמן הבין שהוא נמצא בנוכחות גורם חדש.

- יישומים

1840-1940

בשנות הארבעים של המאה העשרים החל השימוש בקדמיום כפיגמנט להיות מנוצל באופן מסחרי. קודקס התרופות הבריטי מציין בשנת 1907 את השימוש בקדמיום יוד כתרופה לטיפול ב"פרקים מוגדלים ", בבלוטות מצוקצפות ובקריליות.

בשנות השלושים והארבעים של המאה הקודמת, הייצור של קדמיום כוון לציפוי פלדה וברזל כדי להגן עליהם מפני קורוזיה. בשנות החמישים שימשו תרכובות קדמיום כמו קדמיום סולפיד וקדמיום סלניד כמקורות לפיגמנטים אדומים, כתומים וצהובים.

1970-1990

בשנות השבעים והשמונים התברר כי התרכובות קדמיום לוראט וקדמיום סטריאט היו מייצבים ל- PVC, מה שהוביל לגידול בביקוש לקדמיום. עם זאת, תקנות סביבתיות עקב רעילות קדמיום גרמו לירידה בצריכתו.

בשנות השמונים והתשעים הפסיקה השימוש בקדמיום ברבים מהיישומים שלו, אולם אז גברה ייצורו עם יצירת סוללות ניקל-קדמיום נטענות, שהגיעו לייצג 80% מצריכת הקדמיום בארצות הברית. .

תכונות פיזיקליות וכימיות של קדמיום

מראה חיצוני

לבן אפור כסוף עם ברק מתכתי רך. הוא הופך שביר על ידי חשיפה ל 80 מעלות צלזיוס, וניתן לחתוך אותו בעזרת סכין. זה ניתן לנשירה וניתן לגלגל אותו לחמניות.

משקל אטומי סטנדרטי

112,414 u

מספר אטומי (Z)

48

קטגוריית פריט

מתכת לאחר מעבר, לחילופין נחשבת מתכת מעבר. ההגדרה של IUPAC למתכת מעבר היא כזו שהאטומים שלה כוללים מעטפת d לא שלמה או שיכולה לגרום לקטונים עם מעטפת משנה לא שלמה.

על פי הגדרה זו, קדמיום אינו מתכת מעבר שכן הקטיון Cd ²⁺ שלו מכיל את האורביטלים 4d שלו מלאים באלקטרונים (4d ¹⁰ ).

רֵיחַ

שֵׁרוּתִים

נקודת המסה

321.07 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

767 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

טמפרטורת הסביבה: 8.65 גרם / ס"מ ³

בנקודת ההתכה (נוזל): 7.996 גרם / ס"מ ³

חום של היתוך

6.21 kJ / mol

חום האידוי

99.87 ק"ג / מול

יכולת קלורית מולקולרית

26.020 J / (mol K)

אלקטרונגטיביות

1.6 בסולם פאולינג

אנרגיות יינון

ראשית: 867.8 kJ / mol (Cd ⁺ גז)

שני: 1631.4 kJ / mol (Cd ²⁺ גזי)

שלישית: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ גזי)

מוליכות תרמית

96.6 W / (mK)

הִתנַגְדוּת סְגוּלִית

72.7 nΩ · m בגובה 22 מעלות צלזיוס

קַשִׁיוּת

2.0 בסולם מוהס. זוהי מתכת, אם כי צפופה, רכה במידה ניכרת.

יַצִיבוּת

הוא מתחמצן לאט על ידי אוויר לח ליצירת תחמוצת קדמיום, שמכתה את הברק המתכתי שלו. זה לא דליק, אבל בצורת אבקה הוא יכול להישרף ולהצתה עצמית.

הצתה אוטומטית

250 מעלות צלזיוס לקדמיום היא צורת אבקה.

מדד שבירה

1.8 ב 20 מעלות צלזיוס

תגובתיות

קדמיום יכול לשרוף באוויר ליצירת תחמוצת קדמיום (CaO), אבקה אמורפית חומה, ואילו הצורה הגבישית בצבע אדום כהה.

קדמיום מגיב במהירות עם חומצה חנקתית מדוללת, ולאט לאט עם חומצה הידרוכלורית חמה. זה גם מסוגל להגיב עם חומצה גופרתית, אבל זה לא מגיב עם אלקליות. בכל התגובות הללו נוצרים מלחי קדמיום של האניונים התואמים שלהם (Cl ^- ) או אוקסואונים (NO ₃ ^- ו- SO ₄ ^2- ).

מבנה ותצורה אלקטרונית

תרשים מעטפת אלקטרונית של קדמיום, אלמנט 48 בטבלה המחזורית. מקור: פומבה (יצירה מקורית מאת גרג רובסון) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

אטומי הקדמיום של גבישו מייצרים קשר מתכתי מאלקטרונים הערכיים שלהם, הנמצאים באורביטלים 4d ו- 5s בהתאם לתצורה האלקטרונית שלהם:

4d ¹⁰ 5s ²

עם זאת, אף על פי שהאורביטלים ה- 4d מלאים באלקטרונים, וניתן לחשוב ש"ים האלקטרונים "מספיק מספיק בכדי לקשור חזק את אטומי ה- Cd, במציאות האינטראקציות חלשות. ניתן להדגים זאת באופן ניסיוני עם נקודת ההתכה הנמוכה שלו (321 מעלות צלזיוס), בהשוואה למתכות מעבר אחרות.

מסיבות כימיות אחרות אחרות, קדמיום אינו נחשב לעיתים כמתכת מעבר. ישנם כל כך הרבה אלקטרונים (שנים עשר) המעורבים בקשר המתכתי שלה שהם מתחילים להפריע מאוד לדחיות השליליות שלה; מה שיחד עם ההבדל האנרגטי בין האורביטלים 4d ו- 5s מחליש את האינטראקציה Cd-Cd.

אטומי ה- Cd מגדירים בסופו של דבר מבנה גבישי משושה קומפקטי (hcp), שאינו עובר מעבר שלב לפני נקודת ההיתוך שלו. כאשר גבישי קדמיום hcp נתונים ללחץ השווה ל- 10 GPa, המבנה מעוות רק; אך מבלי שדווח על שינוי שלב כלשהו.

מספרי חמצון

קדמיום לא יכול לאבד את שתים-עשרה האלקטרונים של הערכיות; למעשה, הוא לא יכול לאבד אפילו את אחד המסללים ה -4 D שלו, שהם יציבים יותר באנרגיה בהשוואה למסלול החמישים. לכן הוא יכול לאבד רק את שני האלקטרונים של המסלול 5s ² , וכתוצאה מכך הוא מתכת דו משמעית; כפי שקורה במתכות אבץ, כספית ומתכות אדמה אלקליין (מר בקמברה).

כאשר מניחים את קיומו של קטיון Cd ²⁺ בתרכובותיו , אז נאמר שלקדמיום יש מספר חמצון או מצב של +2. זהו מספר החמצון העיקרי שלך. לדוגמה, התרכובות הבאות מכילות קדמיום כ +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2- ) ו- Cd (NO ₃ ) ₂ .

בנוסף למספר החמצון הזה, ישנם גם +1 (Cd ⁺ ) ו- -2 (Cd ^2- ). מספר החמצון +1 נצפה בכריתת Cd ₂ ²⁺ , שבה לכל אטום קדמיום יש מטען חיובי. בינתיים ה- -2 די מוזר, והוא יחול על האניון "קדום".

היכן למצוא ולהשיג

גבישי גרינוקיט. מקור: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

קדמיום הוא יסוד נדיר שיש לו ריכוז של 0.2 גרם / טון בקרום כדור הארץ. המינרל היחיד החשוב בקדמיום הוא greenockite (CdS), שאינו ניתן לכרות מבחינה כרייתית ומסחרית.

קדמיום נמצא קשור לאבץ בספאלייט המינרלי (ZnS), המכיל אותו בדרך כלל בריכוז הנע בין 0.1% ל 0.3%; אך במקרים מסוימים ריכוז הקדמיום בספאלייט יכול להגיע ל -1.4%.

לסלעים שעובדו כדי להשיג דשנים זרחתיים יכול להיות ריכוז קדמיום של 300 מ"ג / ק"ג דשן. גם פחם יכול להכיל כמויות קטנות אך משמעותיות של קדמיום.

מקור עיקרי לקדמיום הוא פליטות וולקניות שיכולות קדמיום להוביל למי השטח. השימוש בדשנים זרחתיים בקרקעות חקלאיות הביא לזיהום שלו עם קדמיום.

הקדמיום הקיים בקרקעות חומצות נספג על ידי צמחים. חלק מהירקות משמשים את האדם כמזון, מה שמסביר כיצד צריכת מים ומזון הם המקור העיקרי לכניסת קדמיום אצל אנשים או מעשנים שלא נחשפו.

טיפול בספליטייט

במהלך הכרייה, ההיתוך והזיקוק של האבץ הקיים בספלטריט, מתקבל בדרך כלל קדמיום כתוצר לוואי. אירוע דומה מתרחש גם אם כי במידה פחותה הרבה יותר במהלך עיבוד הנחושת והעופרת.

באופן דומה ניתן להשיג כמויות קטנות של קדמיום ממחזור גרוטאות ברזל ופלדה.

הסליית הוא צלוי כך שהגולפיד האבץ הופך לתחמוצת שלו, ZnO. אותה תגובה סובלת מקדמיום גופרתי:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

אם תערובת החמצון הזו מחוממת עם פחם, הם יופחתו למתכות המתאימות להם:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

כמו כן, אבץ וקדמיום יכולים להיות מיוצרים על ידי אלקטרוליזה כאשר התחמוצות מתמוססות בחומצה גופרתית.

כל אחת מהשיטות מייצרת אבץ מזוהם עם קדמיום. לאחר ההיתוך ניתן לזקק קדמיום תחת ואקום בגלל נקודת ההתכה התחתונה (321 מעלות צלזיוס) בהשוואה לאבץ (420 מעלות צלזיוס).

איזוטופים

בין האיזוטופים הטבעיים והיציבים של קדמיום שיש לנו, עם השפע שלהם בהתאמה כאן על כדור הארץ:

- ¹⁰⁶ Cd (1.25%)

- ¹⁰⁸ Cd (0.89%)

- ¹¹⁰ Cd (12.47%)

- ¹¹¹ Cd (12.8%)

- ¹¹² תקליטור (24.11%)

- ¹¹⁴ Cd (28.75%)

- ¹¹³ Cd (12.23%)

¹¹³ Cd הוא רדיואקטיבי, אך בגלל חצי ערך כזה גדול - החיים (t _1/2 = 7.7 × 10 ¹⁵ שנים), יכול להיחשב יציבה. ואז יש ¹¹⁶ Cd, גם רדיואקטיבי, עם מחצית החיים של 3.1 · 10 ¹⁹ שנים, כך שהוא יכול להיחשב כאיזוטופ יציב, המייצג 7.51% מהקדמיום.

שימו לב שהמסה האטומית הממוצעת היא 112.414 u, קרוב יותר ל -112 מאשר 114. קיומו של איזוטופ שולט מעל האחרים לא נצפה בקדמיום.

סיכונים

כללי

ספיגת קדמיום מתרחשת בעיקר ממזון, בעיקר כבד, פטריות, רכיכות, אבקת קקאו ואצות יבשות.

מקרה סמלי התרחש בסין במאה הקודמת, שם הייתה זיהום קדמיום משמעותי באוכלוסייה. זיהום הקדמיום נבע מריכוזו הגבוה באורז, שנגרם כתוצאה מנוכחות קדמיום בקרקעות יבולי הדגנים.

למעשנים צריכה ממוצעת של 60 מיקרוגרם ליום. הריכוז המרבי של קדמיום המותר בדם הוא 15 מיקרוגרם ליום. לא מעשנים יש ריכוז קדמיום בדם סביב 0.5 מיקרוגרם / ל.

הריאות סופגות בין 40 ל 60% מהקדמיום בעשן טבק. קדמיום שנספג בריאות מועבר בדם ויוצר קומפלקסים עם חלבונים, ציסטאין וגלוטתיון, אשר אז מגיעים לכבד, לכליות וכו '.

שאיפה חריפה של קדמיום יכולה לייצר תסמינים דומים לאלה שנצפו בתהליך דמוי שפעת; כמו הצטננות, חום וכאבי שרירים העלולים לגרום נזק לריאות. בינתיים, חשיפה כרונית לקדמיום יכולה לגרום למחלות ריאה, כליות ועצמות.

השפעה על הכליות

בכליות, קדמיום בדרך כלל גורם לשינוי בחילוף החומרים של זרחן וסידן, מה שמעיד עלייה בייצור אבני הכליות. בנוסף, הוא גורם לנזק בכליות המתבטא במראה בשתן של חלבון טרנספורטר רטינול ו- β-2-מיקרוגלובולין.

השפעה על רבייה

חשיפה מצד האם לקדמיום קשורה למשקל לידה נמוך של הילד ולעלייה בשיעור ההפלות הספונטניות.

נזק לעצמות

קדמיום קשור ביפן לנוכחותה של מחלת איתי-אי במאה הקודמת. מחלה זו מאופיינת במינרליזציה עצם נמוכה, שבריריות בעצמות עם קצב שברים גבוה, אוסטאופורוזיס מוגברת וכאבי עצמות.

קרצינוגנזה

למרות שניסויים בחולדות יצרו קשר בין קדמיום וסרטן הערמונית, הדבר לא הוכח אצל בני אדם. הוכח קשר בין קדמיום לסרטן כליות, והוא גם נקשר לסרטן ריאות.

יישומים

חיידקים נטענים נטולי קדמיום

תאים שונים או סוללות Ni-Cd. מקור: Boffy b דרך Wikipedia.

קדמיום הידרוקסיד שימש כקתודה בסוללות Ni-Cd. אלה שימשו בתעשיית הרכבת והאווירונאוטיקה, כמו גם בכלים לשימוש קולקטיבי הכוללים טלפונים סלולריים, מצלמות וידאו, מחשבים ניידים וכו '.

צריכת קדמיום לייצור סוללות Ni-Cd היוותה 80% מייצור הקדמיום. עם זאת, בגלל הרעילות של אלמנט זה, סוללות Ni-Cd הוחלפו בהדרגה בסוללות ניקל-מתכת הידרידית.

פיגמנטים

קדמיום אדום. מקור: מרקו אלמבואר

קדמיום סולפיד משמש כפיגמנט צהוב וקדמיום סלניד כפיגמנט אדום, המכונה אדום קדמיום. פיגמנטים אלה מאופיינים בזוהר ובעוצמתם, וזו הסיבה שהם שימשו בפלסטיקה, קרמיקה, זכוכית, אמיילות וצבעים אומנותיים.

צוין כי הצייר וינסנט ואן גוך השתמש בפיגמנטים של קדמיום בציוריו, מה שאיפשר לו להשיג מגוון של אדומים בהירים, תפוזים וצהובים.

יש להחליש את צבעם של פיגמנטים קדמיום לפני הטחנתם בשמנים או לערבוב בצבעי מים ואקריליק.

טֵלֶוִיזִיָה

רכיבים המכילים קדמיום שימשו בזרחן של טלוויזיות בשחור לבן, כמו גם בזרחן הכחול והירוק לצינורות צבעוניים לטלוויזיה.

הזרחן היה חלק מהמסך שהוקרן על ידי קרני הקתודה, והיה אחראי להיווצרות התמונה. קדמיום, למרות רעילותו, החל להשתמש בטלוויזיות QLED שיצרו לאחרונה.

ייצוב PVC

תרכובות קדמיום שנוצרו עם קרבוקסילאט, לוראט וסטריאט שימשו כמייצבים לפוליוויניל כלוריד, מכיוון שהם מעכבים את השפלה המיוצרת כתוצאה מחשיפה לחום ואור אולטרה סגול שמתפרקים את PVC במהלך תהליך הייצור שלה.

בגלל רעילות קדמיום, שוב, מייצבי PVC הקשורים לקדמיום הוחלפו במייצבים אחרים, כגון בריום-אבץ, סידן-אבץ ואורגנוטין.

סגסוגות

קדמיום שימש בסגסוגות נשיאה בגלל עמידות גבוהה לעייפות ומקדם חיכוך נמוך. לקדמיום יש נקודת התכה נמוכה יחסית, וזו הסיבה שהוא משמש בסגסוגות נקודת התכה נמוכה, ומהווה מרכיב בנוסף לסוגים רבים של ריתוכים.

ניתן להשתמש בקדמיום גם בסגסוגות מגע חשמליות, מוליכות תרמית וחשמליות.

כיסוי

קדמיום משמש להגנה על מחברים מתכת פלדה, אלומיניום ומחברים אחרים, כמו גם חלקים נעים. ציפוי קדמיום מעניק הגנה בפני קורוזיה בתקשורת מלוחה ובסיסית. בנוסף הוא משמש כחומר סיכה.

קדמיום משמש גם ביישומים חשמליים אלקטרוניים רבים הדורשים עמידות בפני קורוזיה ועמידות חשמלית נמוכה.

כורים גרעיניים

קדמיום משמש בכורים גרעיניים בגלל יכולתו ללכוד נויטרונים, מה שמאפשר לשלוט על עודף נויטרונים מביזור גרעיני, תוך הימנעות מביזורים גרעיניים נוספים.

מוליכים למחצה

קדמיום סלניד וטלוריד הם תרכובות המשמשות כמוליכים למחצה בזיהוי אור ובתאים סולאריים. ה- HgCdTe רגיש לאור אינפרא אדום ומשמש כגלאי תנועה כמו גם מתג להתקני שלט רחוק.

ביולוגיה

אור לייזר He-Cd. מקור: די אנונימי (https://www.flickr.com/photos//35766549)

הליום- C מעורב ביצירת קרן לייזר של אור כחול-סגול באורך גל שנע בין 325 ל 422 ננומטר, שמיש לשימוש במיקרוסקופים פלואורסצנטיים.

קדמיום משמש בביולוגיה מולקולרית לחסימת תעלות סידן, תלויות בפוטנציאל הממברנה.

הפניות

1. ויקיפדיה. (2019). קדמיום. התאושש מ: en.wikipedia.org
2. סלבה VR et al. (2014). מבנה לחץ וטמפרטורה גבוהים של נוזל תקליטור מוצק: השלכות על עקומת ההיתוך של תקליטור. התאושש מ: researchgate.net
3. ד"ר בצק סטיוארט. (2019). עובדות אלמנט קדמיום. התאושש מ: chemicool.com
4. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2019). קדמיום. מאגר PubChem. CID = 23973. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., and Groneberg, DA (2006). רעילות קדמיום והסיכונים הנובעים מכך לבריאות האדם. כתב העת לרפואה תעסוקתית וטוקסיקולוגיה (לונדון, אנגליה), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. רוז רחל. (30 ביולי 2018). עובדות על קאמיום. התאושש מ: livescience.com
7. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (6 בספטמבר 2018). קדמיום. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com
8. איגוד הקדמיום הבינלאומי. (sf). יישומי קדמיום. התאושש מ: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). קדמיום. התאושש מ: lenntech.com