Кадмиум

Кадмиум — хемиски елемент со симбол Cd и атомски број 48. Овој мек сино-бел метал е хемиски сличен на два други стабилни метали во групата 12, цинк и жива. Како цинк, во повеќето од неговите соединенија, како и цинкот, покажува оксидациска состојба +2 и како живата има пониска точка на топење од преодните метали во групa 3 до 11. Кадмиумот и неговите сродници во групата 12 често не се сметаат за транзициски метали, во дека тие немаат делумно исполнети d или f електронски обвивки во елементарните или вообичаените оксидациски состојби. Просечната концентрација на кадмиум во Земјината кора е помеѓу 0,1 и 0,5 делови на милион (ppm). Таа била откриена во 1817 година истовремено од страна на Stromeyer и Hermann, и во Германија, како нечистотија во цинк-карбонат.

Кадмиум  (₄₈Cd)

Општи својства
Име и симбол	кадмиум (Cd)
Изглед	металик сребрено синкаво-сива
Кадмиумот во периодниот систем
Zn ↑ Cd ↓ Hg сребро ← кадмиум → индиум
Атомски број	48
Стандардна атомска тежина (±) (Ar)	112,414(4)
Категорија	преоден метал, се смета и за слаб метал
Група и блок	група 12, d-блок
Периода	V периода
Електронска конфигурација	[Kr] 4d10 5s2
по обвивка	2, 8, 18, 18, 2
Физички својства
Фаза	цврста
Точка на топење	594,22 K ​(321,07 °C)
Точка на вриење	1.040 K ​(767 °C)
Густина близу с.т.	8,65 г/см3
кога е течен, при т.т.	7,996 г/см3
Топлина на топење	6,21 kJ/mol
Топлина на испарување	99,87 kJ/mol
Моларен топлински капацитет	26,020 J/(mol·K)
парен притисок P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k при T (K) 530 583 654 745 867 1.040
Атомски својства
Оксидациони степени	2, 1 ​(средно базичен оксид)
Електронегативност	Полингова скала: 1,69
Енергии на јонизација	I: 867,8 kJ/mol II: 1631,4 kJ/mol II: 3.616 kJ/mol
Атомски полупречник	емпириски: 151 пм
Ковалентен полупречник	144±9 пм
Ван дер Валсов полупречник	158 пм
Спектрални линии на кадмиум
Разни податоци
Кристална структура	​шестаголна збиена (шаз)
Брзина на звукот тенка прачка	2.310 м/с (при 20 °C)
Топлинско ширење	30,8 µм/(m·K) (при 25 °C)
Топлинска спроводливост	96,6 W/(m·K)
Електрична отпорност	72,7 nΩ·m (at 22 °C)
Магнетно подредување	дијамагнетно
Модул на растегливост	50 GPa
Модул на смолкнување	19 GPa
Модул на збивливост	42 GPa
Поасонов сооднос	0,30
Мосова тврдост	2
Бринелова тврдост	203–220 MPa
CAS-број	7440-43-9
Историја
Откриен и првпат издвоен	Карл Самуел Лебрехт Херман и Фридрих Стромејер (1817)
Именуван од	Фридрих Стромејер (1817)
Најстабилни изотопи
изо ПЗ полураспад РР РЕ (MeV) РП 106Cd 1,25 % >4,1×1020 г (β+β+) 2,770 106Pd 107Cd веш 6,5 ч ε 1,417 107Ag 108Cd 0,89 % >4,1×1017 г (β+β+) 0,272 108Pd 109Cd веш 7 s ε 0,214 109Ag 110Cd 12,49 % – (СЦ) <22,486 111Cd 12,8 % – (SF) <21,883 112Cd 24,13 % – (SF) <20,733 113Cd 12,22 % 7,7×1015 г β− 0,316 113In 113mCd веш 14,1 г β− 0,580 113In m 0,264 113Cd 114Cd 28,73 % >6,4×1018 г (β−β−) 0,540 114Sn 115Cd веш 53,46 ч β− 1,446 115In 116Cd 7,49 % 3,1×1019 г β−β− 2,809 116Sn
Режимите на распад во загради се предвидени, но сè уште не се забележани

Кадмиумот се јавува како помала компонента во повеќето руди на цинк и е бипродукт на производство на цинк. Кадмиумот долго време бил користен како отпорен на корозија на челик, а соединенијата со кадмиум се користат како црвени, портокалови и жолти пигменти, да се обои стакло и да се стабилизира пластиката. Употребата на кадмиум генерално се намалува, бидејќи е токсична (таа е посебно наведена во Европската Рестрикција на опасни супстанции), а никел-кадмиумските батерии се заменети со никел-метал хидрид и литиум-јонски батерии. Една од неколкуте нови употреби е кадмиум телуридените сончеви плочи.

Иако кадмиумот нема позната биолошка функција кај повисоките организми, карциновата анхидраза зависна од кадмиум е пронајдена во морските дијатоми.

Име

Кадмиумот е наречен по феникискиот митолошки јунак Кадмо кој се смета за основач на Теба, (Лихнид) Охрид и Будва.

Особености

Физички својства

Кадмиумот е мек, податлив, нодуларен, сино-бел двовалентен метал. Слично е и во многу аспекти на цинк, но формира сложени соединенија. За разлика од повеќето други метали, кадмиумот е отпорен на корозија и се користи како заштитна плоча на други метали. Како главен метал, кадмиумот е нерастворлив во вода и не е запалив. Сепак, во својата прашкаста форма може да изгори и ослободи отровни гасови.

Хемиски својства

Иако кадмиумот обично има оксидациона состојба од +2, тој исто така постои и во +1 состојба. Кадмиумот и неговите сродници не секогаш се сметаат за транзициони метали, со тоа што тие немаат делумно исполнети d или f електронски обвивки во елементарните или вообичаените оксидациски состојби. Кадмиум гори во воздух за да формира кафеав аморфен кадмиум оксид (CdO); кристалната форма на ова соединение е темноцрвена која ја менува бојата кога се загрева, слична на оксидот на цинк. Хлороводородна киселина, сулфурна киселина и азотна киселина го раствораат кадмиумот со формирање кадмиум хлорид (CdCl₂), кадмиум сулфат (CdSO₄) или кадмиум нитрат (Cd (NO₃)₂). Оксидациската состојба +1 може да се произведе со растворање на кадмиум во мешавина од кадмиум хлорид и алуминиум хлорид, формирајќи го Cd₂²⁺ катјонот, кој е сличен на катјони Hg₂²⁺ катјон во жива (I) хлорид.

Cd + CdCl₂ + 2 AlCl₃ → Cd₂(AlCl₄)₂

Се утврдуваат структурите на многу комплекси на кадмиум со нуклеобази, аминокиселини и витамини.

Изотопи

Природниот кадмиум се состои од 8 изотопи. Два од нив се радиоактивни, а три се очекува да се распаѓаат, но се немаат под лабораториски услови. Двата природни радиоактивни изотопи се ¹¹³Cd (бета распаѓање, полуживот е 7,7 × 10¹⁵ години) и ¹¹⁶Cd (дво-неутринско двојно бета распаѓање, полуживот е 2.9 × 1019 години). Останатите три се ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd (двете двојни електронски фаќања), и ¹¹⁴Cd (двојно бета распаѓање); се утврдени само пониски граници на овие полуживоти. Најмалку три изотопи - ¹¹⁰Cd, ¹¹¹Cd и ¹¹²Cd - се стабилни. Меѓу изотопите кои не се јавуваат природно, најдолготрајни се ¹⁰⁹Cd со полуживот од 462,6 дена и ¹¹⁵Cd со полуживот од 53,46 часа. Сите преостанати радиоактивни изотопи имаат полуживоти од помалку од 2,5 часа, а мнозинството имаат полуживот помал од 5 минути. Кадмиумот има 8 познати мета-состојби, при што најстабилните се 113mCd (t_1⁄2 = 14.1 години), 115mCd (t_1⁄2 = 44.6 дена) и 117mCd (t_1⁄2 = 3.36 часа).

Познатите изотопи на кадмиум се движат од атомска маса од 94.950 u (⁹⁵Cd) до 131.946 u (¹³²Cd). За изотопи полесни од 112 u, примарниот начин на распаѓање е заробување на електроните и доминантниот производ за распаѓање е елемент 47 (сребро). Потешки изотопи се распаѓаат најчесто преку елементот 49 за производство на бета емисија (индиум).

Еден изотоп на кадмиум, ¹¹³Cd, ги апсорбира неутроните со висока селективност: Со многу голема веројатност, неутроните со енергија под пресекот на кадмиум ќе бидат апсорбирани; оние кои се повисоки од прекинот ќе бидат пренесени. Прекинувањето на кадмиумот е околу 0,5 eV, а неутроните под ова ниво се сметаат за бавни неутрони, различни од средните и брзите неутрони.

Историја

Кадмиум (латински кадмиа, грчки καδμεία што значи "каламин", мешавина од минерали што ја носи кадмијата именувана по грчкиот митолошки карактер Κάδμος, Кадмус, основачот на Теба) истовремено била откриена во 1817 од страна на Фридрих Стромејер и Карл Самуел Либерехт Херман, и во Германија, како нечистотија во цинк карбонат. Stromeyer го најде новиот елемент како нечистотија во цинк-карбонат (каламин), а Германија веќе 100 години е единствениот важен производител на метал. Металот бил именуван по латинскиот збор за каламин, бидејќи бил пронајден во оваа цинкова руда. Stromeyer забележал дека некои нечисти примероци на каламин ја менуваат бојата кога се загрева, но чистиот каламин не го направил. Тој беше упорен во проучувањето на овие резултати и на крајот изолиран метал на кадмиум со печење и намалување на сулфидот. Потенцијалот за кадмиум жолта како пигмент бил препознаен во 1840-тите, но недостатокот на кадмиум ја ограничил оваа апликација.

Иако кадмиумот и неговите соединенија се токсични во одредени форми и концентрации, Британскиот фармацевтски кодекс од 1907 година наведува дека кадмиод јодидот бил користен како лек за третирање на "проширени зглобови, скрофузни жлезди и цилиндри".

Во 1907 година, Меѓународниот астрономски сојуз го дефинираше меѓународниот ангстрем во однос на црвена кадмиумска спектрална линија (1 бранова должина = 6438,46963 Å).Ова беше усвоено од страна на 7-та Генерална конференција за тежини и мерки во 1927 година. Во 1960 година, дефинициите на метрото и ångström беа променети за употреба на криптонот.

По индустриското производство на кадмиум започна во 1930-тите и 1940-тите години, главната примена на кадмиум беше премачкување на железо и челик за да се спречи корозијата; во 1944, 62% и во 1956 година, 59% од кадмиумот во САД се користело за плаштување. Во 1956 година, 24% од кадмиумот во САД биле користени за втора апликација во црвени, портокалови и жолти пигменти од сулфиди и селениди на кадмиум.

На стабилизирачки ефект на кадмиум хемикалии како карбоксилат кадмиум лаурат и кадмиум стеарат на ПВЦ доведе до зголемена употреба на овие соединенија во 1970-тите и 1980-тите. Побарувачката за кадмиум во пигменти, премази, стабилизатори и легури се намали како резултат на еколошките и здравствените регулативи во 1980-тите и 1990-тите години; во 2006 година, само 7% од вкупната потрошувачка на кадмиум се користела за обложување, а само 10% се користело за пигменти. Во исто време, овие намалувања на потрошувачката беа компензирани со зголемената побарувачка за кадмиум за никел-кадмиумски батерии, што претставуваше 81% од потрошувачката на кадмиум во САД во 2006 година.

Појава

Кадмиумот сочинува околу 0,1 ppm на Земјината кора. Многу е поретко од цинк, што претставува околу 65 ppm. Не се познати значајни депозити на руди кои содржат кадмиум. Единствениот важен минерал од кадмиум, зеленокот (CdS), е скоро секогаш поврзан со сфалерите (ZnS). Оваа асоцијација е предизвикана од геохемиската сличност помеѓу цинк и кадмиум, без геолошки процес кој најверојатно ќе ги раздвои. Така, кадмиумот се произведува главно како нуспроизвод од рударството, топењето и рафинирањето на сулфурни руди на цинк, а во помала мера и олово и бакар. Мали количини на кадмиум, околу 10% од потрошувачката, се произведуваат од секундарни извори, главно од прашина генерирана со рециклирање на отпадоци од железо и челик. Производството во САД започнало во 1907 година, [15] но широката употреба започнала по Првата светска војна.

Металниот кадмиум може да се најде во басенот на реката Виљуј во Сибир.

Карпите што се минирани за фосфатните ѓубрива содржат различни количества на кадмиум, што резултира со концентрација на кадмиум од до 300 mg / kg во ѓубрива и со висока содржина на кадмиум во земјоделските почви. Јагленот може да содржи значителни количества кадмиум, кој најчесто завршува во прав со димензии. Кадмиумот во почвата може да се апсорбира од култури како ориз. Кинеското Министерство за земјоделство мери во 2002 година дека 28% од оризот што го земале примерокот имал вишок олово, а 10% имале вишок кадмиум над границите утврдени со закон. Некои растенија, како што се врби и тополи, се пронајдени за чистење на оловото и кадмиумот од почвата.

Типичните фосфорни концентрации на кадмиум не надминуваат 5 ng / m3 во атмосферата; 2 mg / kg во почвата; 1 μg / L во слатка вода и 50 ng / L во морска вода.

Производство

Британското геолошко истражување објави дека во 2001 година Кина беше врвен производител на кадмиум со скоро една шестина од светското производство, следено од Јужна Кореја и Јапонија.

Кадмиумот е честа нечистотија во цинкните руди, и најчесто се изолира за време на производството на цинк. Некои цинкови руди концентрати од сулфидните цинкови руди содржат до 1,4% кадмиум. Во 1970-тите, производството на кадмиум изнесувало 6,5 фунти по тон цинк. Цинк сулфидните руди се печат во присуство на кислород, претворање на цинк сулфидот во оксидот. Цинкот метал се произведува или со топење на оксидот со јаглерод или со електролиза во сулфурна киселина. Кадмиумот е изолиран од металот на цинк со вакуумска дестилација ако цинк е изцрнет, или кадмиум сулфат се преципитира од растворот за електролиза.

Апликации

Кадмиумот е честа компонента на електрични батерии, пигменти, премази, и галванизација.

Батерии

Во 2009 година, 86% од кадмиите се користеа во батерии, претежно во никел-кадмиумски батерии кои можат да се полнат. Никел-кадмиумовите клетки имаат номинален клеточен потенцијал од 1,2 V. Клетката се состои од позитивна никлена хидроксидна електрода и негативна плоча на електрода на кадмиум, одделени со алкален електролит (калиумхидроксид). Европската унија става ограничување на кадмиум во електрониката во 2004 година од 0,01%, со неколку исклучоци и ја намали ограничувањето на содржината на кадмиум на 0,002%. Друг тип на батерија заснована на кадмиум е батеријата со сребро-кадмиум.

Кадмиумот е создаден преку s-процесот во ниски до средни маси ѕвезди со маси од 0,6 до 10 сончеви маси, над илјадници години. Во тој процес, сребрен атом го зафаќа неутронот и потоа се подложува на бета распаѓање.