Kadmium

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
48 ezüstkadmiumindium
Zn

Cd

Hg
Általános
Név, vegyjel, rendszám kadmium, Cd, 48
Elemi sorozat átmenetifémek
Csoport, periódus, mező 12, 5, d
Megjelenés ezüstszürke fémes
Cadmium-crystal bar.jpg
Atomtömeg 112,411(4) g/mol[1]
Elektronszerkezet [Kr] 4d10 5s2
Elektronok héjanként 2, 8, 18, 18, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Sűrűség (szobahőm.) 8,65 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on 7,996 g/cm³
Olvadáspont 594,22 K
(321,07 °C, 609,93 °F)
Forráspont 1040 K
(767 °C, 1413 °F)
Olvadáshő\Delta_{fus}{H}^\ominus 6,21 kJ/mol
Párolgáshő \Delta_{vap}{H}^\ominus 99,87 kJ/mol
Moláris hőkapacitás (25 °C) 26,020 J/(mol·K)
Gőznyomás
P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
T/K 530 583 654 745 867 1040
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet hexagonális
Oxidációs szám 2
(gyengén bázikus oxid)
Elektronegativitás 1,69 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 867,8 kJ/mol
2.: 1631,4 kJ/mol
3.: 3616 kJ/mol
Atomsugár 155 pm
Atomsugár (számított) 161 pm
Kovalens sugár 148 pm
Van der Waals-sugár 158 pm
Egyebek
Mágnesség diamágneses[2]
Elektromos ellenállás (22 °C) 72,7 nΩ·m
Hőmérséklet-vezetési tényező (300 K) 96,6 W/(m·K)
Hőtágulási együttható (25 °C) 30,8 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd) (20 °C) 2310 m/s
Young-modulus 50 GPa
Nyírási modulus 19 GPa
Kompressziós modulusz 42 GPa
Poisson-tényező 0,30
Mohs-keménység 2,0
Brinell-keménység 203 HB
CAS-szám 7440-43-9
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A kadmium izotópjai
Izotóp t.e. felezési idő B.m. B.e. (MeV) B.t.
106Cd 1,25% >4,1·1020 év (β+β+) - 106Pd
107Cd mest. 6,5 óra ε 1,417 107Ag
108Cd 0,89% >4,1·1017 év (β+β+) 0,272 108Pd
109Cd mest. 462,6 nap ε 0,214 109Ag
110Cd 12,49% - (SF) <22,486
111Cd 12,8% - (SF) <21,883
112Cd 24,13% - (SF) <20,733
113Cd 12.22% 7,7·1015 év β 0,316 113In
113mCd mest. 14,1 év β 0.580 113In
IT 0,264 113Cd
114Cd 28,73% >6,4·1018 év (ββ) 0,540 114Sn
115Cd mest. 53,46 óra β 1,446 115In
116Cd 7,49% 3,1·1019 év ββ 2,809 116Sn
A zárójelben megadott bomlási módok elméleti előrejelzések, azokat kísérletileg még nem figyelték meg
Hivatkozások

A kadmium (nyelvújításkori magyar nevén: kadany) az átmenetifémek közé tartozó kémiai elem. A rendszáma 48, a vegyjele Cd. Friedrich Strohmeyer német kémikus fedezte fel 1817-ben, miután felfigyelt arra, hogy a hevítés hatására egyes cink-karbonát (ZnCO3) kristályok színe megváltozik. A színváltó kristályokból kinyert új fémnek a kalamin jelentésű latin cadmia szóból képzett 'cadmium' nevet adta.[3]

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kadmiumot Friedrich Stromeyer és Carl Samuel Herm egymástól függetlenül fedezte fel 1817-ben. Stromeyer megfigyelte, hogy az általa vizsgált cink-karbonát hevítés hatására elszíneződött.A tiszta cink-karbonát nem viselkedik így. Csaknem 100 éven át egyedül Németországban termeltek kadmiumot.

A kadmium elnevezést már a középkorban használták, feltehetően a cinkre. Például II. Frigyes 1226-ban fejogosította a lavanttali Szent Pál Benedek-rendi kolostort arra, hogy „ut Cadmiae tam argentj quam plumbi et ferri, que in territorio ipsius monasteri de cetero inveniri contigerint, ad opus suum”, magyarul: „hogy annak a kolostornak a területén a továbbiakban fellelt cinket, ezüstöt, ólmot és vasat a kolostor saját céljaira használják”.[4]

Mérgező volta miatt a British Pharmaceutical Codex 1907-ben a kadmium-jodidot ajánlotta a megdagadt ízületekre (enlarged joints), skrufulusos mirigyekre (scrofulous glands) és fagyásra (chilblains).

1907-ben a Nemzetközi Csillagászati Unió az ångströmöt az 1 atmoszféra nyomású, 15 °C-os és 0,03%-os szén-dioxid tartalmú száraz levegőben a kadmium egy vörös színképvonalának hullámhosszának 1/6438,4696-odrészeként határozta meg. 1960-ban a General Conference on Weights and Measures ugyanezt a színképvonalat használta a méter alternatív definíciójának megadásához; a méter hossza ennek 1 553 164,13-szerese.

1942-ben Enrico Fermi ki-be húzogatható kadmiumrudakat használt atomreaktorához. Ezekkel a rudakkal lehetett az első (ember által alkotott) atomreaktort szabályozni, mivel a kadmium elnyelte a lassított neutronokat, ezzel csökkentette a reaktor aktivitását.

Előfordulása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Igen ritka elem, átlagos gyakorisága a földkéregben 0,15 g/t (0,000015%)[5]. Leggyakrabban a cinket, ritkábban az ólmot helyettesíti azok ásványaiban – a Zn/Cd arány csaknem mindig a 80 és 800 közötti tartományban marad. Önálló ásványai rendkívül ritkák: ezekben a földkéreg összes kadmiumtartalmának kevesebb mint 1%-a fordul elő. Közülük messze a legismertebb és leggyakoribb az így is ritkaságnak számító greenockit (CdS). A terméskadmium nagyon ritka, eddig csak két darabot találtak belőle a jakutföldi Wiljui-medencében és Nevada államban.[6] Iparilag hasznosítható kadmium gyakorlatilag csak a cink-, ritkábban az ólom- és még ritkábban az ónércekben található, néhány relatív %-nyi mennyiségben. Szinte kizárólag a cinkkohászat melléktermékeként nyerik ki – a szfalerit átlagos Zn/Cd aránya körülbelül 400, de az egyes metallogéniai övekben ettől elég jelentősen eltérhet.

A legfontosabb kadmium-termelő országok (2009-ben):

másodlagos jelentőségű:

kisebb mennyiségeket termelnek további 15 országban.

Előállítása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kadmium főként a cinktermelés melléktermékeként adódik, de keletkezik az ólom és a réz termelése során is. Kisebb mennyiséget a vas és az acél újrahasznosításából nyernek.

Az előállítás módja attól függ, hogy hogyan nyerik a cinket. A száraz eljárásban a két fém elválasztásához a forráspont különbségét használják ki. Mivel a kadmium forráspontja alacsonyabb, ezért könnyebben gőzöl el, és máshol reagál az oxigénnal, mint a cink. Végül ezt a keveréket koksszal elegyítik, és a kadmiumot ledesztillálják a cinkről. Frakcionáldesztillációval a fémek tovább tisztíthatók.

A nedves eljárásban az oldatban levő kadmiumionokat cinkporral redukálják és választják ki. A keletkező kadmiumot oxigénnal oxidálják, és kénsavban oldják. Ebből a kadmium-szulfát oldatból alumínium anóddal és ólom katóddal végzett elektrolízissel választják ki a kadmiumot.

Tulajdonságai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fizikai tulajdonságai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Puha, kovácsolható, ezüstfényű fém. Közepes tisztaságú lemezei hajtogatva az ónhoz hasonló zörejeket adnak.

A természetben 8 izotópja fordul elő. Ezek relatív gyakoriságai (tömeg%):

  • 106Cd – 1,25%,
  • 108Cd – 0,89%,
  • 110Cd – 12,49%,
  • 111Cd – 12,80%,
  • 112Cd – 24,13%,
  • 113Cd – 12,22%,
  • 114Cd – 28,73%,
  • 116Cd – 7,49%.[7]

Kémiai tulajdonságai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Levegőn fennmarad, de melegebb környezetben sötétebb oxidréteg keletkezik rajta. Lúgokban az oxidréteg oldhatatlan, kénsavban és sósavban nehezen, salétromsavban könnyen oldódik.

Vegyületeiben többnyire két vegyértékkel fordul elő. Reakcióiban a cinkhez hasonló, de könnyebben képez komplexeket, amiknek koordinációs száma négy. Pirosas-sárgás lánggal ég kadmium-oxid létrejöttével, ami szintén erősen mérgező, és a második világháborúban az Amerikai Egyesült Államokban, mint lehetséges vegyi fegyvert tanulmányozták.

A sárga kadmium-szulfid, a piros kadmium-szelenid és a fekete kadmium-tellurid fontos II-VI félvezető. Nanotechnológiailag kvantumpontként állítják elő, és a biokémiában in vitro vizsgálatokhoz használják őket.

Kimutatása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kadmium kimutatására szolgáló eljárás első lépésében a mintát egy nehezen olvadó üvegcsőben hevítik.[8] A keletkező szulfid-oxid keveréket nátrium-oxaláttal fémmé redukálják. A könnyen gőzölgő kadmium a cső felső végében csapódik le.

\mathrm{CdO + Na_2C_2O_4 \rightarrow Cd + Na_2CO_3 + CO_2}

További kén hozzáadására és további hevítésre a fémtükörből és a kénből kadmium-szulfid keletkezik, ami felhevítve vörös, szobahőmérsékleten sárga. Ez a színváltozás többször is megismétlődik.

\mathrm{Cd + \frac{1}{8}S_8 \rightarrow CdS}

A kadmiumionok szulfid-oldattal vagy kén-hidrogénes vízzel képzett sárga csapadékukkal mutathatók ki. Más nehézfémek ionjai zavarhatják ezt a próbát, ezért előzőleg szét kell választani őket.

A kadmiumnyomok mennyiségének jelzésére a polarográfia ad lehetőséget.[9] Az ultranyomtartományban higanyelektródos inverzvoltammetria használható.[10] Eredményes lehet a grafitcsöves atomspektrometria is; ezzel a technikával a kadmium már 0,003 µg/l koncentrációban is kimutatható.[11]

Vegyületei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kadmium fontosabb vegyületei a következők:

Oxidok és hidroxidok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Halogenidek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Kalkogenidek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Egyéb vegyületek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Veszélyei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kadmium melléktermékként keletkezik a cink, a réz és az ólom kinyerése közben. Trágyákban és rovarirtókban is fellelhető. Legfőbb veszélye, hogy képes helyettesíteni az esszenciális cinket, annak jótékony élettani hatása nélkül. Mivel erősen toxikus, a Zn helyébe beépülve súlyos károsodásokat okoz.

Felvétele[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kadmium főként a táplálékkal jut az emberi szervezetbe. Kadmiummal leginkább szennyezett élelmiszerek a máj, a gombák, a kagylók és más puhatestűek, a tengeri moszat és a lenmag. Ezért korlátozzák 20 grammban a lenmag napi adagját. A műtrágya bevezetése óta azonban a kadmium feldúsult a mezőgazdasági területeken, így minden élelmiszerbe bejuthat. A foszfátforrások szegényesek, és a legtöbb előfordulás nehézfémekkel vagy sugárzó anyagokkal szennyezett. A növények sokáig elviselik a magas Cd-tartalmat, ezért a kadmium könnyen bekerülhet az állati és emberi táplálékláncba jóval azelőtt, hogy maguk a növények láthatóan károsodnának. Sok ipari ország ezért határértéket vezetett be a trágya kadmiumtartalmára.[12]

Az emberi és állati szervekben a Cd felhalmozódik, így krónikusan toxikussá válik. Az emberek számára külön Cd-forrás a dohányzás, ami az akkumulációt is erősíti (folyamatos Cd-felvétel). A krónikus Cd-toxicitás tünetei közül megemlítendő a szív- és veseelégtelenség, a magas vérnyomás. Fokozott veszélynek vannak kitéve a sok kadmiumot kibocsátó gyárakban dolgozók, de az illegális hulladéklerakók is növelik a veszélyt. Belélegzése súlyosan károsítja a tüdőt, így akár halált is okozhat. Az ipari katasztrófák és az évtizedekig tartó szennyezés hatásai valós veszélyekre mutatnak rá (Guangdong, itai-itai-kór, Gressenich-betegség).

Az emberi szervezetben okozott károk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kadmium 5%-ban szívódik fel a belekben. Vas- és kalciumhiány esetén ez az arány megnő, mivel a három fém ugyanazzal a transzporttal szívódik fel. A kadmium a májban fokozza a metallothioneinek szintézisét, amikkel komplexet képez. A vérkeringéssel a vesébe jutó kadmiumot a vese visszajuttatja a vérbe, ami újra fokozza a metallothioneinek szintézisét, ezzel több kadmiumot köt meg. A vesében felhalmozódó kadmium a szerv károsodásához és fehérjevizeléshez vezet.

A kadmium a csontokat is károsítja, mivel azokból kihajtja a kalciumot. A belekben is verseng a kalciummal. Emellett a kadmium a kalcitriol szintézisét is blokkolja. Ez ahhoz kell, hogy aktiválja a kalciumhoz kötődő fehérjéket. Összesítve mind a felszívódást, mind a csontokban maradást, mind a visszaszívódást akadályozza.

Tünetei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • hasmenés, gyomorfájás és heves hányás
  • vesekárosodás
  • csontritkulás, csonttörés
  • a központi idegrendszer károsodása
  • az immunrendszer károsodása
  • a szaporítószervek károsodása, terméketlenség
  • pszichés zavarok
  • gyaníthatóan a DNS sérülése, rák
  • a szaglás elvesztése

Biztonsági intézkedések[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kadmiumot „nagyon mérgezőként”, vegyületeit „mérgezőként” vagy „nagyon mérgezőként” tartják számon. Gyaníthatóan rákkeltőek. A kadmiumtartalmú por belélegezve károsítja a tüdőt, a májat és a vesét.

Jól szellőzőnek kell lenniük, vagy légelszívásról kell gondoskodni azokban a helyiségekben, ahol felhevített kadmiumvegyületekkel dolgoznak. Az Európai Unió rendelkezései szerint a műanyagokban a kadmiumra vonatkozó határérték 0,01 tömegszázalék. A következőkben még szigorúbb rendelkezések bevezetését tervezik.[13][14]

Felhasználása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kadmiumot korrózióvédelemre, akkumulátorcellák elektródjának, atommaghasadás szabályozására, könnyen olvadó ötvözetek előállítására, napelem gyártásban (tellúrral ötvözve), festékek készítésére alkalmazzák. 2011 decemberétől az Európai Unió betiltotta a kadmium használatát ékszerekben, ötvözetekben és PVC-ben.[15] További felhasználási területek:

  • kadmium-szulfid és kadmium-szelenid festékanyag lakkokhoz és műanyagokhoz. Ennek kisebb a gyakorlati jelentősége, mivel egészségkárosodást okozhat, különösen a megfelelő cikkek égetésekor.
  • fékekben súrlódó anyag
  • kadmium-oxid világító festék fekete-fehér katódsugárcsőben, kék és zöld katódsugárcsőben
  • szabályozórúd atomreaktorokban
  • nagy energiájú gammasugárzás forrása
  • kadmium-szulfid fényességmérőkben, amik az emberi szemhez hasonlóan mérik a fényességet
  • kadmium-tellurid infravörös kamerákban
  • kadmium-sztearát stabilizátor műanyagokban
  • Weston-normálelem egy volt előállítására
  • kadmium-bizmut ötvözet olvadóbiztosítékhoz
  • aranyzöld ékszerek: arany-kadmium ötvözet
  • ezüst-kadmium ötvözet dezoxidálószerként Sterling-ezüsthöz
  • kadmium-lámpa
  • hélium-kadmium lézer
  • elektrofiziológiában feszültségaktív kalciumcsatornák blokkolására
  • üveg színezése sárgára, narancssárgára és vörösre

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Current Table of Standard Atomic Weights in Order of Atomic Number. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights – Commission II.I of the International Union of Pure and Applied Chemistry, 2013. (Hozzáférés: 2013. október 13.)
  2. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  3. Mineral Information Institute: Cadmium
  4. Beda Schroll in: Fontes Rerum Austriacarum. Band XXXIX, Wien 1876, Urkunde Nr. 50, S. 117–118.
  5. WEBELEMENTS, 2010: the periodic table on the web 2010. II. 22-i állapot
  6. Cadmium bei mindat.org (engl.)
  7. Isotopic compositions of the elements 2009. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights – Commission II.I of the International Union of Pure and Applied Chemistry. (Hozzáférés: 2014. április 11.)
  8. Eberhard Gerdes: Qualitative Anorganische Analyse. 2. Auflage, Springer, Berlin/Heidelberg 2001,  64–65.
  9. J. Heyrovský, P. Zuman: Einführung in die praktische Polarographie. VEB Verlag Technik, Berlin 1959,  179.
  10. R. Neeb: Inverse Polarographie und Voltammetrie. Akademie-Verlag, Berlin 1969,  192.
  11. G. Schwedt: Analytische Chemie. Thieme Verlag, Stuttgart 1995,  197.
  12. IGBCE. Stellungnahme der IG Bergbau, Chemie, Energie zum Entwurf für eine EU-weite Regelung des Europäischen Parlamentes und Rates für Cadmium in Düngemitteln
  13. 2011 decemberétől
  14. 2012 decemberétől Europäische Rechtsänderungen. In: Umwelt Magazin. Heft 7/8 201, 52.
  15. EU-Aktuell (20. Mai 2011): EU verbietet Cadmium in Schmuck

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
  • Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie 1. Allgemeine und anorganische Chemie. 10. Auflage, Dtv, München 2006, ISBN 3-423-03217-0.