CADMIO (CD): STORIA, PROPRIETÀ, STRUTTURA, USI - CHIMICA - 2026

Il cadmio (Cd) un metallo di transizione o numero atomico post - transitorio 48 e argento. È malleabile e duttile, con punti di fusione e di ebollizione relativamente bassi. Il cadmio è un elemento raro e ha solo una concentrazione di 0,2 g / ton della crosta terrestre.

La Greenockite (CdS) è l'unico importante minerale di cadmio con una colorazione gialla intensa. Il cadmio si trova associato allo zinco nella sfalerite (ZnS), che contiene tra lo 0,1 e lo 03% di cadmio come catione Cd ²⁺ .

Cristalli di cadmio. Fonte: immagini ad alta risoluzione di elementi chimici

Durante la lavorazione della sfalerite per ottenere, fondere e raffinare lo zinco, il cadmio viene ottenuto in una forma secondaria, essendo questa la sua principale fonte di produzione.

Questo metallo fu scoperto nel 1817, indipendentemente da Friedrich Stromayer e Karl Hermann. Stromayer ha battezzato il nuovo elemento con il nome di cadmio, derivante dalla parola latina “cadmia”, termine noto come calamina (carbonato di zinco).

Il cadmio è un elemento chimico con il simbolo Cd e il suo numero atomico è 48. Fonte: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Il cadmio è un elemento di grande utilità e numerose applicazioni, come l'anticorrosivo del ferro, dell'acciaio e dei metalli non ferrosi; utilizzare come pigmento; stabilizzazione del PVC; elemento in leghe utilizzate nella saldatura; batterie ricaricabili al nichel cadmio, ecc.

Tuttavia, è un elemento molto tossico che provoca gravi danni ai polmoni, ai reni e alle ossa, ed è stato anche segnalato che ha un'azione cancerogena, motivo per cui il suo utilizzo è stato limitato. Ma nonostante ciò, ha continuato ad essere utilizzato con attenzione in alcune applicazioni.

Storia

- Doppia scoperta

Il cadmio fu scoperto da Friedrich Stromayer, un chimico tedesco, nell'anno 1817 in un campione di carbonato di zinco (calamina). Nello stesso anno, KSL Hermann e JCH Roloff fecero la stessa scoperta, indipendentemente, in un esperimento con solfuro di zinco.

Si dice che Stromayer abbia fatto la sua scoperta mentre adempiva una richiesta del governo di ispezionare le farmacie nella città di Hildesheim, in Germania. L'ossido di zinco, così com'è ora, è stato usato per trattare alcune condizioni della pelle.

Sembra che le farmacie non spedissero ossido di zinco, ma vendessero invece carbonato di zinco: una materia prima per la produzione di ossido di zinco. I produttori di ossido di zinco hanno sostenuto che il riscaldamento del carbonato di zinco produceva un "ossido di zinco" giallo.

Ossido di cadmio

Non potevano vendere questo "ossido di zinco", poiché il colore del composto era normalmente bianco; Invece, vendevano carbonato di zinco, anche bianco. Di fronte a questa situazione, Stromayer ha deciso di studiare il presunto ossido di zinco giallo.

Per fare questo, ha riscaldato campioni di carbonato di zinco (calamina) e ha prodotto un ossido di zinco giallo, come riportato. Dopo averlo analizzato, ha concluso che il colore giallo era causato dalla presenza di un ossido metallico di un nuovo elemento.

Dopo aver estratto questo nuovo ossido di metallo, ha prodotto la sua riduzione, ottenendo l'isolamento del cadmio. Stromayer ne ha determinato la densità ed ha ottenuto un valore di 8,75 g / cm ³ , prossimo al valore attualmente noto per questo parametro (8,65 g / cm ³ ).

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

Stromayer suggerì il nome "cadmio" dalla parola latina "cadmia", il nome dato alla calamina, ZnCO ₃ .

Cadmio in solfuro di zinco

Karl Hermann (1817) trovò un inaspettato colore giallo durante la lavorazione del solfuro di zinco e pensò che potesse essere una contaminazione da arsenico. Ma una volta esclusa questa possibilità, Hermann si rese conto di trovarsi in presenza di un nuovo elemento.

- Applicazioni

1840-1940

Negli anni Quaranta dell'Ottocento si iniziò a sfruttare commercialmente il cadmio come pigmento. Il British Pharmaceutical Codex indica nel 1907 l'uso dello ioduro di cadmio come medicinale per trattare "articolazioni ingrossate", ghiandole scrofolose e geloni.

Negli anni '30 e '40, la produzione di cadmio era finalizzata alla placcatura di acciaio e ferro per proteggerli dalla corrosione. Negli anni '50, i composti di cadmio come il solfuro di cadmio e il seleniuro di cadmio venivano usati come fonti di pigmenti rossi, arancioni e gialli.

1970-1990

Negli anni '70 e '80, i composti cadmio laurato e cadmio stearato si sono rivelati stabilizzanti per il PVC, determinando un aumento della domanda di cadmio. Tuttavia, le normative ambientali dovute alla tossicità del cadmio, hanno causato una diminuzione del suo consumo.

Negli anni '80 e '90 il cadmio cessò di essere utilizzato in molte delle sue applicazioni, ma poi la sua produzione aumentò con la creazione di batterie ricaricabili al nichel-cadmio, che arrivarono a rappresentare l'80% del consumo di cadmio negli Stati Uniti. .

Proprietà fisiche e chimiche del cadmio

Aspetto

Bianco grigiastro argenteo con morbida lucentezza metallica. Diventa fragile se esposto a 80 ° C e può essere tagliato con un coltello. È malleabile e può essere arrotolato in rotoli.

Peso atomico standard

112.414 u

Numero atomico (Z)

48

Categoria articolo

Metallo post-transitorio, in alternativa considerato un metallo di transizione. La definizione IUPAC di un metallo di transizione è quello i cui atomi hanno un subshell d incompleto o che possono dare origine a cationi con un subshell d incompleto.

Secondo questa definizione, il cadmio non è un metallo di transizione poiché il suo catione Cd ²⁺ ha i suoi orbitali 4d completamente pieni di elettroni (4d ¹⁰ ).

Odore

Gabinetto

Punto di fusione

321,07 ºC

Punto di ebollizione

767 ºC

Densità

Temperatura ambiente: 8,65 g / cm ³

Al punto di fusione (liquido): 7,996 g / cm ³

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 ⁺ gas)

Secondo: 1631,4 kJ / mol (Cd ²⁺ gassoso)

Terzo: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ gassoso)

Conduttività termica

96,6 W / (m · K)

resistività

72,7 nΩ · ma 22 ºC

Durezza

2.0 sulla scala di Mohs. È un metallo, anche se denso, notevolmente morbido.

Stabilità

Viene lentamente ossidato dall'aria umida per formare ossido di cadmio, che offusca la sua lucentezza metallica. Non è infiammabile, ma in polvere può bruciare e autoinfiammarsi.

Autoaccensione

250 ºC per il cadmio è una polvere.

Indice di rifrazione

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 rosso scuro.

Il cadmio reagisce rapidamente con l'acido nitrico diluito e lentamente con l'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 corrispondenti anioni (Cl ^- ) o ossoanioni (NO ₃ ^- e SO ₄ ^2- ).

Struttura e configurazione elettronica

Schema del guscio elettronico del cadmio, elemento 48 nella tavola periodica. Fonte: Pumbaa (opera originale di Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Gli atomi di cadmio del suo cristallo stabiliscono un legame metallico dai loro elettroni di valenza, che si trovano negli orbitali 4d e 5s secondo la loro configurazione elettronica:

4d ¹⁰ 5s ²

Tuttavia, sebbene gli orbitali 4d siano pieni di elettroni, e si possa anche pensare che il "mare di elettroni" sia abbastanza abbondante da legare fortemente gli atomi Cd, in realtà le interazioni sono deboli. Ciò può essere dimostrato sperimentalmente con il suo basso punto di fusione (321 ° C), rispetto ad altri metalli di transizione.

Per questo e altri motivi chimici, il cadmio a volte non è considerato un metallo di transizione. Ci sono così tanti elettroni (dodici) coinvolti nel suo legame metallico che iniziano a disturbare notevolmente le sue repulsioni negative; che, insieme alla differenza energetica tra gli orbitali 4d e 5s pieni, 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 di cadmio hcp sono sottoposti a una pressione equivalente a 10 GPa, la struttura si deforma solo; ma senza che venga segnalato alcun cambiamento di fase.

Numeri di ossidazione

Il cadmio non può perdere i dodici elettroni di valenza; infatti non può perdere nemmeno uno dei suoi orbitali 4d, più stabili in energia rispetto all'orbitale 5s. Quindi può perdere solo i due elettroni dell'orbitale 5s ² , essendo di conseguenza un metallo bivalente; proprio come zinco, mercurio e metalli alcalino terrosi (Sig. Becambara).

Quando si assume l'esistenza del catione Cd ²⁺ nei suoi composti , si dice che il cadmio ha un numero di ossidazione o stato di +2. Questo è il tuo numero di ossidazione principale. Ad esempio, i seguenti composti contengono cadmio come +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2- ), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^- ), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2- ) e Cd (NO ₃ ) ₂ .

Oltre a questo numero di ossidazione, ci sono anche +1 (Cd ⁺ ) e -2 (Cd ^2- ). Il numero di ossidazione +1 si osserva nella dicazione Cd ₂ ²⁺ , in cui ogni atomo di cadmio ha una carica positiva. Nel frattempo, il -2 è piuttosto strano e si applicherebbe all'anione "cadmide".

Dove trovare e ottenere

Cristalli di Greenockite. Fonte: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Il cadmio è un elemento raro che ha una concentrazione di 0,2 g / ton nella crosta terrestre. L'unico minerale di cadmio importante è la greenockite (CdS), che non è estraibile dal punto di vista minerario e commerciale.

Il cadmio si trova associato allo zinco nella sfalerite minerale (ZnS), che solitamente lo contiene ad una concentrazione compresa 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 lavorate per ottenere fertilizzanti al fosforo possono avere una concentrazione di cadmio di 300 mg / kg di fertilizzante. Anche il carbone può contenere quantità piccole ma significative di cadmio.

Una delle principali fonti di cadmio sono le emissioni vulcaniche che il cadmio può trasportare nelle acque superficiali. L'uso di fertilizzanti al fosforo nei terreni agricoli ha portato alla sua contaminazione con cadmio.

Il cadmio presente nei terreni acidi è assorbibile dalle piante. Alcune delle verdure sono utilizzate dall'uomo come cibo, il che spiega come l'assunzione di acqua e cibo sia la principale fonte di ingresso di cadmio in persone non esposte o fumatori.

Trattamento della sfalerite

Durante l'estrazione, la fusione e la raffinazione dello zinco presente nella sfalerite, si ottiene solitamente come sottoprodotto il cadmio. Un evento simile si verifica anche, sebbene in misura molto minore, durante la lavorazione del rame e del piombo.

Allo stesso modo, piccole quantità di cadmio possono essere ottenute riciclando rottami di ferro e acciaio.

La sfalerite viene tostata in modo che il solfuro di zinco si trasformi nel suo ossido, ZnO. La stessa reazione è subita dal solfuro di cadmio:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Se questa miscela di ossidi viene riscaldata con carbone di legna, saranno ridotti ai rispettivi metalli:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Inoltre, lo zinco e il cadmio possono essere prodotti mediante elettrolisi quando gli ossidi si dissolvono nell'acido solforico.

Entrambi i metodi generano uno zinco contaminato dal cadmio. Dopo la fusione, il cadmio può essere distillato sotto vuoto a causa del suo punto di fusione inferiore (321 ° C) rispetto allo zinco (420 ° C).

isotopi

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

- 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%)

Il ¹¹³ Cd è radioattivo, ma a causa di così grande valore medio - vita (t _1/2 = 7,7 × 10 ¹⁵ anni); può essere considerato stabile. E poi c'è il ¹¹⁶ Cd, anch'esso radioattivo, con un'emivita di 3,1 · 10 ¹⁹ anni, quindi può essere considerato un isotopo stabile, rappresentando il 7,51% del cadmio.

Si noti che la massa atomica media è 112,414 u, più vicina a 112 che a 114. L'esistenza di un isotopo predominante sopra gli altri non è stata osservata nel cadmio.

rischi

Generale

L'assorbimento del cadmio avviene principalmente dal cibo, in particolare fegato, funghi, crostacei, cacao in polvere e alghe essiccate.

Un caso emblematico si è verificato in Cina nel secolo scorso, dove c'era una significativa contaminazione da cadmio nella popolazione. La contaminazione da cadmio era dovuta alla sua alta concentrazione nel riso, causata dalla presenza di cadmio nei terreni delle colture cerealicole.

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

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

Un'inalazione acuta di cadmio può produrre sintomi simili a quelli osservati in un processo simil-influenzale; come raffreddore, febbre e dolori muscolari, che possono causare danni ai polmoni. Nel frattempo, l'esposizione cronica al cadmio può causare malattie ai polmoni, ai reni e alle ossa.

Effetto sui reni

Nei reni, il cadmio provoca solitamente un'alterazione nel metabolismo del fosforo e del calcio, evidenziata da un aumento della produzione di calcoli renali. Inoltre, provoca danni ai reni che si manifestano nella comparsa nelle urine della proteina trasportatrice del retinolo e della β-2-microglobulina.

Effetto sulla riproduzione

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

Danno osseo

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

cancerogenesi

Sebbene esperimenti sui ratti abbiano stabilito una relazione tra cadmio e cancro alla prostata, ciò non è stato dimostrato negli esseri umani. È stata dimostrata un'associazione tra cadmio e cancro del rene ed è stata anche collegata al cancro ai polmoni.

applicazioni

Batteri ricaricabili al nichel cadmio

Diverse celle o batterie Ni-Cd. Fonte: Boffy b tramite Wikipedia.

L'idrossido di cadmio è stato utilizzato come catodo nelle batterie Ni-Cd. Questi sono stati utilizzati nell'industria ferroviaria e aeronautica, nonché in strumenti per uso collettivo tra cui telefoni cellulari, videocamere, laptop, ecc.

Il consumo di cadmio per la produzione di batterie Ni-Cd ha rappresentato l'80% della produzione di cadmio. Tuttavia, a causa della tossicità di questo elemento, le batterie Ni-Cd sono state gradualmente sostituite da batterie al nichel-metallo idruro.

pigmenti

Rosso cadmio. Fonte: Marco Almbauer

Il solfuro di cadmio è usato come pigmento giallo e il seleniuro di cadmio come pigmento rosso, noto come rosso di cadmio. Questi pigmenti sono caratterizzati dalla loro brillantezza e intensità, motivo per cui sono stati utilizzati in plastica, ceramica, vetro, smalti e colori artistici.

È stato notato che il pittore Vincent Van Gogh ha utilizzato pigmenti di cadmio nei suoi dipinti, che gli hanno permesso di ottenere una varietà di rossi, arancioni e gialli brillanti.

La colorazione dei pigmenti di cadmio deve essere attenuata prima di essere macinata con oli o miscelata ad acquerelli e acrilici.

tv

I componenti contenenti cadmio sono stati utilizzati nel fosforo dei televisori in bianco e nero, nonché nei fosfori blu e verdi per i tubi catodici dei televisori a colori.

Il fosforo faceva parte dello schermo che è stato irradiato dai raggi catodici, essendo responsabile della formazione dell'immagine. Il cadmio, nonostante la sua tossicità, ha iniziato ad essere utilizzato nei televisori QLED di recente creazione.

Stabilizzazione in PVC

I composti di cadmio formati con carbossilato, laurato e stearato sono stati usati come stabilizzanti per il cloruro di polivinile, poiché ritardano la degradazione prodotta dall'esposizione al calore e alla luce ultravioletta che decompongono il PVC durante il suo processo di fabbricazione.

A causa della tossicità del cadmio, ancora una volta, gli stabilizzatori di PVC legati al cadmio sono stati sostituiti da altri stabilizzanti, come zinco-bario, zinco-calcio e stagno organico.

leghe

Il cadmio è stato utilizzato nelle leghe per cuscinetti a causa della sua elevata resistenza alla fatica e del basso coefficiente di attrito. Il cadmio ha un punto di fusione relativamente basso, quindi viene utilizzato nelle leghe a basso punto di fusione ed è un componente in aggiunta a molti tipi di saldature.

Il cadmio può anche essere utilizzato in leghe elettricamente conduttive, termicamente conduttive e per contatti elettrici.

copertura

Il cadmio viene utilizzato per proteggere acciaio, alluminio e altri elementi di fissaggio di metalli non ferrosi, nonché parti mobili. Il rivestimento al cadmio fornisce protezione contro la corrosione nei mezzi salini e alcalini. Inoltre, funge da lubrificante.

Il cadmio è anche utilizzato 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 sua capacità di catturare i neutroni, il che rende possibile controllare i neutroni in eccesso dalla fissione nucleare, evitando fissioni nucleari aggiuntive.

Semiconduttori

Il seleniuro di cadmio e il tellururo sono composti che agiscono come semiconduttori nel rilevamento della luce e nelle celle solari. HgCdTe è sensibile alla luce infrarossa e viene utilizzato come rilevatore di movimento e come interruttore per dispositivi di controllo remoto.

biologia

Luce laser He-Cd. Fonte: Rather Anonymous (https://www.flickr.com/photos//35766549)

Helium-Cd è coinvolto nella formazione di un raggio laser di luce blu-violetta con una lunghezza d'onda compresa tra 325 e 422 nm, utilizzabile nei microscopi a fluorescenza.

Il cadmio è utilizzato in biologia molecolare per bloccare i canali del calcio, a seconda del potenziale di membrana.

Riferimenti

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