CADMI (CD): HISTÒRIA, PROPIETATS, ESTRUCTURA, USOS - QUIMICA - 2026

El cadmi (Cd) és un metall de transició o postransicional de nombre atòmic 48 i de color platejat. És mal·leable i dúctil, amb punts de fusió i ebullició relativament baixos. El cadmi és un element rar i gairebé no té una concentració de 0,2 g / tona d'escorça terrestre.

La greenockita (CdS) és l'única mena important de l'cadmi que presenta una coloració groga intensa. El cadmi es troba associat amb el cinc a l'esfalerita (ZnS), la qual conté entre 0,1 i 03% de la cadmi com catió Cd ²⁺.

Cristalls de cadmi. Font: Hi-Res Images ofChemical Elements

A l'processar la esfalerita per a l'obtenció, fosa i refinació de el zinc, s'obté en forma secundària el cadmi, sent aquesta la seva principal font de producció.

Aquest metall va ser descobert en 1817, en forma independent per Friedrich Stromayer i Karl Hermann. Stromayer batejar el nou element amb el nom de cadmium, originat de la paraula llatina "cadmia", terme com es coneixia a la calamina (carbonat de zinc).

El cadmi és un element químic amb el símbol Cd i el seu nombre atòmic és el 48. Font: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

El cadmi és un element de gran utilitat i nombroses aplicacions, com ara anticorrosiu de l'ferro, acer i metalls no fèrrics; ús com a pigment; estabilització de l'PVC; element en aliatges usades en soldadures; bateries de níquel-cadmi recarregables, etc.

No obstant això, és un element molt tòxic que provoca danys severs en els pulmons, ronyons i en els ossos, i inclusivament se li ha assenyalat una acció carcinogènica, raó per la qual s'ha limitat el seu ús. Però tot i això, s'ha continuat emprant acuradament en algunes aplicacions.

història

- Doble descobriment

El cadmi va ser descobert per Friedrich Stromayer, un químic alemany, en l'any de 1817 en una mostra de carbonat de zinc (calamina). Aquest mateix any, KSL Hermann i JCH Roloff van fer el mateix descobriment, en forma independent, en un experiment realitzat amb sulfur de zinc.

S'ha assenyalat que Stromayer va fer el seu descobriment durant el compliment d'una sol·licitud de govern per inspeccionar les farmàcies de la ciutat de Hildesheim, Alemanya. L'òxid de zinc, a l'igual que ara, s'usava en el tractament de certes afeccions de la pell.

Sembla ser que les farmàcies no expedien l'òxid de zinc, sinó en el seu lloc venien el carbonat de zinc: matèria primera per a la producció d'òxid de zinc. Els fabricants de l'òxid de zinc argumentaven que a l'escalfar el carbonat de zinc es produïa un "òxid de zinc" de color groc.

Òxid de cadmi

No podien vendre aquest "òxid de zinc", ja que el color de l'compost normalment era blanc; i en el seu lloc, venien el carbonat de zinc, també de color blanc. Davant d'aquesta situació, Stromayer va decidir estudiar el supòsit òxid de zinc groc.

Per a això, va escalfar mostres de l'carbonat de zinc (calamina) i es va produir un òxid de zinc groc, tal com se li havia informat. Després d'analitzar-ho, va concloure que el color groc era producte per la presència d'un òxid metàl·lic d'un nou element.

Després d'extreure aquest nou òxid metàl·lic, va produir la seva reducció, aconseguint l'aïllament de l'cadmi. Stromayer li va determinar la seva densitat i va obtenir un valor de 8,75 g / cm ³, proper a la valor conegut actualment per a aquest paràmetre (8,65 g / cm ³).

Així mateix, Stromayer ha assenyalat que el nou element tenia una aparença semblant a l'platí, i que a més era present en molts compostos de zinc, i inclusivament, al zinc purificat.

Stromayer va suggerir el nom de "cadmium" provinent de la veu llatina "cadmia", nom amb què es denominava a la calamina, ZnCO ₃.

Cadmi en el sulfur de zinc

Karl Hermann (1817) va trobar un color groc no esperat quan processava el sulfur de zinc i va pensar que podia ser una contaminació amb arsènic. Però un cop descartada aquesta possibilitat, Hermann es va adonar que estava en presència d'un nou element.

- Aplicacions

1840-1940

En la dècada de 1840 va començar a explotar-se comercialment l'ús de l'cadmi com a pigment. El Codex Farmacèutic Britànic assenyala el 1907 l'ús de l'iodur de cadmi com a medicament per tractar "articulacions engrandides", glàndules escrofulosas i penellons.

En les dècades de 1930 i 1940, la producció de cadmi estava destinada a l'platinat de l'acer i de el ferro per protegir-los de la corrosió. En la dècada de 1950, es va usar compostos de el cadmi, com el sulfur de cadmi i el selenuro de cadmi com a fonts de pigments vermells, ataronjats i grocs.

1970-1990

En les dècades de 1970 i 1980 es va descobrir que els compostos laurat de cadmi i estearat de cadmi eren estabilitzadors de l'PVC, el que va produir un increment en la demanda de cadmi. No obstant això, les regulacions ambientals per la toxicitat de l'cadmi, va provocar una disminució en el seu consum.

En les dècades de 1980 i 1990 va deixar d'usar-se el cadmi en moltes de les seves aplicacions, però després va augmentar la seva producció amb la creació de les bateries recarregables de níquel-cadmi, les quals van arribar a representar el 80% de l'consum de cadmi als Estats Units.

Propietats físiques i químiques de l'cadmi

aparença

Blanc grisenc platejat amb llustre metàl·lic i tou. Es torna trencadís per l'exposició a 80 ºC, podent-se tallar amb un ganivet. És mal·leable i es poden formar rotllos amb ell.

Pes atòmic estàndard

112,414 o

Nombre atòmic (Z)

48

Categoria de l'element

Metall postransicional, alternativament considerat un metall de transició. La definició de la IUPAC d'un metall de transició és aquell els àtoms tenen una subcapa d incompleta o que poden donar lloc a cations amb una subcapa d incompleta.

D'acord a aquesta definició, el cadmi no és un metall de transició ja que el seu catió Cd ²⁺ té els seus orbitals 4d completament plens d'electrons (4d ¹⁰).

olor

inodor

Punt de fusió

321,07 ºC

Punt d'ebullició

767 ºC

densitat

Temperatura ambient: 8,65 g / cm ³

En el punt de fusió (líquid): 7,996 g / cm ³

Calor de fusió

6,21 kJ / mol

Calor de vaporització

99,87 kJ / mol

Capacitat calòrica molar

26,020 J / (mol · K)

electronegativitat

1,6 en l'escala de Pauling

Energies d'ionització

Primera: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gasós)

Segona: 1631,4 kJ / mol (Cd ²⁺ gasós)

Tercera: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ gasós)

conductivitat tèrmica

96,6 W / (m · K)

resistivitat

72,7 nΩ · ma 22 ºC

duresa

2,0 en l'escala Mohs. És un metall, encara que dens, considerablement tou.

estabilitat

És lentament oxidat per l'aire humit per formar òxid de cadmi, la qual cosa entela la seva lluentor metàl·lica. No és inflamable, però en forma de pols pot cremar i experimentar acte ignició.

Auto-ignició

250 ºC per al cadmi és forma de pols.

Índex de refracció

1,8 a 20 ° C

reactivitat

El cadmi pot cremar en l'aire per formar l'òxid de cadmi (CaO), una pols amorf de color marró, mentre la forma cristal·lina és de color vermell fosc.

El cadmi reacciona ràpidament amb l'àcid nítric diluït, i lentament amb l'àcid clorhídric en calent. També és capaç de reaccionar amb l'àcid sulfúric, però no reacciona amb els àlcalis. En totes aquestes reaccions es forma sals de cadmi de les seves corresponents anions (Cl ^-) o oxoanions (NO ₃ ^- i SO ₄ ^2-).

Estructura i configuració electrònica

Diagrama de capa d'electrons de l'Cadmi, l'element 48 en la taula periòdica. Font: Pumbaa (original work by Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Els àtoms de cadmi del seu vidre estableixen un enllaç metàl·lic a partir dels seus electrons de valència, els quals se situen en els orbitals 4d i 5s d'acord a la seva configuració electrònica:

4d ¹⁰ 5s ²

No obstant això, encara que els orbitals 4d estiguin plens d'electrons, i que es pugui pensar a més que el "mar d'electrons" sigui abundant com per cohesionar fortament els àtoms Cd, en realitat les interaccions són febles. Això pot demostrar experimentalment amb el seu baix punt de fusió (321 ° C), comparat a el d'altres metalls de transició.

Per això, i altres raons químiques, el cadmi de vegades no se'l considera un metall de transició. Hi ha tants electrons (dotze) involucrats en el seu enllaç metàl·lic, que comencen a pertorbar en summe grau seves repulsions negatives; la qual cosa, juntament amb la diferència energètica entre els orbitals 4d plens i els 5s, debiliten la interacció Cd-Cd.

Els àtoms Cd acaben definint una estructura cristal·lina hexagonal compacta (hcp), la qual no pateix transicions de fase abans de la seva punt de fusió. Quan els vidres hcp de cadmi es sotmeten a una pressió equivalent a 10 GPa, l'estructura només es deforma; però sense que es reporti canvi de fase algun.

Números d'oxidació

El cadmi no pot perdre els 12 electrons de valència; de fet, no pot perdre si més no un dels seus orbitals 4d, més estables en energia en comparació a l'orbital 5s. Per tant només pot perdre els dos electrons de l'orbital 5s ², sent en conseqüència un metall divalent; tal com succeeix amb el zinc, mercuri i els metalls alcalinoterris (Sr. Becambara).

Quan en els seus compostos s'assumeix l'existència de l'catió Cd ²⁺, es diu llavors que el cadmi té un nombre o estat d'oxidació de +2. Aquest és el seu principal nombre d'oxidació. Per exemple, els següents compostos contenen a el cadmi com +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2-), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^-), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2-) i Cd (NO ₃) ₂.

A més d'aquest nombre d'oxidació, també hi ha el +1 (Cd ⁺) i el -2 (Cd ^2-). El nombre d'oxidació +1 s'observa en el dicatión Cd ₂ ²⁺, en què cada àtom de cadmi posseeix una càrrega positiva. Mentrestant, el -2 és força estrany, i s'aplicaria per l'anió "cadmuro".

On es troba i obtenció

Cristalls de greenockita. Font: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

El cadmi és un element rar que té una concentració de 0,2 g / tona de l'escorça terrestre. L'únic mineral important de l'cadmi és la greenockita (CdS), la qual no és explotable des del punt de vista miner i comercial.

El cadmi es troba associat a l'zinc en el mineral esfalerita (ZnS), el qual sol contenir-se a una concentració que oscil·la entre el 0,1% i el 0,3%; però en alguns casos la concentració de cadmi en l'esfalerita pot arribar al 1,4%.

Les roques processades per a l'obtenció de fertilitzants de fòsfor poden tenir una concentració de cadmi de 300 mg / kg de fertilitzant. També el carbó pot contenir quantitats petites, però significatives de cadmi.

Una font important de cadmi són les emissions volcàniques que pot portar el cadmi a les aigües superficials. L'ús de fertilitzants fosfòrics en els sòls d'ús agrícola ha comportat la seva contaminació amb cadmi.

El cadmi present en els sòls àcids és absorbible pels vegetals. Alguns dels vegetals són utilitzats per l'home com aliments, el que explica com la ingesta d'aigua i aliments és la font principal d'ingrés de cadmi en les persones no exposades professionalment o fumadores.

Tractament de l'esfalerita

Durant l'explotació minera, fosa i refinació de el zinc present en l'esfalerita, se sol obtenir el cadmi com un producte secundari. També passa un fet semblant, encara que en molt menor grau, durant el processament de l'coure i el plom.

Igualment, es poden obtenir petites quantitats de cadmi producte de l'reciclatge de l'ferro i de les deixalles d'acer.

La esfalerita se sotmet a torrat perquè el sulfur de zinc es transformi en el seu òxid, ZnO. La mateixa reacció la pateix el sulfur de cadmi:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Si aquesta barreja d'òxid s'escalfa amb carbó, es reduiran als seus respectius metalls:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

Així mateix, el zinc i cadmi poden produir-se mitjançant l'electròlisi a l'dissoldre els òxids en àcid sulfúric.

Qualsevol dels dos mètodes genera un zinc contaminat amb cadmi. A l'fondre, el cadmi pot destil·lar a el buit a causa del seu menor punt de fusió (321 ° C) en comparació a el de zinc (420 ° C).

isòtops

Entre els isòtops naturals i estables de l'cadmi tenim, amb les seves respectives abundàncies aquí a la 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%)

El ¹¹³ Cd és radioactiu, però a causa de la valor tan gran de la seva vida mitjana (t _1/2 = 7,7 · 10 ¹⁵ anys), pot considerar estable. I després hi ha el ¹¹⁶ Cd, també radioactiu, amb una vida mitjana de 3,1 · 10 ¹⁹ anys, pel que pot considerar-se un isòtop estable, representant el 7,51% de l'cadmi.

Cal notar que la massa atòmica mitjana és de 112,414 o, més propera 112 que de 114. No s'observa en el cadmi l'existència d'un isòtop predominant per sobre dels altres.

Riscos

Generals

L'absorció de cadmi ocorre principalment pels aliments, especialment el fetge, els xampinyons, mariscs, cacau en pols i algues seques.

Un cas emblemàtic passar a la Xina al segle passat, on hi va haver una contaminació important amb cadmi en la població. La contaminació de cadmi va ser deguda a la seva alta concentració en l'arròs, causat per la presència de cadmi en els sòls de cultiu de l'cereal.

Un fumador té de mitjana una ingesta de 60 mg / dia. La màxima concentració de l'cadmi permesa en la sang és de 15 mg / dia. Els no fumadors tenen una concentració de cadmi a la sang al voltant de 0,5 mg / L.

Els pulmons absorbeixen entre el 40 i el 60% de l'cadmi present en el fum de tabac. El cadmi absorbit en els pulmons és transportat a la sang, formant complexos amb proteïnes, cisteïna i glutationa, els quals acaben després en el fetge, els ronyons, etc.

Una inhalació aguda de cadmi pot produir símptomes semblants als observats en un procés gripal; com ara refredat, febre i dolors musculars, podent causar un dany pulmonar. Mentrestant, l'exposició crònica a el cadmi pot causar malaltia dels pulmons, els ronyons i els ossos.

Efecte sobre els ronyons

En els ronyons, el cadmi sol provocar una alteració en el metabolisme de l'fòsfor i el calci, posada en evidència per un increment en la producció de càlculs renals. A més, provoca dany renal manifestat en l'aparició en l'orina de la proteïna transportadora de retinol i la β-2-microglobulina.

Efecte en la reproducció

L'exposició materna a l'cadmi està associada amb un baix pes de l'infant a l'néixer i un increment en la taxa d'avortaments espontanis.

dany ossi

El cadmi està relacionat al Japó amb la presència de la malaltia d'Itai-Itai al segle passat. Aquesta malaltia es caracteritza per una baixa mineralització de l'os, fragilitat òssia amb alta taxa de fractures, increment de l'osteoporosi i dolor ossi.

carcinogènesi

Encara experiments realitzats en rates van establir una relació entre el cadmi i el càncer prostàtic, aquesta no ha estat demostrada en humans. S'ha posat en evidència una associació entre el cadmi i el càncer renal, i també se li ha vinculat amb el càncer pulmonar.

usos

Bacteris recarregables níquel-cadmi

Diferents piles o bateries de Ni-Cd. Font: Boffy b via Wikipedia.

L'hidròxid de cadmi es va utilitzar com a càtode en les bateries Ni-Cd. Aquestes es van usar en la indústria ferroviària i aeronàutica, així com en instruments d'ús col·lectiu que inclouen telèfons mòbils, càmeres de vídeo, ordinadors portàtils, etc.

El consum de cadmi per a l'elaboració de les bateries Ni-Cd va representar el 80% de la producció de cadmi. No obstant això, a causa de la toxicitat d'aquest element, les bateries Ni-Cd han estat reemplaçades gradualment per les bateries de hidrur de níquel-metall.

pigments

Vermell de cadmi. Font: Marc Almbauer

El sulfur de cadmi s'usa com a pigment groc i el seleniuro de cadmi com a pigment vermell, conegut amb el nom de vermell cadmi. Aquests pigments es caracteritzen per la seva brillantor i intensitat, pel que han estat utilitzats en plàstics, ceràmiques, vidres, esmalts i colors artístics.

S'ha assenyalat que el pintor Vincent Van Gogh feia servir en les seves pintures pigments de cadmi, els quals li permetien la consecució d'una varietat de vermells, ataronjats i grocs brillants.

La coloració dels pigments de cadmi ha de ser atenuada abans de ser mòlts amb olis o barrejats en aquarel·les i acrílics.

televisió

Components que contenen cadmi es van utilitzar en el fòsfor dels televisors en blanc i negre, així com en els llumins blau i verd per als tubs d'imatge de la televisió a color.

El fòsfor formava part de la pantalla que era irradiada per raigs catòdics, i és responsable de formació de la imatge. El cadmi, malgrat la seva toxicitat, ha començat a utilitzar-se en els televisors QLED de creació recent.

Estabilització de l'PVC

Compostos de cadmi formats amb el carboxilat, el laurato i el estereato van ser usats com estabilitzants de el clorur de polivinil, ja que retarden la degradació produïda per l'exposició a la calor ia la llum ultraviolada que descomponen el PVC durant el seu procés de fabricació.

A causa de la toxicitat de l'cadmi, una altra vegada, han estat reemplaçats els estabilitzants de PVC units a l'cadmi per altres estabilitzants, com el bari-zinc, el calci-zinc i el organoestaño.

aliatges

El cadmi ha estat utilitzat en aliatges per a rodaments per la seva alta resistència a la fatiga i baix coeficient de fricció. El cadmi té un punt de fusió relativament baix, per la qual cosa s'usa en aliatges de baix punt de fusió, i és component més de molts tipus de soldadures.

També el cadmi pot utilitzar-se en aliatges de conductivitat elèctrica, de conductivitat tèrmiques i de contacte elèctric.

recobriment

El cadmi s'utilitza per a la protecció de l'acer, l'alumini i altres elements de fixació de metalls no fèrrics, així com de peces mòbils. El recobriment de cadmi subministra protecció a la corrosió en aquells mitjans salins i alcalins. A més, serveix com a lubricant.

També s'empra el cadmi en moltes aplicacions elèctriques i electròniques que necessiten de resistència a la corrosió i baixa resistivitat elèctrica.

reactors nuclears

El cadmi es fa servir en els reactors nuclears per la seva capacitat de captar els neutrons, el que permet controlar l'excés de neutrons producte de la fissió nuclear, evitant fissions nuclears addicionals.

Semiconductors

El seleniur i teluriuro de cadmi són compostos que compleixen la funció de semiconductors en la detecció de la llum i en les cel·les solars. El HgCdTe és sensible a la llum infraroja i s'usa com a detector de moviment, així com en un interruptor per als dispositius de control remot.

Biologia

Llum de el làser He-Cd. Font: Rather Anonymous (https://www.flickr.com/photos//35766549)

L'heli-Cd intervenen en la formació d'un raig làser de llum blau-violeta d'una longitud ona que oscil·la entre 325 i 422 nm, utilitzable en els microscopis de fluorescència.

El cadmi s'usa en biologia molecular per bloquejar els canals de calci, dependents de l'potencial de membrana.

referències

1. Wikipedia. (2019). Cadmium. Recuperat de: en.wikipedia.org
2. Selva VR & et al. (2014). High pressure and temperature structure of líquid and solid Cd: Implications for the melting curve of Cd. Recuperat de: researchgate.net
3. Dr. Dough Stewart. (2019). Cadmium Element Facts. Recuperat de: chemicool.com
4. National Center for Biotechnology Information. (2019). Cadmium. PubChem Database. CID = 23.973. Recuperat de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Godt, J., Scheidig, F., Grosse-Siestrup, C., Esche, V., Brandenburg, P., Reich, A., & Groneberg, DA (2006). The toxicity of cadmium and resulting hazards for human health. Journal of Occupational medicine and toxicology (London, England), 1, 22. doi: 10.1186 / 1745-6673-1-22
6. Ros Rachel. (30 de juliol del 2018). Facts about camium. Recuperat de: livescience.com
7. The Editors of Encyclopaedia Britannica. (06 de setembre del 2018). Cadmium. Encyclopædia Britannica. Recuperat de: britannica.com
8. International Cadmium Association. (Sf). Cadmium applications. Recuperat de: cadmium.org
9. Lenntech BV (2019). Cadmium. Recuperat de: lenntech.com