Kadmium

A kadmium (nyelvújításkori magyar nevén: kadany) az átmenetifémek közé tartozó kémiai elem. A rendszáma 48, a vegyjele Cd. Friedrich Stromeyer 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. A szó közvetve Kadmosz, Théba alapítójának nevéből származik.

48 ezüst ← kadmium → indium Zn ↑ Cd ↓ Hg 48 Cd Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	kadmium, Cd, 48
Latin megnevezés	cadmium
Elemi sorozat	átmenetifémek
Csoport, periódus, mező	12, 5, d
Megjelenés	ezüstszürke fémes
Atomtömeg	112,411(4) g/mol
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
Elektromos ellenállás	(22 °C) 72,7 nΩ·m
Hővezetési 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 modulus	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 természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 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 (β−β−) 0,540 114Sn 115Cd mest. 53,46 óra β− 1,446 115In 116Cd 7,49% 3,1·1019 év β−β− 2,809 116Sn
A zárójelben megadott bomlási módok elméleti előrejelzések, azokat kísérletileg még nem figyelték meg
Hivatkozások

Története

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 feljogosította 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”.

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

Igen ritka elem, átlagos gyakorisága a földkéregben 0,15 g/t (0,000015%). 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. 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 kadmiumtermelő országok (2009-ben):

• Kína,
• Japán,
• Dél-Korea;

másodlagos jelentőségű:

• Mexikó,
• USA,
• Hollandia,
• India,
• Egyesült Királyság,
• Peru,
• Németország;

kisebb mennyiségeket termelnek további 15 országban.

Előállítása

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, miképp 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 oxigénnel, mint a cink. Végül ezt a keveréket koksszal elegyítik, és a kadmiumot ledesztillálják a cinkről. Frakcionált desztillációval a fémek tovább tisztíthatók.

A nedves eljárásban az oldatban levő kadmiumionokat cinkporral redukálják és választják ki. A keletkező kadmiumot oxigénnel oxidálják, és kénsavban oldják. Ebből a kadmium-szulfát oldatból alumíniumanóddal és ólomkatóddal végzett elektrolízissel választják ki a kadmiumot.

Tulajdonságai

Fizikai tulajdonságai

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%.

Kémiai tulajdonságai

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 – ezt a vegyületet 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

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

$\mathrm {CdO+Na_{2}C_{2}O_{4}\rightarrow Cd+Na_{2}CO_{3}+CO_{2}}$

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 szulfidoldattal 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. Az ultranyomtartományban higanyelektródos inverzvoltammetria használható. Eredményes lehet a grafitcsöves atomspektrometria is; ezzel a technikával a kadmium már 0,003 µg/l koncentrációban is kimutatható.

Vegyületei

A kadmium fontosabb vegyületei a következők:

Oxidok és hidroxidok

• Kadmium-oxid CdO
• Kadmium-hidroxid Cd(OH)₂

Halogenidek

• Kadmium-fluorid CdF₂
• Kadmium-klorid CdCl₂
• Kadmium-bromid CdBr₂
• Kadmium-jodid CdI₂

Kalkogenidek

• Kadmium-szulfid CdS
• Kadmium-szelenid CdSe
• Kadmium-tellurid CdTe

Egyéb vegyületek

• Kadmium-szulfát CdSO₄
• Kadmium-nitrát Cd(NO₃)₂
• Kadmium-cianid Cd(CN)₂
• Kadmium-sztearát Cd(C₁₇H₃₅COO)₂

Veszélyei

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

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.

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

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

• 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

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.

Felhasználása

A kadmiumot korrózióvédelemre, akkumulátorcellák elektródjának, atommaghasadás szabályozására, könnyen olvadó ötvözetek előállítására, a napelemgyártásban (tellúrral ötvözve), festékek készítésére alkalmazzák. 2011 decemberétől az Európai Unió betiltotta a kadmium használatát ékszerekben, ötvözetekben és PVC-ben. 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 gamma-sugárzás 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
• kadmiumlámpa
• hélium-kadmium lézer
• elektrofiziológiában feszültségaktív kalciumcsatornák blokkolására
• üveg színezése sárgára, narancssárgára és vörösre

Források

• 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.

További információk

• a magyar Wikipédia kadmiumot tartalmazó vegyületeinek listája