镉（CD）：历史，性质，结构，用途 - 化学

的镉（Cd）的是过渡金属或交 - 过渡原子序数48和银。它具有延展性和延展性，熔点和沸点相对较低。镉是一种稀有元素，地壳的浓度仅为0.2克/吨。

Greenockite（CdS）是唯一具有深黄色的重要镉矿石。在闪锌矿（ZnS）中发现镉与锌相关，其中镉含量为0.1％至03％，为Cd ²⁺阳离子。

镉晶体。来源：化学元素的高分辨率图像

在加工闪锌矿以获得，冶炼和精炼锌时，会以辅助形式获得镉，这是镉的主要生产来源。

该金属于1817年由Friedrich Stromayer和Karl Hermann独立发现。斯特马耶（Stromayer）用镉的名字为这个新元素施洗，其源自拉丁语“ cadmia”，该术语被称为炉甘石（碳酸锌）。

镉是化学元素，符号为Cd，原子序数为48。来源：Albedo-ukr CC BY-SA 2.5（http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/）

镉是一种具有广泛用途和广泛应用的元素，例如铁，钢和有色金属的防腐剂；用作颜料；PVC的稳定化；焊接合金中的元素；可充电镍镉电池等

然而，它是一种剧毒元素，会对肺，肾和骨骼造成严重损害，甚至据报道它具有致癌作用，这就是其使用受到限制的原因。但是尽管如此，它仍继续在某些应用中谨慎使用。

历史

-双重发现

镉是由德国化学家弗里德里希·斯特罗马耶（Friedrich Stromayer）于1817年在碳酸锌（三聚氰胺）样品中发现的。同年，KSL Hermann和JCH Roloff在硫化锌的实验中独立做出了相同的发现。

据报道，Stromayer在遵守政府要求检查德国希尔德斯海姆市药房时发现了他。现在，氧化锌用于治疗某些皮肤疾病。

药店似乎没有运送氧化锌，而是出售了碳酸锌：一种生产氧化锌的原料。氧化锌的制造商认为加热碳酸锌会产生黄色的“氧化锌”。

氧化镉

他们无法出售这种“氧化锌”，因为该化合物的颜色通常为白色。相反，他们出售的碳酸锌也为白色。面对这种情况，Stromayer决定研究所谓的黄色氧化锌。

为此，据报道，他加热了碳酸锌（甘胺）的样品并产生了黄色的氧化锌。经过分析，他得出黄色是由新元素的金属氧化物引起的。

提取这种新的金属氧化物后，它产生了还原作用，实现了镉的分离。Stromayer确定其密度，并获得8.75 g / cm ³的值，接近该参数当前已知的值（8.65 g / cm ³）。

此外，斯特马耶指出，这种新元素的外观类似于铂，并且它也存在于许多锌化合物中，甚至存在于纯锌中。

Stromayer在拉丁语“ cadmia”中建议使用“镉”的名称，即cal胺，ZnCO ₃的名称。

硫化锌中的镉

Karl Hermann（1817）在处理硫化锌时发现了意外的黄色，并认为这可能是砷污染。但是一旦排除了这种可能性，赫尔曼就意识到他存在一个新的元素。

-应用

1840-1940年

在1840年代，使用镉作为颜料开始在商业上得到开发。英国药品法典在1907年指出使用碘化镉作为治疗“关节肿大”，阴囊腺和冰l的药物。

在1930年代和1940年代，镉生产的目标是电镀钢和铁，以保护它们免受腐蚀。在1950年代，诸如硫化镉和硒化镉之类的镉化合物被用作红色，橙色和黄色颜料的来源。

1970-1990

在1970年代和1980年代，发现月桂酸镉和硬脂酸镉的化合物是PVC的稳定剂，导致对镉的需求增加。但是，由于镉的毒性，环境法规导致其消耗量减少。

在1980年代和1990年代，镉不再用于其许多用途，但随后随着可充电镍镉电池的问世，其产量增加了，这代表了美国80％的镉消耗量。。

镉的理化特性

出现

银色灰白色，具有柔软的金属光泽。暴露于80ºC时会变脆，可用刀切开。它具有延展性，可以卷成卷。

标准原子量

112,414你

原子序数（Z）

项目类别

后过渡金属，或者被认为是过渡金属。过渡金属的IUPAC定义是这样的原子，其原子具有不完整的d子壳或可以引起阳离子而具有不完整的d子壳。

根据该定义，镉不是过渡金属，因为镉的Cd ²⁺阳离子的4d轨道完全充满了电子（4d ¹⁰）。

气味

厕所

熔点

321.07摄氏度

沸点

767摄氏度

密度

环境温度：8.65克/厘米³

熔点（液体）：7.996 g / cm ³

熔化热

6.21 kJ /摩尔

汽化热

99.87 kJ /摩尔

摩尔热容量

26.020 J /（摩尔K）

电负性

鲍林规模1.6

电离能

第一：867.8 kJ / mol（Cd ⁺气体）

第二：1631.4 kJ / mol（Cd ²⁺气态）

第三：3616 kJ / mol（Cd ³⁺气态）

导热系数

96.6瓦/（mK）

电阻率

22ºC时为72.7nΩ·m

硬度

莫氏刻度为2.0。它是一种金属，尽管很稠密，但相当柔软。

稳定性

它会在潮湿空气中缓慢氧化形成氧化镉，从而使其金属光泽失去光泽。它不易燃，但以粉末形式可以燃烧和自燃。

自燃

镉的250ºC为粉末形式。

折光率

在20ºC时为1.8

反应性

镉可在空气中燃烧形成氧化镉（CaO），一种棕色无定形粉末，而结晶形式为深红色。

镉与稀硝酸迅速反应，与热盐酸缓慢反应。它也能够与硫酸反应，但不与碱反应。在所有这些反应中，其相应的阴离子（CL的镉盐^- ）或含氧阴离子（NO ₃ ^-和SO ₄ ^2-的形成）。

结构和电子配置

镉的电子外壳图，元素周期表中的元素48。来源：Pumbaa（Greg Robson的原创作品）CC BY-SA 2.0（http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/）

其晶体中的镉原子由其价电子建立金属键，这些价电子根据其电子构型位于4d和5s轨道中：

4天¹⁰ 5秒²

但是，尽管4d轨道上充满了电子，并且也可能认为``电子海''足够丰富以牢固地结合Cd原子，但实际上相互作用很弱。与其他过渡金属相比，这可以通过低熔点（321°C）的实验来证明。

由于这个和其他化学原因，镉有时不被视为过渡金属。它的金属键中涉及的电子（十二个）太多，以至于它们开始极大地干扰它的负斥力。这与填充的4d和5s轨道之间的能量差异一起削弱了Cd-Cd相互作用。

Cd原子最终定义了紧凑的六边形晶体结构（hcp），该结构在熔点之前不会发生相变。当hcp镉晶体受到等于10 GPa的压力时，结构只会变形；反之，则不会。但没有任何相变报告。

氧化数

镉不能失去十二个价电子。实际上，它甚至不会失去其4d轨道之一，与5s轨道相比，它的能量更稳定。因此，它只能失去5s ²轨道的两个电子，因此是二价金属。锌，汞和碱土金属（Becambara先生）就是这种情况。

当假定其化合物中存在Cd ²⁺阳离子时，则可以说镉的氧化数或状态为+2。这是您的主要氧化数。例如，以下化合物包含的镉为+2：CdO（Cd ²⁺ O ^2-），CdCl ₂（Cd ²⁺ Cl ₂ ^-），CdSO ₄（Cd ²⁺ SO ₄ ^2-）和Cd（NO _3））₂。

除此氧化数外，还存在+1（Cd ⁺）和-2（Cd ^2-）。在Cd ₂ ²⁺指示剂中观察到氧化数+1 ，其中每个镉原子均带有正电荷。同时，-2非常奇怪，并且适用于“镉离子”阴离子。

在哪里找到和获得

绿岩晶体。资料来源：iRocks.com的Rob Lavinsky-CC-BY-SA-3.0

镉是一种稀有元素，在地壳中的含量为0.2克/吨。唯一重要的镉矿物是绿石（CdS），从采矿和商业角度看，这是不可开采的。

在矿物闪锌矿（ZnS）中发现镉与锌相关，其含量通常在0.1％到0.3％之间。但在某些情况下，闪锌矿中的镉浓度可以达到1.4％。

经过加工获得磷肥的岩石中镉的含量为300 mg / kg肥料。煤还可以包含少量但大量的镉。

镉的主要来源是镉可以带入地表水中的火山排放物。在农业土壤中使用磷肥导致其受到镉的污染。

酸性土壤中存在的镉可被植物吸收。某些蔬菜被人类用作食物，这说明了如何摄入水和食物是未接触者或吸烟者镉进入的主要来源。

闪锌矿的处理

在闪锌矿中存在的锌的开采，冶炼和提炼过程中，通常会作为副产物获得镉。在铜和铅的加工过程中也会发生类似的事件，尽管程度要小得多。

同样，通过回收废钢铁可以得到少量的镉。

焙烧闪锌矿，使硫化锌转变成其氧化物ZnO。硫化镉会遭受相同的反应：

2 氧化锌+ 3 O ₂ →2氧化锌+ 2 SO ₂

如果此氧化物混合物与木炭一起加热，它们将被还原成各自的金属：

ZnO + CO→Zn + CO ₂

另外，当氧化物溶解在硫酸中时，可以通过电解产生锌和镉。

两种方法都会产生镉污染的锌。熔化后，由于镉的熔点（321°C）比锌（420°C）低，因此可以进行真空蒸馏。

同位素

在地球上，镉具有自然和稳定的同位素，它们在地球上的丰度分别为：

- ¹⁰⁶镉（1.25％）

- ¹⁰⁸镉（0.89％）

- ¹¹⁰镉（12.47％）

- ¹¹¹镉（12.8％）

- ¹¹²镉（24.11％）

- ¹¹⁴镉（28.75％）

- ¹¹³镉（12.23％）

在¹¹³ Cd为放射性的，但由于这样的极大值半 - 寿命（T _1/2 = 7.7×10 ¹⁵年），可以被认为是稳定的。然后有¹¹⁶ Cd，也具有放射性，半衰期为3.1·10 ¹⁹年，因此可以认为是稳定的同位素，占镉的7.51％。

请注意，平均原子质量为112.414 u，比114更接近112。在镉中未观察到高于其他原子的主要同位素。

风险性

一般

镉吸收主要来自食物，尤其是肝脏，蘑菇，贝类，可可粉和干燥的海藻。

上个世纪在中国发生了一个标志性案例，那里的人口镉污染严重。镉污染是由于谷类作物土壤中存在的镉导致水稻中的高浓度。

吸烟者的平均摄入量为60微克/天。血液中镉的最大浓度为15 µg /天。非吸烟者血液中的镉浓度约为0.5 µg /L。

肺部吸收烟草烟雾中40％至60％的镉。肺中吸收的镉在血液中运输，与蛋白质，半胱氨酸和谷胱甘肽形成复合物，然后最终在肝脏，肾脏等中形成。

急性吸入镉可产生类似于流感样过程中观察到的症状。例如感冒，发烧和肌肉酸痛，可能会导致肺损伤。同时，长期暴露于镉会导致肺，肾和骨骼疾病。

对肾脏的影响

在肾脏中，镉通常会引起磷和钙代谢的改变，这可以通过肾结石的产生增加来证明。此外，它还会引起肾脏损害，表现为尿中视黄醇转运蛋白和β-2-微球蛋白的外观。

对繁殖的影响

孕产妇接触镉会降低儿童的出生体重，并增加自然流产率。

骨骼损伤

镉在上世纪与日本的伊泰伊泰病有关。该疾病的特征是骨矿化低，骨脆性高，骨折率高，骨质疏松症和骨痛。

致癌作用

尽管在大鼠中进行的实验建立了镉与前列腺癌之间的关系，但尚未在人类中证明这一点。镉与肾癌之间的关联已经显示出来，并且也与肺癌有关。

应用领域

镍镉可充电细菌

不同的电池或镍镉电池。资料来源：Boffy b通过维基百科。

氢氧化镉用作Ni-Cd电池的阴极。这些被用于铁路和航空业，以及用于集体使用的仪器，包括手机，摄像机，笔记本电脑等。

用于制造Ni-Cd电池的镉消耗量占镉生产量的80％。但是，由于这种元素的毒性，镍镉电池已逐渐被镍氢电池所取代。

颜料

镉红。资料来源：Marco Almbauer

硫化镉用作黄色颜料，硒化镉用作红色颜料，称为镉红。这些颜料的特点是亮度和强度，这就是为什么它们被用于塑料，陶瓷，玻璃，搪瓷和艺术色彩。

已经注意到画家梵高（Vincent Van Gogh）在他的绘画中使用了镉颜料，这使他获得了各种鲜艳的红色，橙色和黄色。

镉颜料的着色必须先减弱，然后再用油研磨或与水彩颜料和丙烯酸混合。

电视

黑白电视的磷光体以及彩色电视显像管的蓝色和绿色磷光体中都使用了含镉的成分。

荧光粉是屏幕上受阴极射线照射的一部分，负责形成图像。镉尽管具有毒性，但已开始在最近生产的QLED电视中使用。

PVC稳定

与羧酸盐，月桂酸酯和硬脂酸酯形成的镉化合物可用作聚氯乙烯的稳定剂，因为它们会延迟因暴露于热和紫外线中而产生的降解过程，从而使PVC在生产过程中分解。

由于镉的毒性，与镉结合的PVC稳定剂再次被其他稳定剂所取代，例如钡锌，钙锌和有机锡。

合金类

镉由于其高抗疲劳性和低摩擦系数而被用于轴承合金。镉的熔点相对较低，这就是为什么将其用于低熔点合金中的原因，并且它是许多类型焊缝之外的一种成分。

镉也可用于导电，导热和电接触合金。

覆盖

镉用于保护钢，铝和其他有色金属紧固件以及活动部件。镉涂层可在盐和碱性介质中提供腐蚀防护。另外，它用作润滑剂。

镉还用于许多要求耐腐蚀性和低电阻率的电气和电子应用中。

核反应堆

镉因其捕获中子的能力而用于核反应堆，这使控制核裂变产生的过量中子成为可能，从而避免了额外的核裂变。

半导体类

硒化镉和碲化物是在光检测和太阳能电池中充当半导体的化合物。HgCdTe对红外光敏感，可用作运动检测器以及遥控设备的开关。

生物学

He-Cd激光。来源：匿名匿名（https://www.flickr.com/photos//35766549）

氦-镉参与形成蓝紫色光，其波长范围在325至422 nm之间，可用于荧光显微镜。

镉在分子生物学中用于阻止钙通道，具体取决于膜电位。

参考文献

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