- 歴史
- -二重発見
- 酸化カドミウム
- 硫化亜鉛中のカドミウム
- -アプリケーション
- 1840-1940
- 1970-1990
- カドミウムの物理的および化学的特性
- 外観
- 標準原子量
- 原子番号(Z)
- アイテムカテゴリ
- におい
- 融点
- 沸点
- 密度
- 融合熱
- 気化熱
- モルカロリー容量
- 電気陰性
- イオン化エネルギー
- 熱伝導率
- 比抵抗
- 硬度
- 安定
- 自動点火
- 屈折率
- 反応性
- 構造と電子構成
- 酸化数
- 見つけて入手する場所
- 閃亜鉛鉱の処理
- 同位体
- リスク
- 一般的な
- 腎臓への影響
- 生殖への影響
- 骨の損傷
- 発がん
- 用途
- ニッケルカドミウム充電式バクテリア
- 顔料
- テレビ
- 塩ビ安定化
- 合金
- カバー
- 原子炉
- 半導体
- 生物学
- 参考文献
カドミウム(CD)は、遷移金属またはポストである - 移行原子番号48および銀。可鍛性と延性があり、融点と沸点が比較的低くなっています。カドミウムは希少元素であり、地球の地殻の濃度は0.2 g /トンです。
グリノッカイト(CdS)は、黄色が強く着色されている唯一の重要なカドミウム鉱石です。カドミウムは、閃亜鉛鉱(ZnS)の亜鉛に関連していることがわかります。これには、Cd 2+カチオンとして0.1〜03%のカドミウムが含まれます。
カドミウム結晶。出典:化学元素の高解像度画像
閃亜鉛鉱を処理して亜鉛を得、精錬し、精製すると、カドミウムが二次的な形で得られ、これが主な生産源です。
この金属は、フリードリッヒストロマイヤーとカールヘルマンによって独立して1817年に発見されました。ストロマイヤーは、カドミウムという名前の新しい要素にバプテスマを施しました。これは、ラテン語の「カドミア」に由来し、カラミン(炭酸亜鉛)として知られている用語でした。
カドミウムはCdの記号が付いた化学元素であり、その原子番号は48です。出典:Albedo-ukr CC BY-SA 2.5(http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)
カドミウムは、鉄、鋼、非鉄金属の防食剤など、非常に有用で多くの用途の要素です。顔料として使用; PVCの安定化; 溶接に使用される合金の要素; 充電式ニッケルカドミウム電池など
しかし、それは非常に有毒な要素であり、肺、腎臓、骨に深刻な損傷を引き起こし、発癌作用があるとさえ報告されているため、その使用は制限されています。しかし、これにもかかわらず、一部のアプリケーションでは慎重に使用され続けています。
歴史
-二重発見
カドミウムは、1817年にドイツの化学者フリードリッヒストロマイヤーによって炭酸亜鉛(カラミン)のサンプルから発見されました。その同じ年、KSLヘルマンとJCHロロフは硫化亜鉛を使った実験で、独立して同じ発見をしました。
ストロマイヤー氏は、ドイツのヒルデスハイム市の薬局を検査するという政府の要求を満たしている間に発見をしたと報告されています。現在の酸化亜鉛は、特定の皮膚疾患の治療に使用されていました。
薬局は酸化亜鉛を出荷するのではなく、酸化亜鉛を製造するための原料である炭酸亜鉛を販売したようです。酸化亜鉛の製造業者は、炭酸亜鉛を加熱すると黄色の「酸化亜鉛」が生成されると主張しました。
酸化カドミウム
化合物の色は通常白色だったため、彼らはこの「酸化亜鉛」を売ることができませんでした。代わりに、彼らは炭酸亜鉛を販売しました。この状況に直面して、ストロマイヤーは想定される黄色の酸化亜鉛を研究することに決めました。
これを行うために、彼は報告されているように炭酸亜鉛(カラミン)のサンプルを加熱し、黄色の酸化亜鉛を生成しました。それを分析した後、彼は黄色が新しい元素の金属酸化物の存在によって引き起こされたと結論付けました。
この新しい金属酸化物を抽出した後、それは還元をもたらし、カドミウムの分離を達成しました。ストロマイヤーはその密度を測定し、このパラメーターで現在知られている値(8.65 g / cm 3)に近い8.75 g / cm 3の値を得ました。
また、Stromayerは、新しい元素はプラチナに似た外観をしており、多くの亜鉛化合物や精製された亜鉛にも存在していたと指摘しました。
ストロマイヤーは、ラテン語の「カドミア」からカラドム、ZnCO 3に付けられた名前から「カドミウム」の名前を提案しました。
硫化亜鉛中のカドミウム
カールヘルマン(1817)は、硫化亜鉛を処理するときに予期しない黄色を見つけ、それがヒ素汚染である可能性があると考えました。しかし、この可能性が排除されると、ヘルマンは彼が新しい要素の存在下にあることに気づきました。
-アプリケーション
1840-1940
1840年代には、顔料としてのカドミウムの使用が商業的に利用され始めました。イギリスの医薬品コーデックスは、1907年にヨウ化カドミウムを「肥大した関節」、陰部腺、および腰痛の治療薬として使用することを示しています。
1930年代と1940年代には、カドミウムの生産は、鋼と鉄を腐食から保護するためにめっきすることを目的としていました。1950年代には、硫化カドミウムやセレン化カドミウムなどのカドミウム化合物が、赤、オレンジ、黄色の顔料の原料として使用されていました。
1970-1990
ラウリン酸カドミウムおよびステアリン酸カドミウム化合物は、1970年代および1980年代にPVCの安定剤であることがわかり、カドミウムの需要が増加しました。しかし、カドミウムの毒性による環境規制により、その消費量は減少しました。
1980年代から1990年代にかけて、カドミウムは多くの用途で使用されなくなりましたが、その後、米国のカドミウム消費量の80%を占めるようになった充電式ニッケルカドミウム電池の作成により生産が増加しました。 。
カドミウムの物理的および化学的特性
外観
銀色の灰色がかった白で、柔らかな金属光沢があります。80℃にさらすと脆くなり、ナイフで切ることができます。可鍛性があり、ロール状に巻くことができます。
標準原子量
112,414 u
原子番号(Z)
48
アイテムカテゴリ
遷移金属、あるいは遷移金属と見なされます。遷移金属のIUPAC定義は、原子に不完全なdサブシェルがあるか、不完全なdサブシェルを持つカチオンを生じさせる可能性があるものです。
この定義によれば、カドミウムはそのCd 2+カチオンが4d軌道を完全に電子で満たしているため(4d 10)、遷移金属ではありません。
におい
トイレ
融点
321.07ºC
沸点
767ºC
密度
周囲温度:8.65 g / cm 3
融点(液体):7.996 g / cm 3
融合熱
6.21 kJ / mol
気化熱
99.87 kJ / mol
モルカロリー容量
26.020 J /(mol K)
電気陰性
ポーリングスケールの1.6
イオン化エネルギー
最初:867.8 kJ / mol(Cd +ガス)
第二:1631.4 kJ / mol(Cd 2+ガス状)
第三:3616 kJ / mol(Cd 3+ガス状)
熱伝導率
96.6 W /(mK)
比抵抗
22ºCで72.7nΩ・m
硬度
Mohsスケールで2.0。金属ですが、緻密ですがかなり柔らかくなっています。
安定
湿った空気によってゆっくりと酸化されて酸化カドミウムを形成し、金属光沢を損ないます。可燃性ではありませんが、粉末状の場合、燃焼して自然発火する可能性があります。
自動点火
カドミウムの250ºCは粉末状です。
屈折率
20ºCで1.8
反応性
カドミウムは空気中で燃焼して、褐色のアモルファス粉末である酸化カドミウム(CaO)を形成しますが、結晶形は濃い赤色です。
カドミウムは希硝酸と急速に反応し、熱塩酸とゆっくりと反応します。硫酸とも反応しますが、アルカリとは反応しません。すべてのこれらの反応、それに対応する陰イオン(Clでのカドミウム塩で-またはオキソアニオン(NO)3 -及びSO 4 2-)が形成されています。
構造と電子構成
周期表の元素48のカドミウムの電子殻図。出典:Pumbaa(Greg Robsonによる原作)CC BY-SA 2.0(http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)
その結晶のカドミウム原子は、電子の配置に従って4dおよび5s軌道にある価電子から金属結合を確立します。
4d 10 5s 2
ただし、4d軌道は電子でいっぱいですが、「電子の海」はCd原子を強く結合するのに十分豊富であると考えられるかもしれませんが、実際には相互作用は弱いです。これは、他の遷移金属と比較して、融点が低い(321°C)ことで実験的に実証できます。
これやその他の化学的理由により、カドミウムは遷移金属と見なされない場合があります。その金属結合には非常に多くの電子(12)が関与しているため、その負の反発力を大きく乱し始めます。これは、満たされた4dと5s軌道間のエネルギー的な違いとともに、Cd-Cd相互作用を弱めます。
Cd原子は、コンパクトな六角形の結晶構造(hcp)を定義することになり、融点より前に相転移を起こしません。hcpカドミウム結晶が10 GPaに相当する圧力にさらされると、構造は変形するだけです。ただし、相変化は報告されません。
酸化数
カドミウムは12の価電子を失うことはできません。実際、5s軌道と比較してエネルギーが安定している4d軌道の1つでも失うことはありません。したがって、5 s 2軌道の2つの電子しか失うことができず、結果として2価の金属になります。亜鉛、水銀、アルカリ土類金属の場合と同様に(ベカンバラ氏)。
その化合物にCd 2+カチオンの存在が想定されている場合、カドミウムは酸化数または状態が+2であると言われています。これが主な酸化数です。たとえば、次の化合物にはカドミウムが+2として含まれています。CdO(Cd 2+ O 2-)、CdCl 2(Cd 2+ Cl 2 -)、CdSO 4(Cd 2+ SO 4 2-)およびCd(NO 3)2。
この酸化数に加えて、+ 1(Cd +)と-2(Cd 2-)もあります。酸化数+1はCd 2 2+ジカチオンで観察され、各カドミウム原子は正の電荷を持っています。一方、-2はかなり奇妙で、「カドミド」アニオンに適用されます。
見つけて入手する場所
グリノッカイト結晶。出典:Rob Lavinsky、iRocks.com-CC-BY-SA-3.0
カドミウムは、地球の地殻に0.2 g /トンの濃度を持つ希少元素です。唯一の重要なカドミウム鉱物は、グリノッカイト(CdS)です。これは、採鉱および商業の観点からは採掘できません。
カドミウムは鉱物閃亜鉛鉱(ZnS)に含まれる亜鉛と関連しており、通常0.1%から0.3%の範囲の濃度で含まれています。しかし、場合によっては閃亜鉛鉱中のカドミウム濃度が1.4%に達することがあります。
リン肥料を得るために処理された岩石は、300 mg / kg肥料のカドミウム濃度を持つことができます。また、石炭には少量ではあるがかなりの量のカドミウムが含まれている場合があります。
カドミウムの主な発生源は、カドミウムが地表水に持ち込むことができる火山の放出です。農業土壌でのリン肥料の使用は、カドミウムによる汚染をもたらしました。
酸性土壌に存在するカドミウムは植物に吸収されます。一部の野菜は人間が食物として使用します。これは、水と食物の摂取が、曝露していない人や喫煙者のカドミウム侵入の主な原因であることを説明しています。
閃亜鉛鉱の処理
閃亜鉛鉱中に存在する亜鉛の採鉱、精錬、精製の際、カドミウムは通常副産物として得られます。程度は低いですが、銅と鉛の処理中にも同様のイベントが発生します。
同様に、少量のカドミウムが鉄鋼スクラップのリサイクルから得られます。
閃亜鉛鉱は焙焼され、硫化亜鉛がその酸化物であるZnOに変化します。同じ反応は硫化カドミウムによって苦しめられます:
2 ZnS + 3 O 2 →2 ZnO + 2 SO 2
この酸化物混合物を木炭で加熱すると、それらはそれぞれの金属に還元されます。
ZnO + CO→Zn + CO 2
また、亜鉛とカドミウムは、酸化物が硫酸に溶解するため、電気分解によって生成されます。
どちらの方法でも、カドミウムで汚染された亜鉛が生成されます。溶融すると、カドミウムは亜鉛(420°C)と比較して融点が低い(321°C)ため、真空下で蒸留できます。
同位体
私たちが持っている天然で安定したカドミウムの同位体の中で、地球上でのそれぞれの存在量は次のとおりです。
- 106カドミウム(1.25%)
- 108カドミウム(0.89%)
- 110カドミウム(12.47パーセント)
- 111のCd(12.8%)
- 112カドミウム(24.11パーセント)
- 114カドミウム(28.75パーセント)
- 113のCd(12.23パーセント)
113 Cdが放射性であるが、理由は、このような大きな価値の半分の - 期(t 1/2 = 7.7×10 15年)、安定しているとみなすことができます。そして、やはり放射性であり、半減期が3.1・10 19年の116 Cd があるため、カドミウムの7.51%に相当する安定同位体と見なすことができます。
平均原子質量は112.414 uであり、114よりも112に近いことに注意してください。カドミウムでは、他のものよりも優勢な同位体の存在は観察されません。
リスク
一般的な
カドミウムの吸収は、主に食品、特に肝臓、キノコ、貝、ココアパウダー、乾燥した海藻から発生します。
前世紀に中国で象徴的なケースが発生し、人口に重大なカドミウム汚染がありました。カドミウム汚染は、穀物の土壌中のカドミウムの存在によって引き起こされる、米中のその高濃度によるものでした。
喫煙者の平均摂取量は60 µg /日です。血中に許容されるカドミウムの最大濃度は15 µg /日です。非喫煙者の血中カドミウム濃度は約0.5 µg / Lです。
肺はタバコの煙に含まれるカドミウムの40〜60%を吸収します。肺に吸収されたカドミウムは血液中に輸送され、タンパク質、システイン、グルタチオンと複合体を形成し、肝臓、腎臓などに到達します。
カドミウムの急性吸入は、インフルエンザのようなプロセスで観察される症状と同様の症状を引き起こす可能性があります。風邪、発熱、筋肉の痛みなど、肺の損傷を引き起こす可能性があります。一方、カドミウムへの慢性暴露は、肺、腎臓、骨の疾患を引き起こす可能性があります。
腎臓への影響
腎臓では、カドミウムは通常、リンとカルシウムの代謝に変化を引き起こします。これは、腎臓結石の生成の増加によって証明されます。さらに、レチノールトランスポータータンパク質とβ-2-ミクログロブリンの尿中の外観に現れる腎障害を引き起こします。
生殖への影響
カドミウムへの母親の曝露は、子供の出生体重が低く、自然流産の発生率が増加することと関連しています。
骨の損傷
カドミウムは、日本では前世紀のイタイイタイ病の存在と関連しています。この疾患は、骨の石灰化が少ないこと、骨折の割合が高い骨の脆弱性、骨粗しょう症の増加、骨の痛みが特徴です。
発がん
ラットでの実験によりカドミウムと前立腺癌の関係が確立されましたが、これは人間では証明されていません。カドミウムと腎臓がんの関連性が示され、肺がんとも関連しています。
用途
ニッケルカドミウム充電式バクテリア
異なるセルまたはNi-Cdバッテリー。出典:WikipediaのBoffy b。
水酸化カドミウムは、Ni-Cdバッテリーのカソードとして使用されました。これらは、鉄道および航空産業で使用されたほか、携帯電話、ビデオカメラ、ラップトップなどの集合的用途の計器にも使用されました。
ニカド電池の製造におけるカドミウム消費量は、カドミウム生産量の80%を占めていました。ただし、この要素の毒性のため、Ni-Cd電池は徐々にニッケル水素電池に置き換えられています。
顔料
カドミウムレッド。ソース:マルコアルンバウアー
硫化カドミウムは黄色の顔料として、セレン化カドミウムはカドミウムレッドとして知られる赤い顔料として使用されます。これらの顔料は、その輝きと強度によって特徴付けられるため、プラスチック、セラミック、ガラス、エナメル、芸術的な色に使用されてきました。
画家ヴィンセント・ヴァン・ゴッホは、彼の絵画にカドミウム顔料を使用しており、それによって彼はさまざまな明るい赤、オレンジ、黄色を実現することができました。
カドミウム顔料の着色は、油で磨いたり、水彩絵の具やアクリルに混ぜたりする前に減衰させる必要があります。
テレビ
カドミウム含有コンポーネントは、カラーテレビ受像管の青と緑の蛍光体だけでなく、白黒テレビの蛍光体にも使用されました。
蛍光体は、陰極線が照射された画面の一部であり、画像の形成に関与していました。カドミウムは、その毒性にもかかわらず、最近作成されたQLEDテレビで使用され始めています。
塩ビ安定化
カルボン酸塩、ラウリン酸塩、ステアリン酸塩で形成されたカドミウム化合物は、製造プロセス中にPVCを分解する熱と紫外線への曝露によって生じる分解を遅らせるため、ポリ塩化ビニルの安定剤として使用されました。
カドミウム毒性により、カドミウム結合PVC安定剤は、バリウム亜鉛、カルシウム亜鉛、有機スズなどの他の安定剤に置き換えられました。
合金
カドミウムは、その高い耐疲労性と低い摩擦係数により、軸受合金に使用されています。カドミウムは融点が比較的低いため、低融点合金で使用されており、多くの種類の溶接に加えて、コンポーネントです。
カドミウムは、導電性、熱伝導性、および電気接点合金にも使用できます。
カバー
カドミウムは、鋼、アルミニウム、その他の非鉄金属ファスナーや可動部品を保護するために使用されます。カドミウムコーティングは、生理食塩水およびアルカリ性媒体の腐食保護を提供します。また、潤滑剤としても機能します。
カドミウムは、耐食性と低い電気抵抗率を必要とする多くの電気および電子アプリケーションにも使用されます。
原子炉
カドミウムは、中性子を捕捉する能力のために原子炉で使用されます。これにより、核分裂からの過剰な中性子を制御して、追加の核分裂を回避することができます。
半導体
セレン化カドミウムとテルル化カドミウムは、光検出や太陽電池で半導体として機能する化合物です。HgCdTeは赤外線に敏感で、リモートコントロールデバイスのスイッチとしてだけでなく、動き検出器としても使用されます。
生物学
He-Cdレーザー光。出典:やや匿名(https://www.flickr.com/photos//35766549)
ヘリウムCdは、325〜422 nmの範囲の波長の青紫レーザービームの形成に関与し、蛍光顕微鏡で使用できます。
カドミウムは、分子生物学で、膜電位に応じてカルシウムチャネルを遮断するために使用されます。
参考文献
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