Przeczytaj

bg‑cyan

Kadm

R4SvQ89PsP7Wb

Kadm ( $Cd$ ) jest białym metalem o niebieskawym odcieniu. Tworzy związki, w których występuje wyłącznie na $+ II$ stopniu utlenienia. Wśród nich dobrze rozpuszczalne w wodzie są octan, chlorek i siarczan( $VI$ ) kadmu oraz praktycznie nierozpuszczalne, tlenek oraz siarczek.

Nazwa i wzór sumaryczny	Masa cząsteczkowa	Temperatura topnienia [ $° C$ ]	Temperatura wrzenia [ $° C$ ]	Gęstość [ $\frac{g}{{cm}^{3}}$ ]	Rozpuszczalność [ $\frac{g}{1000 g H_{2} O}$ ]	Inne rozpuszczalniki
Kadm $Cd$	$112,41$	$320,9$	$765$	$8,642$	nierozpuszczalny	Roztwarza się w kwasie azotowym i gorącym kwasie chlorowodorowym.
Chlorek kadmu ${CdCl}_{2}$	$183,32$	$568$	$960$	$4,047$	$1400$ w temp. $20 ° C$	Rozpuszcza się w acetonie, słabo zaś w alkoholach: metylowym i etylowym.
Tlenek kadmu $CdO$	$128,41$	$>1500$	sublimuje w temp. $1599$	$8,15$ (kryształy) $6,95$ amorficzny	nierozpuszczalny	Roztwarza się w rozcieńczonych kwasach i solach amonowych, nierozpuszczalny w acetonie, amoniaku i etanolu.
Siarczan( $VI$ ) kadmu ${CdSO}_{4}$	$208,47$	$1000$	–	$4,691$	$755$	Roztwarza się w rozcieńczonych kwasach i solach amonowych, nierozpuszczalny w acetonie, amoniaku i etanolu.
Węglan kadmu ${CdCO}_{3}$	$172,42$	$321$	–	$4,26$ ( $4 ° C$ )	$2,8 \cdot 10^{- 5}$	Roztwarza się w rozcieńczonych kwasach, nierozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych.
Siarczek kadmu $CdS$	–	$1750$ przy $100 atm.$	–	$4,87$ (alfa) $4,50$ (beta)	$0,0013$ w temp. $18 ° C$	Roztwarza się w stężonych (lub na gorąco) rozcieńczonych kwasach mineralnych z wyjątkiem siarkowodoru.

Zanim odkryto toksyczność kadmu, stosowany był do galwanizowaniagalwanizacjagalwanizowania powierzchni metali w celu zapobiegania korozji oraz w produkcji akumulatorów niklowo‑kadmowych. Obecnie jest wykorzystywany głównie do produkcji elektrod w akumulatorach (w postaci tlenku kadmu $CdO$ ) oraz jako pigment w wyrobach ceramicznych, tworzywach sztucznych i szkle, przede wszystkim pod postacią siarczku i selenku. Kadm wchodzi także w skład powłok antykorozyjnych, stabilizatorów polimerów i stopów.

Do grup największego ryzyka zalicza się pracowników zatrudnionych przy produkcji akumulatorów niklowo‑kadmowych, stopów, pigmentów kadmowych i barwieniu tworzyw sztucznych pigmentami, a także pracowników hut metali nieżelaznych oraz spawaczy tnących metale powleczone antykorozyjną warstwą kadmu.

bg‑gray1

Źródła zanieczyszczeń kadmem oraz jego toksyczność

Według obliczeń, zatrucie śmiertelne u ludzi przy stężeniu kadmu $10 \frac{mg}{kg}$ powietrza następuje po upływie pięciu godzin. Działanie toksyczne wykazują jony ${Cd}^{2 +}$ , które mogą zastąpić jony ${Zn}^{2 +}$ w enzymach, wiążąc się z atomami siarki, tlenu i wodoru. Jony kadmu mogą także podstawić jony ${Ca}^{2 +}$ w kościach, a jego biologiczna retencja trwa wiele lat. Może również zaburzać obieg innych niezbędnych makroelementów w organizmie, tj. jonów żelaza, miedzi, magnezu, selenu oraz cynku. To z kolei prowadzi do upośledzenia procesów zachodzących w organizmie (np. upośledzenia fosforylacji oksydacyjnej, transportu jonów sodowych i potasowych czy metabolizmu węglowodanów). Kadm jest łatwo wchłaniany i podlega akumulacji w nerkach i wątrobie. Jego okres biologicznego półtrwania wynosi od $10$ do $30$ lat.

W przypadku roślin, wysokie stężenie kadmu prowadzi do zaburzenia procesu fotosyntezy.

W rolnictwie używane są nawozy sztuczne, skażone kadmem $10$ - $100 \frac{mg}{kg}$ , tzw. superfosfaty. Niestety lepsza jakość nawozu, a tym samym niższe zanieczyszczenie, jest ściśle związane z ceną.

Ważne!

Szkodliwe dla organizmów żywych są jony kadmu, nie sam metal. Jednak ten dość łatwo utlenia się do jonów, dlatego nawet jego metaliczna obecność w organizmie jest niebezpieczna.

bg‑gray1

Źródła kadmu

Kadm ( $Cd$ ) występuje w skorupie ziemskiej, głównie w rudach siarczkowych: cynku, ołowiu i miedzi. Jego zawartość w powietrzu wzrasta w wyniku aktywności wulkanicznej i pożarów lasów. Jego źródłem są także kwaśne deszcze. Kadm otrzymuje się jako produkt uboczny podczas produkcji cynku w hutach metali niezależnych. Innymi źródłami antropogenicznymi kadmu są:

ścieki z zakładów stosujących procesy galwanizacji;
przemysł barwników;
elektrośmieci i baterie;
dym papierosowy;
transport drogowy;
odpady komunalne i ścieki;
nawozy mineralne i organiczne (nawozy azotowe są również źródłem zanieczyszczeń gleby arsenem i rtęcią; nawozy fosforowe wprowadzają do gleby dużo $Cd$ i $Pb$ );
przemysł metalurgiczny, który odpowiada za połowę emisji kadmu.

Kadm, który znajduje się w powietrzu, w przeważającym stopniu w formie tlenku kadmu, ulega łatwo rozpuszczeniu w opadach atmosferycznych. Na ogół nie utrzymuje się długo w roztworze i jest szybko wytrącany w postaci węglanów lub sorbowany przez minerały ilaste, wodorotlenki i tlenki metali.

Biorące udział w procesie bakterie często wytrącają go w postaci siarczków. Kadm łatwo przedostaje się do wód podziemnych. Jest łatwo pobierany z wody i osadów zarówno przez rośliny, jak i zwierzęta. Ryby i mięczaki z zanieczyszczonych zbiorników są szczególnie niebezpieczne dla człowieka, ponieważ gromadzą go w swoich tkankach. Wysoką odpornością na ów pierwiastek wykazują ryby łososiowate. Jego ilości pobierane do ludzkiego organizmu z wodą pitną są mało istotne w porównaniu z ilościami pobieranymi z żywnością. W mięsie, rybach i owocach stężenia kadmu są zbliżone i wynoszą około $5$ - $15 \frac{μ g}{kg}$ masy.

Większość rodzajów żywności pochodzenia roślinnego zawiera jego większe stężenia – wartości rzędu $25 \frac{μg}{kg}$ dla zbóż i korzeni warzyw. Jego obecność w podrobach dorosłych zwierząt oraz u niektórych skorupiaków jest jeszcze większa i przekracza $50$ - $100 \frac{μ g}{kg}$ świeżej masy. Przechowywanie żywności w emaliowanych pojemnikach może spowodować istotny wzrost stężenia kadmu, szczególnie w przypadku produktów ciekłych o odczynie kwasowym.

Rośliny uprawiane na terenach skażonych zawierają jego większe niż normalnie stężenia. Zróżnicowanie zawartości metali ciężkich w pędzie, liściach lub organach reprodukcyjnych jest cechą gatunkową, ale zależy również od ruchliwości (przemieszczanie z korzeni do pędu) toksycznych jonów. A trzeba pamiętać, że jony kadmu wykazują wyższą ruchliwość niż np. równie toksyczny ołów. Rośliny najczęściej pobierają ten metal w formie kationu ${Cd}^{2 +}$ , jonów uwodnionych oraz różnych chelatów (związków kompleksowych).

RzrzJ134WgvVv1

Ilustracja przedstawiająca strzałkę wskazującą względną ruchliwość podanych jonów. Strzałka skierowana jest w lewą stronę, opisano ją jako "ruchliwość", a jony zostały wymienione od najbardziej ruchliwych jonów toksycznych do najmniej ruchliwych. Cd2+, Zn2+, Ni2+, Cu2+, Pb2+. — Ruchliwość toksycznych jonów
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kadm ulega kumulacji w liściach tytoniu. Jeden papieros zawiera $1$ - $2 μ g$ kadmu, z czego ok. $10 %$ dostaje się do płuc podczas palenia. Palenie papierosów powoduje istotny wzrost stężeń kadmu we krwi i w moczu.

Mało odporne na działania kadmu są rośliny motylkowe (soja, fasola) czy szpinak. Mało tego – niektóre części roślin wykazują wręcz tendencję do jego gromadzenia. Są to m.in. liście sałaty, które mogą zawierać nawet $10$ razy więcej kadmu niż inne rośliny rosnące w tych samych warunkach. Ponadto rośliny dwuliścienne zbierają więcej metali toksycznych niż jednoliścienne, a organy wegetatywne (spichrzowe, liście) mają wyższy poziom akumulacji niż reprodukcyjne (owoce mięsiste, ziarniaki, nasiona). Z kolei bioakumulacja kadmu i innych metali ciężkich jest niższa na glebach o dużej pojemności sorpcyjnej (próchnica – duża ilość koloidów) oraz maleje ze wzrostem pH.

bg‑cyan

Zastosowania kadmu

Pomimo swojej toksyczności, wciąż jest potrzebny i stosowany. W przemyśle przydaje się w procesie wytwarzania barwników oraz stabilizatorów tworzyw sztucznych i galwanicznych powłok ochronnych, lutów i stopów, prętów kadmowych. Jest składnikiem baterii niklowo‑kadmowych, sztucznych ogni, farb fluorescencyjnych.

Pierwiastek ten stosuje się jako stabilizator w produkcji plastików oraz jako utwardzacz w procesach technologicznych przy produkcji opon samochodowych, co stanowi wciąż narastający problem środowiskowy na świecie.

R1a6pLRfCWAJq1

1. Produkcja akumulatorów – baterii niklowokadmowych W powszechnym zastosowaniu akumulatory niklowo-kadmowe (Ni-Cd) zostały już praktycznie całkowicie wyparte przez akumulatory niklowo-wodorkowe (Ni-MH) oraz litowo-jonowe (Li-Ion). Wśród zalet baterii Ni-Cd wymienić należy dużą szybkość ładowania, szeroki zakres temperaturowy ich pracy oraz dużą żywotność – rzędu 1000 cykli. Główną wadą był tzw. „efekt pamięciowy”, czyli konieczność rozładowania baterii przed jej ponownym naładowaniem oraz kontrolowanie, aby akumulator nie został rozładowany całkowicie, co wpływało negatywnie na wytrzymałość. „Efekt pamięciowy” objawiał się skróceniem czasu pracy akumulatora z kilku godzin do paru minut. Dodatkowo nowocześniejsze akumulatory cechują się wyższą pojemnością i niższą masą niż akumulatory niklowo-kadmowe. Ilustracja przedstawia opakowanie czterech baterii, tzw. paluszki. Na opakowaniu znajduje się znak recyklingu, poniżej podpis: Ni-Cd. Obok jest symbol przekreślonego kosza na śmieci, poniżej podpis: Cd. 2. Wyroby stopów kadmu, używane w elektrotechnice Czysty kadm, przynajmniej jak dotąd, nie znalazł praktycznego zastosowania jako lut. Niemniej jako dodatek stopowy wchodzi w skład większości lutów miękkich. Prócz tego część stopów, w których kadm jest głównym składnikiem, stanowi oddzielną grupę miękkich lutów przemysłowych. Do tej grupy zalicza się przede wszystkim podwójne stopy kadm-cynk, potrójne stopy kadm-cyna-cynk, kadm-srebro-cynk, kadm-srebro-magnez, kadm–srebro-cyna, a nawet stopy poczwórne, jak kadm-srebro-cynk-nikiel czy kadm-cynk-glin-miedź. Stopy łatwo topliwe, czyli wieloskładnikowe stopy o temperaturze topnienia 70-400°C i zawierające bizmut, ołów, cynę oraz w mniejszych ilościach kadm, cynk i antymon, stosowane w czujnikach i automatach przeciwpożarowych, odlewach, miernikach i bezpiecznikach prądowych, a także jako materiały do ochrony przeciw promieniowaniu w onkologii i radiologii. 4. Barwniki Siarczek kadmu ma żółte zabarwienie i znajduje zastosowanie jako pigment – żółcień kadmowa. Jest też składnikiem innych pigmentów: oranżu kadmowego i czerwieni kadmowej (xCdS · yCdSe), które mogą mieć barwę od pomarańczowej nawet do czerwonej, w zależności od ilości selenku kadmu. Pigmenty te są bardzo często stosowane w malarstwie, w barwieniu mydeł, tkanin i papieru. Żółcień kadmowa CdS jest pigmentem do farb świecących. Ilustracja przedstawia okrągłą miseczkę wypełnioną czerwonym barwnikiem w postaci proszku. Obok jest worek wypełniony tą samą substancją. 5. Produkcja ogniw – schemat ogniwa Westona Kadm stosowany jest także w ogniwach, np. ogniwie Westona, w którym elektrodę dodatnią stanowi rtęć, ujemną amalgamat kadmu, a elektrolitem jest nasycony wodny roztwór siarczanu(VI) kadmu. Ogniwo Westona było stosowane jako wzorzec jednostki miary napięcia elektrycznego, ponieważ jego napięcie jest bardzo bliskie 1 V. Ilustracja przedstawia schemat ogniwa Westona. Dwie pionowe rurki połączone są poprzez poziomy otwór. Pierwsza rurka jest oznaczona znakiem minus. Na dnie rurki jest Cd(Hg), powyżej znajduje się

{C d S O}_{4} \cdot \frac{8}{3} H_{2} O

, nad nim znajduje się nasycony roztwór

{C d S O}_{4}

przepływający również do drugiej rurki. W drugiej rurce po prawej stronie, oznaczonej znakiem plus znajduje się Hg na dnie. Powyżej jest warstwa

{H g}_{2} {S O}_{4}

, a nad nią warstwa

{C d S O}_{4} \cdot \frac{8}{3} H_{2} O

. Ilustracja przedstawia część mającą zastosowanie w elektrotechnice. Jest po podłużna płytka, w której znajdują się otwory. Przy płytce znajduje się śrubokręt i małe śruby. 3. W reaktorach jądrowych (materiał do pochłaniania neutronów) Z pierwiastków, takich jak srebro, ind, kadm, bor, kobalt, hafn, dysproz, gadolin, samar, erb, europ zbudowane są pręty kontrolne rdzenia reaktora jądrowego, które służą do kontroli tempa zachodzenia łańcuchowej reakcji rozszczepienia. Pierwiastki te pochłaniają neutrony, nie ulegając przy tym rozszczepieniu. Ilustracja przedstawia pręty metalu ograniczone metalową osłoną. 4. Produkcja ogniw – schemat ogniwa Westona Ilustracja przedstawia schemat ogniwa Westona. Dwie pionowe rurki połączone są poprzez poziomy otwór. Pierwsza rurka jest oznaczona znakiem minus. Na dnie rurki jest Cd(Hg), powyżej znajduje się

{C d S O}_{4} \cdot \frac{8}{3} H_{2} O

, nad nim znajduje się nasycony roztwór

{C d S O}_{4}

przepływający również do drugiej rurki. W drugiej rurce po prawej stronie, oznaczonej znakiem plus znajduje się Hg na dnie. Powyżej jest warstwa

{H g}_{2} {S O}_{4}

, a nad nią warstwa

{C d S O}_{4} \cdot \frac{8}{3} H_{2} O

. 6. Pestycyd Chlorek kadmu stosowany jest jako pestycyd. Na zdjęciu znajduje się traktor na łące otoczony zielonymi uprawami. W tle niebieskie niebo pokryte chmurami.

Słownik

ogniwo Westona

ogniwo galwaniczne, w którym elektrodę dodatnią stanowi rtęć, ujemną amalgamat kadmu, a elektrolitem jest nasycony wodny roztwór siarczanu kadmu; nad rtęcią znajduje się siarczan( $VI$ ) rtęci ${Hg}_{2} {SO}_{4}$ , utarty z siarczanem kadmu ${CdSO}_{4}$ oraz z rtęcią w postaci tzw. pasty; w obu rurkach znajdują się także kryształy ${CdSO}_{4}$ , a całość wypełniona jest wodnym roztworem siarczanu kadmowego

galwanizacja

pokrywanie metalu jonami innego metalu zawartymi w elektrolicie w procesie elektrolizy. Jony metalu w elektrolicie ulegają redukcji formując powłokę, podczas przepływu prądu stałego przez elektrolit

Bibliografia

Bielański A., Chemia ogólna i nieorganiczna, Warszawa 1970.

Bolewski A., Mineralogia szczegółowa, Warszawa 1982.

Fichstaedt I., Księga Pierwiastków, Warszawa 1970.

Grzybowska J., Zanieczyszczenia chemiczne, Warszawa 1976.

Józefowicz E., Chemia nieorganiczna, Warszawa 1950.

Kabata‑Pendias H., Pendias A., Pierwiastki śladowe w środowisku biologicznym, Warszawa 1979.

Kaczyński J., Czaplicki A., Chemia ogólna, Warszawa 1974.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., Chemia ogólna i nieorganiczna, Warszawa 2016.

Wprowadzenie

Symulacja interaktywna