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.

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”.Beda Schroll in: Fontes Rerum Austriacarum. Band XXXIX, Wien 1876, Urkunde Nr. 50, S. 117–118.

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%).WEBELEMENTS, 2010: the periodic table on the web 2010. II. 22-i állapot 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.Cadmium bei mindat.org (engl.) 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.Eberhard Gerdes: Qualitative Anorganische Analyse. 2. Auflage, Springer, Berlin/Heidelberg 2001,  64–65. A keletkező szulfid-oxid keveréket nátrium-oxaláttal fémmé redukálják. A könnyen gőzölgő kadmium a cső felső végében csapódik le.

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.

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.J. Heyrovský, P. Zuman: Einführung in die praktische Polarographie. VEB Verlag Technik, Berlin 1959,  179. Az ultranyomtartományban higanyelektródos inverzvoltammetria használható.R. Neeb: Inverse Polarographie und Voltammetrie. Akademie-Verlag, Berlin 1969,  192. Eredményes lehet a grafitcsöves atomspektrometria is; ezzel a technikával a kadmium már 0,003 µg/l koncentrációban is kimutatható.G. Schwedt: Analytische Chemie. Thieme Verlag, Stuttgart 1995,  197. 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.IGBCE. Stellungnahme der IG Bergbau, Chemie, Energie zum Entwurf für eine EU-weite Regelung des Europäischen Parlamentes und Rates für Cadmium in Düngemitteln

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.2011 decemberétől2012 decemberétől Europäische Rechtsänderungen. In: Umwelt Magazin. Heft 7/8 201, 52.

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.EU-Aktuell (20. Mai 2011): EU verbietet Cadmium in Schmuck 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