카드뮴 (CD) : 역사, 특성, 구조, 용도 - 화학 - 2025

카드뮴 (CD)는 전이 금속 또는 게시물 - 전이 원자 번호 48 및 실버. 녹는 점과 끓는점이 상대적으로 낮은 가단성과 연성입니다. 카드뮴은 희귀 한 원소이며 지표면의 농도가 0.2g / 톤에 불과합니다.

Greenockite (CdS)는 강렬한 황색을 띠는 유일한 중요한 카드뮴 광석입니다. 카드뮴은 Cd ²⁺ 양이온으로 0.1 ~ 03 %의 카드뮴을 함유하는 sphalerite (ZnS)의 아연과 관련되어 있습니다 .

카드뮴 결정. 출처 : 화학 원소의 고해상도 이미지

아연을 얻고, 제련하고, 정제하기 위해 sphalerite를 처리 할 때 카드뮴은 2 차 형태로 얻어지며, 이것이 주요 생산 원입니다.

이 금속은 1817 년에 Friedrich Stromayer와 Karl Hermann이 독립적으로 발견했습니다. Stromayer는 새 원소를 카드뮴이라는 이름으로 세례를 받았고, 라틴어 "cadmia"에서 유래되었으며, calamine (탄산 아연)이라는 용어가 알려졌습니다.

카드뮴은 Cd 기호가있는 화학 원소이며 원자 번호는 48입니다. 출처 : Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

카드뮴은 철, 강철 및 비철 금속의 부식 방지제와 같이 유용성과 다양한 응용 분야의 요소입니다. 안료로 사용; PVC의 안정화; 용접에 사용되는 합금의 요소; 충전식 니켈 카드뮴 배터리 등

그러나 폐, 신장, 뼈에 심각한 손상을주는 매우 독성이 강한 성분으로 발암 작용이있는 것으로보고되어 사용이 제한되고 있습니다. 그러나 그럼에도 불구하고 일부 응용 프로그램에서는 계속해서 신중하게 사용되었습니다.

역사

-더블 디스커버리

카드뮴은 1817 년 독일의 화학자 인 Friedrich Stromayer가 탄산 아연 (calamine) 샘플에서 발견되었습니다. 같은 해 KSL Hermann과 JCH Roloff는 황화 아연 실험에서 독립적으로 동일한 발견을했습니다.

Stromayer는 독일 힐 데스 하임에있는 약국을 검사하라는 정부의 요청에 따라 그의 발견을 한 것으로 알려졌습니다. 현재와 ​​같이 산화 아연은 특정 피부 상태를 치료하는 데 사용되었습니다.

약국에서는 산화 아연을 배송하지 않고 대신 산화 아연 생산을위한 원료 인 탄산 아연을 판매 한 것으로 보입니다. 산화 아연 제조업체는 탄산 아연을 가열하면 노란색 "산화 아연"이 생성된다고 주장했습니다.

카드뮴 산화물

그들은이“산화 아연”을 팔 수 없었습니다. 그 화합물의 색깔은 보통 흰색 이었기 때문입니다. 대신 그들은 탄산 아연도 판매했습니다. 이 상황에 직면하여 Stromayer는 추정되는 황색 산화 아연을 연구하기로 결정했습니다.

이를 위해 그는 탄산 아연 (칼라 민) 샘플을 가열하고 노란색 산화 아연을 생산했다. 그것을 분석 한 후, 그는 노란색이 새로운 원소의 금속 산화물의 존재로 인한 것이라고 결론지었습니다.

이 새로운 금속 산화물을 추출한 후 환원을 생성하여 카드뮴을 분리했습니다. Stromayer 그 밀도를 측정하고 8.75의 값을 획득 g / cm ³ , 근접이 현재 알려져 파라미터 값 (8.65 g / cm ³ ).

또한 Stromayer는 새로운 원소가 백금과 비슷한 모양을 가지고 있으며 많은 아연 화합물과 정제 된 아연에도 존재한다고 지적했습니다.

Stromayer는 라틴어 "cadmia"에서 "cadmium"이라는 이름을 제안했습니다.이 이름은 calamine에 부여 된 이름 인 ZnCO ₃ 입니다.

황화 아연의 카드뮴

Karl Hermann (1817)은 황화 아연을 처리 할 때 예상치 못한 노란색을 발견했고 이것이 비소 오염 일 수 있다고 생각했습니다. 그러나이 가능성이 배제되자 Hermann은 새로운 요소가 있다는 것을 깨달았습니다.

-응용

1840-1940

1840 년대에 카드뮴을 안료로 사용하는 것이 상업적으로 이용되기 시작했습니다. British Pharmaceutical Codex는 1907 년에 요오드화 카드뮴을 "확대 된 관절", 땀샘 및 고춧가루를 치료하기위한 약으로 사용한다고 밝혔습니다.

1930 년대와 1940 년대에 카드뮴 생산은 부식으로부터 보호하기 위해 강철과 철을 도금하는 것을 목표로했습니다. 1950 년대에는 황화 카드뮴 및 셀렌 화 카드뮴과 같은 카드뮴 화합물이 적색, 주황색 및 황색 안료의 공급원으로 사용되었습니다.

1970-1990

1970 년대와 1980 년대에 카드뮴 라우 레이트와 카드뮴 스테아 레이트 화합물이 PVC의 안정제로 밝혀져 카드뮴에 대한 수요가 증가했습니다. 그러나 카드뮴의 독성으로 인한 환경 규제로 인해 소비량이 감소했습니다.

1980 년대와 1990 년대에 카드뮴은 많은 응용 분야에서 사용이 중단되었지만 충전식 니켈-카드뮴 배터리가 생성되면서 생산량이 증가하여 미국 카드뮴 소비량의 80 %를 차지했습니다. .

카드뮴의 물리 화학적 특성

외관

은빛 회백색, 부드러운 금속 광택. 80ºC에 노출되면 부서지기 쉽고 칼로자를 수 있습니다. 가단성이 있으며 롤로 감을 수 있습니다.

표준 원자량

112,414 유

원자 번호 (Z)

48

품목 범주

전이 후 금속, 또는 전이 금속으로 간주됩니다. 전이 금속의 IUPAC 정의는 원자가 불완전한 d 서브 쉘을 갖거나 불완전한 d 서브 쉘을 가진 양이온을 발생시킬 수있는 것입니다.

이 정의에 따르면 카드뮴은 Cd ²⁺ 양이온 이 전자로 완전히 채워진 4d 궤도를 갖기 때문에 전이 금속이 아닙니다 (4d ¹⁰ ).

냄새

화장실

녹는 점

321.07ºC

비점

767ºC

밀도

주변 온도 : 8.65g / cm ³

녹는 점 (액체) : 7.996g / cm ³

융합 열

6.21 kJ / 몰

기화열

99.87 kJ / 몰

몰 칼로리 용량

26.020 J / (몰 K)

전기 음성도

1.6 폴링 척도

이온화 에너지

첫째 : 867.8 kJ / mol (Cd ⁺ 가스)

두 번째 : 1631.4 kJ / mol (Cd ²⁺ 기체)

셋째 : 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ 기체)

열 전도성

96.6W / (mK)

저항력

22ºC에서 72.7 nΩ · m

경도

Mohs 규모 2.0. 밀도가 높지만 상당히 부드럽지만 금속입니다.

안정

습한 공기에 의해 서서히 산화되어 카드뮴 산화물이 형성되어 금속 광택이 변색됩니다. 가연성은 아니지만 분말 형태로 타거나 자체 발화 할 수 있습니다.

자동 점화

카드뮴의 경우 250ºC는 분말 형태입니다.

굴절률

20ºC에서 1.8

반동

카드뮴은 공기 중에서 연소하여 갈색 무정형 분말 인 산화 카드뮴 (CaO)을 형성 할 수 있으며 결정형은 진한 빨간색입니다.

카드뮴은 묽은 질산과 빠르게 반응하고 뜨거운 염산과 천천히 반응합니다. 또한 황산과 반응 할 수 있지만 알칼리와 반응하지 않습니다. 모든 이러한 반응들은 그들의 대응 음이온 (CL의 카드뮴 염 ^- ) 또는 oxoanions (NO ₃ ^- 와 SO ₄ ^2-이 ) 형성된다.

구조 및 전자 구성

주기율표의 48 원소 인 카드뮴의 전자 껍질 다이어그램. 출처 : Pumbaa (Greg Robson의 원본 작업) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

결정의 카드뮴 원자는 전자 구성에 따라 4d 및 5s 궤도에 위치한 원자가 전자에서 금속 결합을 설정합니다.

4 ^{일 10} 5 초 ²

그러나 4d 궤도는 전자로 가득 차 있고 "전자의 바다"는 Cd 원자를 강하게 결합 할만큼 풍부하다고 생각할 수도 있지만 실제로는 상호 작용이 약합니다. 이것은 다른 전이 금속에 비해 낮은 융점 (321 ° C)으로 실험적으로 입증 될 수 있습니다.

이것과 다른 화학적 이유로 카드뮴은 때때로 전이 금속으로 간주되지 않습니다. 금속 결합에 관련된 전자 (12 개)가 너무 많아서 부정적인 반발을 크게 방해하기 시작합니다. 이는 채워진 4d 및 5s 궤도 간의 에너지 차이와 함께 Cd-Cd 상호 작용을 약화시킵니다.

Cd 원자는 결국 융점 이전에 상전이를 겪지 않는 소형 육각 결정 구조 (hcp)를 정의합니다. hcp 카드뮴 결정이 10GPa에 해당하는 압력을 받으면 구조 만 변형됩니다. 그러나 어떤 위상 변화도보고되지 않았습니다.

산화 번호

카드뮴은 12 개의 원자가 전자를 잃을 수 없습니다. 사실, 그것은 5s 궤도에 비해 에너지가 더 안정적인 4d 궤도 중 하나도 잃을 수 없습니다. 따라서 그것은 5s ² 궤도의 두 전자만을 잃을 수 있으며 결과적으로 2가 금속이된다. 아연, 수은 및 알칼리 토금속 (Mr. Becambara)의 경우처럼.

화합물에 Cd ²⁺ 양이온이 존재한다고 가정 하면 카드뮴의 산화수 또는 상태가 +2라고합니다. 이것이 주요 산화수입니다. CDO CD (예를 들어, 다음은 +2 화합물로서 카드뮴 ²⁺ O ^2- )을 CDCl3 ₂ (CD ²⁺ CL ₂ ^- , CDSO) ₄ (CD ²⁺ SO ₄ ^2- ) 및 CD (NO ₃ ) ₂ .

이 산화수 외에도 +1 (Cd ⁺ ) 및 -2 (Cd ^2- )도 있습니다. 산화수 +1은 각 카드뮴 원자가 양전하를 갖는 Cd ₂ ^{2+ 표시} 에서 관찰 됩니다. 한편 -2는 매우 이상하며 "cadmide"음이온에 적용됩니다.

찾아서 얻을 수있는 곳

Greenockite 결정. 출처 : Rob Lavinsky, iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

카드뮴은 지각에서 0.2g / 톤의 농도를 가진 희귀 원소입니다. 유일한 중요한 카드뮴 광물은 광업 및 상업적 관점에서 채굴 할 수없는 그린 노 카이트 (CdS)입니다.

카드뮴은 무기물 sphalerite (ZnS)에서 아연과 관련이있는 것으로 발견되며, 일반적으로 0.1 %에서 0.3 % 범위의 농도로 포함됩니다. 그러나 어떤 경우에는 sphalerite의 카드뮴 농도가 1.4 %에이를 수 있습니다.

인 비료를 얻기 위해 처리 된 암석은 300mg / kg의 비료의 카드뮴 농도를 가질 수 있습니다. 또한 석탄은 적지 만 상당한 양의 카드뮴을 포함 할 수 있습니다.

카드뮴의 주요 공급원은 카드뮴이 지표수로 운반 할 수있는 화산 배출입니다. 농업 토양에서 인 비료를 사용하면 카드뮴으로 오염되었습니다.

산성 토양에 존재하는 카드뮴은 식물이 흡수 할 수 있습니다. 일부 야채는 사람이 음식으로 사용하는데, 이는 물과 음식 섭취가 노출되지 않은 사람이나 흡연자에게 카드뮴 유입의 주요 원인이되는 방법을 설명합니다.

sphalerite의 치료

sphalerite에 존재하는 아연의 채광, 제련 및 정제 과정에서 카드뮴은 일반적으로 부산물로 얻어집니다. 구리와 납을 처리하는 동안에도 유사한 사건이 발생합니다.

마찬가지로 철과 철 스크랩을 재활용하여 소량의 카드뮴을 얻을 수 있습니다.

sphalerite는 황화 아연이 산화 ZnO로 변환되도록 로스팅됩니다. 동일한 반응이 황화 카드뮴에 의해 발생합니다.

2 ZnS + 3O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

이 산화물 혼합물을 숯으로 가열하면 각각의 금속으로 환원됩니다.

ZnO + CO → Zn + CO ₂

또한 아연과 카드뮴은 산화물이 황산에 용해되기 때문에 전기 분해에 의해 생성 될 수 있습니다.

두 방법 모두 카드뮴으로 오염 된 아연을 생성합니다. 용융시 카드뮴은 아연 (420 ° C)에 비해 융점이 낮기 때문에 (321 ° C) 진공 상태에서 증류 할 수 있습니다.

동위 원소

우리가 가지고있는 카드뮴의 자연스럽고 안정한 동위 원소 중에는 여기 지구상에서 각각의 풍부함이 있습니다.

- ¹⁰⁶ 카드뮴 (1.25 %)

- ¹⁰⁸ 카드뮴 (0.89 %)

- ¹¹⁰ 카드뮴 (12.47 %)

- ¹¹¹ 카드뮴 (12.8 %)

- ¹¹² 카드뮴 (24.11 %)

- ¹¹⁴ 카드뮴 (28.75 %)

- ¹¹³ 카드뮴 (12.23 %)

¹¹³ 카드뮴은 방사성이지만, 때문에 같은 훌륭한 가치의 절반 - 생활 (t _1/2 = 7.7 × 10 ⁽¹⁵⁾ 년), 안정적인 것으로 간주 될 수있다. 그리고 방사성 인 ^{116 개의} Cd가 있고 반감기가 3.1 · 10 ¹⁹ 년이므로 카드뮴의 7.51 %를 차지하는 안정된 동위 원소로 간주 할 수 있습니다.

평균 원자 질량은 112.414 u로 114보다 112에 가깝습니다. 카드뮴에서 다른 것보다 우세한 동위 원소의 존재는 관찰되지 않습니다.

위험

일반

카드뮴 흡수는 주로 음식, 특히 간, 버섯, 갑각류, 코코아 가루 및 말린 해초에서 발생합니다.

지난 세기에 중국에서는 인구가 카드뮴 오염이 심하게 발생한 상징적 인 사건이 발생했습니다. 카드뮴 오염은 곡물의 토양에 카드뮴이 존재하기 때문에 쌀에 고농축 되었기 때문입니다.

흡연자의 평균 섭취량은 60 µg / 일입니다. 혈액에 허용되는 카드뮴의 최대 농도는 15 µg / 일입니다. 비 흡연자는 혈중 카드뮴 농도가 약 0.5 µg / L입니다.

폐는 담배 연기에서 카드뮴의 40 ~ 60 %를 흡수합니다. 폐에서 흡수 된 카드뮴은 혈액으로 운반되어 단백질, 시스테인 및 글루타티온과 복합체를 형성하고 간, 신장 등으로 전달됩니다.

카드뮴의 급성 흡입은 독감과 유사한 과정에서 관찰되는 것과 유사한 증상을 유발할 수 있습니다. 감기, 발열, 근육통 등 폐 손상을 일으킬 수 있습니다. 한편 카드뮴에 만성적으로 노출되면 폐, 신장 및 뼈 질환이 발생할 수 있습니다.

신장에 미치는 영향

신장에서 카드뮴은 일반적으로 인과 칼슘의 대사에 변화를 일으켜 신장 결석 생성의 증가로 입증됩니다. 또한 레티놀 수송 체 단백질과 β-2- 마이크로 글로불린의 소변에서 나타나는 신장 손상을 유발합니다.

번식에 미치는 영향

카드뮴에 대한 산모의 노출은 아동의 저체중 출생과 자연 유산 비율 증가와 관련이 있습니다.

뼈 손상

카드뮴은 일본에서 지난 세기에 이타이 이타 이병의 존재와 관련이 있습니다. 이 질환은 낮은 골 무기질화, 골절 률이 높은 골 취약성, 골다공증 증가 및 골통이 특징입니다.

발암

쥐를 대상으로 한 실험에서 카드뮴과 전립선 암 사이의 관계가 밝혀졌지만, 이는 인간에서 입증되지 않았습니다. 카드뮴과 신장 암 사이의 연관성이 밝혀졌으며 폐암과도 관련이 있습니다.

응용

니켈 카드뮴 충전식 박테리아

다른 셀 또는 Ni-Cd 배터리. 출처 : Wikipedia를 통한 Boffy b.

수산화 카드뮴은 Ni-Cd 배터리의 음극으로 사용되었습니다. 이들은 철도 및 항공 산업뿐만 아니라 휴대폰, 비디오 카메라, 랩톱 등을 포함한 공동 사용을위한 기기에 사용되었습니다.

Ni-Cd 배터리 제조를위한 카드뮴 소비량은 카드뮴 생산량의 80 %를 차지했습니다. 그러나이 원소의 독성으로 인해 Ni-Cd 배터리는 점차 니켈-금속 수 소화물 배터리로 대체되었습니다.

안료

카드뮴 레드. 출처 : Marco Almbauer

황화 카드뮴은 노란색 안료로 사용되고 카드뮴 레드로 알려진 카드뮴 셀레 나이드는 적색 안료로 사용됩니다. 이 안료는 광택과 강도가 특징이며, 이것이 플라스틱, 세라믹, 유리, 에나멜 및 예술적 색상에 사용 된 이유입니다.

화가 Vincent Van Gogh는 그의 그림에서 카드뮴 안료를 사용하여 다양한 밝은 빨강, 주황색 및 노란색을 얻을 수있었습니다.

카드뮴 안료의 착색은 오일로 분쇄하거나 수채화 및 아크릴에 혼합하기 전에 약화되어야합니다.

TV

카드뮴 함유 성분은 흑백 TV의 인광체와 컬러 TV 영상 튜브의 청색 및 녹색 인광체에 사용되었습니다.

인광체는 음극선에 의해 조사 된 화면의 일부로 이미지 형성을 담당했습니다. 카드뮴은 독성에도 불구하고 최근에 만들어진 QLED TV에 사용되기 시작했습니다.

PVC 안정화

카르 복실 레이트, 라우 레이트 및 스테아 레이트로 형성된 카드뮴 화합물은 제조 과정에서 PVC를 분해하는 열과 자외선에 노출되어 생성되는 분해를 지연시키기 때문에 폴리 염화 비닐의 안정화 제로 사용되었습니다.

카드뮴 독성으로 인해 카드뮴 결합 PVC 안정제는 바륨-아연, 칼슘-아연 및 유기 주석과 같은 다른 안정제로 대체되었습니다.

합금

카드뮴은 높은 피로 저항과 낮은 마찰 계수로 인해 베어링 합금에 사용되었습니다. 카드뮴은 상대적으로 융점이 낮기 때문에 저 융점 합금에 사용되며 여러 유형의 용접에 추가되는 구성 요소입니다.

카드뮴은 전기 전도성, 열 전도성 및 전기 접촉 합금에도 사용할 수 있습니다.

피복

카드뮴은 강철, 알루미늄 및 기타 비철금속 패스너와 움직이는 부품을 보호하는 데 사용됩니다. 카드뮴 코팅은 식염수 및 알칼리성 매체에서 부식 방지 기능을 제공합니다. 또한 윤활유 역할을합니다.

카드뮴은 내 부식성과 낮은 전기 저항이 필요한 많은 전기 및 전자 응용 분야에도 사용됩니다.

원자로

카드뮴은 중성자를 포획하는 능력 때문에 원자로에서 사용되며, 이는 핵분열에서 과도한 중성자를 제어하여 추가 핵분열을 피할 수있게합니다.

반도체

카드뮴 셀레 나이드와 텔루 라이드는 광 감지 및 태양 전지에서 반도체 역할을하는 화합물입니다. HgCdTe는 적외선에 민감하며 동작 감지기 및 원격 제어 장치의 스위치로 사용됩니다.

생물학

He-Cd 레이저 광. 출처 : Rather Anonymous (https://www.flickr.com/photos//35766549)

헬륨 -Cd는 형광 현미경에서 사용할 수있는 파장이 325 ~ 422nm 인 청자색 레이저 빔의 형성에 관여합니다.

카드뮴은 분자 생물학에서 막 전위에 따라 칼슘 채널을 차단하는 데 사용됩니다.

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