Cádmio: história, propriedades, estrutura, usos

O cádmio é um metal de transição ou pós – transição de número atômico 48 e prata. É maleável e dúctil, com pontos de fusão e ebulição relativamente baixos. O cádmio é um elemento raro e mal tem uma concentração de 0,2 g / tonelada de crosta terrestre.

A greenockita (CdS) é o único minério importante de cádmio que possui uma intensa coloração amarela. O cádmio está associado ao zinco na esfalerita (ZnS), que contém entre 0,1 e 03% de cádmio como um cátion Cd2 + .

Cádmio: história, propriedades, estrutura, usos 1

Cristais de cádmio Fonte: Imagens em Alta Resolução de Elementos Químicos [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Ao processar a esfalerita para obter, fundir e refinar o zinco, o cádmio é obtido na forma secundária, sendo esta a sua principal fonte de produção.

Este metal foi descoberto em 1817, de forma independente por Friedrich Stromayer e Karl Hermann. Stromayer batizou o novo elemento com o nome de cádmio, originário da palavra latina “cadmia”, um termo conhecido como calamina (carbonato de zinco).

O cádmio é um elemento de grande utilidade e inúmeras aplicações, como anticorrosivo de ferro, aço e metais não ferrosos; use como pigmento; Estabilização de PVC; elemento em ligas utilizadas na soldagem; pilhas recarregáveis ​​de níquel-cádmio, etc.

No entanto, é um elemento muito tóxico que causa graves danos aos pulmões, rins e ossos e até foi indicada uma ação carcinogênica, razão pela qual seu uso foi limitado. Mas, apesar disso, ele continuou a ser usado com cuidado em algumas aplicações.

História

– Dupla descoberta

O cádmio foi descoberto por Friedrich Stromayer, um químico alemão, no ano de 1817, em uma amostra de carbonato de zinco (calamina). Nesse mesmo ano, KSL Hermann e JCH Roloff fizeram a mesma descoberta, independentemente, em um experimento realizado com sulfeto de zinco.

Observou-se que Stromayer fez sua descoberta ao atender a um pedido do governo para inspecionar as farmácias da cidade de Hildesheim, Alemanha. O óxido de zinco, como agora, foi usado no tratamento de certas condições da pele.

Parece que as farmácias não emitiram óxido de zinco, mas venderam carbonato de zinco: matéria-prima para a produção de óxido de zinco. Os fabricantes de óxido de zinco argumentaram que o aquecimento do carbonato de zinco produzia um “óxido de zinco” amarelo.

Óxido de cádmio

Eles não podiam vender esse “óxido de zinco”, pois a cor do composto era normalmente branca; e, em vez disso, eles venderam carbonato de zinco, também branco. Diante dessa situação, Stromayer decidiu estudar o suposto óxido de zinco amarelo.

Para fazer isso, ele aqueceu amostras de carbonato de zinco (calamina) e um óxido de zinco amarelo foi produzido, como havia sido informado. Depois de analisá-lo, ele concluiu que a cor amarela era produzida pela presença de um óxido metálico de um novo elemento.

Após extrair esse novo óxido metálico, produziu sua redução, conseguindo o isolamento do cádmio. Stromayer determinou sua densidade e obteve um valor de 8,75 g / cm 3 , próximo ao valor atualmente conhecido para esse parâmetro (8,65 g / cm 3 ).

Além disso, Stromayer observou que o novo elemento tinha uma aparência semelhante à platina e também estava presente em muitos compostos de zinco, e mesmo no zinco purificado.

Stromayer sugeriu o nome “cádmio” da voz latina “cadmia”, nome com o qual foi chamado de calamina, ZnCO 3 .

Cádmio em sulfeto de zinco

Karl Hermann (1817) encontrou uma inesperada cor amarela ao processar o sulfeto de zinco e achou que poderia ser contaminação por arsênico. Mas uma vez descartada essa possibilidade, Hermann percebeu que estava na presença de um novo elemento.

– Aplicações

1840-1940

Na década de 1840, o uso de cádmio como pigmento começou a ser explorado comercialmente. O British Pharmaceutical Codex destaca em 1907 o uso de iodeto de cádmio como remédio para tratar “articulações aumentadas”, glândulas escrofulosas e frieiras.

Nas décadas de 1930 e 1940, a produção de cádmio era destinada ao revestimento de aço e ferro para protegê-los da corrosão. Na década de 1950, compostos de cádmio, como sulfureto de cádmio e seleneto de cádmio, foram utilizados como fontes de pigmentos vermelho, laranja e amarelo.

1970-1990

Nas décadas de 1970 e 1980, descobriu-se que os compostos laurato de cádmio e estearato de cádmio eram estabilizadores do PVC, o que produziu um aumento na demanda por cádmio. No entanto, os regulamentos ambientais devido à toxicidade do cádmio causaram uma diminuição no seu consumo.

Nas décadas de 1980 e 1990, o cádmio deixou de ser usado em muitas de suas aplicações, mas depois aumentou a produção com a criação de baterias recarregáveis ​​de níquel-cádmio, responsáveis ​​por 80% do consumo de cádmio nos Estados Unidos. .

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Propriedades físicas e químicas

Aparência

Branco cinzento prateado com brilho metálico e macio. Torna-se quebradiço por exposição a 80 ° C, podendo cortar com uma faca. É maleável e podem ser formados rolos.

Peso atômico padrão

112.414 u

Número atômico (Z)

48.

Categoria do item

Metal pós-transição, considerado alternativamente um metal de transição. A definição IUPAC de um metal de transição é aquela cujos átomos têm uma subcamada incompleta d ou que pode dar origem a cátions com uma subcamada incompleta d.

De acordo com essa definição, o cádmio não é um metal de transição, pois seu cátion Cd 2+ tem seus orbitais 4d completamente cheios de elétrons (4d 10 ).

Cheiro

WC

Ponto de fusão

321.07 ° C

Ponto de ebulição

767 ° C

Densidade

Temperatura ambiente: 8.65 g / cm 3

No ponto de fusão (líquido): 7,996 g / cm 3

Calor de fusão

6,21 kJ / mol

Calor de vaporização

99,87 kJ / mol

Capacidade de calorias molares

26.020 J / (molK)

Eletronegatividade

1.6 na escala de Pauling

Energias de ionização

Primeiro: 867,8 kJ / mol (Cd + gás)

Segundo: 1631,4 kJ / mol (Cd 2+ gás)

Terceiro: 3616 kJ / mol (Cd 3+ gás)

Condutividade térmica

96,6 W / (mK)

Resistividade elétrica

72,7 nΩ a 22 ° C

Dureza

2.0 na escala de Mohs. É um metal, embora denso, consideravelmente macio.

Estabilidade

É lentamente oxidado pelo ar úmido para formar óxido de cádmio, que mancha o brilho metálico. Não é inflamável, mas na forma de poeira pode queimar e sofrer ignição automática.

Auto-ignição

250 ° C para cádmio é uma forma de pó.

Índice de refração

1,8 a 20 ° C

Reatividade

O cádmio pode queimar no ar para formar óxido de cádmio (CaO), um pó amorfo marrom, enquanto a forma cristalina é vermelha escura.

O cádmio reage rapidamente com o ácido nítrico diluído e lentamente com o ácido clorídrico quente. Também é capaz de reagir com ácido sulfúrico, mas não reage com álcalis. Em todas essas reações, sais de cádmio de seus ânions correspondentes (Cl ) ou oxoanions (NO 3 e SO 4 2- ) são formados.

Estrutura e configuração eletrônicas

Os átomos de cádmio de seu cristal estabelecem uma ligação metálica a partir de seus elétrons de valência, localizados nos orbitais 4d e 5s de acordo com sua configuração eletrônica:

[Kr] 4d 10 5s 2

No entanto, embora os orbitais 4d estejam cheios de elétrons e que o “mar de elétrons” possa ser considerado abundante o suficiente para coalescer fortemente os átomos de Cd, na realidade as interações são fracas. Isso pode ser demonstrado experimentalmente com seu baixo ponto de fusão (321 ° C), em comparação com outros metais de transição.

Por esse e outros motivos químicos, o cádmio às vezes não é considerado um metal de transição. Existem tantos elétrons (doze) envolvidos em sua ligação metálica, que eles começam a perturbar bastante suas repulsões negativas; que, juntamente com a diferença de energia entre os orbitais 4d e 5s completos, enfraquecem a interação Cd-Cd.

Os átomos de Cd acabam definindo uma estrutura cristalina hexagonal compacta (hcp), que não sofre transições de fase antes do seu ponto de fusão. Quando os cristais de cádmio hcp são submetidos a uma pressão equivalente a 10 GPa, a estrutura apenas se deforma; mas sem nenhuma mudança de fase relatada.

Números de oxidação

O cádmio não pode perder os doze elétrons de valência; Na verdade, você não pode perder nem um dos seus orbitais 4d, mais estáveis ​​em energia em comparação com o orbital 5s. Portanto, ele só pode perder os dois elétrons do orbital 5s 2 , sendo consequentemente um metal divalente; como é o caso do zinco, mercúrio e metais alcalino-terrosos (Sr. Becambara).

Quando a existência do cátion Cd2 + é assumida em seus compostos , diz-se que o cádmio possui um número de oxidação ou estado de +2. Este é o seu principal número de oxidação. Por exemplo, os seguintes compostos contêm cádmio como +2: CdO (Cd 2+ O 2- ), CdCl 2 (Cd 2+ Cl 2 ), CdSO 4 (Cd 2+ SO 4 2- ) e Cd (NO 3 ) 2 .

Além deste número de oxidação, existem também +1 (Cd + ) e -2 (Cd 2- ). O número de oxidação +1 é observado na indicação de Cd 2 2+ , na qual cada átomo de cádmio possui uma carga positiva. Enquanto isso, -2 é bastante estranho e se aplica ao ânion “cadmuro”.

Onde você está e chegar

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Cristais de greenockita. Fonte: Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

O cádmio é um elemento raro que possui uma concentração de 0,2 g / ton da crosta terrestre. O único mineral importante do cádmio é o greenockita (CdS), que não é explorável do ponto de vista comercial e de mineração.

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O cádmio está associado ao zinco na esfalerita mineral (ZnS), que geralmente o contém em uma concentração que varia entre 0,1% e 0,3%; mas em alguns casos a concentração de cádmio na esfalerita pode chegar a 1,4%.

Rochas processadas para obter fertilizantes com fósforo podem ter uma concentração de cádmio de 300 mg / kg de fertilizante. O carvão também pode conter quantidades pequenas, mas significativas, de cádmio.

Uma fonte importante de cádmio são as emissões vulcânicas que o cádmio pode trazer para as águas superficiais. O uso de fertilizantes com fósforo em solos agrícolas levou à contaminação com cádmio.

O cádmio presente em solos ácidos é absorvível pelos vegetais. Alguns vegetais são usados ​​pelo homem como alimento, o que explica como a ingestão de água e alimentos é a principal fonte de renda de cádmio em fumantes ou não expostos profissionalmente.

Tratamento de esfalerita

Durante a mineração, fundição e refino de zinco presente na esfalerita, o cádmio é geralmente obtido como produto secundário. Um evento semelhante também ocorre, embora em menor grau, durante o processamento de cobre e chumbo.

Da mesma forma, pequenas quantidades de cádmio podem ser obtidas como resultado da reciclagem de resíduos de ferro e aço.

A esfalerita é torrada para que o sulfeto de zinco seja transformado em seu óxido, ZnO. A mesma reação é sofrida pelo sulfeto de cádmio:

2 ZnS + 3 O 2 → 2 ZnO + 2 SO 2

Se essa mistura de óxido for aquecida com carvão, eles serão reduzidos aos seus respectivos metais:

ZnO + CO → Zn + CO 2

Além disso, o zinco e o cádmio podem ser produzidos por eletrólise, dissolvendo os óxidos em ácido sulfúrico.

Qualquer um dos métodos gera um zinco contaminado com cádmio. Após a fusão, o cádmio pode ser destilado sob vácuo devido ao seu ponto de fusão mais baixo (321 ° C) comparado ao zinco (420 ° C).

Isótopos

Entre os isótopos naturais e estáveis ​​de cádmio que temos, com suas respectivas abundâncias aqui na Terra:

106 Cd (1,25%)

108 Cd (0,89%)

110 Cd (12,47%)

111 Cd (12,8%)

112 Cd (24,11%)

114 Cd (28,75%)

113 Cd (12,23%)

O 113 Cd é radioativo, mas devido ao grande valor de sua meia-vida ( t 1/2 = 7,7 · 10 15 anos), pode ser considerado estável. E existem 116 Cd, também radioativos, com meia-vida de 3,1 · 10 19 anos; portanto, pode ser considerado um isótopo estável, representando 7,51% de cádmio.

Observe que a massa atômica média é 112.414 u, 112 mais próximo que 114. A existência de um isótopo predominante não é observada no cádmio em relação aos demais.

Riscos

Generais

A absorção de cádmio ocorre principalmente através de alimentos, principalmente fígado, cogumelos, mariscos, cacau em pó e algas secas.

Um caso emblemático ocorreu na China no século passado, onde houve uma contaminação significativa com cádmio na população. A contaminação por cádmio ocorreu devido à sua alta concentração no arroz, causada pela presença de cádmio nos solos das culturas de cereais.

Um fumante tem uma ingestão média de 60 µg / dia. A concentração máxima de cádmio permitida no sangue é de 15 µg / dia. Não-fumantes têm uma concentração de cádmio no sangue em torno de 0,5 µg / L.

Os pulmões absorvem entre 40 e 60% do cádmio presente na fumaça do tabaco. O cádmio absorvido nos pulmões é transportado no sangue, formando complexos com proteínas, cisteína e glutationa, que acabam no fígado, rins, etc.

Uma inalação aguda de cádmio pode produzir sintomas semelhantes aos observados em um processo de gripe; como frio, febre e dores musculares, e pode causar danos nos pulmões. Enquanto isso, a exposição crônica ao cádmio pode causar doenças nos pulmões, rins e ossos.

Efeito nos rins

Nos rins, o cádmio geralmente causa uma alteração no metabolismo do fósforo e do cálcio, evidenciada por um aumento na produção de cálculos renais. Além disso, causa danos renais manifestados na urina da proteína transportadora de retinol e da β-2-microglobulina.

Efeito de reprodução

A exposição materna ao cádmio está associada a um baixo peso ao nascer da criança e um aumento na taxa de abortos espontâneos.

Lesão óssea

O cádmio está relacionado no Japão à presença da doença Itai-Itai no século passado. Esta doença é caracterizada por baixa mineralização óssea, fragilidade óssea com alta taxa de fraturas, aumento da osteoporose e dor óssea.

Carcinogênese

Embora experimentos em ratos tenham estabelecido uma relação entre o cádmio e o câncer de próstata, isso não foi demonstrado em seres humanos. Uma associação entre o cádmio e o câncer renal foi revelada e também tem sido associada ao câncer de pulmão.

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Usos

Bactérias recarregáveis ​​de níquel-cádmio

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Pilhas diferentes ou pilhas Ni-Cd. Fonte: Boffy b via Wikipedia.

O hidróxido de cádmio foi utilizado como cátodo nas baterias de Ni-Cd. Estes foram utilizados na indústria ferroviária e aeronáutica, bem como em instrumentos de uso coletivo que incluem telefones celulares, filmadoras, laptops, etc.

O consumo de cádmio na produção de baterias de Ni-Cd representou 80% da produção de cádmio. No entanto, devido à toxicidade desse elemento, as baterias de Ni-Cd foram gradualmente substituídas por baterias de hidreto de níquel-metal.

Pigmentos

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Cádmio vermelho Fonte: Marco Almbauer [Domínio público]

O sulfeto de cádmio é usado como pigmento amarelo e o seleneto de cádmio como pigmento vermelho, conhecido como vermelho de cádmio. Estes pigmentos são caracterizados pelo seu brilho e intensidade, pelo que foram utilizados em plásticos, cerâmica, vidro, esmaltes e cores artísticas.

Assinalou-se que o pintor Vincent Van Gogh usava pigmentos de cádmio em suas pinturas, o que lhe permitiu obter uma variedade de vermelhos, laranjas e amarelos brilhantes.

A coloração dos pigmentos de cádmio deve ser atenuada antes de ser moída com óleos ou misturada em aquarelas e acrílicos.

TV

Componentes contendo cádmio foram utilizados no fósforo das televisões em preto e branco, bem como nas correspondências em azul e verde dos tubos de imagem em cores da televisão.

O fósforo fazia parte da tela irradiada pelos raios catódicos, sendo responsável pela formação da imagem. O cádmio, apesar de sua toxicidade, começou a ser usado em TVs QLED recém-criadas.

Estabilização de PVC

Os compostos de cádmio formados com carboxilato, laurato e estearato foram utilizados como estabilizadores do cloreto de polivinil, pois atrasam a degradação causada pela exposição ao calor e à luz ultravioleta que decompõem o PVC durante seu processo de fabricação.

Devido à toxicidade do cádmio, novamente, os estabilizadores de PVC ligados ao cádmio foram substituídos por outros estabilizadores, como bário-zinco, cálcio-zinco e organotina.

Ligas

O cádmio tem sido usado em ligas para rolamentos devido à sua alta resistência à fadiga e ao baixo coeficiente de atrito. O cádmio tem um ponto de fusão relativamente baixo, por isso é usado em ligas de baixo ponto de fusão e é um componente além de muitos tipos de soldagem.

O cádmio também pode ser usado em ligas de condutividade elétrica, condutividade térmica e contato elétrico.

Sobreposição

O cádmio é usado para a proteção de fixadores de aço, alumínio e outros metais não ferrosos, bem como peças móveis. O revestimento de cádmio fornece proteção contra corrosão nos meios salinos e alcalinos. Além disso, serve como lubrificante.

O cádmio também é usado em muitas aplicações elétricas e eletrônicas que precisam de resistência à corrosão e baixa resistividade elétrica.

Reatores nucleares

O cádmio é usado em reatores nucleares devido à sua capacidade de capturar os nêutrons, o que permite o controle do excesso de nêutrons da fissão nuclear, evitando fissões nucleares adicionais.

Semicondutores

Seleneto de cádmio e telureto são compostos que cumprem a função de semicondutores na detecção de luz e em células solares. O HgCdTe é sensível à luz infravermelha e é usado como um detector de movimento, bem como uma chave para dispositivos de controle remoto.

Biologia

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Luz laser He-Cd. Fonte: Bastante anônimo (https://www.flickr.com/photos/ 79262083 @ N00 / 35766549)

O hélio-Cd está envolvido na formação de um raio laser azul-violeta com comprimento de onda que varia entre 325 e 422 nm, utilizável em microscópios de fluorescência.

O cádmio é usado na biologia molecular para bloquear os canais de cálcio, dependendo do potencial da membrana.

Referências

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  2. Selva VR e outros. (2014). Estrutura de alta pressão e temperatura de Cd líquido e sólido: implicações para a curva de fusão de Cd. Recuperado em: researchgate.net
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  9. Lenntech BV (2019). Cádmio Recuperado de: lenntech.com

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