Cádmio (Cd): história, propriedades, estrutura, usos - Ciência - 2023

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o cádmio(Cd) é um metal transicional ou pós-transicional de número atômico 48 e de cor prata. É maleável e dúctil, com pontos de fusão e ebulição relativamente baixos. O cádmio é um elemento raro e tem uma concentração de apenas 0,2 g / tonelada da crosta terrestre.

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

No processamento da esfalerita para obter, fundir e refinar o zinco, o cádmio é obtido em uma forma secundária, sendo esta sua principal fonte de produção.

Este metal foi descoberto em 1817, independentemente por Friedrich Stromayer e Karl Hermann. Stromayer batizou o novo elemento com o nome de cádmio, originado da palavra latina “cádmia”, termo que se chamava calamina (carbonato de zinco).

O cádmio é um elemento de grande utilidade e inúmeras aplicações, como anticorrosivo de ferro, aço e metais não ferrosos; usar como pigmento; estabilização do PVC; elemento em ligas usadas em soldagem; baterias recarregáveis de níquel-cádmio, etc.

No entanto, é um elemento muito tóxico, que causa graves danos aos pulmões, rins e ossos, tendo até sido relatado ter ação carcinogênica, razão pela qual seu uso tem sido limitado. Apesar disso, ele continuou a ser usado com cuidado em alguns aplicativos.

História

- Dupla descoberta

O cádmio foi descoberto por Friedrich Stromayer, um químico alemão, em 1817 em uma amostra de carbonato de zinco (calamina). Naquele mesmo ano, K. S. L. Hermann e J. C. H. Roloff fizeram a mesma descoberta, independentemente, em um experimento com sulfeto de zinco.

Stromayer teria feito sua descoberta enquanto atendia a uma solicitação do governo para inspecionar farmácias na cidade de Hildesheim, na Alemanha. O óxido de zinco, como é agora, era usado para tratar certas doenças de pele.

Parece que as farmácias não expediam óxido de zinco, mas sim carbonato de zinco: uma 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 este "óxido de zinco", pois a cor do composto era normalmente branca; 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 do carbonato de zinco (calamina) e produziu um óxido de zinco amarelo, conforme relatado. Depois de analisá-lo, concluiu que a cor amarela era causada 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 / cm³, próximo ao valor atualmente conhecido para este parâmetro (8,65 g / cm³).

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

Stromayer sugeriu o nome "cádmio" da palavra latina "cádmia", o nome pelo qual a calamina era chamada, ZnCO₃.

Cádmio em sulfeto de zinco

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

- Formulários

1840-1940

Na década de 1840, o uso do cádmio como pigmento começou a ser explorado comercialmente. O British Pharmaceutical Codex indica em 1907 o uso de iodeto de cádmio como medicamento para tratar "articulações dilatadas", glândulas escrofulosas e frieiras.

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

1970-1990

Nas décadas de 1970 e 1980, os compostos laurato de cádmio e estearato de cádmio foram considerados estabilizadores para o PVC, levando a um aumento na demanda por cádmio. No entanto, as regulamentações 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 sua produção aumentou com a criação de baterias recarregáveis de níquel-cádmio, que passaram a representar 80% do consumo de cádmio nos Estados Unidos. .

Propriedades físicas e químicas do cádmio

Aparência

Branco acinzentado prateado com brilho metálico suave. Torna-se quebradiço por exposição a 80 ºC e pode ser cortado com faca. É maleável e pode ser enrolado em rolos.

Peso atômico padrão

112.414 u

Número atômico (Z)

Categoria de Item

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

De acordo com esta definição, o cádmio não é um metal de transição, pois seu cátion Cd²⁺ tem seus orbitais 4d completamente preenchidos com elétrons (4d¹⁰).

Odor

Banheiro

Ponto de fusão

321,07 ºC

Ponto de ebulição

767 ºC

Densidade

Temperatura ambiente: 8,65 g / cm³

No ponto de fusão (líquido): 7,996 g / cm³

Calor de fusão

6,21 kJ / mol

Calor da vaporização

99,87 kJ / mol

Capacidade calórica molar

26,020 J / (mol K)

Eletro-negatividade

1,6 na escala de Pauling

Energias de ionização

Primeiro: 867,8 kJ / mol (Cd⁺ gasoso)

Segundo: 1631,4 kJ / mol (Cd²⁺ gasoso)

Terceiro: 3616 kJ / mol (Cd³⁺ gasoso)

Condutividade térmica

96,6 W / (mK)

Resistividadeelétrico

72,7 nΩ · m a 22 ºC

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 seu brilho metálico. Não é inflamável, mas na forma de pó pode queimar e se auto-inflamar.

Autoignição

250 ºC para o cádmio é a forma de pó.

Índice de refração

1,8 a 20 ºC

Reatividade

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

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, os sais de cádmio de seus ânions correspondentes (Cl^–) ou oxoanions (NO₃^– Eu sou₄^2-).

Estrutura e configuração eletrônica

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

[Kr] 4d¹⁰ 5s²

No entanto, embora os orbitais 4d estejam cheios de elétrons, e também se possa pensar que o "mar de elétrons" é abundante para ligar 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 isso, e por outras razões químicas, o cádmio às vezes não é considerado um metal de transição. Há tantos elétrons (doze) envolvidos em sua ligação metálica que eles começam a perturbar grandemente suas repulsões negativas; que, junto com a diferença energética entre os orbitais 4d e 5s completos, enfraquece a interação Cd-Cd.

Os átomos de Cd acabam definindo uma estrutura cristalina hexagonal compacta (hcp), que não sofre transições de fase antes de 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 qualquer mudança de fase sendo relatada.

Números de oxidação

O cádmio não pode perder os doze elétrons de valência; na verdade, ele não pode perder nem mesmo um de seus orbitais 4d, que são mais estáveis em energia em comparação com o orbital 5s. Portanto, ele só pode perder os dois elétrons do orbital 5s², conseqüentemente sendo um metal divalente; como é o caso com zinco, mercúrio e metais alcalino-terrosos (Sr. Becambara).

Quando a existência do cátion Cd é assumida em seus compostos²⁺Diz-se então que o cádmio tem 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 (Cd²⁺OU^2-), CdCl₂ (CD²⁺Cl₂^–), CdSO₄ (CD²⁺SW₄^2-) e Cd (NO₃)₂.

Além deste número de oxidação, há também o +1 (Cd⁺) e o -2 (Cd^2-) O número de oxidação +1 é observado na medicação de Cd₂²⁺, em que cada átomo de cádmio tem uma carga positiva. Enquanto isso, o -2 é bastante estranho e se aplicaria ao ânion "cadmide".

Onde encontrar e obter

O cádmio é um elemento raro que possui uma concentração de 0,2 g / ton na crosta terrestre. O único mineral importante para o cádmio é a greenockite (CdS), que não é lavrável do ponto de vista mineiro e comercial.

O cádmio é encontrado associado ao zinco no mineral esfalerita (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%.

As rochas processadas para obtenção de fertilizantes fosfatados podem ter uma concentração de cádmio de 300 mg / kg de fertilizante. Além disso, o carvão pode conter quantidades pequenas, mas significativas de cádmio.

A principal fonte de cádmio são as emissões vulcânicas que o cádmio pode transportar para as águas superficiais. O uso de fertilizantes fosfatados em solos para uso agrícola tem levado à sua contaminação com cádmio.

O cádmio presente em solos ácidos é absorvido pelas plantas. Algumas das hortaliças são usadas pelo homem como alimento, o que explica como a ingestão de água e alimentos é a principal fonte de entrada de cádmio em pessoas não expostas ou fumantes.

Tratamento de esfalerita

Durante a mineração, fundição e refino do zinco presente na esfalerita, o cádmio é geralmente obtido como subproduto. Evento semelhante também ocorre, embora em grau muito menor, durante o processamento de cobre e chumbo.

Da mesma forma, pequenas quantidades de cádmio podem ser obtidas a partir da reciclagem de ferro e sucata de aço.

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

2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂

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

ZnO + CO → Zn + CO₂

Além disso, zinco e cádmio podem ser produzidos por eletrólise, à medida que os óxidos se dissolvem 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 inferior (321 ° C) em comparação com o zinco (420 ° C).

Isótopos

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

–¹⁰⁶Cd (1,25%)

–¹⁰⁸Cd (0,89%)

–¹¹⁰Cd (12,47%)

–¹¹¹Cd (12,8%)

–¹¹²Cd (24,11%)

–¹¹⁴Cd (28,75%)

–¹¹³Cd (12,23%)

o ¹¹³O Cd é radioativo, mas devido ao grande valor de sua meia-vida (t_1/2= 7,7·10¹⁵ anos), pode ser considerado estável. E então há o ¹¹⁶Cd, também radioativo, com meia-vida de 3,110¹⁹ anos, portanto, pode ser considerado um isótopo estável, representando 7,51% do cádmio.

Observe que a massa atômica média é 112,414 u, mais próxima de 112 do que 114. A existência de um isótopo predominante acima dos outros não é observada no cádmio.

Riscos

Geral

A absorção de cádmio ocorre principalmente a partir de alimentos, especialmente fígado, cogumelos, crustáceos, cacau em pó e algas marinhas secas.

Um caso emblemático ocorreu na China no século passado, onde havia contaminação significativa de cádmio na população. A contaminação do cádmio deveu-se à sua alta concentração no arroz, causada pela presença do cádmio nos solos das culturas de cereais.

O fumante ingere em média 60 µg / dia. A concentração máxima permitida de cádmio no sangue é de 15 µg / dia. Os 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 pelo sangue, formando complexos com proteínas, cisteína e glutationa, que então vão para o fígado, rins, etc.

Uma inalação aguda de cádmio pode produzir sintomas semelhantes aos observados em um processo semelhante ao da gripe; como resfriado, febre e dores musculares, que podem causar danos aos pulmões. Enquanto isso, a exposição crônica ao cádmio pode causar doenças pulmonares, renais e ósseas.

Efeito nos rins

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

Efeito na reprodução

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

Dano ósseo

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

Carcinogênese

Embora experimentos em ratos tenham estabelecido uma relação entre cádmio e câncer de próstata, isso não foi demonstrado em humanos. Foi demonstrada uma associação entre cádmio e câncer de rim, e também associada ao câncer de pulmão.

Formulários

Bactéria recarregável de níquel cádmio

O hidróxido de cádmio foi usado como cátodo em baterias de Ni-Cd.Estes foram utilizados na indústria ferroviária e aeronáutica, bem como em instrumentos de uso coletivo incluindo telefones celulares, câmeras de vídeo, laptops, etc.

O consumo de cádmio para a fabricação de baterias 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 níquel-hidreto metálico.

Pigmentos

O sulfeto de cádmio é usado como pigmento amarelo e o seleneto de cádmio como pigmento vermelho, conhecido como vermelho de cádmio. Estes pigmentos caracterizam-se pelo seu brilho e intensidade, razão pela qual têm sido utilizados em plásticos, cerâmicas, vidros, esmaltes e cores artísticas.

Observou-se que o pintor Vincent Van Gogh utilizou 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 serem triturados com óleos ou misturados em aquarelas e acrílicos.

Televisão

Componentes contendo cádmio foram usados no fósforo de televisores em preto e branco, bem como nos fósforos azul e verde para tubos de imagem de televisão em cores.

O fósforo fazia parte da tela que era irradiada pelos raios catódicos, sendo responsável pela formação da imagem. O cádmio, apesar de sua toxidade, começou a ser usado em televisores QLED recém-criados.

Estabilização de PVC

Os compostos de cádmio formados com carboxilato, laurato e estearato foram utilizados como estabilizadores do policloreto de vinila, pois retardam a degradação produzida pela exposição ao calor e à luz ultravioleta que decompõe o PVC durante seu processo de fabricação.

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

Ligas

O cádmio tem sido usado em ligas de rolamentos devido a sua alta resistência à fadiga e 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 adicional a muitos tipos de soldas.

O cádmio também pode ser usado em ligas eletricamente condutoras, termicamente condutoras e de contato elétrico.

Cobertura

O cádmio é usado para proteger aço, alumínio e outros fechos de metal não ferroso, bem como peças móveis. O revestimento de cádmio fornece proteção contra corrosão em meios salinos e alcalinos. Além disso, serve como lubrificante.

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

Reatores nucleares

O cádmio é usado em reatores nucleares por sua capacidade de capturar nêutrons, o que permite controlar o excesso de nêutrons produzidos pela fissão nuclear, evitando fissões nucleares adicionais.

Semicondutores

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

biologia

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

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

Referências

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