48 Cd كادميوم 112.414
فلز انتقالي d-block Period 5 Group 12

كادميوم

Cd · Element 48 · Zinc group

A soft, toxic metal that gave the world rechargeable NiCd cells and the brilliant yellow of old paint.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 112.414 u
ELECTRON CONFIGURATION [Kr] 4d¹⁰ 5s²
47Ag All 118 49In

البنية

ذرة كادميوم

ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.

سحابة المدارات

القيم المقيسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع كادميوم بين العناصر الـ118 جميعها بالنسبة إلى تلك الخاصية.

فيزيائية

الكثافة 8.65 g/cm³ 54%
نقطة الانصهار 594.2 K 30%
نقطة الغليان 1040 K 26%
الحرارة النوعية 0.232 J/g·K
التوصيل الحراري 96.6 W/m·K 81%

ذرية

نصف القطر الذري 151 pm 45%
نصف القطر التساهمي 142 pm
نصف قطر فان دير فالس 158 pm

إلكترونية

السالبية الكهربائية 1.69 56%
طاقة التأين 867.4 kJ/mol 77%
الألفة الإلكترونية —

الوفرة

الوفرة في القشرة 0.15 mg/kg 43%

الهوية

الرمزCd
العدد الذري48
الكتلة الذرية112.414 u
الفئةفلز انتقالي
المستوى الفرعيd
البنية البلوريةسداسي محكم التراص
حالات الأكسدة-2, +1, +2
الاكتشاف1817
اكتشفهStromeyer & Hermann

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق مقياس

How big is a كادميوم atom?

Radius 151 pm — that is 0.151 nm, so about 3311 million of them side by side would span a millimetre.

النطاق الحراري

Solid, liquid, gas — and when

كادميوم is liquid over a 446 K window, from 594 K to 1040 K.

موضعه

موضعه في الجدول

كادميوم sits in period 5, group 12. Everything in group 12 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER الفلزات الانتقالية

21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 44Ru
All الفلزات الانتقالية

القصة

ما هو كادميوم، وكيف اكتشفناه

A soft, toxic metal that gave the world rechargeable NiCd cells and the brilliant yellow of old paint.

The discovery of كادميوم

اكتُشف الكادميوم عام 1817 على يد الكيميائي الألماني Friedrich Stromeyer أثناء بحثه في مركب أصفر غريب كان يلوث مستحضرات الزنك الطبية. وقد كشف هذا الاكتشاف العرضي عن أحد أكثر عناصر الجدول الدوري سمية.

التلوث الأصفر الغامض (1817)

كُلّف Friedrich Stromeyer، الأستاذ في جامعة Göttingen، بالتحقيق في تقارير عن تغير اللون إلى الأصفر في أكسيد الزنك المستخدم لأغراض طبية. فقد اشتكى الصيادلة من أن بعض دفعات أكسيد الزنك تتحول إلى اللون الأصفر عند تسخينها، مما يجعلها غير صالحة للاستخدام الطبي. واشتبه Stromeyer في وجود مادة مجهولة.

التحقيق المنهجي

حلل Stromeyer عينات أكسيد الزنك الملوث بطريقة منهجية. فأذابها في الحمض وأجرى تفاعلات ترسيب لفصل المكونات المختلفة. واستمر اللون الأصفر خلال المعالجات الكيميائية المتنوعة، مما دل على أنه لم يكن ناتجًا عن شوائب معروفة مثل الحديد أو الزرنيخ. وكشف عمله التحليلي الدقيق أن هذه المادة جديدة تمامًا.

عزل العنصر الجديد

من خلال سلسلة من عمليات الفصل الكيميائي، نجح Stromeyer في عزل كمية صغيرة من الكادميوم الفلزي باختزال المركب الأصفر باستخدام الفحم النباتي. وكان الفلز الجديد أبيض فضيًا وقابلًا للطرق وذا خصائص غير مألوفة. وأطلق عليه اسم "cadmium" نسبةً إلى الكلمة اليونانية "kadmeia" (الكالامين)، في إشارة إلى خام الزنك الذي استُخلص منه.

تأكيدات مستقلة

ومن اللافت أن كيميائيين آخرين توصلا إلى اكتشافات مماثلة في الفترة نفسها تقريبًا. فقد عزل Karl Samuel Leberecht Hermann في ألمانيا وJöns Jacob Berzelius في السويد الكادميوم independently عام 1818، مؤكدين عمل Stromeyer. وقد أبرز هذا الاكتشاف المتوازي النهج المنهجي للكيمياء في أوائل القرن 19.

التطبيقات المبكرة

خلال عقود من اكتشافه، وجد الكادميوم استخدامًا بوصفه صبغة. وأصبح الأصفر الكادميومي (كبريتيد الكادميوم) والأحمر الكادميومي (سيلينيد الكادميوم) محل تقدير لدى الفنانين لألوانهما الزاهية والثابتة أمام الضوء. وكانت هذه الأصباغ أكثر حيوية وثباتًا من الملونات الصفراء والبرتقالية السابقة.

التعرف إلى السمية

لم يُعترف على نطاق واسع بالسمية الشديدة للكادميوم حتى منتصف القرن 20. فقد سلط مرض "Itai-itai disease" المأساوي في اليابان خلال خمسينيات وستينيات القرن 20، الناجم عن تلوث الكادميوم من عمليات التعدين، الضوء على الآثار الصحية الخطيرة للعنصر. وأدى ذلك إلى لوائح صارمة وإيقاف العديد من تطبيقات الكادميوم تدريجيًا.

الفهم الحديث

يُستخدم الكادميوم اليوم نموذجًا لدراسة سمية الفلزات الثقيلة والتلوث البيئي. وقد أسهم البحث في التأثيرات البيولوجية للكادميوم إسهامًا كبيرًا في فهمنا للإجهاد الخلوي وتلف الحمض النووي والصحة البيئية. وعلى الرغم من سميته، يظل الكادميوم مهمًا في تطبيقات متخصصة مثل قضبان التحكم النووية والخلايا الشمسية المتقدمة.

الإرث العلمي

يجسد اكتشاف Stromeyer للكادميوم الكيمياء التحليلية الدقيقة في أوائل القرن 19. وأصبح نهجه المنهجي في عزل المواد المجهولة وتوصيفها نموذجًا لاكتشاف العناصر. كما ساعد التعرف اللاحق إلى سمية الكادميوم في تأسيس مجال علم السموم البيئي وأهمية دراسة التأثيرات الصحية للعناصر.

الاستخدامات

فيما يُستخدم كادميوم

الاستخدامات المقيّدة (مخاوف بيئية)

نظرًا إلى سمية الكادميوم، أُوقف العديد من الاستخدامات التقليدية أو خضعت لتنظيم صارم. وقد حظر الاتحاد الأوروبي استخدام الكادميوم في معظم المنتجات الاستهلاكية، كما تفرض دول كثيرة حدودًا صارمة على انبعاثات الكادميوم والتخلص منه.

بطاريات النيكل والكادميوم

كانت بطاريات NiCd شائعة في تطبيقات الشحن ذاتيًا بسبب متانتها وقدرتها على توفير تيارات عالية. فقد شغّلت الهواتف اللاسلكية وإضاءة الطوارئ وأدوات الطاقة. غير أن المخاوف البيئية أدت إلى استبدالها ببطاريات أيون الليثيوم وبطاريات NiMH في معظم التطبيقات.

الأصباغ والطلاءات

ينتج كبريتيد الكادميوم أصباغًا صفراء زاهية، بينما ينتج سيلينيد الكادميوم ألوانًا حمراء وبرتقالية نابضة بالحياة. وقد قدّر الفنانون هذه الأصباغ لشدة ألوانها وثباتها أمام الضوء. استخدم رسامون مشهورون مثل Monet وVan Gogh الأصفر الكادميومي. واليوم تُفضّل البدائل الأكثر أمانًا في معظم التطبيقات.

الطلاء الكهربائي والحماية من التآكل

يوفر طلاء الكادميوم مقاومة ممتازة للتآكل، ولا سيما في البيئات البحرية. وقد استُخدم على نطاق واسع في تجهيزات الطائرات والمسامير والمكونات الإلكترونية. ولا تزال التطبيقات العسكرية والفضائية تستخدم طلاء الكادميوم عندما تعجز البدائل عن تقديم الأداء نفسه، ولكن تحت ضوابط صارمة.

التطبيقات النووية

تجعل قدرة الكادميوم الاستثنائية على امتصاص النيوترونات منه مادة قيّمة في المفاعلات النووية، حيث يُستخدم في قضبان التحكم ودروع النيوترونات. ويمتلك الكادميوم-113 أحد أعلى المقاطع العرضية لامتصاص النيوترونات بين أي نظير مستقر، مما يجعله ضروريًا لأنظمة السلامة النووية.

الخلايا الكهروضوئية

تتميز الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة من تيلوريد الكادميوم (CdTe) بكفاءة عالية وفعالية من حيث التكلفة. وعلى الرغم من المخاوف البيئية المتعلقة بالكادميوم، تتمتع هذه الألواح الشمسية بمعدلات ممتازة لاسترداد الطاقة، كما يمكن إعادة تدويرها. وهي تمثل أحد التطبيقات القليلة المتنامية للكادميوم.

السبائك المتخصصة

تُستخدم سبائك الكادميوم منخفضة الانصهار في تطبيقات متخصصة مثل أنظمة رشاشات إطفاء الحرائق الآلية وسدادات الأمان في أوعية الضغط. وتنصهر هذه السبائك عند درجات حرارة محددة مسبقًا، مما يوفر آليات تحرير أمان تلقائية في حالات الطوارئ.

المختبر والبحث

تُستخدم مركبات الكادميوم أدواتٍ بحثية في دراسات الكيمياء الحيوية وعلم السموم. ويُستخدم كلوريد الكادميوم لدراسة استجابات الإجهاد الخلوي وعلم السموم البيئي. وتتطلب هذه التطبيقات بروتوكولات سلامة صارمة وإجراءات لإدارة النفايات.

ملاحظة بيئية مهمة

نظرًا إلى سمية الكادميوم، أُوقف معظم الاستخدامات اليومية أو خضعت لتنظيم صارم. ونادرًا ما يتعرض المستهلكون المعاصرون للكادميوم مباشرة، إذ استُبدلت معظم التطبيقات التقليدية ببدائل أكثر أمانًا.

تطبيقات البطاريات القديمة

كانت البطاريات القديمة القابلة لإعادة الشحن المستخدمة في أدوات الطاقة وإضاءة الطوارئ والهواتف اللاسلكية تحتوي على الكادميوم. ويجري استبدالها ببطاريات أيون الليثيوم وبطاريات هيدريد النيكل-فلز. وتُعد إعادة تدوير بطاريات NiCd القديمة بطريقة صحيحة أمرًا بالغ الأهمية لمنع التلوث البيئي.

أصباغ الفنانين (مقيّدة)

قد يستمر الفنانون المحترفون في استخدام الدهانات القائمة على الكادميوم لما تتمتع به من خصائص لونية استثنائية، لكن العديد من الشركات المصنعة توفر الآن بدائل خالية من الكادميوم. وغالبًا ما يتعلم طلاب الفن استخدام بدائل أكثر أمانًا تحاكي ألوان الكادميوم الصفراء والبرتقالية والحمراء الزاهية.

تقنية الألواح الشمسية

تحتوي بعض الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة على تيلوريد الكادميوم، رغم أن المستهلكين لا يتعاملون مباشرة مع هذه المادة. وهذه الألواح محكمة الإغلاق ويجب إعادة تدويرها بطريقة صحيحة عند انتهاء عمرها التشغيلي لمنع إطلاق الكادميوم في البيئة.

كان موجودًا سابقًا في أدوات المائدة (محظور الآن)

قد تحتوي الخزفيات والطلاءات الزجاجية القديمة أحيانًا على أصباغ الكادميوم، التي يمكن أن تتسرب إلى الطعام والشراب. وتحظر اللوائح الآن استخدام الكادميوم في الأسطح الملامسة للأغذية. وينبغي اختبار أدوات المائدة العتيقة أو المستوردة قبل استخدامها مع الطعام.

المكونات الصناعية

قد تحتوي بعض المعدات الصناعية المتخصصة على مكونات مطلية بالكادميوم لمقاومة التآكل. ويتلقى العاملون في هذه الصناعات تدريبًا خاصًا ويخضعون للمراقبة. ويكون تعرض المستهلكين ضئيلًا بسبب ممارسات الاحتواء الصناعية.

وجوده في البيئة

يمكن أن يتراكم الكادميوم في التربة والنباتات، ولا سيما الخضروات الورقية والحبوب. وتراقب الممارسات الزراعية الحديثة مستويات الكادميوم لضمان سلامة الغذاء. ويُعد تدخين التبغ مصدرًا مهمًا للتعرض للكادميوم لدى المدخنين.

حماية المستهلك

تفرض الهيئات التنظيمية مثل EPA وFDA حدودًا صارمة على الكادميوم في المنتجات الاستهلاكية. ويأتي معظم التعرض اليومي من الطعام والتبغ لا من الاتصال المباشر بالمنتجات المحتوية على الكادميوم. وتمنع إعادة التدوير والتخلص السليم تراكمه في البيئة.

مصدره

وجوده الطبيعي

0.15 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 43% of elements

الكادميوم أحد أندر العناصر المستقرة في القشرة الأرضية، إذ يوجد بمتوسط تركيز لا يتجاوز 0.1-0.2 جزء في المليون. ونادرًا ما يشكل هذا الفلز الثقيل السام معادن خاصة به، بل يوجد مكوّنًا ثانويًا في خامات الزنك والرصاص والنحاس.

ارتباطه بالزنك

تعني أوجه التشابه الكيميائي بين الكادميوم والزنك أن الكادميوم يوجد تقريبًا دائمًا إلى جانب معادن الزنك. وأهم معدن حامل للكادميوم هو الغرينوكيتيت (CdS)، الذي يتشكل كطبقة على خامات الزنك. ويشكل الكادميوم عادةً 0.1-0.5% من مركزات الزنك، مما يجعل تكرير الزنك المصدر الأساسي لإنتاج الكادميوم.

التوزيع الجغرافي

تشمل المناطق الرئيسية المنتجة للكادميوم الصين (60% من الإنتاج العالمي) وكوريا الجنوبية وكندا وكازاخستان. وينتج منجم Red Dog في ألاسكا كميات كبيرة من الكادميوم بوصفه ناتجًا ثانويًا لتعدين الزنك. كما تحتوي رواسب Mount Isa وBroken Hill في أستراليا على احتياطيات كبيرة من الكادميوم.

معادن الكادميوم النادرة

معادن الكادميوم النقية نادرة للغاية. وإلى جانب الغرينوكيتيت (CdS)، تشمل معادن الكادميوم الأخرى الأوتافيتي (CdCO₃) والمونتيبونيت (CdO). وتهم هذه المعادن العلم أساسًا لا الاقتصاد، إذ يُستخلص الكادميوم تقريبًا حصرًا كناتج ثانوي لإنتاج فلزات أخرى.

المصادر البشرية

زادت الأنشطة البشرية مستويات الكادميوم البيئي زيادة كبيرة. ويطلق حرق الفحم وصهر الفلزات والعمليات الصناعية الكادميوم في الهواء والماء والتربة. كما يسهم حرق النفايات البلدية واستخدام الأسمدة الفوسفاتية في تلوث البيئة بالكادميوم.

التراكم الحيوي

يتراكم الكادميوم حيويًا في الكائنات الحية، ولا سيما في الكليتين والكبد. ويمكن للنباتات امتصاص الكادميوم من التربة الملوثة، مع إظهار الخضروات الورقية والحبوب تركيزات أعلى. وتراكم الرخويات وبعض أنواع الأسماك الكادميوم من الماء، مما يجعل المأكولات البحرية مصدرًا محتملًا للتعرض.

وجوده في البيئات المائية

تحتوي مياه البحر على نحو 0.1 جزء في البليون من الكادميوم، بينما تحتوي المياه العذبة عادةً على تركيزات أقل. ويمكن أن يؤدي تلوث الكادميوم الناتج عن التعدين والأنشطة الصناعية إلى رفع تركيزاته بدرجة كبيرة في الأنهار والبحيرات القريبة من المواقع الملوثة.

دورته العالمية

ينتقل الكادميوم جويًا لمسافات طويلة، مما يسمح للتلوث الصادر من المناطق الصناعية بالتأثير في المناطق النائية. كما يطلق النشاط البركاني الكادميوم الطبيعي في الغلاف الجوي. وتجعل استمرارية العنصر وسميته منه مصدر قلق بيئي عالميًا يتطلب تعاونًا دوليًا لإدارته.

التعامل

السلامة

عنصر شديد السمية

يصنف الكادميوم مادة مسرطنة من المجموعة 1 لدى الوكالة الدولية لبحوث السرطان (IARC). ويمثل مخاطر صحية خطيرة عند استنشاقه أو ابتلاعه أو ملامسته للجلد. وينبغي تقليل التعرض له والسيطرة عليه بصرامة.

مخاطر الجهاز التنفسي

الاستنشاق الحاد: يمكن أن تسبب أبخرة الكادميوم تهيجًا شديدًا للرئتين ووذمة رئوية والتهابًا رئويًا قد يكون مميتًا. وقد تتأخر الأعراض 4-24 ساعة بعد التعرض. التعرض المزمن: يسبب الاستنشاق الطويل الأمد ضررًا غير قابل للعكس في الرئتين وانتفاخ الرئة وزيادة خطر الإصابة بسرطان الرئة.

تلف الكلى

العضو المستهدف الرئيسي: يتراكم الكادميوم في الكلى، ويبلغ عمر النصف البيولوجي له 10-30 سنة. ويسبب التعرض المزمن خللًا في وظائف الكلى وبيلة بروتينية وفشلًا كلويًا في نهاية المطاف. وحتى التعرض المنخفض المستوى مع مرور الوقت يمكن أن يسبب ضررًا غير قابل للعكس في الكلى.

أمراض العظام

التداخل مع الكالسيوم: يعطل الكادميوم استقلاب الكالسيوم، مما يؤدي إلى نزع تمعدن العظام وهشاشتها وزيادة خطر الكسور. وقد تميز مرض "Itai-itai disease" سيئ السمعة في اليابان بألم شديد في العظام وكسور ناتجة عن تلوث الكادميوم.

خطر الإصابة بالسرطان

أنواع متعددة من السرطان: يرتبط التعرض للكادميوم بسرطانات الرئة والبروستاتا والكلى والمثانة. وتتضمن الآلية تلف الحمض النووي والإجهاد التأكسدي وتعطيل آليات الإصلاح الخلوي. ولم يُحدد أي حد آمن للتعرض.

السلامة المهنية

ضوابط صارمة مطلوبة: تحدد OSHA التعرض في مكان العمل عند 0.005 mg/m³ ليوم عمل مدته 8 ساعات. ويجب على العاملين استخدام وسائل حماية الجهاز التنفسي والملابس الواقية والخضوع لمراقبة صحية منتظمة. ويُحظر الأكل والشرب والتدخين في مناطق العمل بالكادميوم.

حماية البيئة

منع التلوث: يُعد التخلص السليم من البطاريات والأجهزة الإلكترونية المحتوية على الكادميوم أمرًا ضروريًا. وتمنع المراقبة الزراعية تراكم الكادميوم في المحاصيل الغذائية. وتتطلب معالجة المواقع الملوثة تقنيات متخصصة ومراقبة طويلة الأمد.

الاستجابة للطوارئ

الإجراءات الفورية: أبعد الشخص عن مصدر التعرض، ووفر له هواءً نقيًا، واطلب عناية طبية فورية عند الاستنشاق. اغسل الجلد جيدًا بعد ملامسته. وقد يُنظر في العلاج بالاستخلاب عند التسمم الحاد، رغم محدودية فعاليته. وتُعد المراقبة الطبية طويلة الأمد ضرورية عند حدوث أي تعرض كبير.

إجابات سريعة

كادميوم: أسئلة شائعة

What is كادميوم?

كادميوم (symbol Cd) is element 48 on the periodic table, a فلز انتقالي in period 5, group 12. A soft, toxic metal that gave the world rechargeable NiCd cells and the brilliant yellow of old paint. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of كادميوم?

كادميوم's ground-state electron configuration is [Kr] 4d¹⁰ 5s², giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 18, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of كادميوم?

كادميوم melts at 594.2 K (321.1 °C) and boils at 1040 K (766.9 °C).

What is the atomic mass of كادميوم?

The standard atomic weight of كادميوم is 112.414 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is كادميوم?

كادميوم has a density of 8.65 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of كادميوم is about 8.7× heavier.

What is the electronegativity of كادميوم?

كادميوم has a Pauling electronegativity of 1.69. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered كادميوم, and when?

كادميوم was discovered in 1817 by Stromeyer & Hermann. It is named after latin cadmia, "calamine".

How common is كادميوم on Earth?

كادميوم makes up about 0.15 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.

→ السابق Ag Silver Element 47 · Transition metal التالي ← In Indium Element 49 · Post-transition metal