Cd · Element 48 · Übergangsmetall
Ein weiches, giftiges Metall, das der Welt wiederaufladbare NiCd-Zellen und das leuchtende Gelb alter Farben bescherte.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Cadmium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 151 pm — das entspricht 0,151 nm; etwa 3,31 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Cadmium ist über einen Bereich von 446 K flüssig, von 594 K bis 1040 K.
Wo es steht
Die Geschichte
Ein weiches, giftiges Metall, das der Welt wiederaufladbare NiCd-Zellen und das leuchtende Gelb alter Farben bescherte.
Cadmium wurde 1817 vom deutschen Chemiker Friedrich Stromeyer entdeckt, als er eine ungewöhnliche gelbe Verbindung untersuchte, die medizinische Zinkpräparate verunreinigte. Diese zufällige Entdeckung enthüllte eines der giftigsten Elemente des Periodensystems.
Friedrich Stromeyer, Professor an der Universität Göttingen, erhielt den Auftrag, Berichte über eine gelbe Verfärbung von Zinkoxid zu untersuchen, das für medizinische Zwecke verwendet wurde. Apotheker hatten sich darüber beschwert, dass einige Chargen von Zinkoxid beim Erhitzen gelb wurden und dadurch für medizinische Zwecke ungeeignet waren. Stromeyer vermutete das Vorhandensein eines unbekannten Stoffes.
Stromeyer analysierte die verunreinigten Zinkoxidproben methodisch. Er löste sie in Säure und führte Fällungsreaktionen durch, um die verschiedenen Bestandteile zu trennen. Die gelbe Farbe blieb bei verschiedenen chemischen Behandlungen erhalten, was darauf hindeutete, dass sie nicht von bekannten Verunreinigungen wie Eisen oder Arsen stammte. Seine sorgfältige analytische Arbeit zeigte, dass es sich um etwas völlig Neues handelte.
Durch eine Reihe chemischer Trennungen isolierte Stromeyer erfolgreich eine kleine Menge metallischen Cadmiums, indem er die gelbe Verbindung mit Holzkohle reduzierte. Das neue Metall war silberweiß, verformbar und besaß ungewöhnliche Eigenschaften. Er nannte es „Cadmium“, nach dem griechischen Wort „kadmeia“ (Kalaminerz), das sich auf das Zinkerz bezog, aus dem es gewonnen wurde.
Bemerkenswerterweise machten zwei weitere Chemiker ungefähr zur selben Zeit ähnliche Entdeckungen. Karl Samuel Leberecht Hermann in Deutschland und Jöns Jacob Berzelius in Schweden isolierten Cadmium beide 1818 unabhängig voneinander und bestätigten damit Stromeyers Arbeit. Diese parallele Entdeckung verdeutlichte den systematischen Ansatz der Chemie im frühen 19. Jahrhundert.
Innerhalb weniger Jahrzehnte nach seiner Entdeckung wurde Cadmium als Pigment verwendet. Cadmiumgelb (Cadmiumsulfid) und Cadmiumrot (Cadmiumselenid) wurden von Künstlern wegen ihrer leuchtenden, lichtechten Farben geschätzt. Diese Pigmente waren kräftiger und beständiger als frühere gelbe und orange Farbstoffe.
Erst in der Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die starke Giftigkeit von Cadmium allgemein erkannt. Die tragische „Itai-itai-Krankheit“ in Japan in den 1950er- und 1960er-Jahren, verursacht durch Cadmiumverschmutzung aus Bergbaubetrieben, verdeutlichte die gefährlichen gesundheitlichen Auswirkungen des Elements. Dies führte zu strengen Vorschriften und zur Einstellung vieler Cadmiumanwendungen.
Heute dient Cadmium als Modell für die Untersuchung der Schwermetalltoxizität und der Umweltverschmutzung. Die Erforschung der biologischen Auswirkungen von Cadmium hat wesentlich zum Verständnis von Zellstress, DNA-Schäden und Umweltgesundheit beigetragen. Trotz seiner Giftigkeit bleibt Cadmium in spezialisierten Anwendungen wie nuklearen Steuerstäben und modernen Solarzellen wichtig.
Stromeyers Entdeckung des Cadmiums ist ein Beispiel für die sorgfältige analytische Chemie des frühen 19. Jahrhunderts. Sein systematischer Ansatz zur Isolierung und Charakterisierung unbekannter Stoffe wurde zum Modell für die Entdeckung von Elementen. Die spätere Erkenntnis der Giftigkeit von Cadmium trug außerdem zur Entstehung der Umwelttoxikologie und zur Bedeutung der Untersuchung gesundheitlicher Auswirkungen von Elementen bei.
Anwendungen
Aufgrund der Giftigkeit von Cadmium wurden viele traditionelle Verwendungen eingestellt oder stark reguliert. Die EU hat Cadmium in den meisten Verbraucherprodukten verboten, und viele Länder haben strenge Grenzwerte für Cadmiumemissionen und -entsorgung.
NiCd-Batterien waren aufgrund ihrer Langlebigkeit und ihrer Fähigkeit, hohe Ströme zu liefern, einst in wiederaufladbaren Anwendungen weit verbreitet. Sie versorgten schnurlose Telefone, Notbeleuchtungen und Elektrowerkzeuge. Umweltbedenken führten jedoch dazu, dass sie in den meisten Anwendungen durch Lithium-Ionen- und NiMH-Batterien ersetzt wurden.
Cadmiumsulfid erzeugt leuchtend gelbe Pigmente, während Cadmiumselenid kräftige Rot- und Orangetöne hervorbringt. Künstler schätzten diese Pigmente wegen ihrer Intensität und Lichtechtheit. Berühmte Maler wie Monet und Van Gogh verwendeten Cadmiumgelb. Heute werden für die meisten Anwendungen sicherere Alternativen bevorzugt.
Cadmiumbeschichtungen bieten eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, insbesondere in maritimen Umgebungen. Sie wurden häufig für Flugzeugbeschläge, Schrauben und elektronische Bauteile verwendet. Militärische und luftfahrttechnische Anwendungen nutzen Cadmiumbeschichtungen weiterhin, wenn Alternativen ihre Leistung nicht erreichen können, jedoch unter strengen Kontrollen.
Die außergewöhnliche Fähigkeit von Cadmium, Neutronen zu absorbieren, macht es in Kernreaktoren als Steuerstäbe und Neutronenabschirmungen wertvoll. Cadmium-113 besitzt einen der höchsten Neutronenabsorptionsquerschnitte aller stabilen Isotope und ist daher für nukleare Sicherheitssysteme unverzichtbar.
Dünnschichtsolarzellen aus Cadmiumtellurid (CdTe) sind äußerst effizient und kostengünstig. Trotz der Umweltbedenken hinsichtlich Cadmium weisen diese Solarmodule eine ausgezeichnete Energierücklaufzeit auf und sind recycelbar. Sie gehören zu den wenigen wachsenden Anwendungen für Cadmium.
Cadmiumlegierungen mit niedrigem Schmelzpunkt werden in spezialisierten Anwendungen wie automatischen Sprinkleranlagen und Sicherheitsstopfen in Druckbehältern eingesetzt. Diese Legierungen schmelzen bei festgelegten Temperaturen und ermöglichen in Notfällen automatische Sicherheitsentlastungen.
Cadmiumverbindungen dienen als Forschungswerkzeuge in biochemischen und toxikologischen Untersuchungen. Cadmiumchlorid wird zur Untersuchung zellulärer Stressreaktionen und der Umwelttoxikologie verwendet. Diese Anwendungen erfordern strenge Sicherheitsprotokolle und Verfahren zur Abfallentsorgung.
Aufgrund der Giftigkeit von Cadmium wurden die meisten alltäglichen Verwendungen eingestellt oder stark reguliert. Moderne Verbraucher kommen nur selten direkt mit Cadmium in Kontakt, da sicherere Alternativen die meisten traditionellen Anwendungen ersetzt haben.
Ältere wiederaufladbare Batterien in Elektrowerkzeugen, Notbeleuchtungen und schnurlosen Telefonen enthielten Cadmium. Sie werden durch Lithium-Ionen- und Nickel-Metallhydrid-Batterien ersetzt. Das ordnungsgemäße Recycling alter NiCd-Batterien ist entscheidend, um eine Umweltverschmutzung zu verhindern.
Professionelle Künstler verwenden möglicherweise weiterhin cadmiumbasierte Farben wegen ihrer außergewöhnlichen Farbeigenschaften, doch viele Hersteller bieten inzwischen cadmiumfreie Alternativen an. Kunststudenten lernen häufig, sicherere Ersatzstoffe zu verwenden, die Cadmiums leuchtende Gelb-, Orange- und Rottöne nachahmen.
Einige Dünnschichtsolarmodule enthalten Cadmiumtellurid, obwohl Verbraucher nicht direkt mit diesem Material in Kontakt kommen. Diese Module sind versiegelt und müssen am Ende ihrer Lebensdauer ordnungsgemäß recycelt werden, um eine Freisetzung von Cadmium in die Umwelt zu verhindern.
Vintage-Keramik und Glasuren enthalten manchmal Cadmiumpigmente, die in Lebensmittel und Getränke übergehen können. Vorschriften verbieten Cadmium inzwischen auf Oberflächen mit Lebensmittelkontakt. Antikes oder importiertes Geschirr sollte vor der Verwendung mit Lebensmitteln geprüft werden.
Einige spezialisierte Industrieanlagen können cadmiumbeschichtete Bauteile zum Schutz vor Korrosion enthalten. Beschäftigte in diesen Branchen erhalten eine spezielle Schulung und werden überwacht. Die Belastung der Verbraucher ist aufgrund industrieller Eindämmungsmaßnahmen minimal.
Cadmium kann sich in Böden und Pflanzen anreichern, insbesondere in Blattgemüse und Getreide. Moderne landwirtschaftliche Verfahren überwachen den Cadmiumgehalt, um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten. Das Rauchen von Tabak ist für Raucher eine bedeutende Quelle der Cadmiumaufnahme.
Regulierungsbehörden wie EPA und FDA begrenzen Cadmium in Verbraucherprodukten streng. Die meiste alltägliche Belastung stammt aus Lebensmitteln und Tabak und nicht aus dem direkten Kontakt mit cadmiumhaltigen Produkten. Ordnungsgemäßes Recycling und Entsorgung verhindern eine Anreicherung in der Umwelt.
Woher es stammt
0,15 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 43 % der Elemente
Cadmium ist eines der seltensten stabilen Elemente in der Erdkruste und kommt mit einer durchschnittlichen Konzentration von nur 0,1–0,2 Teilen pro Million vor. Dieses giftige Schwermetall bildet nur selten eigene Minerale, sondern kommt stattdessen als Nebenbestandteil in Zink-, Blei- und Kupfererzen vor.
Die chemische Ähnlichkeit von Cadmium mit Zink bedeutet, dass es fast immer zusammen mit Zinkmineralen vorkommt. Das wichtigste cadmiumhaltige Mineral ist Greenockit (CdS), das sich als Überzug auf Zinkerzen bildet. Cadmium macht typischerweise 0,1–0,5 % der Zinkkonzentrate aus, wodurch die Zinkraffination die wichtigste Quelle der Cadmiumproduktion ist.
Zu den bedeutenden cadmiumproduzierenden Regionen gehören China (60 % der Weltproduktion), Südkorea, Kanada und Kasachstan. Die Red-Dog-Mine in Alaska erzeugt bedeutende Cadmiummengen als Nebenprodukt des Zinkabbaus. Auch die Lagerstätten Mount Isa und Broken Hill in Australien enthalten beträchtliche Cadmiumreserven.
Reine Cadmiumminerale sind äußerst selten. Neben Greenockit (CdS) gehören Otavit (CdCO₃) und Monteponit (CdO) zu den Cadmiummineralen. Diese Minerale sind vor allem von wissenschaftlichem und weniger von wirtschaftlichem Interesse, da Cadmium fast ausschließlich als Nebenprodukt der Produktion anderer Metalle gewonnen wird.
Menschliche Aktivitäten haben die Cadmiumgehalte in der Umwelt erheblich erhöht. Kohleverbrennung, Metallschmelzen und industrielle Prozesse setzen Cadmium in Luft, Wasser und Boden frei. Auch die Verbrennung von Siedlungsabfällen und die Verwendung von Phosphatdüngern tragen zur Cadmiumbelastung der Umwelt bei.
Cadmium reichert sich in lebenden Organismen an, insbesondere in Nieren und Leber. Pflanzen können Cadmium aus belasteten Böden aufnehmen, wobei Blattgemüse und Getreide höhere Konzentrationen aufweisen. Schalentiere und einige Fischarten reichern Cadmium aus dem Wasser an, wodurch Meeresfrüchte eine mögliche Belastungsquelle darstellen.
Meerwasser enthält ungefähr 0,1 Teile Cadmium pro Milliarde, während Süßwasser typischerweise geringere Konzentrationen aufweist. Cadmiumverschmutzung durch Bergbau und industrielle Tätigkeiten kann die Konzentrationen in Flüssen und Seen in der Nähe belasteter Standorte erheblich erhöhen.
Cadmium wird über die Atmosphäre über große Entfernungen transportiert, sodass Verschmutzung aus Industriegebieten auch abgelegene Regionen beeinträchtigen kann. Vulkanische Aktivitäten setzen ebenfalls natürliches Cadmium in die Atmosphäre frei. Die Beständigkeit und Giftigkeit des Elements machen es zu einem globalen Umweltproblem, dessen Bewältigung internationale Zusammenarbeit erfordert.
Handhabung
Cadmium ist von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) als Karzinogen der Gruppe 1 eingestuft. Es stellt durch Einatmen, Verschlucken und Hautkontakt ein ernstes Gesundheitsrisiko dar. Die Exposition sollte minimiert und streng kontrolliert werden.
Akutes Einatmen: Cadmiumdämpfe können schwere Lungenreizungen, Lungenödeme und möglicherweise tödliche Pneumonitis verursachen. Die Symptome können 4–24 Stunden nach der Exposition verzögert auftreten. Chronische Exposition: Langfristiges Einatmen verursacht irreversible Lungenschäden, Emphyseme und ein erhöhtes Lungenkrebsrisiko.
Primäres Zielorgan: Cadmium reichert sich in den Nieren an und hat eine biologische Halbwertszeit von 10–30 Jahren. Chronische Exposition verursacht Nierenfunktionsstörungen, Proteinurie und schließlich Nierenversagen. Selbst eine geringe Belastung über längere Zeit kann irreversible Nierenschäden verursachen.
Beeinträchtigung des Calciumhaushalts: Cadmium stört den Calciumstoffwechsel und führt zu Demineralisierung der Knochen, Osteoporose und einem erhöhten Frakturrisiko. Die berüchtigte „Itai-itai-Krankheit“ in Japan war durch starke Knochenschmerzen und Knochenbrüche infolge einer Cadmiumbelastung gekennzeichnet.
Mehrere Krebsarten: Cadmiumexposition wird mit Lungen-, Prostata-, Nieren- und Blasenkrebs in Verbindung gebracht. Der Mechanismus umfasst DNA-Schäden, oxidativen Stress und die Störung zellulärer Reparaturmechanismen. Es wurde kein sicherer Expositionsgrenzwert festgelegt.
Strenge Kontrollen erforderlich: OSHA begrenzt die Arbeitsplatzexposition auf 0,005 mg/m³ bei einem 8-stündigen Arbeitstag. Beschäftigte müssen Atemschutz und Schutzkleidung verwenden und sich regelmäßigen Gesundheitskontrollen unterziehen. Essen, Trinken und Rauchen sind in Cadmiumarbeitsbereichen verboten.
Vermeidung von Kontamination: Die ordnungsgemäße Entsorgung cadmiumhaltiger Batterien und Elektronik ist unerlässlich. Landwirtschaftliche Überwachung verhindert eine Anreicherung von Cadmium in Nahrungspflanzen. Die Sanierung belasteter Standorte erfordert spezialisierte Verfahren und eine langfristige Überwachung.
Sofortmaßnahmen: Expositionsquelle verlassen, für Frischluft sorgen und bei Einatmen sofort ärztliche Hilfe suchen. Nach Hautkontakt gründlich waschen. Bei akuter Vergiftung kann eine Chelattherapie in Betracht gezogen werden, auch wenn ihre Wirksamkeit begrenzt ist. Bei jeder erheblichen Exposition ist eine langfristige medizinische Überwachung unerlässlich.
Schnelle Antworten
Cadmium (Symbol Cd) ist Element 48 im Periodensystem, ein Übergangsmetall in der 5, Gruppe 12. Ein weiches, giftiges Metall, das der Welt wiederaufladbare NiCd-Zellen und das leuchtende Gelb alter Farben bescherte. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Kr] 4d¹⁰ 5s²; sie ergibt 5 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 18, 2.Cadmium schmilzt bei 594.2 K (321.1 °C) und siedet bei 1040 K (766.9 °C).
Die Standardatommasse von Cadmium beträgt 112.414 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Cadmium hat eine Dichte von 8.65 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Cadmium ungefähr 8.7× schwerer.
Cadmium hat eine Elektronegativität von 1.69 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Cadmium wurde 1817 von Stromeyer & Hermann entdeckt. Es ist nach lateinisch cadmia, „Galmei“ benannt.
Cadmium macht Über 0.15 mg/kg der Erdkruste aus — es ist tatsächlich selten, weshalb es teuer ist.