Cd · Elemento 48 · Metallo di transizione
Un metallo morbido e tossico che ha dato al mondo le celle ricaricabili NiCd e il brillante giallo delle vecchie vernici.
Struttura
Non è un diagramma di punti su gusci — è un campione Monte Carlo dell'effettiva densità di probabilità |ψ|² per ogni sottoguscio occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il violetto indicano i segni opposti della funzione d'onda, che rendono possibile la formazione dei legami.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca cadmio tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati con ~ sono previsti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Raggio 151 pm — cioè 0,151 nm, quindi ne servirebbero circa 3,31 milioni affiancati per coprire un millimetro.
Intervallo termico
Cadmio è liquido in un intervallo di 446 K, da 594 K a 1040 K.
Dove si trova
Cadmio si trova nel periodo 5, gruppo 12. Tutti gli elementi del gruppo 12 hanno lo stesso numero di elettroni esterni, per questo si comportano in modo così simile.
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Un metallo morbido e tossico che ha dato al mondo le celle ricaricabili NiCd e il brillante giallo delle vecchie vernici.
Il cadmio fu scoperto nel 1817 dal chimico tedesco Friedrich Stromeyer mentre studiava uno strano composto giallo che contaminava preparati medicinali a base di zinco. Questa scoperta accidentale avrebbe rivelato uno degli elementi più tossici della tavola periodica.
Friedrich Stromeyer, professore all'Università di Göttingen, ebbe l'incarico di studiare segnalazioni di una colorazione gialla nell'ossido di zinco usato per scopi medicinali. I farmacisti avevano lamentato che alcuni lotti di ossido di zinco diventavano gialli quando venivano riscaldati, rendendoli inadatti all'uso medico. Stromeyer sospettò la presenza di una sostanza sconosciuta.
Stromeyer analizzò metodicamente i campioni contaminati di ossido di zinco. Li sciolse in acido ed eseguì reazioni di precipitazione per separare i diversi componenti. Il colore giallo persisteva attraverso vari trattamenti chimici, indicando che non derivava da impurità note come ferro o arsenico. Il suo accurato lavoro analitico rivelò che si trattava di qualcosa di completamente nuovo.
Attraverso una serie di separazioni chimiche, Stromeyer riuscì a isolare una piccola quantità di cadmio metallico riducendo il composto giallo con carbone. Il nuovo metallo era bianco-argenteo, malleabile e dotato di proprietà insolite. Lo chiamò "cadmio", dalla parola greca "kadmeia" (calamina), in riferimento al minerale di zinco da cui era stato estratto.
In modo notevole, altri due chimici fecero scoperte simili nello stesso periodo. Karl Samuel Leberecht Hermann in Germania e Jöns Jacob Berzelius in Svezia isolarono entrambi il cadmio indipendentemente nel 1818, confermando il lavoro di Stromeyer. Questa scoperta parallela mise in evidenza l'approccio sistematico della chimica dell'inizio del XIX secolo.
Nel giro di alcuni decenni dalla scoperta, il cadmio trovò impiego come pigmento. Il giallo di cadmio (solfuro di cadmio) e il rosso di cadmio (seleniuro di cadmio) furono apprezzati dagli artisti per i loro colori brillanti e resistenti alla luce. Questi pigmenti erano più vivaci e stabili dei precedenti coloranti gialli e arancioni.
Fu solo verso la metà del XX secolo che la grave tossicità del cadmio venne ampiamente riconosciuta. La tragica "malattia Itai-itai" in Giappone negli anni '50-'60, causata dall'inquinamento da cadmio derivante dalle attività minerarie, mise in evidenza i pericolosi effetti dell'elemento sulla salute. Ciò portò a normative rigorose e alla graduale eliminazione di molte applicazioni del cadmio.
Oggi il cadmio serve come modello per lo studio della tossicità dei metalli pesanti e della contaminazione ambientale. La ricerca sugli effetti biologici del cadmio ha contribuito significativamente alla comprensione dello stress cellulare, dei danni al DNA e della salute ambientale. Nonostante la sua tossicità, il cadmio resta importante in applicazioni specializzate come le barre di controllo nucleari e le celle solari avanzate.
La scoperta del cadmio da parte di Stromeyer è un esempio della meticolosa chimica analitica dell'inizio del XIX secolo. Il suo approccio sistematico all'isolamento e alla caratterizzazione di sostanze sconosciute divenne un modello per la scoperta degli elementi. Il successivo riconoscimento della tossicità del cadmio contribuì inoltre alla nascita della tossicologia ambientale e all'importanza dello studio degli effetti degli elementi sulla salute.
Applicazioni
A causa della tossicità del cadmio, molti usi tradizionali sono stati gradualmente eliminati o fortemente regolamentati. L'UE ha vietato il cadmio nella maggior parte dei prodotti di consumo e molti Paesi impongono limiti rigorosi alle emissioni e allo smaltimento del cadmio.
Le batterie NiCd erano un tempo comuni nelle applicazioni ricaricabili grazie alla loro durata e alla capacità di fornire correnti elevate. Alimentavano telefoni cordless, illuminazione d'emergenza e utensili elettrici. Tuttavia, le problematiche ambientali hanno portato alla loro sostituzione con batterie agli ioni di litio e NiMH nella maggior parte delle applicazioni.
Il solfuro di cadmio produce pigmenti gialli brillanti, mentre il seleniuro di cadmio crea rossi e arancioni vivaci. Questi pigmenti erano apprezzati dagli artisti per la loro intensità e resistenza alla luce. Pittori famosi come Monet e Van Gogh usavano i gialli di cadmio. Oggi, per la maggior parte delle applicazioni, si preferiscono alternative più sicure.
La cadmiatura offre un'eccellente resistenza alla corrosione, soprattutto negli ambienti marini. Era ampiamente utilizzata per componenti aeronautici, bulloni e componenti elettronici. Le applicazioni militari e aerospaziali utilizzano ancora la cadmiatura quando le alternative non ne eguagliano le prestazioni, ma sottoponendola a controlli rigorosi.
L'eccezionale capacità del cadmio di assorbire neutroni lo rende prezioso nei reattori nucleari come materiale per barre di controllo e schermature contro i neutroni. Il cadmio-113 ha una delle sezioni d'urto di assorbimento dei neutroni più elevate tra tutti gli isotopi stabili, rendendolo essenziale per i sistemi di sicurezza nucleare.
Le celle solari a film sottile di tellururo di cadmio (CdTe) sono molto efficienti ed economiche. Nonostante le problematiche ambientali legate al cadmio, questi pannelli solari hanno eccellenti tempi di ritorno energetico e sono riciclabili. Rappresentano una delle poche applicazioni del cadmio in crescita.
Le leghe di cadmio a basso punto di fusione sono utilizzate in applicazioni specializzate, come i sistemi automatici antincendio a sprinkler e i tappi di sicurezza nei recipienti a pressione. Queste leghe fondono a temperature prestabilite, fornendo dispositivi automatici di sicurezza in situazioni d'emergenza.
I composti del cadmio sono strumenti di ricerca negli studi di biochimica e tossicologia. Il cloruro di cadmio viene utilizzato per studiare le risposte cellulari allo stress e la tossicologia ambientale. Queste applicazioni richiedono rigorosi protocolli di sicurezza e procedure di gestione dei rifiuti.
A causa della tossicità del cadmio, la maggior parte degli usi quotidiani è stata gradualmente eliminata o fortemente regolamentata. I consumatori moderni entrano raramente in contatto diretto con il cadmio, poiché alternative più sicure hanno sostituito la maggior parte delle applicazioni tradizionali.
Le vecchie batterie ricaricabili di utensili elettrici, sistemi di illuminazione d'emergenza e telefoni cordless contenevano cadmio. Sono in fase di sostituzione con batterie agli ioni di litio e al nichel-metallo idruro. Il corretto riciclaggio delle vecchie batterie NiCd è fondamentale per prevenire la contaminazione ambientale.
Gli artisti professionisti possono ancora usare vernici a base di cadmio per le loro eccezionali proprietà cromatiche, ma molti produttori offrono ormai alternative prive di cadmio. Agli studenti d'arte viene spesso insegnato a usare sostituti più sicuri che imitano i vivaci gialli, arancioni e rossi del cadmio.
Alcuni pannelli solari a film sottile contengono tellururo di cadmio, anche se i consumatori non entrano direttamente in contatto con questo materiale. Questi pannelli sono sigillati e devono essere riciclati correttamente al termine della loro vita utile per evitare il rilascio di cadmio nell'ambiente.
Le ceramiche e gli smalti vintage contengono talvolta pigmenti di cadmio, che possono trasferirsi negli alimenti e nelle bevande. Le normative vietano ora il cadmio nelle superfici a contatto con gli alimenti. Le stoviglie antiche o importate devono essere sottoposte a test prima dell'uso con gli alimenti.
Alcune apparecchiature industriali specializzate possono contenere componenti cadmiati per resistere alla corrosione. I lavoratori di questi settori ricevono una formazione specifica e sono sottoposti a monitoraggio. L'esposizione dei consumatori è minima grazie alle pratiche di contenimento industriale.
Il cadmio può accumularsi nel suolo e nelle piante, in particolare nelle verdure a foglia e nei cereali. Le moderne pratiche agricole monitorano i livelli di cadmio per garantire la sicurezza alimentare. Il fumo di tabacco è una fonte significativa di esposizione al cadmio per i fumatori.
Le agenzie di regolamentazione come EPA e FDA limitano rigorosamente il cadmio nei prodotti di consumo. La maggior parte dell'esposizione quotidiana deriva dagli alimenti e dal tabacco, piuttosto che dal contatto diretto con prodotti contenenti cadmio. Il corretto riciclaggio e smaltimento prevengono l'accumulo nell'ambiente.
Da dove proviene
0,15 mg/kg della crosta terrestre · più abbondante del 43% degli elementi
Il cadmio è uno degli elementi stabili più rari nella crosta terrestre, con una concentrazione media di appena 0.1-0.2 parti per milione. Questo metallo pesante tossico forma raramente minerali propri; si trova invece come componente minore nei minerali di zinco, piombo e rame.
La somiglianza chimica del cadmio con lo zinco fa sì che si trovi quasi sempre insieme ai minerali di zinco. Il minerale più importante contenente cadmio è la greenockite (CdS), che si forma come rivestimento sui minerali di zinco. Il cadmio costituisce in genere lo 0.1-0.5% dei concentrati di zinco, rendendo la raffinazione dello zinco la principale fonte di produzione del cadmio.
Le principali regioni produttrici di cadmio includono Cina (60% della produzione mondiale), Corea del Sud, Canada e Kazakistan. La miniera Red Dog in Alaska produce quantità significative di cadmio come sottoprodotto dell'estrazione dello zinco. Anche i giacimenti australiani di Mount Isa e Broken Hill contengono considerevoli riserve di cadmio.
I minerali puri di cadmio sono estremamente rari. Oltre alla greenockite (CdS), altri minerali di cadmio includono l'otavite (CdCO₃) e la monteponite (CdO). Questi minerali sono principalmente di interesse scientifico, più che economico, poiché il cadmio viene quasi esclusivamente recuperato come sottoprodotto della produzione di altri metalli.
Le attività umane hanno aumentato significativamente i livelli ambientali di cadmio. La combustione del carbone, la fusione dei metalli e i processi industriali rilasciano cadmio nell'aria, nell'acqua e nel suolo. Anche l'incenerimento dei rifiuti urbani e l'uso di fertilizzanti fosfatici contribuiscono alla contaminazione ambientale da cadmio.
Il cadmio si bioaccumula negli organismi viventi, in particolare nei reni e nel fegato. Le piante possono assorbire cadmio dai suoli contaminati, con concentrazioni più elevate nelle verdure a foglia e nei cereali. Molluschi e alcune specie di pesci concentrano il cadmio presente nell'acqua, rendendo i prodotti ittici una potenziale fonte di esposizione.
L'acqua marina contiene circa 0.1 parti per miliardo di cadmio, mentre le acque dolci presentano in genere concentrazioni inferiori. L'inquinamento da cadmio causato dalle attività minerarie e industriali può aumentare significativamente le concentrazioni nei fiumi e nei laghi vicini ai siti contaminati.
Il cadmio è soggetto a trasporto atmosferico a lunga distanza, consentendo all'inquinamento proveniente dalle aree industriali di interessare regioni remote. Anche l'attività vulcanica rilascia cadmio naturale nell'atmosfera. La persistenza e la tossicità dell'elemento lo rendono una problematica ambientale globale che richiede cooperazione internazionale per la gestione.
Manipolazione
Il cadmio è classificato come cancerogeno del Gruppo 1 dall'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro (IARC). Comporta gravi rischi per la salute attraverso inalazione, ingestione e contatto con la pelle. L'esposizione deve essere ridotta al minimo e rigorosamente controllata.
Inalazione acuta: I fumi di cadmio possono causare grave irritazione polmonare, edema polmonare e polmonite potenzialmente letale. I sintomi possono comparire con un ritardo di 4-24 ore dopo l'esposizione. Esposizione cronica: L'inalazione prolungata provoca danni polmonari irreversibili, enfisema e aumento del rischio di cancro ai polmoni.
Organo bersaglio principale: Il cadmio si accumula nei reni con un tempo di dimezzamento biologico di 10-30 anni. L'esposizione cronica causa disfunzione renale, proteinuria e infine insufficienza renale. Anche un'esposizione a basse dosi nel tempo può causare danni renali irreversibili.
Interferenza con il calcio: Il cadmio altera il metabolismo del calcio, causando demineralizzazione ossea, osteoporosi e aumento del rischio di fratture. La famigerata "malattia Itai-itai" in Giappone era caratterizzata da forti dolori ossei e fratture causati dalla contaminazione da cadmio.
Molteplici tipi di cancro: L'esposizione al cadmio è associata a tumori dei polmoni, della prostata, dei reni e della vescica. Il meccanismo coinvolge danni al DNA, stress ossidativo e alterazione dei meccanismi di riparazione cellulare. Non è stata stabilita alcuna soglia di esposizione sicura.
Sono necessari controlli rigorosi: L'OSHA limita l'esposizione sul luogo di lavoro a 0.005 mg/m³ per una giornata lavorativa di 8 ore. I lavoratori devono usare protezioni respiratorie e indumenti protettivi e sottoporsi a regolari controlli sanitari. È vietato mangiare, bere e fumare nelle aree di lavoro con cadmio.
Prevenzione della contaminazione: Il corretto smaltimento delle batterie e dei dispositivi elettronici contenenti cadmio è essenziale. Il monitoraggio agricolo previene l'accumulo di cadmio nelle colture alimentari. La bonifica dei siti contaminati richiede tecniche specializzate e un monitoraggio a lungo termine.
Azioni immediate: Allontanarsi dalla fonte di esposizione, respirare aria fresca e richiedere immediatamente assistenza medica in caso di inalazione. Lavarsi accuratamente dopo il contatto con la pelle. In caso di avvelenamento acuto si può prendere in considerazione la terapia chelante, sebbene la sua efficacia sia limitata. Il monitoraggio medico a lungo termine è essenziale per qualsiasi esposizione significativa.
Risposte rapide
Cadmio (simbolo Cd) è l'elemento 48 nella tavola periodica, appartenente a Metallo di transizione nel periodo 5, gruppo 12. Un metallo morbido e tossico che ha dato al mondo le celle ricaricabili NiCd e il brillante giallo delle vecchie vernici. A temperatura ambiente è un solido.
[Kr] 4d¹⁰ 5s², con 5 gusci occupati e la distribuzione 2, 8, 18, 18, 2.Cadmio fonde a 594.2 K (321.1 °C) ed entra in ebollizione a 1040 K (766.9 °C).
La massa atomica standard di Cadmio è 112.414 u. Si tratta di una media ponderata dei suoi isotopi presenti in natura, per questo raramente è un numero intero.
Cadmio ha una densità di 8.65 g/cm³. L'acqua ha una densità di 1.0 g/cm³, quindi un blocco di Cadmio è circa 8.7× più pesante.
Cadmio ha un'elettronegatività di Pauling pari a 1.69. La scala va da 0.70 (francio, il meno incline ad attirare elettroni) a 3.98 (fluoro, il più incline). I valori in questa fascia intermedia tendono a formare legami covalenti anziché legami fortemente ionici.
Cadmio è stato scoperto nel 1817 da Stromeyer & Hermann. Prende il nome da latino cadmia, "calamina".
Cadmio costituisce informazioni 0.15 mg/kg della crosta terrestre: è veramente raro, e per questo è costoso.