What is 镉?
镉 (symbol Cd) is element 48 on the periodic table, a 过渡金属 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.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示镉在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 151 pm — that is 0.151 nm, so about 3311 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
镉 is liquid over a 446 K window, from 594 K to 1040 K.
故事
A soft, toxic metal that gave the world rechargeable NiCd cells and the brilliant yellow of old paint.
镉于1817年由德国化学家Friedrich Stromeyer发现。当时他正在研究一种污染药用锌制剂的特殊黄色化合物。这一偶然发现揭示了元素周期表中毒性最强的元素之一。
Göttingen大学教授Friedrich Stromeyer受命调查药用氧化锌出现黄色变色的报告。药剂师抱怨,某些批次的氧化锌加热后会变黄,因此不适合医疗使用。Stromeyer怀疑其中存在一种未知物质。
Stromeyer对受污染的氧化锌样品进行了系统分析。他将样品溶解在酸中,并通过沉淀反应分离不同组分。在多种化学处理过程中,黄色始终存在,这表明它并非来自铁或砷等已知杂质。他细致的分析工作揭示了这是一种全新的物质。
通过一系列化学分离,Stromeyer成功地用木炭还原黄色化合物,分离出少量金属镉。这种新金属呈银白色,具有延展性,并表现出不同寻常的性质。他以希腊词“kadmeia”(炉甘石)为其命名,指的是提取镉所用的锌矿石。
值得注意的是,大约在同一时期,另外两位化学家也作出了类似发现。德国的Karl Samuel Leberecht Hermann和瑞典的Jöns Jacob Berzelius都在1818年独立分离出了镉,证实了Stromeyer的工作。这一平行发现体现了19世纪初化学研究的系统性方法。
镉被发现后的几十年内便开始作为颜料使用。镉黄(硫化镉)和镉红(硒化镉)因色彩鲜艳且耐光而受到艺术家青睐。这些颜料比此前的黄色和橙色色料更加鲜艳、稳定。
直到20世纪中叶,人们才普遍认识到镉的严重毒性。20世纪50至60年代,日本发生了由采矿作业造成的镉污染引起的悲剧性“痛痛病”,凸显了镉对健康的危险影响。这促使人们制定严格法规,并淘汰许多镉的应用。
如今,镉被用作研究重金属毒性和环境污染的模型。对镉生物学影响的研究极大增进了我们对细胞应激、DNA损伤和环境健康的理解。尽管具有毒性,镉仍在核反应堆控制棒和先进太阳能电池等特种应用中发挥重要作用。
Stromeyer对镉的发现体现了19世纪初严谨的分析化学。他分离和鉴定未知物质的系统方法成为发现元素的典范。后来人们认识到镉的毒性,也推动了环境毒理学领域的建立,以及对元素健康影响进行研究的重要性。
应用
由于镉具有毒性,许多传统用途已被淘汰或受到严格监管。欧盟已禁止在大多数消费品中使用镉,许多国家也对镉排放和处置设定了严格限制。
镍镉电池曾因耐用且能够提供大电流,而广泛用于可充电设备。它们曾为无绳电话、应急照明设备和电动工具供电。然而,由于环境问题,在大多数应用中,它们已被锂离子电池和镍氢电池取代。
硫化镉可产生鲜艳的黄色颜料,而硒化镉可产生明亮的红色和橙色颜料。这些颜料因色彩浓烈且耐光性好而受到艺术家青睐。莫奈和梵高等著名画家曾使用镉黄。如今,在大多数应用中,人们更倾向于使用更安全的替代品。
镉镀层具有出色的耐腐蚀性,尤其适用于海洋环境。它曾广泛用于飞机硬件、螺栓和电子元件。在替代品无法达到其性能的场合,军事和航空航天领域仍会使用镉镀层,但受到严格控制。
镉具有优异的中子吸收能力,因此可在核反应堆中用作控制棒和中子屏蔽材料。镉-113具有稳定同位素中最高的中子吸收截面之一,因此对核安全系统至关重要。
碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池具有很高的效率和良好的成本效益。尽管人们关注镉带来的环境问题,这些太阳能电池板仍具有出色的能量回收比,并且可以回收利用。它们是镉为数不多的增长型应用之一。
低熔点镉合金用于自动喷水灭火系统和压力容器安全塞等特种应用。这些合金在预定温度下熔化,从而在紧急情况下提供自动安全泄压。
镉化合物可作为生物化学和毒理学研究中的研究工具。氯化镉用于研究细胞应激反应和环境毒理学。这些应用需要严格的安全规程和废物管理程序。
由于镉具有毒性,大多数日常用途已被淘汰或受到严格监管。现代消费者很少直接接触镉,因为更安全的替代品已经取代了大多数传统应用。
电动工具、应急照明设备和无绳电话中的旧式可充电电池含有镉。如今这些电池正被锂离子电池和镍氢电池取代。妥善回收旧镍镉电池对于防止环境污染至关重要。
专业艺术家可能仍会使用镉基颜料,因为它们具有出色的色彩性质,但如今许多制造商已经提供无镉替代品。艺术专业学生通常会学习使用能够模拟镉颜料鲜艳黄色、橙色和红色的更安全替代品。
一些薄膜太阳能电池板含有碲化镉,但消费者不会直接接触这种材料。这些电池板经过密封处理,在使用寿命结束时必须妥善回收,以防止镉释放到环境中。
老式陶瓷和釉料有时含有镉颜料,这些颜料可能析出并进入食物和饮料。如今的法规禁止在食品接触表面使用镉。古董或进口餐具在用于盛放食物前应进行检测。
一些特种工业设备可能含有镉镀层部件,以提高耐腐蚀性。从事这些行业的工人会接受专门培训并进行监测。由于工业隔离措施,消费者接触镉的机会极少。
镉可以在土壤和植物中积累,尤其是在叶类蔬菜和谷物中。现代农业实践会监测镉含量,以确保食品安全。吸食烟草是吸烟者接触镉的重要来源。
EPA和FDA等监管机构严格限制消费品中的镉含量。日常接触镉大多来自食物和烟草,而不是直接接触含镉产品。妥善回收和处置可以防止镉在环境中积累。
来源
0.15 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 43% of elements
镉是地壳中最稀有的稳定元素之一,平均含量仅为0.1-0.2 parts per million。这种有毒重金属很少形成自己的矿物,而是作为锌矿、铅矿和铜矿中的少量组分存在。
镉与锌具有相似的化学性质,因此几乎总是与锌矿物伴生。最重要的含镉矿物是硫镉矿(CdS),它以涂层形式形成于锌矿石表面。镉通常占锌精矿的0.1-0.5%,因此锌的精炼是镉生产的主要来源。
主要产镉地区包括中国(占世界产量的60%)、韩国、加拿大和哈萨克斯坦。阿拉斯加的Red Dog矿山在开采锌的过程中会产出大量副产品镉。澳大利亚的Mount Isa和Broken Hill矿床也含有大量镉储量。
纯镉矿物极其稀有。除硫镉矿(CdS)外,其他镉矿物还包括菱镉矿(CdCO₃)和氧化镉矿(CdO)。这些矿物主要具有科学研究价值,而非经济价值,因为镉几乎完全作为其他金属生产过程中的副产品回收。
人类活动显著提高了环境中的镉含量。燃煤、金属冶炼和工业过程会将镉释放到空气、水和土壤中。城市垃圾焚烧以及磷肥的使用也会导致环境镉污染。
镉会在生物体内进行生物累积,尤其是在肾脏和肝脏中。植物可以从受污染的土壤中吸收镉,其中叶类蔬菜和谷物的镉浓度较高。贝类和某些鱼类会从水中富集镉,使海产品成为潜在的接触来源。
海水中含有约0.1 parts per billion的镉,而淡水中的含量通常更低。采矿和工业活动造成的镉污染,可能使受污染地点附近河流和湖泊中的镉浓度显著升高。
镉会通过大气进行远距离输送,使工业区的污染影响偏远地区。火山活动也会将天然镉释放到大气中。镉的持久性和毒性使其成为全球环境问题,需要国际合作进行管理。
处理
镉被国际癌症研究机构(IARC)列为1类致癌物。通过吸入、摄入和皮肤接触,镉会造成严重健康风险。应尽量减少接触,并进行严格控制。
急性吸入:镉烟雾可导致严重的肺部刺激、肺水肿以及可能致命的肺炎。症状可能在接触后4-24小时才出现。慢性接触:长期吸入会造成不可逆的肺损伤、肺气肿,并增加患肺癌的风险。
主要靶器官:镉会在肾脏中积累,生物半衰期为10-30年。慢性接触会导致肾功能障碍、蛋白尿,最终引发肾衰竭。长期低水平接触也可能造成不可逆的肾脏损伤。
干扰钙代谢:镉会破坏钙代谢,导致骨脱矿、骨质疏松和骨折风险增加。日本臭名昭著的“痛痛病”就是由镉污染引起的,其特征是严重骨痛和骨折。
多种癌症:接触镉与肺癌、前列腺癌、肾癌和膀胱癌有关。其机制涉及DNA损伤、氧化应激以及细胞修复机制受损。目前尚未确定安全接触阈值。
必须进行严格控制:OSHA将8小时工作日的工作场所接触限值设为0.005 mg/m³。工人必须使用呼吸防护用品和防护服,并定期接受健康监测。镉作业区域内禁止进食、饮水和吸烟。
防止污染:妥善处置含镉电池和电子产品至关重要。农业监测可以防止镉在粮食作物中积累。受污染地点的修复需要专门技术和长期监测。
立即采取的措施:脱离接触环境,提供新鲜空气;发生吸入时应立即就医。皮肤接触后要彻底清洗。急性中毒可考虑螯合治疗,但其有效性有限。任何严重接触事件都必须进行长期医学监测。
快速回答
镉 (symbol Cd) is element 48 on the periodic table, a 过渡金属 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.
[Kr] 4d¹⁰ 5s², giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 18, 2 electrons respectively.镉 melts at 594.2 K (321.1 °C) and boils at 1040 K (766.9 °C).
The standard atomic weight of 镉 is 112.414 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
镉 has a density of 8.65 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 镉 is about 8.7× heavier.
镉 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.
镉 was discovered in 1817 by Stromeyer & Hermann. It is named after latin cadmia, "calamine".
镉 makes up about 0.15 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.