镉
鎘在大多數鋅礦中作為次要成分出現,並且是生產鋅的副產物。鎘和鋅均可用作電池材料。鎘可製作鎳鎘電池,其被用於塑膠製造和金屬電鍍、生產顏料、油漆、染料、印刷油墨等中某些黃色顏料、製作車胎、某些發光電子組件和核子反應爐原件。[2][3] 鎘長期用作鋼上的耐腐蝕鍍層,鎘化合物則是用作紅色、橙色和黃色顏料,幫玻璃上色著色,以及穩定塑料。鎘的使用正普遍減少,因為它含有毒性(它被特別列入歐洲有害物質限制[4]),且鎳鎘電池已被鎳氫電池和鋰離子電池取代。其中之一的少數新用途是碲化鎘太陽能板。
性質
物理性質
鎘是一種柔軟、有延展性、銀白色的二價金屬。 它在許多方面與鋅相似,但会形成配合物。[5]與大多數金屬不同,鎘具有耐腐蝕性,可作為其他金屬的保護镀层。塊狀的金屬鎘不溶於水[6]、不易燃;然而,粉末形式的鎘可能會燃燒並釋有毒煙霧。[7]
化學性質
雖然鎘通常具有+2價的氧化態,它也存在+1價的狀態。鎘及其同族元素有時不被認為是過渡金屬,因為它們在元素態或常見氧化態下不具有未填滿之d或f軌域。[8]鎘在空氣中燃燒會形成棕色的非晶体氧化鎘。該化合物的晶体呈深紅色,並會隨著加熱而改變顏色,此性質類似於氧化鋅。鎘溶於鹽酸、硫酸和硝酸,分別形成氯化鎘、硫酸鎘以及硝酸鎘。若要產生氧化態+1價的鎘,可將鎘溶解在氯化鎘和氯化鋁的混合物中,会形成與Hg22+相似的Cd22+陽離子。[5]
- Cd + CdCl2 + 2 AlCl3 → Cd2(AlCl4)2
同位素
自然界中的鎘由8種同位素組成。其中兩種具有放射性,三種被預測會衰變不過尚未在實驗室被觀察到。兩種自然界中具有放射性的同位素分別為113Cd(β衰變,半衰期為7.7×1015年)和116Cd(雙β衰變,半衰期為2.9 × 1019年)。另外三種同位素為 106Cd、108Cd(都是雙電子捕獲)和 114Cd(雙β衰變),對於這三種只知道半衰期的下限。至少有三種同位素——110Cd、111Cd和112Cd是穩定的。人造同位素的部分,半衰期最長的是462.6天的109Cd和53.46小時的115Cd,其餘具放射性的同位素的半衰期都不到2.5小時,大多數甚至都不到5分鐘。鎘有8個已知的同核异构体,其中最穩定的是113mCd(t1⁄2 = 14.1 年)、115mCd(t1⁄2 = 44.6 天)和 117mCd(t1⁄2 = 3.36 小時)。[10]
鎘的已知同位素的原子量範圍從94.950 u(95Cd)到131.946 u(132Cd)都有。原子量小於112 u的同位素主要的衰變模式為電子捕獲,而主要的衰变产物是銀,但較重的同位素主要透過β衰變衰变成銦。[10]
鎘-113對於吸收中子有高選擇性。當中子的能量低於鎘的截止能時,中子將有很大機率被吸收,而高於鎘的截止能的中子將会穿透。鎘的截止能大概是0.5eV,低于这个能量的中子就是慢中子。[11]
鎘在一些低或中等質量的星體(0.6~10倍的太陽質量)裡透過s-过程產生數千年。在此過程中,一顆銀原子捕獲一顆中子,然後進行β衰變。[12]
来源
約有一千萬分之一(0.1 ppm)的地殼是由鎘所構成。比起構成地殼約百萬分之六十五(65 ppm)的鋅,鎘稀少許多。目前沒有已知礦物顯著含鎘。唯一的重要含鎘礦物,硫镉矿,幾乎總是和閃鋅礦一起出現,因為它們在地質化學上的相似性,也幾乎沒有地質過程會分離它們。因此,鎘通常是採礦、冶煉和提純含硫鋅礦(較小程度上,鉛礦和銅礦)的副產品。少量的鎘,約占總產量的十分之一,多數來自廢鐵和廢鋼的回收。美國在1907年開始生產,但在一次大戰後開始大量使用。
在開採來製作磷酸鹽肥料的岩石中含有不同量的鎘,導致肥料中的鎘濃度高達每公斤300毫克,也導致農業土壤中的高鎘含量。煤炭中可能含有大量的鎘,多數隨著燃燒成為煙塵。土壤中的鎘可以被一些農作物吸收,例如稻米。中華人民共和國農業部在2002年檢測到有百分之28的稻米取樣含有超過法律規範的限制的鉛,而百分之10的稻米取樣含有超過法律規範的限制的鎘。一些植物,例如柳樹和楊屬植物,被發現可以清除土壤中的鉛和鎘汙染。
生產
根據英國地質調查局在2001年的報告,中國是鎘的最大量生產者,生產了世界產量的六分之一,緊接在後的是南韓和日本。
鎘是一個含鋅礦物中常見的雜質,而通常會在製造鋅的過程被分離。有些由含硫鋅礦得到的鋅礦高達百分之1.4的鎘。在1970年代,出產一噸含有的鋅中含有6.5磅的鎘。因為氧氣的存在,硫化鋅礦物會被氧化成為氧化物。鋅金屬可以藉由碳來冶煉該氧化物而產生,或藉由該氧化物在硫酸中的電鍍。藉由真空蒸餾法,可以在冶煉鋅的過程中隔離鎘雜質,而硫化鎘會在電解液中沉澱。
历史
1817年,化学家卡爾·塞繆爾·萊貝雷希特·赫爾曼、弗里德里希·施特罗迈尔和罗洛夫几乎同时发现了镉元素。[13]
鎘污染
镉對健康有不良的影響,被列为可致癌物。
1930-1960年代,日本富山縣神通川流域部分鎘污染,发生痛痛病,事緣煉鋅廠排放的含鎘廢水污染了周圍的耕地和水源。
廣州中山大學生物科技學院聯同香港浸會大學生物系在2006年3至4月期間,抽查化驗中港兩地市面出售的楊桃,51%鎘含量屬嚴重超標。[14]
- 可由電解氯化鎘水溶液製取鎘金屬
- 電解法製出的鎘
各地對鎘安全標準
参考资料
- Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. . Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 (英语).
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- . [2007-09-22]. (原始内容存档于2019-06-30).
外部連結
- 元素镉在洛斯阿拉莫斯国家实验室的介紹(英文)
- —— 镉(英文)
- 元素镉在The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)的介紹(英文)
- 元素镉在Peter van der Krogt elements site的介紹(英文)
- WebElements.com – 镉(英文)