元素

48 镉 有毒又有用的元素

本文投稿作者  漂泊

镉是一种重金属元素,具有很强的生物毒性,生物体镉中毒会导致“痛痛病”。同时镉也是一种重要的工业原料,它可以用于制造可充电的镍镉电池,也可以用于制造涂料。硫化镉量子点在QLED等新型显示领域也具有重要的用途。

 

镉的基本物理性质

分类 第ⅡB族▪金属
原子序号原子量 48(112.411)
电子配置 4d105s2
密度 13.1g/cm 
熔点 321.07°C
沸点 767°C
形状 银白色金属
丰度 0.11ppm(地壳)
发现者  Stromeyer,Hermann
主要的同位素 106Cd, 108Cd, 110Cd, 111Cd, 112Cd, 113Cd, 114Cd, 116Cd
用途例 镍镉电池、颜料
前后的元素 银-镉-锡

镉的发现

镉与它的同族元素汞和锌相比,被发现得晚的多。它在地壳中含量比汞还多一些,但是汞一经出现就以强烈的金属光泽、较大的比重、特殊的流动性和能够溶解多种金属的姿态吸引了人们的注意。镉在地壳中的含量比锌少得多,常常以少量包含于锌矿中,很少单独成矿。金属镉比锌更易挥发,因此在用高温炼锌时,它比锌更早逸出,逃避了人们的觉察。这就注定了镉不可能先于锌而被人们发现。

首先发现镉的是德国哥廷根大学化学和医药学教授Stromeyer。1817年,他从不纯的氧化锌中分离出褐色粉末,并将它与木炭共热,制得了镉。由于发现的新金属存在于锌中,就以含锌的矿石菱锌矿的名称Calamine命名它为Cadmium,元素符号定为Cd。Cadmium,源自kadmia,有“泥土”的意思[1-2]

 

金属镉

镍镉电池

的最主要应用领域为电池行业,用在镉电池上。镍镉电池是一种直流供电电池,镍镉电池可重复500次以上的充放电,经济耐用。其内阻很小,可快速充电,又可为负载提供大电流,而且放电时电压变化很小,是一种非常理想的直流供电电池。但是目前笔记本电脑和手机上的镍镉电池已经渐被离子电池所取代。

镍镉电池是以氢氧化氧镍为正极,以金属镉为负极的可充电电池,

其电池反应为Cd+2NiOOH+H2O==Cd(OH)2+2Ni(OH)2

正极反应为:2NiOOH+2e+H2O==2Ni(OH)2+2OH

负极反应为:Cd-2e+2OH==Cd(OH)2

镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成,石墨不参加化学反应,其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成,氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性,防止结块,并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中,加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。

镍镉电池能量密度相对较高,其重量比能量密度为40khkg-1,循环性能以及高温性能均表现良好;但电池不耐过充过放与大电流快充快放,同时具有记忆效应,所谓“记忆效应”是指电池在充电前,电池的电量没有被完全放尽,在电池充放电的过程中(放电较为明显),会在电池极板上产生些许的小气泡,日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量,久而久之将会引起电池容量的降低。镍镉电池还有一个最致命的弱点:负极镉对环境具有一定的污染,这成为了镍镉电池被逐渐淘汰的主要原因。[3-4]

 

镍镉电池

镉红与镉黄

镉红是一种红色颜料,它的主要成分为CdS·CdSe和CdS·HgS两种固溶体。也可以与硫酸钡组成填充型颜料。镉红颜色非常饱满而鲜明,色光随硒化镉含量而定,硒化镉含量越高,颜色的红色色光越强。有橙红色、纯红色、暗红色、和光红色等不同色光品种。它具有良好的耐高温、耐碱、耐光和耐大气影响的性能,着色力和遮盖力亦很好。镉红广泛用于搪瓷、陶瓷、玻璃、涂料、塑料、美术颜料、印刷油墨、造纸、皮革、彩色砂石建筑材料和电子材料等行业。用于聚合物时,应将镉系颜料用于吸水性较低的体系,因为介质中的渗水性会降低颜料的耐候性。钛白的存在也会降低颜料的耐光性。镉红的耐久性比镉黄好,适于室外制品着色,如汽车涂装和高档烘漆。镉红自然硬度比其它无机颜料低,摩擦性好,可用于照相凹板印刷油墨和PVC网印油。除汞镉红不宜于用聚碳酸酯外,镉红几乎适用于所有树脂和塑料,如ABS塑料、聚甲醛、丙烯酸、氨基、氟塑料、尼龙、聚酰胺等。

镉黄也是一种重要的颜料,难溶于有机溶剂,其主要成分是硫化镉(CdS),是一种有毒颜料。若添加BaSO4作为填料,形成的填充型为CdS-BaSO4镉黄,又称作镉钡黄。填充型镉黄不但降低了成本,而且某些性能有所改善,如比重和吸油量降低,在有机介质中分散性更好。如有硫化锌同时沉淀,可得浅柠檬黄色颜料,含硫化锌(ZnS)的镉黄,其黄色度随ZnS固溶量的增加而变浅,直至淡黄。如果有少量硫化硒同时沉淀,则可得橙黄色。颜色鲜明饱和,其色谱范围从淡黄经正黄直至红光黄。镉黄具有优良的耐光、耐热、耐碱性能,耐酸性能较差。它可用作绘画颜料、耐温涂料、氟碳涂料、户外高耐候涂料、户外塑料制品、塑钢门窗型材以及色母粒等工业领域。镉黄颜料除颜色为黄色外,其余性质同镉红相似,但遮盖力不如镉红,镉红遮盖力为镉黄的7~10倍。镉黄着色力和遮盖力也不如铬黄。镉黄的制备方法和用途均与镉红相同。[5-7]

 


镉红                                                         镉黄

 

含镉颜料及使用它的瓷器

痛痛病

1931年,日本富山县出现了一种怪病,患者大多是妇女,病症表现为腰、手、脚等关节疼痛。病症持续几年后,患者全身各部位会发生神经痛、骨痛现象,行动困难,甚至呼吸都会带来难以忍受的痛苦。到了患病后期,患者骨骼软化、萎缩,四肢弯曲,脊柱变形,骨质松脆,就连咳嗽都能引起骨折。患者不能进食,疼痛无比,常常大叫“痛死了!痛死了!”有的人因无法忍受痛苦而自杀。这种病由此得名为“痛痛病”(Itai-Itai Disease)。为什么会出现这种怪病呢?

从20世纪初期开始,人们发现该地区的水稻普遍生长不良。原来在日本明治初期,三井金属矿业公司在神通川上游发现了一个铅锌矿,于是在那里建了一个铅锌矿厂。在铅锌矿石中还含有镉。这个工厂在洗矿石时,将含有镉的大量废水直接排入神通川,使河水遭到严重的污染。河两岸的稻田用这种被污染的河水灌溉,有毒的镉经过生物的富集作用,使得水稻生长不良,产出的稻米含镉量也很高。人们长年吃这种被镉污染的大米,喝被镉污染的神通川水,久而久之,就造成了慢性镉中毒,痛痛病实际就是典型的慢性镉中毒。

镉进入人体后,主要蓄积于肾脏,会对肾脏造成损害,抑制维生素D的活性。维生素D是人体不可缺少的营养素,缺乏维生素D会妨碍钙、磷在人体骨质中的正常沉着和储存,最后导致骨软化。镉离子也会取代钙离子与体内的负离子结合,导致骨骼因镉的含量增加而脱钙,造成严重的骨骼疏松。这会使得人体骨骼中的钙大量流失,使病人骨质疏松、骨骼萎缩、关节疼痛。它首先使肾脏受损,继而引起骨软化症,继而内分泌失调,全身疼痛。[8-10]

 

痛痛病症状                                                                                       含镉大米

参考文献

 

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