48 镉 有毒又有用的元素

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48 镉有毒又有用的元素

2019/3/6
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Author: Peng Li

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 ³
熔点	321.07°C
沸点	767°C
色・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

镉的最主要应用领域为电池行业，用在镍镉电池上。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锂离子电池所取代。

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]