Kadmium

Kadmium (chemická značka Cd, latinsky Cadmium) je měkký, lehce tavitelný, toxický kovový prvek. Slouží jako součást různých slitin a k povrchové ochraně jiných kovů před korozí. Vzhledem k jeho toxicitě je jeho praktické využití omezováno na nejnutnější minimum.

Kadmium
[Kr] 4d10 5s2 66 Cd 48
↓ Periodická tabulka ↓
Kovové kadmium
Obecné
Název, značka, číslo	Kadmium, Cd, 48
Cizojazyčné názvy	lat. Cadmium
Skupina, perioda, blok	12. skupina, 5. perioda, blok d
Chemická skupina	Přechodné kovy
Vzhled	Stříbřitě lesklý kov
Identifikace
Registrační číslo CAS	7440-43-9
Atomové vlastnosti
Relativní atomová hmotnost	112,411
Atomový poloměr	151 pm
Kovalentní poloměr	144±9 pm
Van der Waalsův poloměr	158 pm
Elektronová konfigurace	[Kr] 4d10 5s2
Oxidační čísla	+II,+I
Elektronegativita (Paulingova stupnice)	1,69
Ionizační energie
První	867,8 kJ·mol−1
Druhá	1631,4 kJ·mol−1
Třetí	3616 kJ·mol−1
Látkové vlastnosti
Krystalografická soustava	Šesterečná
Mechanické vlastnosti
Hustota	8650 kg/m3
Skupenství	Pevné
Tvrdost	2
Rychlost zvuku	(při 20 °C) 2310 m/s
Termické vlastnosti
Tepelná vodivost	96,6 W⋅m−1⋅K−1
Termodynamické vlastnosti
Teplota tání	321,07 °C (594,22 K)
Teplota varu	767 °C (1 040,15 K)
Skupenské teplo tání	6,21 kJ·mol−1
Skupenské teplo varu	99,87 kJ·mol−1
Měrná tepelná kapacita	26,020 J·mol−1·K−1
Elektromagnetické vlastnosti
Měrný elektrický odpor	72,7 nΩ·m (při 22 °C)
Magnetické chování	Diamagnetický
Bezpečnost
GHS02 GHS06 GHS08 GHS09 [1] Nebezpečí[1]
R-věty	R23 R25 R33 R45 R50/53
S-věty	S1/2 S22 S35 S45 S46 S61
Izotopy
I V (%) S T1/2 Z E (MeV) P 106Cd 1,25% >4,1×1020 roku β+β+ 2,770 106Pd 107Cd umělý 6,5 hodin ε 1,417 107Ag 108Cd 0,89% >4,1×1017 roku β+β+ 0,272 108Pd 109Cd umělý 462,6 dnů ε 0,214 109Ag 110Cd 12,49% je stabilní s 62 neutrony 111Cd 12,8% je stabilní s 63 neutrony 112Cd 24,13% je stabilní s 64 neutrony 113Cd 12,22% >7,7×1015 roku β− 0,316 113In 113 mCd umělý 14,1 roku β− 0,580 113In γIT 0,264 113Cd 114Cd 28,73% >6,4×1018 roku β−β− 0,540 114Sn 115Cd umělý 53,46 hodin β− 1,446 115In 116Cd 7,49% 3,1×1019 roku β−β− 2,809 116Sn
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa).
Zn ⋏ Stříbro ≺ Cd ≻ Indium ⋎ Hg

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

Je to typický kovový prvek bíle stříbrné barvy. Za teplot pod 0,517 K je supravodičem I typu. Byl objeven roku 1817 německým chemikem Friedrichem Stromeyerem. Patří mezi přechodné prvky, které mají valenční elektrony ve sféře d. Ve sloučeninách se vyskytuje téměř pouze v mocenství Cd²⁺, sloučeniny Cd⁺ jsou silně nestálé.

V silných minerálních kyselinách je kadmium dobře rozpustné za vývoje plynného vodíku. Na vzduchu je kovové kadmium stálé, ale v atmosféře kyslíku je možné jej zapálit za vzniku oxidu kademnatého CdO.

Kadmium přechází do ovzduší ve formě těkavých sloučenin již při teplotě 480 °C.

Výskyt a výroba

Těžba v roce 2005

V zemské kůře je kadmium vzácným prvkem. Průměrný obsah činí kolem 0,1–0,5 mg/kg. I v mořské vodě je jeho koncentrace značně nízká – 0,11 mikrogramu v jednom litru. Předpokládá se, že ve vesmíru připadá na jeden atom kadmia přibližně 36 miliard atomů vodíku.

V přírodě se kadmium vyskytuje jako příměs rud zinku a někdy i olova, z nichž se také společně získává. K oddělení kovů se vzhledem k poměrně nízkému bodu varu používá destilace.

Pouze v západoevropských zemích se ho dostává do ovzduší přibližně 350 t ročně^[zdroj?]. Oblasti zvláště ohrožené tímto kovem jsou Japonsko a Střední Evropa^[zdroj?].

Využití, sloučeniny

Ni-Cd baterie

Díky prokázané toxicitě kadmia převládá v současné době tendence k jeho nahrazování jinými kovy všude tam, kde je to technicky a ekonomicky možné.

Pokrytí povrchu jiného kovu kadmiem bylo dříve velmi často používáno jako antikorozní ochrana především pro železo a jeho slitiny. Galvanické kadmiování různých pracovních nástrojů a železných součástek sloužilo jako vysoce účinná ochrana před atmosférickou korozí.

Kadmium je nezbytné pro výrobu nikl-kadmiových akumulátorů, kde slouží jako materiál pro zápornou elektrodu. Kromě některých technických nevýhod je i toxicita kadmia důvodem pro stále klesající maloobchodní nabídku NiCd baterií.

Slitiny

Velmi významné využití nachází kadmium doposud při výrobě pájek. Jedná se přitom o slitiny kadmia se stříbrem, cínem a zinkem, které mají velmi dobré mechanické vlastnosti – pevnost a houževnatost sváru, ale i velmi dobře vedou elektrický proud. Díky tomu jsou i přes nepříznivé zdravotní účinky kadmia stále hojně využívány v elektronickém průmyslu. Je však zřejmé, že legislativa Evropské unie brzy zakáže kompletně používání pájek s obsahem kadmia v elektrotechnické výrobě.

Kadmium ve slitině se stříbrem bylo materiálem pro kvalitní kontakty elektrických relé.

Direktiva unie RoHS (Restriction of Hazardous Substances) použití kadmia v elektroprůmyslu zakazuje.

Slitiny kadmia mohou být součástí regulačních tyčí v jaderných reaktorech, kadmium patří mezi látky silně pohlcující neutrony.

Sloučeniny

Z dalších sloučenin kadmia má největší praktický význam sulfid kademnatý CdS, intenzivně žlutá sloučenina slouží při výrobě malířských pigmentů jako kadmiová žluť. Uplatnění měla i při výrobě CRT televizních obrazovek, kde je součástí luminoforů v množstvích do 5 %. Jde o polovodivý materiál, jehož vodivost roste s osvětlením, což se využívá při výrobě fotoodporů. Jako polovodič typu n nanesený v průsvitné vrstvě na poloodič typu p vytvořil jeden z prvních fotovoltaických článků.^[2]

Oxid kademnatý (CdO) je rovněž polovodič typu n. Využívá se jako tenká vodivá vrstva ve fotodiodách, fototranzistorech, fotorezistorech a fotovoltaických článcích.

Jako červené případně oranžové barvivo se používá sulfoselenid kademnatý (zbarvení podle množství selenu).

Telurid kademnatý (CdTe) je rovněž polovodivý, využívá se jako absorpční vrstva pro tenkovrstvé solární články.^[3]

Uhličitan kademnatý se vyskytuje zřídkavě jako bílý až bezbarvý minerál Otavit (objeven v r. 1906 v Namibii).

Zdravotní rizika

Tato část článku není dostatečně ozdrojována, a může tedy obsahovat informace, které je třeba ověřit.

žlutý malířský pigment, CdS

Kadmium patří mezi několik málo prvků, jejichž vliv na zdravotní stav lidského organismu je jednoznačně negativní.^[4] Tento fakt se zdá být kuriózní například i proto, že je chemicky velmi podobné zinku, jež je naopak nezbytnou součástí potravy a má důležitou roli pro správný vývoj a zdravotní stav lidského organismu. Právě vzájemná chemická podobnost těchto prvků však působí problémy, protože kadmium může snadno vstupovat do různých enzymatických reakcí místo zinku a následné biochemické pochody neproběhnou nebo probíhají jiným způsobem. Příkladem je zablokování inzulínového cyklu, které může působit vážné zdravotní komplikace. Typická kumulace kadmia je v prostatě u mužů, kde je běžně vysoký obsah zinku, a toto kumulované kadmium zde může způsobovat velice rozšířenou rakovinu prostaty s následnými metastázami po celém těle.

Dalším rizikovým faktorem u kadmia je skutečnost, že se jedná o mimořádně kumulativní jed. Přijaté kadmium se z organizmu vylučuje jen velmi pozvolna a obtížně, jeho většina se přitom koncentruje především v ledvinách a v menší míře i v játrech. Bylo prokázáno, že kadmium může v ledvinách setrvat až desítky let. Právě ty jsou při chronické otravě kadmiem nejvíce ohroženy.

Hlavními zdravotními projevy dlouhodobé (chronické) otravy kadmiem jsou kromě poškození ledvin a jater také osteoporóza – lidově řídnutí kostí a anémie neboli chudokrevnost, zvyšuje se i riziko srdečních a cévních onemocnění.^[4] Vyšší obsah kadmia totiž působí na metabolismus vápníku a způsobuje jeho zvýšené vylučování z organizmu s následkem zeslabení kostní hmoty. Kadmium je také prokazatelně karcinogenní a jeho vysoký obsah v organizmu zvyšuje riziko vzniku rakovinného bujení. Při jednorázové vysoké dávce kadmia se dostavují bolesti břicha, průjmy a zvracení.

Do organismu se kadmium dostává dvěma cestami – v potravě a dýcháním. Z potravin jsou rizikovým faktorem především vnitřnosti (játra, ledviny) nebo ryby, které byly kontaminovány kadmiem při svém růstu. Rizikové mohou být i zemědělské plodiny, pěstované na kadmiem kontaminované půdě.

Vzhledem k nízkému bodu varu kadmia se tento prvek poměrně snadno dostává do atmosféry. Je proto nezbytné, aby hutní provozy, které s kadmiem pracují, velmi důsledně dbaly o dokonalé čištění plynných exhalací, které z nich odcházejí. Ohroženi totiž nejsou pouze přímo pracovníci v uvedených provozech, ale i obyvatelstvo v okolí, protože kadmium nasorbované na prachové částice a atmosférický aerosol může být větrem transportováno na značně velké vzdálenosti.

Patrně nejohroženější skupinu osob však tvoří kuřáci. Je jednoznačně prokázáno, že v náhodně vybraném vzorku populace obsahují ledviny silného kuřáka minimálně 10× více kadmia než u nekuřáka.^[5][6] Z výše uvedených faktů pak jasně vyplývá, že kuřák je kromě běžně uváděné rakoviny plic ohrožen i rakovinou nebo chronickým selháním činnosti ledvin.

Kadmium přijímané potravou se vstřebává asi 1–5 %, ze vzduchu kolem 50 %. Ukládá se v ledvinách a játrech, kde se váže na protein metalothionein. Poločas jeho vylučování z organismu je až 30 let. Kadmium ohrožuje funkci ledvin. Při pravidelném dlouhotrvajícím příjmu malých množství kadmia dochází ve věku kolem 50 let k poškození ledvin. V moči se objevují malé peptidy a cukr. Nejvážnějším účinkem kadmia je ohrožení reprodukčních orgánů člověka. Kadmium ohrožuje funkčnost a kvalitu spermií. Poškozuje zárodečný epitel varlat. Nachází se také v poševních hlenech. Negativně působí i na nervovou soustavu a má také karcinogenní účinky. Porušuje metabolismus vápníku – způsobuje měknutí kostí a vypadávání zubů.

Dimethylkadmium Cd(CH₃)₂ je extrémně toxická organická sloučenina kadmia, fyzikálně se jedná o málo viskózní čirou tekutinu značně nepříjemného zápachu. Její těkavost, značná lipofilita, jedovatost již v mikrogramových množstvích a také její karcinogenita z ní dělají velmi nebezpečnou sloučeninu.

Restrikce

Užívání kadmia je v Evropské unii omezeno směrnice 2002/95/ES Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment, česky "Omezení užívání některých nebezpečných látek v elektronických a elektrických zařízeních", která byla vydána 27. ledna 2003 a do praxe vstoupila 1. července 2006.^[7] Omezení se prozatím (2020) netýká průmyslových, telekomunikačních, zdravotnických, vědeckých zařízení s dlouhou životností, která se vyrábějí v malých množstvích a u nichž lze předpokládat, že neskončí na skládce.^[8]