الكادميوم: خصائص العنصر واستخداماته

مقدمة عن الكادميوم

الكادميوم (الرقم الذري 48، اختصار Cd) هو معدن ناعم أبيض مائل للزرقة يتميز بخصائصه الفيزيائية الاستثنائية وسميته الموثقة بدقة. تم عزل الكادميوم لأول مرة خلال القرن التاسع عشر ومنذ ذلك الحين ظهر كمادة أساسية في مجموعة متنوعة من العمليات الصناعية من البطاريات إلى الأصباغ. يتم تصنيعه في المقام الأول كمنتج ثانوي لصهر الزنك، حيث يبلغ إنتاجه العالمي لعام 2022 حوالي 23,000 طن متري، ويتركز بشكل أساسي في بلدان مثل الصين وكوريا الجنوبية واليابان. ونظرًا لسميته، يخضع الكادميوم لتنظيم شديد في معظم الصناعات.

الخواص الكيميائية للكادميوم

يميل الكادميوم إلى إظهار حالة الأكسدة +2 (Cd²⁺)، والتي تغطي معظم سلوكه الكيميائي. وعلى الرغم من أن الكادميوم خامل للغاية مقارنةً بالعناصر الانتقالية الأخرى، إلا أنه يتفاعل مع الأكسجين والكبريت والهالوجينات لإعطاء مركبات مثل أكسيد الكادميوم (CdO) وكبريتيد الكادميوم (CdS). هذه المركبات هي أساس الطلاء الكهربائي والأصباغ وأشباه الموصلات.

تشمل الخصائص الكيميائية الرئيسية ما يلي:

- مقاومة للتفاعل في الهواء في درجة حرارة الغرفة، على الرغم من أنه يتأكسد ببطء عن طريق تكوين طبقة واقية.

- الذوبان الحمضي بحيث يمكنه المشاركة في الكيمياء الكهربية.

- القدرة على الامتصاص لتكوين مركبات ملونة لامعة، خاصةً مع الكبريت والسيلينيوم، وهو ما جعله في السابق ذا قيمة للأصباغ.

لمزيد من التفاصيل الكيميائية، انظر Stanford Advanced Materials (SAM).

التطبيقات الصناعية الرئيسية مع أمثلة وإحصائيات

1. بطاريات النيكل والكادميوم (Ni-Cadd)

• وجدت بطاريات النيكل-كادميوم (Ni-Cd) استخداماً واسع النطاق في الإلكترونيات المحمولة والأدوات الكهربائية وتكنولوجيا الطيران.
• تحتوي بطارية Ni-Cd النموذجية بجهد 1.2 فولت على حوالي 5-10% من الكادميوم بالوزن.

على الرغم من ثباتها وقدرتها على تحمل مئات دورات الشحن والتفريغ، إلا أن المخاوف البيئية أدت إلى انخفاض استخدامها. على سبيل المثال، قام الاتحاد الأوروبي بتقييد استخدام بطاريات Ni-Cd من خلال توجيه البطاريات (2006/66/EC).

2- أصباغ البلاستيك والسيراميك والزجاج

• تنتج أصباغ CdS أصباغًا صفراء كثيفة اللون، بينما تنتج CdSe أصباغًا حمراء برتقالية اللون.
• مثال على ذلك: طُبقت أصباغ CdS على بلاستيك البناء في تسعينيات القرن الماضي، مما يوفر سلعًا ثابتة اللون تدوم لأكثر من 20 عامًا دون أن تتلف.
• تخضع أصباغ RTEs حاليًا للتنظيم، ويقتصر محتوى الكادميوم على أقل من 0.01% في المنتجات الاستهلاكية في معظم البلدان.

3. الطلاء الكهربائي ومقاومة التآكل

يُستخدم الطلاء الكهربائي بالكادميوم في مجال الطيران والدفاع بسبب مقاومته العالية للتآكل، خاصة في البيئات البحرية.

مثال: تقاوم أدوات التثبيت المطلية بالكادميوم والمخصصة للأغراض العسكرية التآكل الناتج عن رش الملح لأكثر من 1000 ساعة، بينما تتعطل البدائل المطلية بالزنك بعد 200-300 ساعة.

4- أشباه الموصلات والخلايا الكهروضوئية

• يُستخدم تيلورايد الكادميوم (CdTe) في الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة، والتي تعد بديلاً فعالاً وفعالاً من حيث التكلفة للسيليكون.
• بيانات الحالة: يمكن للوحدات الشمسية CdTe أن تحقق كفاءة تصل إلى 22% في ظروف الاختبار القياسية مع تكاليف إنتاج أقل لكل واط من السيليكون البلوري.

المخاوف البيئية والصحية

الكادميوم سام للغاية للحيوانات والبشر. يؤدي التعرض المطول بكميات صغيرة إلى:

-ضعف الكلى ونزع الكلس من العظام

-أمراض الجهاز التنفسي وسرطان الرئة (من خلال استنشاق غبار الكادميوم أو الأبخرة)

-التراكم الحيوي داخل الشبكة الغذائية، وخاصة في الخضروات الورقية والحبوب والمحار

التعرض لمخاطره من خلال الأحداث البيئية:

-في مرض إيتاي إيتاي في اليابان (في الستينيات)، تسبب الأرز الملوث بالكادميوم في أمراض خطيرة في العظام والكلى لدى أكثر من 200 ضحية.

- يتم الآن تنظيم انبعاثات الكادميوم في التعدين والصهر بشكل صارم؛ على سبيل المثال، تحدد وكالة حماية البيئة الأمريكية انبعاثات مياه الصرف الصحي بالكادميوم بـ 0.005 ملغم/لتر، مما يدل على مدى صرامة الرقابة التي يجب تطبيقها لمنع الضرر البيئي والبشري.

وبسبب هذه المخاطر، تقوم الصناعات بالانتقال إلى بدائل خالية من الكادميوم، على سبيل المثال، بطاريات الليثيوم أيون البديلة لبطاريات Ni-Cd والأصباغ غير الكادميوم للبلاستيك والدهانات. ومع ذلك، لا توجد بدائل للكادميوم في الخلايا الشمسية عالية الأداء وتطبيقات الطلاء الكهربائي المتخصصة بسبب خصائصه الفريدة.

الأسئلة المتداولة

ما هو العدد الذري للكادميوم؟

العدد الذري للكادميوم هو 48، مما يجعله من سلسلة المعادن الانتقالية.

ما مدى سمية الكادميوم؟

إنه شديد السمية؛ حيث يتسبب التعرض الطويل الأمد في تلف الكلى والعظام والرئتين. الجرعات التنظيمية شديدة في محاولة للحد من المخاطر على الإنسان والبيئة.

ما هي الاستخدامات الصناعية الرئيسية اليوم؟

لا تزال بطاريات Ni-Cd، والأصباغ، والطلاء بالكادميوم الكهربائي، والخلايا الشمسية CdTe من الاستخدامات المهمة.

كيف يتم تصنيع الكادميوم؟

يتم تصنيعه بشكل أساسي كمنتج ثانوي لصهر الزنك، عادةً عن طريق التحميص والتقطير وعمليات التحليل الكهربائي.

هل هناك بديل أكثر أماناً؟

نعم. تحل NiMH والليثيوم أيون محل Ni-Cd، بينما تقلل الأصباغ غير الكادميوم من التعرض البيئي. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى الكادميوم في بعض الاستخدامات عالية الأداء مثل الطلاءات الفضائية والخلايا الكهروضوئية CdTe.