镉(金属元素)

黄金假面 — Sat, 26 Nov 2022 17:11:26 +0000

镉（gé，音隔），CADMIUM，源自kadmia，“泥土”的意思，它的化学符号是Cd，原子序数是48。镉是一种蓝白色的过渡金属，性质柔软，有毒，能在锌矿中找到。镉和锌均会用作电池材料。镉可制作镍镉电池、用于塑胶制造和金属电镀、生产颜料、油漆、染料、印刷油墨等中某些黄色颜料、制作车胎、某些发光电子组件和核子反应炉原件。熔点320.9℃，沸点765℃，密度8650kg/m3。有韧性和延展性。镉在潮湿空气中缓慢氧化并失去金属光泽，加热时表面形成棕色的氧化物层。高温下镉与卤素反应激烈，形成卤化镉。

简介

镉（gé），CADMIUM，源自kadmia，“泥土”的意思，1817年发现。和锌一同存在于自然界中。它是一种吸收中子的优良金属。

镉是是蓝白色性质柔软的有毒过渡金属，化学符号为Cd，原子序数为是48。

世界上主要生产镉的国家有独联体国家、美国、加拿大、日本、澳大利亚等国。美国是世界主要产镉的国家，1940年就已接近3000吨。1977年世界镉的总产量已近两万吨。美国也是最大的镉进口国，其次是英国、法国和比利时。

镉对健康有不良的影响，被列为可致癌物。

元素类型：金属元素

原子序数：48

质子数：48

中子数：64

元素在太阳中的含量：0.006(ppm)

元素在海水中的含量：太平洋表面 0.0000011(ppm)

地壳中含量：0.11（ppm）

摩尔质量：112g/mol

氧化态：Main Cd+2 ，Other Cd+1

元素周期表位置：第五周期IIB族

电子层排布： 2-8-18-18-2

晶体结构：晶胞为六方晶胞。

晶胞参数：

a = 297.94 pm

b = 297.94 pm

c = 297.94 pm

α = 90°

β = 90°

γ = 120°

莫氏硬度：2

声音在其中的传播速率：2310（m/S）

电离能(kJ /mol)：

M – M+ 867.6

M+ – M2+ 1631

M2+ – M3+ 3616

M3+ – M4+ 5300

M4+ – M5+ 7000

M5+ – M6+ 9100

M6+ – M7+ 11100

M7+ – M8+ 14100

M8+ – M9+ 16400

M9+ – M10+ 18800

发现

1817年，德国的斯特罗迈厄，从不纯的氧化锌中分离出褐色粉，使它与木炭共热，制得镉。

首先发现镉的是德国哥廷根大学化学和医药学教授斯特罗迈尔。他兼任政府委托的药商视察专员。正是他在视察药商的过程中，观察到含锌药物中出现的问题，促使他在1817年发现了镉。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。

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。

理化性质

物理性质

镉是银白色有光泽的金属，熔点320.9℃，沸点765℃，密度8650 kg/m3;。有韧性和延展性。镉在潮湿空气中

缓慢氧化并失去金属光泽，加热时表面形成棕色的氧化物层。高温下镉与卤素反应激烈，形成卤化镉。也可与硫直接化合，生成硫化镉。镉可溶于酸，但不溶于碱。镉的氧化态为+1、+2。氧化镉和氢氧化镉的溶解度都很小，它们溶于酸，但不溶于碱。镉可形成多种配离子，如Cd(NH3)、Cd(CN)、CdCl等。

镉的毒性较大，被镉污染的空气和食物对人体危害严重，日本因镉中毒曾出现“痛痛病”。

可用多种方法从含镉的烟尘或镉渣（如煤或炭还原或硫酸浸出法和锌粉置换）中获得金属镉。进一步提纯可用电解精炼和真空蒸馏。镉主要用于钢、铁、铜、黄铜和其他金属的电镀，对碱性物质的防腐蚀能力强。镉可用于制造体积小和电容量大的电池。镉的化合物还大量用于生产颜料和荧光粉。硫化镉、硒化镉、碲化镉用于制造光电池。

化学性质

1.燃烧加热

2Cd+O2==2CdO Cd+S==CdS

加热

Cd+X2==CdX2 (X=F、Cl、Br、I)

加热

3Cd+2P==Cd3P2 Cd+Se==CdSe

Cd+2ClH(dil)==CdCl2+H2

加热

2Cd+2SO2==CdSO4+CdS

加热

2Cd+Na==NaCd2 6Cd+Na==NaCd6

2．氢氧化镉和氧化镉

Cd2++2NaOH=Cd(OH)2+2Na+ Cd(OH)2+H+=Cd2++2H2O

加热

Cd(OH)2==CdO+H2O

加热

[Cd(NH3)4]2+ +2OH-==Cd(OH)2+4NH3

2Cd2++3CO3 2- +2H2O=Cd2(OH)2CO3+2HCO3-

3．硫化镉和镉的配合物

(1)硫化镉

Cd 2+ +H2S=CdS+2H+

3CdS+8HNO3==3Cd(NO3)2+2NO+3S+4H2O

(2)镉的配合物

[Cd(NH3)6]2+

[Cd(CN)4]2-

4．含镉废水的处理

(1)中和沉淀法

Cd2+ +2OHˉ=Cd(OH)2

(2)离子交换法

(3)其它：气浮法、碱性氯化法

用途

1.用于制造合金：镉作为合金组土元能配成很多合金，如含镉0.5%～1.0%的硬铜合金，有较高的抗拉强度和耐磨性。

镉（98.65%）镍（1.35%）合金是飞机发动机的轴承材料。很多低熔点合金中含有镉，著名的伍德易熔合金中含有镉达12.5%。

2.镉具有较大的热中子俘获截面因此含银（80%）铟（15%）镉（5%）的合金可作原子反应堆的(中子吸收)控制棒。

3.镉的化合物曾广泛用于制造(黄色)颜料、塑料稳定剂、(电视映像管)荧光粉、杀虫剂、杀菌剂、油漆等。

4.用于电镀等。镉氧化电位高，故可用作铁、钢、铜之保护膜，广用于电镀防腐上，但因其毒性大，这项用途有减缩趋势。

5.用于充电电池：镍—镉和银—镉、锂-镉电池具有体积小、容量大等优点

6.镉还用于制造电工合金，如电器开关中的电触头大多采用银氧化镉材料，具有导电性能好，燃弧小，抗熔焊性能好等优点，广泛的用于家用电器开关，汽车继电器等，但是由于镉有毒并且受欧盟《报废电子电器设备指令》（WEEE）和《关于在电子电器设备中限制使用某些有害物质的指令》（RoHS）两项指令的影响，电器开关中的银氧化镉材料逐渐被环保材料如银氧化锡，银镍材料所取代。

测定方法

环境工程领域中的镉绝大多数淡水的含镉量低于1微克/升，海水中镉的平均溶度为0.15微克/升。镉的主要污染源是电镀、采矿、冶炼、染料、电池和化学工业等排放的废水。

环境监测中测定镉的方法有：原子吸收分光光度法、双硫腙分光光度法、阳极溶出伏安法和示波极谱法等。

储量分布

在自然界中主要成硫镉矿而存在；也有小量存在于锌矿中，所以也是锌矿冶炼时的副产品。镉的主要矿物有硫镉矿(CdS)，贮存于锌矿、铅锌矿和铜铅锌矿石中。镉的世界储量估计为900万吨。

亚洲是全球最大的初级镉金属产区，以中国、韩国、日本为主。

2011年受日本东北部地震的影响，日本境内几个主要的镉生产基地暂时关闭，2012年日本相关企业的逐步复工促进了全球镉产量的增长，据统计2012年全球镉产量为2.3万吨。

根据美国国家地质局2013年1月发布的全球矿产统计数据：2012年中国镉产量为7000吨，占全球总产量的30.43%；2012年朝鲜镉产量为4100吨，占全球总产量的17.83%。

用途特点

1.用于制造合金：镉作为合金组土元能配成很多合金，如含镉0.5%～1.0%的硬铜合金，有较高的抗拉强度和耐磨性。镉（98.65%）镍（1.35%）合金是飞机发动机的轴承材料。很多低熔点合金中含有镉，著名的伍德易熔合金中含有镉达12.5%。

2.镉具有较大的热中子俘获截面因此含银（80%）铟（15%）镉（5%）的合金可作原子反应堆的(中子吸收)控制棒。

3.镉的化合物曾广泛用于制造(黄色)颜料、塑料稳定剂、(电视映像管)荧光粉、杀虫剂、杀菌剂、油漆等。

4.用于电镀等。镉氧化电位高，故可用作铁、钢、铜之保护膜，广用于电镀防腐上，但因其毒性大，这项用途有减缩趋势。

5.用于充电电池：镍—镉和银—镉、锂-镉电池具有体积小、容量大等优点。

6.用于制镉盐、镉蒸气灯、烟幕弹、镉汞剂、颜料、合金、电镀镉、焊药、标准电池、冶金去氧剂等。为半导体用高纯材料,用于制备高纯镉盐,用作高纯试剂。

生物毒性

镉会对呼吸道产生刺激，长期暴露会造成嗅觉丧失症、牙龈黄斑或渐成黄圈，镉化合物不易被肠道吸收，但可经呼吸被体内吸收，积存于肝或肾脏造成危害，尤以对肾脏损害最为明显。还可导致骨质疏松和软化。

危害

有急性、慢性中毒之分。吸入含镉气体可致呼吸道症状，经口摄入镉可致肝、肾症状。

镉不是人体的必需元素。人体内的镉是出生后从外界环境中吸取的，主要通过食物、水和空气而进入体内蓄积下来。

镉的吸收和代谢镉的烟雾和灰尘可经呼吸道吸入。肺内镉的吸收量约占总进入量的25～40%。每日吸20支香烟，可吸入镉2～4ug。镉经消化道的吸收率，与镉化合物的种类，摄入量及是否共同摄入其它金属有关。例如钙、铁摄入量低时，镉吸收可明显增加，而摄入锌时，镉的吸收可被抑制。吸收入血液的镉，主要与红细胞结合。

肝脏和肾脏是体内贮存镉的两大器官，两者所含的镉约占体内镉总量的60%。据估计，40～60岁的正常人，体内含镉总量约30mg，其中10mg存于肾，4mg存于肝，其余分布于肺、胰、甲状腺、睾丸、毛发等处。器官组织中镉的含量，可因地区、环境污染情况的不同而有很大差异，并随年龄的增加而增加。

进入体内的镉主要通过肾脏经尿排出，但也有相当数量由肝脏经胆汁随粪便排出。镉的排出速度很慢，人肾皮质镉的生物学半衰期是10～30年。

临床表现

镉及其化合物均有一定的毒性。吸入氧化镉的烟雾可产生急性中毒。中毒早期表现咽痛、咳嗽、胸闷、气短、

头晕、恶心、全身酸痛、无力、发热等症状，严重者可出现中毒性肺水肿或化学性肺炎，有明显的呼吸困难、胸痛、咯大量泡沫血色痰，可因急性呼吸衰竭而死亡。用镀镉的器皿调制或存放酸性食物或饮料，饮食中可能含镉，误食后也可引起急性镉中毒。潜伏期短，通常经10～20分钟后，即可发生恶心、呕吐、腹痛、腹泻等症状。严重者伴有眩晕、大汗、虚脱、上肢感觉迟钝、甚至出现抽搐、休克。一般需经3～5天才可恢复。

长期吸入镉可产生慢性中毒，引起肾脏损害，主要表现为尿中含大量低分子量蛋白质，肾小球的滤过功能虽多属正常，但肾小管的回收功能却减退，并且尿镉的排出增加。

镉作业工人的肺气肿、贫血及骨骼改变也有报道，但这些改变与镉接触的确切关系尚不能肯定。国外也有报道接触氧化镉的工人前列腺癌发病率较高。

急性

急性镉中毒，根据接触史和呼吸道症状，诊断不难。慢性镉中毒除职业史和临床症状外，结合胸片、肺功能、肾小管功能和尿镉等作出诊断。

急性镉中毒系吸入所致，先有上呼吸道粘膜刺激症状，脱离接触后上述症状减轻。经4～10小时的潜伏期，出现咳嗽、胸闷、呼吸困难，伴寒战、背部和四肢肌肉和关节酸痛，胸部X线检查有片状阴影和肺纹理增粗。严重患者出现肺水肿和心力衰竭。口服镉化合物引起中毒的临床表现酷似急性胃肠炎，有恶心、呕吐、腹痛、腹泻、全身无力、肌肉酸痛，重者有虚脱。

慢性

慢性镉中毒的早期肾脏损害表现为尿中出现低分子蛋白（β2微球蛋白、维生素A结合蛋白、溶菌酶和核糖核酸酶等），

还可出现葡萄糖尿、高氨基酸尿和高磷酸尿。晚期患者出现慢性肾功能衰竭。肺部表现为慢性进行性阻塞性肺气肿，最终导致肺功能减退。慢性中毒患者常伴有牙齿颈部黄斑、嗅觉减退或丧失、鼻粘膜溃疡和萎缩，其他尚有食欲减退、恶心、体重减轻和高血压。长期接触镉者见有肺癌发病率增高。

日本报告因摄食被镉污染的水源引起的一种慢性镉中毒称"痛痛病"。临床表现为背和腿疼痛、腹胀和消化不良，严重患者发生多发性病理性骨折。实验室检查有肾小管再吸收功能障碍，尿钙和尿磷酸盐排泄增加，血钙降低等。痛痛病经流行病学调查认为与镉有关。痛痛病以育龄妇女多见，故考虑除镉外，尚有营养缺乏、钙丢失和内分泌等因素。

防治

吸入大量氧化镉烟雾所致的急性中毒，其治疗与一般刺激性气体中毒的处理相同。关键在于防止肺水肿。

应及早撤离出事现场、保持安静，卧床休息，吸入氧气，保持呼吸道畅通，可用10%硅酮雾化吸入，以消除泡沫，肾上腺皮质激素能降低毛细血管通透性，宜早期定量使用。限制液体入量，给予抗生素防止继发感染，急性食入性镉中毒时主要采用对症治疗，给予大量补液、注射阿托品用来止吐和消除腹痛。

慢性镉中毒引起肾脏损害者，膳食中应增加钙和磷酸盐的摄入，供给充足的锌和蛋白质，金属络合剂依地酸二钠钙(caNa2EDTA)可增加镉的排出，但可加重肾脏的损害。在急、慢性中毒时均不主张使用。有报道口服氮川三乙酸(NTA)能促使镉排出(主要经由粪便)，从而降低在体内的蓄积，而不损害肾脏功能。

为了预防镉中毒，熔炼、使用镉及其化合物的场所，应具有良好的通风和密闭装置。焊接和电镀工艺除应有必要的排风设备外，操作时应戴个人防毒面具。不应在生产场所进食和吸烟。中国规定的生产场所氧化镉最高容许浓度为0.1mg/m3。

镉污染土壤，可造成公害病痛痛病。镉对土壤的污染，主要通过两种形式，一是工业废气中的镉随风向四周扩散，经自然沉降，蓄积于工厂周围土壤中，另一种方式是含镉工业废水灌溉农田，使土壤受到镉的污染。因此为了防止镉对环境的污染，必须做好环境保护工作，严格执行镉的环境卫生标准。

环境污染

镉污染土壤，可造成公害病痛痛病。镉对土壤的污染，主要通过两种形式，一是工业废气中的镉随风向四周扩散，

经自然沉降，蓄积于工厂周围土壤中，另一种方式是含镉工业废水灌溉农田，使土壤受到镉的污染。因此为了防止镉对环境的污染，必须做好环境保护工作，严格执行镉的环境卫生标准。

安全标准

欧盟

欧盟将镉列为高危害有毒物质和可致癌物质并予以规管。

美国

美国环境保护署限制排入湖、河、弃置场和农田的镉量并禁止杀虫剂中含有镉。

美国环境保护署允许饮用水含有10ppb的镉，并打算把限制减到5ppb。

美国食品和药物管理局规定食用色素的含镉量为不得多于15ppm。

美国职业安全卫生署规定工作环境空气中镉含量在烟雾为100微克/立方米，在镉尘为200微克/立方米。

美国职业安全卫生署计划将空气中所有镉化合物含量限制在1到5微克/立方米美国国家职业安全和卫生研究所希望让工人尽量少呼吸到镉以防止肺癌。

镉