Kadmium

Rozbalit box

Obsah boxu

Kadmium (chemická značka Cd, latinsky Cadmium) je měkký, kujný, tažný a stříbřitě bílý kov s namodralým leskem. V periodické tabulce prvků se nachází ve 12. skupině, mezi zinkem a rtutí, kterým se chemicky podobá. Jedná se o jeden z těžkých kovů, který je známý pro svou vysokou toxicitu i při nízkých koncentracích. V přírodě se vyskytuje především jako příměs v rudách zinku a jeho výroba je téměř výhradně spojena s rafinací tohoto kovu. Přes svou toxicitu nachází kadmium důležité uplatnění v průmyslu, zejména při výrobě baterií, pigmentů, ochranných povlaků a ve fotovoltaice.

🧪 Vlastnosti

Fyzikální vlastnosti

Kadmium je relativně měkký kov, který lze snadno řezat nožem. Má nízkou teplotu tání (321,07 °C) a varu (767 °C) ve srovnání s většinou ostatních přechodných kovů. Jeho hustota je 8,65 g/cm³, což je o něco více než hustota železa. Má modro-bílý lesk, ale na vlhkém vzduchu rychle ztrácí lesk a pokrývá se tenkou vrstvou šedého oxidu, která ho chrání před další korozí. Vytváří krystaly v hexagonální soustavě.

Chemické vlastnosti

Chemicky se kadmium nejvíce podobá zinku. Reaguje s většinou kyselin za vzniku vodíku a kademnatých solí. Ve sloučeninách se vyskytuje téměř výhradně v oxidačním stavu +2. Na rozdíl od zinku je však kadmium odolnější vůči zásadám. Při zahřívání na vzduchu hoří červeným plamenem za vzniku hnědého oxidu kademnatého (CdO). Je také známo svou schopností tvořit komplexní sloučeniny, například s amoniakem nebo kyanidy.

⏳ Historie

Kadmium bylo objeveno v Německu v roce 1817 nezávisle na sobě dvěma chemiky: Friedrichem Stromeyerem a Karlem Samuelem Leberechtem Hermannem. Stromeyer, profesor na univerzitě v Göttingenu, zkoumal nečistoty v uhličitanu zinečnatém (kalamínu) a všiml si, že některé vzorky při zahřívání mění barvu na žlutou, ačkoliv neobsahovaly železo ani olovo. Podařilo se mu izolovat nový kovový prvek, který pojmenoval cadmium podle latinského slova cadmia (řecky kadmeia ge, "kadmejská země"), což byl starověký název pro kalamín, který se těžil poblíž řeckého města Théby, založeného mytologickým hrdinou Kadmem.

Po svém objevu zůstalo kadmium po několik desetiletí spíše laboratorní kuriozitou. Jeho první významnější průmyslové využití přišlo až ve 40. letech 19. století, kdy se začalo používat jako jasně žlutý pigment (sulfid kademnatý, CdS), známý jako kadmiová žluť. Tento pigment byl ceněn pro svou stabilitu a sytost barvy a oblíbili si ho malíři jako Claude Monet. Teprve ve 20. století se jeho využití masivně rozšířilo do dalších oblastí, jako je galvanické pokovování a výroba nikl-kadmiových baterií.

🌍 Výskyt a výroba

Kadmium je v zemské kůře poměrně vzácný prvek, jeho průměrný obsah se odhaduje na 0,1 až 0,2 ppm (částic na milion). Téměř nikdy se nevyskytuje v ryzí formě. Jediným významným minerálem kadmia je greenockit (CdS), který je však příliš vzácný pro komerční těžbu. Prakticky veškerá světová produkce kadmia je proto vedlejším produktem těžby a zpracování rud zinku, v menší míře také olova a mědi. Nejčastěji se nachází v minerálu sfalerit (ZnS), kde nahrazuje zinek v krystalové mřížce.

Výroba kadmia probíhá během rafinace zinku. Při pražení zinkových rud se kadmium, které je těkavější než zinek, odpařuje a zachycuje se v prachových filtrech. Tento prach, obohacený o kadmium, se dále zpracovává, nejčastěji elektrolyticky nebo vakuovou destilací, čímž se získá kov o vysoké čistotě.

Podle údajů z roku 2024 jsou největšími světovými producenty kadmia Čína, Jižní Korea, Japonsko, Kanada a Mexiko. Celosvětová roční produkce se pohybuje okolo 25 000 tun, přičemž významná část pochází také z recyklace starých Ni-Cd baterií.

⚙️ Využití

I přes svou toxicitu má kadmium řadu důležitých průmyslových aplikací díky svým unikátním vlastnostem.

Baterie: Nejvýznamnějším využitím kadmia byla po mnoho desetiletí výroba nikl-kadmiových (Ni-Cd) akumulátorů. Tyto baterie jsou velmi odolné, mají dlouhou životnost a dokáží dodávat vysoké proudy. Používaly se v nouzovém osvětlení, letectví, lékařských přístrojích a starším bezdrátovém nářadí. V posledních letech jsou kvůli ekologickým regulacím a toxicitě kadmia nahrazovány lithium-iontovými a Ni-MH bateriemi, ale v některých specifických aplikacích se stále používají.
Galvanické pokovování: Kadmium poskytuje vynikající ochranu proti korozi, zejména v mořském a alkalickém prostředí. Proto se používá k pokovování ocelových a železných součástí v leteckém, námořním a vojenském průmyslu. Kademnaté povlaky jsou odolné a mají dobré mazací vlastnosti.
Pigmenty: Sloučeniny kadmia, jako je sulfid kademnatý (CdS, kadmiová žluť) a selenosulfid kademnatý (CdS·CdSe, kadmiová červeň), jsou velmi stálé a syté pigmenty. Používají se v uměleckých barvách, plastech, keramice a sklu, kde je vyžadována vysoká teplotní a chemická odolnost. Jejich použití v spotřebním zboží je dnes silně regulováno.
Jaderná energetika: Kadmium má vysokou schopnost pohlcovat tepelné neutrony, což z něj činí ideální materiál pro regulační a havarijní tyče v jaderných reaktorech. Tyto tyče se zasouvají do aktivní zóny reaktoru, kde pohlcují neutrony a tím řídí nebo zcela zastavují štěpnou řetězovou reakci.
Solární panely: Tenkovrstvé fotovoltaické články na bázi teluridu kademnatého (CdTe) jsou jednou z nejrozšířenějších a nákladově nejefektivnějších technologií v solární energetice. CdTe panely dosahují vysoké účinnosti a mají nízké výrobní náklady, což z nich činí významného hráče na trhu s obnovitelnými zdroji energie.
Slitiny: Kadmium se používá v nízkotavitelných slitinách, například v pájkách nebo slitinách pro automatické hasicí systémy (sprinklery).

☣️ Toxicita a biologický význam

Kadmium nemá žádnou známou pozitivní biologickou funkci v lidském těle ani u jiných živočichů. Naopak je vysoce toxické a je klasifikováno Mezinárodní agenturou pro výzkum rakoviny (IARC) jako prokázaný lidský karcinogen (skupina 1). Jeho nebezpečí spočívá v tom, že se v těle kumuluje, zejména v ledvinách a játrech, a má velmi dlouhý biologický poločas (10–30 let). To znamená, že i malé, ale pravidelné dávky se v těle sčítají a mohou po letech způsobit vážné zdravotní problémy.

Akutní otrava kadmiem, obvykle vdechnutím par při svařování nebo tavení kadmiem pokovených materiálů, způsobuje horečku, zimnici a poškození plic, které může být smrtelné. Chronická expozice, která je častější, vede především k poškození ledvin. Dále způsobuje demineralizaci kostí, což vede k jejich měknutí a zvýšené lámavosti. Tento stav je znám jako nemoc Itai-itai, která byla poprvé popsána v Japonsku v polovině 20. století u lidí konzumujících rýži zavlažovanou vodou kontaminovanou z dolů. Kadmium také zvyšuje riziko vzniku rakoviny plic, ledvin a prostaty.

Hlavními zdroji expozice pro běžnou populaci jsou kouření (tabák přirozeně akumuluje kadmium z půdy) a konzumace kontaminovaných potravin, jako jsou vnitřnosti (játra, ledviny), korýši a některé druhy listové zeleniny pěstované na znečištěné půdě.

🌱 Vliv na životní prostředí

Kadmium se do životního prostředí dostává jak z přírodních zdrojů (vulkanická činnost, zvětrávání hornin), tak z lidské činnosti. Mezi hlavní antropogenní zdroje patří těžba a zpracování kovů, spalování fosilních paliv (zejména uhlí), spalování odpadu a používání fosfátových hnojiv, která mohou obsahovat kadmium jako nečistotu.

V půdě je kadmium poměrně mobilní a snadno se vstřebává kořeny rostlin, čímž se dostává do potravního řetězce. Jeho koncentrace v půdě se zvyšuje v důsledku kyselých dešťů, které podporují jeho uvolňování. Ve vodním prostředí je vysoce toxické pro ryby a další vodní organismy, u kterých se také bioakumuluje. Znečištění vodních toků kadmiem představuje vážný ekologický problém v průmyslových oblastech.

⚖️ Regulace a bezpečnost

Vzhledem k vysoké toxicitě kadmia je jeho používání a uvolňování do životního prostředí přísně regulováno v mnoha zemích světa. V Evropské unii platí směrnice RoHS (Restriction of Hazardous Substances), která omezuje použití kadmia (spolu s dalšími nebezpečnými látkami) v elektrických a elektronických zařízeních na velmi nízkou koncentraci (0,01 %). Výjimky platí pro některé specifické aplikace, kde zatím neexistuje vhodná náhrada.

Další nařízení, jako je REACH, regulují registraci, hodnocení a povolování chemických látek, včetně kadmia a jeho sloučenin. Existují také přísné limity pro obsah kadmia v potravinách, pitné vodě a v ovzduší na pracovištích. Cílem těchto opatření je minimalizovat expozici člověka a životního prostředí tomuto nebezpečnému kovu.

📈 Ekonomika a trh

Kadmium není primárně těženým kovem, ale vedlejším produktem, takže jeho nabídka je úzce spjata s produkcí zinku. To způsobuje, že jeho cena může být poměrně volatilní a závisí nejen na poptávce po kadmiu samotném, ale i na situaci na trhu se zinkem. Poptávka po kadmiu v posledních dekádách prošla výraznými změnami. Zatímco spotřeba pro Ni-Cd baterie a pigmenty klesá kvůli regulacím, roste význam sektoru fotovoltaiky (CdTe panely), který se stává jedním z hlavních motorů poptávky.

Cena kadmia se v posledních letech pohybuje v rozmezí 2 000 až 4 000 amerických dolarů za tunu. Recyklace, zejména z použitých Ni-Cd baterií, hraje stále důležitější roli v uspokojování globální poptávky a zároveň snižuje ekologickou zátěž spojenou s jeho výrobou a likvidací.

⚛️ Pro laiky

Představte si kadmium jako toxického, ale občas velmi užitečného "bratrance" zinku. V přírodě se často vyskytují spolu, ale zatímco malé množství zinku je pro lidské tělo nezbytné, kadmium je jako jed, který se v těle hromadí a neopouští ho. I když je nebezpečné, lidé se ho naučili využívat pro jeho speciální schopnosti.

Díky kadmiu můžeme vyrábět například:

Super odolné baterie: Starší typy dobíjecích baterií (Ni-Cd) v letadlech nebo nouzových systémech jsou díky kadmiu velmi spolehlivé.
Ochranné štíty proti rzi: Tenká vrstva kadmia dokáže ochránit ocel před korozí mnohem lépe než jiné kovy, což je důležité třeba u letadel.
Zářivé barvy: Umělci po staletí milovali kadmiovou žluť a červeň, protože na plátně nevybledly.
Brzdy pro jaderné reaktory: V jaderných elektrárnách fungují tyče z kadmia jako "houba" na neutrony, která dokáže bezpečně zpomalit nebo zastavit jadernou reakci.

Problém je, že kadmium je pro živé organismy škodlivé. Proto se dnes jeho použití omezuje a nahrazuje bezpečnějšími materiály všude, kde je to možné.

Zdroje