镉的物化性质及应用领域分析

1.概况

元素符号 Cd

元素类型 金属元素

相对原子质量 112.4

原子序数 48

质子数 48

摩尔质量／（g／mol） 112

原子体积／（cm³／mol） 13.1×10^－4％

太阳中的含量 0.006×10^－4％

海水中的含量（太平洋表面） 0.0000011×10^－4％

地壳中的含量 0.11×10^－4％

氧化态 主要Cd^＋2，其他Cd^＋1

所属周期 5

所属族数 ⅡB

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=297.94pm

b=297.94pm

c=297.94pm

α=90°

β=90°

γ=120°

莫氏硬度 2

声音在其中的传播速率／（m／s） 2310

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

2.性状

镉的主要物理性见表9-2。

表9-2 镉的主要物理性

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镉是一种银白色或铅灰色有光泽的软质金属，性质柔软，有毒，有韧性和延展性，电离能为8.993eV，原子价为2，标准电位为－0.4029V（9），电子组态为1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²，常见化合价为＋2。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。镉不溶于水，可溶于酸，与硫酸、盐酸和硝酸作用生成相应的镉盐；但不溶于碱。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。镉蒸气燃烧产生棕色的烟雾。镉有8种天然的稳定同位素，还有11种不稳定的人工放射性同位素。镉在空气中迅速失去光泽，并覆上一层氧化物薄膜，可防止进一步氧化。镉在所有的稳定化合物中都呈＋2价，其离子无色。镉可形成络离子Cd（NH3）42＋、Cd（CN）42－和CdI42－。

3.用途

镉是银白色的金属，是一种有益于人类的重金属，镉不像汞、铅那样为人熟知，自20世纪初就广泛应用于电镀工业、化工业、电子业和核工业等领域。

1）镉对盐水和碱液有良好的耐蚀性能，可以用作钢构件的电镀防蚀层，但因镉的毒性较大，此项用途有减缩的趋势。

2）镍-镉和银-镉电池的体积小、电能容量大，因而镉在电池制造中用量日增。镉镍电池（Nickel-cadmium Battery）是采用金属镉作负极活性物质、氢氧化镍作正极活性物质的碱性蓄电池。正、负极材料分别填充在穿孔的附镍钢带（或镍带）中，经拉浆、滚压、烧结、化成或涂膏、烘干、压片等方法制成极板；用聚酰胺非织布等材料作隔离层；用氢氧化钾水溶液作电解质溶液；电极经卷绕或叠合组装在塑料或镀镍钢壳内。镉镍电池的标称电压为1.2V，有圆柱密封式（KR）、扣式（KB），镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用。其内部抵制力小、既内阻很小、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。

3）镉是制造钎焊合金和易熔合金的主要成分之一。

4）在铜中加入0.05％～1.3％的镉，可改进铜的力学性能，尤其是冷加工性能，对电导率则影响不大。

5）镉的化合物曾经广泛用于制造颜料、塑料稳定剂、荧光粉。

6）硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、碲化镉（CdTe）具有较强的光电效应，用于制造光电池。

7）镉具有较大的热中子俘获截面积，因此含银（80％）、铟（15％）、镉（5％）的合金可作原子反应堆的控制棒。它是一种吸收中子的优良金属，制成棒条可在原子反应炉内减缓核子连锁反应速率。

8）它的鲜明的硫化物所制成的镉黄颜料，广受艺术家的欢迎。

9）镉可以制成特殊的易熔合金、耐磨合金、焊锡合金等，广泛用作钢结构的电镀防腐层。

10）镉氧化电位高，故可用作铁、钢、铜的保护膜，广用于电镀上。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。

11）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。

12）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镉达12.5％。

13）镉化合物可用于杀虫剂、杀菌剂、油漆等的制造业。

4.来源及制备

（1）来源 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，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作参照，命名它为Cadmium，意为“泥土”的意思，元素符号定为Cd。由于镉在地壳中的高度分散性和低含量，常呈类质同像形式存在于与其化学性质相近的Zn、Cu、Sb和Sn等的硫化物中，难以形成独立矿物。镉的化学性质与锌极其相似，几乎所有的闪锌矿中都含有镉，闪锌矿矿石中镉平均含量为9000×10^－6左右，闪锌矿单矿物中镉含量一般大于1.20×10^－2，最高可达10×10^－2，其储量已达大型矿床规模（5299.14t），该矿床中还含有Ge和Ga等多种分散元素。我国贵州都匀牛角塘铅锌矿床中镉含量异常高，一般为（2284～9850）×10^－6，最高为13400×10^－6，比地壳克拉克值（0.2×10^－6）高5～6个数量级，比要求的工业品位高几十到上百倍。此外，广东蕉岭鸡公山铅锌矿、广西临桂葛家塘铅锌矿、吉林吉安铅锌矿等矿床中镉均异常富集。云南金顶超大型含镉铅锌矿床是我国最大的铅锌矿床，也是我国最大的镉储量矿床，铅锌矿储量为1500万t，镉储量为17万t。

图9-11 硫镉矿

镉与它的同族元素汞和锌相比，被发现得晚得多。它在地壳中的含量比汞还多一些。硫镉矿（CdS）是镉的硫化物，在所有矿物中，它的含镉量最高，硫镉矿赋存于锌矿、铅锌矿和铜铅锌，是提炼镉的重要原料。图9-11为硫镉矿。

硫镉矿的晶体可呈粒状、粉末状甚至土状，它们往往像是一层皮壳覆盖在闪锌矿或其他锌矿物上。其颜色为黄色调，半透明到透明，具有松脂光泽或金刚光泽。把硫镉矿放入盐酸中会产生一股臭鸡蛋的味道，这是释放出来的硫化氢的味道。其结构或分子式为CdS，密度为4.9～5.0g／cm³，呈黄橙色或暗橙黄色。

镉的世界储量估计为900万t，世界上每年生产的镉大约为2万t左右。美国是镉的主要生产国，1930年年产量超过1000t，1940年接近3000t，占当时世界产量的70％。1977年世界镉产量为19793t。镉与锌的产量比约为4∶1000。年产镉超过千吨的国家还有加拿大、日本、澳大利亚、墨西哥、德国等。我国镉的年产量接近1000t。1976年—1979年世界市场金属镉（纯度99.9％）的价格为6.6美元／kg，纯度99.999％的金属镉的价格为22美元／kg。

（2）制备 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。在炼锌厂的硫酸锌溶液净化过程中产出的铜镉渣（含镉4％～20％），炼锌厂的粗锌精馏过程中产出的镉灰（含镉10％～30％）和某些铜、铅冶炼厂的富镉尘均可提取镉。由于镉污染环境，铅锌冶炼厂必须从排放物中回收镉。镍镉和铁镉蓄电池的极板等各种工业废料也是提取镉的二次原料。镉的提取方法分为从铜镉渣中提镉的湿法和从富镉尘中提镉的联合法。

1）湿法提镉。湿法提镉的工艺流程：铜镉渣浸出海绵镉→海绵镉溶解→镉液净化→电解沉积→熔化铸锭等工序。图9-12为铜镉渣提镉流程。

铜镉渣主要含有锌、镉、铜等金属及其氧化物，还含有少量的砷、锑、铁、钴、镍、铊等。用15g／L的硫酸溶液在80～90℃下浸出，当酸含量降至4～5g／L时加MnO，使镉、铁氧化，加石灰水[Ca（OH）］中和除铁、砷和锑。此时，浸出液成分为Cd＞10g／L、Fe＜1g／L、Cu为0.05g／L，pH=5.2～5.4。浸出液调整pH值为3～4后，加入锌粉（为理论量的1.2～1.3倍）置换，得海绵镉。硫酸锌滤液（含Cd＜50mg／L）返回锌系统。海绵镉经自然氧化后，用含40～70g／L H₂SO₄的溶液浸出。用KMnO氧化并加石灰水中和水解，以进一步除铁，过滤后的滤液用新鲜海绵镉置换除铜。电解滤液得电积镉，镉电积的操作与锌电积相似，但由于镉易长成树枝状结晶，所以用低电流密度（65～100A／m）电解。电解液成分（g／L）：Cd为60～150、Zn为30～40、H₂SO₄为100～160，初始温度为25～30℃。为了改善镉在阴极析出的状态，可添加动物胶。电镉在熔融烧碱覆盖下熔化并脱锌，制成镉锭、镉棒和镉粒等形状。含杂质较多的树枝状镉，可用真空蒸馏法单独处理。由于浸出和置换过程中能产生剧毒的砷化氢（AsH），其他过程中也产生含镉的有害气体，所以应有良好的通风排气等安全措施。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。

2）联合法提镉。联合法提镉的工艺流程：镉尘焙烧→脱去砷、锑等杂质→得到浸出性能良好的焙砂→稀硫酸浸出→浸出液经氧化水→解脱去铁、砷，有时还加碳酸锶（SrCO）脱铅→净化后的含镉溶液用锌粉置换得到海绵镉→加压成团→在铸铁锅中于熔融烧碱保护下，铸成粗镉锭→将粗镉加入精馏塔内精馏提纯→杂质从塔的下部渣锅中排出，精镉由塔顶镉蒸气冷凝产出，纯度在99.99％以上。镉的回收率可达99.7％。

5.危害及防治

（1）危害 镉不是人体的必需元素。镉和镉化合物在身体内过多沉积会引起中毒，有急性中毒﹑慢性中毒之分。

1）急性中毒。急性镉中毒，大多是由于在生产环境中一次吸入或摄入大量镉化物引起的。大剂量的镉是一种强的局部刺激剂，含镉气体通过呼吸道会引起呼吸道刺激症状，潜伏期短，通常经10～20min后，即可发生咽痛﹑咳嗽﹑恶心﹑气短、胸闷﹑胸痛﹑头晕﹑全身酸痛﹑无力﹑发热、呼吸困难、咯大量泡沫血色痰等症状，严重者伴有眩晕﹑大汗﹑虚脱﹑上肢感觉迟钝，甚至出现抽搐﹑休克中毒，导致中毒性肺水肿或化学性肺炎，甚至可因急性呼吸衰竭死亡。镉从消化道进入人体，则会出现呕吐、胃肠痉挛、腹疼、腹泻等症状，甚至因肝肾综合症死亡。

图9-12 铜镉渣提镉流程

2）慢性中毒。当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒。慢性中毒损害肾脏，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。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。慢性中毒，可能导致“痛痛病”，即身体积聚过量的镉，损坏肾小管功能，造成体内蛋白质从尿中流失，久而久之形成软骨症和自发性骨折。

（2）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。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，目前在急﹑慢性中毒时均不主张使用。口服氮川三乙酸（NTA）能促使镉排出（主要经粪便），从而降低在体内的蓄积，而且不损害肾脏功能。

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。我国规定的生产场所氧化镉最高容许浓度为0.1mg／m³。

镀镉器皿不能存放食品，特别是醋类等酸性食品。

镉对土壤的污染主要有气型和水型两种。气型污染主要由含镉工业废气扩散并自然沉降，蓄积于工厂周围的土壤中，可使土壤中的镉浓度达到4×10^－3％，污染范围有的可达数公里。水型污染主要是铅锌矿的选矿废水和有关工业（电镀、碱性电池等）含镉废水灌溉农田、排入地面水或渗入地下水引起的。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。在饮食方面，可多食、常食海带和紫菜等含大量碘的食物。镉在自然界中广泛存在，且多以化合态存在，含量很低，大气中含镉量一般不超过0.003μg／m³，水中不超过10μg／L，每千克土壤中不超过0.5mg，这样低的浓度不会影响人体健康。但环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，进而通过食物、水、吸烟或其他途径进入人体，当镉的浓度达到一定程度时，就会发生镉中毒。

日本农村工学研究所的研究小组称，在受到重金属镉污染的土壤中栽种植物蔓田芥，能够减少土壤中镉的含量。利用这种方法可以使大范围受到镉轻度污染的土壤得到净化，这一发现使得低成本、大范围净化被镉污染的土壤成为可能。叶芽南芥又称蔓田芥（Arabisgem-mifera），属十字花科（Aburana）多年生草本植物。这种植物在日本分布很广，原产于我国吉林省长白山地区，分布在山地等阳光充足的地方。研究小组在室外利用厚度为15cm、每千克含镉47mg的土壤来栽种这种植物。一年后土壤里的含镉量减少到每千克2.6mg。土壤被利用5次以后，土壤中的镉含量只有原来的1／5。而且，收获以后的叶芽南芥在干燥并经400～500℃高温燃烧后，其中所含的镉不会挥发，可以回收起来再利用。

冶金车间工作环境空气中含金属镉和可溶性镉尘的极限值规定为200mg／m³，氧化镉烟雾的极限值为100mg／m³。含镉大于0.5×10^－4％的废水不许排放。绝大多数淡水的含镉量低于1μg／L，海水中镉的平均溶度为0.15μg／L，正常环境状态下不会影响人体健康。环境监测中测定镉的方法，有原子吸收分光光度法、双流腙分光光度法、阳极溶出伏安法和示波极谱法等。