Cadmium: Elementeigenschaften und Verwendungen

Einführung in Cadmium

Cadmium (Ordnungszahl 48, Abkürzung Cd) ist ein weiches, bläulich-weißes Metall, das sich durch seine außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften und seine gut dokumentierte Toxizität auszeichnet. Kadmium wurde erstmals im 19. Jahrhundert isoliert und hat sich seither zu einem Schlüsselmaterial in einer Vielzahl von industriellen Prozessen entwickelt, von Batterien bis hin zu Pigmenten. Es wird in erster Linie als Nebenprodukt der Zinkverhüttung hergestellt. Die weltweite Produktion beträgt 2022 etwa 23.000 Tonnen und konzentriert sich vor allem auf Länder wie China, Südkorea und Japan. Aufgrund seiner Toxizität unterliegt Cadmium in den meisten Branchen strengen Vorschriften.

Chemische Eigenschaften von Cadmium

Cadmium neigt dazu, die Oxidationsstufe +2 (Cd²⁺) aufzuweisen, die den größten Teil seines chemischen Verhaltens abdeckt. Obwohl Cadmium im Vergleich zu anderen Übergangselementen sehr inert ist, reagiert es mit Sauerstoff, Schwefel und Halogenen zu Verbindungen wie Cadmiumoxid (CdO) und Cadmiumsulfid (CdS). Diese Verbindungen bilden die Grundlage für die Galvanotechnik, Pigmente und Halbleiter.

Zu den wichtigsten chemischen Eigenschaften gehören:

- Reaktionsbeständigkeit an der Luft bei Raumtemperatur, obwohl es durch die Bildung einer Schutzschicht langsam oxidiert wird.

- Löslichkeit in Säuren, so dass es an der Elektrochemie teilnehmen kann.

- Absorptionsfähigkeit zur Bildung leuchtender farbiger Verbindungen, insbesondere mit Schwefel und Selen, was es früher für Pigmente wertvoll machte.

Für weitere chemische Details siehe Stanford Advanced Materials (SAM).

Wichtige industrielle Anwendungen mit Beispielen und Statistiken

1. Nickel-Cadmium (Ni-Cd)-Batterien

• Ni-Cd-Batterien finden breite Anwendung in der tragbaren Elektronik, in Elektrowerkzeugen und in der Luftfahrttechnik.
• Eine typische 1,2-V-Ni-Cd-Batterie enthält etwa 5-10 % Cadmium nach Gewicht.

Obwohl sie stabil sind und Hunderten von Lade- und Entladezyklen standhalten können, haben Umweltbedenken zu einem Rückgang der Verwendung geführt. So hat die Europäische Union mit der Batterierichtlinie (2006/66/EG) die Verwendung von Ni-Cd-Batterien eingeschränkt.

2. Kunststoff-, Keramik- und Glaspigmente

• CdS erzeugt intensiv gefärbte gelbe Pigmente, während CdSe rot-orange Pigmente erzeugt.
• Fallbeispiel: CdS-Pigmente wurden in den 1990er Jahren für Kunststoffe im Bauwesen verwendet, wodurch farbechte Produkte entstehen, die über 20 Jahre lang halten, ohne zu verderben.
• RTE-Pigmente sind derzeit reguliert, der Cadmiumgehalt in Verbraucherprodukten ist in den meisten Ländern auf weniger als 0,01 % begrenzt.

3. Galvanisierung und Korrosionsbeständigkeit

Die Kadmium-Galvanisierung wird in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich wegen ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit eingesetzt, insbesondere in Meeresumgebungen.

Beispiel: Mit Kadmium beschichtete Befestigungselemente für das Militär widerstehen der Korrosion durch Salzsprühnebel über 1.000 Stunden, während verzinkte Alternativen nach 200-300 Stunden versagen.

4 Halbleiter und Fotovoltaik

• Cadmiumtellurid (CdTe) wird in Dünnschichtsolarzellen verwendet, die eine effiziente und kostengünstige Alternative zu Silizium darstellen.
• Falldaten: CdTe-Solarmodule können unter Standardtestbedingungen einen Wirkungsgrad von bis zu 22 % erreichen, bei niedrigeren Produktionskosten pro Watt als kristallines Silizium.

Umwelt- und Gesundheitsprobleme

Cadmium ist für Tiere und Menschen hochgiftig. Längere Exposition in kleinen Mengen führt zu:

-Schädigung der Nieren und Entkalkung der Knochen

Atemwegserkrankungen und Lungenkrebs (durch Einatmen von Cadmiumstaub oder -dämpfen)

-Bioakkumulation im Nahrungsnetz, insbesondere in Blattgemüse, Getreide und Schalentieren

Die Gefährdung wird durch Umwelteinflüsse verursacht:

Bei der japanischen Itai-Itai-Krankheit (1960er Jahre) verursachte mit Cadmium verunreinigter Reis bei über 200 Opfern schwere Knochen- und Nierenleiden.

- Cadmiumemissionen aus dem Bergbau und der Verhüttung sind heute streng geregelt; so begrenzt die EPA die Cadmiumkonzentration im Abwasser auf 0,005 mg/L, was zeigt, wie streng die Kontrolle sein muss, um ökologische und menschliche Schäden zu verhindern.

Aufgrund dieser Risiken geht die Industrie zu cadmiumfreien Alternativen über, z. B. Lithium-Ionen-Batterien als Ersatz für Ni-Cd-Batterien und cadmiumfreie Pigmente für Kunststoffe und Farben. In Hochleistungssolarzellen und speziellen Galvanikanwendungen ist Cadmium aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften jedoch unersetzlich.

Häufig gestellte Fragen

Wie lautet die Ordnungszahl von Cadmium?

Die Ordnungszahl von Cadmium ist 48, womit es zu den Übergangsmetallen gehört.

Wie giftig ist Cadmium?

Es ist hochgiftig; eine langfristige Exposition führt zu Schäden an Nieren, Knochen und Lungen. Um die Risiken für Mensch und Umwelt zu begrenzen, werden drastische Dosierungen festgelegt.

Was sind die wichtigsten industriellen Verwendungszwecke heute?

Ni-Cd-Batterien, Pigmente, Cadmium-Elektroplattierung und CdTe-Solarzellen sind nach wie vor wichtige Verwendungszwecke.

Wie wird Cadmium hergestellt?

Es wird hauptsächlich als Nebenprodukt der Zinkverhüttung hergestellt, in der Regel durch Rösten, Destillation und elektrolytische Verfahren.

Gibt es eine Alternative, die sicherer ist?

Ja. NiMH und Lithium-Ionen ersetzen Ni-Cd, während kadmiumfreie Pigmente die Umweltbelastung verringern. Für bestimmte Hochleistungsanwendungen wie Beschichtungen in der Luft- und Raumfahrt und CdTe-Photovoltaik wird Cadmium jedoch weiterhin benötigt.