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• Harwin Jose Moya Vega

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ELEMENTO CADMIO UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTADER

Generalidades [1] Elemento químico relativamente raro, símbolo Cd, número atómico 48; tiene relación estrecha con el zinc, con el que se encuentra asociado en la naturaleza. Es un metal dúctil, de color blanco argentino con un ligero matiz azulado. Es más blando y maleable que el zinc, pero poco más duro que el estaño. Peso atómico de 112.40 y densidad relativa de 8.65 a 20ºC (68ºF). Su punto de fusión de 320.9ºC (610ºF) y de ebullición de 765ºC (1410ºF) son inferiores a los del zinc. Hay ocho isótopos estables en la naturaleza y se han descrito once radioisótopos inestables de tipo artificial. El cadmio es miembro del grupo IIb (zinc, cadmio y mercurio) en la tabla periódica, y presenta propiedades químicas intermedias entre las del zinc metálico en soluciones ácidas de sulfato. El cadmio es divalente en todos sus compuestos estables y su ion es incoloro.

Propiedades físicas del cadmio [2]

Masa Atómica Promedio

112.411

Punto de ebullición

765ºC (1038 K)

Coeficiente de expansión térmica

29.8 E-6

lineal/K-1 Conductividad Eléctrica

0.138 x

106

Conductividad Térmica

0.968 W/cmK

Densidad

8.65 g/cc a 300 K

Descripción Física

Metal plateado de transición blanco

Volumen

42 GPa

Rigidez

19 GPa

Entalpia de atomización

113 KJ/mol a 25ºC

Entalpia de fusión

6.19 KJ/mol

Entalpia de vaporización

100 KJ/mol

Clase de inflamabilidad

Solido no combustible (excepto como polvo)

Punto de congelación

Observar punto de fusión

Escala de dureza de Mohs

2

Escala de dureza de Brinell

203 MN m-2

Calor de Vaporización

99.67 KJ/mol

Punto de fusión

321.18 ºC (594.33 K)

Volumen molar

13.01cm3/mol

Reflectividad óptica

67%

Estado físico (a 20ºC y 1 atm)

Solido

Calor especifico

0.231 J/gK

Vapor de presión

14.8 Pa a 321.8 ºC

Propiedades químicas del Cadmio

Equivalente electroquímico

2.097 g/amp-hr

Funcion trabajo

4.22 eV

Electronegatividad

1.69(Pauling); 1.46(Allrod Rochow)

Calor de fusión

6.192 KJ/mol

Incompatibilidades

Oxidantes fuertes, Nitrato de Amonio, Acido Hidrazoico, Telurio, Zinc, Azufre elemental, Selenio.

Primer potencial de ionización

8.993

Segundo potencial de ionización

16.908

Tercer potencial de ionización

37.48

Potencial del electrón de valencia (-eV)

30

Historia EL Cadmio hizo su aparición en 1817 F. Stromeyer de Gotinga notó que un muestra de "cadmia" (ahora conocido como "calamina"), usada en una fábrica de fundición, era de color amarillo en lugar de blanco. El color no se debía al hierro, que ha demostrado estar ausente, sino zinc el cual estaba presente en el mineral encontrado. A este mineral se le llamó Calamina, (en griego / CA8 (Xgta, tierra de Cadmean, el antiguo nombre de calamina). Stromeyer observó que algunas muestras de calamina con impurezas cambiaban de color cuando se calentaban, mientras que la calamina pura no lo hacía; encontró el nuevo elemento como impureza en este compuesto de zinc. Durante unos cien años Alemania fue el principal productor de este metal. Fuentes de adquisición [3] El mineral mas común del cadmio es la greenockite

o sulfuro de cadmio (CdS),

frecuentemente encontrada en asociación con el zinc en sus principales minerales y en pequeñas cantidades con muchos otros minerales. En los principales minerales de zinc se le puede encontrar en proporciones de 0.4%. debido a esta asociación y a su volatilidad, el cadmio es concentrado durante los porcesos de calcinación y fundición de los metales en mayores proporciones y de aquí es recuperado de las calderas utilizadas durante la extracción de cobre o de zinc. Una igualmente importante fuente es el lixiviado de licorespara la producción electrolítica de zinc. Estas concentraciones en polvo y gas varian de 1% a 5%. Anualmente la producción mundial en los últimos años ha alcanzado las 19000

toneladas de las cuales U.S.A contribuye en el 48%, Mexico 15%, Canada 10%. El reino Unido produce cerca de 250 toneladas por año.

Extraccion del Zinc y del polvo de Plomo El proceso emplea lixiviación con ácido sulfúrico diluido, en el que el cadmio es soluble, la purificación mediante la lixiviación del licor es seguida por la precipitación de los metales con polvo de zinc y finalmente se purifica por autoclave. Los métodos de operación varían de acuerdo con el tipo particular de impureza en la materia prima, pero la secuencia general de recuperación está bien establecida. Tratamiento mediante sulfonación. El humo y el polvo se agitan en los tanques revestidos de plomo con ácido sulfúrico diluido luego se lleva a ebullición controlada de vapor, el propósito del tratamiento es el efecto de la solución de cadmio (y zinc), y para precipitar el sulfato de plomo como insoluble. Como el exceso de acido debe ser posteriormente neutralizado con polvo de zinc, las proporciones de humo y y acido deben ser ajustadas al final de modo que la acides final sea aproximadamente de 1%. Después de hervir durante cinco horas el contenido del tanque se deja reposar; el líquido claro se decanta de los lodos de plomo en donde es insoluble. Después de varios lavados de agua, el sulfato de plomo se bombea, deshidratando, y se envían a las fundiciones de plomo para la recuperación de su contenido de plomo. Purificación Los pasos de purificación varian de acuerdo al tipo de impurezas que vayan a ser eliminadas. Una impureza común es arsénico (As), la eliminación se realiza mediante las oxidaciones sucecivas y el contro del pH, usando sulfato ferrico, clorato de sodio, y permanganato de potasio con un valor de pH de aproximadamente 5·3. La neutralización del licor de acido sulfúrico con polvo de zinc ayuda a precipitar el estaño, cobre, algo de cadmio, un poco de plomo residual y tambien algunos metales raros como el galio, indio, y germanio. El precipitado es tratado para remover el cadmio y subsecuentemente recuperado de los metales raros. Precipitación El licor purificado es pasado a un tanque de agitación y la acides se ajusta a 4-5g de acido sulfúrico por litro, el polvo de zinc es incluido en la solución en la proporción de 0·6 por libra de cadmio. La solución debe mantenerse acida para evitar la precipitación de las sales de sulfato básicas. El zinc desplaza el cadmio de la solución con la precipitación de esponjas de cadmio.

Luego del lavado acuoso, las esponjas son recolectadas y puestas bajo agua para evitar la oxidación. Para la “des-hidratacion” y fácil manejo, las esponjas de cadmio son puestas en unos bloques solidos en pequeños discos para la compresión hidráulica. Una modificación en el procedimiento de la precipitación, es el uso de placas metalicas de zinc, en lugar de polvo. Las placas de zinc son contenidas en un tromel que se revuelve parcialmente en el tanque de precipitación. Recuperación del metal y refinamiento Preliminarmente se procede a la recuperación cargando las esponjas de metal, en un horno a baja temperatura. Los productos de la fusión son unas puntillas causticas y metal crudo que recolectamos del horno, periódicamente colando esto y fundiéndolo fuera de este. En este punto el metal ensayado es 90-95 % cadmio. En el refinamiento, la ventaja es tomada gracias a la volatilidad del cadmio, el metal crudo es cargado en una replica de grafito a una temperatura cercana a los 1000ºC. el cadmio se destila en un condensador de hierro fundido, donde es posicionado en moldes. Una carga de 5000 – 7000 libras toman de 16 – 20 horas de trabajo. El cadmio recuperado de esta operación es ordinariamente de calidad de venta, para manufacturas, donde es redestilado usando baras de hierro fundidas usando cloruro de amonio como protector a temperaturas cercanas al punto de fusión (321ºC)

Fig 1. Diagrama de flujo para el cadmio.

Aplicación histórica [4] En el pasado, un uso comercial importante del cadmio fue como cubierta electrodepositada sobre hierro o acero para protegerlos contra la corrosión. La segunda aplicación es en baterías de níquel-cadmio y la tercera como reactivo químico y pigmento. Se recurre a cantidades apreciables en aleaciones de bajo punto de fusión semejantes a las del metal de Wood, en rociadoras automáticas contra el fuego y en cantidad menor, en aleaciones de latón (laton), soldaduras y cojinetes. Los compuestos de cadmio se emplean como estabilizadores de plásticos y en la producción de cadmio fosforado. Por su gran capacidad de absorber neutrones, en especial el isótopo 113, se usa en barras de control y recubrimiento de reactores nucleares.

Estructura cristalina del elemento sólido [5] Estructura: Empaquetamiento hexagonal compacto Estructura cristalina: hexagonal Dimensiones de la celda unidad / pm: a=297.94, c=561.86 Grupo espacial: P63/mmc

Efectos sobre la salud [6] La toma por los humanos de Cadmio tiene lugar mayormente a través de la comida. Los alimentos que son ricos en Cadmio pueden en gran medida incrementar la concentración de Cadmio en los humanos. Ejemplos son patés, champiñones, mariscos, mejillones, cacao y algas secas. Una exposición a niveles significativamente altas ocurren cuando la gente fuma. El humo del tabaco transporta el Cadmio a los pulmones. La sangre transportará el Cadmio al resto del cuerpo donde puede incrementar los efectos por potenciación del Cadmio que está ya presente por comer comida rico en Cadmio. Otra alta exposición puede ocurrir con gente que vive cerca de los vertederos de residuos peligrosos o fábricas que liberan Cadmio en el aire y gente que trabaja en las industrias de refinerías del metal. Cuando la gente respira el Cadmio este puede dañar severamente los pulmones. Esto puede incluso causar la muerte. El Cadmio primero es transportado hacia el hígado por la sangre. Allí es unido a proteínas para formar complejos que son transportados hacia los riñones. El Cadmio se acumula en los riñones, donde causa un daño en el mecanismo de filtración. Esto causa la excreción de proteínas esenciales y azúcares del cuerpo y el consecuente daño de los riñones. Lleva bastante tiempo antes de que el Cadmio que ha sido acumulado en los riñones sea excretado del cuerpo humano. Otros efectos sobre la salud que pueden ser causados por el Cadmio son: •

Diarréas, dolor de estómago y vómitos severos

•

Fractura de huesos

•

Fallos en la reproducción y posibilidad incluso de infertilidad

•

Daño al sistema nervioso central

•

Daño al sistema inmune

•

Desordenes psicológicos

•

Posible daño en el ADN o desarrollo de cáncer.

Efectos sobre el medio ambiente [7] De forma natural grandes cantidades de Cadmio son liberadas al ambiente, sobre 25.000 toneladas al año. La mitad de este Cadmio es liberado en los ríos a través de la descomposición de rocas y algún Cadmio es liberado al aire a través de fuegos forestales y volcanes. El resto del Cadmio es liberado por las actividades humanas, como es la manufacturación. Las aguas residuales con Cadmio procedentes de las industrias mayoritariamente terminan en suelos. Las causas de estas corrientes de residuos son por ejemplo la producción de Zinc, minerales de fosfato y las bioindustrias del estiércol. El Cadmio de las corrientes residuales puede también entrar en el aire a través de la quema de residuos urbanos y de la quema de combustibles fósiles. Debido a las regulaciones sólo una pequeña cantidad de Cadmio entra ahora en el agua a través del vertido de aguas residuales de casas o industrias. Otra fuente importante de emisión de Cadmio es la producción de fertilizantes fosfatados artificiales. Parte del Cadmio terminará en el suelo después de que el fertilizante es aplicado en las granjas y el resto del Cadmio terminará en las aguas superficiales cuando los residuos del fertilizante es vertido por las compañías productoras. El Cadmio puede ser transportado a grandes distancias cuando es absorbido por el lodo. Este lodo rico en Cadmio puede contaminar las aguas superficiales y los suelos. El Cadmio es fuertemente adsorbido por la materia orgánica del suelo. Cuando el Cadmio está presente en el suelo este puede ser extremadamente peligroso, y la toma a través de la comida puede incrementar. Los suelo que son ácidos aumentan la toma de Cadmio por las plantas. Esto es un daño potencial para los animales que dependen de las plantas para sobrevivir. El Cadmio puede acumularse en sus cuerpos, especialmente cuando estos comen muchas plantas diferentes. Las vacas pueden tener

grandes

cantidades

de

Cadmio

en

sus

riñones

debido

a

esto.

Las lombrices y otros animales esenciales para el suelo son extremadamente sensibles al envenenamiento por Cadmio. Pueden morir a muy bajas concentraciones y esto tiene consecuencias en la estructura del suelo. Cuando las concentraciones de Cadmio en el suelo son altas esto puede influir en los procesos del suelo de microorganismos y amenazar a todo el ecosistema del suelo.

En ecosistemas acuáticos el Cadmio puede bioacumularse en mejillones, ostras, gambas, langostas y peces. La susceptibilidad al Cadmio puede variar ampliamente entre organismos acuáticos. Organismos de agua salada se sabe que son más resistentes al envenenamiento por Cadmio que organismos de agua dulce. Animales que comen o beben Cadmio algunas veces tienen la presión sanguínea alta, daños del hígado y daños en nervios y el cerebro.

MINERALES DE CADMIO [8]

• Greenockita

Aspecto Muy raras veces cristalizada y cuando lo está, en cristales de color amarillo miel con evidente simetría hexagonal. Las mayoría de las veces, se la observa en agregados pulverulentos de color amarillo intenso. Propiedades físicas y químicas Los cristales son frágiles, con dureza 3 - 3,5 y densidad 4,9. Este mineral es soluble en ácido nítrico; presenta diversas exfoliaciones.

Lugar de formación, extracción y uso Los cristales son, en general, típicos de rocas basálticas, asociados a zeolitas; las pátinas están presentes en cualquier yacimiento de cinc, sobre la blenda parcialmente alterada. Se localizan yacimientos importantes en Greenock (Escocia), Llallagua (Bolivia), Nueva Jersey, Missouri, Arkansas, Illinois y Kentucky(EEUU). En España podemos encontrarlo abundante tiñiendo a la smithsonita en los Picos de Europa (Asturias).

Se extrae para su uso como mena de cadmio, que se emplea en la industria en aleaciones con otros metales, a las que dota de propiedades anticorrosivas. Al ser un mineral que contiene cadmio su manipulación es peligrosa por ser dañino para la salud -siempre hay que lavarse las manos después de tocarlo-. Se debe evitar la inhalación del polvo cuando se fractura. Nunca lamer o ingerir. Limpieza y conservación No presenta problemas. La greenockita es un sulfuro de cadmio (Cd S), con estructura de cristales iguales a la de la wurtzita. Los cristales de greenockita son todavía un poco más toscos y, en general, menos afilados que los de la otra especie; no faltan, sin embargo, raros ejemplares de cristales maclados. La greenockita representa un clásico ejemplo de especie considerada como común, mientras que en realidad, los ejemplares determinados con toda seguridad son muy escasos. Las muestras más importantes de este mineral presentes en las colecciones están formadas por pátinas terrosas que cubren las fracturas de las masas de blenda, parcialmente alteradas por obra de agentes atmosféricos; raras veces se obtienen datos precisos respecto a su estructura. El color es amarillo muy intenso, y, de hecho, la composición química de tales pátinas no está lejana a la de aquel famoso amarillo cadmio utilizado en la pintura. Sin embargo, no siempre se puede decir que estas incrustaciones sean verdaderamente greenockita: en parte, de hecho, pueden estar constituidas por formas cúbicas (hawleyita) y es necesario, por tanto, una determinación exacta con los rayos X. Los verdaderos cristales de greenockita son, por el contrario, muy poco frecuentes y no se pueden encontrar en los yacimientos minerales, sino entre las cavidades de rocas porfídicas o basálticas, estando asociadas en ellas a zeolitas, prehenita y calcita. Los magníficos cristales escoceses Los mejores cristales se encontraron en 1840 en Escocia, precisamente excavando en una galería del ferrocarril en Bishopton, en Renfrewshire; algunos de ellos superaban el centímetro de diámetro y eran magníficos desde todos los puntos de vista: por la nitidez de las caras, el color (amarillo intenso) y su brillo. En tiempos más recientes se ha encontrado algún raro y magnífico cristal en Paterson, en New Jersey, siempre asociado a zeolitas. En Lallagua, en Bolivia, y en Sibaevsk, en la Unión Soviética, se tiene noticia de pequeños cristales rosáceos de greenockita asociados a minerales metálicos. Por lo que respecta a la variedad más común, es decir, la pulverulenta, basta con recordar las localidades atadas para la blenda.

Categoría

Mineral

Clase

Sulfuros - II / C

Fórmula química

CdS

Sistema Cristalino

Hexagonal

Clase (H-M)

6mm – Piramidal Dihexagonal

Grupo espacial

P63mc

Parametros de celda

a = 4.136Å, c = 6.713Å

Radio

a:c = 1 : 1.623

Volumen de Celda Unidad

V 99.45 ų

Z

2

Morfologia

Cristales piramidales hemimorficos (Revestimiento terroso)

Color

Amarillo a rojo anaranjado

Raya

Rojo naranja

Lustre

Adamantino a resinoso

Transparencia

Transparente a translúcido

Sistema cristalino

Hexagonal, dipiramidal

Hábito cristalino

Normalmente con aspecto de polvo

Fractura

Concoidal

Dureza

3 a 3,5 (escala de Mohs)

Tenacidad

Frágil

Densidad

4,9 g/cm3

Pleocroísmo

Débil

Propiedades ópticas

Uniáxico +

Punto de fusión

Infusible

Solubilidad

En ácido clorhídrico

Atlas de la greenockita

METODOS EXTRACTIVOS DE LOS MINERALES DE ZINC Por que como los de cadmio se obtienen como subproductos de la extracción del zinc. SEMICONDUCTORES Los semiconductores son materiales cuya conductancia eléctrica puede ser controlada de forma permanente o dinámica variando su estado desde conductor a aislante. Debido a su uso en dispositivos tales como los transistores (y por tanto en computadoras) y en los láseres, la búsqueda de nuevos materiales semiconductores y la mejora de los materiales existentes es un importante campo de estudio en la ciencia de materiales. •

Seleniuro de Cadmio

Fórmula molecular

CdSe

Peso molecular

191,37 g / mol

Apariencia

Verde-marrón o polvo de color rojo oscuro

Densidad

5,816 g / cm 3, sólido

Punto de fusión

1268 ° C (1541 K)

Solubilidad en agua

Insoluble

Banda prohibida

1.74 eV ( directo )

Índice de refracción(n D)

2.5 Estructura

Estructura cristalina

Wurtzita

Grupo espacio

C 6v 4 - P 6 3 mc

Coordinación

Tetraédrica

geometría

El seleniuro de cadmio ( CdSe ) es un compuesto binario sólido de cadmio y selenio . Los nombres comunes de este compuesto son el cadmio (II) seleniuro, seleniuro de cadmio, y cadmoselite (un mineral muy raro).

EL seleniuro de cadmio es un material semiconductor, aun no se han encontrado muchas aplicaciones en la industria manufacturera. Este material es transparente a los rayos infrarrojos (IR), luz, y ha tenido un uso limitado en las ventanas de los instrumentos que utiliza la luz infrarroja. Muchas investigaciones actuales sobre seleniuro de cadmio se han centrado en las nano partículas. Los investigadores se están concentrando en el desarrollo de síntesis controlada de nano partículas CdSe. Además de la síntesis, los científicos están trabajando para entender las propiedades de seleniuro de cadmio, así como la aplicación de estos materiales de manera útil. •

Estructura

Se conocen tres formas cristalinas del CdSe: wurtzita (hexagonal), esfalerita (cúbicos) y sal gema (cúbicos). La estructura de CdSe esfalerita es inestable y se convierte en la forma wurtzita después del calentamiento moderado. La transición se inicia a unos 130 ° C, ya 700 ° C La estructura de la roca de sal sólo se observa a alta presión. Producción La producción de seleniuro de cadmio se ha realizado de dos maneras diferentes. La preparación de CdSe cristalino a granel se realiza por la alta presión vertical Bridgman método o de alta presión vertical de zona de fusión. El seleniuro de cadmio también puede ser producido en forma de nanopartículas. Existen varios métodos para la producción de nanopartículas CdSe se han desarrollado: la precipitación en solución, la síntesis de los medios de comunicación estructurada, la pirolisis de alta temperatura, sonoquímica, y los métodos radio líticos son sólo algunos. La producción de seleniuro de cadmio por la precipitación detenidos en la solución se lleva a cabo mediante la introducción de alkylcadmium y seleniuro trioctylphosphine (TOPSe) precursores en un bajo condiciones controladas de disolvente se calienta.

Me 2 Cd + TOPSe → CdSe + (subproductos).

Síntesis en ambientes estructurados se refiere a la producción de seleniuro de cadmio en los de cristal líquido o surfactante soluciones. La adición de surfactantes a las

soluciones a menudo resulta en un cambio de fase en la solución líder de una cristalinidad líquida. Un cristal líquido es similar a un cristal sólido en que la solución tiene orden traslacional de largo alcance. Ejemplos de este orden son capas de hojas alternas de solución y el surfactante, las micelas, o incluso un arreglo hexagonal de barras. Las altas temperaturas de síntesis de pirólisis se realiza generalmente mediante un aerosol que contiene una mezcla volátil de cadmio y selenio precursores. Los precursores de aerosoles es llevado a través de un horno con un gas inerte, como hidrógeno, nitrógeno o argón .En el horno de los precursores reaccionan para formar CdSe, así como varios subproductos. •

Aplicaciones

Un representante y patrón de fotografías de fotoluminiscencia de coloidal CdSe puntos cuánticos excitado por la luz UV. EL seleniuro de cadmio en su wurtzita (estructura cristalina) es un importante semiconductor II-VI .En un semiconductor tipo n. El uso de CdSe también se está desarrollando

en

dispositivos

electrónicos,

optoelectrónicos,

diodos

láser,

nanosensing, y la proyección de imagen biomédica. También se están probando en la creación de celdas solares. Puesto que las nanopartículas CdSe tienen un tamaño dependiente de la fluorescencia del espectro, encontradas para aplicaciones de dispositivos ópticos tales como los diodos láser . El uso de estas partículas, los ingenieros son capaces de fabricar diodos láser que cubren una gran parte del espectro electromagnético.

Bibliografía. [1] http://www.lenntech.es/periodica/elementos/cd.htm#ixzz1D79fv5q4

[2] http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Cd.html#Chemical [3] W.H. DENNIS, Metallurgy Of the Non.Ferreous Metals, Edition Sir Isaac Pitman and Sons LTD. Second edition, Great Britain 1961. Pags 505-508. [4] N. N. GREENWOOD and A. EARNSHAW, Chemistry of the elements, Edition Butterworth-Heinemann, United Kingdom, 1984, pag 1201-1202 [5], [6] http://environmentalchemistry.com/yogi/periodic/Cd.html [7] http://www.articlesbase.com/environment-articles/environmental-impact-and-healtheffects-of-cadmium-560400.html [8] http://www.mindat.org/min-1746.html