Cadmium wurde im Jahr 1817 fast gleichzeitig von zwei Chemikern entdeckt, die unabhängig an Zinkcarbonat arbeiteten. Der deutsche Chemiker Friedrich Stromeyer (1776-1835), Apothekeninspektor im Königreich Hannover, analysierte verunreinigte Zinkcarbonatproben, die sich beim Erhitzen gelb statt wie erwartet weiß verfärbten. Er gelang es, ein neues Metall zu isolieren, das er Cadmium nannte, abgeleitet vom lateinischen cadmia, dem alten Namen für Galmei (Zinkcarbonat), das wiederum vom griechischen kadmeia stammt.
Fast gleichzeitig entdeckte auch der deutsche Chemiker Karl Samuel Leberecht Hermann (1765-1846) Cadmium in Zinkerzen aus Schlesien, und der französische Chemiker Auguste-Armand de la Rive identifizierte es unabhängig kurz darauf. Stromeyer veröffentlichte jedoch als Erster seine Ergebnisse und erhielt die offizielle Anerkennung für die Entdeckung.
Cadmium blieb fast ein Jahrhundert lang eine Laboratoriumskuriosität. Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden seine industriellen Anwendungen entwickelt, zunächst als Pigment (Cadmiumgelb und -rot), dann für elektrolytische Korrosionsschutzüberzüge und schließlich in Nickel-Cadmium-Batterien in den 1950er Jahren.
Cadmium (Symbol Cd, Ordnungszahl 48) ist ein Übergangsmetall der Gruppe 12 des Periodensystems, zusammen mit Zink und Quecksilber. Sein Atom hat 48 Protonen, in der Regel 66 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{114}\mathrm{Cd}\)) und 48 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Kr] 4d¹⁰ 5s².
Cadmium ist ein glänzendes, silbrig-weißes Metall mit einem leichten bläulichen Schimmer, das im Aussehen Zink ähnelt. Es hat eine Dichte von 8,65 g/cm³, was es mäßig schwer macht. Cadmium kristallisiert bei Raumtemperatur in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (hdp). Es ist weich, dehnbar und formbar und kann leicht mit einem Messer geschnitten und zu dünnen Folien gewalzt werden.
Cadmium schmilzt bei 321 °C (594 K) und siedet bei 767 °C (1040 K). Diese relativ niedrigen Temperaturen erleichtern seine metallurgische Verarbeitung. Cadmium besitzt eine bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit in vielen Umgebungen, die sogar die von Zink in bestimmten Bedingungen (marine und alkalische Atmosphären) übertrifft. Diese Eigenschaft wurde historisch für Schutzüberzüge genutzt.
Eine einzigartige Eigenschaft von Cadmium ist sein außergewöhnlich hoher Neutroneneinfangquerschnitt (etwa 2500 Barn für thermische Neutronen), was es zu einem hervorragenden Neutronenabsorber macht. Diese Eigenschaft wird in den Steuerstäben von Kernreaktoren genutzt, um die Kettenreaktion zu regulieren.
Schmelzpunkt von Cadmium: 594 K (321 °C).
Siedepunkt von Cadmium: 1040 K (767 °C).
Cadmium hat einen sehr hohen Neutroneneinfangquerschnitt (2500 Barn).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cadmium-106 — \(\,^{106}\mathrm{Cd}\,\) | 48 | 58 | 105,906459 u | ≈ 1,25 % | Stabil | Leichtestes und seltenstes stabiles Isotop von natürlichem Cadmium. |
| Cadmium-108 — \(\,^{108}\mathrm{Cd}\,\) | 48 | 60 | 107,904184 u | ≈ 0,89 % | Stabil | Zweit seltenstes stabiles Isotop von natürlichem Cadmium. |
| Cadmium-110 — \(\,^{110}\mathrm{Cd}\,\) | 48 | 62 | 109,903002 u | ≈ 12,49 % | Stabil | Dritthäufigstes stabiles Isotop von natürlichem Cadmium. |
| Cadmium-111 — \(\,^{111}\mathrm{Cd}\,\) | 48 | 63 | 110,904178 u | ≈ 12,80 % | Stabil | Vierthäufigstes stabiles Isotop. Besitzt einen Kernspin, der in der NMR genutzt wird. |
| Cadmium-112 — \(\,^{112}\mathrm{Cd}\,\) | 48 | 64 | 111,902757 u | ≈ 24,13 % | Stabil | Zweithäufigstes Isotop von Cadmium, macht fast ein Viertel des Gesamtvorkommens aus. |
| Cadmium-113 — \(\,^{113}\mathrm{Cd}\,\) | 48 | 65 | 112,904402 u | ≈ 12,22 % | ≈ 8,04 × 10¹⁵ Jahre | Radioaktiv (β⁻). Extrem lange Halbwertszeit, gilt als quasi-stabil. Rekord-Neutroneneinfangquerschnitt. |
| Cadmium-114 — \(\,^{114}\mathrm{Cd}\,\) | 48 | 66 | 113,903358 u | ≈ 28,73 % | Stabil | Häufigstes Isotop von Cadmium, macht mehr als ein Viertel des Gesamtvorkommens aus. |
| Cadmium-116 — \(\,^{116}\mathrm{Cd}\,\) | 48 | 68 | 115,904756 u | ≈ 7,49 % | ≈ 3,0 × 10¹⁹ Jahre | Radioaktiv (β⁻β⁻). Extrem langsamer doppelter Betazerfall, gilt als quasi-stabil. |
Hinweis :
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Cadmium hat 48 Elektronen, die auf fünf Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration ist: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s², oder vereinfacht: [Kr] 4d¹⁰ 5s². Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(18) O(2).
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt auf 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur elektronischen Abschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Die vollständige 4d-Unterschale ist besonders stabil.
O-Schale (n=5): enthält 2 Elektronen in der 5s-Unterschale. Diese beiden Elektronen sind die Valenzelektronen von Cadmium.
Cadmium hat 2 Valenzelektronen in seiner 5s²-Unterschale. Der mit Abstand häufigste und praktisch ausschließliche Oxidationszustand ist +2, bei dem Cadmium seine beiden 5s-Elektronen verliert, um das Cd²⁺-Ion mit der Konfiguration [Kr] 4d¹⁰ zu bilden, die extrem stabil ist mit der vollständigen d-Unterschale.
Der +2-Zustand dominiert absolut die Chemie des Cadmiums und tritt in allen seinen wichtigen Verbindungen auf: Cadmiumoxid (CdO), Cadmiumchlorid (CdCl₂), Cadmiumsulfid (CdS) und unzählige Koordinationskomplexe. Die Oxidationszustände +1 und 0 sind extrem selten und existieren nur in einigen hochspezialisierten und instabilen Verbindungen. Metallisches Cadmium entspricht dem Oxidationszustand 0.
Metallisches Cadmium ist bei Raumtemperatur in trockener Luft relativ stabil und bildet langsam eine schützende Oxidschicht. In feuchter Luft oder in Gegenwart von Kohlendioxid läuft es schneller an und bildet ein basisches Carbonat. Bei hohen Temperaturen (über 300 °C) verbrennt Cadmium in der Luft mit einer charakteristischen gelb-braunen Flamme und bildet braunes Cadmiumoxid: 2Cd + O₂ → 2CdO.
Cadmium reagiert langsam mit verdünnten Säuren unter Bildung von Cadmium(II)-Salzen und Freisetzung von Wasserstoff: Cd + 2HCl → CdCl₂ + H₂. Es löst sich schneller in oxidierenden Säuren wie Salpetersäure: 3Cd + 8HNO₃ → 3Cd(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O. Cadmium reagiert auch mit Halogenen unter Bildung von Cadmium(II)-Halogeniden.
Cadmiumsulfid (CdS) ist eine besonders wichtige Verbindung, die in Wasser unlöslich ist und eine leuchtend gelbe Farbe hat. Es wurde historisch als Pigment (Cadmiumgelb) in Künstlerfarben verwendet. Cadmiumselenid (CdSe) ist ebenfalls in der Optoelektronik als Halbleiter für Solarzellen und Quantenpunkte wichtig.
Cadmium ist eines der giftigsten Schwermetalle. Es hat keine bekannte biologische Funktion und ist für Menschen, Tiere und Pflanzen hochgiftig. Die Exposition gegenüber Cadmium erfolgt hauptsächlich durch Einatmen von Dämpfen und Staub (Industrie, Rauchen) und durch Aufnahme (kontaminierte Lebensmittel, Wasser).
Cadmium reichert sich im Körper an, hauptsächlich in den Nieren und der Leber, mit einer biologischen Halbwertszeit von 10 bis 30 Jahren. Chronische Exposition verursacht schwere und irreversible Nierenschäden (renale Tubulusdysfunktion), Osteomalazie (Knochenerweichung) und Osteoporose. Cadmium wird von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) als definitiv krebserregend eingestuft und verursacht hauptsächlich Lungenkrebs.
Die Itai-Itai-Krankheit in Japan, die in den 1950er Jahren entdeckt wurde, wurde durch chronische Cadmiumvergiftung verursacht, die von Reisfeldern ausging, die mit durch Bergwerke kontaminiertem Wasser bewässert wurden. Diese Krankheit verursachte unerträgliche Knochenschmerzen, multiple Frakturen und Nierenversagen. Diese gesundheitliche Tragödie führte zu einem weltweiten Bewusstsein für die Toxizität von Cadmium.
Aufgrund seiner Toxizität ist die Verwendung von Cadmium heute in vielen Ländern streng reguliert. Die Europäische Union hat Cadmium in den meisten Anwendungen verboten (RoHS-Richtlinien), mit einigen Ausnahmen für kritische Anwendungen ohne lebensfähige Alternativen. Die berufliche Expositionsgrenze ist extrem streng (0,01 mg/m³ über 8 Stunden).
Nickel-Cadmium-(Ni-Cd-)Batterien waren jahrzehntelang (1950-2000) die dominierende Technologie für wiederaufladbare tragbare Batterien. Erfunden 1899 vom Schweden Waldemar Jungner, erreichten sie in den 1980er- und 1990er-Jahren ihren Höhepunkt für Elektrowerkzeuge, schnurlose Telefone, Spielzeug und professionelle Anwendungen.
Ni-Cd-Batterien hatten mehrere Vorteile: außergewöhnliche Robustheit (bis zu 1000 Ladezyklen), Leistung bei niedrigen Temperaturen, hohe Entladeraten und moderate Kosten. Sie litten jedoch unter dem Memory-Effekt (Kapazitätsverlust bei Wiederaufladung vor vollständiger Entladung), bescheidener Energiedichte (40-60 Wh/kg) und vor allem der Toxizität von Cadmium.
Das Aufkommen von Nickel-Metallhydrid-(Ni-MH-)Batterien in den 1990er-Jahren, gefolgt von Lithium-Ionen-Batterien in den 2000er-Jahren, kombiniert mit wachsenden Umweltbedenken, führte zum raschen Niedergang der Ni-Cd-Batterien. Die Europäische Union verbot tragbare Ni-Cd-Batterien 2009 (Richtlinie 2006/66/EG), mit Ausnahmen für kritische Anwendungen (Notfallmedizingeräte, Notbeleuchtung, professionelle Werkzeuge).
Heute machen Ni-Cd-Batterien nur noch einen winzigen Teil des Marktes für wiederaufladbare Batterien aus und sind auf einige Nischen beschränkt (Luftfahrt, Eisenbahn, Backupsysteme). Die weltweite Nachfrage nach Cadmium für Batterien ist seit ihrem Höhepunkt in den 1990er-Jahren um mehr als 80 % gesunken.
Cadmium wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) synthetisiert, mit Beiträgen des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) während Supernovae und Neutronensternverschmelzungen. Die acht natürlichen Isotope von Cadmium spiegeln die Beiträge dieser verschiedenen Prozesse wider.
Die kosmische Häufigkeit von Cadmium beträgt etwa 1,6×10⁻⁹ Mal die von Wasserstoff in der Atomzahl. Diese relativ hohe Häufigkeit für ein schweres Element erklärt sich durch die besondere nukleare Stabilität der Massenregion A ≈ 110-116, in der mehrere magische oder halb-magische Isotope existieren.
Isotopenvariationen von Cadmium in primitiven Meteoriten liefern Informationen über die Heterogenität der solaren Nebelwolke und die relativen Beiträge der s- und r-Prozesse. Einige Meteoriten zeigen Anomalien in neutronenreichen Cadmiumisotopen, was auf variable Beiträge von r-Prozessmaterialien hindeutet.
Spektrallinien von neutralem Cadmium (Cd I) und ionisiertem Cadmium (Cd II) sind in den Spektren bestimmter kühler Sterne und Riesensterne beobachtbar. Die Analyse dieser Linien ermöglicht die Bestimmung der Cadmiumhäufigkeit und die Verfolgung der chemischen Anreicherung von Galaxien im Laufe ihrer Entwicklung.
Hinweis :
Cadmium ist in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 0,15 ppm vorhanden, was es relativ selten macht, etwa 1000 Mal seltener als Zink. Cadmium bildet keine eigenen wirtschaftlich abbaubaren Erze, sondern ist immer mit Zink in Sphaleriterzen (Zinksulfid) assoziiert, mit typischen Konzentrationen von 0,1 bis 0,5 % Cadmium.
Die weltweite Cadmiumproduktion beträgt etwa 25.000 Tonnen pro Jahr, vollständig als Nebenprodukt der Zinkraffination. China dominiert die Produktion mit etwa 80 % des weltweiten Gesamtvolumens, gefolgt von Südkorea, Japan, Kasachstan und Kanada. Cadmium wird aus den Rauchgasen und Rückständen des Zinkröstens und der Zinkelektrolyse zurückgewonnen.
Die Nachfrage nach Cadmium ist seit den 1990er-Jahren aufgrund regulatorischer Beschränkungen und des Rückgangs von Ni-Cd-Batterien deutlich gesunken. Die Hauptanwendung ist heute der Korrosionsschutz für die Luft- und Raumfahrt sowie für militärische Zwecke (etwa 30 % der Nachfrage), gefolgt von Pigmenten (25 %, rückläufig), Batterien (20 %, stark rückläufig) und CdTe-Solarpaneelen (15 %, wachsend). Das Cadmiumrecycling ist wichtig und macht etwa 20 % des Angebots aus.
