最終更新：2025年12月16日

カドミウム (Cd, Z = 48)：ニッケル・カドミウム電池の論争の的となった金属

カドミウム原子のモデル — 画像の説明：カドミウム原子の簡略化された原子モデル。最も豊富な同位体は \(\,^{114}\mathrm{Cd}\,\) で、48個の陽子、48個の電子、66個の中性子を持ちます。
画像ソース： astronoo.com

カドミウムの発見の歴史

カドミウムは1817年、炭酸亜鉛を独立して研究していた2人の化学者によってほぼ同時に発見されました。ハノーバー王国の薬局監察官であったドイツの化学者フリードリヒ・シュトロマイヤー（1776-1835）は、加熱時に白くならず黄色くなる不純な炭酸亜鉛の試料を分析し、新しい金属を単離することに成功しました。彼はこの金属をラテン語のcadmia（炭酸亜鉛の古い名前で、ギリシャ語のkadmeiaに由来）からカドミウムと名付けました。

ほぼ同時期に、ドイツの化学者カール・サミュエル・レベレヒト・ヘルマン（1765-1846）もシレジアの亜鉛鉱石からカドミウムを発見し、フランスの化学者オーギュスト・アルマン・ド・ラ・リーヴも独立して発見しました。しかし、シュトロマイヤーが最初に結果を発表し、発見の公式な認定を受けました。

カドミウムは1世紀近く実験室での珍品として扱われてきました。20世紀初頭になってようやく産業応用が開発され、最初は顔料（カドミウムイエローとレッド）として、次に防食のための電気メッキ、そして1950年代にはニッケル・カドミウム電池に使用されるようになりました。

構造と基本的な性質

カドミウム（記号Cd、原子番号48）は、周期表の12族に属する遷移金属で、亜鉛と水銀とともに分類されます。その原子は48個の陽子、通常66個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{114}\mathrm{Cd}\)）、および電子配置[Kr] 4d¹⁰ 5s²の48個の電子を持っています。

カドミウムは、銀白色でわずかに青みがかった輝く金属で、外観は亜鉛に似ています。密度は8.65 g/cm³で、比較的重い金属です。カドミウムは室温で六方最密充填構造（hcp）で結晶化します。柔らかく、延性と展性に富み、ナイフで簡単に切断し、薄いシートに圧延することができます。

カドミウムは321 °C（594 K）で融解し、767 °C（1040 K）で沸騰します。これらの比較的低い温度は、金属加工を容易にします。カドミウムは多くの環境で優れた耐食性を持ち、特に海洋やアルカリ性の大気では亜鉛よりも優れています。この性質は歴史的に防食コーティングに利用されてきました。

カドミウムの特徴的な性質は、熱中性子に対する捕獲断面積が非常に高いこと（約2500バーン）で、優れた中性子吸収材となっています。この性質は、原子炉の制御棒で連鎖反応を調整するために利用されています。

カドミウムの融点：594 K（321 °C）。
カドミウムの沸点：1040 K（767 °C）。
カドミウムは非常に高い中性子捕獲断面積（2500バーン）を持っています。

カドミウムの同位体表

カドミウムの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
カドミウム-106 — \(\,^{106}\mathrm{Cd}\,\)	48	58	105.906459 u	≈ 1.25 %	安定	天然カドミウムの中で最も軽く、最も希少な安定同位体。
カドミウム-108 — \(\,^{108}\mathrm{Cd}\,\)	48	60	107.904184 u	≈ 0.89 %	安定	天然カドミウムの中で2番目に希少な安定同位体。
カドミウム-110 — \(\,^{110}\mathrm{Cd}\,\)	48	62	109.903002 u	≈ 12.49 %	安定	天然カドミウムの中で3番目に豊富な安定同位体。
カドミウム-111 — \(\,^{111}\mathrm{Cd}\,\)	48	63	110.904178 u	≈ 12.80 %	安定	4番目に豊富な安定同位体。核スピンを持ち、NMRで使用される。
カドミウム-112 — \(\,^{112}\mathrm{Cd}\,\)	48	64	111.902757 u	≈ 24.13 %	安定	カドミウムの中で2番目に豊富な同位体で、全体の約4分の1を占める。
カドミウム-113 — \(\,^{113}\mathrm{Cd}\,\)	48	65	112.904402 u	≈ 12.22 %	≈ 8.04 × 10¹⁵ 年	放射性（β⁻）。極めて長い半減期で、準安定とみなされる。中性子捕獲断面積の記録を持つ。
カドミウム-114 — \(\,^{114}\mathrm{Cd}\,\)	48	66	113.903358 u	≈ 28.73 %	安定	カドミウムの中で最も豊富な同位体で、全体の4分の1以上を占める。
カドミウム-116 — \(\,^{116}\mathrm{Cd}\,\)	48	68	115.904756 u	≈ 7.49 %	≈ 3.0 × 10¹⁹ 年	放射性（β⁻β⁻）。極めて遅い二重ベータ崩壊で、準安定とみなされる。

カドミウムの電子配置と電子殻

注：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

カドミウムは48個の電子を5つの電子殻に持っています。その完全な電子配置は：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s²、または簡略化すると：[Kr] 4d¹⁰ 5s²。この配置はK(2) L(8) M(18) N(18) O(2)とも書くことができます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含みます。この内殻は完全で非常に安定しています。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が配置されています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成しています。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が配置されています。この完全な殻は電子シールドに寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子が配置されています。完全な4d軌道は特に安定しています。
O殻 (n=5)：5s軌道に2個の電子を含みます。これらの2個の電子がカドミウムの価電子です。

価電子と酸化状態

カドミウムは5s²軌道に2個の価電子を持ちます。最も一般的でほぼ唯一の酸化状態は+2で、カドミウムは2個の5s電子を失い、極めて安定な[Kr] 4d¹⁰配置のCd²⁺イオンを形成します。

+2の状態はカドミウムの化学を支配し、そのすべての重要な化合物（酸化カドミウム（CdO）、塩化カドミウム（CdCl₂）、硫化カドミウム（CdS）、および無数の錯体）に現れます。+1と0の酸化状態は極めて稀で、いくつかの高度に特殊化された不安定な化合物にのみ存在します。金属カドミウムは酸化状態0に相当します。

化学的反応性

金属カドミウムは室温の乾燥空気中では比較的安定で、ゆっくりと保護的な酸化層を形成します。湿った空気や二酸化炭素の存在下ではより速く変色し、塩基性炭酸塩を形成します。高温（300 °C以上）では、カドミウムは空気中で特徴的な黄褐色の炎を上げて燃焼し、褐色の酸化カドミウムを形成します：2Cd + O₂ → 2CdO。

カドミウムは希酸とゆっくり反応し、カドミウム(II)塩を形成し水素を放出します：Cd + 2HCl → CdCl₂ + H₂。酸化性酸（例えば硝酸）にはより速く溶解します：3Cd + 8HNO₃ → 3Cd(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O。カドミウムはハロゲンとも反応し、カドミウム(II)ハロゲン化物を形成します。

硫化カドミウム（CdS）は特に重要な化合物で、水に不溶で鮮やかな黄色をしています。歴史的に芸術用塗料の顔料（カドミウムイエロー）として使用されてきました。セレン化カドミウム（CdSe）も光電子工学で半導体として太陽電池や量子ドットに使用されています。

カドミウムの毒性と危険性

カドミウムは最も有毒な重金属の一つです。生物学的な有益な役割はなく、人間、動物、植物に対して高い毒性を持ちます。カドミウムへの曝露は主に、煙や粉塵（産業、喫煙）の吸入、および汚染された食品や水の摂取によって起こります。

カドミウムは体内、特に腎臓と肝臓に蓄積し、生物学的半減期は10年から30年です。慢性的な曝露は重度で不可逆的な腎障害（腎尿細管機能障害）、骨軟化症（骨の軟化）、骨粗鬆症を引き起こします。カドミウムは国際がん研究機関（IARC）によって確実な発がん性物質と分類され、主に肺がんを引き起こします。

1950年代に日本で発見されたイタイイタイ病は、鉱山からの汚染水で灌漑された水田からの慢性的なカドミウム中毒によって引き起こされました。この病気は激しい骨の痛み、多発性骨折、腎不全を引き起こしました。この健康上の悲劇は、カドミウムの毒性に対する世界的な認識を高めました。

その毒性のため、カドミウムの使用は現在多くの国で厳しく規制されています。欧州連合はRoHS指令により、ほとんどの応用分野でのカドミウムの使用を禁止しており、実行可能な代替手段のない重要な応用分野に対してのみ例外を認めています。職業曝露の限界は極めて厳しく（8時間あたり0.01 mg/m³）設定されています。

カドミウムの産業および技術的応用

ニッケル・カドミウム（Ni-Cd）充電式電池（現在減少中、EUでは2009年から禁止）；
塗料、プラスチック、ガラスの黄色、オレンジ、赤の顔料（使用は非常に制限されている）；
航空宇宙および軍事用途の防食電気メッキ（重要な応用分野）；
原子炉の制御棒（Cd-In-Ag合金）の中性子吸収材；
太陽光発電用CdTe（カドミウムテルル化物）薄膜太陽電池；
PVCプラスチックの熱安定剤（EUでは使用禁止）；
ヒューズ、はんだ、消防安全システム用の低融点合金；
カラーブラウン管の蛍光体（赤、緑、青） - 歴史的な応用分野；
半導体放射線検出器（CdZnTe、CdTe）；
QLEDディスプレイおよびバイオメディカルイメージング用の量子ドット（CdSe量子ドット）；
高温用途向けの特殊はんだ合金。

ニッケル・カドミウム電池：技術の衰退

ニッケル・カドミウム（Ni-Cd）電池は数十年にわたり（1950-2000年）、携帯用充電式電池の主流技術でした。1899年にスウェーデンのヴァルデマル・ユングナーによって発明されたNi-Cd電池は、1980年代から1990年代にかけて電動工具、コードレス電話、おもちゃ、専門用途でピークを迎えました。

Ni-Cd電池にはいくつかの利点がありました：非常に堅牢（1000サイクルまでの充電）、低温での性能、高い放電率、および適度なコストです。しかし、メモリーエフェクト（完全放電前に再充電すると容量が低下する）、控えめなエネルギー密度（40-60 Wh/kg）、そして何よりカドミウムの毒性という欠点がありました。

1990年代にニッケル水素（Ni-MH）電池が登場し、2000年代にはリチウムイオン電池が登場したこと、および環境への懸念の高まりにより、Ni-Cd電池は急速に衰退しました。欧州連合は2009年に携帯用Ni-Cd電池を禁止し（指令2006/66/EC）、緊急医療機器、非常用照明、専門用途の工具などの重要な応用分野のみ例外として認めています。

現在、Ni-Cd電池は充電式電池市場のごく一部を占めるに過ぎず、航空、鉄道、バックアップシステムなどの一部のニッチ分野に限定されています。バッテリー用のカドミウムの世界的な需要は、1990年代のピーク時から80%以上減少しています。

天体物理学および宇宙論における役割

カドミウムは主に、漸新星分枝（AGB）星におけるsプロセス（遅い中性子捕獲）によって星で合成され、超新星や中性子星の合体時のrプロセス（速い中性子捕獲）も寄与しています。カドミウムの8つの天然同位体は、これらの異なるプロセスの寄与を反映しています。

カドミウムの宇宙存在度は、水素の原子数に対して約1.6×10⁻⁹です。この重元素に対して比較的高い存在度は、原子質量A ≈ 110-116の領域の特殊な核安定性によって説明されます。この領域には、いくつかの魔法数または準魔法数の同位体が存在します。

原始的な隕石におけるカドミウムの同位体変動は、太陽星雲の不均一性とsプロセスおよびrプロセスの相対的な寄与についての情報を提供します。一部の隕石は、カドミウムのニュートロンに富んだ同位体の異常を示し、rプロセス材料の可変な寄与を示唆しています。

中性カドミウム（Cd I）およびイオン化カドミウム（Cd II）のスペクトル線は、特定の冷たい星や巨星のスペクトルで観測されます。これらの線の分析により、カドミウムの存在度を決定し、銀河の進化に伴う化学的な豊富化を追跡することができます。

注：
カドミウムは地殻中に平均約0.15 ppmの濃度で存在し、比較的希少です。亜鉛の約1000分の1の存在量です。カドミウムは経済的に採掘可能な独自の鉱石を形成せず、常に閃亜鉛鉱（硫化亜鉛）中の亜鉛と共生し、典型的な濃度は0.1から0.5%です。

世界のカドミウム生産量は年間約25,000トンで、すべて亜鉛精製の副産物として生産されています。中国が世界生産量の約80%を占め、韓国、日本、カザフスタン、カナダが続きます。カドミウムは亜鉛の焙焼および電気分解の煙および残渣から回収されます。

1990年代以降、規制の制限とNi-Cd電池の需要減少により、カドミウムの需要は大幅に減少しています。現在の主な用途は航空宇宙および軍事用の防食コーティング（需要の約30%）、顔料（25%、減少中）、電池（20%、急速に減少）、およびCdTe太陽電池パネル（15%、成長中）です。カドミウムのリサイクルは重要で、供給量の約20%を占めています。