كادميوم

إنديوم → كادميوم ← فضة Zn ↑ Cd ↓ Hg 48Cd
المظهر
رمادي فلزي
الخواص العامة
الاسم، العدد، الرمز	كادميوم، 48، Cd
تصنيف العنصر	فلز انتقالي
المجموعة، الدورة، المستوى الفرعي	12، 5، d
الكتلة الذرية	112.411 غ·مول−1
توزيع إلكتروني	Kr]; 5s2 4d10]
توزيع الإلكترونات لكل غلاف تكافؤ	2, 8, 18, 18, 2 (صورة)
الخواص الفيزيائية
الطور	صلب
الكثافة (عند درجة حرارة الغرفة)	8.65 غ·سم−3
كثافة السائل عند نقطة الانصهار	7.996 غ·سم−3
نقطة الانصهار	594.22 ك، 321.07 °س، 609.93 °ف
نقطة الغليان	1040 ك، 767 °س، 1413 °ف
حرارة الانصهار	6.21 كيلوجول·مول−1
حرارة التبخر	99.87 كيلوجول·مول−1
السعة الحرارية (عند 25 °س)	26.020 جول·مول−1·كلفن−1
ضغط البخار
ض (باسكال) 1 10 100 1 كيلو 10 كيلو 100 كيلو عند د.ح. (كلفن) 530 583 654 745 867 1040
الخواص الذرية
أرقام الأكسدة	2, 1 (أكاسيده قاعدية ضعيفة)
الكهرسلبية	1.69 (مقياس باولنغ)
طاقات التأين	الأول: 867.8 كيلوجول·مول−1
	الثاني: 1631.4 كيلوجول·مول−1
	الثالث: 3616 كيلوجول·مول−1
نصف قطر ذري	151 بيكومتر
نصف قطر تساهمي	9±144 بيكومتر
نصف قطر فان دير فالس	158 بيكومتر
خواص أخرى
البنية البلورية	نظام بلوري سداسي
المغناطيسية	مغناطيسية معاكسة
مقاومة كهربائية	(22 °C) 72.7 نانوأوم·متر
الناقلية الحرارية	96.6 واط·متر−1·كلفن−1 (300 كلفن)
التمدد الحراري	30.8 ميكرومتر·متر−1·كلفن−1 (25 °س)
سرعة الصوت (سلك رفيع)	2310 متر/ثانية (20 °س)
معامل يونغ	50 غيغاباسكال
معامل القص	19 غيغاباسكال
معامل الحجم	42 غيغاباسكال
نسبة بواسون	0.30
صلادة موس	2.0
صلادة برينل	203 ميغاباسكال
رقم CAS	7440-43-9
النظائر الأكثر ثباتاً
المقالة الرئيسية: نظائر الكادميوم
النظائر الوفرة الطبيعية عمر النصف نمط الاضمحلال طاقة الاضمحلال MeV ناتج الاضمحلال 106Cd 1.25% >9.5×1017 سنة εε2ν - 106Pd 107Cd مصطنع 6.5 ساعة ε 1.417 107Ag 108Cd 0.89% >6.7×1017 سنة εε2ν - 108Pd 109Cd مصطنع 462.6 يوم ε 0.214 109Ag 110Cd 12.49% 110Cd هو نظير مستقر وله 62 نيوترون 111Cd 12.8% 111Cd هو نظير مستقر وله 63 نيوترون 112Cd 24.13% 112Cd هو نظير مستقر وله 64 نيوترون 113Cd 12.22% 7.7×1015 سنة β− 0.316 113In 113mCd مصطنع 14.1 سنة β− 0.580 113In ا.ت 0.264 113Cd 114Cd 28.73% >9.3×1017 سنة ββ2ν - 114Sn 115Cd مصطنع 53.46 ساعة β− 1.446 115In 116Cd 7.49% 2.9×1019 سنة ββ2ν - 116Sn

الكادميوم عنصرٌ كيميائي رمزه Cd وعدده الذرّي 48؛ وينتمي إلى عناصر المستوى الفرعي d في الدورة الخامسة في الجدول الدوري، كما يقع في المرتبة الثانية ضمن عناصر المجموعة الثانية عشرة المعروفة أيضاً باسم مجموعة الزنك.

يوجد الكادميوم في شكله النقي على هيئة فلز طري ذي لون أبيض فضّي. يشبه هذا العنصر كيميائياً عنصري الزنك والزئبق الموجودين معه في ذات المجموعة؛ إذ مثلما الزنك فإنّ الكادميوم يُظهر حالة الأكسدة +2 بشكل سائد في أغلب مركّباته الكيميائية؛ كما أنّه يشبه الزئبق بأنّ لديه أخفض نقطة انصهار للفلزّات الانتقالية من عناصر المجموعة 3 إلى المجموعة 11. هناك اختلاف على تصنيف الكادميوم ومجانساته في مجموعة الزنك ضمن الفلزّات الانتقالية، خاصّةً أنّها لا تحوي على مدارات ذرّيّة d أو f شاغرة في حالتها العنصرية الحرّة أو في حالات أكسدتها الشائعة في مركّباتها الكيميائية.

يبلغ التركيز الوسطي للكادميوم في القشرة الأرضية مقداراً يتراوح بين 0.1 و 0.5 جزءاً في المليون؛ وهو يوجد بكمّيّات نزرة في معظم خامات الزنك، لذلك يُستحصَل عليه صناعياً ناتجاً ثانوياً أثناء تعدين الزنك. اكتشف العالم فريدريش شتروماير هذا العنصر في سنة 1817 على هيئة شائبة في عيّنة من كربونات الزنك؛ وأطلق عليه اسم كادميوم من الكلمة الإغريقية καδμία كادميا والتي تشير إلى معادن الكالامين الحاوية على خامات الزنك.

استخدم الكادميوم منذ أوائل القرن العشرين في إنتاج الفولاذ من أجل تحسين المقاومة تجاه التآكل؛ كما استخدمت مركّبات الكادميوم الكيميائية الملوّنة خُضُباً من أجل تلوين الزجاج، بالإضافة إلى استخدامها مرسّخّات ومثبّتات في إنتاج اللدائن. إلّا أنّ الاستخدامات العمليّة للكادميوم تراجعت مع اكتشاف الخواص السامّة له ولمركّباته، فحلّت مثلاً بطاريات نيكل-هيدريد الفلز وأيونات الليثيوم مكان بطاريات نيكل-كادميوم. بسبب خواصه الماصّة للنيوترونات يُستخدَم الكادميوم مكوّناً لقضبان التحكّم في المفاعلات النووية.

التاريخ وأصل التسمية

فريدريش شتروماير مكتشف عنصر الكادميوم

يعود الفضل في اكتشاف عنصر الكادميوم إلى العالم الألماني فريدريش شتروماير ، الذي اكتشفه في سنة 1817 أثناء اختباراته على عيّنات مشوبة من مركّب كربونات الزنك اشتراها من صيدلية في ألمانيا. لاحظ شتروماير أنّ عيّنات كربونات الزنك المشوبة بالكادميوم تتلوّن عند تسخينها بشكلٍ مغايرٍ لِمَا هي عليه العيّنات النقيّة من كربونات الزنك. ساهم العالم الألماني كارل زامويل هرمان أيضاً في إجراء التجارب لتفسير سبب تلوّن أكسيد الزنك الناتج عن تفكّك الكربونات المشوبة، وظنّ أوّلاً أنّ العيّنات مشوبة بالزرنيخ بسبب الراسب الأصفر المتشكّل عند المعالجة بغاز كبريتيد الهيدروجين؛ إلّا أنّ النتائج التي تمكّن شتروماير من نشرها لاحقاً أكّدت أن الشائبة هي بسبب عنصر جديد، وتمكّن من عزل فلز الكادميوم بالتحميص ثم بالاختزال بالكبريتيد.

تعود تسمية عنصر الكادميوم بهذا الاسم إلى الكلمة الإغريقية καδμία كادِميا، والتي تشير إلى الكالامين ، وهو مزيج من المعادن الحاوية على خامات الزنك. بدورها تشتقّ تسمية كادميا من اسم الشخصية الأسطورية قدموس . أورد بلينيوس الأكبر في كتابه الموسوعي التاريخ الطبيعي المكتوب سنة 77 بعد الميلاد عن وجود خام الكادميا (معدن الكالامين) في الأراضي الجرمانية . كان لفظ «كادميوم» مستخدماً في القرون الوسطى وذلك غالباً للإشارة إلى خامات الزنك الكربونية.

في أواسط القرن التاسع عشر بدأ استخدام خضاب أصفر الكادميوم، إلّا أنّ ندرة الحصول على الكادميوم حالت دون انتشاره الواسع. في سنة 1907 عرّف الاتحاد الفلكي الدولي وحدة الأنغستروم اعتماداً على الخطّ الطيفي الأحمر للكادميوم؛ واعتمد ذلك التعريف رسمياً في المؤتمر العام للأوزان والمقاييس السابع الذي عقد في مدينة جنيف السويسرية؛ إلّا أنّ تعريف المتر والأنغستروم تغيّرا لاحقاً في سنة 1960، وأضحى التعريف معتمداً على عنصر الكريبتون. استخدم إنريكو فيرمي الكادميوم في تصنيع قضبان التحكّم في أوّل مفاعل نووي صمّمه في سنة 1942 والذي أسماه شيكاغو بايل . بعد التوسّع في الإنتاج الكبير من الكادميوم في ثلاثينيّات وأربعينيّات القرن العشرين أصبح الاستخدام الرئيسي للكادميوم في تغطية الحديد والفولاذ لمنع التآكل، ففي أواسط القرن العشرين كان ما يقارب 60% من الكادميوم في الولايات المتّحدة مستخدماً في عمليات الطلي؛ إلّا أنّ تلك الاستخدامات المختلفة تراجعت بشكل كبير بسبب تحفّظات صحّية وبيئية سبّبتها سمّيّة الكادميوم.

الوفرة الطبيعية

الكادميوم عنصرٌ نادرٌ نسبيّاً (نزر) في الطبيعة، وتبلغ وفرته الطبيعية في القشرة الأرضية ما بين 0.1 و 0.5 جزءاً في المليون وبذلك يقع هذا العنصر في المرتبة 65 بالنسبة لوفرة العناصر الكيميائية فيها؛ وهو بذلك أكثر نُدرةً من الزنك، والذي يبلغ تركيزه الوسطي في القشرة الأرضية ما يقارب 65 جزءاً في المليون.

لا توجد توضّعات رسوبية كبيرة معروفة من الكادميوم؛ ويعد غرينوكيت من أشهر المعادن الحاوية على الكادميوم، وهو يتركّب كيميائياً من كبريتيد الكادميوم (CdS)، وتبلغ نسبة الكادميوم فيه 77.81%، وغالباً ما يُرافق معدن سفاليريت ، وهو يتركّب كيميائياً من كبريتيد الزنك (ZnS). يعود ذلك الترافق إلى التشابه الكيميائي الجيولوجي في خواص هَذين المعدَنَين؛ بحيث من غير الممكن فصلهما عن بعضهما عن طريق العمليّات الجيولوجية، لذلك يُستحصَل على الكادميوم غالباً على هيئة مُنتَج ثانوي من عمليّات استخراج الزنك. من المعادن الأخرى المعروفة والحاوية على الكادميوم أيضاً معدن أوتافيت (CdCO₃)، والذي تصل فيه نسبة الكادميوم 65.20%؛ هناك حوالي 30 معدناً معروفاً للكادميوم، ولكن أغلبها نادر جدّاً، منها معدن مونتبونيت (CdO)، وهولييت (CdS)، وكادموسيليت (CdSe). من النادر جدّاً العثور على الكادميوم بشكله الفلزّي الحرّ، وتوجد تقارير على العثور عليه في تلك الحالة في حوض نهر فيليوي في سيبيريا.

لا تتجاوز التراكيز النمطية من الكادميوم في الأوساط الحيوية مقدار 5 نانوغرام/م³ في الغلاف الجوّي؛ ومقدار 2 مغ/كغ في التربة؛ ومقدار 1 ميكروغرام/اللتر في الماء العذب؛ ومقدار 50 نانوغرام/اللتر في ماء البحر. توجد بعض أنواع المشطورات البحرية الحاوبة على إنزيم أنهيدراز كربوني المعتمد في تركيبه على عنصر الكادميوم؛ والتي تعيش في بيئات ذات تركيز منخفض من الزنك.

الاستخراج والإنتاج

يُستخرَج الكادميوم ناتجاً ثانوياً على هيئة خامات مرافقة للزنك أثناء عمليات تعدينه واستخراجه بشكل رئيسي، وبشكل أقلّ أثناء عمليّات تعدين واستخراج النحاس والرصاص. يمكن أن يُستحصَل على الكادميوم عبر طرائق ثانوية من عمليّات تدوير خردة الحديد والفولاذ؛ كما يمكن استحصاله من إعادة تدوير بطّاريات النيكل والكادميوم. قد تحوي بعض خامات الزنك الكبريتية على تراكيز مرتفعة من الكادميوم تصل إلى 1.4%. بدأ إنتاج الكادميوم في الولايات المتّحدة في العقد الأوّل من القرن العشرين؛ لكنّه لم يصبح إنتاجاً على قطاع واسع إلّا بعد نهاية الحرب العالمية الأولى. في سبعينيّات القرن العشرين بلغت حصيلة الكادميوم من خامات الزنك مقدار 2.9 كغ من كلّ طن.

يعتمد إنتاج الكادميوم على أسلوب استحصال الزنك؛ فوفق الأسلوب الجاف تخضع خامات الزنك الكبريتية لعمليّة تحميص بوجود الأكسجين، ممّا يؤدّي إلى الحصول على الأكاسيد، والتي تخضع لاحقاً لعملية اختزال بالكربون من أجل الحصول على الفلزّات العنصرية. ثم يُفصَل الكادميوم عن الزنك عبر عملية التقطير التفريغي . أمّا وفق الأسلوب الرطب فتُختزَل أيونات الكادميوم المذابة ببرادة الزنك، ثمّ يؤكسَد الكادميوم مجدّداً بالأكسجين ليُستحصَل على أكسيد الكادميوم، والذي يذاب في حمض الكبريتيك ثم يخضع المزيج لعمليّة تحليل كهربائي .

أصدرت هيئة المساحة الجيولوجية البريطانية تقريراً أنّ الصين كانت في سنة 2001 الرائدة من حيث إنتاج الكادميوم بحصّة بلغت سدس الإنتاج العالمي، تلتها كوريا الجنوبية واليابان. بلغ الإنتاج العالمي من الكادميوم في سنة 2020 مقدار 24 ألف طن.

• 
  تطوّر الإنتاج العالمي من الكادميوم
• 
  الإنتاج العالمي من الكادميوم في سنة 2010

النظائر

يتكوّن الكادميوم طبيعياً من ثمانية نظائر، اثنان منهما مشعّان ، وهما كادميوم-113 ¹¹³Cd، والذي يضمحلّ (اضمحلال بيتا ) بعمر نصف مقداره 8.04×10¹⁵ سنة وكادميوم-116 ¹¹⁶Cd، والذي يضمحلّ وفق اضمحلال بيتا المضاعف ولديه عمر نصف مقداره 2.69×10¹⁹ سنة). يوجد ثلاثة نظائر للكادميوم والتي يُظَن أنّها تضمحلّ ولكن لم يُثبَت ذلك بشكل قابل للقياس في ظروف مخبرية، وهي كادميوم-106 ¹⁰⁶Cd وكادميوم-108 ¹⁰⁸Cd وكادميوم-114 ¹¹⁴Cd. أمّا بالنسبة للنظائر المستقرّة فهي ثلاثة، وهي كادميوم-110 ¹¹⁰Cd وكادميوم-111 ¹¹¹Cd وكادميوم-112 ¹¹²Cd.

للكادميوم عددٌ من النظائر المشعّة المصطنعَة ، ومن بينها الأطول عمراً كلّ من كادميوم-109 ¹⁰⁹Cd بعمر نصف مقداره 461.3 يوم؛ وكادميوم-115 ¹¹⁵Cd بعمر نصف مقداره 53.46 ساعة. أمّا النظائر المشعّة المصطنعَة المتبقيّة فلديها أعمار نصف أقلّ من 7 ساعات، وأغلبها ذات أعمار نصف أقلّ من 5 دقائق. للكادميوم 8 مصاوغات نووية شبه مستقرّة ، أكثرها استقراراً ^113mCd بعمر نصف 13.9 سنة، و^115mCd بعمر نصف 44.6 يوم و^117mCd بعمر نصف  = 3.44 ساعة.

تتراوح الكتل الذرّية لنظائر الكادميوم بين 95-132 وحدة كتل ذرية؛ ويكون نمط الاضمحلال بالنسبة للنظائر الأخفّ من ¹¹²Cd على هيئة التقاط إلكترون ويكون ناتج الاضمحلال السائد من نظائر الفضة. أمّا نمط الاضمحلال بالنسبة للنظائر الأثقل فيكون على هيئة اضمحلال بيتا ويكون ناتج الاضمحلال السائد من نظائر الإنديوم. يتميّز النظير كادميوم-113 ¹¹³Cd بمقدرة كبيرة على التقاط النيوترونات بانتقائية مرتفعة، خاصّةً عندما تكون طاقتها دون عتبة محدّدة تقدر 0.5 إلكترون فولت (eV)، (النيوترونات البطيئة)، أمّا فوقها فيعاد إصدارها (النيوترونات السريعة).

الخواص الفيزيائية

الطيف الناتج عن تفريغ الغاز لأبخرة الكادميوم

الكادميوم فلزٌّ ذو لون أبيض فضَي برّاق، تبلغ كثافته مقدار 8.65 غ/سم³؛ ولكنه طري، إذ له صلادة مقدارها 2 على مقياس موس ، فهو قابل للخدش بالسكين، كما أنّه قابل للسحب والطرق . يتميّز الكادميوم بأنّه مقاوم للتآكل، ويستخدم على هيئة طبقة واقية للفلزّات الأخرى؛ إذ أنه لا يتفاعل مع الماء أو الرطوبة الجوّيّة. كما أنّه غير قابل للاشتعال، ولكنّه من الممكن أن يحترق عندما يكون على شكل مسحوق محرّراً أبخرة سامّة من أكسيد الكادميوم؛ تتراوح ألوانها بين الأصفر إلى الأحمر إلى البنّي.

يتبلور الكادميوم وفق نظام بلوري سداسي في الزمرة الفراغية P6₃/mmc بترتيب ذي تعبئة متراصّة شبيه ببنية المغنيسيوم. تبلغ قيمة ثوابت الشبكة البلّورية للكادميوم النقيّ مقدار a = 0.2979 نانومتر (توافق 2.98 أنغستروم (Å) وc = 0.5617 نانومتر (توافق 5.62 Å)؛ وذلك من أجل وحدَتَي صيغة في وحدة الخلية .

الخواص الكيميائية

يشبه الكادميوم عنصرّ الزنك في كثيرٍ من خواصّه الكيميائية، إلّا أنّ للكادميوم قدرةً أكبرَ على تشكيل المعقّدات التناسقية. هناك خلافٌ فيما إذا كان الكادميوم ومجانساته في عناصر المجموعة الثانية عشرة (مجموعة الزنك) ضمن الفلزّات الانتقالية خاصّةً أنّها لا تحوي على مدارات ذرّيّة d أو f شاغرة في حالتها العنصرية الحرّة أو في حالات أكسدتها الشائعة في مركّباتها الكيميائية.

يحترق الكادميوم بالهواء ليشكّل مادة صلبة لابلّورية ذات لون بنّي من أكسيد الكادميوم؛ أمّا الشكل البلّوري منه فذو لون أحمر داكن، والذي يتغيّر لونه عند التسخين بشكل مشابه لأكسيد الزنك. ينحلّ الكادميوم في الأحماض المعدنية من حمض الهيدروكلوريك والكبريتيك والنتريك، مشكّلاً الأملاح الموافقة. تعدّ حالة الأكسدة +2 هي الحالة السائدة في مركّبات الكادميوم الكيميائية؛ إلّا أنّه من الممكن في حالات خاصّة أنّ يدخل الكادميوم في تشكيل حالة الأكسدة +1، مثلما الحال عند إذابة الكادميوم في مزيج من كلوريد الكادميوم وكلوريد الألومنيوم، مشكّلاً بذلك الأنيون الموجب (كاتيون) ²⁺Cd₂ في مركّب رباعي كلوروألومينات الكادميوم الأحادي ، الشبيه بكاتيون ²⁺Hg₂ في كلوريد الزئبق الأحادي.

${\ce {Cd + CdCl2 + 2 AlCl3 -> Cd2(AlCl4)2}}$

يستطيع الكادميوم أن يشكّل معقّدات تناسقية مع عددٍ من الجزيئات الحيوية، مثل القواعد النووية والأحماض الأمينية والفيتامينات.

المركبات الكيميائية

تعدّ حالة الأكسدة +2 هي الحالة السائدة للكادميوم وعليها تكون في أغلب مركّباته الكيميائية. من أشهر مركّبات الكادميوم الكيميائية كلّ من الأكسيد CdO، والهيدروكسيد Cd(OH)₂؛ كما تعدّ الهاليدات الثنائية الأربع معروفة (الفلوريد CdF₂ والكلوريد CdCl₂ والبروميد CdBr₂ واليوديد CdI₂. تُعرَف أيضاً مركّبات الكالكوجينيد للكادميوم من الكبريتيد CdS والسيلينيد CdSe والتيلوريد CdTe. من مركّبات الكادميوم الأخرى كلّ من الكبريتات CdSO₄ والنترات، بالإضافة إلى السيانيد Cd(CN)₂.

التحليل الكيميائي

من أجل إجراء التحليل الكيميائي على عيّنات من الكادميوم فهي تخضع لمراحل تحضير أوّلية، ويمكن أن تُستخدَم لذلك الغرض عيّنات مسخّنة ضمن أنابيب مغلقة؛ حيث تُوضَع العيّنة الأصلية من الكادميوم في أنبوب مغلق يتحمّل درجات حرارة مرتفعة، ويؤدّي التسخين إلى الحصول على مزيج من كبريتيد الكادميوم، والذي يؤدّي خلطه مع أكسالات الصوديوم إلى حدوث اختزال إلى الفلزّ العنصري، والذي تُشكّل أبخرته مرآةً على القسم الأعلى من الأنبوب.

$\mathrm {CdO+Na_{2}C_{2}O_{4}\rightarrow Cd+Na_{2}CO_{3}+CO_{2}}$

تؤدّي الإضافة اللاحقة من الكبريت إلى المزيج إلى التوهّج مجدّداً ويُستحصَل بذلك على شكل نقي من كبريتيد الكادميوم والذي يخضع لعمليات تحليل لاحقة.

$\mathrm {Cd+{\frac {1}{8}}S_{8}\rightarrow CdS}$

من أجل التحليل الكمّي لآثار من الكادميوم يمكن أن تُستخدَم تقنيات مثل قياس الاستقطابية ؛ إذ تعطي أيونات الكادميوم الثنائي في محلول نظامي 1M من كلوريد البوتاسيوم عتبة عند قيمة −0.64 فولت مقابل قطب كالومل المشبع . أمّا في تحاليل الآثار النزرة من الكادميوم فيمكن استخدام تقنية القياس الفولتي مقابل أقطاب من الزئبق. كما يمكن استخدام وسائل وتقنيات أخرى مثل مطيافية الامتصاص الذري في أنابيب من الغرافيت، من أجل تحليل عيّنات من الكادميوم تصل تراكيزها إلى حد كشف مقداره 0.003 ميكروغرام/اللتر.

الأثر البيئي

الكادميوم عنصرٌ كيميائي سامّ؛ ويعدّ من الملوّثات وخطراً على البيئة وكائناتها الحيّة. لا تزال الكيمياء الجيولوجية الحيوية للكادميوم وتفاصيل دورته وتحرّره في الأوساط البيئية محطّ دراسةٍ وبحث. للنشاطات البشرية دورٌ كبيرٌ في زيادة تركيز الكادميوم في الأوساط البيئية؛ بالتالي هناك مصادر عدّة قد يتعرّض فيها الإنسان للكادميوم بالإضافة إلى المصادر الطبيعية، وهي بشكلٍ رئيسيٍّ من عمليّات احتراق الوقود الأحفوري والأسمدة الفوسفاتية وإنتاج الحديد والفولاذ وصناعة الإسمنت وعمليّات التعدين؛ بالإضافة إلى ترميد النفايات الصلبة في البلديّات . قد يحوي الفحم الحجري على كمّيّات معتبرة من الكادميوم، والتي قد ينتهي بها الحال إلى البيئة على شكل رماد متطاير من عمليات الاحتراق. كما يمكن أن تحوي الصخور المستخرّجة أثناء تعدين الفوسفات والمستخدمة من أجل إنتاج الأسمدة الفوسفاتية على كمّيّات متفاوتة من الكادميوم بتراكيز تصل إلى 300 مغ/كغ، ممّا قد يؤدّي إلى زيادة تراكيز الكادميوم في التربة الزراعية.

لبعض الأشجار مثل الصفصاف والحَور القدرة على امتصاص الفلزّات الملوّثة مثل الكادميوم والرصاص من التربة. ولكن بالمقابل يُمتصَ الكادميوم الموجود في التربة أيضاً من المحاصيل الزراعية، ويعدّ التعرّض للكادميوم عن طريق تناول الغذاء من المخاطر الكبيرة. ففي سنة 2002 أعلنت السلطات في وزارة الزراعة الصينيّة أنّ 28% من عيّنات الأرز كانت حاوية على زيادة 10% من تراكيز الكادميوم فوق الحدود المسموح بها محلياً. أمّا في سنة 2022 فأعلنت جمعية معنية باختبار المنتجات في السوق أن 28 صنفاً من الشوكولاتة الداكنة المباعة في الولايات المتّحدة كانت حاوية جميعها على الكادميوم، وأنّ 13 منها فاقت فيها تراكيز الكادميوم القيم المسموح بها في ولاية كاليفورنيا.

منطقة نهر جنزو في اليابان، والتي كانت ملوّثة بالكادميوم في أوائل القرن العشرين

هناك بعض الشواهد والأمثلة على حالات التلوّث بالكادميوم، والتي أدّت بالنهاية إلى حالات مَرَضيّة نتيجة التعرّض الطويل لهذا العنصر عن طريق الماء والغذاء الملوّثَين. ففي العقود التي سبقت الحرب العالمية الثانية كانت عمليّات التعدين هي المسبّب الرئيسي للتلوّث بالكادميوم في منطقة نهر جنزو في اليابان، ممّا أدّى إلى تراكمه في محاصيل الأرز المزروعة على ضفّتَي النهر، والذي كانت تصبّ فيه مخلّفات التعدين. مع مرور الوقت ظهرت في المجتمعات المحلّية التي كانت تتغذّى على تلك المحاصيل حالات من مرض إتاي إتاي بالإضافة إلى اضطرابات كلويّة من ضمنها البيلة البروتينية والبيلة السكرية . بعد التقصّي وُجدَ أنّ أغلب ضحايا هذا التفشّي في المرض كُنّ من النسوةِ في سن اليأس بعد انقطاع الطمث اللاتي كنّ يعانِينَ من نقص الحديد وعناصر معدنية أخرى، الأمر الذي عزّز من فرص ظهور هذا المرض حينها.

إنّ أغلب النباتات قادرةٌ على امتصاص الكادميوم وفلزّات سامّة أخرى من التربة و تُراكِمُها في أجسامها؛ بالتالي عندما تدخل تلك النباتات النامية في تربة مرتفعة التركيز من الكادميوم في تركيب السماد الخليط وتتحوّل إلى سماد عضوي فإنها ستعطي منتَجاً من السماد الذي سيكون في الأغلب حاوياً على تراكيز مرتفعة من هذا العنصر. كما يمكن أن تكون الأسمدة المصنوعة من مصدر حيواني من الزبل ملوّثة أيضاً. تزداد فرص تحرّر الكادميوم من الأسمدة الملوّثة به إلى التربة مع ارتفاع حموضة الوسط (تربة حمضية أي ذات قيم منخفضة من pH). في دراسة أجريت في دول الاتحاد الأوروبي وُجِدَ بتحليل 22 ألف عيّنة من التربة السطحية أنّ 5.5% منها حاوية على تراكيز أعلى من 1 مغ/كغ.

المخاطر

كادميوم
المخاطر
رمز الخطر وفق GHS
وصف الخطر وفق GHS	خطر
بيانات الخطر وفق GHS	H301, H330, H341, H350, H372, H410
بيانات وقائية وفق GHS	P201, P202, P260, P264, P273, P304, P340, P310
NFPA 704	0 4 0
في حال عدم ورود غير ذلك فإن البيانات الواردة أعلاه معطاة بالحالة القياسية (عند 25 °س و 100 كيلوباسكال)

الكادميوم عنصرٌ كيميائيٌ سامّ، ولا يوجد له دورٌ حيويٌّ معروفٌ في الكائنات الحيّة العليا. يؤدّي تعرّض الإنسان إلى الكادميوم إلى التسمّم ، ويمتصّ بشكلٍ أساسيٍّ في الكليّتين والكبد والعظام. يُطرَح الكادميوم من الجسم بكمّيّات قليلة جدّاً عن طريق البول. قد يتعرّض الأطفال والمراهقين عبر الاستنشاق إلى كمّيّات من الكادميوم، ويصل متوسّط كمّيّة الكادميوم المتراكمة حيوياً خلال فترة حياة المواطن في الولايات المتحدة إلى ما يقارب 30 مغ.

يقترن التعرّض للكادميوم مع مخاطر الإصابة بعددٍ كبيرٍ من الأمراض، من ضمنها أمراض الكلى، وأمراض القلب والأوعية، بالإضافة إلى هشاشة العظام . يعدّ استنشاق الغبار الدقيق وأبخرة الكادميوم من أخطر أشكال الأخطار المهنية وكذلك حالات ابتلاع مركّبات الكادميوم سهلة الانحلال في الماء. يؤدّي استنشاق أبخرة الكادميوم إلى حمّى الأدخنة ، والتي يمكن أن تتطوّر بشكل تدهوري إلى التهاب الرئة والوذمة الرئوية إلى النخر والموت.

يصنّف الكادميوم واحداً ضمن عشر مواد كيميائية ممنوعة وفق توجيه الحد من المواد الخطرة الصادر عن الاتحاد الأوروبي، والذي يقوم بضبط المواد الخطرة في المعدّات الكهربائية والإلكترونية. صنّفت الوكالة الدولية لبحوث السرطان عنصرَ الكادميوم ومركّباته الكيميائية ضمن مواد المسرطنة. أظهرت عدّة دراسات صلةَ وصلٍِ بين كمّيّة الكادميوم المُستحصَلة عن طريق الغذاء مع ارتفاع خطر الإصابة بأمراض سرطانية، تتضمّن سرطان بطانة الرحم ، وسرطان الثدي، وسرطان البروستاتا.

على الرغم من وجود العديد من الدراسات التي تربط بين التعرّض للكادميوم مع انتشار الأمراض في المجتمعات البشرية، إلّا أنّه لم يُتمَكّن بعدُ من التعرّف على الآلية على مستوى جزيئي . اقترحت إحدى النظريّات أنّ الكادميوم قد يكون مسبباً لاضطراب الغدد الصماء وبيّنت بعض الدراسات المخبرية أنّه يتداخل مع مسارات التأشير لعددٍ من الهرمونات المختلفة؛ فعلى سبيل المثال، يستطيع الكادمبوم الارتباط مع مستقبل الإستروجين ألفا ، مؤثّراً بذلك على نقل الإشارة في مسارات نقل الإستروجين وMAPK عند تراكيز منخفضة. يستطيع نبات التبغ أن يمتصّ الفلزّات الثقيلة من التربة الملوّثة وأن يراكمها في أوراقه، من بينها الكادميوم؛ لذلك قد يكون تدخين التبغ أحد مصادر التعرّض للكادميوم. وعلى الرغم من وجود الكادميوم في دخان التبغ، إلّا أن نسبة التعرّض للكادميوم عن طريق التدخين السلبي هي نسبة قليلة نسبياً.

بيّنت الهيئة الأوروبية لسلامة الأغذية فيما يخصّ الملوّثات في السلسلة الغذائية أنّ الحدّ الأقصى من الكادميوم 2.5 ميكروغرام/كغ من وزن الجسم في الأسبوع هو حدٌّ مسموحٌ بالنسبة للبشر. من جهةٍ أخرى، أعلنت لجنة الخبراء المشتركة بين منظمة الأغذية والزراعة ومنظمة الصحة العالمية فيما يخص الإضافات الغذائية أن 7 ميكروغرام/كغ من وزن الجسم في الأسبوع هو الحدّ المسموح تمهيدياً . أمّا في الولايات المتّحدة، فحدّدت إدارة السلامة والصحة المهنية مقدار حد التعرض المسموح من الكادميوم بشكل وسطي مثقّل زمنياً بمقدار 0.005 جزء في المليون (ppm). في حين أنّ المعهد القومي للسلامة والصحة المهنية لم يعطِ قيمة حد التعرض الموصى به من الكادميوم، ولكنه بالمقابل صرّح أنّ الكادميوم مسرطن بشري معروف. تبلغ قيمة مستوى الخطورة الفورية على الحياة أو الصحة من غبار الكادميوم مقدار 9 مغ/م³. أمّا الجرعة المميتة الوسطية من الكادميوم فموياً بالنسبة للجرذان 225 مغ/كغ، وللفئران 890 مغ/كغ؛ في أن القيمة كانت في حال استنشاق غبار الكادميوم بالنسبة للجرذان 25 مغ/م³ خلال نصف ساعة.

وردت تقارير عن عددٍ من الحالات التي اضطر فيها المنتجون إلى استدعاء السلع الاستهلاكية من الأسواق بسبب ارتفاع نسب الكادميوم فيها؛ وذلك في بريطانيا، والولايات المتحدة.

الاستخدامات

من أهمّ التطبيقات التي يدخل الكادميوم فيها كلّ من صناعة البطّاريات الكهربائية وفي إنتاج الخُضُب، وفي عمليات التغطية الصناعية، والطلي الكهربائي.

البطاريات

بطّارية Ni–Cd

في سنة 2009 كان لمجال صناعة البطّاريات الحصّة الأكبر (86%) من تطبيقات الكادميوم، وخاصّةً في صناعة بطّاريات نيكل-كادميوم القابلة للشحن . تبلغ قيمة كمون القطب الكهربائي لهذه البطّارية مقدار 1.2 فولت؛ وهي تتألّف من قطب كهربائي موجب من هيدروكسيد النيكل الثنائي وقطب سالب من الكادميوم الذي يكون على هيئة صفيحة، ويفصل بين القطبين كهرل قلوي من هيدروكسيد البوتاسيوم. من الأمثلة الأخرى على البطّاريات الحاوية على الكادميوم بطّارية الفضّة والكادميوم . وضع الاتحاد الأوروبي في سنة 2004 حدّاً أقصى مقداره 0.01% لنسبة الكادميوم في أقطاب البطّاريات الكهربائية؛ مع وجود بعض استثناءات، وفي سنة 2006 خُفّضِت النسبة إلى 0.002%. ولكن مع ازدياد المعلومات والتقارير عن سمّيّة الكادميوم ومخاطره أصبحت بدائل البطاريات الحاوية على الكادميوم متوفّرة، مثل بطارية Ni–MH (بطارية نيكل-هيدريد فلز ) وبطارية أيونات الليثيوم .

الطلي الكهربائي

الطيف الموافق للضيائية الفوتونية الصادرة عن نقطة كمومية من سيلينيد الكادميوم الغرواني .

تستهلك عمليات الطلي الكهربائي ما يقارب 6% من إنتاج الكادميوم العالمي، ولهذه العمليّات تطبيقات في مجال تصنيع المَركَبات الجوّية والفضائية من أجل تقليل تآكل المكوّنات الفولاذية. كما تُستخدَم أيضاً في صناعة الأسلحة من أجل طلي المكوّنات المصنوعة من الألومنيوم. تُدَعّم عملية التغطية هذه بأملاح الكرومات التي تقوم بدور مخمّل. ينبغي أخذ عامل التقصّف الهيدروجيني بعين الاعتبار عن إجراء عمليّات الطلي الكهربائي بالكادميوم؛ وقد يتداخل هذا العامل سلباً على المكوّنات المصنوعة من التيتانيوم، لذلك تُجرَى عمليّات فحص للمكوّنات والمعدّات بشكل دقيق قبل إدخالها في التطبيق العملي.

التقانة النووية

يُستخدَم الكادميوم بسبب خواصّه الماصّة للنيوترونات في تركيب قضبان التحكّم في المفاعلات النووية من أجل التحكّم بتدفّق النيوترونات أثناء تفاعلات الانشطار النووي . عند غرس قضبان الكادميوم في قلب المفاعل النووي يساهم الكادميوم حينها بامتصاص النيوترونات ممّا يؤدّي إلى حجبها عن المساهمة في تفاعلات انشطارية جديدة، بالتالي تكون الطاقة النوويّة المتشكلّة تحت السيطرة. ويختلف تركيب القضبان حسب تصميم المفاعل، إذ هي في مفاعل الماء المضغوط المصمّم من شركة كهرباء ويستينغهاوس مصنوعةٌ من سبيكة تركيبها 80% فضة و15% إنديوم ومجرد 5% من الكادميوم.

خضاب الكادميوم

قطار مطلي بطلاء برتقالي من خضب الكادميوم

كانت خُضُب الكادميوم مستخدمةً في السابق في تركيب الطلاء واللك لمنح ألوان تتراوح من الأصفر إلى الأحمر الغامق؛ وأشهرها خضاب «أصفر الكادميوم» الذي يتركّب من كبريتيد الكادميوم؛ أمّا خضاب سيلينيد الكادميوم فذو لون أحمر ويسمى «أحمر الكادميوم». كانت هذه الخُضُب مستخدمةً أيضاً بكثرة من الرسّامين، وكانت مرغوبة لألوانها الساطعة والمستديمة التي لا تخبو بسرعة مع مرور الوقت؛ وكانت تُسحَق وتُمزَج مع الزيوت والمواد الرابطة؛ أو كانت تُمزّج مع الألوان المائية والغواش وألوان الأكريليك وكذلك في تركيبات أخرى. بسبب سمّيّة الكادميوم فإنّه ينبغي على مستخدمي تلك الخُضُب وضع كريم الحماية على الأيدي من أجل منع امتصاصها عبر مسام الجلد.

تطبيقات مختلفة

• يمكن أن يدخل الكادميوم في تركيب مكوّنات أجهزة عرض النقطة الكمومية في أجهزة التلفاز ؛ ولكن هناك تحدّيّات بيئيّة وصحّيّة قد ترافق عمليات الإنتاج. كان أكسيد الكادميوم في السابق مستخدماً في تركيب المادة الفسفورية المستخدمة في أجهزة التلفاز بالأبيض والأسود، وكذلك في تركيب المادة الفسفورية الزرقاء والخضراء في التلفاز الملوّن المزوّد بصمّام الأشعة المهبطية .
• يدخل الكادميوم في تركيب بعض مواد أشباه الموصلات ، وخاصّةً على شكل مركّباته الكيميائية من الكبريتيد والسيلينيد والتيلوريد المستخدمة في تركيب المستشعرات الضوئيّة والخلايا الشمسيّة. يستخدم كبريتيد الكادميوم CdS على هيئة مادة تغطية ذات موصلية ضوئية في أجهزة النسخ الضوئي. تكون المكاشيف المصنوعة من تيلوريد الكادميوم والزئبق حساسةً في مجال من طيف الأشعة تحت الحمراء المتوسّطة..
• كانت مركّبات الكادميوم في السابق داخلةً في تركيب بولي كلوريد الفاينيل على هيئة مواد مثبّتة ضدّ التقصّف والضوء والحرارة. أمّا حالياً فقد جرى التخلّي عن مثبّتات الكادميوم والتي استعيضت بشكل كامل بمثبّتات من الزنك مع الباريوم أو من الزنك مع الكالسيوم أو من مركّبات القصدير العضوية .
• يُستخدَم الكادميوم في بعض الأحيان في تركيب السبائك مثل سبيكتي بابت ووود ؛ كما يدخل في تركيب بعض أنواع سبيكة لحام القصدير . خاصّةً أنّ الكادميوم لديه قيمة معامل احتكاك منخفضة. يدخل الكادميوم بنسبة ضئيلة (تصل إلى 1%) مع النحاس في تركيب سبائك تتميّز بالصلابة البنيوية بالإضافة إلى الخواص الموصلية.
• تشير بعض الدراسات إلى إمكانية استخدام المعقّدات التناسقية المعتمدة على الكادميوم وفلزّات ثقيلة أخرى في تركيبات أدوية علاج حالات خاصّة من مرض السرطان، ولكن يرافق هذه التطبيقات ضوابط نظراً للأعراض الجانبية بسبب السمّيّة.

طالع أيضاً

• خضاب الكادميوم
• تسمم بالكادميوم

الهوامش

مصطلحات