شمش کادمیم عنصر شیمیایی است که با علامت اختصاری CD و عدد اتمی ۴۸، جزء فلزات واسطه سمی به شمار می رود که در سنگ معدن روی وجود دارد.

این عنصر شیمیایی با ساختار بلوری شش گوشه فلزی دو ظرفیتی، چکش خوار، نرم و انعطاف پذیر است و با وجود مقاومت بالایی که دارد، به راحتی با چاقو بریده میشود.

 این ماده معدنی نسبتا کمیاب، به رنگ سفید مایل به آبی است و در ساخت باتری ها به مقدار زیادی مورد استفاده قرار میگیرد.

رایج ترین کاربرد شمش کادمیم در ساخت باتریها قابل شارژ، به خصوص باتریهای ترکیبی نیکل- کادمیم است، سایر کاربردهای آن عبارتند از جهت آبکاری و روکش فلزات، کاربردهای هسته ای، صنعت هوا و فضا، کاربردهای هسته ای و استفاده از آن به عنوان رنگدانه. کادمیم از معدود عناصرشیمیایی  است که هیچگونه نقش ساختاری و بیولوژیکی در بدن انسان ندارد و ترکیبات آن حتی به میزان بسیار کم سمی هستند.

شمش کادمیم، از ویژگی‌ ها تا کاربرد

شمش کادمیم عنصر شیمیایی است که با علامت اختصاری CD و عدد اتمی ۴۸، در دوره 5 و گروه 12 جدول تناوبی قرار گرفته است و جزء فلزات واسطه به شمار می رود، این فلز در سنگ معدن روی وجود دارد که از نظر ویژگی های شیمیایی شبیه آن است، اما از نظر فیزیکی این دو فلز با هم تفاوت دارند.

این عنصر به نسبت کمیاب، نرم، به رنگ سفید مایل به آبی است و در ساخت باتری ها به مقدار زیادی مورد استفاده قرار میگیرد.

پیدایش و تاریخچه شمش کادمیم

معمولا سنگ های معدنی که دارای کادمیم باشند کمیاب هستند و در صورت یافت شدن نیز به مقدار بسیار کم وجود دارند، کادمیم عمدتا یک محصول جانبی تولید روی است که از استخراج و تصفیه سولفید اوره از سنگ معدن روی به دست می آید و به نسبت مس و سرب به میزان کمت ی تولید میشود. همچنین مقدار بسیار کمی از آن، از خاک حاصل از بازیافت تکههای فولاد و آهن به دست میآید.

تاریخچه شمش کادمیم 

در سال 1817 میلادی شیمی دان آلمانی به نام «فردریش اشترومایر» کادمیوم را درون یک ناخالصی در کربنات روی کشف کرد و در طول صد سال تنها تولیدکننده این فلز بود.

اشترومایر به طور اتفاقی در تحقیقاتش متوجه شد رنگی که اکسید روی به خود می‌گیرد، از وجود اکسید فلز ناشناخته‌ای ناشی می شود که تا قبل از آن مشاهده نشده بود. این شیمیدان آلمانی موفق شد اکسید فلز به دست آمده را از اکسید روی جدا کند و با عمل احیا، فلز ناشناخته را استخراج کند.

 به هر حال، اشترومایر تنها سه گرم از این فلز را در اختیار داشت، بنابراین نتوانست خواص آن را دقیقاً مورد مطالعه قرار دهد؛ او در سال 1818میلادی موفق به تحقیق بیشتر روی فلز جدید خود شد و نام آن را «کادمیا» نامید که  درزبان یونانی به معنی کربنات طبیعی روی است.  

خصوصیات شمش کادمیم

شمش کادمیم دارای ویژگی های منحصر به فردی است که آن را از سایر فلزات متمایز می کند که از آن جمله می توان موارد زیر را نام برد:

- این عنصر شیمیایی با ساختار بلوری شش گوشه، فلزی دو ظرفیتی، چکش خوار، نرم و انعطاف پذیر است و با وجود مقاومت بالایی که دارد، به راحتی با چاقو بریده میشود.

- از بسیاری جهات شبیه به دو فلز دیگر در گروه 12یعنی جیوه و روی است، اما کادمیم می تواند ترکیبات بیشتر و پیچیده تری را به وجود آورد. 

- رایج ترین حالت اکسیداسیون آن ۲+  است، اما نمونههای کمیابی از ۱+ نیز میتوان پیدا کرد.

- عنصر کادمیم بهطور طبیعی ۶ ایزوتوپ پایدار و ۲۷ ایزوتوپ پرتوزا شناخته شده دارد و پایدارترین شکل آن 113- Cd  با نیمه عمر ۷/۷ کوادریلیون سال است.

- این عنصر شیمیایی در آب نامحلول است همچنین اشتعال پذیر نیست، اما فرم پودر شده آن می تواند بسوزد و سبب تولید دود سمی تشود.

- هنگامی که این فلز با اکسیژن ترکیب می شود، اکسید کادمیم آمورف قهوه ای را به وجود می آورد که موقع گرم شدن مانند اکسید روی تغییر رنگ می دهد.

- سختی و مقاومت بالایی که عنصر کادمیم دارد، آن را برای آبکاری و پوشش فلزات دیگر کاربردی می کند.

- شکل پذیری و انعطاف پذیری شمش کادمیم نیز از جمله ویژگی است که باعث می شود این فلز به اشکال مختلف مانند ورق، سیم، فویل و دیگر فرم ها در صنعت مورد استفاده قرار گیرد. 

کاربردهای شمش کادمیم

کاربرد این عنصر کمیاب در زندگی ما چندان شناخته شده نیست، اما شمش کادمیم در صنایع گوناگون که بیشتر کارهای روزمره ما به آنها وابسته است، کاربردهای بسیاری دارد.

 در زیر به مهم ترین کاربردهای آن می پردازیم:

باتری ها

باتری ها به دلیل اسیدی که در ساختار خود دارند، مورد خوردگی قرار می گیرند، کادمیم به عنوان پوششی مقاوم از باتری های حاوی نیکل محافظت می کنند، بنابراین رایج ترین و اصلی ترین کاربرد شمش کادمیم در ساخت باتریهای قابل شارژ، به خصوص باتریهای ترکیبی نیکل- کادمیم است که به طور کلی در دو نوع باتری های صنعتی و پروتابل مورد استفاده قرار می گیرند.

کاربرد باتری های صنعتی در صنعت راه آهن مانند استارت لوکوموتیو، تهویه مطبوع، روشنایی، ترمز اضطراری، همچنین در سیستم های دزدگیر ، روشنایی اضطرار ، سالن های بیمارستان، تجهیزات نظامی، تجهیزات ناوبری و... است.

 از باتری های پروتابل نیز در تجهیزات الکترونیکی مانند تلفن های همراه ، دوربین فیلمبرداری، اسباب بازی‌ها و سایر لوازم خانگی بی سیم، همچنین برای تهیه پشتیبان حافظه در ارتباطات نظامی و غیرنظامی، تجهیزات محاسباتی و بسیاری از کاربردهای مشابه دیگر استفاده می شود.

انرژی خورشیدی

افزایش سرمایه گذاری در تولید انرژی خورشیدی در آینده باعث می شود که استفاده از این فلز بیشتر شود. تلورید کادمیم یکی از معدود کاربردهای جدید شمش کادمیم در پنل های خورشیدی است. 

آبکاری و روکش فلزات

کادمیم در برابر خوردگی مقاوم و پایدار است و همین امر باعث شده که از آن به عنوان صفحه محافظ و آبکاری سایر فلزات استفاده شود. از گالوانیزه فلز کادمیم در صنعت هواپیماسازی برای کاهش خوردگی اجزای فولادی استفاده می کنند. همچنین پوشش های کادمیم در فولاد، آهن، برنج و آلومینیوم به کار می‌رود، به خصوص در محیط های دریایی و قلیایی مقاومت بسیاری در برابر خوردگی ایجاد می کند. در حدود 6 درصد از شمش کادمیم تولید شده در جهان برای آبکاری استفاده می شود.

کاربردهای هسته ای

شمش کادمیم به عنوان فلزی بسیار مهم در میلههای کنترل راکتورهای هستهای مورد استفاده می گیرد.  هنگامی که میلههای کادمیم در هسته یک راکتور قرار میگیرند، نوترونها را جذب و میزان واکنش را کنترل میکنند. 

کاربرد شمش کادمیم به عنوان رنگدانه

معمولا رنگدانه های کادمیم، رنگ های معدنی پایداری هستند که در طیف وسیعی از سایه های درخشان قرمز، زرد، نارنجی و مارون تولید می شوند و عمدتا  برای رنگ آمیزی شیشه و تثبیت پلاستیک های مهندسی که در دمای بالا پردازش می شوند، مورد استفاده قرار می گیرند . این رنگدانه ها در برابر درجه حرارت های بالا مقاوم و تخریب ناپذیر هستند. همچنین در صنایع سرامیک، عینک سازی و رنگ های ویژه کاربرد دارند.

صنعت هوا و فضا

درصنایع هوا و فضا و تجهیزات نظامی از جمله پیچ های پلاستیکی، شاسی، چتر نجات و سایر اتصال دهنده‌ها در تجهیزات هواپیما و... نیز از شمش کادمیم استفاده می شود.

کاربردهای این فلز درصنعت هوافضا و ارتش نیز بسیار مهم است، در حدی که جایگزین کردن آن ممکن است ایمنی عملیاتی را به خطر بیاندازد.

سایر کاربرد های شمش کادمیم

- داشتن نقطه ذوب پایین و خاصیت سیال بودن بالای این فلز صنعتی  آن را برای استفاده در بسیاری از انواع لحیم کاری ها مناسب می کند، زیرا این عنصر در برابر بخار موجود در محیط و خوردگی با گاز کلر و سولفور مقاومت خوبی از خود نشان می دهد.

- از سولفید کادمیم به عنوان پوشش سطحی عکسبرداری و درام های فتوکپی استفاده میشود.

- شمش کادمیم در صنایع نوپایی مانند ساخت تلویزیون های جدید QLEDمورد استفاده قرار می گیرد.

-  به عنوان تثبیت کننده گرما، نور و هوای محیط است

- استفاده در صنایع سنگین حمل و نقل و هواپیمایی 

- استفاده از سولفید کادمیم در انواع سنسورهای نورلازم و ضروری است.

- در تولید پلاستیک های رنگی و صنعت PVC از این ماده استفاده می شود.

- در زیست شناسی مولکولی و همچنین در تحقیق هیپوکسی نیز کاربرد دارد.

- در دستگاههای کنترل از راه دور به عنوان یک مشخص کننده مادون قرمز، حرکت یا سوئیچ مورد استفاده قرار می گیرد.

-  کنترل همجوشی هستهای

- به خاطر مقاومت بالا و ضریب اصطکاک پایینی که این فلز دارد، از آن در آلیاژهای بلبرینگ استفاده می شود.

- این عنصر نمک های مختلفی را بهوجود میآورد که یکی از رایجترین آنها سولفید کادمیم است  که از این سولفید به عنوان رنگدانه زرد استفاده میشود و نیز در بعضی از نیمه هادی ها کاربرد دارد.

هشدارهای استفاده از شمش کادمیوم

کادمیم از معدود عناصرشیمیایی است که هیچگونه نقش ساختاری و بیولوژیکی در بدن انسان ندارد و ترکیبات آن حتی به میزان بسیار کم سمی هستند و در بدن انسان و محیط زیست، ذخیره میشوند.

اما استنشاق گرد این فلز به سرعت در کلیهها و دستگاه تنفسی ایجاد مشکلاتی میکند که میتوانند کشنده باشد. خوردن مقدار قابل ملاحظهای از کادمیم موجب مسمومیت سریع کبد و کلیهها می شود. همچنین ترکیباتی که محتوی کادمیم هستند هم  باعث مسمومیت میشوند.

یکی از بیماری های ناشی از مسمومیت کادمیم ایتای- ایتای بود. این بیماری نخستین بار در سال 1912 میلادی در ژاپن آغاز شد که باعث تغییر شکل و نرمی استخوان در زنان مسن می شد و به مرور آسیب های کلیوی را نیز به وجود می آورد.

امروزه صنعت بازیافت باتری های نیکل- کادمیوم در حال گسترش است و نگرانی هایی در رابطه با قرار گرفتن در معرض این فلز شیمیایی وجود دارد، آبکاری، جوشکاری، ماشینکاری و نقاشی عملیات هایی هستند که سبب قرار گرفتن در معرض کادمیوم می شوند.

همچنین کارگران جمع آوری زباله و درگیر در عملیات دفن زباله و بازیافت قطعات الکترونیکی یا بازیافت پلاستیک نیز ممکن است در معرض گرد و غبار و مضرات این فلز قرار بگیرند.

ایمنی

مصرف این فلز به خاطر سمی بودن آن، به طور کلی در حال کاهش است و در اروپا جزء فلزات خطرناک محسوب می شود.

برای مصونیت از مضرات و آثار سمی این فلز، هنگام استفاده از سیم جوش های کادمیم باید از ماسک مخصوص استفاده کرد و همچنین باید از قرار گرفتن در معرض بخارات ناشی از جوش و ذوب آن خودداری کرد.