Il cadmio: Proprietà e usi dell'elemento

Introduzione al cadmio

Il cadmio (numero atomico 48, abbreviazione Cd) è un metallo morbido di colore bianco-bluastro che si distingue per le sue eccezionali proprietà fisiche e per la sua tossicità ampiamente documentata. Il cadmio è stato isolato per la prima volta nel XIX secolo e da allora è diventato un materiale chiave in una varietà di processi industriali, dalle batterie ai pigmenti. Viene prodotto principalmente come sottoprodotto della fusione dello zinco, con una produzione globale di circa 23.000 tonnellate nel 2022, concentrata principalmente in Paesi come Cina, Corea del Sud e Giappone. A causa della sua tossicità, il cadmio è altamente regolamentato nella maggior parte delle industrie.

Proprietà chimiche del cadmio

Ilcadmio tende a presentare uno stato di ossidazione +2 (Cd²⁺), che copre la maggior parte del suo comportamento chimico. Pur essendo molto inerte rispetto ad altri elementi di transizione, il cadmio reagisce con ossigeno, zolfo e alogeni per dare composti come l'ossido di cadmio (CdO) e il solfuro di cadmio (CdS). Questi composti sono alla base della galvanotecnica, dei pigmenti e dei semiconduttori.

Le principali proprietà chimiche includono:

- Resistenza alla reazione in aria a temperatura ambiente, anche se viene lentamente ossidato dalla formazione di un rivestimento protettivo.

- Solubilità agli acidi, in modo da poter partecipare all'elettrochimica.

- Capacità di assorbimento per formare composti colorati brillanti, in particolare con lo zolfo e il selenio, che in precedenza lo rendevano prezioso per i pigmenti.

Per ulteriori dettagli chimici, vedere Stanford Advanced Materials (SAM).

Applicazioni industriali chiave con esempi e statistiche

1. Batterie al nichel-cadmio (Ni-Cd)

• Lebatterie al Ni-Cd hanno trovato largo impiego nell'elettronica portatile, negli utensili elettrici e nella tecnologia aeronautica.
• Una tipica batteria Ni-Cd da 1,2 V contiene circa il 5-10% di cadmio in peso.

Sebbene siano stabili e in grado di sopportare centinaia di cicli di carica-scarica, le preoccupazioni ambientali hanno portato a una riduzione dell'uso. Ad esempio, l'Unione Europea ha limitato l'applicazione delle batterie Ni-Cd con la Direttiva sulle Batterie (2006/66/CE).

2.Pigmenti di plastica, ceramica e vetro

• Il CdS produce pigmenti di colore giallo intenso, mentre il CdSe produce pigmenti rosso-arancio.
• Esempio di caso: I pigmenti CdS sono stati applicati alle plastiche per l'edilizia negli anni '90, fornendo prodotti resistenti al colore che durano oltre 20 anni senza deteriorarsi.
• I pigmenti RTE sono attualmente regolamentati e il contenuto di cadmio è limitato a meno dello 0,01% nei prodotti di consumo nella maggior parte dei Paesi.

3. Galvanotecnica e resistenza alla corrosione

La galvanica del cadmio è utilizzata nel settore aerospaziale e della difesa per la sua elevata resistenza alla corrosione, soprattutto in ambienti marini.

Esempio: Gli elementi di fissaggio militari rivestiti di cadmio resistono alla corrosione da nebbia salina per oltre 1.000 ore, mentre le alternative zincate si guastano dopo 200-300 ore.

4.Semiconduttori e fotovoltaico

• Il tellururo di cadmio (CdTe) è utilizzato nelle celle solari a film sottile, che rappresentano un'alternativa efficiente ed economica al silicio.
• Dati di caso: I moduli solari in CdTe possono raggiungere efficienze fino al 22% in condizioni di test standard, con costi di produzione per watt inferiori rispetto al silicio cristallino.

Preoccupazioni per l'ambiente e la salute

Il cadmio è altamente velenoso per gli animali e gli esseri umani. L'esposizione prolungata in piccole quantità provoca:

-Danni ai reni e decalcificazione delle ossa

-malattie respiratorie e cancro ai polmoni (attraverso l'inalazione di polvere o fumi di cadmio)

-Bioaccumulo nella rete alimentare, in particolare nelle verdure a foglia, nei cereali e nei crostacei.

I suoi rischi sono esposti attraverso eventi ambientali:

-Nella malattia di Itai-Itai in Giappone (anni '60), il riso inquinato da cadmio ha causato gravi disturbi alle ossa e ai reni in oltre 200 vittime.

- Le emissioni di cadmio delle miniere e delle fonderie sono ora strettamente regolamentate; ad esempio, l'EPA limita il cadmio delle acque reflue a 0,005 mg/L, dimostrando quanto sia necessario un controllo rigoroso per prevenire danni ecologici e umani.

A causa di questi rischi, le industrie stanno passando ad alternative prive di cadmio, ad esempio le batterie agli ioni di litio per sostituire quelle al Ni-Cd e i pigmenti non a base di cadmio per le plastiche e le vernici. Tuttavia, il cadmio non ha sostituti nelle celle solari ad alte prestazioni e nelle applicazioni galvaniche speciali, grazie alle sue caratteristiche uniche.

Domande frequenti

Qual è il numero atomico del cadmio?

Il numero atomico del cadmio è 48, il che lo fa rientrare nella serie dei metalli di transizione.

Quanto è tossico il cadmio?

È altamente tossico; l'esposizione a lungo termine provoca danni a reni, ossa e polmoni. Le dosi regolamentari sono drastiche nel tentativo di limitare il rischio umano e ambientale.

Quali sono oggi i principali impieghi industriali?

Le batterie Ni-Cd, i pigmenti, la galvanotecnica del cadmio e le celle solari CdTe restano usi importanti.

Come viene prodotto il cadmio?

Viene prodotto principalmente come sottoprodotto della fusione dello zinco, in genere mediante arrostimento, distillazione e processi elettrolitici.

Esiste un'alternativa più sicura?

Sì. Il NiMH e gli ioni di litio sostituiscono il Ni-Cd, mentre i pigmenti senza cadmio riducono l'esposizione ambientale. Il cadmio è comunque necessario in alcuni impieghi ad alte prestazioni come i rivestimenti aerospaziali e il fotovoltaico CdTe.