कैडमियम (Cd) - व्यापक परीक्षा अध्ययन मार्गदर्शिका

परिचय: कैडमियम क्यों महत्वपूर्ण है

कैडमियम (Cd) अपेक्षाकृत एक दुर्लभ, नरम, चाँदी जैसा सफेद और तन्य धातु है। यह एक d-ब्लॉक तत्व है, जो अक्सर जिंक अयस्कों में पाया जाता है। इसका महत्व इसके अद्वितीय रासायनिक गुणों के कारण है, जो विभिन्न उद्योगों में अनुप्रयोगों की ओर ले जाता है, लेकिन इसकी उच्च विषाक्तता के कारण भी, जो महत्वपूर्ण पर्यावरणीय और स्वास्थ्य संबंधी चिंताएँ पैदा करता है। d-ब्लॉक रसायन विज्ञान और पर्यावरण विज्ञान के पहलुओं को समझने के लिए कैडमियम को समझना महत्वपूर्ण है।

CBSE/JEE त्वरित पुनरावलोकन नोट्स

• प्रतीक: Cd
• परमाणु संख्या: 48
• परमाणु द्रव्यमान: 112.41 u
• समूह: 12 (IIB)
• आवर्त: 5
• ब्लॉक: d-ब्लॉक
• संयोजकता/सामान्य ऑक्सीकरण अवस्था: +2
• प्रकृति: नरम, चाँदी जैसा सफेद धात्विक तत्व
• घनत्व: 8.65 g/cm³ (20 °C पर)
• गलनांक: 321.07 °C
• क्वथनांक: 767 °C
• उपस्थिति: मुख्य रूप से जिंक अयस्कों जैसे स्फेलेराइट (ZnS) में एक छोटे घटक के रूप में पाया जाता है।

इलेक्ट्रॉन विन्यास और आबंध व्यवहार

कैडमियम की इलेक्ट्रॉनिक संरचना उसके रासायनिक गुणों को निर्धारित करती है।

• मूल अवस्था इलेक्ट्रॉन विन्यास: [Kr] 4d¹⁰ 5s²
• आबंध व्यवहार:
  • कैडमियम आमतौर पर अपने दो 5s इलेक्ट्रॉनों के नुकसान के कारण +2 ऑक्सीकरण अवस्था प्रदर्शित करता है। पूरी तरह से भरा हुआ 4d¹⁰ उपकोश एक स्थिर विन्यास प्रदान करता है, जिससे d-ऑर्बिटलों से इलेक्ट्रॉनों को हटाना मुश्किल हो जाता है।
  • विशिष्ट संक्रमण धातुओं के विपरीत, कैडमियम का 4d¹⁰ विन्यास का अर्थ है कि इसके यौगिक आम तौर पर प्रतिचुंबकीय और रंगहीन होते हैं (जब तक कि ऋणायन रंगीन न हो)।
  • कैडमियम मुख्य रूप से सहसंयोजक यौगिक बनाता है, विशेष रूप से हैलाइड्स और चैल्कोजन के साथ, हालांकि अत्यधिक विद्युत्-ऋणात्मक तत्वों के साथ इसके लवणों में महत्वपूर्ण आयनिक गुण हो सकते हैं।
  • यह अमोनिया ([Cd(NH₃)₄]²⁺) और सायनाइड ([Cd(CN)₄]²⁻) जैसे लिगेंड के साथ संकुल यौगिक बनाता है, समन्वय के लिए अपने रिक्त 5p ऑर्बिटलों का उपयोग करता है।

महत्वपूर्ण रासायनिक अभिक्रियाएँ

कैडमियम एक सक्रिय धातु की विशिष्ट अभिक्रियाएँ प्रदर्शित करता है।

1. वायु/ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया: हवा में गर्म करने पर, कैडमियम जलकर कैडमियम ऑक्साइड बनाता है। 2Cd(s) + O₂(g) → 2CdO(s) (भूरा ठोस)

2. अम्लों के साथ अभिक्रिया:

   • अनऑक्सीकारक अम्लों के साथ (जैसे, HCl, तनु H₂SO₄): कैडमियम हाइड्रोजन गैस और कैडमियम लवण बनाने के लिए अभिक्रिया करता है। Cd(s) + 2HCl(aq) → CdCl₂(aq) + H₂(g) Cd(s) + H₂SO₄(aq, dilute) → CdSO₄(aq) + H₂(g)
   • ऑक्सीकारक अम्लों के साथ (जैसे, HNO₃): अभिक्रिया अधिक तीव्र होती है, जिससे नाइट्रोजन के ऑक्साइड बनते हैं। 3Cd(s) + 8HNO₃(aq, dilute) → 3Cd(NO₃)₂(aq) + 2NO(g) + 4H₂O(l) Cd(s) + 4HNO₃(aq, conc.) → Cd(NO₃)₂(aq) + 2NO₂(g) + 2H₂O(l)

3. हैलोजन के साथ अभिक्रिया: कैडमियम सीधे हैलोजन के साथ अभिक्रिया करके कैडमियम हैलाइड बनाता है। Cd(s) + Cl₂(g) → CdCl₂(s) (कैडमियम क्लोराइड) Cd(s) + Br₂(g) → CdBr₂(s) (कैडमियम ब्रोमाइड)

4. सल्फर के साथ अभिक्रिया: सल्फर के साथ गर्म करने पर कैडमियम सल्फाइड बनता है। Cd(s) + S(s) → CdS(s) (पीला ठोस, वर्णक के रूप में प्रयुक्त)

5. हाइड्रॉक्साइड का निर्माण: कैडमियम लवण प्रबल क्षारों के साथ कैडमियम हाइड्रॉक्साइड को अवक्षेपित करते हैं। Cd²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Cd(OH)₂(s) (सफेद अवक्षेप, अतिरिक्त क्षार में अल्प विलेय)

औद्योगिक और जैविक महत्व

औद्योगिक महत्व

1. बैटरी: कैडमियम निकल-कैडमियम (Ni-Cd) रिचार्जेबल बैटरी में एक प्रमुख घटक है। ये बैटरी कम तापमान और उच्च निर्वहन दरों पर अच्छा प्रदर्शन करती हैं।
2. वर्णक: कैडमियम यौगिक, विशेष रूप से कैडमियम सल्फाइड (CdS) और कैडमियम सल्फोसेलेनाइड (CdSSe), अपनी ऊष्मा स्थिरता और चमकीले रंगों के कारण पेंट, प्लास्टिक और सिरेमिक में शानदार पीले, नारंगी और लाल वर्णक के रूप में उपयोग किए जाते हैं।
3. संक्षारण-प्रतिरोधी परतें: कैडमियम प्लेटिंग स्टील को उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध प्रदान करती है, खासकर समुद्री वातावरण में, एक बलिदान परत के रूप में कार्य करके।
4. परमाणु रिएक्टरों में नियंत्रण छड़ें: अपनी उच्च न्यूट्रॉन अवशोषण क्रॉस-सेक्शन के कारण, कैडमियम का उपयोग परमाणु विखंडन रिएक्टरों में विखंडन दर को विनियमित करने के लिए नियंत्रण छड़ों में किया जाता है।
5. PVC के लिए स्टेबलाइजर्स: कैडमियम यौगिकों का उपयोग पॉलीविनाइल क्लोराइड (PVC) प्लास्टिक में ऊष्मा और प्रकाश स्टेबलाइजर्स के रूप में किया जाता है।

जैविक महत्व और विषाक्तता

1. अनिवार्यता: कैडमियम का मनुष्यों या अन्य जीवों के लिए एक आवश्यक तत्व के रूप में कोई ज्ञात जैविक भूमिका नहीं है।
2. विषाक्तता: कैडमियम और उसके यौगिक अत्यधिक विषाक्त होते हैं।
   • संचय: यह शरीर में, मुख्य रूप से गुर्दे और यकृत में, लंबी जैविक अर्ध-आयु के साथ जमा होता है।
   • स्वास्थ्य प्रभाव: लंबे समय तक संपर्क में रहने से गुर्दे की क्षति, हड्डियों का विखनिजीकरण (अस्थिमृदुता, ऑस्टियोपोरोसिस, “इताई-इताई रोग”), फेफड़ों की क्षति हो सकती है, और इसे एक मानव कार्सिनोजेन (फेफड़े, प्रोस्टेट और गुर्दे का कैंसर) के रूप में वर्गीकृत किया गया है।
   • पर्यावरण प्रदूषक: कैडमियम एक महत्वपूर्ण पर्यावरण प्रदूषक है, जो अक्सर खनन, प्रगलन और निर्माण प्रक्रियाओं से निकलता है, दूषित मिट्टी और पानी के माध्यम से खाद्य श्रृंखला में प्रवेश करता है।