कॅडमियम (Cd) - सर्वसमावेशक परीक्षा अभ्यास मार्गदर्शक

परिचय: कॅडमियम महत्त्वाचे का आहे

कॅडमियम (Cd) हा एक तुलनेने दुर्मिळ, मऊ, चांदीसारखा पांढरा आणि तन्य धातू आहे. हा एक d-ब्लॉक मूलद्रव्य आहे, जो अनेकदा जस्त धातूंमध्ये (zinc ores) आढळतो. त्याचे अनन्य रासायनिक गुणधर्म त्याला विविध उद्योगांमध्ये उपयुक्त ठरवतात, परंतु त्याची उच्च विषारीता पर्यावरण आणि आरोग्यासाठी गंभीर चिंता निर्माण करते, यामुळे त्याचे महत्त्व वाढते. d-ब्लॉक रसायनशास्त्र आणि पर्यावरण विज्ञानाचे पैलू समजून घेण्यासाठी कॅडमियमचे ज्ञान आवश्यक आहे.

CBSE/JEE जलद उजळणी नोट्स

• संज्ञा: Cd
• अणुक्रमांक: 48
• अणुवस्तुमान: 112.41 u
• गट: 12 (IIB)
• आवर्त: 5
• ब्लॉक: d-ब्लॉक
• संयुजा/सामान्य ऑक्सिडिकरण अवस्था: +2
• स्वरूप: मऊ, चांदीसारखे पांढरे धातूचे मूलद्रव्य
• घनता: 8.65 g/cm³ (20 °C ला)
• वितळण्याचा बिंदू: 321.07 °C
• उत्कलनांक: 767 °C
• आढळ: प्रामुख्याने स्फॅलेराइट (ZnS) सारख्या जस्त धातूंमध्ये अल्प घटक म्हणून आढळते.

इलेक्ट्रॉन संरूपण आणि बंधनाची वर्तणूक

कॅडमियमची इलेक्ट्रॉन रचना त्याचे रासायनिक गुणधर्म ठरवते.

• मूळ स्थितीतील इलेक्ट्रॉन संरूपण: [Kr] 4d¹⁰ 5s²
• बंधनाची वर्तणूक:
  • कॅडमियम सामान्यतः त्याच्या दोन 5s इलेक्ट्रॉन गमावल्यामुळे +2 ऑक्सिडिकरण अवस्था दर्शवतो. पूर्णपणे भरलेल्या 4d¹⁰ उपकक्षेमुळे स्थिर संरूपण मिळते, ज्यामुळे d-ऑर्बिटल्समधून इलेक्ट्रॉन काढणे कठीण होते.
  • सामान्य संक्रमण धातूंच्या विपरीत, कॅडमियमचे 4d¹⁰ संरूपण म्हणजे त्याची संयुगे सामान्यतः प्रतिचुंबकीय (diamagnetic) आणि रंगहीन असतात (जोपर्यंत ॲनायन रंगीत नसेल).
  • कॅडमियम प्रामुख्याने सहसंयुज संयुगे (covalent compounds) तयार करतो, विशेषतः हॅलाइड्स आणि चालकोजेनसोबत, जरी अत्यंत ऋणविद्युत घटकांसोबतच्या त्याच्या क्षारांमध्ये लक्षणीय आयनिक गुणधर्म असू शकतात.
  • ते अमोनिया ([Cd(NH₃)₄]²⁺) आणि सायनाइड ([Cd(CN)₄]²⁻) सारख्या लिगँड्ससह संकुल संयुगे (complex compounds) तयार करते, समन्वयासाठी त्याच्या रिक्त 5p ऑर्बिटल्सचा वापर करते.

महत्त्वाच्या रासायनिक अभिक्रिया

कॅडमियम सक्रिय धातूंमध्ये आढळणाऱ्या वैशिष्ट्यपूर्ण अभिक्रिया दर्शवतो.

1. हवा/ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया: हवेत गरम केल्यावर, कॅडमियम जळून कॅडमियम ऑक्साईड तयार करतो. 2Cd(s) + O₂(g) → 2CdO(s) (तपकिरी स्थायू)

2. आम्लांसोबत अभिक्रिया:

   • ऑक्सिडिकरण न करणाऱ्या आम्लांसोबत (उदा. HCl, विरल H₂SO₄): कॅडमियम अभिक्रिया करून हायड्रोजन वायू आणि कॅडमियम क्षार तयार करतो. Cd(s) + 2HCl(aq) → CdCl₂(aq) + H₂(g) Cd(s) + H₂SO₄(aq, dilute) → CdSO₄(aq) + H₂(g)
   • ऑक्सिडिकरण करणाऱ्या आम्लांसोबत (उदा. HNO₃): अभिक्रिया अधिक तीव्र असते, नायट्रोजनचे ऑक्साईड तयार होतात. 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. हॅलोजेनसोबत अभिक्रिया: कॅडमियम हॅलोजेनसोबत थेट अभिक्रिया करून कॅडमियम हॅलाइड्स तयार करतो. Cd(s) + Cl₂(g) → CdCl₂(s) (कॅडमियम क्लोराईड) Cd(s) + Br₂(g) → CdBr₂(s) (कॅडमियम ब्रोमाईड)

4. गंधकासोबत (Sulfur) अभिक्रिया: गंधकासोबत गरम केल्यावर, कॅडमियम सल्फाइड तयार होते. Cd(s) + S(s) → CdS(s) (पिवळा स्थायू, रंगद्रव्य म्हणून वापरला जातो)

5. हायड्रॉक्साईडची निर्मिती: कॅडमियम क्षार तीव्र अल्कलींसोबत कॅडमियम हायड्रॉक्साईडचे अवक्षेप देतात. Cd²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Cd(OH)₂(s) (पांढरा अवक्षेप, जास्त अल्कलीमध्ये कमी प्रमाणात विद्राव्य)

औद्योगिक आणि जैविक महत्त्व

औद्योगिक महत्त्व

1. बॅटरी: कॅडमियम निकेल-कॅडमियम (Ni-Cd) रिचार्जेबल बॅटरी मध्ये एक महत्त्वाचा घटक आहे. या बॅटरी कमी तापमानात आणि उच्च डिस्चार्ज दरांवर चांगले कार्यप्रदर्शन देतात.
2. रंगद्रव्ये (Pigments): कॅडमियम संयुगे, विशेषतः कॅडमियम सल्फाइड (CdS) आणि कॅडमियम सल्फोसेलेनाइड (CdSSe), त्यांच्या उष्णता स्थिरता आणि तेजस्वी रंगामुळे पेंट, प्लास्टिक आणि सिरॅमिक्समध्ये चमकदार पिवळे, नारंगी आणि लाल रंगद्रव्ये म्हणून वापरले जातात.
3. गंज-प्रतिरोधक लेप (Corrosion-Resistant Coatings): कॅडमियम प्लेटिंग स्टीलला, विशेषतः सागरी वातावरणात, बलिदानात्मक लेप (sacrificial coating) म्हणून कार्य करून उत्कृष्ट गंज प्रतिरोध प्रदान करते.
4. अणुभट्ट्यांमधील नियंत्रण कांड्या (Control Rods in Nuclear Reactors): त्याच्या उच्च न्यूट्रॉन शोषण छेदामुळे (neutron absorption cross-section), कॅडमियमचा उपयोग अणुविखंडन (nuclear fission) भट्ट्यांमध्ये विखंडन दर नियंत्रित करण्यासाठी नियंत्रण कांड्यांमध्ये केला जातो.
5. PVC साठी स्थिरीकरण (Stabilizers for PVC): पॉलीविनाइल क्लोराईड (PVC) प्लास्टिकमध्ये उष्णता आणि प्रकाश स्थिरीकरण म्हणून कॅडमियम संयुगांचा वापर केला जातो.

जैविक महत्त्व आणि विषारीपणा

1. आवश्यकता: कॅडमियमचा मानवांसाठी किंवा इतर सजीवांसाठी आवश्यक घटक म्हणून कोणताही ज्ञात जैविक भूमिका नाही.
2. विषारीपणा: कॅडमियम आणि त्याची संयुगे अत्यंत विषारी आहेत.
   • संचय (Accumulation): हे शरीरात, प्रामुख्याने मूत्रपिंड आणि यकृतामध्ये जमा होते, ज्याचा जैविक अर्ध-जीवनकाळ (biological half-life) दीर्घ असतो.
   • आरोग्यावर परिणाम: दीर्घकाळ संपर्कात राहिल्यास मूत्रपिंडाचे नुकसान, हाडांचे निर्खनिजीकरण (osteomalacia, osteoporosis, “इताई-इताई रोग”), फुफ्फुसाचे नुकसान होऊ शकते आणि याला मानवी कर्करोगजनक (carcinogen) म्हणून वर्गीकृत केले जाते (फुफ्फुस, प्रोस्टेट आणि मूत्रपिंडाचा कर्करोग).
   • पर्यावरणातील प्रदूषक: कॅडमियम एक महत्त्वाचे पर्यावरणीय प्रदूषक आहे, जे अनेकदा खाणकाम, धातू गाळणे (smelting) आणि उत्पादन प्रक्रियांद्वारे वातावरणात सोडले जाते आणि दूषित माती व पाण्याद्वारे अन्नसाखळीत प्रवेश करते.