48鎘元素及其常用檢測方法

你可知道？毒膠囊中主要有毒成分是什麽，今天我們要討論就是它-鎘。一種常見的對人體具有毒性的重金屬。毒膠囊中有毒的主要成分就是膠囊殼中含有超過20ppm（藥典）的鎘元素。人類對鎘元素的認識歷程可以追溯到1817年，當時德國化學家佛烈德利赫·斯特羅姆耐爾在分析一批氧化鋅時，意外地發現了鎘元素。他將這種新元素命名為「鎘」，因為它是從鋅礦石中分離出來的，與鋅相伴生。隨著時間的推移，人們逐漸認識到鎘對環境和人體健康的危害。例如，鎘汙染會導致土壤和水體受到汙染，影響農作物和野生生物的生長和生存。此外，長期接觸鎘也會對人體健康產生負面影響，如引發腎臟、肺部和骨骼等方面的疾病。另外鎘元素易在水稻，小麥中富集，是糧食中的重要監測專案之一。鎘渡層呈現很好的金屬光澤，在電鍍行業也套用很廣。下面我們來詳細介紹一下這個元素。

鎘元素的套用領域

鎘（Cd）是一種化學元素，其化學符號為Cd，原子序數為48。它是一種質地堅硬、有光澤的銀白色金屬，具有良好的延展性。以下是鎘元素在不同套用領域中的詳細介紹：

電池：鎘和鎘化合物在鎳鎘電池中廣泛套用。鎘作為一個陰極材料，在電池中發生反應，提供了高能量密度和長壽命的電源。

光學器件：鎘化合物在光學器件中起到重要作用。例如，鎘硒（CdSe）和鎘硫（CdS）等化合物可以用於制造光電二極管、激光器、太陽能電池等。

電子元件：鎘在電子元件中也有廣泛套用。例如，鎘鋅碲（CdZnTe）等化合物可用於制造半導體器件，如X射線探測器和核輻射探測器。

顏料：鎘化合物常被用作顏料，具有艷麗的顏色和良好的耐光性。其中最常見的就是鎘黃（CdS）和鎘紅（CdSe）。

防腐劑：鎘鍍層具有良好的耐腐蝕性，因此廣泛套用於金屬的防腐處理。

電子器件：鎘作為半導體材料，也被套用於太陽能電池、光電二極管等電子器件中。

合金：鎘可以與其他金屬形成合金，如鎘鍍層鋼和鎘鎘鉛合金。這些合金具有耐腐蝕性和高溫強度，被廣泛用於汽車制造、航空航天等領域。

需要註意的是，鎘是對環境和人體健康有害的物質。由於其毒性，對鎘的使用和處理需謹慎，要遵循相關的環境和安全規定。

鎘元素的物理性質

鎘（Cd）是一種化學元素，呈現銀白色，其物理性質如下：

相態：鎘在常溫常壓下為固態。它具有金屬特性，呈銀白色。

密度：鎘的密度較高，約為8.65克/立方厘米。這使得鎘具有一定的重量和質感。

熔點和沸點：鎘的熔點較低，約為321.1攝氏度（610.0華氏度），使其易於熔化和加工。而鎘的沸點較高，約為767攝氏度（1413華氏度）。

導電性：鎘是良好的導電體，具有較高的電導率。這使得鎘在電子器件中具有廣泛套用。

磁性：鎘具有鐵磁性，即在一定溫度範圍內會顯示出磁性。然而，當溫度超過特定臨界值（約為13.2攝氏度）時，鎘會變成順磁性。

膨脹系數：鎘的膨脹系數較大，即當溫度升高時，鎘的體積會擴大。這需要在設計和制造中考慮到其熱膨脹性質。

硬度：鎘的硬度較低，約為2.0摩氏硬度。因此，鎘較容易被加工和成型。

鎘元素的化學性質

鎘其化學性質如下：

反應性：鎘是一種活潑的金屬，與大多數非金屬元素發生反應。它可以與氧氣、硫、鹵素等元素反應，形成相應的化合物。

溶解性：鎘在酸性條件下溶解性較好，例如在鹽酸（HCl）或硝酸（HNO3）中能夠溶解。而在堿性條件下，鎘則不容易溶解。

氧化性：鎘具有兩個常見的氧化態，+2和+1。其中，+2氧化態是最常見的，稱為二價鎘。它可以透過與氧氣反應，形成二氧化鎘（CdO）等氧化物。

與非金屬元素反應：鎘與鹵素（氟、氯、溴、碘）反應可以形成相應的鹵化物，如氯化鎘（CdCl2）。鎘還可以與硫反應，形成硫化鎘（CdS）等化合物。

腐蝕性：鎘在濕氣和氧氣的存在下，會發生腐蝕。在空氣中，鎘表面會形成一層氧化鎘（CdO）的氧化膜，從而減緩進一步的腐蝕。

合金性：鎘可以與其他金屬形成合金，如與鉛形成合金（稱為錫鎘合金）。這種合金常用於電池、焊接和防腐等套用中。

需要註意的是，鎘是一種有毒金屬，其化合物對人體和環境具有危害。在使用和處理鎘及其化合物時，需要遵循相關的安全操作規定和環境保護要求，以最大限度地減少對健康和環境的危害。

鎘元素的生物特性

鎘（Cadmium）是一種重金屬元素，其在生物體內的生物特性引起了廣泛關註。以下是鎘元素的主要生物特性的詳細介紹：

1. 吸收： 鎘可以透過多種途徑進入生物體內，包括食物、水和空氣。在植物中，鎘透過根部吸收，然後在食物鏈中逐漸富集。

2. 分布： 一旦鎘進入生物體，它會在體內分布到各個組織和器官。鎘在肝臟、腎臟、骨骼和肺中的富集較為顯著。腎臟是鎘積累的主要器官，因為鎘主要透過腎臟排出體外。

3. 代謝： 鎘在體內的代謝相對緩慢，主要以兩價離子形式存在。在體內，鎘主要以金屬結合蛋白形式存在，其中金屬硫蛋白是一種主要的結合物。

4. 排泄： 鎘主要透過尿液排泄，尤其是透過腎臟。排泄速度相對較慢，導致鎘在體內的蓄積。

5. 對骨骼的影響： 鎘可以替代鈣進入骨骼，導致骨骼中的鈣被逐漸替代，從而影響骨骼的結構和穩定性。這可能導致骨質疏松和骨折的風險增加。

6. 對腎臟的影響： 鎘對腎臟有較大的毒性，尤其是對腎小管的損害。慢性暴露於鎘可能導致慢性腎臟疾病，並最終發展為腎功能衰竭。

7. 癌癥風險： 鎘被國際癌癥研究機構（IARC）評估為對人類可能致癌的物質。長期暴露於較高濃度的鎘可能與一些癌癥，特別是肺癌和前列腺癌，有關。

8. 對生殖系統的影響： 鎘可能對男性和女性生殖系統產生不良影響，包括降低生育能力和影響妊娠的結果。

9. 神經毒性： 鎘的神經毒性效應也受到關註，尤其是在長期或高劑量暴露情況下。

由於這些生物特性，尤其是其對腎臟和骨骼的毒性，人們對於避免過量攝入和暴露於鎘的關註日益增加。控制工業排放、合理用水、選擇低鎘含量的食品等措施都是減少鎘暴露的方法。

鎘元素的自然分布

鎘（Cd）在自然界中以極微量的形式存在，並且很少以純金屬的形式出現。以下是鎘在自然界中的分布情況：

地殼中含量：鎘是地殼中的一種稀有元素，其平均含量約為0.1毫克/千克。盡管在地殼中的含量較低，但它在一些礦石中存在，如鋅礦、銅礦和鉛礦中。

礦石中富集：鎘通常與其他金屬元素共生於礦石中。最常見的鎘礦石是鋅礦石中的鋅礬石（Sphalerite），其中可以含有可觀的鎘含量。此外，鎘還可以與鉛和銅礦石中的氧化物、硫化物和碳酸鹽等形成礦石。

水、土壤和植物中的存在：鎘可以透過天然過程進入水體和土壤中。它可以從巖石、礦石和土壤中被溶解或釋放出來，然後被吸附到土壤顆粒中。鎘也可以透過人類活動（如工業排放、農藥使用等）進入水體和土壤中。一旦進入土壤，鎘可以被植物吸收，並進入食物鏈中。

鎘元素的開采提取及冶煉

鎘的開采和冶煉提取主要有以下步驟：

礦石勘探：首先需要進行礦產資源勘探，尋找含有鎘的礦石礦床。常見的含鎘礦石主要是鋅礦石中的鋅礬石（Sphalerite），以及鉛、銅等礦石中的氧化物、硫化物和碳酸鹽。

采礦：確定了含有鎘的礦床後，進行采礦操作。具體采礦方法根據礦床類別和地質條件的不同而有所差異，例如露天開采、井下開采或水文挖掘等。

破碎和粉碎：采礦後，將礦石進行初步破碎和粉碎操作，以減小礦石顆粒的大小。

高溫冶煉：將礦石加熱到高溫，使其中的金屬部份熔化。透過冶金過程，將礦石中的金屬與其他雜質分離。在鋅礦冶煉過程中，鎘往往與鋅一起提取，並透過不同的分離和提煉技術將鎘分離出來。

電解：在一些冶煉工藝中，如電解過程，可使用電解池將金屬離子還原為純金屬。在這一步驟中，將使用電流和適當的電解質處理以提取純度較高的鎘。

精煉和提純：為了獲得高純度的鎘，可能需要進行進一步的精煉和提純步驟，例如真空蒸餾、氣相色譜等。

鎘元素的檢測方法

鎘元素的常用檢測方式主要包括原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、原子發射光譜法、電感耦合等離子體質譜法和X射線熒光光譜法。下面對這些方法進行詳細介紹：

原子吸收光譜法（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS）：將樣品溶液吸入火焰或石墨爐中，透過電熱或化學反應使鎘原子蒸發、激發、吸收特定波長的可見光，透過比較吸收光強度與標準溶液的差別來測定鎘元素的含量。

原子熒光光譜法（Atomic Fluorescence Spectroscopy，AFS）：將樣品溶液透過噴霧、電化學或熱解等方式產生鎘原子蒸氣，然後用激發光源激發鎘原子，鎘原子吸收能量後會發射特定波長的熒光，透過測量熒光強度來測定鎘元素的含量。

發射光譜法（Atomic Emission Spectroscopy，AES）：將樣品溶液透過高頻電磁場，火焰或電弧等方式將鎘原子激發到高能階，在其回到基態時會發射特定波長的光線，透過測量這些光線的強度來測定鎘元素的含量。

電感耦合等離子體質譜法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）：將樣品溶液透過等離子體噴霧進入質譜儀，利用高溫等離子體使樣品中的鎘原子與氣體離子化，然後透過質譜儀對離子進行分析和計數，從而確定鎘元素的含量。

X射線熒光光譜法（X-ray Fluorescence Spectroscopy，XRF）：將樣品用高能X射線照射，樣品中的鎘原子受到X射線的激發後會發射出特定能量的熒光訊號，透過測量熒光訊號的強度來測定鎘元素的含量。

這些常用檢測方式具有靈敏度高、準確度高、選擇性好等特點，廣泛套用於環境監測、食品安全、生物醫學等領域中對鎘元素的檢測。不同的方法適用於不同樣品類別和含量範圍，選擇合適的檢測方法可以提高檢測效果

選擇合適的鎘元素檢測方法需根據具體樣品類別、測定要求和鎘的含量範圍等因素進行綜合考慮。

原子吸收法測量鎘元素的具體套用

在元素測量中，原子吸收法具有較高的準確性和靈敏度，為研究元素的化學性質、化合物組成以及含量提供了有效的手段。

接下來，我們使用原子吸收法來測量鎘元素的含量。具體的步驟如下：

制備待測樣品。將需要測量的樣品制備成溶液，一般需要使用混酸進行消解，以便於後續的測量。

選擇合適的原子吸收光譜儀。根據待測樣品的性質和需要測量的鎘元素含量範圍，選擇合適的原子吸收光譜儀。

調整原子吸收光譜儀的參數。根據待測元素和儀器型號，調整原子吸收光譜儀的參數，包括光源、原子化器、檢測器等。

測量鎘元素的吸光度。將待測樣品放入原子化器中，透過光源發射特定波長的光輻射，待測鎘元素會吸收這些光輻射，產生能階躍遷。透過檢測器測量鎘元素的吸光度。

計算鎘元素的含量。根據吸光度和標準曲線，計算出鎘元素的含量。

以下是一款儀器測量鎘元素用到的具體參數。

實際工作中需要根據現場具體需要和條件選擇適合的測量方法。以上這些方法在實驗室和工業中廣泛套用於元素的分析和檢測。

鎘(Cd）

標準物：純鎘片或鎘粒（99.99％）或優級純CdSO4·8pO。

方法：準確稱取1.000g鎘後，溶於少量（1＋1）HNO3中，用水準確定容至1L，此溶液中Cd濃度為1000μg/mL。避光保存於聚乙烯瓶中。

火焰類別：空氣－乙炔，貧燃焰。

分析參數：

波長（nm） 228.8

光譜頻寬（nm） 0.4

濾波系數 0.3

推薦燈電流（mA） 2

負高壓（v） 317.50

燃燒頭高度（mm） 5

積分時間（S） 3

空氣壓力及流量（MPa，mL/min） 0.20

乙炔壓力及流量（MPa，mL/min） 0.05，1300

霧化器型號 WNA-1型吳氏金屬套玻璃高效霧化器

線性範圍（μg/mL） 0.01～1

線性相依系數 0.9994

特征濃度(μg/mL) 0.010

檢出限(μg/mL) 0.002

RSD(％) 0.55

計算方式 連續法

溶液酸度 0.5％ HNO3

測量表格：

校準曲線：

幹擾：

在空氣－乙炔火焰中未發現幹擾。燈電流嚴重影響靈敏度，低的電流有高的靈敏度。火焰狀態嚴重影響靈敏度，應仔細調節乙炔流量以獲得最大靈敏度。

實際工作中需要根據現場具體需要選擇適合的測量方法。這些方法在實驗室和工業中廣泛套用於鎘元素的分析和檢測。

鎘元素是一個具有重要套用價值的元素，但同時也對環境和人體健康存在潛在的危害。隨著科學技術的不斷發展和環保意識的提高，人們需要更加深入地了解鎘的性質和影響，采取有效的措施來限制其使用和排放，以保護弓境和人類健康。雖然鎘元素在現代社會中仍然發揮著重要的作用，但我們需要時刻警惕其潛在的危害，積極尋求更加環保和可持續的替代品，為未來的可持續發展做出貢獻。