Cadmium ist ein silbergraues, weiches, duktiles und sehr giftiges Metall, welches als eher selten auf der Erde gilt, besonders in reiner Form. Es kommt meistens in Mineralien vor, darunterMonteponit,Greenockit oder aber auchCadmoselit. Cadmium wird hauptsächlich inChina abgebaut. Es findet Verwendung in Lampen,Lasern,Batterien sowie alsPigment. Aufgrund seiner enormen Toxizität wird es allerdings in bestimmten Anwendungen von weniger giftigen Alternativen verdrängt, für einige Applikationen wurde es sogar in bestimmten Ländern verboten.
Neben Stromeyer untersuchten auch Hermann[18] und weitere Chemiker das Zinkoxid und versuchten, das unbekannte Element zu isolieren. Stromeyer löste die Ausgangssubstanz zunächst inSchwefelsäure und leiteteSchwefelwasserstoff durch die Lösung. Das entstandeneCadmiumsulfid wurde inSalzsäure gelöst und mitAmmoniumcarbonat wurdeCadmiumcarbonat ausgefällt. Dieses wurde mit zumCadmiumoxid geglüht und schließlich mit Holzkohle zum Metallreduziert. Für dieses konnte Stromeyer einige Eigenschaften bestimmen, etwa ein spezifisches Gewicht von 8,6944.[19] Er wählte den NamenKadmium für das neue Element, da er es in Zinkoxid gefunden hatte.[16] Weitere vorgeschlagene Namen warenKlaprothium (nachMartin Heinrich Klaproth),Melinum (nach lateinischmelinus fürQuitten auf Grund der Farbe) undJunionium (nachJuno). Zwischen Stromeyer, Hermann und Roloff entwickelte sich eine Diskussion, wer von ihnen als Entdecker des Cadmiums gelten kann, jedoch blieb der von Stromeyer vergebene Name für das Element.[20][21]
Der NameCadmium oderKadmium leitet sich vomlateinischen bzw.griechischen Namencadmia bzw.kadmeia des ZinkerzesGalmei ab. Dieses ist schon seit der Antike bekannt und wird unter anderem vonPlinius dem Älteren in derNaturalis historia undPedanios Dioskurides erwähnt.[22] Woher die Bezeichnung ursprünglich stammt, ist unklar. Eine Möglichkeit ist, dass sie ursprünglich auf denmythologischenKadmos zurückgeht, der angeblich als erster Zinkerze inGriechenland verhüttet hat.Georgius Agricola schrieb, dass der Name von der PflanzenartKalmus (lateinischcalamus) stamme, da Galmei im Brennofen ähnlich aussehende dünneStalaktiten bildet.[23][24]
Cadmium wurde ab etwa 1829 in Oberschlesien produziert und für Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt,Letternmetall und die blaueFlammenfarbe vonFeuerwerk genutzt. Schon Stromeyer schlug die Verwendung von Cadmiumsulfid als gelbesPigment in derMalerei vor. 1829 führte MelandriCadmiumgelb in dieÖlmalerei ein, aber erst ab den 1840er Jahren standen größere Mengen Cadmiumverbindungen zur Verfügung und es wurde von verschiedenen Malern wieClaude Monet verwendet.[25]
Die Giftigkeit von Cadmiumverbindungen wurde erstmals 1858 beobachtet.[26] Trotzdem wurden im 19. JahrhundertCadmiumiodid undCadmiumsulfat gelegentlich medizinisch verwendet. Letzteres wurde alsBrechmittel eingesetzt.[27]
Cadmium ist mit einem Gehalt von 0,15 ppm in derkontinentalen Erdkruste ein seltenes Element.[29] Auch wenn man die gesamte Erde betrachtet, ist der Cadmiumgehalt mit 0,18 ppm vergleichbar. Dabei ist der Anteil imErdkern mit 0,32 ppm relativ hoch, während imErdmantel nur geringe Mengen des Elements vorhanden sind.[30.1] Dies liegt darin, dass Cadmium ein moderatvolatiles Element ist und unter den Bedingungen der Erdentstehung sowohlsiderophile (eisenliebende) als auch chalkophile (schwefelliebende) Eigenschaften aufweist.[31] Dadurch sind bei der Entstehung der Erde große Mengen Cadmium in den Kern abgesunken, es wird geschätzt, dass über 80 % des auf der Erde vorhandenen Cadmium sich im Kern befindet.[30.2]
Auf Grund der ähnlichenIonenradien ist Cadmium stets mitZinkvergesellschaftet. Insbesondere die Zinkminerale,Sphalerit,Wurtzit undSmithsonit können bis zu 5 % Cadmium enthalten. Wichtigstes cadmiumreiches Mineral ist dabei Sphalerit. Wie hoch der Cadmiumgehalt eines Sphalerits ist, hängt dabei von verschiedenen Faktoren bei der Entstehung ab. Neben dem Zink-Cadmium-Verhältnis derhydrothermalen Ausgangslösung spielen auch Faktoren wie die Temperatur, derpH-Wert oder die Konzentration an reduzierenden Schwefelverbindungen wieSchwefelwasserstoff eine Rolle. Cadmiumminerale wieGreenockit (CdS) bilden sich nicht hydrothermal, da hierfür das Verhältnis zum Zink in der Ausganglösung zu gering ist. Greenockit bildet sich erst alsSekundärmineral unter Einfluss von Wasser.[33]
Cadmium ist ein mobiles Element und kann aus solches aus Gesteinen gelöst werden und inBöden undGrundwasser gelangen. Der Gehalt an Cadmium ist dabei stark vom umgebenden Gestein abhängig und beträgt normalerweise bis zu 5 μg/l inBodenwasser und 1 μg/l in Grundwasser. In besonders belastetem Grundwasser inPakistan wurden Konzentrationen von 10 μg/l gemessen. In nicht kontaminierten Böden beträgt der weltweite durchschnittliche Gehalt an Cadmium 0,36 mg/kg. Ist der Cadmiumgehalt eines Bodens über 3 mg/kg, ist dieser entweder durch einen speziellen geologischen Hintergrund oder menschlichen Einfluss kontaminiert. Auch in die Atmosphäre kann Cadmium gelangen, wichtige natürliche Quellen sind cadmiumhaltige Stäube, etwa aus Wüsten,Waldbrände, Meerwasser-Gischt undVulkanausbrüche.[35]
Aus kontaminierten Böden können Pflanzen Cadmium aufnehmen. Diese werden davon negativ beeinflusst, es werden etwa das Wachstum und dieKeimung unterdrückt, die Nährstoffaufnahme undPhotosynthese gestört.[36] Es sind aber auch einige Pflanzen wieArabis gemmifera,Chromolaena odorata oderNitella opaca bekannt, die höhere Dosen Cadmium tolerieren und das Metall akkumulieren.[37] Besonders problematisch ist, wenn Nutzpflanzen Cadmium aufnehmen und das Schwermetall so in die Nahrungskette gelangt und auch die menschliche Gesundheit schädigen kann. Dies betrifft besondersReis, der eine der Feldfrüchte mit der höchsten Cadmiumanreicherung ist.[38]
Durch menschliches Handeln gelangen größere Mengen Cadmium in die Umwelt. Zu den wichtigsten anthropogenen Quellen von Cadmium gehören Bergwerke, dieMetallindustrie, Abfälle inMülldeponien oderKlärschlamm, dieLandwirtschaft sowie die Herstellung vonPigmenten undBeschichtungen. In der Landwirtschaft kommt Cadmium vor allem über die Herstellung und Verwendung vonPhosphatdünger in Böden, da diese häufig mit Cadmium verunreinigt sind. Wichtigster Abfallstoff, über den das Element in die Umwelt gelangt, sind weggeworfeneNickel-Cadmium-Batterien.[35]
Natürlich vorkommendes Cadmium in seiner elementaren Form wurde erstmals 1979 durch B. W. Oleinikow, A. W. Okrugin, N. W. Leskowa (russischБ. В. Олейников, А. В. Округин, Н. В. Лескова) beschrieben[39] und von derInternational Mineralogical Association (IMA) als eigenständigeMineralart anerkannt (Interne Eingangsnummer der IMA:1980-086a).[40][41]
Die seit 2021 ebenfalls von der IMA/CNMNC anerkannte Kurzbezeichnung (auchMineral-Symbol) von Cadmium entspricht mit „Cd“ dem Elementsymbol.[42]
Elementares Cadmium kommt äußerst selten vor. Außer von seiner Typlokalität am Unteren Khann'ya kennt man gediegen Cadmium bisher (Stand 2024) nur noch vomJana-Flussbecken naheWerchojansk und der Billeekh Intrusion (ebenfalls Republik Sacha) sowie aus dem Burabaiskii-Massiv imGebiet Aqmola in Kasachstan und den Goldstrike-Gruben beiLynn imEureka County des US-BundesstaatesNevada.[46]
Da gediegen Cadmium erst 1980 als eigenständiges Mineral anerkannt wurde, ist er in der zuletzt 1977 überarbeiteten8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz noch nicht verzeichnet.
Die von derInternational Mineralogical Association (IMA) zuletzt 2009 aktualisierte9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet den Cadmium ebenfalls in die Abteilung der „Metalle und intermetallische Verbindungen“ ein. Diese ist weiter unterteilt nach den in der Verbindung vorherrschenden Metallen, die entsprechend ihrer verwandten Eigenschaften in Metallfamilien eingeteilt wurden. Cadmium ist hier entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung„Zink-Messing-Familie“ zu finden, wo es zusammen mit Hexamolybdän, Titan, Zink die „Zink-Gruppe“ mit der Systemnummer1.AB.05 bildet.[48]
In der vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchlichenSystematik der Minerale nach Dana hat Cadmium die System- und Mineralnummer 01.01.05.02. Dies entspricht der Klasse und gleichnamigen Abteilung „Elemente“, wo das Mineral zusammen mit Zink in einer unbenannte Gruppe mit der Systemnummer01.01.05 innerhalb der Unterabteilung „Elemente: Metallische Elemente außer der Platingruppe“ zu finden ist.[49]
Cadmium wird ausschließlich als Nebenprodukt bei der Zinkverhüttung, in kleinem Umfang auch bei derBlei- undKupferverhüttung gewonnen. Kleinere Mengen fallen auch beim Recycling vonEisen undStahl an.
Die Gewinnung von Cadmium hängt vom Verfahren ab, wie das Zink gewonnen wird. Bei dertrockenen Zinkgewinnung wird zunächst das Cadmium mit dem Zink reduziert. Da Cadmium einen niedrigeren Siedepunkt als Zink besitzt, verdampft es leichter. Dadurch verdampft ein Cadmium-Zink-Gemisch aus dem Reduktionsgefäß und reagiert an anderer Stelle mitSauerstoff zuCadmium- undZinkoxid. Anschließend wird dieses Gemisch in einemDestillationsgefäß mitKoks vermischt und das Cadmium vom Zink abdestilliert. Durchfraktionierende Destillation lassen sich höhere Reinheiten an Cadmium erreichen.
Bei dernassen Zinkgewinnung werden die gelösten Cadmiumionen mit Zinkstaub reduziert und ausgefällt. Das dabei entstehende Cadmium wird mit Sauerstoff zu Cadmiumoxid oxidiert und inSchwefelsäure gelöst. Aus der so entstandenen Cadmiumsulfat-Lösung wird durchElektrolyse mitAluminiumanoden und Bleikathoden besonders reines Elektrolyt-Cadmium gewonnen.
Die weltweite Gewinnung von Cadmium betrug im Jahr 2020 ca. 24.000 Tonnen. Der größte Produzent ist China, gefolgt von Südkorea. Eine zunehmende Rolle bei der Cadmiumgewinnung spielt auch das Recycling von NiCd Batterien[50]
Cadmium ist ein silbrig glänzendes Metall mit einerDichte von 8,65 g/cm³. Es ist weich (Mohshärte 2),plastisch verformbar und lässt sich ebenso mit dem Messer anschneiden wie zu Drähten ziehen und zu Blättchen aushämmern.[53]
Wegen der hohen Toxizität von Cadmium nimmt dessen Bedeutung ab. Seit Dezember 2011 ist es in Schmuck, Legierungen zum Löten und inPVC in derEuropäischen Union verboten.[56][57]Cadmium wird bzw. wurde eingesetzt:
alsKorrosionsschutz für Eisenwerkstoffe (Kadmierung und massive Verlustanoden im Schiffbau)
für gelbe bis tiefrote Farbpigmente ausCadmiumsulfid undCadmiumselenid fürLacke undKunststoffe (mittlerweile geringe Praxisbedeutung wegen möglicher Gesundheitsgefährdung, vor allem bei der Verbrennung entsprechender Artikel)
Cadmium-Kupfer-Legierungen (um 1 % Cd) mit guterFestigkeit bei noch guterLeitfähigkeit; Einsatzgebiete u. a. in Freileitungen, Oberleitungen und Schweißelektroden
Cd-Stearat als Stabilisator in Kunststoffen beispielsweise in PVC (unempfindlich gegen Licht, allerdings mittlerweile von geringer Praxisbedeutung wegen möglicher Gesundheitsgefährdungen)
AlsVorprobe für Cadmium kann die sogenannte Glühröhrchenprobe dienen.[60] Hierzu wird etwas Ursubstanz in einem hochschmelzenden Glühröhrchen erhitzt und das entstehende Sulfid-Oxid-Gemisch mitNatriumoxalat zu den Metallen reduziert. Als leichtflüchtiger Bestandteil verdampft Cadmium und scheidet sich als Metallspiegel am oberen Teil des Röhrchens ab.
Durch anschließende Zugabe von Schwefel und erneutem Glühen bildet sich aus dem Metallspiegel und Schwefeldampf Cadmiumsulfid, welches in der Hitze rot und bei Raumtemperatur gelb ist. Dieser Farbwechsel lässt sich einige Male wiederholen.
AlsNachweisreaktion für Cadmium-Kationen gilt die Ausfällung mitSulfid-Lösung oder Schwefelwasserstoff-Wasser als gelbes Cadmiumsulfid. Andere Schwermetallionen stören diesen Nachweis, so dass zuvor einKationentrenngang durchzuführen ist.
Cadmium ist alssehr giftig und seine Verbindungen vongesundheitsschädlich (wie Cadmiumtellurid) übergiftig (z. B. Cadmiumsulfid) bissehr giftig (so bei Cadmiumoxid) eingestuft; außerdem besteht begründeter Verdacht auf krebsauslösende Wirkung beim Menschen. Eingeatmeter cadmiumhaltiger Staub führt zu Schäden an Lunge, Leber und Niere.
In Arbeitsbereichen, in denen mit erhitzten Cadmiumverbindungen gearbeitet wird (Lötplätze und Cadmierbäder), ist für eine gute Durchlüftung oder Absaugung zu sorgen.
In derEuropäischen Union gilt seit 10. Dezember 2011 für Cadmium ein Verbot der Verwendung und desInverkehrbringens in vielen Kunststoffen, Farben, Stabilisierungsmitteln, Loten sowie bestimmten Metallerzeugnissen, insbesondereBedarfsgegenständen wie etwa Schmuck[64][65] Vorher war in Silberhartlot typischerweise 10 % bis 25 %, in Schmuck für Kinder bis zu 30 %, in PVC 0,2 % Cadmium enthalten.[66] Oft wird für das Inverkehrbringen ein Grenzwert von 0,01 Gewichtsprozent (100 mg/kg) gesetzt, da man davon ausgeht, dass es sich bei einem Gehalt darunter um eine unbeabsichtigte, also unvermeidbare Verunreinigung handelt.[67] Mit der Verordnung (EU) 2016/217 vom 16. Februar 2016 wurde das Verbot auf das Inverkehrbringen von Cadmium in bestimmten Anstrichfarben und Lacken – auch mit höherem Zinkgehalt – und in mit solchen Mitteln gestrichenen Erzeugnissen erweitert.[68] Es gibt noch Ausnahmen etwa für bestimmte Baustoffe wie Zäune aus hartem PVC-Recyclat, sofern der Cadmiumgehalt im Kunststoff 0,1 Masseprozent nicht übersteigt und das Erzeugnis als Recycling-PVC gekennzeichnet ist, für besondere Anwendungen wie Luftfahrt oder Militär oder wegen der hohen Leistungsdichte fürNiCd-Akkus in Schnurloselektrogeräten.
In derEU werden die Höchstmengen an Cadmium in Lebensmitteln durch dieVerordnung (EU) Nr. 2023/915 geregelt. Die jeweiligen Höchstgrenzen hängen dabei vom Erzeugnis ab und orientieren sich auch daran, was durchgute Herstellungspraxis odergute landwirtschaftliche Praxis erreichbar ist. Der niedrigste Wert wird für flüssige Säuglingsnahrung, die aus Kuhmilchproteinenoder aus Kuhmilchproteinhydrolysaten hergestellt ist, mit 0,005 mg/kg vorgeschrieben. 0,050 mg/kg ist der Grenzwert etwa fürFleisch, tropischeWurzeln undKnollen,Knoblauch,Roggen,Gerste und verschiedeneFrüchte und Kulturpilze. FürKrebstiere gilt ein Grenzwert von 0,50 mg/kg, fürMuscheln ein Grenzwert von 1,0 mg/kg. InMohnsamen sind maximal 1,2 mg/kg und inNahrungsergänzungsmitteln sogar bis zu 3,0 mg/kg erlaubt.
Die Höchstmenge an Cadmium im Trinkwasser in der EU wird durch dieRichtlinie (EU) 2020/2184 auf 5 μg/l festgelegt.
DieWeltgesundheitsorganisation hat ihre Aussage zurtolerierbaren Aufnahmemenge für Cadmium in den letzten Jahren mehrfach nach unten angepasst, zuletzt 2013 auf eine tolerierbare monatliche Aufnahmemenge (TMI) von 25 µg je Kilogramm Körpergewicht.[70] DieEuropäische Behörde für Lebensmittelsicherheit hat 2009 einen wiederum deutlich niedrigeren Wert von 2,5 µg je Kilogramm Körpergewicht tolerierbare wöchentlich Aufnahmemenge (TWI) ausgegeben.[71]
Cadmium wird vom Menschen hauptsächlich durch die Nahrung aufgenommen. Zu den cadmiumreichen Nahrungsmitteln zählen:
Es wird empfohlen, täglich nicht mehr als 20 g Leinsamen zu sich zu nehmen.[72]
Zudem kommt es seit der Einführung vonKunstdüngern zu einer Anreicherung von Cadmium auf landwirtschaftlichen Flächen und somit in nahezu allen Lebensmitteln. DieRessourcen von Phosphaten sind begrenzt, und die meisten Vorkommen sind belastet mit Cadmium oder radioaktivenSchwermetallen. Der Cadmiumgehalt der Phosphatlagerstätten ist sehr unterschiedlich. VieleIndustrieländer haben bereits einenGrenzwert für Cadmium in Düngemitteln eingeführt.[73] So gilt für dasInverkehrbringen von Düngemittel in Deutschland ein Grenzwert von 1,5 mg/kg und bei Düngemittel mit mehr als 5 % Phosphat bei 50 mg/kg,[74] während diese Grenzwerte in Österreich bei 3 mg/kg und 75 mg/kg P2O5 liegen.[75] In der Schweiz werden die Grenzwerte seit Jahren regelmäßig überschritten.[76] AuchTabakrauch transportiert relativ große Cadmiummengen in die Lungen, von wo aus es sich mit dem Blut im Körper verteilt.
Besonders Personen, die in Fabriken mit hohem Cadmiumausstoß arbeiten, sind erhöhten Gefahren ausgesetzt. Auch von wildenMüllplätzen, Metallwerken oder Bränden gehen Gefahren aus. Das Einatmen von Cadmium kann die Lungen ernsthaft schädigen und sogar zum Tod führen. Dokumentierte Folgen nach Unfällen in der Industrie – wie in der chinesischen ProvinzGuangdong[77][78][79] – oder nach jahrzehntelanger Emissionen – wie im Falle derItai-Itai-Krankheit (bei Menschen) und derGressenicher Krankheit (bei Weidevieh) – machen die realen Gefahren deutlich.
Cadmium kann sich industrie- oder umweltbedingt allmählich im Körperanreichern und eine schwer erkennbarechronische Vergiftung hervorrufen.
Cadmium wird aus der Nahrung zu ungefähr 5 % im Darm resorbiert. BeiEisen- undCalciummangel steigt die Resorptionsrate, was annehmen lässt, dass alle drei Metalle denselben Transportweg nutzen. Cadmium stimuliert zunächst in der Leber die Synthese vonMetallothioneinen, mit denen es einen Komplex bildet und über denBlutkreislauf zu den Nierenglomeruli transportiert, dort filtriert und aus den Nierentubuli wieder aufgenommen wird. In den Tubuluszellen wird der Metallothionein-Cadmium-Komplex metabolisiert und Cd freigesetzt. Cd aktiviert hier wiederum eine vermehrte Metallothioneinsynthese, wodurch noch mehr Cadmium gebunden wird. Durch die Akkumulation in den Nieren kommt es zu Schädigungen dieses Organs mit der Folge einerProteinurie. Durch diese Proteinbindung wird Cadmium nur extrem langsam ausgeschieden, die Halbwertszeit für den Verbleib im Körper beträgt bis zu 30 Jahren. Daher steigt der Cadmiumgehalt von Geburt an und fällt erst wieder bei einem Alter von 50–60 Jahren.[80]
Cadmium schädigt auch dieKnochen, da es letztendlich zur Mobilisierung des Calciums führt. Cd konkurriert im Darm mit demCalcium um die Bindungsstellen am Ca-bindenden Protein in der Darmmukosa. Zusätzlich blockiert Cd die Neusynthese des 1,25-Dihydroxycholecalciferol (Calcitriol) in den Nierentubuluszellen. 1,25-Dihydroxycholecalciferol ist notwendig, um die Synthese des Calciumbindenden Proteins in der Darmmukosazelle zu aktivieren. In summa bewirkt Cadmium eine verminderte Rückresorption des Calciums in Darm und Niere sowie die erhöhte Ausscheidung mit dem Harn mit der Folge einer Calciumfreisetzung aus den Knochen und damit dem Abbau derselbigen.
Bei einer akutenCadmiumvergiftung kann diebiliäre Ausscheidung durch Gabe vonPenicillamin oderDimercaprol unterstützt werden. Eine effektive, darüber hinausgehende Therapie einer akuten Cadmiumvergiftung ist nicht bekannt.[81]
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