カドミウム

カドミウムは化学元素であり、記号 はCd、原子番号は48です。この柔らかい銀白色の金属は、化学的には第12族の他の2つの安定金属である亜鉛と水銀に似ています。亜鉛と同様に、ほとんどの化合物で+2の酸化状態を示し、水銀と同様に、第3族から第11族の遷移金属よりも融点が低くなっています。カドミウムとその第12族の同族元素は、元素または一般的な酸化状態で部分的に満たされたdまたはf電子殻を持たないため、遷移金属とはみなされないことがよくあります。地殻中のカドミウムの平均濃度は、百万分率(ppm)で0.1～0.5です。1817年にドイツのストロマイヤーとヘルマンによって、炭酸亜鉛の不純物として同時に発見されました。

カドミウムはほとんどの亜鉛鉱石に微量成分として含まれており、亜鉛生産の副産物です。1900年代には鋼鉄の耐食性めっきとして長らく使用され、カドミウム化合物は赤、オレンジ、黄色の顔料、ガラスの着色、プラスチックの安定化剤として使用されています。カドミウムは毒性があるため、その使用は一般的に減少傾向にあり、ニッケルカドミウム電池はニッケル水素電池やリチウムイオン電池に置き換えられています。カドミウムは中性子吸収剤であるため、原子炉の制御棒の構成要素としても使用されています。数少ない新たな用途の一つとして、テルル化カドミウム太陽電池パネルがあります。

カドミウムは高等生物において既知の生物学的機能を持たないが、海洋珪藻類にはカドミウム依存性の炭酸脱水酵素が存在することが発見されている。

カドミウム（ラテン語cadmia、ギリシャ語καδμείαは「カラミン」を意味し、ギリシャ神話のテーベの創設者カドモスにちなんで名付けられたカドミウム含有鉱物混合物）は、 1817 年にドイツの薬局で販売されていた汚染された亜鉛化合物からフリードリヒ・シュトロマイヤーによって発見された^{[ 17 ]}。^{[ 18 ]}カール・ザムエル・レーベレヒト・ヘルマンは同時に酸化亜鉛の変色を調査し、硫化水素との黄色の沈殿物から、最初はヒ素と疑われた不純物を発見した。さらにシュトロマイヤーは、ある供給業者が酸化亜鉛の代わりに炭酸亜鉛を販売していたことを発見した^{[ 19 ]}シュトロマイヤーは炭酸亜鉛（カラミン）の不純物としてこの新元素を発見し、100 年間、ドイツはこの金属の唯一の重要な生産国であり続けた。この金属は、この亜鉛鉱石中に見つかったことから、ラテン語でカラミンを意味する言葉にちなんで名付けられました。ストロマイヤーは、カラミンの不純なサンプルは加熱すると色が変わるが、純粋なカラミンは変わらないことに気づきました。彼はこれらの結果を研究し続け、最終的に硫化物を焙焼して還元することでカドミウム金属を分離しました。カドミウムイエローが顔料として利用できる可能性は1840年代に認識されましたが、初期のカドミウムの不足により、この用途は制限されました。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

カドミウムとその化合物は特定の形態や濃度では毒性があるにもかかわらず、1907年の英国医薬品規格では、ヨウ化カドミウムが「関節の腫れ、腺病質、凍瘡」の治療薬として使用されていたと記載されている。^{[ 23 ]}

1907年、国際天文学連合は国際オングストロームを 赤色カドミウムスペクトル線（1波長＝6438.46963Å ）に基づいて定義した。 ^{[ 24 ] [ 25 ]}これは1927年の第7回度量衡総会で採用された。 1960年には、メートルとオングストロームの両方の定義がクリプトンを使用するように変更された。^{[ 26 ]}

1930年代と1940年代にカドミウムの工業規模生産が始まって以来、カドミウムの主な用途は鉄鋼の腐食防止のためのコーティングでした。1944年には米国のカドミウムの62%、1956年には59%がめっきに使用されました。^{[ 19 ] [ 27 ]} 1956年には、米国のカドミウムの24%が、カドミウムの硫化物とセレン化物から作られる赤、オレンジ、黄色の顔料という2番目の用途に使用されました。^{[ 27 ]}

カルボン酸塩であるラウリン酸カドミウムやステアリン酸カドミウムなどのカドミウム化合物がPVCに安定効果をもたらすことから、1970年代と1980年代にはこれらの化合物の使用が増加しました。1980年代と1990年代には環境および健康規制により、顔料、コーティング、安定剤、合金におけるカドミウムの需要が減少しました。2006年には、カドミウム総消費量のわずか7%がめっきに、10%が顔料に使用されました。^{[ 19 ]} 同時に、これらの消費量の減少は、ニッケルカドミウム電池に対するカドミウムの需要の増加によって補われ、2006年には米国におけるカドミウム消費量の81%を占めました。^{[ 28 ]}

カドミウムは地殻の約0.1 ppmを占め、65番目に豊富な元素です。^{[ 29 ]}約65 ppmを占める亜鉛よりもはるかに希少です。 ^{[ 30 ]}カドミウムを含む鉱石の重要な鉱床は知られていません。重要な唯一のカドミウム鉱物であるグリーノカイト（CdS ）は、ほぼ常に閃亜鉛鉱（ZnS）と共存しています。この共存は、亜鉛とカドミウムの地球化学的類似性によるもので、地質学的プロセスによって分離される可能性は低いと考えられます。したがって、カドミウムは主に亜鉛の硫化鉱石の採掘、製錬、精製の副産物として、また程度は低いものの鉛と銅の副産物として生産されます。消費量の約10%にあたる少量のカドミウムは、主に鉄鋼スクラップのリサイクルによって発生する粉塵などの二次供給源から生産されます。米国での生産は1907年に始まったが^{[ 22 ]}、広く使われるようになったのは第一次世界大戦後である^{[ 31 ] [ 32 ]。}  

金属カドミウムはシベリアのヴィリュイ川流域で発見されている。^{[ 33 ]}

リン酸肥料用に採掘される岩石には様々な量のカドミウムが含まれており、その結果、肥料中のカドミウム濃度は最大で300  mg/kgにも達し、農地の土壌中のカドミウム含有量も高くなります。^{[ 34 ] [ 35 ]}石炭にはかなりの量のカドミウムが含まれている可能性があり、そのほとんどは石炭フライアッシュに残ります。^{[ 36 ]}

土壌中のカドミウムは、米やカカオなどの作物に吸収される可能性があります。2002年、中国農業省は、検査した米の28%に法律で定められた限度を超える鉛が、10%に法律で定められた限度を超えるカドミウムが含まれていることを測定しました。コンシューマー・レポートは2022年に米国で販売されている28ブランドのダークチョコレートを検査し、すべてにカドミウムが含まれていることを発見し、そのうち13ブランドはカリフォルニア州の最大許容摂取量レベルを超えていました。^{[ 37 ]}

ヤナギやポプラなどの植物の中には、土壌から鉛とカドミウムの両方を除去することがわかっているものがある。^{[ 38 ]}

大気中のカドミウムの一般的なバックグラウンド濃度は 5  ng/m ³  、土壌中は 2 mg/kg、 淡水中は 1 μg/L、 海水中は 50 ng/Lを超えません。 ^{[ 39 ]}総溶質濃度とpHが低い水中では、10 μg/L を超えるカドミウム濃度が安定している可能性があり、従来の浄水処理プロセスでは除去が困難な場合があります。^{[ 40 ]}

カドミウムは亜鉛鉱石によく含まれる不純物であり、亜鉛の製造過程で最もよく分離されます。硫酸亜鉛鉱石から得られる亜鉛鉱石精鉱には、最大で 1.4% のカドミウムが含まれています。^{[ 41 ]} 1970 年代には、亜鉛 1 トンあたり2.9 キログラム (6.5ポンド)のカドミウムが産出されました。^{[ 41 ]}硫化亜鉛鉱石は酸素の存在下で焙焼され、硫化亜鉛が酸化物に変換されます。亜鉛金属は、酸化物を炭素で溶融するか、硫酸で電気分解することによって製造されます。亜鉛が溶融された場合は真空蒸留によって亜鉛金属からカドミウムが分離され、電気分解溶液から硫酸カドミウムが沈殿します。 ^{[ 32 ] [ 42 ]} 

英国地質調査所の報告によると、2001年には中国が世界の生産量のほぼ6分の1を占め、カドミウムの生産量でトップであり、韓国と日本がそれに僅差で続いた。^{[ 43 ]}

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  世界のカドミウム生産の歴史
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  2010年のカドミウム生産量

カドミウムは、電気電池、顔料^{[ 44 ]}、コーティング^{[ 45 ] 、電気めっき[ 46 ]}の一般的な成分です。

電池

2009年には、カドミウムの86%が電池に使用され、主に充電式ニッケルカドミウム電池に使用されました。ニッケルカドミウム電池の公称セル電位は1.2Vです。この電池は、アルカリ電解質（水酸化カリウム）によって隔てられた正極ニッケル水酸化物電極と負極カドミウム電極板で構成されています。 ^{[ 47 ]}欧州連合は2004年に電子機器中のカドミウムの制限を0.01%に設定しましたが、いくつかの例外があり、 ^{[ 48 ]} 2006年にはカドミウム含有量の制限を0.002%に引き下げました。^{[ 49 ]}カドミウムをベースとした別のタイプの電池は、銀カドミウム電池です。 

電気めっき

世界生産量の6%を占めるカドミウム電気めっきは、航空機産業において鋼製部品の腐食を低減するために使用されています。 ^{[ 46 ]}このコーティングはクロム酸塩によって不動態化されます。^{[ 45 ]}カドミウムめっきの限界は、電気めっきプロセスによる高強度鋼の水素脆化です。そのため、1300 MPa (200 ksi) を超える引張強度に熱処理された鋼部品は、代替方法 (特殊な低脆化カドミウム電気めっきプロセスや物理蒸着など) でコーティングする必要があります。

カドミウムメッキされた工具の残留物によるチタンの脆化により、A-12/SR-71、U-2、およびチタンを使用する後続の航空機プログラムでは、これらの工具が排除され（カドミウム汚染を検出するための定期的な工具検査が実施された）。^{[ 50 ]}

化合物

酸化カドミウムは、白黒テレビの蛍光体や、カラーテレビのブラウン管の青色および緑色の蛍光体に使用されていました。^{[ 53 ]}硫化カドミウム（CdS）は、複写機のドラムの光伝導性表面コーティングとして使用されています。^{[ 54 ]}

さまざまなカドミウム塩が絵具顔料として使用され、黄色顔料であるCdSが最も一般的です。セレン化カドミウムは赤色顔料で、一般にカドミウムレッドと呼ばれています。この顔料を扱う画家にとって、カドミウムは最も鮮やかで耐久性のある黄色、オレンジ、赤を提供します 。そのため、製造過程では、これらの色は油やバインダーで粉砕したり、水彩絵具、ガッシュ、アクリル絵具、その他の絵具や顔料の配合物に混ぜたりする前に、大幅にトーンダウンされます。これらの顔料は潜在的に毒性があるため、安全のために、使用者は通常、皮膚からの吸収を防ぐために手にバリアクリームを使用します^{[ 44 ]。}皮膚を通して体内に吸収されるカドミウムの量は1%未満であると報告されています^{[ 12 ] 。}

PVCでは、カドミウムは熱、光、耐候性安定剤として使用されていました。^{[ 46 ] [ 55 ]}現在、カドミウム安定剤はバリウム亜鉛、カルシウム亜鉛、有機スズ安定剤に完全に置き換えられています。カドミウムは摩擦係数が低く、疲労抵抗性があるため、多くの種類のはんだやベアリング合金に使用されています。 ^{[ 46 ]}また、ウッドメタルなどの最も融点の低い合金にも含まれています。^{[ 56 ]}

実験室での使用

ヘリウムカドミウムレーザーは、青色または紫外線レーザー光の一般的な光源です。 この利得媒体を使用して、325 nm、354 nm、および 442 nm の波長のレーザーが生成されます。一部のモデルでは、これらの波長を切り替えることができます。これらは、蛍光顕微鏡のほか、これらの波長のレーザー光を必要とするさまざまな実験用途で特に使用されています。 ^{[ 57 ] [ 58 ]}

セレン化カドミウム量子ドットは、紫外線励起（例えばHe-Cdレーザー）下で明るい発光を示す。この発光の色は、粒子サイズによって緑、黄、赤となる。これらの粒子のコロイド溶液は、蛍光顕微鏡を用いた生体組織や溶液のイメージングに用いられる。^{[ 59 ]}

分子生物学では、カドミウムは電圧依存性カルシウムチャネルによるカルシウムイオンの流入を阻害するために使用され、また低酸素症研究では、プロテアソーム依存性のHif-1αの分解を促進するためにも使用される。^{[ 60 ]}

蛍光色素BODIPYに基づくカドミウム選択性センサーは、細胞内のカドミウムのイメージングと検出のために開発されてきた。^{[ 61 ]}水溶液環境中のカドミウムをモニタリングする強力な方法の1つは電気化学である。自己組織化単分子膜を用いることで、pptレベルの感度を持つカドミウム選択性電極を得ることができる。^{[ 62 ]}

カドミウムは高等生物において既知の機能はなく、毒性がある。^{[ 65 ]}カドミウムは生物にとって有害な環境汚染物質と考えられている。^{[ 66 ]} カドミウム依存性炭酸脱水酵素は、亜鉛濃度が低い環境に生息する一部の海洋珪藻類で発見されている。^{[ 67 ] [ 68 ]}

カドミウムに曝露すると、数ヶ月間血球中の濃度が上昇します。脊椎動物では、カドミウムは主に腎臓に吸収されますが、肝臓や骨にも吸収されます。 人間の幼少期から青年期にかけては、通常、最大で約30mgのカドミウムが吸入されます。^{[ 69 ]} カドミウムはごく少量ずつ、主に尿を通して体外に排出され、生物学的半減期は20～40年です。^{[ 70 ]}

カドミウムは、癌、心血管疾患、骨粗鬆症のリスクを高める可能性のある毒性について研究されている。^{[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]}

個人や組織は、カドミウムの毒性に関する生物無機的な側面を検討してきた。^{[ 79 ]}カドミウムへの職業的曝露で最も危険な形態は、微細な粉塵やヒュームの吸入、または溶解度の高いカドミウム化合物の摂取である。^{[ 19 ]}カドミウムヒュームの吸入は、最初は金属ヒューム熱を引き起こす可能性があるが、化学性肺炎、肺水腫、壊死、そして死に至る可能性がある。^{[ 80 ]}

カドミウムは環境有害物質でもある。人体への曝露は主に化石燃料の燃焼、リン酸肥料、天然資源、鉄鋼生産、セメント生産および関連活動、非鉄金属生産、都市固形廃棄物の焼却によるものである。^{[ 19 ]}カドミウムのその他の発生源としては、パン、根菜類、野菜などが挙げられる。^{[ 81 ]}

汚染された食品や水に含まれるカドミウムへの長期曝露の結果、一般市民が中毒を起こした事例がいくつか報告されている。乳がんを誘発する可能性のあるエストロゲン模倣物質に関する研究は、 2012年現在も継続中である。[ ^{81 ]}第二次世界大戦までの数十年間、鉱山操業により日本の神津川はカドミウムやその他の有毒金属の痕跡で汚染された^。その結果、鉱山の下流の川岸沿いの稲作にカドミウムが蓄積した。地元の農業コミュニティの一部の人々は汚染された米を食べ、イタイイタイ病やタンパク尿、グルコース尿などの腎臓異常を発症した。^{[ 82 ]}この中毒の犠牲者はほぼ例外なく鉄分と他のミネラルの体内貯蔵量が少ない閉経後の女性であった。世界の他の地域では同様の一般集団のカドミウム曝露があったが、住民が十分な鉄分と他のミネラルレベルを維持していたため、同じ健康問題は発生しなかった。したがって、カドミウムは日本のイタイイタイ病の主要な要因ではあるが、ほとんどの研究者はそれが複数の要因の1つであると結論付けている。^{[ 19 ]}

カドミウムは、電気・電子機器の有害物質を規制する欧州連合の有害物質制限指令（RoHS指令）で禁止されている10種類の物質のうちの1つですが、法律の適用範囲から特定の例外や除外が認められています。^{[ 83 ]}

国際がん研究機関は、カドミウムおよびカドミウム化合物をヒトに対する発がん性物質に分類しています。^{[ 84 ]}職業上のカドミウム曝露は肺がんや前立腺がんに関連していますが、環境中の低濃度曝露におけるカドミウムの発がん性については依然として不確実性があります。最近の疫学研究のデータによると、食事からのカドミウム摂取は、ヒトの子宮内膜がん、乳がん、前立腺がん、および骨粗鬆症のリスク上昇に関連していることが示唆されています。^{[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]}最近の研究では、現在および過去に喫煙していた女性の子宮内膜組織は、より高いレベルのカドミウムによって特徴付けられることが実証されています。^{[ 89 ]}

^{カドミウムへの曝露は、腎臓病[ 90 ]} 、早期動脈硬化、高血圧、心血管疾患^{[ 91 ]}など、多数の疾患と関連している。研究によると、ヒト集団におけるカドミウム曝露と疾患発生の間には有意な相関関係があることが示されているが、分子メカニズムはまだ特定されていない。カドミウムは内分泌かく乱物質であるという仮説があり、いくつかの実験的研究では、カドミウムがさまざまなホルモンシグナル伝達経路と相互作用できることが示されている。たとえば、カドミウムはエストロゲン受容体αに結合し^{[ 92 ] [ 93 ]} 、低用量でエストロゲンおよびMAPKシグナル伝達経路に沿ったシグナル伝達に影響を与える可能性がある^{[ 94 ] [ 95 ] [ 96 ] 。}

タバコ植物は、周囲の土壌からカドミウムなどの重金属を吸収し、葉に蓄積します。タバコの煙を吸い込むと、これらは使用者の体内に容易に吸収されます。^{[ 97 ]}タバコの喫煙は、一般人口におけるカドミウム曝露の最も重要な単一発生源です。タバコに含まれるカドミウムの約10%が喫煙によって吸入されます。カドミウムの肺からの吸収は、腸からの吸収よりも効果的です。タバコの煙で吸入されたカドミウムの最大50%が吸収される可能性があります。^{[ 98 ]} 平均して、喫煙者の血液中のカドミウム濃度は非喫煙者の4 ～5倍、腎臓中のカドミウム濃度は非喫煙者の2～3倍です。タバコの煙には高濃度のカドミウムが含まれていますが、受動喫煙 によるカドミウムへの曝露はほとんどないようです。^{[ 99 ]}

非喫煙者集団では、カドミウム摂取量の約90%は食品によるものです。^{[ 100 ]} カドミウムは、甲殻類、軟体動物、内臓、カエルの足、ココアパウダー、ビターチョコレートやセミビターチョコレート、海藻、菌類、藻類製品に多く含まれています。しかし、米国では穀物、野菜、デンプン質の根菜類や塊茎類がはるかに多く消費されており、これらが食事からのカドミウム摂取量の最大源となっています。^{[ 101 ]}

ほとんどの植物はカドミウムなどの金属毒素を生物濃縮し、堆肥化して有機肥料を作ると、 肥料1キログラムあたり0.5 mgを超える高濃度の金属毒素を含む製品になることが多い。動物の糞（牛糞など）や都市廃棄物から作られた肥料にも、同様の量のカドミウムが含まれている可能性がある。肥料（リン鉱石または有機肥料）から土壌に添加されたカドミウムは、土壌のpHが低い場合（つまり酸性土壌の場合）にのみ生物利用可能で毒性を持つようになる。欧州連合では、LUCAS調査による約22,000の表土 サンプルの分析で、サンプルの5.5%が1 mg kg ⁻¹を超える濃度であることが判明した。^{[ 102 ]}

亜鉛、銅、カルシウム、鉄イオン、およびビタミンCとセレンはカドミウム中毒の治療に用いられるが、容易に回復するものではない。^{[ 90 ]}

• レッドリスト掲載建材
• 有毒な重金属

• Hartwig, Andrea (2013). 「カドミウムと癌」。Astrid Sigel、Helmut Sigel、Roland KO Sigel (編) 『カドミウム：毒性から必須性へ』 。生命科学における金属イオン。第 11巻。Springer。pp. 491–507。doi : 10.1007 /978-94-007-5179-8_15。ISBN  978-94-007-5178-1PMID 23430782​​ 
• 米国毒性物質疾病登録局（ATSDR）（2012年）。カドミウムの毒性プロファイル。米国保健福祉省公衆衛生局。https ://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp5.pdf
• Nordberg, Gunnar F. (2007).金属毒性学ハンドブック（第3 版）. Academic Press. pp. 445–486 . ISBN  978-0-12-369413-3。

• 周期表におけるカドミウム（ノッティンガム大学）
• ATSDR環境医学症例研究：カドミウム中毒（ 2020年12月18日アーカイブ、ウェイバックマシン）米国保健福祉省
• 米国国立労働安全衛生研究所 – カドミウムに関するページ
• NLM有害物質データベース – 元素カドミウム

• usgs.gov（鉱物資源概要2025）：カドミウム