Cadmium là gì? Ứng dụng và Tác hại đến sức khỏe con người

Cadmium (Cd) là một kim loại nặng có mặt tự nhiên trong vỏ Trái Đất, thường được tìm thấy trong các mỏ quặng đồng, chì (Pb) và kẽm. Mặc dù có một số ứng dụng công nghiệp, Cadmium được biết đến nhiều nhất là một chất độc hại. Theo hóa học phân tích, việc tiếp xúc hoặc tích tụ hàm lượng lớn chất này có thể gây ra những vấn đề sức khỏe nghiêm trọng.

Bài viết này của Hóa chất Doanh Tín sẽ đi sâu vào khái niệm Cadmium là gì, các đặc tính, ứng dụng và những tác hại cụ thể của nó đối với con người.

Tìm hiểu về Cadmium là gì?

Cadmium (ký hiệu Cd, số 48) là một nguyên tố kim loại nặng, mềm, màu trắng ánh xanh, được phát hiện vào năm 1817. Nó là một sản phẩm phụ độc hại của quá trình khai thác kẽm, chì, đồng và chủ yếu được dùng làm pin, sắc tố và mạ chống ăn mòn.

Cadmium là gì? Đây là câu hỏi được nhiều người quan tâm. Về cơ bản, nó là một nguyên tố hóa học (giống như Natri hay Liti) được phát hiện vào năm 1817 bởi một nhà hóa học người Đức.

• Trong bảng tuần hoàn hóa học, Cadmium có ký hiệu là Cd và số thứ tự 48. Cấu tạo nguyên tử của nó xác định vị trí này.
• Đây là một kim loại nặng, hiếm khi tồn tại ở dạng đơn chất tinh khiết trong đất. Thay vào đó, nó thường xuyên liên kết với các chất khác (như Lưu huỳnh để hình thành hợp chất, ví dụ như Cadmium sulfide) để tạo thành các hợp chất phức tạp.
• Trong thực tế, Cadmium chủ yếu được thu hồi như một sản phẩm phụ trong quá trình khai thác và tinh chế các mỏ quặng kẽm (Zn), chì và đồng. Nó được sử dụng làm nguyên liệu cho một số ngành sản xuất công nghiệp và nghiên cứu.

Đặc tính lý hóa cụ thể của Cadmium

Cadmium là kim loại mềm (độ cứng Mohs 2.0), dẻo, màu trắng bạc ánh xanh, có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Về mặt hóa học, nó có độc tính cao, xếp ngang hàng với thủy ngân, và trạng thái oxy hóa phổ biến nhất là +2.

Tính chất vật lý

Về tính chất vật lý, Cadmium là kim loại nặng, hiếm. Ở thể rắn, nó có màu trắng ánh xanh, mềm dẻo, dễ uốn, và đủ mềm để có thể cắt bằng dao (tương tự các kim loại kiềm). Nó có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp so với các kim loại chuyển tiếp khác (khoảng 321°C) và nhiệt độ sôi là 767°C.

Một đặc tính nổi bật là Cadmium không bị rỉ sét (oxi hóa) khi có tác động các yếu tố môi trường thông thường, khiến nó trở thành một vật liệu mạ chống ăn mòn hiệu quả, đặc biệt trong môi trường kiềm (như nước mặn).

Tính chất hóa học và Độc tính

Về độc tính, Cadmium được xếp vào nhóm kim loại nặng cực độc, ngang hàng với thủy ngân (Hg) và chì. Do đó, việc bảo quản hóa chất này đòi hỏi sự cẩn trọng cao độ và tuân thủ các quy định an toàn nghiêm ngặt (như quy định của OSHA và NIOSH). Hơi Cadmium và bụi của nó cực kỳ nguy hiểm nếu hít phải.

Cadmium có hóa trị mấy?

Câu trả lời ngắn: Cadmium (Cd) hầu như luôn có hóa trị 2 trong các hợp chất. Trạng thái oxy hóa phổ biến và ổn định nhất của nó là +2.

Câu hỏi “Cd hóa trị mấy?” rất phổ biến trong hóa học vô cơ (tương tự như S hóa trị mấy?). Theo tính chất hóa học, Cadimi là dòng kim loại có hóa trị 2.

Trạng thái oxi hóa thông dụng nhất của nguyên tố này khi nghiên cứu ra là +2. Tuy nhiên, trong các thí nghiệm và điều kiện đặc biệt, không ít người tìm ra được các hợp chất có hóa trị chỉ +1, nhưng chúng rất không ổn định và hiếm gặp.

Đặc điểm của chất là sẽ hòa tan nhanh trong Axit Nitric (HNO₃) loãng hoặc Axit Sunfuric (H₂SO₄) đậm đặc khi tiếp xúc, nhưng tan chậm trong các axit không oxy hóa như HCl.

Những ứng dụng của Cadmium hiện nay

Cadmium chủ yếu được dùng để sản xuất pin sạc Nickel-Cadmium (Ni-Cd). Các ứng dụng quan trọng khác bao gồm mạ chống ăn mòn cho thép, làm sắc tố (màu vàng, cam, đỏ) và làm chất ổn định cho nhựa (plastic).

Như đã đề cập, do độc tính cao, Cadmium không được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Theo Hiệp hội Cadmium Quốc tế, việc sử dụng nó đã giảm đáng kể do các quy định về môi trường. Hiện nay, nó chủ yếu được dùng trong các nghiên cứu trong ngành hóa học, công nghệ chế tạo.

Sản xuất Pin

Ứng dụng nổi bật và từng chiếm tỷ trọng lớn nhất (khoảng 80% lượng tiêu thụ) của Cadmium là trong sản xuất pin Nickel-Cadmium (Ni-Cd). Pin Ni-Cd có khả năng sạc lại, tuổi thọ cao và hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, do các quy định về môi trường ngày càng khắt khe (như Chỉ thị RoHS của EU), chúng đang dần bị thay thế bởi các công nghệ pin an toàn hơn (như Lithium-ion) do lo ngại về môi trường khi thải bỏ.

Mạ và Chống ăn mòn

Nhờ đặc tính không gỉ, Cadmium được dùng trong công nghiệp mạ để chống bào mòn cho các loại sắt thép, đặc biệt trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và hàng hải (môi trường kiềm hoặc nước mặn). Một lớp mạ Cadmium mỏng cung cấp khả năng bảo vệ vượt trội. Nó cũng được dùng trong một số loại đũa hàn và hợp kim Alliage.

Các ứng dụng khác

Ngoài ra, kim loại này còn sử dụng trong việc:

• Làm chất màu (sắc tố): Cadmium sulfide (vàng) và Cadmium selenide (đỏ) là những sắc tố rất bền nhiệt và ánh sáng, được dùng cho sơn, nhựa và gốm sứ cao cấp.
• Làm chất ổn định cho polymer và plastic (như PVC) để ngăn chặn sự phân hủy do nhiệt và ánh sáng UV, mặc dù ứng dụng này cũng đã bị hạn chế nhiều.
• Sản xuất một số linh kiện điện tử, chất bán dẫn (ví dụ: Cadmium Telluride – CdTe trong pin mặt trời màng mỏng).
• Sử dụng trong các thanh điều khiển của lò phản ứng hạt nhân (do khả năng hấp thụ neutron tốt).

Cadmium có trong thực phẩm và môi trường

Cadmium xâm nhập vào thực phẩm chủ yếu qua đất và nước bị ô nhiễm (từ phân bón phốt phát, chất thải công nghiệp). Nó tích tụ sinh học trong thực vật (ngũ cốc, rau lá) và động vật, đặc biệt là trong nội tạng (gan, thận) và hải sản (hàu, sò).

Con người có thể bị phơi nhiễm Cadmium qua đường thực phẩm và môi trường sống. Đối với người không hút thuốc, thực phẩm là nguồn phơi nhiễm Cadmium chính (chiếm khoảng 90%). Hút thuốc lá là một nguồn phơi nhiễm đáng kể khác, vì cây thuốc lá tích tụ Cadmium từ đất.

Cadmium trong thực phẩm

Cadimi có thể được tìm thấy với liều lượng cực thấp trong nhiều loại thực phẩm, đặc biệt là loại có nguồn gốc từ thực vật, động vật. Nếu như có lượng siêu ít sẽ không có tác động gây hại tới sức khỏe. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất là sự tích tụ sinh học (bioaccumulation) theo thời gian. Cơ thể con người hấp thụ Cadmium nhưng lại đào thải rất chậm, dẫn đến thời gian bán hủy sinh học của nó trong cơ thể cực kỳ dài, ước tính từ 10 đến 30 năm.

Những loại thực phẩm theo phân tích chứa lượng chất này tương đối cao là:

• Nội tạng động vật (đặc biệt là gan, thận của ngựa, nội tạng động vật hoang dã).
• Một số loại hải sản (đặc biệt là động vật thân mềm hai mảnh vỏ như hàu, sò, vẹm).
• Rong biển khô.
• Hạt hướng dương, hạt lanh, ca cao.
• Các loại rau lá (rau bina, xà lách) và ngũ cốc (đặc biệt là lúa gạo) trồng trên đất bị ô nhiễm.

Khi sử dụng mọi người cần cẩn thận điều lượng sử dụng ít để tránh tích tụ lượng lớn chất vào cơ thể.

Cadmium trong đất và nước

Nguồn nước ngầm và đất của con người cũng có thể bị nhiễm Cadmium. Nguyên nhân chủ yếu từ chất thải công nghiệp (khai mỏ, luyện kim, sản xuất pin) và việc sử dụng phân bón phốt phát (thường chứa Cadmium như một tạp chất tự nhiên). Đất có tính axit sẽ làm tăng khả năng hấp thụ Cadmium của cây trồng.

Sau đó, Cadmium sẽ thấm qua thực phẩm hoặc trực tiếp vào cơ thể người khi uống, nấu ăn. Do vậy, việc kiểm tra cẩn thận chất lượng nước và sử dụng các hóa chất xử lý nước để loại bỏ kim loại nặng là rất quan trọng.

Những tác hại của Cadmium đến sức khỏe

Câu trả lời ngắn: Cadmium cực kỳ độc hại, chủ yếu gây tổn thương thận mãn tính (suy thận) và rối loạn xương (gây loãng xương, nhuyễn xương, điển hình là bệnh Itai-itai). Nó cũng được IARC phân loại là chất Gây ung thư Nhóm 1 cho người (đặc biệt là ung thư phổi, thận, tuyến tiền liệt).

Theo nghiên cứu từ các chuyên gia, tác hại của hóa chất độc hại như Cadmium là rất nghiêm trọng. Nếu cơ thể bị nhiễm lượng lớn chất này, nó có thể tích tụ lại (chủ yếu ở thận và gan) và gây hại trực tiếp tới sức khỏe. Có nhiều biến chứng khôn lường nếu để trong cơ thể, nguy cơ gây nên bệnh nghiêm trọng.

Gây ung thư nguy hiểm

Hợp chất chứa Cadmium được Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) của WHO đưa vào trong danh sách Nhóm 1: Gây ung thư cho người. Phơi nhiễm Cadmium mãn tính (lâu dài) qua đường hô hấp có liên quan chặt chẽ đến ung thư phổi. Các bằng chứng cũng chỉ ra mối liên hệ với ung thư thận, tuyến tiền liệt, và bàng quang. Vì thế, con người phải hết sức cẩn thận tới nguồn đất, nước và thực phẩm có chứa lượng chất này bên trong.

Gây hại cho thận, dạ dày và đường tiêu hóa

Ngộ độc cấp tính: Hiện tượng ăn thực phẩm chứa nồng độ hợp chất này rất cao (ví dụ, uống nước từ ống mạ kẽm cũ) còn gây ra kích thích dạ dày mạnh, đau bụng, nôn mửa, tiêu chảy nặng,… Nếu ngộ độc lượng lớn kim loại trong thời gian ngắn đột ngột gây tử vong vô cùng nguy hiểm.

Tổn thương mãn tính (phổ biến nhất): Đích nhắm chính của Cadmium khi tích tụ lâu dài là thận. Nó gây tổn thương ống lượn gần, làm giảm khả năng tái hấp thu protein, glucose và axit amin, dẫn đến protein niệu (protein trong nước tiểu), và cuối cùng là suy thận mãn tính.

Những dấu hiệu bị phơi nhiễm qua đường hô hấp (trong công nghiệp) dễ nhận thấy như chóng mặt, khó thở, đau tim, đau bụng,… Người uống nguồn nước bị nhiễm chất độc hại này thời gian dài sẽ gây hại cho răng bị vàng, yếu. Vùng da cũng vàng hơn bình thường khi ảnh hưởng tới gan, thận.

Gây hại tới hệ xương khớp (Bệnh Itai-itai)

Một trong những tác hại nghiêm trọng và đặc trưng nhất của ngộ độc Cadmium mãn tính là gây hại cho hệ xương khớp. Cụ thể những ai bị nhiễm chất này thời gian dài bị thiếu hụt khá nhiều canxi gây đau nhức, mỏi chân tay, loãng xương, và nhuyễn xương (osteomalacia – xương mềm).

Tình trạng này xảy ra do Cadmium vừa gây tổn thương thận (làm giảm khả năng tái hấp thu Canxi và phốt pho), vừa can thiệp trực tiếp vào quá trình chuyển hóa Vitamin D.

Khi đi lại, chỉ cần tác động nhẹ từ bên ngoài cũng dễ bị vỡ hoặc rạn xương. Trường hợp ngộ độc Cadmium nặng nhất được ghi nhận trong lịch sử là bệnh “Itai-itai” (tiếng Nhật có nghĩa là “Đau quá! Đau quá!”) tại tỉnh Toyama, Nhật Bản vào giữa thế kỷ 20, do ô nhiễm nguồn nước tưới tiêu từ hoạt động khai mỏ.

Kết luận

Qua bài viết, chúng ta đã hiểu rõ Cadmium là gì, một kim loại nặng tuy có một số ứng dụng công nghiệp quan trọng nhưng lại vô cùng độc hại với sức khỏe con người. Sự nguy hiểm của Cadmium nằm ở khả năng tích tụ sinh học và gây ra các bệnh mãn tính nghiêm trọng như suy thận, loãng xương (bệnh Itai-itai) và ung thư. Vì vậy, việc kiểm soát ô nhiễm Cadmium trong môi trường, đất, nước và chuỗi thực phẩm là một nhiệm vụ quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.