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Cadmium

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Argent - Cadmium - Indium
Zn
Cd
Hg  
 
 

Table complète

Généralités
Nom, Symbole, Numéro Cadmium, Cd, 48
Série chimique métal de transition
Groupe, Période, Bloc 12, 5, d
Masse volumique, 8650 kg/m³
Dureté Mohs 2
Couleur gris argenté
métallique
image:Cd,48-thumb.jpg
Propriétés atomiques
Masse atomique 112,411 u
Rayon atomique (calc.) 155 (161) pm
Rayon de covalence 148 pm
Rayon de van der Waals 158 pm
Configuration électronique [Kr]4d105s2
Nombre d'électrons
par niveau d'énergie
2, 8, 18, 18, 2
États d'oxydation (oxyde) 2 (base faible)
Structure cristalline hexagonal
Propriétés physiques
État de la matière solide
Température de fusion 594,22 K
Température de vaporisation 1040 K
Volume molaire 13,00×10-3 m³/mol
Énergie de vaporisation 100 kJ/mol
Énergie de fusion 6,192 kJ/mol
Pression de vapeur à 597 K 14,8 Pa
Vitesse du son à 20°C 2310 m/s
Divers
Électronégativité 1,69
Chaleur massique 233 J/(kg.K)
Conductivité électrique 13,8×106 S/m
Conductivité thermique 96,8 W/(m.K)
1er potentiel d'ionisation 867,8 kJ/mol
2e potentiel d'ionisation 1631,4 kJ/mol
3e potentiel d'ionisation 3616 kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN période MD Ed MeV PD
108Cd 0,89 % Cd est stable avec 60 neutrons
109Cd {syn.} 462,6 jours ε 0,214 109Ag
110Cd 12,49 % Cd est stable avec 62 neutrons
111Cd 12,8 % Cd est stable avec 63 neutrons
112Cd 24,13 % Cd est stable avec 64 neutrons
113Cd 12,26 % 7,7×1015 ans β- 0,316 113In
113mCd {syn.} 14,1 ans β-
TI
0,580
0,264
113In
114Cd 28,73 % Cd est stable avec 66 neutrons
116Cd 7,49 % Cd est stable avec 68 neutrons
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le cadmium est un élément chimique de symbole Cd et de numéro atomique 48.

Sommaire

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Histoire

Le cadmium fut découvert en 1808 par Magnus Martin af Pontin, mais c’est en 1817 que l’Allemand Friedrich Stromeyer le prépara pour la première fois.

Le nom a une étymologie grecque (kadmeia, nom de la ville où on extrayait un minerai appelé cadmie - oxyde de zinc) et latine (cadmia, calamine, ancien nom donné au carbonate de zinc – le cadmium était extrait de ce minerai aux environs de la ville de Thèbes créée par Kadmos).

Propriétés

Le cadmium est un métal blanc, mou et malléable. Il ternit au contact de l'air.

Propriétés physiques

Le cadmium est un métal blanc argenté ayant des propriétés physiques proches de celle du zinc. Il fond à 320,9 °C et bout à 767 °C. Lors de l'ébullition du cadmium, il se dégage des vapeurs jaunes toxiques.

Sa masse spécifique (densité) est de 8 650 kg/m³.

Il est ductile (résistance à l’étirement), malléable (résistance à l’aplatissement) et résiste à corrosion atmosphérique ce qui en fait un revêtement de protection pour les métaux ferreux.

Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques du cadmium sont semblables à celles du zinc. L'ion cadmium est déplacé par le zinc métallique en solution : il est donc plus noble que le zinc.

Il s'oxyde très peu à température ambiante et brûle dans l'air en donnant l'oxyde anhydre CdO, insoluble dans un excès d'hydroxyde de sodium.

Il réagit avec les acides et les bases. Le cadmium est soluble dans l'acide nitrique dilué et dans les acides chlorhydrique et sulfurique concentrés et chauds.

Toxicité du cadmium

Le cadmium est l'un des rares éléments qui n'a aucune fonction constructive dans le corps humain. Ses vapeurs et sels sont très toxiques ; il faut éviter son contact avec des aliments. Il provoque des problèmes rénaux et l'augmentation de la tension.

Historique

Dans les années 1950, au Japon, une intoxication aiguë au cadmium a donné une maladie des os, appelée « itaï-itaï ». Le cadmium se concentre dans la chaîne alimentaire (par exemple, des mollusques bivalves concentrent 300 000 fois le cadmium).

Norme et sécurité

En France, la quantité moyenne annuelle de cadmium ingéré par personne et par an est évaluée à 12 mg. L'absorption par voie digestive de plus de 0,9 g ou par voie respiratoire (de poussières) à des concentrations plus grandes que 200 mg/m³ peut entraîner des troubles graves.

En France, la valeur limite d'exposition est fixée à 0,05 mg/m³, pour les fumées d'oxyde.

La consommation de tabac peut représenter jusqu'à 75 % de l'absorption alimentaire humaine en cadmium quotidienne. Aujourd'hui, les principaux risques d'intoxication sont liés aux expositions prolongées à de faibles doses de cadmium. Le cadmium est principalement absorbé par inhalation et se fixe à 30 - 40 % dans les reins où il entraîne une perte anormale de protéines par les urines (protéinurie).

Exposition

Le cadmium est bien absorbé par inhalation, en revanche l’absorption gastro-intestinale est faible. Il n’est pas absorbé par la peau. En dehors de l’exposition professionnelle il est aussi présent dans :

  • les aliments.
  • la fumée de cigarette (la source principale de contamination de la population générale).
  • l’air atmosphérique urbain (les niveaux peuvent être élevés près des centres de production).
  • le lichen et la mousse (ils accumulent le cadmium de même que les autres métaux lourds).

Intoxications aigues

Fièvre des fondeurs

L’inhalation de fumées d’oxyde de cadmium (générées lorsque le cadmium métallique est portés à haute température). Il entraîne des symptômes semblables à ceux de la fièvre des fondeurs (état grippal débutant). Le traitement est uniquement symptomatique.

Atteinte pulmonaire

L’exposition à des niveaux plus élevés peut causer de sérieux dommages pulmonaires voire la mort. Les fumées d'oxyde de cadmium sont des irritants pulmonaires sévères (dû à la taille de leurs particules), les poussières de cadmium étant moins irritantes car leurs particules ont une plus grandes dimension. Les symptômes sont de types soit pulmonaires (les signes cliniques étant le reflet de lésions variant l'irritation naso-pharyngée et bronchique à l’œdème pulmonaire) soit de type maux de tête, frissons, douleurs musculaires, nausées, vomissements, diarrhée… Les concentrations fatales de fumées varient de 40 à 50 mg/m³.

Intoxications chroniques

Atteintes rénales

L'exposition chronique au cadmium, par inhalation ou ingestion, a comme conséquence des atteintes rénales qui peuvent continuer de progresser même après la cessation de l'exposition.

Atteinte pulmonaire

L'exposition de longue durée par inhalation à de bas niveaux peut causer une diminution de la fonction pulmonaire et l'emphysème.

Atteinte osseuse

Même si l’absorption par ingestion est basse, l'exposition chronique à des niveaux élevés de cadmium dans la nourriture peut causer des désordres osseux, incluant l'ostéoporose et l'ostéomalacie. L'ingestion à long terme, par une population japonaise, d'eau et de nourriture contaminées par le cadmium, a été associée à une condition incapacitante, la maladie « itai-itai » (aie-aie).

Elle se caractérise par des douleurs au dos et dans les articulations, de l'ostéomalacie (rachitisme adulte), des fractures osseuses, et occasionnellement des défaillances rénales. Cette maladie affecte le plus souvent les femmes et les facteurs de risque sont la multiparité et l’alimentation de pauvre qualité.

Divers

Les autres conséquences de l’exposition chronique au cadmium sont l’anémie, la coloration jaunâtre des dents, la rhinite, l’ulcération occasionnelle du septum nasal, les dommages au nerf olfactif et la perte de l’odorat.

Cancérogenèse et mutagenèse

Plusieurs composés inorganiques du cadmium causent des tumeurs malignes chez l’animal. L'exposition professionnelle au cadmium peut être considérée comme responsable d’une augmentation significative du cancer du poumon. Le CIRC (Centre de Recherche International sur le Cancer) a déterminé qu'il y a suffisamment de preuve chez l'homme quant à la cancérogénicité du cadmium et de ses composés. Il s'avère également que le cadmium a la capacité de modifier le matériel génétique, en particulier les chromosomes.

Gisements

Le cadmium n'existe pas à l'état natif. Son minerai, la greenockite CdS, est très rare et inexploité.

Le cadmium est présent dans presque tous les minerais de zinc (la teneur en cadmium varie de 0,01 à 0,05 %), et est obtenu industriellement comme sous-produit de la métallurgie du zinc. Sa production dépend de celle du zinc, dans une proportion variable de 1,8 à 6 kg de cadmium/tonne de Zn élaboré (3 kg/tonne de zinc en moyenne).

Le cadmium est également présent dans des minerais de plomb et de cuivre, ainsi que dans des phosphates naturels (34 ppm pour les phosphates jordaniens, 380 ppm pour les phosphates tunisiens).

Métallurgie

La métallurgie du cadmium est intégrée à celle du zinc. Dans tous les cas, une partie du cadmium est récupérée par filtration du gaz provenant du grillage.

Deux cas sont à étudier :

  • Lors de la pyrométallurgie du zinc : le cadmium est récupéré lors du raffinage du zinc. L'éponge ainsi obtenue est raffinée thermiquement par fusion (à 450 °C) en présence de soude pour éliminer zinc et plomb sous forme de zincate et plombate puis par distillation à 770 °C.
  • Lors de l'hydrométallurgie du zinc, le cadmium est en solution (0,2 à 0,3 g de Cd/l) dans le bain d'électrolyse. Il est récupéré, après épuisement de Zn2+, par cémentation à l'aide de zinc. On obtient des boues bleues contenant environ 6 % de cadmium et 15 % de cuivre qui sont ensuite attaquées à l'aide d'acide sulfurique. Les ions Cd2+ sont à nouveau réduits en métal par cémentation par le zinc. Le raffinage a lieu par lixiviation à l'acide sulfurique et électrolyse (anode en plomb et cathode en aluminium).
zone géographique année tonnes
Monde 1994 18 882
Canada 1994 2 129
Chine 1994 1 300
Belgique 1994 1 557
Mexique 1994 1 255
ex URSS 1994 1 407
Allemagne 1994 1 145
Monde occidental 1996 12 708
Europe 1996 5 633
Japon 1996 2 357
États-Unis 1996 1 238

Production

Environs 10 à 15 % de la production mondiale du cadmium se fait à partir de matériaux recyclés.

Le tableau ci-contre donne les productions annuelles de différents pays.

Recyclage

Il est réalisé principalement à partir des accumulateurs Ni-Cd et des soudures.

Il est a noter qu’en France par exemple, près de la moitié des besoins en cadmium provient du recyclage (environ 1 000 tonnes de cadmium recyclé/an).

Utilisation

Le cadmium a de multiples utilisations : notamment dans les écrans de télévision, les barres de contrôles des réacteurs nucléaires, les colorants (émail, glaçure).

Il entre dans la composition de nombreux alliages à bas point de fusion (soudures, brasures) et sert à la fabrication de certaines batteries d'accumulateurs (« piles rechargeables »).

Mais ses principales utilisations sont celles de ses composés qui concernent les revêtements anticorrosion (appliqué en couche mince sur l'acier par cadmiage, le cadmium protège contre la corrosion, en particulier saline) ou encore la fabrication de pigments de couleurs (jaune et rouge).

Ses principaux usages :

  • Accumulateurs électriques (« piles » rechargeables) Ni-Cd : la matière constituant l'anode est un mélange pulvérulent d'hydroxyde de nickel et de graphite. Celle de la cathode est du cadmium avec 20 à 25 % de fer. Les matières actives sont placées dans des pochettes en acier nickelé perforées (trous de 0,1 mm) de 10 mm de large. L'électrolyte est une solution aqueuse de KOH : 6 à 8 moles/litre. Quoique supplantés actuellement par des dispositifs de type lithium-ion ou nickel-hydrure de métal Ni-MH, les accumulateurs Ni-Cd restent employés, malgré leur effet mémoire, dans les applications où la résistance interne doit rester faible (appels de courant important) : moteurs électriques, talkies-walkies, etc.
En 1992, la production d'accumulateurs Ni-Cd était de 1,3 milliard d'unités dont 60 % par des producteurs japonais et 15 % par des français ;
  • Pigments à base de sulfure de cadmium (jaune avec CdS, rouge avec Cd(S,Se), orange par mélange des deux précédents) : ils ont été utilisés à grande échelle dans les matières plastiques (casques, verres, céramiques…).
Van Gogh utilisait du CdS pour faire le jaune de ses tournesols. La Communauté européenne a adopté une directive limitant l'utilisation des pigments de cadmium aux seuls cas où ils ne peuvent être remplacés (polymères) ;
  • cadmiage : le cadmium est inaltérable à l'air et a un bon comportement en milieu marin. Le cadmiage est effectué par électrolyse. Utilisé, en particulier pour protéger les rivets d'assemblage en aéronautique ;
  • alliages à bas point de fusion : fabriqués pour brasures de conducteurs électriques (Ag 50 %, Cd 18 %, Zn 16 %, Cu 15 %) et pour fusibles (Bi 50 %, Pb 27 %, Sn 13 %, Cd 10 %, fond à 70 °C) ;
  • absorption de neutrons : la section efficace du cadmium pour l'absorption des neutrons étant particulièrement élevée, le cadmium sert à la réalisation de barres de contrôle dans les réacteurs nucléaires, et est utilisé en tant que protection biologique vis-à-vis de sources de neutrons ;
  • stabilisant du PVC : utilisé sous forme de sulfure de cadmium.
Monde occidental 1996 13 803
Europe 1996 5 329
Monde 1994 16 780
Japon 1994 6 527
Belgique 1994 2 944
France 1994 1 860
États-Unis 1994 1 700
ex URSS 1994 900
Allemagne 1994 850
Royaume-Uni 1994 664
Chine 1994 600

Consommation

Le tableau ci-contre montre les consommations par pays par année (en tonne).

Le tableau ci-dessous montre l’importance de la consommation par secteur d'utilisation dans le monde occidental (en %).

Année 1996 1980
Batteries Cd-Ni 70 % 30 %
Pigments 13 % 25 %
Galvanoplastie 8 % 25 %
Stabilisant 7 % 15 %
Alliages et divers 2 % 5 %

Pollution par le cadmium

Les origines de la pollution par le cadmium sont de plusieurs types (en tonnes/an) :

Engrais phosphatés 263
Eau 62
« Redéposition » des poussières 168
Boues d'épandage 52
  • Agricole (total pour l’ensemble de l’Union Européenne, 545 tonnes/an) :
Note : L'apport des engrais phosphatés est de 2 à 6 g de Cd/ha/an, soit en France, 82 tonnes/an. Dans la chaîne alimentaire, Cd se concentre principalement dans les feuilles des plantes (salades, choux mais aussi tabac).



Combustion de produits pétroliers 28
Raffinage de Zn 23
Incinération des ordures ménagères 28
Combustion du charbon 21
Sidérurgie 24
Production d'accumulateurs 11
  • Atmosphérique (total pour l’ensemble de l’Union Européenne, 168 tonnes/an) :
Note : la teneur de Cd dans l'air varie de 1 ng/m³ en zone rurale, à 20 ng/m³ en zone industrielle et 30 µg/m³ près de l'Etna.







Sidérurgie, métallurgie 42
Cadmiage 20
Fabrication des engrais phosphatés 30
Raffinage de Zn 17
Fabrication de pigments1 21
  • Aquatique (total pour l’ensemble de l’Union Européenne, 124 tonnes/an) :
1. Valeur contestée





Voir aussi


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