Cadmium

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
Cadmium
ArgentCadmiumIndium
Zn
  Structure cristalline hexagonale
 
48
Cd
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Cd
Hg
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Cadmium, Cd, 48
Série chimique métal de transition
Groupe, période, bloc 12, 5, d
Masse volumique 8,69 g·cm-3 (20 °C)[1]
Dureté 2
Couleur gris argenté métallique
No CAS 7440-43-9 [2]
No EINECS 231-152-8
Propriétés atomiques
Masse atomique 112,414 ± 0,004 u [1]
Rayon atomique (calc) 155 pm (161 pm)
Rayon de covalence 144 ± 9 pm [3]
Rayon de van der Waals 158 pm
Configuration électronique [Kr] 4d10 5s2
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 18, 18, 2
État(s) d’oxydation 2
Oxyde base faible
Structure cristalline hexagonal
Propriétés physiques
État ordinaire solide
Point de fusion 321,07 °C [1]
Point d’ébullition 767 °C [1]
Énergie de fusion 6,192 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 99,87 kJ·mol-1 (1 atm, 767 °C)[1]
Volume molaire 13,00×10-3 m3·mol-1
Pression de vapeur 14,8 Pa
Vitesse du son 2 310 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1,69
Chaleur massique 233 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 13,8×106 S·m-1
Conductivité thermique 96,8 W·m-1·K-1
Solubilité sol. dans HCl [4]
Énergies d’ionisation[5]
1re : 8,99382 eV 2e : 16,90831 eV
3e : 37,48 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
106Cd 1,25 % >2,6×1017 a β+, CE
108Cd 0,89 % stable avec 60 neutrons
109Cd {syn.} 1,2665 a ε 0,214 109Ag
110Cd 12,49 % stable avec 62 neutrons
111Cd 12,8 % stable avec 63 neutrons
112Cd 24,13 % stable avec 64 neutrons
113Cd 12,26 % 7,7×1015 a
[réf. souhaitée]
β- 0,316 113In
113mCd {syn.} 14,1 a
[réf. souhaitée]
β-
——
TI
0,580
——
0,264
113In
———
113Cd
114Cd 28,73 % stable avec 66 neutrons
116Cd 7,49 % 2,3×1019 a 2β-
Précautions
Directive 67/548/EEC[6]
Très toxique
T+
Dangereux pour l’environnement
N



SIMDUT[7]
D1A : Matière très toxique ayant des effets immédiats graves
D1A, D2A,
SGH[8]
SGH06 : ToxiqueSGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxiqueSGH09 : Danger pour le milieu aquatique
Danger
H330, H341, H350, H361fd, H372, H410,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le cadmium est un élément chimique de symbole Cd et de numéro atomique 48. C'est un élément toxique (notamment responsable de la Maladie Itai-itai) et écotoxique, considérés comme parmi les plus problématiques en termes de santé environnementale parmi les éléments traces métalliques et métaux lourds. Des analyses géostatistiques ont montré que dans certaines régions de monde, dont en France[9], certains sols (sédimentaires marins) présentent naturellement une teneur élevée en cadmium (avec des risques de contamination de végétaux ou d'animaux et de l'eau)[9]. Certains engrais (phosphatés) sont aussi une source possible de contamination des sols.

Histoire[modifier | modifier le code]

Le cadmium fut découvert en 1809 par le médecin et chimiste suédois Magnus Martin af Pontin, mais c’est en 1817 que l’Allemand Friedrich Stromeyer le prépara pour la première fois[réf. nécessaire].

Le nom de cadmium vient du latin cadmia « calamine », ancien nom donné au carbonate de zinc (le cadmium était extrait de ce minerai aux environs de la ville de Thèbes, qui fut fondée par Cadmos, et dont la citadelle porte le nom de Kadmeia, en français Cadmée).

Propriétés[modifier | modifier le code]

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

Propriétés physiques[modifier | modifier le code]

Cadmium.

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 est de 8 650 kg/m3.

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

Propriétés chimiques[modifier | modifier le code]

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

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

Réagissant avec les acides comme avec les bases, il est soluble dans l'acide nitrique dilué et dans les acides chlorhydrique et sulfurique concentrés et chauds.

Sa masse molaire atomique est de 112,4 g/mol.

Toxicité et toxicologie du cadmium[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : Intoxication au cadmium et Maladie Itai-itai.

Le cadmium est un cation bivalent comme le calcium. Il se substitue au calcium dans le cristal osseux et en modifie les propriétés mécaniques.

Chez l'homme, il provoque notamment des problèmes rénaux et l'augmentation de la tension. En outre, son inhalation est dangereuse. Il a été récemment proposé par des praticiens hospitaliers d'ajouter un profil métallique au bilan de santé individuel[10].

Écotoxicité du Cadmium[modifier | modifier le code]

Cet élément est toxique à faibles doses pour de nombreuses espèces animales et végétales, aquatiques et terrestres; Par exemple il peut déformer le squelette du vairon (suite à des fractures spontanées de vertèbres, souvent à proximité de la queue) dès l'exposition à 7,5 μg de cadmium/litre, dose 5200 fois moins importante que la LC50 pour 96 h, et qui est proche des taux de cadmium des cours d'eau pollués des régions baltes où à eu lieu cette étude[11].

Face à ces risques et aux autres contaminations environnementales, les piles NiMH moins polluantes et moins dangereuses pour la santé ont remplacé à partir de 2008 les piles NiCd au sein de l'Union européenne. Les piles NiMH ont en outre elles aussi disparu, au profit des accumulateurs lithium-ion, dans la quasi-totalité des appareils nomades.

Gisements[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Environ 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[modifier | modifier le code]

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

Il est à 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[modifier | modifier le code]

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-walkiesetc.
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 ;
  • en combinaison avec de l'or, il fait partie de la famille des métaux « intelligents » et sert donc à fabriquer des lunettes incassables, des tuyaux dans les centrales nucléaires…
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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Elle est en forte diminution dans les mers depuis les années 1980, mais les taux restent localement préoccupants, notamment dans les coquillages et organismes du haut de la chaîne alimentaire. En Europe la Belgique centre est particulièrement touchée, ainsi que les ex-pays de l'Est.

En Chine, le cadmium serait présent dans une partie importante de la production de riz[12].

Les origines de la pollution par le cadmium sont multiples, avec notamment :

Agricole
Engrais phosphatés 263
Eau 62
« Redéposition » des poussières 168
Boues d'épandage 52
Total[T 1] 545[T 2]
Atmosphérique
Combustion de produits pétroliers 28
Raffinage de Zn 23
Incinération des ordures ménagères 28
Combustion du charbon 21
Sidérurgie 24
Production d'accumulateurs 11
Total [T 1] 168[T 3]
Aquatique
Sidérurgie, métallurgie 42
Cadmiage 20
Fabrication des engrais phosphatés 30
Raffinage de Zn 17
Fabrication de pigments[13][réf. souhaitée] 21
Total [T 1] 124
  1. a, b et c pour l’ensemble de l’Union européenne.
  2. 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).
  3. 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.

Le risque lié au cadmium des engrais phosphorés en Europe commence à être pris en compte. En Europe, la Commission a publié plusieurs textes et décisions concernant les dispositions nationales relatives à la teneur maximum admissible en cadmium des engrais[14],[15].

Réglementation[modifier | modifier le code]

Le cadmium est limité ou interdit pour certains usages.
Il fait partie des métaux devant être contrôlé dans l'eau potable (dans la plupart des pays)
En Europe, depuis le 1er juillet 2006, la Directive RoHS (« Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment ») limite son usage dans certains produits commercialisés en Europe (dont éclairage et électronique, hors batteries). Les autres métaux concernés sont plomb, mercure, chrome hexavalent, polybromobiphényles (PBB), polybromodiphényléthers (PBDE), ces derniers sont limités à 0,1 % du poids de matériau homogène, mais la limite imposée pour le cadmium est 10 fois plus basse que pour ces derniers produits 0,01 %. Remarque : cette directive pourra être élargie à d'autres produits et à d'autres toxiques.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c, d et e (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ 2008, p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
  4. (en) Thomas R. Dulski, A manual for the chemical analysis of metals, vol. 25, ASTM International,‎ 1996, 251 p. (ISBN 0803120664, lire en ligne), p. 71
  5. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC,‎ 2009, 89e éd., p. 10-203
  6. Entrée de « Cadmium pyrophoric » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 13 février 2010 (JavaScript nécessaire)
  7. « Cadmium » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  8. Numéro index 048-002-00-0 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008)
  9. a et b Baize, D., Deslais, W. & Gaiffe, M. (1999). Anomalies naturelles en cadmium dans les sols de France[PDF]. Étude et gestion des Sols, 2, 85-104.
  10. Jean-Pierre Goullé, Elodie Saussereau, Loïc Mahieu, Daniel Bouige, Michel Guerbet, Christian Lacroix (2010) Une nouvelle approche biologique : le profil métallique ; Annales de Biologie Clinique. Volume 68, Numéro 4, p. 429-440, juillet-août 2010 ; DOI : 10.1684/abc.2010.0442 ([résumé]).
  11. Bengtsson, B. E., Carlin, C. H., Larsson, Å., & Svanberg, O. (1975) Vertebral damage in minnows, Phoxinus phoxinus L., exposed to cadmium. Ambio, 166-168 (résumé).
  12. Le riz au cadmium sème la panique en Chine Le Point, juin 2013.
  13. Valeur contestée.
  14. Régime communautaire relatif aux engrais.
  15. 2006/348/CE: Décision de la Commission du 3 janvier 2006 concernant les dispositions nationales relatives à la teneur maximum admissible en cadmium des engrais notifiées par la République de Finlande au titre de l’article 95, paragraphe 4, du traité CE [notifiée sous le numéro C(2005) 5542 (Texte présentant de l'intérêt pour l'EEE)].

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto