Cadmium

Iso	AN	Période	MD	Ed	PD
Iso	AN	Période	MD	MeV	PD
¹⁰⁶Cd	1,25 %	stable avec 58 neutrons
¹⁰⁸Cd	0,89 %	stable avec 60 neutrons
¹⁰⁹Cd	{syn.}	1,266 5 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-

Propriétés physiques du corps simple

État ordinaire

solide

Masse volumique

8,69 g·cm^-3 (20 °C)^[1]

Système cristallin

Hexagonal compact

Dureté (Mohs)

2

Couleur

gris argenté métallique

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

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]

Divers

N^o CAS

7440-43-9

N^o ECHA

100.028.320

N^o CE

231-152-8

Précautions

SGH^[5]

État pulvérulent :

Danger

H250, H330, H341, H350, H361fd, H372, H410, P210, P260, P273, P281, P391, P308+P313, P405 et P501

SIMDUT^[6]

D1A, D2A,

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 sur le plan de la santé environnementale parmi les éléments traces métalliques et métaux lourds. Des analyses géostatistiques ont montré que dans certaines régions de monde, dont en France^[7], 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)^[7]. Certains engrais (phosphatés) sont aussi une source possible de contamination des sols.

Histoire

Le cadmium fut découvert en 1817 par l’Allemand Friedrich Stromeyer qui le prépara pour la première fois^[8].

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

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 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

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

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^[9].

Écotoxicité du Cadmium

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^[10].

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

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

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

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

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 ;

l'éponge de cadmium est un mélange de cadmium et de sulfate de zinc obtenu généralement par la réaction entre du zinc et du sulfate 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

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

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^[11].

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^[12]^{[réf. souhaitée]}	21
Total ^{[T 1]}	124

↑ ^{a b et c} pour l’ensemble de l’Union européenne.
↑ 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).
↑ 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^[13]^,^[14].

Réglementation

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 1^er 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

↑ ^{a b c d et e} (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90^e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0)
↑ (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)
↑ (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, 2009, 89^e éd., p. 10-203
↑ (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
↑ Entrée « 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)
↑ « 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
↑ ^{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.
↑ H. Biglow, Orville Luther Holley (1818) The American Monthly Magazine and Critical Review. Volume 4, Numéro 1, p. 69, novembre 1818.
↑ 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]).
↑ 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).
↑ Le riz au cadmium sème la panique en Chine Le Point, juin 2013.
↑ Valeur contestée.
↑ Régime communautaire relatif aux engrais.
↑ 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)].