Le cadmium est l'élément chimique de numéro atomique 48, de symbole Cd. Le corps simple cadmium est un métal, sans rôle biologique et hautement toxique même à faible dose. L'intoxication au cadmium se traduit par des atteintes pulmonaires, osseuses et rénales ainsi que certains cancers, sa dangerosité dépendant de l’exposition et de facteurs individuels, tandis que sa forte bioconcentration dans les écosystèmes accroît encore ses risques pour la santé.
Un alliage contenant du cadmium ou un objet recouvert d'une fine couche de cadmium (métal) est dit cadmié.
Généralités et histoire de la découverte du cadmium
Le cadmium est un élément du groupe 12 et de la période 5. Stricto sensu, c'est un métal pauvre, qui ne répond pas à la définition des éléments de transition par l'IUPAC : ; en pratique cependant, il est très souvent assimilé aux métaux de transition dans les manuels et de très nombreux ouvrages. Il fait partie du « groupe du zinc », ou groupe B, qui comprend, par numéro atomique croissant, Zn, Cd et Hg, éléments caractérisés par deux électrons sur la sous-couche s au-delà d'une sous-couche d complète. La configuration électronique du cadmium est . Zinc et cadmium sont des métaux électropositifs assez semblables.
vignette|Pièce de cadmium centimétrique.|gauche|158x158px
L'élément a été découvert dans le cadre de la chimie minérale classique : il est dénommé en allemand « » ou « » définitivement en 1817 par le professeur de chimie analytique de l'université de Goettingen Friedrich Stromeyer qui prépare le corps simple, métal mou et blanc, pour la première fois à partir de carbonate de zinc impur, couvert de taches jaunâtres H. Biglow, Orville Luther Holley, , , , , .. Ces travaux concernant la chimie de l'élément cadmium sont confirmés dès 1818 par les travaux de trois chimistes allemands, le pharmacien-chimiste et industriel Carl Hermann à partir des oxydes de zinc, Karl Johann Bernhard Karsten et Paul Meissner ou pour confirmer, de façon indépendante, la première hypothèse savante. gauche|vignette|161x161px|Smithsonite jaunâtre contenant du cadmium. Le mot cadmium vient du latin médiéval ou du gréco-latin , ancien nom donné au carbonate de zinc, avant la dénomination définitive de smithsonite, attribuée en 1832 par François Sulpice Beudant. Les mineurs des environs de la cité antique de Thèbes extrayaient déjà ce minerai pour fabriquer divers « laitons » et « bronzes ». La cité thébaine en Béotie est fondée selon la légende par le guerrier étranger Cadmos ou Cadmus, dont la citadelle et le royaume portent ainsi le nom de Kadmeia, en français Cadmée.
Ce nom est donc apparenté par sa racine à celui du mélange dénommé « calamine », mais aussi du minéral défini calamine. Le terme gréco-latin cadmia désignait en Europe à la fois tous les types de minerais de zinc oxydé, que sont les calamines décrites de manière érudite, et dans la tradition technique, les cadmia fornacum ou cadmies, ces dépôts de poussières et d'oxydes métalliques, formés sur les parois des fours métallurgiquesCadmia en allemand technique, langue germanique des mineurs et métallurgistes au , désigne cette dernière « cadmie » encore dénommée trivialement « calamine » en français, soit les incrustations de fourneau, la « suie métallique » qui s'attache aux parois des fourneaux de fusion. Il paraît évident que le terme minéral stricto sensu appartient à un registre savant latin, et non populaire ou technique.. Par exemple, dans le dictionnaire Larousse du paru après 1920, la cadmie désigne en premier lieu le résidu qui s'attache aux parois du gueulard des hauts-fourneaux, et dans une autre dénomination qualifiée par l'adverbe "autrefois", correspond à la calamine, au sens de minéral défini et/ou de roche minerai, c'est-à-dire en rapport avec le corps « carbonate de cadmium » qui, à l'état pur, se nomme smithsonite. L'adjectif « cadmique » mentionne ce qui a rapport au cadmium (élément ou corps simple), ou qualifie ce qui contient du cadmium.
L'interprétation commune selon laquelle le cadmium provient du mot « cadmie », parfois pris au sens de dépôt résiduel, se fonde sur le fait que le cadmium métal produit par l'industrie en Haute-Silésie dès 1852 provenait de la réduction des poussières zincifères et cadmifères, autrement dit des cadmies, recueillies dans les allonges des cornues jouant le rôle de creusets horizontaux des fours à zinc. Le métal cadmium était finalement obtenu par une distillation garantissant le moins d'impuretés possibles. Ce procédé s'est répandu dans le monde jusqu'à sa disparition vers 1920.
Le cadmium est un élément toxique (notamment responsable de la maladie Itai-Itai) et écotoxique, parmi les plus problématiques sur le plan de la santé environnementale dans la catégorie des éléments traces métalliques et métaux lourds. Des analyses géostatistiques ont montré que dans certaines régions du monde, dont la FranceBaize, D., Deslais, W. et Gaiffe, M. (1999), Anomalies naturelles en cadmium dans les sols de France . Étude et gestion des Sols, 2, 85-104., certains sols (sédimentaires marins) présentent naturellement une teneur élevée en cadmium (avec des risques de contamination de végétaux, d'animaux et de l'eau). Certains engrais (phosphatés) sont la source la plus fréquente de contamination des sols en Europe.
Isotopes
Le cadmium possède connus, de nombre de masse variant entre 95 et 132, et . Parmi ces isotopes, six sont stables, Cd, Cd, Cd, Cd, Cd et Cd, et constituent avec deux radionucléides primordiaux, Cd et Cd la totalité du cadmium naturel. Le plus abondant est Cd (28,73 % du cadmium naturel) et le moins abondant Cd (0,89 %). On soupçonne Cd, Cd et Cd d'être radioactifs, avec des demi-vies de l'ordre de dix millions de fois l'âge de l'univers ou même supérieures, mais leur désintégration n'a pour l'instant jamais été observée. On attribue au cadmium une masse atomique standard de .
Occurrences dans les milieux naturels, minéralogie et géologie, gîtes et gisements Le cadmium est un élément relativement rare, dont le clarke s'élève à Alain Foucault, opus cité..
Le cadmium existe très rarement à l'état natif. Le cadmium natif n'a été découvert, qu'en 1979, par des géologues russes dans les trapps de Sibérie orientale.
Le cadmium est souvent associé au zinc, au cuivre et au plomb dans les minerais.
Gisements Les minerais assez rares, très souvent mêlés à la blende, la greenockite contenant potentiellement 77,8 % ou l'otavite ou carbonate naturel de cadmium, restent en pratique inexploités ou peu exploitables, car le cadmium est présent dans presque tous les minerais de zinc (la teneur en cadmium varie de 0,01 % à 0,05 %). Le cadmium métal est obtenu industriellement comme sous-produit de la métallurgie du zinc, à partir des poussières mêlées au gaz de grillage des minerais sulfurés comme les blendes , mais aussi parfois du cuivre et du plomb. Il est aussi récupéré à partir des lessives de la production électrolytique du zinc.
Sa production dépend de celle du zinc, dans une proportion variable de de cadmium/tonne de Zn élaboré ( de zinc en moyenne).
Le cadmium est également présent dans des minerais de plomb et de cuivre, ainsi que dans des phosphates naturels ( pour les phosphates jordaniens, pour les phosphates tunisiens).
Propriétés physiques et chimiques, préparation du corps simple, alliages
Propriétés physiques Le corps simple cadmium est un métal blanc argent brillant, légèrement bleuté, tendre et mou, très malléable et ductile, avec un éclat blanc d'étain. Il est plus mou que le zinc et l'étain. Son réseau hexagonal compact est déformé par allongement, expliquant une anisotropie des propriétés cristallines. Le métal cadmium se courbe facilement, il crisse à la flexionLe cadmium est un peu plus dur que l'étain, mais il donne à entendre, comme ce dernier métal, un craquement typique lorsqu'on le ploie.. Il graisse les limes. Frotté sur le papier, il laisse une trace grise.
La résistivité électrique du cadmium est quatre fois plus élevée que celle du cuivre.
Exposé à l'air, il perd son éclat. Avec le temps il ternit au contact de l'air. Il est peu altéré à l'air humide. Il est insoluble dans l'eau et les bases. L'eau pure est sans action, même à ébullition.
Le cadmium est un métal blanc argenté ayant des propriétés physiques proches de celle du zinc. Sa masse molaire atomique est de . Sa masse spécifique est de . Son coefficient de dilatation linéaire est de l'ordre de . Par écrouissage, sa densité apparente peut passer de 8,6 à 8,69, et sa dureté Mohs se stabilise .
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. C'est pourquoi il est employé dans les revêtements galvanoplastiques, par exemple le cadmiage des aciers pour la protection en milieu eau de mer. C'est ainsi un métal d'électro-galvanisation, le revêtement protecteur de l'acier pouvant être un dépôt par voie électrolytique.
Le corps simple métal cadmium est plus volatil que le zinc. Il fond à et bout vers à une pression d'une atmosphère. Lors de l'ébullition du cadmium, il se dégage des vapeurs jaunes, orange ou jaune orangé, à la fois toxiques et suffocantes. Sa densité de vapeur avoisinerait 3,94 selon Henri Sainte-Claire Deville et sa pression de vapeur est importante dès . Refroidie lentement, cette matière à l'état de vapeur cristallise en octaèdres réguliers.
Une lampe à vapeur de cadmium (Cd confiné sous vide) éclaire fortement, mais avec une couleur de base bleu-vert à l'équilibre.
Propriétés chimiques Les propriétés chimiques du cadmium sont semblables à celles du zinc.
Le cadmium est chalcophile : il réagit directement avec le corps simple soufre. Le test classique est la précipitation du sulfure de cadmium jaune par le gaz sulfure d'hydrogène ou divers autres sulfures alcalins. Cd métal solide + HS gaz hygrogène sulfuré → H gaz + CdS poudre solide jaune
Il s'oxyde très peu à la température ambiante et chauffé, il brûle avec une flamme orange dans l'air en donnant une fumée brune toxique, qui apparaît être de l'oxyde anhydre jaune brun , insoluble dans un excès d'hydroxyde de sodium. La réaction est exothermique : 2 Cd métal solide + gaz oxygène de l'air → 2 CdO solide jaune brun avec = vignette|Pièce de cadmium oxydé, CdO brun jaune en surface. La vapeur de cadmium décompose l'eau au rouge, produisant un dégagement de gaz dihydrogène et laissant . Cd vapeur + vaporisé → H gaz + CdO poudre solide jaune brun
Le cadmium est soluble dans les acides forts concentrés et parfois dilués. Réagissant avec les acides forts, il est facilement soluble dans l'acide nitrique fort et dilué, il reste peu soluble dans les acides chlorhydrique et sulfurique concentrés à moins de procéder à chaud. Le métal cadmium est dissous avec dégagement d'hydrogène dans les précédents acides décrits, mais aussi dans l'acide acétique, un acide faible.
Les sels de cadmium obtenus, incolores, parfois diversement hydratés, sont solubles dans l'eau. Placé sur une lame de zinc, un sel quelconque génère l'activation du couple redox suivant, qui explique le dépôt cristallin de cadmium métal.
Zn + Cd → Zn + Cdmétal avec Δε ≈
Il est soluble dans les solutions aqueuses de nitrate d'ammonium et dans celles de l'acide sulfureux, sans dégagement de gaz hydrogène. Dans ce dernier cas, la dissolution donne un mélange de sulfite de cadmium soluble, et de sulfure de cadmium qui précipite.
Le cadmium réagit également directement avec les corps simples halogènes, sélénium, phosphore
Métallurgie La métallurgie du cadmium est intégrée à celle du zinc, du plomb ou plus rarement du cuivre. Dans tous les cas, une partie du cadmium est récupérée par filtration du gaz provenant du grillage.
Voici deux cas de récupération, la pyrométallurgie et l'hydrométallurgie du zinc :
Pyrométallurgie