Cd · Élément 48 · Métal de transition
Un métal doux et toxique qui a donné au monde les accumulateurs rechargeables NiCd et le jaune éclatant des anciennes peintures.
Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe cadmium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 151 pm — soit 0,151 nm ; il en faudrait donc environ 3,31 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Cadmium est liquide dans une plage de 446 K, de 594 K à 1040 K.
Où il se trouve
Cadmium se trouve dans la période 5, groupe 12. Tous les éléments du groupe 12 possèdent le même nombre d’électrons externes, ce qui explique qu’ils se comportent de manière si similaire.
Autres Métaux de transition
Tous les métaux de transitionL’histoire
Un métal doux et toxique qui a donné au monde les accumulateurs rechargeables NiCd et le jaune éclatant des anciennes peintures.
Le cadmium a été découvert en 1817 par le chimiste allemand Friedrich Stromeyer, alors qu'il étudiait un étrange composé jaune qui contaminait des préparations médicinales à base de zinc. Cette découverte accidentelle allait révéler l'un des éléments les plus toxiques du tableau périodique.
Friedrich Stromeyer, professeur à l'université de Göttingen, fut chargé d'enquêter sur des cas de coloration jaune de l'oxyde de zinc utilisé à des fins médicinales. Des pharmaciens s'étaient plaints que certains lots d'oxyde de zinc jaunissaient lorsqu'ils étaient chauffés, ce qui les rendait impropres à l'usage médical. Stromeyer soupçonna la présence d'une substance inconnue.
Stromeyer analysa méthodiquement les échantillons d'oxyde de zinc contaminés. Il les dissolvait dans un acide et effectuait des réactions de précipitation pour séparer les différents composants. La couleur jaune persistait malgré divers traitements chimiques, ce qui indiquait qu'elle ne provenait pas d'impuretés connues comme le fer ou l'arsenic. Son travail analytique minutieux révéla qu'il s'agissait de quelque chose d'entièrement nouveau.
Grâce à une série de séparations chimiques, Stromeyer réussit à isoler une petite quantité de cadmium métallique en réduisant le composé jaune avec du charbon de bois. Le nouveau métal était blanc argenté, malléable et possédait des propriétés inhabituelles. Il le nomma « cadmium », d'après le mot grec « kadmeia » (calamine), qui désignait le minerai de zinc dont il était extrait.
Fait remarquable, deux autres chimistes firent des découvertes similaires à peu près à la même époque. Karl Samuel Leberecht Hermann, en Allemagne, et Jöns Jacob Berzelius, en Suède, isolèrent tous deux le cadmium indépendamment en 1818, confirmant les travaux de Stromeyer. Cette découverte parallèle souligna l'approche systématique de la chimie du début du XIXe siècle.
Quelques décennies après sa découverte, le cadmium fut utilisé comme pigment. Le jaune de cadmium (sulfure de cadmium) et le rouge de cadmium (séléniure de cadmium) furent appréciés des artistes pour leurs couleurs éclatantes et résistantes à la lumière. Ces pigments étaient plus vifs et plus stables que les colorants jaunes et oranges utilisés auparavant.
Ce n'est qu'au milieu du XXe siècle que la forte toxicité du cadmium fut largement reconnue. La tragique « maladie Itai-itai » apparue au Japon dans les années 1950-60, causée par la pollution au cadmium issue d'activités minières, mit en évidence les effets dangereux de cet élément sur la santé. Cela conduisit à l'adoption de réglementations strictes et à l'abandon progressif de nombreuses applications du cadmium.
Aujourd'hui, le cadmium sert de modèle pour étudier la toxicité des métaux lourds et la contamination environnementale. Les recherches sur ses effets biologiques ont largement contribué à notre compréhension du stress cellulaire, des lésions de l'ADN et de la santé environnementale. Malgré sa toxicité, le cadmium reste important dans des applications spécialisées comme les barres de contrôle nucléaires et les cellules solaires avancées.
La découverte du cadmium par Stromeyer illustre la rigueur de la chimie analytique du début du XIXe siècle. Son approche systématique pour isoler et caractériser des substances inconnues devint un modèle pour la découverte des éléments. La reconnaissance ultérieure de la toxicité du cadmium contribua également à l'émergence de la toxicologie environnementale et à la prise en compte de l'importance des effets des éléments sur la santé.
Applications
En raison de la toxicité du cadmium, de nombreuses utilisations traditionnelles ont été abandonnées ou fortement réglementées. L'UE a interdit le cadmium dans la plupart des produits de consommation, et de nombreux pays imposent des limites strictes aux émissions et à l'élimination du cadmium.
Les batteries NiCd étaient autrefois courantes dans les applications rechargeables en raison de leur durabilité et de leur capacité à fournir des courants élevés. Elles alimentaient les téléphones sans fil, l'éclairage de secours et les outils électriques. Cependant, les préoccupations environnementales ont conduit à leur remplacement par des batteries lithium-ion et NiMH dans la plupart des applications.
Le sulfure de cadmium produit des pigments jaunes éclatants, tandis que le séléniure de cadmium crée des rouges et des oranges vifs. Les artistes appréciaient ces pigments pour leur intensité et leur résistance à la lumière. Des peintres célèbres comme Monet et Van Gogh utilisaient des jaunes de cadmium. Aujourd'hui, des solutions plus sûres sont privilégiées pour la plupart des applications.
Le cadmiage offre une excellente résistance à la corrosion, en particulier dans les environnements marins. Il était largement utilisé pour la quincaillerie aéronautique, les boulons et les composants électroniques. Les applications militaires et aérospatiales utilisent encore le cadmiage lorsque les solutions de remplacement ne peuvent égaler ses performances, mais sous contrôle strict.
La capacité exceptionnelle du cadmium à absorber les neutrons le rend précieux dans les réacteurs nucléaires, comme matériau pour les barres de contrôle et les écrans neutroniques. Le cadmium-113 possède l'une des plus grandes sections efficaces d'absorption des neutrons parmi les isotopes stables, ce qui le rend essentiel aux systèmes de sécurité nucléaire.
Les cellules solaires à couches minces en tellurure de cadmium (CdTe) sont très efficaces et économiques. Malgré les préoccupations environnementales liées au cadmium, ces panneaux solaires présentent d'excellents temps de retour énergétique et sont recyclables. Ils représentent l'une des rares applications du cadmium en croissance.
Les alliages de cadmium à bas point de fusion sont utilisés dans des applications spécialisées, comme les systèmes automatiques d'extinction d'incendie et les bouchons de sécurité des récipients sous pression. Ces alliages fondent à des températures prédéterminées, assurant une décompression automatique en cas d'urgence.
Les composés du cadmium servent d'outils de recherche dans les études de biochimie et de toxicologie. Le chlorure de cadmium est utilisé pour étudier les réponses cellulaires au stress et la toxicologie environnementale. Ces applications nécessitent des protocoles de sécurité stricts et des procédures de gestion des déchets.
En raison de la toxicité du cadmium, la plupart des utilisations quotidiennes ont été abandonnées ou fortement réglementées. Les consommateurs modernes rencontrent rarement du cadmium directement, car des solutions plus sûres ont remplacé la plupart des applications traditionnelles.
Les anciennes batteries rechargeables des outils électriques, de l'éclairage de secours et des téléphones sans fil contenaient du cadmium. Elles sont remplacées par des batteries lithium-ion et nickel-hydrure métallique. Le recyclage approprié des anciennes batteries NiCd est essentiel pour prévenir la contamination de l'environnement.
Les artistes professionnels peuvent encore utiliser des peintures à base de cadmium pour leurs propriétés colorimétriques exceptionnelles, mais de nombreux fabricants proposent désormais des solutions sans cadmium. On apprend souvent aux étudiants en art à utiliser des substituts plus sûrs qui imitent les jaunes, oranges et rouges éclatants du cadmium.
Certains panneaux solaires à couches minces contiennent du tellurure de cadmium, bien que les consommateurs n'entrent pas directement en contact avec ce matériau. Ces panneaux sont scellés et doivent être correctement recyclés en fin de vie afin d'empêcher la libération de cadmium dans l'environnement.
Les céramiques et émaux anciens contiennent parfois des pigments de cadmium, qui peuvent migrer dans les aliments et les boissons. La réglementation interdit désormais le cadmium sur les surfaces en contact avec les aliments. La vaisselle ancienne ou importée devrait être testée avant d'être utilisée avec des aliments.
Certains équipements industriels spécialisés peuvent contenir des composants cadmiés pour résister à la corrosion. Les travailleurs de ces secteurs reçoivent une formation spéciale et font l'objet d'un suivi. L'exposition des consommateurs est minimale grâce aux pratiques de confinement industriel.
Le cadmium peut s'accumuler dans les sols et les plantes, en particulier dans les légumes à feuilles et les céréales. Les pratiques agricoles modernes surveillent les niveaux de cadmium afin de garantir la sécurité alimentaire. Le tabagisme est une source importante d'exposition au cadmium pour les fumeurs.
Les organismes de réglementation comme l'EPA et la FDA limitent strictement la présence de cadmium dans les produits de consommation. La plupart des expositions quotidiennes proviennent des aliments et du tabac plutôt que d'un contact direct avec des produits contenant du cadmium. Le recyclage et l'élimination appropriés empêchent son accumulation dans l'environnement.
D’où il vient
0,15 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 43 % des éléments
Le cadmium est l'un des éléments stables les plus rares de la croûte terrestre, avec une concentration moyenne de seulement 0.1-0.2 partie par million. Ce métal lourd toxique forme rarement ses propres minéraux ; il est plutôt présent comme composant mineur des minerais de zinc, de plomb et de cuivre.
La similitude chimique du cadmium avec le zinc signifie qu'il est presque toujours présent avec des minéraux de zinc. Le principal minéral contenant du cadmium est la greenockite (CdS), qui se forme comme revêtement sur les minerais de zinc. Le cadmium représente généralement 0.1-0.5% des concentrés de zinc, ce qui fait du raffinage du zinc la principale source de production de cadmium.
Les principales régions productrices de cadmium comprennent la Chine (60% de la production mondiale), la Corée du Sud, le Canada et le Kazakhstan. La mine Red Dog, en Alaska, produit d'importantes quantités de cadmium comme sous-produit de l'extraction du zinc. Les gisements de Mount Isa et de Broken Hill, en Australie, contiennent également d'importantes réserves de cadmium.
Les minéraux de cadmium pur sont extrêmement rares. Outre la greenockite (CdS), les autres minéraux du cadmium comprennent l'otavite (CdCO₃) et la monteponite (CdO). Ces minéraux présentent principalement un intérêt scientifique plutôt qu'une importance économique, car le cadmium est presque exclusivement récupéré comme sous-produit de la production d'autres métaux.
Les activités humaines ont considérablement augmenté les niveaux de cadmium dans l'environnement. La combustion du charbon, la fusion des métaux et les processus industriels libèrent du cadmium dans l'air, l'eau et les sols. L'incinération des déchets municipaux et l'utilisation d'engrais phosphatés contribuent également à la contamination de l'environnement par le cadmium.
Le cadmium s'accumule dans les organismes vivants, en particulier dans les reins et le foie. Les plantes peuvent absorber le cadmium des sols contaminés, les légumes à feuilles et les céréales présentant des concentrations plus élevées. Les mollusques et certains poissons concentrent le cadmium présent dans l'eau, faisant des produits de la mer une source potentielle d'exposition.
L'eau de mer contient environ 0.1 partie par milliard de cadmium, tandis que les eaux douces présentent généralement des concentrations plus faibles. La pollution au cadmium due aux activités minières et industrielles peut augmenter considérablement les concentrations dans les rivières et les lacs situés à proximité de sites contaminés.
Le cadmium est transporté sur de longues distances dans l'atmosphère, permettant à la pollution des zones industrielles d'affecter des régions éloignées. L'activité volcanique libère également du cadmium naturel dans l'atmosphère. La persistance et la toxicité de cet élément en font une préoccupation environnementale mondiale nécessitant une coopération internationale pour sa gestion.
Manipulation
Le cadmium est classé comme cancérogène du groupe 1 par le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC). Il présente de graves risques pour la santé par inhalation, ingestion et contact cutané. L'exposition doit être réduite au minimum et strictement contrôlée.
Inhalation aiguë : Les fumées de cadmium peuvent provoquer une grave irritation pulmonaire, un œdème pulmonaire et une pneumonite potentiellement mortelle. Les symptômes peuvent apparaître 4-24 heures après l'exposition. Exposition chronique : L'inhalation prolongée cause des lésions pulmonaires irréversibles, de l'emphysème et une augmentation du risque de cancer du poumon.
Organe principalement touché : Le cadmium s'accumule dans les reins et possède une demi-vie biologique de 10-30 ans. L'exposition chronique provoque un dysfonctionnement rénal, une protéinurie et, à terme, une insuffisance rénale. Même une exposition faible au fil du temps peut causer des lésions rénales irréversibles.
Perturbation du calcium : Le cadmium perturbe le métabolisme du calcium, entraînant une déminéralisation osseuse, l'ostéoporose et un risque accru de fractures. La tristement célèbre « maladie Itai-itai » au Japon se caractérisait par de fortes douleurs osseuses et des fractures dues à une contamination par le cadmium.
Plusieurs types de cancers : L'exposition au cadmium est liée aux cancers du poumon, de la prostate, du rein et de la vessie. Le mécanisme implique des lésions de l'ADN, un stress oxydatif et une perturbation des mécanismes de réparation cellulaire. Aucun seuil d'exposition sans danger n'a été établi.
Contrôles stricts requis : L'OSHA limite l'exposition professionnelle à 0.005 mg/m³ pour une journée de travail de 8 heures. Les travailleurs doivent utiliser une protection respiratoire et des vêtements de protection, et faire l'objet d'un suivi médical régulier. Il est interdit de manger, de boire et de fumer dans les zones de travail exposées au cadmium.
Prévention de la contamination : L'élimination appropriée des batteries et appareils électroniques contenant du cadmium est essentielle. La surveillance agricole empêche l'accumulation de cadmium dans les cultures vivrières. La dépollution des sites contaminés nécessite des techniques spécialisées et un suivi à long terme.
Mesures immédiates : Éloigner la personne de la source d'exposition, lui fournir de l'air frais et consulter immédiatement un médecin en cas d'inhalation. Laver soigneusement la peau après tout contact cutané. Un traitement chélateur peut être envisagé en cas d'intoxication aiguë, bien que son efficacité soit limitée. Un suivi médical à long terme est essentiel après toute exposition importante.
Réponses rapides
Cadmium (symbole Cd) est l’élément 48 du tableau périodique, un Métal de transition de la période 5, du groupe 12. Un métal doux et toxique qui a donné au monde les accumulateurs rechargeables NiCd et le jaune éclatant des anciennes peintures. À température ambiante, c’est un solide.
[Kr] 4d¹⁰ 5s² ; elle comporte 5 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 18, 2.Cadmium fond à 594.2 K (321.1 °C) et bout à 1040 K (766.9 °C).
La masse atomique standard de Cadmium est de 112.414 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Cadmium a une masse volumique de 8.65 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Cadmium est donc environ 8.7× plus lourd.
Cadmium a une électronégativité de Pauling de 1.69. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Cadmium a été découvert en 1817 par Stromeyer & Hermann. Il porte le nom de latin cadmia, « calamine ».
Cadmium constitue environ 0.15 mg/kg de la croûte terrestre — véritablement rare, ce qui explique son prix élevé.