Cadmium

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

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

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 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 (densité) est de 8 650 kg/m³. Il est ductile (résistance à l’étirement), malléable (résistance à l’aplatissement) 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 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. La masse molaire atomique du Cadmium (Cd) est de 112, 4 g/mol.

Toxicité du cadmium

Elle est connue depuis les années 50. Très toxique sous toutes ses formes (métal, vapeur, sels, composés organiques), le cadmium est l'un des rares éléments n'ayant aucune fonction connue dans le corps humain ou chez l'animal. Il faut éviter son contact avec des aliments. Chez l'Homme, il provoque notamment des problèmes rénaux et l'augmentation de la tension.

Historique

Dans les années 1500, au Japon, une intoxication aigüe au cadmium a donné une maladie des reins et des os, nommée « itaï-itaï » (qui signifie « j'ai mal, j'ai mal », la phrase souvent répétée par les malades). Le cadmium est concentré par la chaine alimentaire (Les mollusques bivalves concentrent 300 000 fois le cadmium, voire plus. Celui-ci peut venir de loin ; par exemple, le cadmium présent en excès dans les huitres d'Oléron vient d'une source située très en amont (anciens déchets miniers).

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).

Sources d'exposition

Le cadmium semble quantitativement absorbé d'abord par inhalation et moindrement par absorption gastro-intestinale. Il n’est pas absorbé par la peau. En dehors de l’exposition professionnelle, on peut y être exposé via :
- La fumées et les poussières perdues par certaines industries (métallurgie, recyclage des batteries au cadmium, engrais phosphorés);
- La fumée de cigarette (la source principale de contamination de la population générale);
- Les engrais phosphorés de synthèse (ou naturels parfois), qui en contiennent beaucoup et qui polluent le sol et les nappes;
- Les effluents et boues d'épuration urbaine et/ou industrielles épandues sur les champs ou en forêt sont des sources parfois importantes de cadmium. Deux cultures expérimentales sur champ suite à un épandage de boues d'épuration ont montré que ces épandages ont conduit à des teneurs proches des maxima autorisés. étude : HGCA Project Number: 1655);
- Certains aliments (dont par exemple les champignons, ou les organes tels le foie et les reins en contiennent souvent des taux supérieurs aux normes parce que ces organes ont pour rôle justement de capter et réduire les concentrations de cadmium circulant dans le système. Le blé et certains végétaux (e.g. épinards) semblent pouvoir l'accumuler plus que d'autres. Certains légumes et les céréales peuvent concentrer le cadmium. Les cultures de céréales sur sols acides favorisent la contamination du grain, avec cependant des différences significatives selon les variétés plantées;
- Les cendres et résidus d'incinération, après combustion d'objets contenant du cadmium (peintures, PVC, etc) comme colorant, additif ou catalyseur;
- l’air urbain (niveaux parfois très élevés près des centres de production). Les lichens, les mousses et les champignons peuvent en accumuler des doses très élevées, voire mortelles, de même que d'autres métaux lourds, faisant de ces espèces de bons indicateurs de l'état de pollution de l'Environnement (quand elles y ont survécu).

Intoxications aiguës

Fièvre des fondeurs L’inhalation de fumées d’oxyde de cadmium (générées lorsque le cadmium métallique est porté 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 grande 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. Temps de séjour dans l’organisme : Le Cadmium s'accumule dans les organes au long de la vie pour chez l’homme adulte atteindre 30 à 40 milligrammes, voire plus chez ceux qui y ont été exposés durant leur vie car l'élimination naturelle (urine, excrément, et moindrement règles, éjaculation, perte de phanères (ongles, cheveux) ne compense généralement pas les apports. Il s'accumule provisoirement dans le foie avant de s’accumuler dans les reins où au delà de 200 mg par kg chez l’adulte, il provoque des lésions irréversibles. Santé reproductive : Les effets testiculaires étaient démontrés chez l'animal à fortes doses expérimentales. On a récemment montré que le cadmium interagissait aussi, aux seuils recommandés par l’OMS avec les récepteurs des œstrogènes chez le rat. A l'université de Washington (USA) étude pilotée par Mary Beth Martin résumé dans Nature Medicine, le 14 juillet 2003 , des rats femelles dont on avait ôté par ablation les ovaires (afin que l’animal ne produise plus d’oestrogènes) ont été exposé à une injection hebdomadaire de cadmium à un taux qui est celui que l’OMS recommande de ne pas dépasser ( 5 et 7 microgrammes par kilo et par semaine). Quatre jours après la 1 injection, des effets pseudo hormonaux était observés . Le cadmium dans le sang produit chez les rats femelles la pousse des glandes mammaires, ainsi qu’une augmentation du poids et de la taille de l'utérus, ainsi qu’un amincicement de la paroi utérine des cobayes. Les femelles enceintes ont des petits dont la puberté survient plus tôt. Cet effet hormonal pourrait expliquer certains troubles osseux (ostéoporose, fractures précoce...) chez les femmes au Japon lors de la maladie d'Itaï Itaï décrite en 1967. Les conclusions ne peuvent être directement extrapolées à l’Homme, mais la question est posée. Les effets oestrogéniques sont à confirmer par des études sur d’autres modèles animaux et chez l’Homme, notamment parce que le cadmium était injecté aux rats, et qu’il peut être présent sous des formes différentes et moins brutalement chez l’homme par voie orale ou pulmonaire. Une autre question est celle de la synergie ou potentialisation lorsque le cadmium est absorbé - ce qui est souvent le cas - avec d’autres toxiques. Les doses recommandées par l'OMS 7 microgrammes par kilo et par semaine, et entre 3 à 5 microgrammes par litre pour la boisson pourraient un jour être révisées, comme pour le plomb.

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. D'après le directeur du centre de recherche de la fondation "vive la santé" le cadmium serait un des facteurs de stérilité.

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).

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 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 batterie 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.
- 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...

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%).

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 pyramide alimentaire. En Europe la Belgique centre est particulièrement touchée, ainsi que les ex-pays de l'Est. Les origines de la pollution par le cadmium sont multiples, avec notamment (en tonnes/an) :
- 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).
- 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. Le 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.
- Aquatique (total pour l’ensemble de l’Union Européenne, 124 tonnes/an) :

Notes

Voir aussi

- Cadmiage
- Nickel-cadmium ===
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