Cadmium

Découvert en 1809 par Magnus Martin af Pontin, le cadmium est probablement le premier métal à n’avoir été découvert que parce qu’il contaminait un minerai, le carbonate de zinc (cf. Zinc). C’est vers 1817, qu’il fut isolé indépendamment en Allemagne par quatre chimistes, Friedrich Strohmeyer, Karl S.L. Hermann, M. Karsten et W. Meissner.

Friedrich Strohmeyer, inspecteur principal des pharmacies de Hanovre, élève de Louis Nicolas Vauquelin, remarqua que certains carbonates de zinc étaient plus ou moins jaunâtres. Craignant la présence d’arsenic (cf. [Arsenic->222]), il en fit l’analyse et isola un métal dont les propriétés étaient assez voisines de celles du zinc et auquel il donna le nom de cadmium, dérivé du grec et du latin cadmia. Celui-ci désignait, d’une part, le minerai de zinc oxydé donnant naissance au nom « calamine » (de la mine de zinc de Kadmos, près de Thèbes) et, d’autre part, sous la forme cadmia fornacum, les dépôts de poussières et d’oxydes métalliques (les cadmies) formés sur les parois des fours métallurgiques.

Le cadmium est un métal de transition, de numéro atomique 48. Blanc argent, légèrement bleuté, il est très malléable et ductile. Son abondance dans la lithosphère est estimée à 0,15 g/t, c’est donc un métal relativement rare. Il n’existe pas de minerais de cadmium en quantités exploitables ; le plus connu est la greenokite, un sulfure de cadmium hexagonal, à 77,8 % de métal, associé au sulfure de zinc, sphalérite, et de plomb (cf. Plomb).

En 1861, Henri Sainte-Claire Deville (cf.Henri Sainte-Claire Deville) découvre la volatilisation apparente des sulfures minéraux dans l’hydrogène : « Cette volatilisation donne des cristaux de greenokite et des cristaux de sulfure de zinc en prismes hexagonaux, espèce alors nouvelle trouvée depuis dans la nature par M. Friedel (cf. Charles Friedel), qui l’a appelée wurtzite » raconte dans son hommage, son élève Paul-Gabriel Hautefeuille en 1885

Le cadmium est obtenu industriellement, soit lors du raffinage du zinc par pyrométallurgie, soit par hydrométallurgie. Dans le premier cas, on obtient une « éponge » qui est traitée à 450 °C en présence de soude pour éliminer zinc et plomb, puis on distille le cadmium à 770 °C. Dans le second cas, le cadmium est en solution (0,2 à 0,3 g/l) dans le bain d’électrolyse. Il est récupéré, après épuisement de l’ion 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 se fait par lixiviation à l’acide sulfurique et électrolyse (anode en plomb et cathode en aluminium).

Une part non négligeable (de l’ordre de 10 000 t/an, soit la moitié des besoins mondiaux) provient du recyclage, en particulier des batteries d’accumulateurs (piles rechargeables Ni-Cd : cf. Pile électrique, Batteries). Mais le développement durable, et le tri des déchets ménagers pour faire du compost exige des précautions : dans les années 1990, les piles boutons largement utilisées et jetées passaient au travers des tamis et contaminaient avec du mercure (cf. Mercure) et du cadmium la matière organique utilisée comme engrais dans les champignonnières, amenant alors leur accumulation dans les champignons de Paris.

Dans le domaine de l’énergie, la fabrication de cellules photovoltaïques souples est un nouveau défi : en juin 2011, un laboratoire suisse, associé à l’industriel DuPont, a annoncé un taux de conversion record de 13,8% en déposant du tellurure de cadmium (CdTe) sur un film de polyimide Kapton, 100 fois plus mince et 200 fois plus léger que le verre, et tellement plus pratique d’utilisation !

Après les batteries et accumulateurs (70 %), le cadmium est, pour 13 %, utilisé dans la fabrication de pigments. Les cadmiums se sont rapidement imposés en peinture, car leur luminosité, leur opacité et leur permanence sont vraiment remarquables. Leur facteur couvrant fait qu’ils communiquent non seulement leur couleur à la peinture, mais aussi leur intensité lumineuse, qu’il s’agisse des lithopones de cadmium (CdS.BaSO4) ou des sulfoséléniures de cadmium qui vont des rouges aux orangés et jusqu’aux jaunes ; d’autres sont verts (CdS.ZnS). Ces pigments brillants, utilisés notamment par James Ensor et Vincent VanGogh, peuvent s’oxyder en sulfates, à l’origine des taches blanches qui apparaissent avec le temps. L’oxyde de cadmium, utilisé dans les fresques, fournit des rouges somptueux ;

Les cadmiums sont largement utilisés dans les matières plastiques (casques), verres, céramiques… et pour décorer la vaisselle. Leur décomposition en milieu acide, même faible, a entraîné une réglementation européenne stricte, dès 1984.

Le cadmiage, effectué par électrolyse, a un bon comportement en milieu marin et dans des conditions extrêmes ; il est notamment utilisé en aéronautique pour protéger les rivets d’assemblage. Le cadmium sert également dans les alliages à bas point de fusion comme brasures de conducteurs électriques. Sa section efficace étant très élevée, il est utilisé comme protection vis-à-vis de sources de neutrons et sert à réaliser des barres de contrôle dans l’industrie nucléaire.

Ses multiples applications et sa présence auprès du zinc dans de très nombreuses utilisations en font un métal largement répandu comme polluant. La source la plus abondante est d’origine agricole : on en trouve dans les engrais phosphatés (82 t/an en France), dans les boues d’épandage, et sous forme de poussières. Il est présent dans l’atmosphère et en milieu aquatique, comme rejet industriel et lors de l’incinération d’ordures ménagères. On le trouve naturellement dans les panaches volcaniques et les feux de forêts (50 % de l’émission annuelle), et en milieu urbain, à cause de l’usure de pièces mécaniques d’automobile, de celle des pneus, dans la fumée des cigarettes et dans les canalisations en fer galvanisé, car qui dit zinc dit généralement cadmium ! On estime la teneur de cadmium dans l’air de 1 ng/m³ en zone rurale, à 20 ng/m³ en zone industrielle et 30 µg/m³ près de l’Etna.

La toxicité du cadmium n’a été réellement soupçonnée qu’à partir du milieu du XXe siècle, en même temps que la demande industrielle augmentait : d’une quinzaine de tonnes en 1900, sa production est passée à plus de 20 000t/an en 1996 et stable depuis. Dans les années 1950, au Japon, une intoxication aigüe au cadmium à proximité de mines exploitées a donné une maladie des reins et des os, nommée « itaï-itaï » (qui signifie « j’ai mal, j’ai mal »). Des essais de phytoremédiation des rizières japonaises polluées à l’aide de cultivars de riz particuliers sont actuellement tentés.

La toxicité chronique, insidieuse, résulte de l’accumulation de faibles doses de cadmium, que la chaîne alimentaire concentre, par exemple dans les mollusques. Comme le cadmium ne passe pas la barrière placentaire, le fœtus ne contient pas plus d’un microgramme de cadmium, mais à l’âge adulte l’organisme en contient de 30 à 40 milligrammes soit 30 à 40 000 fois plus !

En effet, le cadmium, qui n’a aucune activité biologique naturelle connue, n’est pas du tout métabolisé, donc éliminé. Dans les plantes, il s’accumule dans les feuilles (salades, choux, tabac). Chez les mammifères, il s’accumule dans le foie, puis dans les reins et divers organes, entraînant des dommages irréversibles lorsque sa concentration atteint 200 ppm (200 mg/kg). Les maladies induites semblent assez nombreuses, notamment les maladies respiratoires, l’ostéoporose et d’autres maladies « hormonales », quoique la relation avec l’intoxication ne soit pas toujours scientifiquement démontrée.

Dans ses derniers travaux sur l’alimentation totale des français (juin 2011), l’ANSES souligne l’augmentation considérable (facteur 300 en 5-6 ans) de la présence de résidus de cadmium, dont l’origine n’est pas clairement identifiée. Le pain et les produits de panification sèche d’une part et les pommes de terre d’autre part en sont les principaux contributeurs, notamment chez les enfants, tout en restant dans des limites acceptables.

Pensée du jour :
« Attention, le cadmium petit à petit nous calamine irréversiblement la tuyauterie ! »

Sources :

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