Le cadmium : Propriétés et utilisations des éléments

Introduction au cadmium

Le cadmium (numéro atomique 48, abréviation Cd) est un métal doux, blanc bleuté, qui se distingue par ses propriétés physiques exceptionnelles et sa toxicité bien documentée. Le cadmium a été isolé pour la première fois au cours du 19e siècle et s'est depuis révélé être un matériau clé dans une variété de processus industriels allant des batteries aux pigments. Il est principalement fabriqué comme sous-produit de la fusion du zinc, la production mondiale en 2022 étant d'environ 23 000 tonnes métriques, concentrée principalement dans des pays comme la Chine, la Corée du Sud et le Japon. En raison de sa toxicité, le cadmium fait l'objet d'une réglementation stricte dans la plupart des industries.

Propriétés chimiques du cadmium

Lecadmium a tendance à présenter un état d'oxydation +2 (Cd²⁺), ce qui couvre la plupart de son comportement chimique. Bien que très inerte par rapport à d'autres éléments de transition, le cadmium réagit avec l'oxygène, le soufre et les halogènes pour donner des composés tels que l'oxyde de cadmium (CdO) et le sulfure de cadmium (CdS). Ces composés sont à la base de la galvanoplastie, des pigments et des semi-conducteurs.

Les principales propriétés chimiques sont les suivantes

- Résistance à la réaction dans l'air à température ambiante, bien qu'il soit lentement oxydé par la formation d'une couche protectrice.

- Solubilité dans les acides, ce qui lui permet de participer à l'électrochimie.

- Capacité d'absorption pour former des composés colorés brillants, en particulier avec le soufre et le sélénium, ce qui le rendait auparavant précieux pour les pigments.

Pour plus de détails chimiques, voir Stanford Advanced Materials (SAM).

Principales applications industrielles avec exemples et statistiques

1. Piles au nickel-cadmium (Ni-Cd)

• Lespiles Ni-Cd sont largement utilisées dans l'électronique portable, les outils électriques et la technologie aéronautique.
• Une batterie Ni-Cd typique de 1,2 V contient environ 5 à 10 % de cadmium en poids.

Bien qu'elles soient stables et capables de supporter des centaines de cycles de charge et de décharge, les préoccupations environnementales ont conduit à une diminution de leur utilisation. Par exemple, l'Union européenne a restreint l'utilisation des piles Ni-Cd avec la directive sur les piles (2006/66/CE).

2.Pigments pour le plastique, la céramique et le verre

• Le CdS produit des pigments jaunes intensément colorés, tandis que le CdSe produit des pigments rouge-orange.
• Exemple de cas : Les pigments de CdS ont été appliqués aux plastiques de construction dans les années 1990, ce qui a permis d'obtenir des produits dont la couleur est inaltérable et qui durent plus de 20 ans sans se détériorer.
• Les pigments RTE sont actuellement réglementés, la teneur en cadmium étant limitée à moins de 0,01 % dans les produits de consommation dans la plupart des pays.

3. Galvanisation et résistance à la corrosion

La galvanoplastie au cadmium est utilisée dans l'aérospatiale et la défense en raison de sa grande résistance à la corrosion, en particulier dans les environnements marins.

Exemple : Les fixations de qualité militaire revêtues de cadmium résistent à la corrosion par brouillard salin pendant plus de 1 000 heures, alors que les fixations zinguées tombent en panne au bout de 200 à 300 heures.

4) Semi-conducteurs et photovoltaïque

• Le tellurure de cadmium (CdTe) est utilisé dans les cellules solaires à couche mince, qui constituent une alternative efficace et rentable au silicium.
• Données de référence : Les modules solaires au CdTe peuvent atteindre un rendement de 22 % dans des conditions d'essai standard, avec des coûts de production par watt inférieurs à ceux du silicium cristallin.

Préoccupations environnementales et sanitaires

Le cadmium est très toxique pour les animaux et les humains. Une exposition prolongée à de petites quantités entraîne :

-des troubles rénaux et une décalcification des os

-des maladies respiratoires et le cancer du poumon (par inhalation de poussières ou de fumées de cadmium)

une bioaccumulation dans le réseau alimentaire, en particulier dans les légumes-feuilles, les céréales et les mollusques et crustacés

Ses dangers sont révélés par des événements environnementaux :

-Lors de la maladie d'Itai-Itai au Japon (années 1960), le riz pollué par le cadmium a provoqué de graves troubles osseux et rénaux chez plus de 200 victimes.

- Les émissions de cadmium des mines et des fonderies sont désormais étroitement réglementées ; par exemple, l'EPA limite le cadmium dans les eaux usées à 0,005 mg/L, ce qui montre à quel point le contrôle doit être rigoureux pour prévenir les dommages écologiques et humains.

En raison de ces risques, les industries opèrent une transition vers des alternatives sans cadmium, par exemple les batteries lithium-ion pour remplacer les batteries Ni-Cd et les pigments sans cadmium pour les plastiques et les peintures. Le cadmium n'a cependant pas de substitut dans les cellules solaires à haute performance et les applications de galvanoplastie spécialisées en raison de ses caractéristiques uniques.

Questions fréquemment posées

Quel est le numéro atomique du cadmium ?

Le numéro atomique du cadmium est 48, ce qui en fait un métal de transition.

Quelle est la toxicité du cadmium ?

Il est très toxique ; une exposition à long terme provoque des lésions aux reins, aux os et aux poumons. Les doses réglementaires sont drastiques afin de limiter les risques pour l'homme et l'environnement.

Quelles sont les principales utilisations industrielles aujourd'hui ?

Les batteries Ni-Cd, les pigments, la galvanoplastie au cadmium et les cellules solaires CdTe restent des utilisations importantes.

Comment le cadmium est-il fabriqué ?

Il est principalement fabriqué en tant que sous-produit de la fusion du zinc, généralement par grillage, distillation et procédés électrolytiques.

Existe-t-il une alternative plus sûre ?

Oui. Le NiMH et le lithium-ion remplacent le Ni-Cd, tandis que les pigments sans cadmium réduisent l'exposition environnementale. Le cadmium est néanmoins nécessaire dans certaines applications à haute performance telles que les revêtements aérospatiaux et les cellules photovoltaïques CdTe.