CADMIUM (CD): HISTOIRE, PROPRIÉTÉS, STRUCTURE, UTILISATIONS - CHIMIE - 2025

Le cadmium (Cd) est un métal de transition ou post - transitionnel numéro atomique 48 et de l'argent. Il est malléable et ductile, avec des points de fusion et d'ébullition relativement bas. Le cadmium est un élément rare et n'a qu'une concentration de 0,2 g / tonne de la croûte terrestre.

La Greenockite (CdS) est le seul minerai de cadmium important avec une coloration jaune intense. Le cadmium est associé au zinc dans la sphalérite (ZnS), qui contient entre 0,1 et 03% de cadmium sous forme de cation Cd ²⁺.

Cristaux de cadmium. Source: Images haute résolution d'éléments chimiques

Lors du traitement de la sphalérite pour obtenir, fondre et raffiner du zinc, le cadmium est obtenu sous une forme secondaire, qui est sa principale source de production.

Ce métal a été découvert en 1817, indépendamment par Friedrich Stromayer et Karl Hermann. Stromayer a baptisé le nouvel élément avec le nom de cadmium, provenant du mot latin «cadmia», un terme connu sous le nom de calamine (carbonate de zinc).

Le cadmium est un élément chimique avec le symbole Cd et son numéro atomique est 48. Source: Albedo-ukr CC BY-SA 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/)

Le cadmium est un élément de grande utilité et de nombreuses applications, comme l'anticorrosion du fer, de l'acier et des métaux non ferreux; utiliser comme pigment; stabilisation du PVC; élément en alliages utilisés pour le soudage; piles rechargeables au nickel-cadmium, etc.

Cependant, il s'agit d'un élément très toxique qui cause de graves dommages aux poumons, aux reins et aux os, et il a même été rapporté avoir une action cancérigène, c'est pourquoi son utilisation a été limitée. Mais malgré cela, il a continué à être utilisé avec précaution dans certaines applications.

L'histoire

- Double découverte

Le cadmium a été découvert par Friedrich Stromayer, un chimiste allemand, en 1817 dans un échantillon de carbonate de zinc (calamine). La même année, KSL Hermann et JCH Roloff ont fait la même découverte, indépendamment, dans une expérience avec du sulfure de zinc.

Stromayer aurait fait sa découverte alors qu'il répondait à une demande du gouvernement d'inspecter les pharmacies de la ville de Hildesheim, en Allemagne. L'oxyde de zinc, tel qu'il est actuellement, était utilisé pour traiter certaines affections cutanées.

Il semble que les pharmacies ne livraient pas d'oxyde de zinc, mais vendaient plutôt du carbonate de zinc: une matière première pour la production d'oxyde de zinc. Les fabricants d'oxyde de zinc ont soutenu que le chauffage du carbonate de zinc produisait un «oxyde de zinc» jaune.

Oxyde de cadmium

Ils ne pouvaient pas vendre cet «oxyde de zinc», car la couleur du composé était normalement blanche; Au lieu de cela, ils ont vendu du carbonate de zinc, également blanc. Face à cette situation, Stromayer a décidé d'étudier le supposé oxyde de zinc jaune.

Pour ce faire, il a chauffé des échantillons de carbonate de zinc (calamine) et a produit un oxyde de zinc jaune, comme indiqué. Après analyse, il a conclu que la couleur jaune était causée par la présence d'un oxyde métallique d'un nouvel élément.

Après avoir extrait ce nouvel oxyde métallique, il a produit sa réduction, réalisant l'isolement du cadmium. Stromayer a déterminé sa densité et a obtenu une valeur de 8,75 g / cm ³, proche de la valeur actuellement connue pour ce paramètre (8,65 g / cm ³).

Aussi, Stromayer a souligné que le nouvel élément avait une apparence similaire au platine, et qu'il était également présent dans de nombreux composés de zinc, et même dans le zinc purifié.

Stromayer a suggéré le nom «cadmium» du mot latin «cadmia», le nom donné à la calamine, ZnCO ₃.

Cadmium dans le sulfure de zinc

Karl Hermann (1817) a trouvé une couleur jaune inattendue lors du traitement du sulfure de zinc et a pensé qu'il pouvait s'agir d'une contamination à l'arsenic. Mais une fois cette possibilité écartée, Hermann se rendit compte qu'il était en présence d'un nouvel élément.

- Applications

1840-1940

Dans les années 1840, l'utilisation du cadmium comme pigment a commencé à être exploitée commercialement. Le British Pharmaceutical Codex indique en 1907 l'utilisation de l'iodure de cadmium comme médicament pour traiter les «articulations hypertrophiées», les glandes scrofuleuses et les engelures.

Dans les années 1930 et 1940, la production de cadmium visait à plaquer l'acier et le fer pour les protéger de la corrosion. Dans les années 1950, des composés de cadmium tels que le sulfure de cadmium et le séléniure de cadmium étaient utilisés comme sources de pigments rouges, oranges et jaunes.

1970-1990

Dans les années 70 et 80, les composés du laurate de cadmium et du stéarate de cadmium se sont avérés être des stabilisants pour le PVC, entraînant une augmentation de la demande de cadmium. Cependant, les réglementations environnementales dues à la toxicité du cadmium, ont entraîné une diminution de sa consommation.

Dans les années 1980 et 1990, le cadmium a cessé d'être utilisé dans nombre de ses applications, mais sa production a ensuite augmenté avec la création de batteries rechargeables nickel-cadmium, qui représentaient 80% de la consommation de cadmium aux États-Unis..

Propriétés physiques et chimiques du cadmium

Apparence

Blanc grisâtre argenté avec un lustre métallique doux. Il devient cassant par exposition à 80 ° C et peut être coupé avec un couteau. Il est malléable et peut être roulé en rouleaux.

Poids atomique standard

112414 unités

Numéro atomique (Z)

48

Catégorie d'article

Métal post-transitionnel, également considéré comme un métal de transition. La définition IUPAC d'un métal de transition est celle dont les atomes ont une sous-couche d incomplète ou qui peut donner naissance à des cations avec une sous-couche d incomplète.

Selon cette définition, le cadmium n'est pas un métal de transition puisque son cation Cd ²⁺ a ses orbitales 4d complètement remplies d'électrons (4d ¹⁰).

Odeur

Toilette

Point de fusion

321,07 ºC

Point d'ébullition

767 ºC

Densité

Température ambiante: 8,65 g / cm ³

Au point de fusion (liquide): 7,996 g / cm ³

Température de fusion

6,21 kJ / mol

Chaleur de vaporisation

99,87 kJ / mol

Capacité calorique molaire

26,020 J / (mol K)

Electronégativité

1,6 sur l'échelle de Pauling

Énergies d'ionisation

Premièrement: 867,8 kJ / mol (Cd ⁺ gaz)

Deuxième: 1631,4 kJ / mol (Cd ²⁺ gazeux)

Troisième: 3616 kJ / mol (Cd ³⁺ gazeux)

Conductivité thermique

96,6 W / (mK)

Résistivité

72,7 nΩ · m à 22 ºC

Dureté

2,0 sur l'échelle de Mohs. C'est un métal, bien que dense, considérablement mou.

Stabilité

Il est lentement oxydé par l'air humide pour former de l'oxyde de cadmium, qui ternit son éclat métallique. Il n'est pas inflammable, mais sous forme de poudre, il peut brûler et s'enflammer spontanément.

Auto-allumage

250 ºC pour le cadmium est une forme de poudre.

Indice de réfraction

1,8 à 20 ºC

Réactivité

Le cadmium peut brûler dans l'air pour former de l'oxyde de cadmium (CaO), une poudre amorphe brune, tandis que la forme cristalline est rouge foncé.

Le cadmium réagit rapidement avec l'acide nitrique dilué et lentement avec l'acide chlorhydrique chaud. Il est également capable de réagir avec l'acide sulfurique, mais il ne réagit pas avec les alcalis. Dans toutes ces réactions, des sels de cadmium de leurs anions correspondants (Cl ^-) ou oxoanions (NO ₃ ^- et SO ₄ ^2-) se forment.

Structure et configuration électronique

Diagramme de coquille d'électrons de cadmium, élément 48 dans le tableau périodique. Source: Pumbaa (œuvre originale de Greg Robson) CC BY-SA 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/)

Les atomes de cadmium de son cristal établissent une liaison métallique à partir de leurs électrons de valence, qui sont situés dans les orbitales 4d et 5s selon leur configuration électronique:

4j ¹⁰ 5s ²

Cependant, bien que les orbitales 4d soient pleines d'électrons, et que l'on puisse aussi penser que la «mer d'électrons» est suffisamment abondante pour lier fortement les atomes de Cd, en réalité les interactions sont faibles. Ceci peut être démontré expérimentalement avec son point de fusion bas (321 ° C), comparé à d'autres métaux de transition.

Pour cette raison et d'autres raisons chimiques, le cadmium n'est parfois pas considéré comme un métal de transition. Il y a tellement d'électrons (douze) impliqués dans sa liaison métallique qu'ils commencent à perturber grandement ses répulsions négatives; qui, avec la différence énergétique entre les orbitales remplies 4d et 5s, affaiblit l'interaction Cd-Cd.

Les atomes de Cd finissent par définir une structure cristalline hexagonale compacte (hcp), qui ne subit pas de transitions de phase avant son point de fusion. Lorsque les cristaux de hcp cadmium sont soumis à une pression équivalente à 10 GPa, la structure se déforme seulement; mais sans qu'aucun changement de phase ne soit signalé.

Numéros d'oxydation

Le cadmium ne peut pas perdre les douze électrons de valence; en fait, il ne peut même pas perdre une de ses orbitales 4d, qui sont plus stables en énergie que l'orbitale 5s. Il ne peut donc perdre que les deux électrons de l'orbitale 5s ², étant par conséquent un métal divalent; comme c'est le cas pour le zinc, le mercure et les métaux alcalino-terreux (M. Becambara).

Lorsque l'existence du cation Cd ²⁺ est supposée dans ses composés, alors on dit que le cadmium a un indice ou un état d'oxydation de +2. C'est votre numéro d'oxydation principal. Par exemple, les composés suivants contiennent du cadmium sous forme de +2: CdO (Cd ²⁺ O ^2-), CdCl ₂ (Cd ²⁺ Cl ₂ ^-), CdSO ₄ (Cd ²⁺ SO ₄ ^2-) et Cd (NO ₃) ₂.

En plus de ce nombre d'oxydation, il y a aussi +1 (Cd ⁺) et -2 (Cd ^2-). Le nombre d'oxydation +1 est observé dans la dication Cd ₂ ²⁺, dans laquelle chaque atome de cadmium a une charge positive. Pendant ce temps, le -2 est assez étrange et s'appliquerait à l'anion "cadmide".

Où trouver et obtenir

Cristaux de Greenockite. Source: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Le cadmium est un élément rare qui a une concentration de 0,2 g / tonne dans la croûte terrestre. Le seul minéral de cadmium important est la greenockite (CdS), qui n'est pas exploitable d'un point de vue minier et commercial.

Le cadmium est associé au zinc dans la sphalérite minérale (ZnS), qui en contient généralement à une concentration comprise entre 0,1% et 0,3%; mais dans certains cas, la concentration de cadmium dans la sphalérite peut atteindre 1,4%.

Les roches traitées pour obtenir des engrais phosphorés peuvent avoir une concentration en cadmium de 300 mg / kg d'engrais. Le charbon peut également contenir de petites mais importantes quantités de cadmium.

Les émissions volcaniques que le cadmium peut transporter dans les eaux de surface constituent une source majeure de cadmium. L'utilisation d'engrais phosphoreux dans les sols agricoles a conduit à sa contamination par le cadmium.

Le cadmium présent dans les sols acides est absorbable par les plantes. Certains de ces légumes sont utilisés par l'homme comme nourriture, ce qui explique en quoi la consommation d'eau et de nourriture est la principale source d'entrée de cadmium chez les personnes non exposées ou les fumeurs.

Traitement de la sphalérite

Lors de l'extraction, de la fusion et de l'affinage du zinc présent dans la sphalérite, le cadmium est généralement obtenu comme sous-produit. Un événement similaire se produit également, bien qu'à un degré bien moindre, lors du traitement du cuivre et du plomb.

De même, de petites quantités de cadmium peuvent être obtenues à partir du recyclage des déchets de fer et d'acier.

La sphalérite est torréfiée pour que le sulfure de zinc se transforme en son oxyde, ZnO. La même réaction est subie par le sulfure de cadmium:

2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Si ce mélange d'oxydes est chauffé avec du charbon de bois, ils seront réduits en leurs métaux respectifs:

ZnO + CO → Zn + CO ₂

De plus, le zinc et le cadmium peuvent être produits par électrolyse lorsque les oxydes se dissolvent dans l'acide sulfurique.

Chacune de ces méthodes génère un zinc contaminé au cadmium. Lors de la fusion, le cadmium peut être distillé sous vide en raison de son point de fusion inférieur (321 ° C) par rapport au zinc (420 ° C).

Les isotopes

Parmi les isotopes naturels et stables du cadmium, nous avons, avec leurs abondances respectives ici sur Terre:

- ¹⁰⁶ Cd (1,25%)

- ¹⁰⁸ Cd (0,89%)

- ¹¹⁰ Cd (12,47%)

- ¹¹¹ Cd (12,8%)

- ¹¹² Cd (24,11%)

- ¹¹⁴ Cd (28,75%)

- ¹¹³ Cd (12,23%)

Le ¹¹³ Cd est radioactif, mais à cause de cette grande moitié de la valeur - vie (t _1/2 = 7,7 × 10 ¹⁵ ans), peut être considéré comme stable. Et puis il y a ¹¹⁶ Cd, également radioactif, avec une demi-vie de 3,1 · 10 ¹⁹ ans, il peut donc être considéré comme un isotope stable, représentant 7,51% du cadmium.

A noter que la masse atomique moyenne est de 112,414 u, plus proche de 112 que de 114. L'existence d'un isotope prédominant au-dessus des autres n'est pas observée dans le cadmium.

Des risques

Général

L'absorption du cadmium se produit principalement à partir des aliments, en particulier du foie, des champignons, des crustacés, du cacao en poudre et des algues séchées.

Un cas emblématique s'est produit en Chine au siècle dernier, où il y avait une importante contamination au cadmium dans la population. La contamination par le cadmium était due à sa forte concentration dans le riz, causée par la présence de cadmium dans les sols des cultures céréalières.

Un fumeur a un apport moyen de 60 µg / jour. La concentration maximale de cadmium autorisée dans le sang est de 15 µg / jour. Les non-fumeurs ont une concentration de cadmium dans leur sang d'environ 0,5 µg / L.

Les poumons absorbent entre 40 et 60% du cadmium de la fumée de tabac. Le cadmium absorbé dans les poumons est transporté dans le sang, formant des complexes avec les protéines, la cystéine et le glutathion, qui se retrouvent ensuite dans le foie, les reins, etc.

Une inhalation aiguë de cadmium peut produire des symptômes similaires à ceux observés dans un processus pseudo-grippal; comme le rhume, la fièvre et les douleurs musculaires, qui peuvent causer des lésions pulmonaires. Pendant ce temps, une exposition chronique au cadmium peut provoquer des maladies pulmonaires, rénales et osseuses.

Effet sur les reins

Dans les reins, le cadmium provoque généralement une altération du métabolisme du phosphore et du calcium, mise en évidence par une augmentation de la production de calculs rénaux. De plus, il provoque des lésions rénales qui se manifestent par l'apparition dans l'urine de la protéine de transport du rétinol et de la β-2-microglobuline.

Effet sur la reproduction

L'exposition maternelle au cadmium est associée à un faible poids à la naissance de l'enfant et à une augmentation du taux d'avortements spontanés.

Dommages osseux

Le cadmium est lié au Japon à la présence de la maladie d'Itai-Itai au siècle dernier. Cette maladie est caractérisée par une faible minéralisation osseuse, une fragilité osseuse avec un taux élevé de fractures, une augmentation de l'ostéoporose et des douleurs osseuses.

Carcinogenèse

Bien que des expériences sur des rats aient établi une relation entre le cadmium et le cancer de la prostate, cela n'a pas été démontré chez l'homme. Une association entre le cadmium et le cancer du rein a été démontrée, et elle a également été liée au cancer du poumon.

Applications

Bactéries rechargeables au nickel-cadmium

Différentes cellules ou batteries Ni-Cd. Source: Boffy b via Wikipédia.

L'hydroxyde de cadmium a été utilisé comme cathode dans les batteries Ni-Cd. Ceux-ci étaient utilisés dans l'industrie ferroviaire et aéronautique, ainsi que dans les instruments à usage collectif, notamment les téléphones portables, les caméras vidéo, les ordinateurs portables, etc.

La consommation de cadmium pour la fabrication des batteries Ni-Cd représentait 80% de la production de cadmium. Cependant, en raison de la toxicité de cet élément, les batteries Ni-Cd ont été progressivement remplacées par des batteries nickel-hydrure métallique.

Pigments

Rouge de cadmium. Source: Marco Almbauer

Le sulfure de cadmium est utilisé comme pigment jaune et le séléniure de cadmium comme pigment rouge, appelé rouge de cadmium. Ces pigments se caractérisent par leur brillance et leur intensité, c'est pourquoi ils ont été utilisés dans les plastiques, la céramique, le verre, les émaux et les couleurs artistiques.

Il a été noté que le peintre Vincent Van Gogh utilisait des pigments de cadmium dans ses peintures, ce qui lui permettait d'obtenir une variété de rouges, oranges et jaunes vifs.

La coloration des pigments de cadmium doit être atténuée avant d'être broyée avec des huiles ou mélangée dans des aquarelles et des acryliques.

la télé

Des composants contenant du cadmium ont été utilisés dans le luminophore des téléviseurs noir et blanc, ainsi que dans les luminophores bleu et vert des tubes image de télévision couleur.

Le luminophore faisait partie de l'écran qui était irradié par les rayons cathodiques, étant responsable de la formation de l'image. Le cadmium, malgré sa toxicité, a commencé à être utilisé dans les téléviseurs QLED récemment créés.

Stabilisation PVC

Les composés de cadmium formés avec le carboxylate, le laurate et le stéarate ont été utilisés comme stabilisants pour le polychlorure de vinyle, car ils retardent la dégradation produite par l'exposition à la chaleur et aux rayons ultraviolets qui décomposent le PVC pendant son processus de fabrication.

En raison de la toxicité du cadmium, encore une fois, les stabilisants PVC liés au cadmium ont été remplacés par d'autres stabilisants, tels que le baryum-zinc, le calcium-zinc et l'organoétain.

Alliages

Le cadmium a été utilisé dans les alliages de roulements en raison de sa résistance élevée à la fatigue et de son faible coefficient de frottement. Le cadmium a un point de fusion relativement bas, il est donc utilisé dans les alliages à bas point de fusion et est un composant en plus de nombreux types de soudures.

Le cadmium peut également être utilisé dans des alliages électroconducteurs, thermoconducteurs et de contact électrique.

Couvrant

Le cadmium est utilisé pour protéger l'acier, l'aluminium et d'autres éléments de fixation en métal non ferreux, ainsi que les pièces mobiles. Le revêtement de cadmium offre une protection contre la corrosion dans les milieux salins et alcalins. De plus, il sert de lubrifiant.

Le cadmium est également utilisé dans de nombreuses applications électriques et électroniques qui nécessitent une résistance à la corrosion et une faible résistivité électrique.

Réacteurs nucléaires

Le cadmium est utilisé dans les réacteurs nucléaires pour sa capacité à capter les neutrons, ce qui permet de contrôler les excès de neutrons issus de la fission nucléaire, évitant ainsi des fissions nucléaires supplémentaires.

Semi-conducteurs

Le séléniure de cadmium et le tellurure sont des composés qui agissent comme des semi-conducteurs dans la détection de la lumière et dans les cellules solaires. Le HgCdTe est sensible à la lumière infrarouge et est utilisé comme détecteur de mouvement ainsi que comme interrupteur pour les télécommandes.

la biologie

Lumière laser He-Cd. Source: Plutôt anonyme (https://www.flickr.com/photos//35766549)

L'hélium-Cd est impliqué dans la formation d'un faisceau laser de lumière bleu-violet d'une longueur d'onde comprise entre 325 et 422 nm, utilisable dans les microscopes à fluorescence.

Le cadmium est utilisé en biologie moléculaire pour bloquer les canaux calciques, en fonction du potentiel membranaire.

Références

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