Introduction
Le cadmium, élément chimique de symbole Cd et de numéro atomique 48, est un métal de transition du groupe 12, découvert en 1817 par Friedrich Strohmeyer․
Histoire du cadmium
La découverte du cadmium remonte à 1817, lorsque Friedrich Strohmeyer, un chimiste allemand, l’isola à partir de résidus de zinc impur․ Il nomma ce nouvel élément “cadmium” en référence au latin “cadmia”, qui désignait les résidus de zinc․
Au XIXe siècle, le cadmium fut principalement utilisé comme pigment jaune dans les peintures et les vernis․ Cependant, ses propriétés électriques et thermiques firent rapidement de lui un matériau précieux pour l’industrie․
Au XXe siècle, les applications du cadmium se diversifièrent, notamment dans les batteries, les revêtements de surface et les alliages․ Malgré cela, les préoccupations concernant la toxicité du cadmium et son impact sur l’environnement commencèrent à émerger․
Propriétés chimiques
Le cadmium est un métal de transition ductile et malléable, réagit avec l’air et l’eau, formant des composés tels que l’oxyde de cadmium et le hydroxyde de cadmium․
Caractéristiques atomiques
Le cadmium est un élément chimique de numéro atomique 48, ce qui signifie qu’un atome de cadmium possède 48 protons dans son noyau․ Le cadmium a une masse atomique de 112,414 u (unités de masse atomique)․ Les isotopes naturels du cadmium comprennent le Cd-106, le Cd-108, le Cd-110, le Cd-111, le Cd-112, le Cd-113, le Cd-114 et le Cd-116, dont le Cd-112 est le plus abondant․
Les électrons de valence du cadmium sont arrangés en couches électroniques suivantes ⁚ 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d¹⁰․ Cette configuration électronique explique les propriétés chimiques du cadmium, notamment sa tendance à perdre deux électrons pour former un cation Cd²⁺․
Propriétés physiques
Le cadmium est un métal blanc-blanc, malléable et ductile, avec une densité de 8,65 g/cm³․ Il fond à une température de 321,07 °C et bout à 765 °C․ Le cadmium est un bon conducteur de l’électricité et de la chaleur․
Ses propriétés mécaniques incluent une résistance à la traction de 150-200 MPa et une dureté de 20-30 HB․ Le cadmium est également résistant à la corrosion, en particulier dans l’air sec, en raison de la formation d’une couche d’oxyde protectrice․
Ces propriétés physiques font du cadmium un matériau utile dans diverses applications, notamment dans l’industrie des batteries, des pigments et des revêtements de surface․
Toxicité et effets sur la santé
Le cadmium est un métal lourd toxique, responsable de problèmes de santé graves, notamment l’intoxication au cadmium, la néphropathie et les dommages osseux, ainsi que des effets cancérigènes․
Toxicité aiguë et chronique
La toxicité aiguë du cadmium est caractérisée par des symptômes tels que des nausées, des vomissements, des diarrhées et des douleurs abdominales․ Les expositions à court terme à des concentrations élevées de cadmium peuvent également entraîner une insuffisance respiratoire et cardiaque․
La toxicité chronique, quant à elle, est liée à l’accumulation du cadmium dans l’organisme, notamment dans les reins et les os․ Cela peut entraîner des problèmes de santé graves, tels que la néphropathie, la osteomalacie et l’anémie․ De plus, le cadmium est considéré comme ayant des effets cancérigènes, en particulier pour les cancers du poumon et de la prostate․
Il est important de noter que la toxicité du cadmium est comparable à celle du mercure, un autre métal lourd toxique․ Cependant, les mécanismes de toxicité du cadmium sont encore mal compris et nécessitent des recherches supplémentaires․
Exposition professionnelle et environnementale
L’exposition au cadmium peut se produire de manière professionnelle, notamment dans les industries de production de batteries, de pigments et de revêtements, ainsi que dans les secteurs de la métallurgie et de la fabrication de composants électroniques․
Les travailleurs exposés au cadmium sont à risque de développer des problèmes de santé, tels que des troubles respiratoires, des problèmes gastro-intestinaux et des dommages rénaux․ Il est donc essentiel de prendre des mesures de sécurité appropriées, telles que le port de masques et de gants, pour minimiser l’exposition․
L’exposition environnementale au cadmium peut également se produire via la contamination des sols, des eaux et de l’air․ Les sources principales de cette contamination sont les déchets industriels, les résidus de mines et les activités agricoles․
Structure cristalline
Le cadmium adopte une structure cristalline cubique à faces centrées, avec une maille élémentaire comprenant neuf atomes de cadmium, ce qui influe sur ses propriétés physiques et chimiques․
Structure de cadmium sulfide (CdS)
Le sulfure de cadmium, également connu sous le nom de CdS, est un composé chimique dont la structure cristalline est de type wurtzite hexagonal․ Cette structure est caractérisée par une empilement hexagonal compact des atomes de soufre et de cadmium, avec une distance interatomique de 2,52 Å․
Cette structure confère au CdS des propriétés optiques et électriques particulières, telles que une bande interdite large et une conductivité électrique élevée․ Le CdS est ainsi utilisé dans divers domaines, tels que la fabrication de capteurs de lumière, de diodes électroluminescentes et de cellules solaires․
La structure cristalline du CdS est également influencée par les conditions de synthèse, telles que la température et la pression, qui peuvent modifier la morphologie et les propriétés du matériau․
Structure de zinc cadmium sulfide (ZnCdS)
Le zinc cadmium sulfide, également connu sous le nom de ZnCdS, est un matériaux composite à base de sulfure de zinc (ZnS) et de sulfure de cadmium (CdS)․ La structure cristalline du ZnCdS est de type sphalérite cubique, avec une substitution aléatoire des atomes de zinc et de cadmium․
Cette structure permet d’obtenir des propriétés optiques et électriques intermédiaires entre celles du ZnS et du CdS, ce qui en fait un matériaux intéressant pour des applications spécifiques․
La proportion de cadmium dans le ZnCdS peut varier, ce qui permet de moduler les propriétés du matériau․ Les applications du ZnCdS incluent la fabrication de capteurs de lumière, de diodes électroluminescentes et de cellules solaires․
La structure cristalline du ZnCdS est également influencée par les conditions de synthèse, telles que la température et la pression, qui peuvent modifier la morphologie et les propriétés du matériau․
Utilisations du cadmium
Les utilisations du cadmium sont variées, allant de la protection contre la corrosion à la fabrication de batteries, de pigments et de composants électroniques, en passant par des applications médicales et des traitements de surface․
Applications industrielles
Les applications industrielles du cadmium sont nombreuses et variées․ Dans le domaine de la protection contre la corrosion, le cadmium est utilisé pour recouvrir les métaux ferreux et non ferreux, tels que l’acier et le zinc, pour prévenir la rouille et la corrosion․
Dans l’industrie électrique, le cadmium est employé pour la fabrication de composants électroniques, tels que des résistances, des condensateurs et des interrupteurs․ Il est également utilisé dans la production de batteries nickel-cadmium (Ni-Cd) et de batteries au nickel-hydrure métallique (NiMH)․
Enfin, le cadmium est utilisé dans la production de pigments, de colorants et de vernis, en raison de ses propriétés optiques particulières․ Cependant, il est important de noter que certaines de ces applications sont remises en cause en raison de la toxicité du cadmium et de ses effets sur l’environnement et la santé humaine․
Applications médicales
Dans le domaine médical, le cadmium est utilisé pour fabriquer des instruments chirurgicaux, des implants et des équipements médicaux, en raison de ses propriétés antibactériennes et de sa résistance à la corrosion․
Le cadmium est également employé en radiologie pour produire des sources de rayonnement gamma, utilisées en thérapie cancerologique et en imagerie médicale․ De plus, il est utilisé comme contraste pour améliorer la visibilité des tissus lors des examens médicaux par imagerie․
Cependant, il est important de noter que l’exposition au cadmium peut entraîner des effets toxiques graves, tels que la toxicité rénale et osseuse, ainsi que des risques de cancer․ Il est donc essentiel de prendre des mesures de sécurité strictes lors de la manipulation de matières contenant du cadmium․