Le cadmium, élément atomique n°48 de symbole Cd : histoire, isotopes, occurrences, propriétés, utilisations, toxicité, réglementation et production.

Étymologie

Cadmium pourrait dériver du mot gréco-latin « kadmeia ». Il s’agit de l’ancienne appellation du carbonate de zinc avant qu’il ne soit définitivement renommé « smithsonite » par François Sulpice Beudant en 1832. Il convient de rappeler que l’extraction de ce minerai remonte à l’époque de Thèbes en Béotie. Le ZnCO₃ était utilisé dans la fabrication de laitons et de  bronzes. Selon la légende, cette cité antique aurait été fondée par Cadmos, un guerrier étranger, d’où le nom donné à son royaume, « Kadmeia ».

Par sa racine, ce nom serait aussi associé au minéral défini calamine et au mélange de même nom. En Europe, cadmia servait auparavant à désigner les différents types de minerais de zinc oxydé. Ils sont constitués par des calamines décrites de manière savante et des cadmies. Ces dernières sont des dépôts d’oxydes métalliques et de poussières qui s’attachent sur les parois des fours métallurgiques. Le dictionnaire Larousse du XXe siècle, édité après 1920, définit la cadmie comme le résidu qui se constitue au niveau de la paroi du gueulard des hauts-fourneaux.

Par ailleurs, pris au sens de minéral défini, le terme cadmie fait référence à la calamine en lien avec le composé « carbonate de cadmium ». À l’état pur, ce dernier est appelé smithsonite. L’idée selon laquelle le terme cadmium trouve son origine dans le mot cadmie repose sur la production du métal en Haute-Silésie à partir de 1852. L’industrie locale a utilisé un procédé de réduction des poussières contenant du cadmium et du zinc. Il est suivi d’une distillation pour obtenir du Cd métal débarrassé du maximum d’impuretés.

Isotopes

38 isotopes et 12 isomères nucléaires du cadmium sont connus à ce jour. Leur nombre de masse varie de 95 à 132. Seuls six de ses isotopes sont stables : ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁰Cd, ¹¹¹Cd, ¹¹²Cd et ¹¹⁴Cd. Ils forment avec les ¹¹³Cd et ¹¹⁶Cd, deux radionucléides primordiaux, l’intégralité du cadmium présent naturellement. Sa masse atomique standard est de 112,411(8) u. Le ¹¹⁴Cd, le plus répandu, représente 28,73 % du cadmium naturel. En revanche, le ¹⁰⁸Cd est le moins abondant et ne constitue que 0,89 %. Les isotopes ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd et ¹¹⁴Cd sont suspectés d’être radioactifs même si aucune désintégration n’a été observée jusqu’à maintenant. Ils possèdent des demi-vies de dix millions de fois supérieures à l’âge de l’univers, voire plus.

Occurrences dans les milieux naturels, minéralogie et géologie, gîtes et gisements

Avec un clarke de 0,15 g/t, le cadmium est considéré comme un élément chimique relativement rare. Par ailleurs, il est difficile de le trouver à l’état natif. Des géologues russes n’en ont découvert qu’en 1979 dans les trapps de Sibérie orientale. Dans la nature, il est généralement assemblé à d’autres éléments comme le zinc, le cuivre et le plomb.

Gisements

L’extraction du cadmium est dépendante de celle du zinc avec une proportion variant entre 1,8 et 6 kg/t de zinc élaboré, soit une moyenne de 3 kg/t. En effet, le Cd est un sous-produit de la métallurgie du Zn. Presque l’ensemble des minerais de zinc en contient avec une composition variable de 0,01 à 0,05 %. En pratique, il est obtenu à partir des résidus de la production électrolytique du Zn ou des poussières qui se mélangent au gaz de grillage des minerais sulfurés, pour ne citer que les blendes ZnS.

Il est aussi possible de trouver du cadmium dans les minerais de cuivre et de plomb, tout comme dans les phosphates naturels. La teneur en Cd varie alors selon son origine. Par exemple, les phosphates tunisiens contiennent 380 ppm d’élément 48, tandis que les phosphates jordaniens n’en renferment que 34 ppm. En revanche, les minerais qui contiennent potentiellement un pourcentage élevé de cadmium sont rares et peu exploitables ou inexploités. Tel est le cas de la greenockite ou CdS_β (78 %) et de l’otavite.

Autres propriétés

Selon Henri Sainte-Claire Deville, la densité de vapeur du cadmium est proche des 3,94 et sa pression de vapeur devient significative dès 400 °C. La vapeur cristallise en octaèdres réguliers en se refroidissant. En revanche, la vapeur de Cd confinée sous vide (lampe) produit une lumière intense avec une teinte de base bleu-vert à l’équilibre. Enfin, comparé au cuivre, le cadmium présente une résistivité électrique quatre fois plus importante.

Propriétés chimiques

Élément chalcophile

Le cadmium a des propriétés chimiques comparables à celles du zinc. L’élément 48 est chalcophile, ce qui signifie qu’il a une affinité pour le soufre. Le test classique consiste à précipiter du sulfure de cadmium jaune par du sulfure d’hydrogène ou un sulfure alcalin :

Cd _{métal solide} + H₂S _{gaz hydrogène sulfuré} → H_{2 gaz} + CdS _{poudre solide jaune}

À la température ambiante, l’oxydation du Cd est très faible. Lorsqu’il est chauffé, une flamme orange est visible dans l’air et elle dégage une fumée toxique de couleur brune. En réalité, il s’agit d’un oxyde anhydre jaune brun ou CdO qui ne se dissout pas dans un excès d’hydroxyde de sodium. La réaction chimique libère de l’énergie :

2 Cd _{métal solide} + O_{2 gaz oxygène de l’air} → 2 CdO _{solide jaune brun} avec Δ H = −513 kJ/mol

Le Cd sous forme de vapeur dissocie les molécules d’eau avec un dégagement de gaz dihydrogène et un dépôt de CdO :

Cd _vapeur + H₂O _vaporisé → H_{2 gaz} + CdO _{poudre solide jaune brun}

Réactions avec les acides, les solutions aqueuses et les corps simples halogènes

Le cadmium se résorbe dans les acides forts concentrés et parfois dilués. Bien que le métal soit peu soluble dans l’acide sulfurique et l’acide chlorhydrique, il se dissout facilement dans l’acide nitrique et l’acide acétique qui est un acide faible.

Les réactions du Cd avec les acides dégagent de l’hydrogène et donnent un dépôt de sels de cadmium incolores. Différemment hydratés, ils sont solubles dans l’eau. Lorsqu’un sel de l’élément 48 est déposé sur une lame de zinc, il déclenche en conséquence le couple redox qui provoque un dépôt cristallin de Cd métal :

Zn⁰ + Cd²⁺ → Zn²⁺ + Cd⁰_métal avec Δε⁰ ≈ 0,36 V

Toutefois, la réaction dans les solutions d’acide sulfureux et celles de nitrate d’ammonium ne provoque aucun dégagement de gaz hydrogène. Dans le premier cas, la dissociation permet d’obtenir un composé de sulfite de cadmium soluble et de précipité de sulfure de cadmium. Enfin, il répond aux corps simples halogènes comme le phosphore et le sélénium.

Métallurgie

La métallurgie du cadmium est étroitement liée à celle du zinc, du plomb ou, plus rarement, du cuivre. Il est obtenu en partie par filtration du gaz en provenance du grillage de filtration.

Pyrométallurgie

La pyrométallurgie du zinc fait partie des procédés de récupération du cadmium. Elle  produit une éponge de Cd qui, par la suite, est raffinée par un processus de fusion à 450 °C en présence de soude. Le zinc ou le plomb sous forme de zincate et de plombate sont ainsi exclus de la préparation qui va subir une distillation à 770 °C. On aura alors du cadmium pur.

Hydrométallurgie

Dans le processus d’électrolyse, le Cd se retrouve en solution à une concentration de 0,2 à 0,3 g/l. Par la suite, il est obtenu par durcissement des surfaces, appelé cémentation, un procédé réalisé avec du zinc après épuisement des ions Zn²⁺. Il donne des boues de couleur bleue qui renferment au minimum 6 % de Cadmium et 15 % de Cu. Les poussières récupérables en contiennent 7 à 10 %.

Puis, les boues et/ou les poussières sont traitées avec de l’acide sulfurique, avant de subir une nouvelle cémentation à l’aide de poussière de zinc afin de réduire les ions Cd²⁺ en métal. Il convient de noter que le cadmium métallique est obtenu, mais il coexiste avec d’autres sulfates et impuretés comme le zinc, le cuivre et le nickel dans le cément. Le procédé pour les dissocier se fait par distillation ou vaporisation à 400 °C.

Procédé électrochimique pour obtenir le cadmium à 99,97 %

On peut obtenir du cadmium pur à 99,97 % par lixiviation ou lessivage à l’acide sulfurique. On emploie des produits purifiés provenant du procédé électrolytique de production de zinc pour neutraliser la solution. On assiste alors à une précipitation des principales impuretés comme le plomb, le cuivre ou l’arsenic.

L’électrolyse est effectuée dans des récipients en plastique et avec des électrodes rotatives. Les anodes sont en plomb, tandis que les cathodes sont en aluminium. Pour générer des dépôts électrolytiques de cadmium d’une pureté élevée, il faut une tension de bain de 3,5 V et une densité de courant de 200 A/m². À la fin de l’opération, ils sont récupérés et fondus. Le cadmium proposé sur le marché est présenté sous diverses formes : tiges, barres, boules, etc.

Alliages

L’élément 48 entre dans une grande variété d’alliages, principalement avec le Zn, le Cu, le Sn, le Bi, le Pb et l’Ag. Les amalgames cadmium-platine ou autres platinoïdes sont cassants. Il en est de même avec l’or ou le cuivre. En revanche, l’association du Cd avec du plomb, de l’argent ou de l’étain se distinguent par leur ductilité et leur malléabilité. Pour information, l’alliage du cadmium avec l’or (AuCd) fait partie des premiers alliages métalliques à mémoire de forme connus. De plus, une quantité minime de Cd donne à ce métal précieux une brillance distinctive.

Par ailleurs, la présence de Cd dans un alliage lui confère des propriétés antifriction et permet d’abaisser le point de fusion. Il se retrouve couramment dans les alliages de friction, d’imprimerie ou de Wood (Cd2Pb2Sn4 pour les moulages). Autrefois, les combinaisons CdZn étaient répandues dans la soudure d’aluminium. Il entre aussi dans la composition des alliages pour brasure typique comme l’alliage Ag₃₀Cu₄₅Zn₃₀Cd₅ et l’alliage Ag₃₀Cu₂₆Zn₂₁Cd₁₈. Le premier a un point de fusion de 615 °C, tandis que le second, moins cuivré et plus cadmié, fond à environ 607 °C. Enfin, l’amalgame mercure-cadmium (HgCd) se retrouve dans la composition de la cathode de la pile de Weston avec pour solution d’électrolyte le CdSO₄.

Propriétés des corps composés et complexes

Chimie du cadmium

Il existe des similitudes entre la chimie du cadmium et celle du zinc, ainsi que celle du plomb, mais à petite échelle. Le nombre d’oxydation le plus répandu est II. Bien que le Cd monovalent soit plutôt rare, l’hydrure de cadmium (I) et le tétrachloroaluminate de cadmium (I) sont plus courants. Par ailleurs, le zinc métallique en solution dégage l’ion cadmium divalent, car il est moins réactif. Ainsi, au contact de Zn⁰ ou Al⁰, les solutions salines de Cd II libèrent du métal Cd sous forme de précipité.

Les sels de cadmium (II) ont une hydratation moins prononcée que les sels de zinc. De plus, les halogénures de l’élément 48 ont une ionisation plus faible, à l’exception du fluorure de cadmium qui présente une structure ionique. Ils produisent rapidement des complexes quand ils sont en solution. La tendance des sels de Cd  à la formation de complexes, généralement de coordination 4, est très élevée : Zn(Cl)₄²⁻, Zn(CN)₄²⁻, Cd(NH₃)₆²⁺, Cd(C₂O₄)₂²⁻, Cd(C₄H₄O₆)₂²⁻, Cd(EDTA)²⁻. Par ailleurs, en présence du dithiocarbamate, cet élément chimique forme d’importants composés.

Corps composés les plus connus

Il existe une grande variété de corps composés qui renferment du cadmium. Parmi les mieux connus figurent, entre autres :

• les hydrures (hydrure de cadmium I ou Cd2H2 et hydrure de cadmium II ou CdH2) ;
• les fluorures (fluorure de cadmium ou CdF₂) ;
• les chlorures (chlorure de cadmium et de césium ou CdCsCl₃ et chlorure de cadmium ou CdCl₂) ;
• les bromures (bromure de cadmium et de césium ou CdCsBr₃ et bromure de cadmium ou CdBr₂) ;
• les iodures (iodure de cadmium ou CdI₂) ;
• les oxydes (oxyde de cadmium CdO amorphe et oxyde de cadmium CdO cubique) ;
• les hydroxydes (hydroxyde de cadmium ou Cd(OH)₂ blanc, gélatineux et peu soluble en milieu aqueux) ;
• les sulfures (CdS amorphe, CdS hexagonal, CdS cubique et sulfure de cadmium et d’indium ou CdIn2S₄) ;
• les tellurures (tellurure de cadmium ou CdTe, tellurure de mercure et de cadmium ou HgCdTe et tellurure de cadmium et de zinc ou CdZnTe ou communément CZT) ;
• les nitrures ou Cd₃N₂…

Cette liste n’est pas exhaustive. Le cadmium peut également former de nombreux autres corps composés un peu moins connus, pour ne citer que :

• les carbonates (carbonate de cadmium ou CdCO₃) ;
• les iodates (iodate de cadmium ou D (IO₃)₂) ;
• les sulfates (sulfate de cadmium, sulfates de cadmium hydratés, sulfate double de cadmium et d’ammonium, etc.) ;
• les nitrates (nitrate de cadmium et nitrate de cadmium hydraté) ;
• les chromates (chromate de cadmium et dichromate de cadmium) ;
• les phosphates (phosphate de cadmium ou Cd₃(PO₄)₂ (pK_s ~ 32,6)) ;
• les silicates (silicate de cadmium) ;
• les acétates (acétate de cadmium et acétate de cadmium hydraté) ;
• les oxalates (oxalate de cadmium ou Cd(C₂O₄) (pK_s ~ 7,8)) ;
• les amides (amide de cadmium ou Cd(NH₂)₂)…

Enfin, certains corps composés courants requièrent du cadmium, comme les cristaux liquides et les composés organocadmiens.

Accumulateurs

L’utilisation du cadmium dans la fabrication de piles rechargeables était courante jusqu’à ce qu’elles soient remplacées par des dispositifs, tels que les batteries lithium-ion et nickel-hydrure de métal. Les plus répandus à l’époque étaient les accumulateurs électriques du type Ni-Cd, Ag2O-Cd, HgO-Cd et ONi(OH)-Cd. Pour information, cet élément chimique est aussi employé dans la collecte d’énergie solaire.

Les batteries Ni-Cd se distinguent par la composition de leur électrode négative. Elle est constituée de 75 à 80 % de cadmium et de 20 à 25 % de fer. L’électrode positive est un mélange de graphite et d’hydroxyde de nickel. Des pochettes en acier nickelé de 10 mm de large et perforées par des trous de 0,1 mm reçoivent les matières actives. L’électrolyte utilisé est une solution aqueuse d’hydroxyde de potassium (KOH) avec une concentration de 6 à 8 moles par litre. L’équation-type pour la réaction de la décharge (et inversement de la recharge) est :

Cd _{corps simple métal à l’anode} + 2 NiO(OH)_{aqueux fortement basique} + 2 H₂O → Cd(OH)_{2 aqueux fortement basique} + 2 Ni(OH)_{2 hydroxyde de nickel de la cathode}

Outre la toxicité du cadmium, l’effet mémoire au niveau des électrodes est le principal défaut d’une batterie de type Ni-Cd. Il exige ainsi un certain respect des procédures de charge et de décharge. Toutefois, le Cd reste utilisé dans des applications qui requièrent une faible résistance interne comme un moteur électrique et un talkie-walkie. En 1992, 1,3 milliard d’unités de batteries Ni-Cd ont été fabriquées : 60 % par le Japon et 15 % par la France.

Revêtements anticorrosion, colorants et stabilisants

L’utilisation en masse du cadmium concerne plutôt ses composés. Ils entrent dans la réalisation de revêtements anticorrosion, la préparation de colorants et la fabrication de stabilisateurs.

Revêtements anticorrosion

L’application de Cd en couche fine sur l’acier permet de le protéger contre la corrosion dans un environnement salin. Le procédé de cadmiage est choisi en raison de l’inaltérabilité du métal à l’air et sa résistance en milieu marin. Cette technique est réalisée par électrolyse. Il trouve également des applications dans l’aéronautique pour revêtir les rivets d’assemblage.

Pigments jaunes et rouges

Les colorants sont préparés à partir de sulfure de cadmium, parfois combiné avec du sulfure de zinc. Ces cristaux mixtes de CdS jaune et de ZnS blanc mélangés à du CdSe rouge donnent du Cd(S,Se) orange. Se dispersant facilement, ces mélanges de corps simples offrent une forte résistance à la lumière, aux rayons ultraviolets, à la chaleur et aux intempéries. Ils ont été largement employés dans les peintures et les matières plastiques à une échelle importante

Dans les années 1960 et 1970, ces pigments minéraux étaient utilisés en tant que colorants des matières plastiques comme les polyoléfines et le polystyrène. Les plus populaires étaient le jaune 35 et le jaune 37 (à base de ZnS et de CdS), l’orange 20 (à base de Cd(S,Se)) et le rouge 108 x CdS.y CdSe. Cependant, ils sont tombés dans la désuétude dans les années 1990, quand le cadmium a été classé parmi les métaux lourds très toxiques. Que ce soit par altération thermique ou dégradation lente, le Cd et ses composés peuvent se dégager des peintures, des plastiques et des mélanges de polymères.

Stabilisants

Associés à d’autres composés métalliques à base de Zn, de Ba ou de Sr, les complexes de Cd comme les carboxylates de cadmium peuvent servir de stabilisants. Les composés à base d’organo-cadmiens sont aussi utilisés comme stabilisateurs du PVC ou comme agent de moulage.

Divers

Le Cd présente une absorption élevée des neutrons thermiques, avec une section efficace de capture d’environ 2 400 barns pour le mélange d’isotopes. Cette propriété en fait un matériau idéal pour prévenir l’emballement de la réaction de fission. Ainsi, il est couramment utilisé dans la fabrication des barres de contrôle des réacteurs nucléaires. Le Cd est également appliqué comme une protection biologique contre les sources de neutrons.

Enfin, l’élément 48 est également utilisé en catalyse hétérogène sous la forme d’éponge de cadmium. Elle provient de la réaction entre le sulfate de Cd et de Zn, qui se combinent.

Toxicité et écotoxicité, toxicologie du cadmium

Le cadmium, élément chimique extrêmement toxique, dépasse le plomb et le mercure en termes de nocivité. Il est notamment associé à la maladie d’ Itai-itai. En effet, le Cd fait partie des éléments traces métalliques et des métaux lourds, ce qui le rend écotoxique. Il compte parmi les plus dangereux pour l’environnement. Par exemple, les analyses géostatistiques ont révélé une présence naturelle de Cd à une teneur élevée dans certains sols sédimentaires marins. De ce fait, il accroît les risques de contamination de l’eau et de la faune.

Pressentiment de Friedrich Stromeyer

Lors de sa découverte et dès les premières observations, Friedrich Stromeyer a anticipé la forte toxicité du cadmium. Les produits solubilisés, par ingestion ou inhalation, pénètrent dans la circulation sanguine, se concentrent dans le foie et entraînent d’importants troubles rénaux. En effet, le Cd se mêle à l’urée pour former des composés métalliques.

Il est fortement déconseillé d’inhaler les fumées d’oxydes de l’élément 48, car elles présentent un danger comparable à celui du phosgène. À des concentrations élevées, elles peuvent causer un œdème pulmonaire. Leur inhalation, même à faible concentration, entraîne la « fièvre des métaux », également appelée « fièvre des fondeurs » ou « fièvre des fonderies », qui persiste dans le temps. Le seuil toléré en milieu professionnel est de 0,004 milligramme de CdO par mètre cube.

Substitution au calcium dans la structure osseuse

Ayant un cation bivalent avec un rayon ionique similaire à celui du Ca, le cadmium réagit avec le calcium présent dans la structure osseuse. Étant fortement retenu dans les organismes vivants sur une longue période, il supplante aisément cet élément et altère les propriétés mécaniques des os. Par conséquent, un excès de Cd dans le corps entraîne de nombreux problèmes de santé tels que la porosité osseuse, la déformation du squelette et des fractures multiples. Cela engendre progressivement un rétrécissement du corps qui est irréversible et incurable. Par ailleurs, ce fait a été constaté dans les stades ultimes de la maladie Itai-itai, décrite par les professionnels de la santé japonais en 1955. Elle doit son nom aux cris émis par les patients qui souffrent d’atroces douleurs articulaires. Ils finissent par succomber, totalement paralysés en raison de l’atrophie osseuse.

Déversements volontaires et accidentels dans la nature

Qu’ils soient volontaires ou accidentels, les déversements de matières cadmiées dans la nature ont des conséquences préjudiciables pour l’environnement. Lorsqu’ils se retrouvent dans les rivières, la faune aquatique en est gravement impactée. Une pollution légère entraîne une mortalité élevée parmi différentes espèces de poissons.

Dans les eaux marines partiellement contaminées par le cadmium, les huîtres peuvent accumuler du cadmium jusqu’à 5 mg/kg de matière sèche. Cependant, elles n’en meurent pas en raison de la présence plus élevée du zinc. Dans un environnement aquatique moins pollué, elles renferment une quantité minimale de 0,05 mg/kg de matière sèche.

La présence du cadmium dans les filières alimentaires, comme celle du riz, s’explique par la dispersion de boues contenant des métaux lourds (mercure, plomb, cadmium). Ces éléments se retrouvent à des quantités non négligeables. Par conséquent, le recyclage contrôlé de ce métal et de ses sels revêt une importance stratégique pour l’environnement. Il est nécessaire de traiter les eaux usées et les gaz d’échappement.

Imprégnation de la population

En France, par le biais de son volet « périnatal », le programme national de biosurveillance a évalué l’exposition des femmes enceintes au cadmium et autres métaux lourds, ainsi que certains polluants organiques. Le suivi a été fait sur une cohorte de 4 145 femmes appelée « Cohorte Elfe ». Les résultats publiés en 2018 ont révélé que 88 % des échantillons d’urine de 990 femmes enceintes, à leur arrivée à la maternité, contenaient du cadmium. La moyenne géométrique était de 0,12 µg/L. Ce niveau est similaire à celui découvert aux Etats-Unis entre 2003 et 2010. Chez ces femmes, la teneur en cadmium des urines excédait le seuil HBM-II de 1 à 4 µg/L. la valeur  de cette cadmiurie baisse avec l’indice de masse corporelle (IMC) et le niveau d’éducation, mais tend à augmenter avec l’âge.

Par ailleurs, l’exposition au Cd est plus importante chez les sujets qui consomment beaucoup de légumes racines, tels les carottes, les poireaux, les oignons, etc. Contrairement à ce que l’on aurait pu penser, elle n’était pas plus élevée chez les grandes consommatrices de pomme de terre ou de poisson.

Aussi, on ne peut pas déduire les impacts de ces indices d’imprégnation par le cadmium sur le fœtus. D’une part, la littérature est contradictoire sur les effets potentiels de la gestation sur l’excrétion urinaire du Cd. D’autre part, l’impact des recommandations d’arrêt du tabagisme pendant la grossesse est peu connu.

Toxicité

Depuis la révolution industrielle à ce jour, le Cd a fortement contaminé l’être humain. Les analyses effectuées, dès le début des années 1980, sur des ossements de différentes époques le prouvent. Les sources de contamination sont nombreuses, pour ne citer que la consommation de tabac, l’utilisation d’engrais riches en Cadmium, les activités industrielles et les aliments (fruits de mer et conserves en boîtes).

Toxique pour l’organisme, l’élément 48 affecte notamment le système rénal et il est potentiellement cancérigène. Par ailleurs, le Cd est à l’origine de troubles musculo-squelettiques et chez l’adulte, il peut provoquer une déformation significative du corps. Chez l’embryon, la contamination par voie placentaire est possible, même si la mère vit dans un environnement faiblement contaminé.

Pour prévenir les effets néfastes du cadmium sur la santé, en particulier chez les personnes sensibles, la Commission allemande de biosurveillance a fixé à 4 µg/L la valeur du seuil HBM-II. Les données disponibles indiquent que le risque est élevé au-delà de ce taux. Enfin, pour renforcer la prévention, les professionnels de la santé préconisent l’ajout d’un profil métallique dans le bilan de santé individuel.

Écotoxicité

Chez les végétaux

Le cadmium présente une toxicité, même à de faibles niveaux, pour un grand nombre d’espèces végétales. Il empêche, notamment, la germination du pollen des gymnospermes ainsi que le développement des tubes polliniques. Les causes physiologiques restent encore mal connues à ce jour.

Le Cd a également la capacité d’altérer la morphologie des tubes polliniques de manière dépendante de la dose. Chez les plantes contaminées, l’endocytose est fortement entravée. Par conséquent, on constate une diminution du nombre d’appareils de Golgi et une formation anormale d’organites acides.

Par exemple, les pollens de P. wilsonii sont particulièrement sensibles au cadmium, ce qui entrave leur germination et la croissance des tubes polliniques. Cela s’explique par la perturbation au niveau des organites endomembranaires, l’inhibition d’endocytose et d’exocytose et la formation de vacuoles acides. Les tubes polliniques gonflent et présentent des diamètres élargis.

Chez les animaux

Le cadmium affiche une toxicité élevée pour de nombreuses espèces animales. Chez le vairon, une exposition à une concentration de 7,5 μg de cadmium par litre d’eau engendre une déformation importante du squelette. Elle est consécutive à des fractures spontanées des vertèbres, le plus souvent à proximité de la queue. Cependant, cette dose est 5 200 fois inférieure à la LC₅₀ pour une exposition de 96 h. Il s’agit de la teneur en cadmium des cours d’eau contaminés par le métal dans les régions baltes où l’étude a été réalisée.

Contamination des sols

Au Japon, des engrais riches en cadmium ont été intensivement utilisés au début des années 1950 pour fertiliser des sols très pauvres. Sableux et acides, ces derniers présentaient des déficits importants en zinc et en calcium. Les autorités nippones ont imposé l’usage de ces engrais sous prétexte qu’il fallait moderniser les pratiques agricoles ancestrales. Par conséquent, les teneurs inédites de Cd dans le riz (0,37 mg/kg sec) et le soja (3,36 mg/kg sec) étaient à l’origine (dissimulée) de la maladie Itai-itai.

Dans le sud de l’Australie, dans les années 1970, des agronomes ont étudié des terres sèches sujettes à des remontées d’eaux salines répétées. Leur crainte portait sur le remplacement cationique partiel du magnésium par le zinc et du calcium par le cadmium. En effet, si un tel phénomène venait à se produire, les conséquences sur la qualité des cultures seraient désastreuses. Toutefois, ils ont compris que le Zn joue un rôle vital, car il restreint l’action toxique du Cd en limitant ou en empêchant sa fixation.

Pollution environnementale diffuse

Que ce soit dans le passé ou plus récemment, les émissions et la dispersion de cadmium peuvent constituer une source de pollution environnementale diffuse. Elle se fait à travers l’utilisation de pigments ou de charges, ainsi que la contamination des eaux de pluie par le Cd provenant de structures en zinc anciennes.

Pour prévenir les risques de contamination de l’environnement, il est essentiel de bannir l’emploi du cadmium de la composition des engrais. En effet, les faibles teneurs en zinc des sols pauvres et acides peuvent être compensées par l’utilisation d’eaux plus ou moins salines pour les irriguer. Les sols amendés ou riches en complexes argilo-humiques sont moins vulnérables à cette forme de pollution.

Enfin, pour réduire les risques de contamination environnementale, les accumulateurs qui contiennent du cadmium ont été progressivement remplacés dès 2008 au sein de l’Union européenne. Les piles NiCd ont d’abord cédé la place aux piles NiMH puis, ont été délaissées au profit des batteries lithium-ion dans les terminaux mobiles.

Détoxication

En raison de sa capacité à remplacer des ions métalliques essentiels dans les macromolécules, le cadmium est très toxique. Les mécanismes de détoxification intracellulaire se basent principalement sur des protéines contenant des résidus riches en soufre, qui peuvent également se lier à d’autres métaux lourds.

En 2019, une étude de Liu et al. a mis en évidence la capacité du Pseudomonas putida à neutraliser le cadmium. Pour cela, il active une protéine spécifique appelée CadR qui répond de manière sélective à la présence du Cd. Cette protéine, en se liant à l’ADN, assure une transcription positive d’autres protéines de détoxication du cadmium. Elle doit cette sélectivité aux différents sites de liaison. Le Cd est initialement capturé par un site contenant de la cystéine, puis par un autre riche en histidine. Cette double liaison va emprisonner le cadmium.

Pollution par le cadmium

A partir des années 1980, la pollution au cadmium a considérablement baissé. Néanmoins, il est encore présent dans les coquillages et autres organismes qui font partie du haut de la chaîne alimentaire. Par ailleurs, des taux inquiétants persistent dans certaines localités, comme  le centre de la Belgique et les anciens pays de l’Est. De plus, en Chine, une part importante de la production rizicole serait aussi contaminée. La pollution au cadmium a de multiples origines.

Agricole

Dans le secteur de l’agriculture, la pollution est causée par les engrais phosphatés, l’eau, la « redéposition » des poussières et les boues d’épandage. Les engrais phosphatés apportent par an entre 2 et 6 g de cadmium à l’hectare. En France, cet apport représente 82 t/an. Le métal se retrouve principalement dans les feuilles des végétaux : choux, salades, tabac, etc.

Atmosphérique

La présence de cadmium dans l’atmosphère est principalement liée aux activités industrielles : raffinage du zinc, sidérurgie, fabrication d’accumulateurs, etc. La pollution atmosphérique est également consécutive à la combustion du charbon et des produits pétroliers, ainsi qu’à l’incinération des ordures ménagères. Dans les zones industrielles, la teneur en Cd dans l’air est plus élevée (20 ng/m³) qu’en milieu rural (1 ng/m³). En revanche, elle s’élève à 20 µg/m³ à proximité de l’Etna.

Aquatique

La pollution au cadmium d’origine aquatique a plusieurs sources comme le raffinage du zinc, le cadmiage, la fabrication de pigments et la production d’engrais phosphatés. Véritables fléaux, ces derniers et les risques associés sont de plus en plus pris en compte dans l’Union européenne. La Commission a notamment défini le pourcentage maximal de la teneur en Cd autorisé dans les engrais par la publication de plusieurs textes et décisions.

Réglementation

En raison de sa toxicité et de son écotoxicité, l’utilisation du cadmium est limitée. Le métal est même prohibé pour certains usages. Dans la majorité des pays, il figure parmi les éléments à contrôler obligatoirement dans l’eau potable.

Depuis juillet 2006, l’utilisation du cadmium dans les différents produits commercialisés en Europe fait l’objet d’une réglementation très stricte. La directive RoHS ou Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment limite les métaux comme le mercure, le chrome hexavalent, les PBDE ou polybromodiphényléthers et les PBB ou polybromobiphényles, à 0,1 % du poids de matériau homogène. Pour le Cd, elle est encore plus basse (0,01 %). Seuls les accumulateurs ne sont pas concernés par cette limitation. Le champ d’application de cette directive peut s’étendre à d’autres substances jugées toxiques.

Production et économie

Au début des années 1990, près de 18 000 t/an de cadmium sous forme de métal pur ont été produits dans le monde. Les utilisations économiques du métal étaient essentiellement dans la fabrication d’accumulateurs, la préparation de pigments et de stabilisants et le cadmiage (environ un tiers). La réalisation d’alliages ne représente qu’une petite partie de la consommation de Cd.

Le tableau suivant indique les productions annuelles en tonne par pays et par zone géographique :

Pays / Zone géographique	1994	1996
Monde	18 882	–
Canada	2 129	–
Chine	1 300	–
Belgique	1 557	–
Mexique	1 255	–
Russie	1 407	–
Allemagne	1 145	–
Monde occidental	–	12 708
Europe	–	5 633
Japon	–	2 357
États-Unis	–	1 238

Recyclage

Entre 10 et 15 % de la production mondiale de cadmium proviennent du recyclage des batteries Ni-Cd et des soudures. Ce procédé assure par exemple 50 % des besoins en Cd en France. Chaque année, le pays en recycle environ 1 000 t.

Consommation

Du début des années 1980 jusqu’à la fin des années 1990, la consommation de Cd par secteur d’activité a beaucoup évolué dans le monde occidental. En 1980, 30 % du cadmium ont été utilisés pour la fabrication de batteries Ni-Cd. En 1996, ce pourcentage est monté jusqu’à 70 %. Cela s’explique par le développement généralisé des piles et accumulateurs électrochimiques. En toute logique, les autres utilisations du métal ont enregistré une diminution notable sur la même période : de 25 à 13 % pour les pigments, de 25 à 8 % pour la galvanoplastie, de 15 à 7 % pour les stabilisants, et de 5 à 2 % pour les alliages et divers.

Les pays industrialisés sont les plus grands consommateurs de cadmium. Le tableau suivant résume leur niveau de consommation en 1994 par ordre décroissant :

Pays	Consommation (en tonne)
Japon	6 527
Belgique	2 944
France	1 860
États-Unis	1 700
Russie	900
Allemagne	850
Royaume-Uni	664
Chine	600

En 1996, le monde occidental en a consommé 13 803 t.

Commerce

Selon les chiffres des douanes françaises, en 2014, l’Hexagone était un pays exportateur net de Cd. À l’époque, son prix moyen à l’export était de 8 300 €/t.