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Sulfuro de cadmio

compuesto químico

Sulfuro de cadmio es un compuesto inorgánico compuesto de azufre y cadmio cuya fórmula es CdS. Se presenta en la forma de un sólido amarillo.[2]​ Se encuentra en la naturaleza con dos estructuras cristálinas diferentes en los minerales raros: greenockita y hawleyita. Pero es más frecuente encontrarlo como una impureza en el zinc; así su extracción es más económica a partir de las menas de esfalerita y wurtzita. Como compuesto es fácil aislarlo y purificarlo, por tanto, es la principal fuente de cadmio para las aplicaciones comerciales.[2]​ Su color amarillo vívido dio lugar a su adopción como pigmento para la pintura conocido como "amarillo cadmio" y comenzó a emplearse en el siglo XVIII.

 
Sulfuro de cadmio
Fórmula molecular ?
Identificadores
Número CAS 1306-23-6[1]​
Número RTECS EV3150000
ChEBI 50833
ChemSpider 7969586
PubChem 9793819 14783, 9793819
UNII 057EZR4Z7Q
InChI=InChI=1S/Cd.S
Key: CJOBVZJTOIVNNF-UHFFFAOYSA-N%22 FRLJSGOEGLARCA-UHFFFAOYSA-N, CJOBVZJTOIVNNF-UHFFFAOYSA-N
Propiedades físicas
Masa molar 145,8754295 g/mol
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Producción

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El sulfuro de cadmio puede prepararse por la precipitación de las sales solubles de cadmio (II) con el ion sulfuro. Esta reacción ha sido utilizada en análisis gravimétrico y análisis inorgánico cualitativo.[3]​

La ruta preparatoria y el tratamiento subsiguiente del producto, afecta su forma polimórfica (forma cúbica o hexagonal). El uso de métodos de precipitación química proporciona formas en el sistema cristálino cúbico.[4]​

La producción del pigmentos de cadmio normalmente implica la precipitación del CdS, después el lavando del sólido precipitado y un proceso de calcinación para convertirlo a su forma cristalina hexagonal, a continuación se realiza una molienda para producirlo en forma de polvo. Cuándo junto al sulfuro de cadmio precipita sulfuro de selenio (SeS2) se forma sulfoselenuro de cadmio (CdSSe) durante el proceso de calcinación.[5]​

El sulfuro de cadmio se asocia en ocasiones con sulfato para reducir bacterias.[6]​[7]​

Obtención de películas delgadas de CdS

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Se emplean métodos especiales para obtener películas de CdS empleadas en algunos componentes como fotorresistores y celdas solares. En el método de deposición química se preparan películas delgadas de CdS utilizando tiourea como fuente de aniones sulfuro y una solución buffer de amonio para controlar el pH:[8]​

Cd2+ + H2O + (NH2)2CS + 2 NH3 → CdS + (NH2)2CO + 2 NH4+

También puede producirse mediante depósito de vapor mediante procesos químicos organometálicos y/o técnicas MOCVD.[9]​ Este proceso emplea como precursores azufre y cadmio volátiles. Un ejemplo común es la reacción de dimetilcadmio con dietil sulfuro:[9]​

Cd(CH3)2 + Et2S → CdS + CH3CH3 + C4H10

Se conocen otros métodos como:

Otros métodos para producir películas de CdS incluir

Reacciones

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El sulfuro de cadmio es soluble en ácidos y esa conversión ha sido investigada como método para extraer el pigmento en residuos de polímeros p. ej. de tubos HDPE:[17]​

CdS + 2 HCl → CdCl2 + H2S

A partir de soluciones con partículas de CdS dispersadas a las que se añade hidrógeno:[18]​

H2S → H2 + S ΔHf = +9.4 kcal/mol

El mecanismo propuesto implica los pares de electrones/agujeros creados cuándo el sulfuro de cadmio absorbe luz incidente y se producen las reacciones con el agua y sulfuro:[19]​[18]​

Producción de un par electrón/agujero
CdS + hν → e− + Agujero+
Reacción de electrón
2e− + 2H2O → H2 + 2OH−
Reacción de agujero
2agujero+ + S2− → S

Estructura y propiedades físicas

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Al igual que el sulfuro de cinc dispone de dos formas cristalinas.La más estable es la estructura hexagonal, que se encuentra en la greenockita, y además se presenta en el sistema cristalino cúbico, que se encuentra en el mineral Hawleyite. En ambas formas los átomos de cadmio y azufre están en cuatro coordenadas.[20]​ También existe una estructura con el NaCl en forma de roca de sal producida a altas presiones.[20]​

Es un semiconductor de brecha energética directa (gap 2.42 eV).[19]​ La magnitud de su gap de banda significa que aparece coloreado.[2]​

De ese modo tiene otras propiedades:

  • La conductividad aumenta cuándo es iluminado (lo que permite su uso como Fotorresistor).[19]​
  • Cuándo se combina con un semiconductor de tipo p forma el núcleo de un celda solar, la combinación CdS/Cu2S fue una de las primeras celdas eficaces conocidas (1954).[21]​[22]​
  • Cuándo es dopado con Cu+ ("activador") y Al3+ ("coactivator") el CdS presenta luminiscencia bajo excitación por rayos catódicos (catodoluminiscencia).[23]​
  • Ambas formas polimorfas son piezoeléctricos y la forma hexagonal es también piroelectrica.[24]​
  • Electroluminiscencia[25]​
  • El cristal de CdS puede actuar como láser de estado sólido.[26]​[27]​
  • En forma de película delgada, el CdS puede combinarse con otras capas para ser utilizado en ciertos tipos de celdas solares.[28]​ Fue también uno de los primeros materiales semiconductores utilizados en transistores de película delgada (TFTs por sus siglas en inglés).[29]​ Aunque el interés de estos TFTs ha decaído en su uso tras la aparición de la tecnología de silicio amorfo a finales de los años setenta.

Aplicaciones

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Pigmento

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Pigmento amarillo cadmio

Los pigmentos de cadmio basados en sulfuro de cadmio son muy valorados por su buena estabilidad térmica y ante la luz, su resistencia química y su gran opacidad.[5]​ Como pigmento, el CdS es conocido como el amarillo cadmio.[2]​ (CI pigmento amarillo 37) Se producen aproximadamente unas 2000 toneladas anuales desde 1982, representando aproximadamente el 25% del cadmio procesado comercialmente.[30]​[31]​ También se usa como pigmento en plásticos.[5]​

Uso histórico en arte

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Se dispone de modo comercial del sulfuro de cadmio desde 1840, lo que permitió su uso por artistas como Van Gogh, Monet (en su serie de Londres y otros trabajos) o Matisse (Bañistas en el río 1916–1919).[32]​ La presencia del cadmio en pinturas permite afirmar que ha sido producido con posterioridad al siglo XIX, lo que permite detectar falsificaciones en pinturas datadas con anterioridad.[33]​

Soluciones CdS-CdSe

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El CdS y el CdSe se encuentra en forma de soluciones sólidas. Si se dispone de cantidades crecientes del componente cadmio-selenio se obtienen pigmentos que tornan hacia los rojos, por ejemplo CI naranja de pigmento 20 y CI rojo de pigmento 108.[30]​

Seguridad

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El sulfuro de cadmio es tóxico, especialmente cuándo es inhalado como polvo, y en general los compuestos del cadmio están clasificados como carcinógenos.[34]​ Se conocen problemas de biocompatibilidad cuando el CdS se utiliza como color en los tatuajes.[35]​

Referencias

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  1. ↑ Número CAS
  2. ↑ a b c d Egon Wiberg, Arnold Frederick Holleman (2001). Química inorgánica (en inglés). Elsevier. ISBN 0-12-352651-5. Consultado el 4 de noviembre de 2016. 
  3. ↑ Fred Ibbotson (2007). The Chemical Analysis of Steel-Works' Materials (en inglés). Read Books. ISBN 1-4067-8113-4. 
  4. ↑ Paul Klocek (1991). Handbook of Infrared Optical Materials (en inglés). CRC Press. ISBN 0-8247-8468-5. 
  5. ↑ a b c Hugh MacDonald Smith (2002). High Performance Pigments (en inglés). Wiley-VCH. ISBN 3-527-30204-2. 
  6. ↑ Larry L. Barton (1995). Sulfate reducing bacteria (en inglés). Springer. ISBN 0-306-44857-2. 
  7. ↑ Sweeney, Rozamond Y.; Mao, Chuanbin; Gao, Xiaoxia; Burt, Justin L.; Belcher, Angela M.; Georgiou, George y Iverson, Brent L. (2004). «Bacterial Biosynthesis of Cadmium Sulfide Nanocrystals». Chemistry & Biology (en inglés) 11 (11): 1553–9. PMID 15556006. doi:10.1016/j.chembiol.2004.08.022. 
  8. ↑ Oladeji, I.O. y Chou, L. (1997). «Optimization of Chemical Bath Deposited Cadmium Sulfide». J. Electrochem. Soc. (en inglés) 144: 7. 
  9. ↑ a b Uda, H.; Yonezawa, H.; Ohtsubo, Y.; Kosaka, M. y Sonomura, H. (2003). «Thin CdS films prepared by metalorganic chemical vapor deposition». Solar Energy Materials and Solar Cells (en inglés) 75 (1-2): 219. doi:10.1016/S0927-0248(02)00163-0. 
  10. ↑ Reisfeld, R. (2002). «Nanosized semiconductor particles in glasses prepared by the sol–gel method: their optical properties and potential uses». Journal of Alloys and Compounds (en inglés) 341 (1-2): 56. doi:10.1016/S0925-8388(02)00059-2. 
  11. ↑ Moon, B.; Lee, J. y Jung, H. (2006). «Comparative studies of the properties of CdS films deposited on different substrates by R.F. sputtering». Thin Solid Films (en inglés). 511-512 (1-2): 299. Bibcode:2006TSF...511..299M. doi:10.1016/j.tsf.2005.11.080. 
  12. ↑ Oliva, A. I.; Castro-Rodrı́guez, R.; Ceh, O.; Bartolo-Pérez, P.; Caballero-Briones, F.; Sosa, Vı́ctor (1 de junio de 1999). «First stages of growth of CdS films on different substrates». Applied Surface Science 148 (1): 42-49. ISSN 0169-4332. doi:10.1016/S0169-4332(99)00136-1. Consultado el 31 de octubre de 2019. 
  13. ↑ Goto, F.; Shirai, K. e Ichimura, M. (1998). «Defect reduction in electrochemically deposited CdS thin films by annealing in O2». Solar Energy Materials and Solar Cells (en inglés) 50 (1–4): 147. doi:10.1016/S0927-0248(97)00136-0. 
  14. ↑ Colina-Ruiz, Roberto A.; Tolentino-Hernández, Rafael V.; Guarneros-Aguilar, Cesia; Mustre de León, José; Espinosa-Faller, Francisco J.; Caballero-Briones, Felipe (6 de junio de 2019). «Chemical Bonding and Electronic Structure in CdS/GO and CdSSe/GO Multilayer Films». The Journal of Physical Chemistry C 123 (22): 13918-13924. ISSN 1932-7447. doi:10.1021/acs.jpcc.9b03328. Consultado el 31 de octubre de 2019. 
  15. ↑ J.F. Jordan y C.M. Lampkin (25 de abril de 1978): Photovoltaic cells, Patente USPTO n.º 4086101 (en inglés)
  16. ↑ Y.T. Sihvonen (21 de septiembre de 1965): High performance photoresistor Patente USPTO n.º 3208022 (en inglés)
  17. ↑ Wanrooij, P. H. P. ;Agarwal, U. S.; Meuldijk, J.; van Kasteren, J. M. N. y Lemstra, P. J. (2006). «Extraction of CdS pigment from waste polyethylene». Journal of Applied Polymer Science (en inglés) 100 (2): 1024. doi:10.1002/app.22962. 
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  25. ↑ Smith, R. (1957). «Low-Field Electroluminescence in Insulating Crystals of Cadmium Sulfide». Physical Review (en inglés) 105 (3): 900. Bibcode:1957PhRv..105..900S. doi:10.1103/PhysRev.105.900. 
  26. ↑ Akimov, Yu A.; Burov, A. A.; Drozhbin, Yu A.; Kovalenko, V. A.; Kozlov, S. E.; Kryukova, I. V.; Rodichenko, G. V.; Stepanov, B. M. y Yakovlev, V. A. (1972). «KGP-2: AN ELECTRON-BEAM-PUMPED CADMIUM SULFIDE LASER». Soviet Journal of Quantum Electronics (en inglés) 2 (3): 284. Bibcode:1972QuEle...2..284A. doi:10.1070/QE1972v002n03ABEH004443. 
  27. ↑ Agarwal, R.; Barrelet, C. J. y Lieber, Ch. M. (2005). «Lasing in Single Cadmium Sulfide Nanowire Optical Cavities». Nano Letters (en inglés) 5 (5): 917–920. Bibcode:2005NanoL...5..917A. PMID 15884894. arXiv:cond-mat/0412144v1. doi:10.1021/nl050440u. 
  28. ↑ H. Zhao y otros (2009): The effect of impurities on the doping and VOC of CdTe/CdS thin film solar cells, Thin Solid Films, Vol. 517, No. 7 pag. 2365-2369, [1] doi 10.1016/j.tsf.2008.11.041 (en inglés)
  29. ↑ P.K. Weimar(1962): The TFT a new thin-film transistor, Proc. IRE, Vol. 50, No. 6 pag. 1462-1469, [2] doi 10.1109/JRPROC.1962.288190 (en inglés)
  30. ↑ a b R. M. Christie 2001 Colour Chemistry, p. 155 Royal Society of Chemistry ISBN 0-85404-573-2
  31. ↑ Karl-Heinz Schulte-Schrepping, Magnus Piscator "Cadmium and Cadmium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2007 Wiley-VCH, Weinheim. doi 10.1002/14356007.a04_499.
  32. ↑ Sidney Perkowitz, 1998, Empire of Light: A History of Discovery in Science and Art Joseph Henry Press, ISBN 0-309-06556-9
  33. ↑ W. Stanley Taft, James W. Mayer, Richard Newman, Peter Kuniholm, Dusan Stulik (2000) The Science of Paintings, Springer, ISBN 0-387-98722-3
  34. ↑ CDC International Chemical Safety Card - Cadmium Sulfide Archivado el 18 de mayo de 2015 en Wayback Machine.
  35. ↑ Bjornberg A. (septiembre de 1963). «Reactions to light in yellow tattoos from cadmium sulfide». Arch Dermatol (en inglés) 88: 267–71. PMID 14043617. doi:10.1001/archderm.1963.01590210025003. 

Enlaces externos

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