Sulfuro de cadmio

Sulfuro de cadmio es el compuesto inorgánico de fórmula CdS. El sulfuro de cadmio es una sal amarilla. Ocurre en la naturaleza con dos estructuras cristalinas diferentes como los minerales raros greenockita y hawleyita, pero es más frecuente como sustituyente de impureza en los minerales de zinc de estructura similar esfalerita y wurtzita, que son las principales fuentes económicas de cadmio. Como compuesto fácil de aislar y purificar, es la principal fuente de cadmio para todas las aplicaciones comerciales. Su vivo color amarillo llevó a su adopción como pigmento para la pintura amarilla "amarillo de cadmio" en el siglo 18.

Producción

El sulfuro de cadmio se puede preparar mediante la precipitación de sales solubles de cadmio (II) con iones sulfuro. Esta reacción se ha utilizado para análisis gravimétricos y análisis inorgánicos cualitativos.
La ruta preparativa y el tratamiento posterior del producto afectan la forma polimórfica que se produce (es decir, cúbica versus hexagonal). Se ha afirmado que los métodos de precipitación química dan como resultado la forma cúbica de zincblenda.

La producción de pigmentos generalmente implica la precipitación de CdS, el lavado del precipitado sólido para eliminar las sales de cadmio solubles, seguido de la calcinación (tostado) para convertirlo a la forma hexagonal y luego la molienda para producir un polvo. Cuando se requieren selenuros de sulfuro de cadmio, el CdSe se coprecipita con CdS y el sulfoseleniuro de cadmio se crea durante el paso de calcinación.

El sulfuro de cadmio a veces se asocia con bacterias reductoras de sulfato.

Rutas hacia películas delgadas de CdS

Se utilizan métodos especiales para producir películas de CdS como componentes de algunos fotorresistores y células solares. En el método de deposición en baño químico, se han preparado películas delgadas de CdS utilizando tiourea como fuente de aniones sulfuro y una solución tampón de amonio para controlar el pH:

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

El sulfuro de cadmio se puede producir utilizando técnicas de epitaxi de fase de vapor metálica y MOCVD por la reacción del dimetilcadmio con sulfuro de dietil:

Cd₃)₂ +₂S → CdS + CH₃CH₃ + C₄H₁₀

Otros métodos para producir películas de CdS incluyen

• Técnicas Sol-gel
• Sputtering
• Deposición electroquímica
• Rociación con sal de cadmio precursor, compuesto de azufre y dopant
• Impresión de la pantalla utilizando una lotería que contiene CdS dispersos

Reacciones

El sulfuro de cadmio se puede disolver en ácidos.

CdS + 2 HCl → CdCl₂ + H₂S

Cuando se irradian con luz soluciones de sulfuro que contienen partículas de CdS dispersas, se genera gas hidrógeno:

H₂S → H₂ + S Δ_fH = +9,4 kcal/mol

El mecanismo propuesto implica los pares de electrones/agujeros creados cuando la luz del incidente es absorbida por el sulfuro de cadmio seguido por estos reaccionando con agua y sulfuro:

Producción de un par de electrones

CdS + . → e⁻ + h+

Reacción de electrones

2e⁻ + 2H₂O → H₂ + 2OH⁻

Reacción del agujero

2h⁺ + S^{2 - 2} → S

Estructura y propiedades físicas

El sulfuro de cadmio tiene, como el sulfuro de zinc, dos formas de cristal. La estructura hexagonal más estable (encontrada en el mineral Greenockite) y la estructura de mezcla de zinc cúbico (encontrada en el mineral Hawleyite). En ambas formas los átomos de cadmio y azufre son cuatro coordenadas. También hay una forma de alta presión con la estructura de sal de roca NaCl.

El sulfuro de cadmio es un semiconductor de banda prohibida directa (distancia de 2,42 eV). La proximidad de su banda prohibida a las longitudes de onda de la luz visible le da una apariencia coloreada.
Además de esta propiedad obvia, resultan otras propiedades:

• la conductividad aumenta cuando se irradia, (dejando usar como fotoresistor)
• cuando se combina con un semiconductor tipo p que forma el componente principal de una célula fotovoltaica (solar) y un CdS/Cu₂S solar cell was one of the first efficient cells to be reported (1954)
• cuando dopado con por ejemplo Cu⁺ ("activador") y Al³⁺ ("coactivador") Líminas CdS bajo excitación del haz de electrones (cathodoluminiscencia) y se utiliza como fosforo
• ambos polimorfos son piezoeléctricos y el hexagonal también es piroeléctrico
• electroluminiscencia
• Los cristales CdS pueden actuar como medio de ganancia en láser de estado sólido
• En forma de fino relleno, CdS se puede combinar con otras capas para su uso en ciertos tipos de células solares. CdS fue también uno de los primeros materiales semiconductores que se utilizaron para transistores de fibra fina (TFTs). Sin embargo, el interés en semiconductores compuestos para TFTs disminuyó en gran medida después de la aparición de la tecnología de silicio amorfo a finales del decenio de 1970.
• Las películas finas de CdS pueden ser piezoeléctricas y se han utilizado como transductores que pueden operar en frecuencias en la región de GHz.
• Los nanoribbons de CdS muestran un enfriamiento neto debido a la aniquilación de fonones, durante la luminiscencia anti-Stokes en ~510 nm. Como resultado, una caída máxima de temperatura de 40 y 15 K se ha demostrado cuando los nanoribbons son bombeados con un láser de 514 o 532 nm.

Aplicaciones

Pigmento

El CdS se utiliza como pigmento en plásticos y muestra buena estabilidad térmica, solidez a la luz y a la intemperie, resistencia química y alta opacidad. Como pigmento, el CdS se conoce como amarillo de cadmio (pigmento CI amarillo 37). Desde 1982 se producen anualmente unas 2.000 toneladas, lo que representa aproximadamente el 25% del cadmio procesado comercialmente.

Uso histórico en el arte

La disponibilidad comercial general del sulfuro de cadmio desde la década de 1840 llevó a su adopción por parte de artistas, en particular Van Gogh, Monet (en su serie de Londres y otras obras) y Matisse (Bañistas junto a un río 1916– 1919). La presencia de cadmio en pinturas se ha utilizado para detectar falsificaciones en pinturas supuestamente producidas antes del siglo XIX.

Soluciones CdS-CdSe

CdS y CdSe forman soluciones sólidas entre sí. Cantidades crecientes de seleniuro de cadmio dan pigmentos que rozan el rojo, por ejemplo el pigmento CI naranja 20 y el pigmento CI rojo 108. Estas soluciones sólidas son componentes de fotorresistores (resistencias dependientes de la luz) sensibles a la luz visible e infrarroja cercana.

Seguridad

El sulfuro de cadmio es tóxico, especialmente peligroso cuando se inhala en forma de polvo, y los compuestos de cadmio en general están clasificados como cancerígenos. Se han informado problemas de biocompatibilidad cuando se utiliza CdS como colorante en tatuajes. El CdS tiene una LD50 de aproximadamente 7080 mg/kg en ratas, que es más alta que la de otros compuestos de cadmio debido a su baja solubilidad.