Sulfure de cadmium

Le sulfure de cadmium ou CdS est un composé chimique inorganique de soufre et de cadmium de formule CdS.

Identification
Sulfure de cadmium


Nom UICPA	Sulfure de cadmium
N^o CAS	1306-23-6
N^o ECHA	100.013.771
N^o CE	215-174-8
PubChem	14783
Apparence	jaune orange, jaune citron ou jaune clair à rouge brique
Propriétés chimiques
Formule	Cd S [Isomères]
Masse molaire[1]	144,476 ± 0,013 g/mol Cd 77,81 %, S 22,19 %,
Propriétés physiques
T° fusion	1 750 °C sous 10 MPa ou 100 atmosphères[2]
T° ébullition	vers 980 °C ^{[réf. nécessaire]} (sublimation sous atmosphère d'azote)
Masse volumique	4,826 g·cm^-3 pour CdS_{β ou hexagonal}
Cristallographie
Système cristallin	hexagonal
Classe cristalline ou groupe d’espace	(n^o 183) hexagonal Hermann-Mauguin : $P\ 6\ m\ m\,$ Schoenflies : $C_{6v}^{1}\,$
Notation Schönflies	P6₃mc
Propriétés optiques
Indice de réfraction	polyaxe $n_{}^{}$ 2,529 et $n_{}^{}$ 2,506[3]
Composés apparentés
Autres cations	Sulfure de zinc
Autres anions	Oxyde de cadmium, séléniure de cadmium, tellurure de cadmium

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Propriétés physiques et chimiques

C'est un solide polymorphe à la couleur caractéristique jaune, jaune-orangée, jaune brun. Il peut être amorphe ou avoir diverses structures cristallines. Ce pigment stable est inaltérable au gaz hydrogène sulfuré ou aux diverses matières qui en dégagent.

Le corps chimique est un composé peu soluble comme le prouve le produit de solubilité ou pKs de l'ordre de 26 à température ambiante. Il est insoluble dans l'eau froide, mais il tend à former des solutions colloïdales dans l'eau chaude.

La morphologie cristalline la plus stable est soluble dans l'acide chlorhydrique 1 N à chaud, et à froid dans le même acide concentré (en générant des complexes CdCl₃⁻), mais très peu soluble dans l'ammoniaque. Mais au contraire de CuS, le cristal CdS est insoluble dans l'acide nitrique 1 N ou normal à chaud ou dans l'acide sulfurique 7 N bouillant.

Le sulfure de cadmium β de maille hexagonale (groupe de symétrie 6mm, n^o =183) correspond au minéral greenockite à l'état naturel. Les cristaux jaune clair de densité 4,8 peuvent être sous la forme de prisme hexagonal terminé par une pyramide hexagonale.

Le CdS est un matériau semi-conducteur de type II-VI, la configuration électronique de l'atome de cadmium étant [Kr]4d¹⁰5s² et celle du soufre [Ne]3s²3p⁴. Son gap direct est voisin de 2,5 eV. Il présente aussi des propriétés piézoélectriques et de phosphorescence.

Préparation

Les sels de cadmium absorbent et réagissent facilement avec le gaz sulfure d'hydrogène pour donner le sulfure de cadmium.

CdCl₂ _{aq ou autres solutions aqueuses de sels de cadmium} + H₂S _gaz → CdS _{poudre jaune} + 2 HCl _aq

Les cristaux de cadmium β ne sont obtenus ensuite au laboratoire que par des procédés en phase gazeuse, le passage d'un courant d'hydrogène gazeux ou gaz dihydrogène libère par inversion réactionnelle la vapeur de cadmium et le sulfure d'hydrogène gazeux, et la réaction, normale reprise dans les parties plus froides du tube de réaction, donne des cristaux hexagonaux[4].

On peut opérer à défaut avec un sulfure alcalin ou un sulfure d'ammonium en milieu aqueux. En milieu neutre ou alcalin, le précipité colloïdal obtenu, jaune à orange, est difficile à filtrer. Il faut procéder en milieu acide choisi.

Un taxi de New-York autrefois peint réglementairement au jaune de cadmium

Le soufre et le corps simple cadmium métal réagissent à chaud pour donner ce pigment jaune.

Greenockite ou sulfure de cadmium naturel, sur calcite.

Structures cristallines

On le rencontre essentiellement sous trois formes :

l'une, hexagonale, est thermodynamiquement stable dans les conditions standards ; elle est de type wurtzite
la seconde, cubique est de type zinc-blende
la troisième, cubique à faces centrées (CFC) de type chlorure de sodium apparaît sous forte pression[5].

Analyse des propriétés physiques

A température ambiante pour sa structure de type wurtzite ainsi que pour sa forme cubique de type ZB, le gap vaut 2,5eV[6].

Pour les propriétés mécaniques du CdS de type wurtzite appartenant à la classe 6mm, le tenseur des rigidités s'écrit (les constantes mécaniques exprimées en GPa)[7] :

$[c]={\begin{pmatrix}85,2&53,2&46,2&0&0&0\\53,2&85,2&46,2&0&0&0\\46,2&46,2&93,6&0&0&0\\0&0&0&14,9&0&0\\0&0&0&0&14,9&0\\0&0&0&0&0&16,15\end{pmatrix}}$

Ses caractéristiques piézoélectriques sont données dans le tenseur piézoélectrique en C.m^-2 ci-dessous[8] :

$[e]={\begin{pmatrix}0&0&0&0&-0,21&0\\0&0&0&-0,21&0&0\\-0,24&-0,24&0,44&0&0&0\end{pmatrix}}$

Le tenseur des constantes diélectriques (en pF.m^-1) a pour expression[8]:

$[\epsilon ]={\begin{pmatrix}79,9&0&0\\0&79,9&0\\0&0&84,4\end{pmatrix}}$

Utilisation

La préparation du sulfure artificiel décrite donne un pigment jaune brillant inorganique stable, le jaune de cadmium. Il a été et est encore utilisé en peinture, en teinture et dans le domaine textile, dans les savons, pour les verres et céramiques, comme charge active dans les caoutchouc, papier ou encres d'imprimerie.

Le sulfure de cadmium peut aussi colorer des feux d'artifice.

Pigment jaune de cadmium

Ce semi-conducteur peut être présent dans les posemètres et les photorésistances, les photomètres UV et les compteurs à scintillations, les écrans TV et divers écrans fluorescents.

Notes et références

Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
Bernard M. et Busnot F.,Usuel de chimie générale et minérale. Dunod, Paris, 1996, tableau de présentation succincte des composés du cadmium
Bernard M. et Busnot F.,ibidem, tableau de présentation succincte des composés du cadmium
Préparations menée par Louis Troost et Henri Sainte-Claire Deville
(en) A. L. Edwards, « Effect of Pressure on the Absorption Edges of Some III—V, II—VI, and I—VII Compounds », Physical Review, n^o 122,‎ 15 mai 1961, p. 1149 (lire en ligne).
(en) Safa Kasap et Peter Capper, Handbook of Electronic and Photonic Materials, Springer, 2007 (ISBN 978-0-387-26059-4)
(en) James A. Corll, « Effect of Pressure on the Elastic Parameters and Structure of CdS », Phys. Rev., n^o 157,‎ 15 mai 1967 (lire en ligne)
Daniel Royer et Eugène Dieulesaint, Ondes élastiques dans les solides Tome 1 Propagation libre et guidée, Paris/Milan/Barcelone, Masson, 1996, 328 p. (ISBN 2-225-85422-X), p146

Liens externes

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[1] Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.

[2] Bernard M. et Busnot F.,Usuel de chimie générale et minérale. Dunod, Paris, 1996, tableau de présentation succincte des composés du cadmium

[3] Bernard M. et Busnot F.,ibidem, tableau de présentation succincte des composés du cadmium

[4] Préparations menée par Louis Troost et Henri Sainte-Claire Deville

[5] (en) A. L. Edwards, « Effect of Pressure on the Absorption Edges of Some III—V, II—VI, and I—VII Compounds », Physical Review, n^o 122,‎ 15 mai 1961, p. 1149 (lire en ligne).

[6] (en) Safa Kasap et Peter Capper, Handbook of Electronic and Photonic Materials, Springer, 2007 (ISBN 978-0-387-26059-4)

[7] (en) James A. Corll, « Effect of Pressure on the Elastic Parameters and Structure of CdS », Phys. Rev., n^o 157,‎ 15 mai 1967 (lire en ligne)

[:0-8] Daniel Royer et Eugène Dieulesaint, Ondes élastiques dans les solides Tome 1 Propagation libre et guidée, Paris/Milan/Barcelone, Masson, 1996, 328 p. (ISBN 2-225-85422-X), p146