Hydrogénosulfate de césium
| Hydrogénosulfate de césium | |
| Identification | |
|---|---|
| Synonymes |
Bisulfate de césium |
| No CAS | |
| PubChem | 23677635 |
| SMILES | |
| InChI | |
| Propriétés chimiques | |
| Formule | CsHSO4 |
| Masse molaire[1] | 229,976 ± 0,006 g/mol H 0,44 %, Cs 57,79 %, O 27,83 %, S 13,94 %, |
| Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire. | |
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L'hydrogénosulfate de césium, ou bisulfate de césium, est un composé chimique de formule CsHSO4. Il se présente sous la forme d'un solide incolore obtenu en faisant réagir du sulfate de césium Cs2SO4 avec de l'acide sulfurique H2SO4. Au-dessus de 141 °C, il s'agit d'un conducteur superionique[2]. Cette conductivité provient de la mobilité élevée des protons de l'hydrogénosulfate[3]. Les études par cristallographie aux rayons X ont montré que la structure cristalline du composé est formée de centres sulfate tétraédriques reliant les cations de césium ; les protons sont liés aux atomes d'oxygène des sulfates[4].
On connaît trois phases cristallines du CsHSO4, désignées phases I, II et III[5]. Il cristallise selon la phase III à température ambiante, de 21 °C jusqu'à 90 °C. Une transition vers la phase II survient entre 90 et 100 °C ; la phase II existe jusqu'à environ 140 °C, température au-delà de laquelle le matériau cristallise dans la phase I[6]. Les phases III et II sont monocliniques et présentent la conductivité protonique la plus faible. La phase I est tétragonale avec un arrangement des liaisons hydrogène dans le cristal qui favorise la mobilité des protons à travers un cristal de maille plus grande : la conductivité de la phase I croît d'environ quatre ordres de grandeur par rapport aux phases monocliniques, atteignant 10 ms/cm, dix fois supérieure à celle d'une solution aqueuse de chlorure de sodium par exemple. Dans cette structure, le mouvement des tétraèdres SO4 rompt le réseau de liaisons hydrogène, ce qui favorise les transferts de protons[6]. Ce sont ces anions tétraédriques qui sont à l'origine du réarrangement des liaisons hydrogène avec le déplacement des protons[7].
La conductivité maximum du CsHSO4 pur est de l'ordre de 10 mS/cm, ce qui est trop faible pour des applications pratiques. Cependant, la conductivité en-dessous de la température de transition de phase des composites avec le dioxyde de silicium SiO2, le dioxyde de titane TiO2 et l'alumine Al2O3 est augmentée de quelques ordres de grandeur[8]. Contrairement aux conducteurs protoniques hydratés, l'absence d'eau dans le bisulfate de césium lui confère sa stabilité thermique et électrochimique. Les mesures de la force électromotrice dans une cellule à oxygène humide ont permis de vérifier la nature fortement ionique du CsHSO4 dans sa phase superprotonique[9].
Notes et références[modifier | modifier le code]
- Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
- (en) Sossina M. Haile, Dane A. Boysen, Calum R. I. Chisholm et Ryan B. Merle, « Solid acids as fuel cell electrolytes », Nature, vol. 410, no 6831, , p. 910-913 (PMID 11309611, DOI 10.1038/35073536, Bibcode 2001Natur.410..910H, lire en ligne)
- (en) V. V. Sinitsyn, « Pressure effect on phase transitions in MeHAO4 superprotonic conductors (A = S, Se and Me = NH4, Rb, Cs) », Journal of Materials Chemistry, vol. 20, no 30, , p. 6226-6234 (DOI 10.1039/c0jm00052c, lire en ligne)
- (en) A. M. Balagurov, A. I. Beskrovnyi, B. N. Savenko, B. V. Merinov, M. Dlouhá, S. Vratislav et Z. Jirák, « The room temperature structure of deuterated CsHSO4 and CsHSeO4 », Physica Status Solidi A, vol. 100, no 1, , K3-K7 (DOI 10.1002/pssa.2211000146, Bibcode 1987PSSAR.100....3B, lire en ligne)
- (en) Maja Mroczkowska-Szerszeń, Maciej Siekierski, Rafał Letmanowski, Michał Piszcz, Renata Cicha-Szot, Lidia Dudek, Sławomir Falkowicz, Grażyna Żukowska et Magda Dudek, « Spectroscopic Verification of Extended Temperature Stability of Superionic Phase Obtained in Mechanosyntehsis Process for CsHSO4/Phospho-silicate Glass Composite », XIIth International Conference on Molecular Spectroscopy, (consulté le ).
- (en) Junichiro Otomo, Hitoshi Shigeoka, Hidetoshi Nagamoto et Hiroshi Takahashi, « Phase transition behavior and proton conduction mechanism in cesium hydrogen sulfate/silica composite », Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 66, no 1, , p. 21-30 (DOI 10.1016/j.jpcs.2004.07.006, Bibcode 2005JPCS...66...21O, lire en ligne)
- (en) W. K. Chan, « Structure and dynamics of hydrogen in nanocomposite solid acids for fuel cell applications », sur narcis.nl, (consulté le ).
- (en) Hiroki Muroyama, Toshiaki Matsui, Ryuji Kikuchi et Koichi Eguchi, « Composite Effect on the Structure and Proton Conductivity for CsHSO4 Electrolytes at Intermediate Temperatures », Journal of The Electrochemical Society, vol. 153, no 6, , article no A1077 (DOI 10.1149/1.2189987, Bibcode 2006JElS..153A1077M, lire en ligne)
- (en) Tetsuya Uda, Dane A. Boysen et Sossina M. Haile, « Thermodynamic, thermomechanical, and electrochemical evaluation of CsHSO4 », Solid State Ionics, vol. 176, nos 1-2, , p. 127-133 (DOI 10.1016/j.ssi.2004.04.017, lire en ligne)
