Способы получения сульфида цинка

Структура сульфида цинка (ZnS), свойства, номенклатура, применение

сульфид цинка неорганическое соединение формулы Z_NS, образованный катионами Zn 2+ и анионы S 2- . В природе он встречается в основном в виде двух минералов: вюрцита и сфалерита (или цинковой обманки), последний является его основной формой..

Сфалерит появляется в природе черного цвета из-за присутствующих в нем примесей. В чистом виде он имеет белые кристаллы, а вюрцит — серовато-белые кристаллы..

Сульфид цинка нерастворим в воде. Это может нанести ущерб окружающей среде, так как проникает в землю и загрязняет грунтовые воды и их течения..

Сульфид цинка может быть получен, среди других реакций, коррозией и нейтрализацией.

Сульфид цинка является фосфоресцентной солью, что дает ему возможность многократного использования и применения. Кроме того, это полупроводник и фотокатализатор.

• 1 структура
  • 1.1 Смешать цинк
  • 1.2 Вурзита
• 2 свойства
  • 2.1 Цвет
  • 2.2 Температура плавления
  • 2.3 Растворимость в воде
  • 2.4 Растворимость
  • 2.5 Плотность
  • 2.6 Твердость
  • 2.7 Стабильность
  • 2.8 Разложение
• 3 Номенклатура
  • 3.1 Систематические и традиционные номенклатуры
• 4 использования
  • 4.1 В качестве пигментов или покрытий
  • 4.2 Из-за его фосфоресценции
  • 4.3 Полупроводник, фотокатализатор и катализатор
• 5 ссылок

структура

Сульфид цинка принимает кристаллические структуры, управляемые электростатическим притяжением между катионом Zn 2+ и анион S 2- . Их два: сфалерит или цинковая обманка и вюрцит. В обоих ионах сводятся к минимуму отталкивания между ионами равных зарядов.

Цинковая обманка является наиболее стабильной в условиях земного давления и температуры; и вюрцит, который является менее плотным, возникает в результате кристаллической перегруппировки из-за повышения температуры.

Эти две структуры могут сосуществовать в одном и том же твердом теле ZnS одновременно, хотя очень медленно вюрцит будет доминировать.

Цинковая обманка

Верхнее изображение показывает кубическую элементарную ячейку с центром на гранях структуры цинковой обманки. Желтые сферы соответствуют анионам S 2- , и серые к катионам Zn 2+ , расположен в углах и в центрах граней куба.

Обратите внимание на тетраэдрическую геометрию вокруг ионов. Цинковую обманку также можно представить этими тетраэдрами, чьи отверстия внутри кристалла имеют одинаковую геометрию (тетраэдрические отверстия).

Кроме того, в элементарных ячейках соблюдается соотношение ZnS; то есть соотношение 1: 1. Таким образом, для каждого катиона Zn 2+ есть анион S 2- . На изображении может показаться, что серые сферы имеются в большом количестве, но на самом деле, находясь в углах и в центре граней куба, они являются общими для других ячеек..

Например, если вы возьмете четыре желтые сферы, которые находятся внутри коробки, «части» всех серых сфер вокруг вас должны добавить одинаковые (и они делают) четыре. Таким образом, в кубической элементарной ячейке есть четыре Zn 2+ и четыре S 2- , выполнение стехиометрического отношения ZnS.

Также важно подчеркнуть, что перед желтой сферой и позади нее находятся тетраэдрические отверстия (пространство, которое отделяет их друг от друга).

вюрцит

В отличие от структуры цинковой обманки, вюрцит имеет гексагональную кристаллическую систему (верхнее изображение). Это менее компактно, поэтому твердое тело имеет меньшую плотность. Ионы в вюрците также имеют тетраэдрическую среду и соотношение 1: 1, соответствующее формуле ZnS..

свойства

цвет

Это можно представить тремя способами:

-Вюрцит, с белыми и шестиугольными кристаллами.

-Сфалерит, с бело-сероватыми кристаллами и кубическими кристаллами.

-Как от белого до серовато-белого или желтоватого порошка, так и от кубических желтоватых кристаллов.

Точка плавления

Растворимость в воде

Фактически нерастворим (0,00069 г / 100 мл при 18ºС).

растворимость

Нерастворим в щелочах, растворим в разбавленных минеральных кислотах.

плотность

Сфалерит 4,04 г / см 3 и вюрцит 4,09 г / см 3 .

твердость

Он имеет твердость от 3 до 4 по шкале Мооса.

стабильность

Когда он содержит воду, он медленно окисляется до сульфата. В сухой среде устойчив.

разложение

При нагревании при высоких температурах выделяет токсичные пары оксидов цинка и серы..

номенклатура

Электронная конфигурация Zn — [Ar] 3d 10 4s 2 . Потеря двух электронов орбитали 4s подобна катиону Zn 2+ с его полными орбиталями. Поэтому, учитывая, что в электронном виде Zn 2+ он намного стабильнее Zn + , у него только валентность +2.

Следовательно, опустите номенклатуру запаса, добавьте ее валентность, заключенную в скобки и с римскими цифрами: сульфид цинка (II).

Систематические и традиционные номенклатуры

Но есть и другие способы вызова ZnS в дополнение к уже предложенному. В систематике число атомов каждого элемента указывается с помощью греческих числителей; с единственным исключением элемента справа, когда он только один. Таким образом, ZnS называется: обезьянаСульфид цинка (а не моносульфид моноцинка).

Что касается традиционной номенклатуры, цинк, имеющий уникальную валентность +2, добавляется путем добавления суффикса -ico. В результате его традиционное название оказывается: сульфид цинкаICO.

приложений

В качестве пигментов или покрытий

-Сахтолит — это белый пигмент, изготовленный из сульфида цинка. Используется в шпатлевках, мастиках, герметиках, нижних покрытиях, латексных красках и вывесках.

Его использование в сочетании с пигментами, поглощающими ультрафиолетовое излучение, такими как микротитановые или прозрачные пигменты на основе оксида железа, необходимо в погодоустойчивых пигментах..

-Когда ZnS применяется в латексных или текстурированных красках, он обладает пролонгированным микробицидным действием..

-Благодаря своей высокой твердости и устойчивости к поломкам, эрозии, дождю или пыли делает его пригодным для наружных инфракрасных окон или рам самолетов.

-ZnS используется в покрытиях роторов, используемых при транспортировке соединений, для уменьшения износа. Он также используется в производстве печатных красок, изоляционных составов, термопластичной пигментации, огнестойких пластиков и электролюминесцентных ламп..

-Сульфид цинка может быть прозрачным и может использоваться в качестве окна для видимой оптики и инфракрасной оптики. Используется в приборах ночного видения, на экранах телевизоров, экранах радаров и в люминесцентных покрытиях..

-Легирование ZnS с Cu используется в производстве электролюминесцентных панелей. Кроме того, он используется в ракетной тяге и гравиметрии..

Из-за его фосфоресценции

-Его фосфоресценция используется для окрашивания стрелок часов и, таким образом, для визуализации времени в темноте; также в красках для игрушек, в аварийных знаках и дорожных предупреждениях.

Фосфоресценция позволяет использовать сульфид цинка в электронно-лучевых трубках и на рентгеновских экранах, чтобы светиться в темных пятнах. Цвет фосфоресценции зависит от используемого активатора.

Полупроводник, фотокатализатор и катализатор

-Сфалерит и вюрцит являются широкополосными щелевыми полупроводниками. Сфалерит имеет ширину запрещенной зоны 3,54 эВ, а вюрцит имеет ширину запрещенной зоны 3,91 эВ..

-ZnS используется для приготовления фотокатализатора, состоящего из фосфата CdS — ZnS / циркония — титана, используемого для производства водорода в видимом свете..

-Он действует как катализатор деградации органических загрязнителей. Используется при составлении цветового синхронизатора в светодиодных лампах.

-Его нанокристаллы используются для сверхчувствительного обнаружения белков. Например, излучая свет от квантовых точек ZnS. Он используется при приготовлении комбинированного фотокатализатора (CdS / ZnS) -TiO2 для производства электроэнергии с помощью фотоэлектрокатализа.

Источник

Урок №56. Цинк

ЦИНК И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ

СТРОЕНИЕ АТОМА

Цинк – элемент IIБ подгруппы четвертого периода. Цинк относится к семейству d-элементов, поскольку электронное строение цинка отражается конфигурацией.

Конфигурация 3d 10 является устойчивой, и в образовании химической связи участвуют лишь внешние электроны 4s — подуровня, поэтому характерная степень окисления цинка- (+2).

Нахождение в природе

В природе встречается только в виде соединений, важнейшим из которых является цинковая обманка — сульфид цинка ZnS — сфалерит .

Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы цинка:

§ смитсонит ZnCO 3

§ каламин 2ZnO · SiO 2 · Н 2 O

В организме взрослого человека содержится в среднем около 2 г цинка, в виде его соединений, который концентрируется преимущественно в простате, мышцах, печени и поджелудочной железе.

Недостаток цинка в организме приводит к ряду расстройств — раздражительность, утомляемость, потеря памяти, депрессивные состояния, снижение остроты зрения, уменьшение массы тела, снижение уровня инсулина, аллергические заболевания, анемия и др.

ЦИНК

СФАЛЕРИТ

Способы получения

Цинк получают из сульфидной руды. Сульфид цинка обжигают в печи кипящего слоя:

Чистый цинк из оксида получают двумя способами.

При пирометаллургическом способе оксид цинка восстанавливают углём или коксом при 1200—1300 °C:

В настоящее время основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический) .

Получаемый раствор сульфата цинка очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу. При электролизе чистый цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его удаляют и подвергают плавлению в индукционных печах. Таким образом можно получить цинк с высокой чистотой (до 99,95 %).

Качественные реакции

Качественная реакция на ионы цинка — взаимодействие избытка солей цинка с щелочами . При этом образуется белый осадок гидроксида цинка .

При дальнейшем добавлении избытка щелочи амфотерный гидроксид цинка растворяется с образованием комплексной соли тетрагидроксоцинката :

Если поместить соль цинка в избыток раствора щелочи , то белый осадок гидроксида цинка не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения цинка сразу переходят в комплекс :

Химические свойства

Цинк — химически активный металл, обладает выраженными восстановительными свойствами, по активности уступает щелочно-земельным металлам. Проявляет амфотерные свойства. Так же как и хром, используется для нанесения антикоррозионных покрытий («цинкование» кузова автомобиля).

1. Взаимодействие с простыми веществами — неметаллами ( цинк не взаимодействует с водородом, азотом, бором, кремнием, углеродом )

2. Цинк взаимодействует со сложными веществами:

§ с парами воды при температуре красного каления с образованием оксида цинка и водорода:

§ с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой и др.).

§ Цинк реагирует с концентрированной серной кислотой . При нагревании в зависимости от условий возможно образование различных продуктов.

§ Аналогично: при нагревании с азотной кислотой образуются различные продукты в зависимости о концентрации кислоты – N 2 O, N 2 и др. :

Цинк – амфотерный металл, он взаимодействует со щелочами . При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород :

Цинк реагирует с расплавом щелочи с образованием цинката и водорода :

С газообразным аммиаком при 550–600°С образует нитрид цинка:

растворяется в водном растворе аммиака, образуя гидроксид тетраамминцинка:

Цинк вытесняет менее активные металлы из оксидов и солей .

Zn + CuO → Cu + ZnO

Восстановительные свойства с сильными окислителями: нитратами и сульфитами в щелочной среде, перманганатами , соединениями хрома (VI):

Оксид цинка

Способы получения

1. Окислением цинка кислородом:

2. Разложением гидроксида цинка при нагревании:

3. Оксид цинка можно получить разложением нитрата цинка:

Химические свойства

Оксид цинка — типичный амфотерный оксид . Взаимодействует с кислотными и основными оксидами, кислотами, щелочами.

1. При взаимодействии оксида цинка с основными оксидами образуются соли — цинкаты .

2. Оксид цинка взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли — цинкаты, а в растворе – комплексные соли . При этом оксид цинка проявляет кислотные свойства .

Оксид цинка растворяется в избытке раствора щелочи с образованием тетрагидроксоцинката :

3. Оксид цинка не взаимодействует с водой.

4. Оксид цинка взаимодействует с кислотными оксидами . При этом образуются соли цинка. В этих реакциях оксид цинка проявляет основные свойства .

5. Оксид цинка взаимодействует с растворимыми кислотами с образованием солей .

6. Оксид цинка проявляет слабые окислительные свойства .

7. Оксид цинка — твердый, нелетучий. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.

Гидроксид цинка

Способы получения

1. Гидроксид цинка можно получить пропусканием углекислого газа , сернистого газа или сероводорода через раствор тетрагидроксоцинката натрия:

2. Гидроксид цинка можно получить действием недостатка щелочи на избыток соли цинка .

Химические свойства

1. Гидроксид цинка реагирует с растворимыми кислотами .

2. Гидроксид цинка взаимодействует с кислотными оксидами .

3. Гидроксид цинка взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами).

В расплаве образуются соли — цинкаты:

Гидроксид цинка растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоцинката :

4. Гидроксид цинка разлагается при нагревании:

Соли цинка

Нитрат и сульфат цинка

Нитрат цинка при нагревании разлагается на оксид цинка , оксид азота (IV) и кислород :

Сульфат цинка при сильном нагревании разлагается аналогично — на оксид цинка , сернистый газ и кислород :

Комплексные соли цинка

§ с кислотными оксидами

§ Под действием избытка сильной кислоты осадок не выпадает, т.к. амфотерный гидроксид цинка реагирует с сильными кислотами.

§ Под действием небольшого количества ( недостатка ) сильной кислоты осадок все-таки выпадет, для растворения гидроксида цинка кислоты не будет хватать:

§ Аналогично с недостатком азотной кислоты выпадает гидроксид цинка:

§ Если выпарить воду из раствора комплексной соли и нагреть образующееся вещество, то останется обычная соль-цинкат:

Цинкаты

Соли, в которых цинк образует кислотный остаток (цинкаты) — образуются из оксида цинка при сплавлении с щелочами и основными оксидами:

§ цинкаты реагируют с кислотами с образованием солей цинка :

§ под действием избытка воды цинкаты переходят в комплексные соли:

Сульфид цинка

Сульфид цинка — так называемый «белый сульфид». В воде сульфид цинка нерастворим, зато минеральные кислоты вытесняют из сульфида цинка сероводород (например, соляная кислота):

Под действием азотной кислоты сульфид цинка окисляется до сульфата:

(в продуктах также можно записать нитрат цинка и серную кислоту).

Концентрированная серная кислота также окисляет сульфид цинка:

При окислении сульфида цинка сильными окислителями в щелочной среде образуется комплексная соль:

Источник