Живачен (II) сулфид (HgS), известен като цинобър или халкоза, е яркочервено шестоъгълно кристално съединение, съставено от елементи живак и сяра. Това е и най-важната живачна руда в природата. Известен е със своя изключително ярък червен цвят и отлична химическа стабилност. В древен Китай той е бил широко използван като цинобър и мастило, а също така е бил основната суровина за извличане на живак. Той е неразтворим във вода и повечето киселини, но е разтворим в царска вода. HgS съществува в две изоморфни форми: освен стабилната червена -форма (шестоъгълна кристална система), има и черна -форма (кубична кристална система), известна като черен цинобър, която има по-ниска стабилност и може да се трансформира в червения вариант при светлина или топлина. Това съединение има висок индекс на пречупване и висока плътност. Поради яркия си червен цвят, той е бил високо ценен през цялата история. Неговата токсичност обаче се дължи главно на елемента живак, който съдържа, и е необходима подходяща защита при употребата му. Освен изследване на минералогията и историята на пигмента, той има и потенциални приложения в полупроводникови и инфрачервени оптични материали в съвременните времена.
|
|
|
|
|
|
|
|
Химични свойства
Стабилност и реактивност
Живакът (II) сулфид проявява забележителна химическа стабилност и показва инертност към повечето киселини и основи. Например, при стайна температура, той не реагира с разтвори на разредена солна киселина или натриев хидроксид. Въпреки това, при високи -температурни условия неговата стабилност се нарушава: когато температурата надвишава 100-150 градуса, ако влезе в контакт с окислителни смеси (като подкиселен разтвор на калиев дихромат и концентрирана сярна киселина), HgS претърпява реакция на разлагане, генерирайки живачни соли, елементарна сяра и други окислени продукти. Това свойство налага стриктно контролиране на реакционните условия при специфична промишлена обработка.
Изоморфни варианти и фазови преходи
HgS има два стабилни изоморфни варианта: -HgS (червена шестоъгълна кристална система, цинобър) и -HgS (черна кубична кристална система, черен цинобър). Тези два варианта могат да претърпят обратими фазови преходи, предизвикани от температурата: когато -HgS се нагрее до 250 градуса, цветът му постепенно се променя до кафяв и напълно се трансформира в -HgS при 386 градуса; докато когато -HgS се охлади, той се връща в червено -HgS. Тази характеристика на фазовия преход има потенциални приложения в науката за материалите, например за разработване на температурно{10}}чувствителни оптични материали.
Полупроводникови свойства
-HgS проявява директни полупроводникови свойства при 300K, с енергийна празнина от 2,1 eV. Това свойство го прави ценен за изследване в областта на оптоелектронните устройства, като например използването му за производство на инфрачервени детектори или фотокатализатори. Въпреки това, поради токсичността на живака, неговото полупроводниково приложение все още е на етап лабораторни изследвания и все още не е постигнало комерсиализация.
Физически свойства
Външен вид и цвят
Двата варианта на живачен (II) сулфид имат значително различен външен вид: -HgS има ярък червен цвят и често се използва като пигмент; -HgS е черен прах и има по-широки индустриални приложения. Разликата в цвета произтича от разположението на Hg-S връзките в кристалната структура: в -HgS, Hg-S връзките са подредени по спирален начин, което води до селективно поглъщане на видима светлина; докато в -HgS, кубичната структура позволява неговият абсорбционен спектър да покрие по-широк диапазон.
Плътност и точка на топене
Плътността на HgS е 8,10 g/cm³ и принадлежи към съединение с висока -плътност. Точката му на топене е 583,5 градуса, но първо ще се разложи, преди да се разтопи, генерирайки живачни пари и серни пари. Тази характеристика изисква специални защитни мерки по време на високо-температурна обработка, за да се предотврати изтичане на живачни пари.
Разтворимост
Живакът (II) сулфид е почти неразтворим във вода (с разтворимост от само 0,00001 g/L) и също така трудно се разтваря в повечето органични разтворители. Въпреки това, той може да се разтвори в царска вода (смес от концентрирана солна киселина и концентрирана азотна киселина), генерирайки разтворими живачни соли и продукти на окисляване на сярата. Тази характеристика на разтворимост е от голямо значение при третирането на замърсяването с живак, например чрез химическо утаяване за превръщане на живачни йони в HgS утайка за намаляване на токсичността.
Методи на приготвяне
Метод на директен синтез
Смесването на елементарен живак със серен прах в моларно съотношение 1:1 и реакцията при условия на нагряване директно произвежда HgS. За ускоряване на реакционния процес може да се добави цинков прах като катализатор. Този метод е лесен за работа, но е необходим строг контрол на реакционната температура, за да се избегне изпаряването на живачните пари.
Метод на утаяване
Преминаването на газ сероводород в разтвор на живачна сол (като азотен разтвор на живак) генерира черна -HgS утайка. Този метод може да регулира размера на частиците и морфологията на продукта чрез контролиране на реакционните условия (като рН стойност, температура) и е подходящ за малък{2}}лабораторен препарат.
Естествено минерално пречистване
Извличането на HgS от цинобърна руда е основният метод за промишлено производство. Чрез процеси на обогатяване, смилане и флотация могат да се получат HgS пигменти или химически суровини с висока -чистота. Китайските провинции Хунан и Гуейджоу са големи производители на цинобър и тяхната технология за пречистване е достигнала напреднали международни нива.
Области на приложение
Традиционни пигменти и покрития
-HgS, поради яркочервения си цвят и отличната си устойчивост на атмосферни влияния, се използва широко в маслени бои, керамични глазури и покрития за дърво. Например „цинобърното червено“, използвано от ренесансовите художници, произхожда от реалгар. Въпреки това, поради токсичността на живака, неговото пигментно приложение постепенно е заменено от органични пигменти или не-живачни неорганични пигменти (като червен железен оксид).
Традиционна медицина
В традиционната китайска медицина и индийската аюрведична медицина, реалгар се използва като анестетик и детоксикиращ агент. Например "Jade Red Pill" се състои основно от HgS. Съвременните токсикологични изследвания обаче потвърждават, че живачните съединения могат да причинят отравяне с живак чрез абсорбция от кожата или поглъщане в храносмилателния тракт. Поради това лекарствата, съдържащи HgS, са строго ограничени или забранени за употреба.
Индустриален катализ и материалознание
-HgS, поради своята уникална кристална структура и полупроводникови свойства, се изследва за каталитични реакции и фотонни устройства. Например, той може да се използва като фотокатализатор за разлагане на вода за производство на водород или като материал за чувствителен слой за инфрачервени детектори. Въпреки това, приложението му все още е ограничено от токсичността на живака и рисковете за околната среда.
Контрол на замърсяването с живак
HgS е крайната стабилна форма за изхвърляне на живак. Чрез превръщането на живачните йони в отпадъчните води в HgS утайки чрез химическо утаяване, токсичността и мобилността на живака могат да бъдат значително намалени. Освен това, HgS може да се използва за фиксиране на замърсяването с живак в почвата, предотвратявайки проникването му в подпочвените води чрез дъждовна вода.
Рискове за безопасността и мерки за опазване на околната среда
Живачен (II) сулфид е силно токсично съединение, чиято токсичност се дължи главно на освобождаването на живачни йони (Hg²⁺). Вдишването на живачни пари или поглъщането на HgS на прах може да доведе до остро или хронично отравяне с живак, със симптоми, включващи неврологично увреждане, бъбречна недостатъчност и дихателна недостатъчност. Международната агенция за изследване на рака (IARC) класифицира живака и неговите съединения като канцерогени от група 2B (възможно канцерогенни за хората).
HgS трудно се разгражда в околната среда и може да се натрупа през хранителната верига, причинявайки дългосрочни -вреди на екосистемата. Например, HgS във водни обекти може да се преобразува от микроорганизми в метилживак (CH3Hg⁺), който има по-силна биологична токсичност и невротоксичност и може да навлезе в човешкото тяло чрез риба.
При работа с HgS трябва да се носят защитни маски, ръкавици и очила, за да се избегне директен контакт. Отпадъците трябва да се пакетират и изхвърлят в съответствие с разпоредбите за управление на опасни отпадъци, като например чрез високо-температурно изгаряне или химическо стабилизиране за намаляване на отделянето на живак. Наредбите за опазване на околната среда на различни страни (като Директивата на Европейския съюз за ограничаване на опасните вещества RoHS) са поставили строги ограничения за употребата и емисиите на HgS.