سولفید جیوه (II) (HgS) که معمولاً به عنوان سینابار یا کالکوز شناخته می شود، یک ترکیب کریستالی شش ضلعی قرمز روشن است که از عناصر جیوه و گوگرد تشکیل شده است. همچنین مهمترین سنگ معدن جیوه در طبیعت است. به دلیل رنگ قرمز بسیار زنده و پایداری شیمیایی عالی خود مشهور است. در چین باستان، به طور گسترده ای به عنوان رنگدانه و جوهر سرخالو استفاده می شد و همچنین ماده اولیه اصلی برای استخراج جیوه بود. در آب و اکثر اسیدها نامحلول است، اما در آبهای آبی محلول است. HgS به دو شکل هممورف وجود دارد: جدا از شکل -قرمز پایدار (سیستم کریستالی شش ضلعی)، یک شکل -سیاه (سیستم بلوری مکعبی) نیز وجود دارد که به نام سینابر سیاه شناخته میشود، که پایداری کمتری دارد و میتواند تحت نور یا گرما به نوع قرمز تبدیل شود. این ترکیب دارای ضریب شکست بالا و چگالی بالایی است. به دلیل رنگ قرمز زنده آن، در طول تاریخ از ارزش بالایی برخوردار بوده است. با این حال، سمیت آن عمدتاً از عنصر جیوه موجود در آن ناشی می شود و هنگام استفاده از آن محافظت مناسب ضروری است. علاوه بر تحقیقات تاریخچه کانی شناسی و رنگدانه، همچنین کاربردهای بالقوه ای در مواد نوری نیمه هادی و مادون قرمز در دوران مدرن دارد.
|
|
|
|
|
|
|
|
خواص شیمیایی
پایداری و واکنش پذیری
سولفید جیوه (II) پایداری شیمیایی قابل توجهی از خود نشان می دهد و نسبت به اکثر اسیدها و بازها بی اثری نشان می دهد. به عنوان مثال، در دمای اتاق، با محلول های رقیق اسید هیدروکلریک یا هیدروکسید سدیم واکنش نشان نمی دهد. با این حال، در شرایط دمایی بالا، پایداری آن مختل میشود: هنگامی که دما از 100 تا 150 درجه بیشتر میشود، اگر با مخلوطهای اکسیداتیو (مانند محلول دی کرومات پتاسیم اسیدی و اسید سولفوریک غلیظ) تماس پیدا کند، HgS تحت واکنش تجزیه قرار میگیرد و محصولات سوپر اکسید شده جیوه و سایر نمکهای جیوه اکسید شده تولید میکند. این خاصیت کنترل دقیق شرایط واکنش را در فرآیندهای صنعتی خاص ضروری می سازد.
انواع ایزومورف و انتقال فاز
HgS دو نوع هم شکل پایدار دارد: -HgS (سیستم کریستالی شش ضلعی قرمز، سینابار) و -HgS (سیستم بلوری مکعبی سیاه، سینابار سیاه). این دو نوع می توانند تحت انتقال فاز برگشت پذیر ناشی از دما قرار گیرند: وقتی -HgS تا 250 درجه گرم می شود، رنگ آن به تدریج به قهوه ای تغییر می کند و در دمای 386 درجه کاملاً به -HgS تبدیل می شود. در حالی که وقتی -HgS سرد می شود، به قرمز -HgS برمی گردد. این مشخصه انتقال فاز کاربردهای بالقوهای در علم مواد دارد، به عنوان مثال، برای توسعه مواد نوری حساس به دما{10}}.
ویژگی های نیمه هادی
-HgS خواص نیمه هادی مستقیم را در 300K، با شکاف انرژی 2.1 eV نشان می دهد. این ویژگی آن را برای اکتشاف در زمینه دستگاههای الکترونیک نوری، مانند استفاده در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز یا فوتوکاتالیستها، ارزشمند میکند. اما به دلیل سمی بودن جیوه، کاربرد نیمه هادی آن هنوز در مرحله تحقیقات آزمایشگاهی است و هنوز تجاری سازی نشده است.
خواص فیزیکی
ظاهر و رنگ
دو نوع سولفید جیوه (II) ظاهر بسیار متفاوتی دارند: -HgS یک رنگ قرمز واضح دارد و اغلب به عنوان رنگدانه استفاده میشود. -HgS پودر سیاه است و کاربردهای صنعتی گسترده تری دارد. تفاوت رنگ از آرایش پیوندهای Hg-S در ساختار بلوری ناشی میشود: در -HgS، پیوندهای Hg- بهصورت مارپیچی مرتب شدهاند که منجر به جذب انتخابی نور مرئی میشود. در حالی که در -HgS، ساختار مکعبی اجازه می دهد تا طیف جذبی آن محدوده وسیع تری را پوشش دهد.
چگالی و نقطه ذوب
چگالی HgS 8.10 g/cm³ است که متعلق به یک ترکیب با چگالی بالا است. نقطه ذوب آن 583.5 درجه است، اما ابتدا قبل از ذوب تجزیه می شود و بخار جیوه و بخار گوگرد تولید می کند. این ویژگی به اقدامات حفاظتی خاصی در هنگام پردازش در دمای بالا نیاز دارد تا از نشت بخار جیوه جلوگیری شود.
حلالیت
سولفید جیوه (II) تقریباً در آب نامحلول است (با حلالیت تنها 0.00001 گرم در لیتر) و همچنین در اکثر حلال های آلی به سختی حل می شود. با این حال، می تواند در aqua regia (مخلوطی از اسید هیدروکلریک غلیظ و اسید نیتریک غلیظ) حل شود و نمک های جیوه محلول و محصولات اکسیداسیون گوگرد تولید کند. این ویژگی حلالیت در تصفیه آلودگی جیوه از اهمیت زیادی برخوردار است، به عنوان مثال، از طریق رسوب شیمیایی برای تبدیل یون های جیوه به رسوب HgS برای کاهش سمیت.
روش های آماده سازی
روش سنتز مستقیم
مخلوط کردن جیوه عنصری با پودر گوگرد در نسبت مولی 1:1 و واکنش در شرایط حرارتی مستقیماً HgS تولید می کند. برای تسریع فرآیند واکنش، پودر روی را می توان به عنوان کاتالیزور اضافه کرد. عملکرد این روش ساده است، اما برای جلوگیری از تبخیر شدن بخار جیوه، کنترل دقیق دمای واکنش مورد نیاز است.
روش بارش
عبور گاز سولفید هیدروژن به محلول نمک جیوه (مانند محلول جیوه نیتریک) باعث ایجاد رسوب سیاه -HgS می شود. این روش می تواند اندازه ذرات و مورفولوژی محصول را با کنترل شرایط واکنش (مانند مقدار pH، دما) تنظیم کند و برای آماده سازی آزمایشگاهی در مقیاس کوچک مناسب است.
تصفیه مواد معدنی طبیعی
استخراج HgS از سنگ معدن سینابار اصلی ترین روش تولید صنعتی است. از طریق فرآیندهای بهینه سازی، آسیاب کردن، و شناورسازی، رنگدانه های HgS با خلوص بالا یا مواد خام شیمیایی-به دست می آیند. استانهای هونان و گوئیژو چین تولیدکنندگان عمده سینابار هستند و فناوری تصفیه آنها به سطوح پیشرفته بینالمللی رسیده است.
حوزه های کاربردی
رنگدانه ها و پوشش های سنتی
-HgS به دلیل رنگ قرمز زنده و مقاومت عالی در برابر آب و هوا، به طور گسترده در رنگهای روغنی، لعابهای سرامیکی و پوششهای چوبی استفاده میشود. به عنوان مثال، "قرمز سینابار" که توسط نقاشان رنسانس استفاده می شد از رئالگار سرچشمه گرفت. با این حال، به دلیل سمی بودن جیوه، کاربرد رنگدانه آن به تدریج با رنگدانه های آلی یا رنگدانه های غیر آلی جیوه (مانند اکسید آهن قرمز) جایگزین شده است.
طب سنتی
در طب سنتی چینی و طب آیورودا هند، از Realgar به عنوان یک عامل بی حس کننده و سم زدایی استفاده می شود. به عنوان مثال، "قرص قرمز یشم" عمدتا از HgS تشکیل شده است. با این حال، مطالعات سم شناسی مدرن تایید کرده اند که ترکیبات جیوه می توانند از طریق جذب پوست یا بلع دستگاه گوارش باعث مسمومیت جیوه شوند. بنابراین، استفاده از داروهای حاوی HgS به شدت محدود یا ممنوع شده است.
کاتالیزور صنعتی و علم مواد
-HgS، به دلیل ساختار کریستالی منحصر به فرد و خواص نیمه هادی آن، برای واکنش های کاتالیزوری و دستگاه های فوتونیک مورد بررسی قرار می گیرد. به عنوان مثال، می توان از آن به عنوان یک فوتوکاتالیست برای تجزیه آب برای تولید هیدروژن یا به عنوان یک ماده لایه حساس برای آشکارسازهای مادون قرمز استفاده کرد. با این حال، کاربرد آن هنوز به دلیل سمیت جیوه و خطرات زیست محیطی محدود است.
کنترل آلودگی جیوه
HgS آخرین شکل پایدار دفع جیوه است. با تبدیل یون های جیوه در فاضلاب به رسوب HgS از طریق رسوب شیمیایی، سمیت و تحرک جیوه را می توان به طور قابل توجهی کاهش داد. علاوه بر این، HgS را می توان برای رفع آلودگی جیوه در خاک، جلوگیری از شسته شدن آن به آب های زیرزمینی از طریق آب باران استفاده کرد.
خطرات ایمنی و اقدامات زیست محیطی
سولفید جیوه (II) یک ترکیب بسیار سمی است که سمیت آن عمدتاً از آزادسازی یونهای جیوه (Hg2+) ناشی میشود. استنشاق بخار جیوه یا مصرف پودر HgS می تواند منجر به مسمومیت حاد یا مزمن با جیوه شود که علائمی از جمله آسیب عصبی، نارسایی کلیه و نارسایی تنفسی دارد. آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) جیوه و ترکیبات آن را به عنوان سرطان زاهای گروه 2B (احتمالاً سرطان زا برای انسان) طبقه بندی می کند.
HgS به سختی در محیط تجزیه می شود و می تواند از طریق زنجیره غذایی تجمع یابد و باعث آسیب طولانی مدت به اکوسیستم شود. برای مثال، HgS موجود در آبها میتواند توسط میکروارگانیسمها به متیل جیوه (CH3Hg+) تبدیل شود که دارای سمیت بیولوژیکی قویتر و سمیت عصبی است و میتواند از طریق ماهی وارد بدن انسان شود.
هنگام استفاده از HgS، برای جلوگیری از تماس مستقیم باید از ماسک های محافظ، دستکش و عینک استفاده شود. زباله ها باید مطابق با مقررات مدیریت پسماندهای خطرناک، مانند سوزاندن در دمای بالا یا تثبیت شیمیایی برای کاهش انتشار جیوه، بسته بندی و دفع شوند. مقررات حفاظت از محیط زیست کشورهای مختلف (مانند دستورالعمل محدودیت مواد خطرناک اتحادیه اروپا RoHS) محدودیت های سختی را برای استفاده و انتشار HgS تعیین کرده است.