Сульфид цинка цвет — белый. В чистом виде ZnS — бесцветный или белый кристаллический порошок, жёлтый и коричневый оттенки появляются только при наличии примесей железа и других элементов. Сульфид цинка — бинарное неорганическое соединение цинка и серы. В природе встречается как минерал сфалерит (цинковая обманка).
Формула сульфида цинка — ZnS: один атом цинка (степень окисления +2) и один атом серы (степень окисления −2). Молярная масса ZnS = 97,47 г/моль. Практически нерастворим в воде (0,00016 г/100 мл при 25°C), хорошо растворяется в кислотах.
Реакция образования сульфида цинка из ионов в растворе:
Zn²⁺(aq) + S²⁻(aq) → ZnS(s)↓
Модификации сульфида цинка
Сульфид цинка существует в двух кристаллических модификациях:
Оба варианта обладают люминофорными свойствами — при активировании примесями меди или марганца излучают видимый свет при ультрафиолетовом возбуждении. Именно это свойство делает ZnS незаменимым материалом для флуоресцентных экранов и люминофоров.
Свойства сульфида цинка
Сульфид цинка. Физические свойства
Это неорганическое соединение, которое имеет следующие физические свойства:
- Кристаллическая решетка: Сульфид цинка имеет кристаллическую решетку типа кубической формы — сфалерита (цинковой обманки) с пространственной группой F-43m.
- Температура плавления: Температура плавления сульфида цинка составляет около 1185°C — при этой температуре ZnS разлагается на цинк и серу, а не плавится в обычном смысле.
- Цвет: Сульфид цинка может иметь различные цвета в зависимости от его формы. Кристаллы сульфида цинка могут быть прозрачными, белыми, желтыми, зелеными, коричневыми или черными. Он обладает фосфоресцирующими свойствами, излучая зеленый или желтый свет в темноте.
- Пластичность: Сульфид цинка является хрупким материалом при обычных условиях. Однако возможна деформация при высоких температурах и давлениях.
- Прочность: Сульфид цинка обладает высокой твердостью и прочностью на сжатие, что делает его полезным материалом для промышленных и научных приложений.
- Электропроводность: ZnS является полупроводником со значением ширины запрещенной зоны около 3,54 эВ при комнатной температуре. Это означает, что ZnS имеет небольшую электропроводность при низких температурах, но при повышении температуры электропроводность возрастает.
- Магнитные свойства ZnS зависят от типа доменной структуры в материале и температуры. В чистом виде ZnS является диэлектриком, не обладающим магнитными свойствами. Однако, если в ZnS добавить примеси, которые имеют магнитные моменты, то материал может стать ферромагнитным — при наличии примеси марганца (Mn) или железа (Fe). Также можно влиять на магнитные свойства ZnS путем создания полимерных соединений.
Электропроводность и магнитные свойства ZnS могут изменяться в зависимости от температуры, примесей и состава материала.
- Молекулярный вес ZnS составляет около 97,47 г/моль. Он вычисляется путем сложения атомных масс всех атомов цинка и серы, которые входят в состав молекулы ZnS. Молекула ZnS имеет кристаллическую решетку типа флюорита и состоит из атомов цинка, которые окружены атомами серы в форме тетраэдров. Масса сульфида цинка (ZnS) зависит от количества соединения, которое вы хотите рассчитать. Молярная масса ZnS равна 97,47 г/моль.
Если вы знаете количество вещества ZnS в молях, вы можете использовать формулу m = n * M, где m — масса в граммах, n — количество вещества в молях, а M — молярная масса вещества. Например, если у вас есть 0,5 моль ZnS, то масса этого вещества будет: m = 0,5 моль * 97,47 г/моль = 48,74 г
- Точка кипения ~1185°C — температура термического разложения (не кипения).
- Плотность ZnS зависит от его кристаллической структуры и может варьироваться от 3,98 г/см³ до 4,10 г/см³.
Химические свойства сульфида цинка
ZnS плохо растворим в воде, его растворимость составляет всего около 0,00016 г/100 мл воды при 25 °C.
Сульфид цинка реакции
- Сульфид цинка кислота. Реакция с кислотами: Сульфид цинка растворим в концентрированных кислотах, при этом образуются ионы цинка и серы и выделяется сероводород:
ZnS + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂S (сульфид цинка и соляная кислота)
ZnS + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂S
Сульфид цинка растворим, когда взаимодействует с сильными окислителями, такими как концентрированная HNO₃, она может растворять сульфид цинка, образуя раствор цинкового нитрата (Zn(NO₃)₂) и серу (S):
ZnS + 8HNO₃(конц.) → ZnSO₄ + 8NO₂↑ + 4H₂O
Однако, следует быть осторожным при работе с H₂S, так как это взрывоопасный, токсичный и неприятно пахнущий газ. Важно соблюдать все меры предосторожности и работать с H₂S в хорошо проветриваемом помещении или в вытяжной шкаф.
- Реакция со щёлочью. В отличие от оксида и гидроксида цинка, сульфид цинка не растворяется в растворах щелочей и не реагирует с ними: ZnS гораздо менее растворим, чем гидроксид цинка, поэтому обменная реакция термодинамически невыгодна:
ZnS + 2NaOH → реакция в растворе не протекает
Кальций сульфид цинка. Реакция между кальцием (Ca) и сульфидом цинка (ZnS) может происходить при нагревании и является реакцией обмена или двойной замены. В результате реакции образуется сульфид кальция (CaS) и металлический цинк (Zn). Реакцию можно записать следующим образом:
Ca + ZnS → CaS + Zn.
- Реакция с кислородом. ZnS может окисляться при взаимодействии с кислородом воздуха или других окислителей, образуя оксид цинка (ZnO) и сернистый газ (SO₂):
2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂
- Реакция с металлами. Вытеснить цинк из его сульфида способны только металлы активнее самого цинка (стоящие левее него в ряду активности). Менее активные металлы — железо, медь и свинец — с сульфидом цинка не реагируют и вытеснить из него цинк не могут.
ZnS + Fe → реакция не протекает (сульфид цинка железа: железо менее активно, чем цинк)
ZnS + Cu → реакция не протекает (сульфид цинка медь: медь менее активна, чем цинк)
ZnS + Pb → реакция не протекает (свинец менее активен, чем цинк)
Идут только обратные реакции — цинк сам вытесняет эти менее активные металлы из их сульфидов, например: Zn + FeS → ZnS + Fe.
Сульфид цинка алюминий. Сульфид цинка и алюминий могут реагировать между собой при сильном нагревании — по типу металлотермии. Алюминий активнее цинка и обладает большим сродством к сере, поэтому реакция термодинамически возможна, хотя и слабо экзотермическая. Без высокой температуры реакция не протекает. Практического значения эта реакция почти не имеет.
3ZnS + 2Al → Al₂S₃ + 3Zn (при высокой температуре)
Формула сульфида алюминия — Al₂S₃.
Сульфид цинка серебром. Реакция ZnS + 2Ag → Ag₂S + Zn невозможна — серебро значительно менее активно, чем цинк, и не способно вытеснить его из сульфида. Реальна обратная реакция: металлический цинк восстанавливает потемневшее серебро:
Zn + Ag₂S → ZnS + 2Ag
Именно на этом принципе основан популярный бытовой способ очистки потемневших серебряных изделий: изделие кладут на цинковую или алюминиевую фольгу в горячий содовый раствор — и сульфидный налёт восстанавливается до блестящего металлического серебра.
Магний сульфид цинка.Реакция магния с сульфидом цинка протекает при высокой температуре с образованием сульфида магния и металлического цинка:
ZnS + Mg → MgS + Zn.
Это окислительно-восстановительная реакция замещения: магний как более активный металл восстанавливает цинк из сульфида, окисляясь до Mg²⁺. Процесс экзотермический (около −140 кДж/моль) и может сопровождаться ярким свечением, характерным для высокотемпературных реакций с участием магния.
При обычных условиях реакция не идёт — требуется сильный нагрев.
- Реакция со щелочами: ZnS устойчив к воздействию щелочей — в отличие от оксида цинка ZnO и гидроксида цинка Zn(OH)₂, которые являются амфотерными соединениями. Растворы NaOH и KOH не реагируют с сульфидом цинка даже при нагревании. Причина — крайне низкая растворимость ZnS (произведение растворимости ПР ≈ 1,6·10⁻²⁴), которая термодинамически препятствует протеканию реакции.
- Отношение к комплексообразователям. Несмотря на то, что ион Zn²⁺ образует прочные комплексы с аммиаком и цианидами, сульфид цинка из-за крайне низкого произведения растворимости устойчив к большинству комплексообразователей: в растворах аммиака и тиоцианатов он не растворяется. В цианидных растворах ZnS медленно и частично разлагается — этот эффект известен в золотодобывающей промышленности, где сфалерит выступает в роли «цианисида» и увеличивает расход цианида при выщелачивании руд
Эти реакции и свойства сульфида цинка могут быть использованы для различных промышленных и научных приложений, таких как производство батареек, литий-ионных аккумуляторов, полупроводниковых приборов и фоточувствительных материалов.
Сера сульфид цинка: как они связаны
Сера и сульфид цинка связаны напрямую: ZnS — продукт взаимодействия цинка с серой. Реакция протекает при нагревании смеси порошков и сопровождается бурным выделением света:
Zn + S → ZnS
Процесс сильно экзотермичен — выделяется около 206 кДж на моль образующегося сульфида. Это классическая демонстрационная реакция прямого синтеза: достаточно поджечь смесь в одной точке, и она самопроизвольно распространится по всему объёму.
Важно понимать: с избытком серы сульфид цинка дальше не вступает в реакцию. ZnS — устойчивое соединение, в котором цинк находится в своей единственной степени окисления +2, а сера — в степени окисления −2. Встречающиеся в интернете «уравнения» взаимодействия ZnS с серой с образованием металлического цинка химически невозможны: сера не может вытеснить цинк из его собственного сульфида.
В природе сульфид цинка существует в двух кристаллических модификациях: кубический сфалерит (цинковая обманка) — основная промышленная руда цинка — и гексагональный вюрцит. Цинк извлекают из сфалеритовых концентратов не с помощью реакции с серой, а путем обжига (2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂) с последующим выщелачиванием и электролизом — побочный продукт SO₂ идет на производство серной кислоты.
Есть и обратная промышленная связь: соединения цинка используют для улавливания серы. Поглотители на основе оксида цинка очищают технологические газы от сероводорода (ZnO + H₂S → ZnS + H₂O). Этот метод применяется в нефтепереработке и производстве аммиака, где сера отравляет катализаторы.
Фосфат натрия сульфид цинка
Фосфат натрия и сульфид цинка в водных растворах не вступают в реакцию друг с другом. Причина — в соотношении растворимостей: сульфид цинка (ПР ≈ 10⁻²⁴) удерживает цинк на десятки порядков прочнее, чем фосфат цинка, поэтому фосфат-ион не способен вытеснить сульфид из осадка. Встречающееся в сети уравнение Na₃PO₄ + ZnS → Zn₃(PO₄)₂ + Na₂S ошибочно: оно не сбалансировано и термодинамически невозможно.
Фосфат цинка Zn₃(PO₄)₂ получают иначе — из растворимых солей цинка: 3ZnSO₄ + 2Na₃PO₄ → Zn₃(PO₄)₂↓ + 3Na₂SO₄. Именно это соединение широко используется в качестве антикоррозионного пигмента в грунтовках для металла и как основа фосфатных покрытий при подготовке поверхности к покраске.
Сульфид цинка нитрат магния
Сульфид цинка и нитрат магния между собой не взаимодействуют. Реакция обмена между ними невозможна по двум причинам. Во-первых, ZnS практически нерастворим в воде (ПР ≈ 10⁻²⁴), поэтому раствора сульфида цинка не существует. Во-вторых, гипотетический продукт — сульфид магния MgS — в водной среде существовать не может: он полностью гидролизуется с выделением сероводорода (MgS + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂S↑).
Реакция в этой паре возможна только в обратном направлении: при добавлении растворимого сульфида (например, Na₂S) к раствору нитрата цинка выпадает белый осадок сульфида цинка: Zn(NO₃)₂ + Na₂S → ZnS↓ + 2NaNO₃. Эта реакция используется в аналитической химии для обнаружения и осаждения ионов цинка.
Сульфид аммония сульфид цинка
Сульфид аммония и сульфид цинка не вступают в реакцию друг с другом: ZnS не растворяется ни в сульфиде аммония, ни в его избытке. Этим цинк отличается от мышьяка, сурьмы и олова, сульфиды которых переходят в раствор (NH₄)₂S в виде тиосолей.
Связь между этими веществами обратная: сульфид аммония — классический реактив для осаждения цинка из растворов его солей. При добавлении (NH₄)₂S к раствору соли цинка выпадает белый осадок: ZnCl₂ + (NH₄)₂S → ZnS↓ + 2NH₄Cl. Белый цвет осадка — важный аналитический признак: из распространенных сульфидов тяжелых металлов белым является только ZnS. Осадок нерастворим в уксусной кислоте и избытке сульфида аммония, но растворяется в разбавленной соляной кислоте.
При работе с сульфидом аммония необходимо соблюдать меры предосторожности: реактив токсичен и выделяет сероводород, поэтому работы проводят под тягой.
Сульфид цинка оксид серы
Сульфид цинка и оксид серы связаны главным процессом цинковой металлургии — обжигом. Диоксид серы SO₂ не вступает в реакцию с сульфидом цинка напрямую, а образуется при его окислительном обжиге: 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂ (900–1000 °C). Полученный сернистый газ направляется на производство серной кислоты, поэтому заводы по переработке сфалеритовых концентратов традиционно совмещают с производством серной кислоты.
Сульфат цинка в этом процессе тоже образуется, но не из SO₂, а через триоксид серы: часть SO₂ в присутствии оксидов железа окисляется до SO₃, который вступает в реакцию с оксидом цинка: ZnO + SO₃ → ZnSO₄. При сульфатирующем обжиге (650–700 °C) образование сульфата происходит целенаправленно — растворимый ZnSO₄ затем выщелачивают водой, минуя обработку кислотой.
Сульфид натрия и цинка
Сульфид натрия Na₂S — основной реактив для осаждения цинка из растворов его солей. При смешивании растворов выпадает белый осадок сульфида цинка:
ZnSO₄ + Na₂S → ZnS↓ + Na₂SO₄
Реакция протекает практически полностью благодаря крайне низкой растворимости ZnS (ПР ≈ 10⁻²⁴) и используется в трёх областях. В аналитической химии — для обнаружения ионов цинка (белый цвет осадка отличает ZnS от тёмных сульфидов меди, свинца и жёлтого сульфида кадмия). При очистке сточных вод гальванических производств — сульфидное осаждение позволяет извлечь цинк лучше, чем щелочное, и довести остаточную концентрацию до санитарных норм. В производстве пигментов осажденный сульфид цинка входит в состав литопона — белого пигмента, получаемого совместным осаждением ZnS и BaSO₄ из растворов сульфата цинка и сульфида бария.
«Двойной соли сульфида натрия и цинка» в водных растворах не существует: при контакте ионов Zn²⁺ и S²⁻ всегда образуется именно осадок ZnS.
Сульфид цинка. Основные методы получения
1. Осаждение из растворов. Основной способ получения осажденного сульфида цинка — реакция растворимых солей цинка с источником сульфид-ионов в водной среде. В качестве осадителя используют сульфид натрия, сульфид аммония или сероводород:
ZnCl₂ + Na₂S → ZnS↓ + 2NaCl
Zn(NO₃)₂ + (NH₄)₂S → ZnS↓ + 2NH₄NO₃
Zn²⁺ + H₂S → ZnS↓ + 2H⁺
При осаждении сероводородом выделяющаяся кислота начинает растворять осадок, поэтому процесс проводят в нейтральной или слабокислой буферной среде (например, ацетатной). Осаждение из растворов — основной метод производства литопона: белый пигмент получают совместным осаждением ZnS и BaSO₄ из растворов сульфата цинка и сульфида бария.
2. Прямой синтез из элементов. Сульфид цинка образуется при нагревании цинка с серой:
Zn + S → ZnS
Реакция сильно экзотермична (около 206 кДж/моль). Синтез проводят в вакууме или в атмосфере инертного газа (аргона) — так получают ZnS высокой чистоты для люминофоров и инфракрасной оптики.
3. Гидротермальный синтез. Этот метод применяют для получения наночастиц и порошков с заданной морфологией. Растворимую соль цинка и источник сульфид-ионов (сульфид натрия или тиомочевину) выдерживают в автоклаве при температуре 150–250 °C и повышенном давлении. Условия синтеза — температура, время, концентрация — определяют размер и форму частиц.
4. Природный сульфид цинка. В промышленных масштабах сульфид цинка не синтезируют, а добывают: минерал сфалерит (цинковая обманка) — это природный ZnS и основная руда для получения цинка. Сфалеритовые концентраты служат сырьем для получения металлического цинка, а синтетический ZnS производят только там, где требуется высокая чистота и контролируемые свойства, — в производстве пигментов, люминофоров и оптических материалов.
Обжиг сульфида цинка
Обжиг сульфида цинка — это процесс превращения сульфида в оксид цинка при высокой температуре в присутствии кислорода:
2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂
- Обжиг проводят при температуре 900–1000 °C, как правило, в печах с кипящим слоем: измельчённый концентрат окисляется потоком воздуха во взвешенном состоянии, что обеспечивает быстрый и равномерный прогрев.
- Обжиг — это первая стадия производства металлического цинка из сфалеритовых концентратов, через которую проходит основная часть мирового производства цинка.
- Продукт обжига — огарок: оксид цинка с примесями соединений железа, свинца и других металлов. Цинковый огарок направляют на выщелачивание серной кислотой и электролиз (основная современная схема) либо на восстановление углеродом.
- Цинковый огарок не является товарным оксидом цинка. ZnO для производства красок, резины и косметики получают отдельно — преимущественно путем сжигания паров металлического цинка.
- Второй продукт обжига — сернистый газ SO₂. На современных заводах он не выбрасывается в атмосферу, а перерабатывается в серную кислоту, поэтому цинковые производства совмещают с сернокислотными цехами: экологическая задача решается за счет получения второго товарного продукта.
- Разновидность этого процесса — сульфатизирующий обжиг при температуре 650–700 °C: часть серы целенаправленно переводят в сульфат цинка, который затем выщелачивают водой, минуя обработку кислотой.
Осадки сульфидов цинка
Осадки сульфида цинка — белое мелкокристаллическое вещество, выпадающее при смешивании растворов солей цинка с растворимыми сульфидами. Белый цвет — отличительная особенность: среди сульфидов распространенных тяжелых металлов только ZnS не окрашен.
Получение осадка по шагам:
- Готовят раствор соли цинка — например, растворяя оксид или металлический цинк в серной кислоте.
- Готовят раствор осадителя — сульфида натрия или сульфида аммония в воде.
- Смешивают растворы — сразу же выпадает белый осадок: Zn²⁺ + S²⁻ → ZnS↓.
- Осадок отфильтровывают и промывают. Осаждение происходит практически полностью (ПР ≈ 10⁻²⁴), остаточная концентрация цинка в растворе ничтожно мала.
Свежеосажденный ZnS растворяется в разбавленной соляной кислоте с выделением сероводорода, но устойчив к воздействию уксусной кислоты, щелочей и аммиака. Полнота осаждения используется при очистке сточных вод от цинка, а сам осадок — в производстве литопона и в качестве сырья для люминофорных материалов.
Избыток сульфида цинка
При сульфидной очистке сточных вод от цинка осадитель — сульфид натрия — дозируют с небольшим избытком: это гарантирует полное осаждение ZnS и соблюдение санитарных норм по содержанию цинка. Однако избыток сульфид-ионов сам по себе становится проблемой: сульфиды токсичны и нормируются при сбросе в водоемы, а при последующем подкислении стока остаточный сульфид выделяется в виде сероводорода.
Поэтому процесс ведут с контролем дозировки: избыток осадителя поддерживают на минимальном уровне (контролируя остаточную концентрацию сульфидов или потенциал сульфид-селективного электрода), а остаточный сульфид при необходимости разрушают окислением — пероксидом водорода или аэрацией. На практике применяют и компромиссную схему: основную массу цинка осаждают щелочью в виде гидроксида, а сульфид добавляют только для доочистки — так расход токсичного реагента сводится к минимуму.
Сульфид цинка. Применение в промышленности
Производство сульфида цинка
В промышленности сульфид цинка производят тремя способами в зависимости от назначения продукта — для получения пигмента, люминофора или оптического материала.
Пигментный сульфид цинка получают осаждением из растворов. Сырьем служат растворы сульфата цинка, которые готовят путем растворения цинксодержащего сырья (в том числе отходов металлургии) в серной кислоте с последующей глубокой очисткой от примесей железа, меди и кадмия. Осаждение проводят сульфидом бария — так получают литопон, смешанный пигмент из сульфида цинка и сульфата бария:
ZnSO₄ + BaS → ZnS↓ + BaSO₄↓
Оба продукта реакции нерастворимы и выпадают в осадок вместе, образуя готовую пигментную композицию. Осадок промывают, сушат, прокаливают при температуре 600–700 °C для перевода в пигментную форму и измельчают. Чистый пигмент ZnS (без сульфата бария) получают аналогичным образом, используя в качестве осадителя сульфид натрия.
Люминофорный сульфид цинка требует особой чистоты: посторонние примеси гасят свечение. Очищенный осажденный ZnS прокаливают с небольшими добавками активаторов — меди, серебра или марганца (десятые и сотые доли процента) — и флюсами при температуре 800–1000 °C в закрытых тиглях. Тип активатора определяет цвет свечения: медь дает зеленое свечение, серебро — синее.
Оптический сульфид цинка для инфракрасной техники получают методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ): пары цинка вступают в реакцию с сероводородом при температуре 600–700 °C, и плотный поликристаллический материал послойно осаждается на подложку.
Zn(пар) + H₂S → ZnS + H₂
Этот метод позволяет получить беспористый материал высокой однородности, из которого изготавливают окна и линзы тепловизоров, прозрачные в диапазоне 8–12 мкм.
Отдельно отметим, что для производства металлического цинка сульфид специально не синтезируют — в металлургии используется природный сульфид, сфалеритовый концентрат.
Токсичность сульфида цинка и меры предосторожности при работе с ним
Сульфид цинка — малотоксичное вещество. Он практически нерастворим в воде и биологических жидкостях, поэтому при случайном попадании в организм почти не всасывается. Пыль ZnS действует как обычная механическая пыль: при вдыхании раздражает дыхательные пути, при попадании в глаза — слизистые оболочки. Систематическое вдыхание любой производственной пыли в высоких концентрациях вредно для легких, поэтому при работе с порошком необходимо соблюдать общие требования к пылевым работам.
Главная опасность сульфида цинка — химическая: при контакте с кислотами он выделяет сероводород, высокотоксичный газ с запахом тухлых яиц:
ZnS + 2HCl → ZnCl₂ + H₂S↑
Коварство сероводорода в том, что при опасных концентрациях он быстро притупляет обоняние, и человек перестаёт чувствовать запах. Второй сценарий выделения токсичных газов — сильный нагрев на воздухе: при температуре выше 800–900 °C сульфид окисляется с образованием сернистого газа SO₂.
Меры предосторожности:
- Не допускайте контакта сульфида цинка с кислотами. Храните его отдельно от кислот, в закрытой таре, в сухом месте.
- Любые операции, при которых возможно выделение сероводорода (растворение в кислотах, аналитические работы), проводите только в вытяжном шкафу.
- При работе с порошком используйте средства защиты: перчатки, защитные очки, при пылящих операциях — респиратор.
- Обеспечьте вентиляцию рабочего помещения.
- Не принимайте пищу, не пейте и не курите на рабочем месте; после работы вымойте руки.
- При попадании в глаза промойте большим количеством воды; при появлении признаков отравления сероводородом (головная боль, головокружение, тошнота) выведите пострадавшего на свежий воздух и обратитесь за медицинской помощью.
При соблюдении этих мер сульфид цинка безопасен в обращении — недаром его десятилетиями используют в бытовых светящихся красках и пигментах.
История открытия и развития изучения сульфида цинка
Природный сульфид цинка известен горнякам с древних времен под названием цинковая обманка: минерал блестел, как свинцовая руда, но при плавке не давал металла, за что и получил свое название (нем. Blende). Научное название «сфалерит» — от греческого «сфалерос», обманчивый — минерал получил в 1847 году.
Ключевое событие в изучении синтетического сульфида цинка произошло в 1866 году: французский химик Теодор Сидо получил кристаллы ZnS и обнаружил их способность светиться после воздействия света — фосфоресценцию. «Смесь Сидо» стала первым искусственным люминофором и открыла новую главу в истории этого вещества.
В начале XX века свечение сульфида цинка пришло в науку и быт почти одновременно. В 1903 году Уильям Крукс создал спинтарископ — прибор, в котором экран из сульфида цинка вспыхивал от ударов отдельных альфа-частиц. Именно по сцинтилляциям на сульфидно-цинковом экране Резерфорд с коллегами в 1909–1911 годах подсчитывали альфа-частицы в опытах по рассеянию, которые привели к открытию атомного ядра. А смесь сульфида цинка с солями радия стала светящейся краской для стрелок часов и шкал приборов. Это было массовое применение, от которого позже отказались из-за опасности радия.
В 1936 году Жорж Дестрио открыл электролюминесценцию сульфида цинка — свечение под действием электрического поля, что положило начало созданию электролюминесцентных панелей. В середине XX века активированный сульфид цинка стал основным люминофором для экранов электронно-лучевых трубок — телевизоров, осциллографов, радаров. Параллельно с последней четвертью XIX века развивалось пигментное направление: литопон на основе сульфида цинка десятилетиями оставался основным белым пигментом, пока его не вытеснил диоксид титана.
Во второй половине XX века сульфид цинка стали использовать в оптике: методом газофазного осаждения научились выращивать поликристаллический ZnS для окон инфракрасной техники. Современные исследования сосредоточены на наноструктурах сульфида цинка — квантовых точках, фотокатализаторах, буферных слоях тонкопленочных солнечных элементов.
Сравнение сульфида цинка с другими соединениями цинка
Из пяти соединений сульфид цинка выделяется крайней нерастворимостью: по этому показателю он на много порядков превосходит даже оксид и гидроксид цинка. Отсюда его роль в аналитике и очистке сточных вод: цинк, связанный в сульфид, практически невозможно вернуть в раствор без сильной кислоты. Отсюда же и единственное «оптическое» применение среди этой пятерки: нерастворимый, термостойкий и прозрачный в инфракрасном диапазоне ZnS стал материалом для окон тепловизоров и люминофоров.
Хлорид и сульфат цинка — рабочие соединения в технологии цинкования: хлорид входит в состав флюсов для подготовки поверхности перед горячим цинкованием, сульфат служит основой электролитов для гальванического цинкования и исходным сырьем для всей гидрометаллургии цинка. Оксид цинка — самое распространенное соединение в быту: от вулканизации резины до солнцезащитных кремов и цинковой мази.
Все эти пять соединений объединяет одно: исходным сырьем для каждого из них в конечном счете служит природный сульфид цинка — сфалерит, с обжига которого начинается путь цинка от руды к любому его соединению.
Сульфид цинка: задачи с решениями
Сульфид цинка ZnS — одно из самых частых соединений в школьном и вузовском курсе химии: его получают, обжигают, растворяют в кислотах и используют в расчётных задачах. Разберём типовые задания с подробными решениями. Молярные массы: M(ZnS) = 97,5 г/моль, M(Zn) = 65,4 г/моль, M(ZnO) = 81,4 г/моль, M(S) = 32,1 г/моль, M(SO₂) = 64,1 г/моль.
Задача 1. Массовая доля цинка в сульфиде цинка
Условие: Вычислите массовую долю цинка и серы в сульфиде цинка ZnS.
Решение:
M(ZnS) = 65,4 + 32,1 = 97,5 г/моль
ω(Zn) = 65,4 / 97,5 × 100% ≈ 67,1%
ω(S) = 32,1 / 97,5 × 100% ≈ 32,9%
Ответ: цинк ≈ 67,1%, сера ≈ 32,9%.
Задача 2. Составление формулы сульфида цинка
Условие: Составьте формулу сульфида цинка по валентностям.
Решение: Цинк двухвалентен (Zn²⁺), сера в сульфиде двухвалентна (S²⁻). Заряды равны по модулю, поэтому ионы соединяются в соотношении 1:1.
Ответ: ZnS.
Задача 3. Получение сульфида цинка из простых веществ
Условие: Запишите уравнение получения сульфида цинка прямым взаимодействием цинка с серой и определите массу ZnS из 6,54 г цинка.
Решение:
Zn + S → ZnS
n(Zn) = 6,54 / 65,4 = 0,1 моль
По уравнению n(ZnS) = n(Zn) = 0,1 моль
m(ZnS) = 0,1 × 97,5 = 9,75 г
Ответ: 9,75 г сульфида цинка.
Задача 4. Осаждение сульфида цинка из раствора соли
Условие: Запишите молекулярное и сокращённое ионное уравнения осаждения сульфида цинка при сливании растворов сульфата цинка и сульфида натрия.
Молекулярное уравнение:
ZnSO₄ + Na₂S → ZnS↓ + Na₂SO₄
Сокращённое ионное уравнение:
Zn²⁺ + S²⁻ → ZnS↓
Выпадает белый осадок сульфида цинка.
Ответ: образуется белый осадок ZnS.
Задача 5. Обжиг сульфида цинка
Условие: Запишите уравнение обжига сульфида цинка и вычислите объём сернистого газа (н. у.), выделившегося при обжиге 0,2 моль ZnS.
Решение:
2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂
По уравнению n(SO₂) = n(ZnS) = 0,2 моль
V(SO₂) = 0,2 × 22,4 = 4,48 л
Ответ: 4,48 л сернистого газа.
Задача 6. Масса оксида цинка при обжиге
Условие: Какая масса оксида цинка образуется при обжиге 97,5 г сульфида цинка?
Решение:
2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂
n(ZnS) = 97,5 / 97,5 = 1 моль
По уравнению n(ZnO) = n(ZnS) = 1 моль
m(ZnO) = 1 × 81,4 = 81,4 г
Ответ: 81,4 г оксида цинка.
Задача 7. Сульфид цинка и соляная кислота
Условие: Запишите уравнение реакции сульфида цинка с соляной кислотой в молекулярном и сокращённом ионном виде.
Молекулярное уравнение:
ZnS + 2HCl → ZnCl₂ + H₂S↑
Сокращённое ионное уравнение:
ZnS + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂S↑
Сульфид цинка растворяется в соляной кислоте с выделением сероводорода — газа с запахом тухлых яиц. ZnS записывается в молекулярной форме, так как нерастворим.
Ответ: выделяется сероводород H₂S.
Задача 8. Сульфид цинка и концентрированная азотная кислота
Условие: Запишите уравнение окисления сульфида цинка концентрированной азотной кислотой.
Решение: Концентрированная HNO₃ — сильный окислитель, она окисляет серу из степени окисления −2 до +6 (сульфат), а сама восстанавливается до NO₂:
ZnS + 8HNO₃(конц.) → ZnSO₄ + 8NO₂↑ + 4H₂O
Это окислительно-восстановительная реакция: сера отдаёт электроны, азот их принимает.
Ответ: образуются сульфат цинка, бурый газ NO₂ и вода.
Задача 9. Среда раствора сульфида цинка
Условие: Какую среду имеет раствор сульфида цинка?
Решение: Сульфид цинка практически нерастворим в воде (произведение растворимости крайне мало), поэтому раствора ZnS в обычном смысле не существует и говорить о его pH некорректно. То малое количество, что переходит в воду, подвергается необратимому гидролизу с образованием малорастворимых продуктов. Поэтому, в отличие от растворимых солей цинка (хлорида, сульфата), у сульфида цинка среду раствора не определяют.
Ответ: ZnS нерастворим, раствор не образуется, среду определить нельзя.
Задача 10. Цепочка превращений
Условие: Осуществите цепочку превращений: Zn → ZnS → ZnO → ZnSO₄.
Решение:
Zn + S → ZnS
2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂
ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O
Ответ: все три реакции реальны и часто встречаются в заданиях на цепочки превращений.
Задача 11. Вытеснение цинка более активным металлом
Условие: Реагирует ли магний с сульфидом цинка? Запишите уравнение.
Решение: Магний активнее цинка (стоит левее в ряду активности), поэтому при нагревании вытесняет цинк из его сульфида:
ZnS + Mg → MgS + Zn
А менее активные металлы (железо, медь, свинец) вытеснить цинк из ZnS не могут — с ними реакция не идёт.
Ответ: магний вытесняет цинк, железо, медь и свинец — нет.
Задача 12. Расчёт по техническому образцу с примесями
Условие: Навеску технического сульфида цинка массой 4,85 г, содержащего 20% примесей, подвергли обжигу. Вычислите массу образовавшегося оксида цинка.
Решение:
Масса чистого ZnS: m = 4,85 × 0,80 = 3,88 г
n(ZnS) = 3,88 / 97,5 ≈ 0,0398 моль
2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂
n(ZnO) = n(ZnS) ≈ 0,0398 моль
m(ZnO) = 0,0398 × 81,4 ≈ 3,24 г
Ответ: около 3,24 г оксида цинка.
Задача 13. Качественная реакция и цвет осадка
Условие: Какого цвета осадок образуется при действии сульфид-иона на раствор соли цинка?
Решение:
Zn²⁺ + S²⁻ → ZnS↓
Сульфид цинка выпадает в виде белого осадка — это отличает его от большинства других сульфидов металлов (сульфиды меди, свинца, серебра — чёрные). Белый цвет осадка ZnS используется как качественный признак.
Ответ: белый осадок.
Задача 14. Масса сульфида цинка из сероводорода
Условие: Через раствор хлорида цинка пропустили сероводород. Какая масса сульфида цинка образуется, если в реакцию вступило 0,05 моль H₂S?
Решение:
ZnCl₂ + H₂S → ZnS↓ + 2HCl
По уравнению n(ZnS) = n(H₂S) = 0,05 моль
m(ZnS) = 0,05 × 97,5 = 4,875 ≈ 4,88 г
Ответ: около 4,88 г сульфида цинка.
Часто задаваемые вопросы о сульфиде цинка
Какого цвета сульфид цинка?
Чистый сульфид цинка имеет белый или бесцветный цвет. Желтый, коричневый или черный оттенок появляется только из-за примесей железа и других элементов. Среди сульфидов распространенных тяжелых металлов ZnS — единственный белый сульфид, что используется в качестве аналитического признака.
Растворяется ли сульфид цинка в воде?
Практически нет — около 0,00016 г на 100 мл воды при температуре 25 °C. Это одно из самых нерастворимых соединений цинка. В сильных кислотах он растворяется с выделением сероводорода.
Почему сульфид цинка светится?
Сульфид цинка — полупроводниковый люминофор. При добавлении активаторов (меди, серебра, марганца) он излучает видимый свет под воздействием ультрафиолета, электрического поля или излучения. Медь дает зеленое свечение, серебро — синее. На этом принципе основаны светящиеся краски, экраны и сцинтилляционные детекторы.
Что такое сфалерит?
Сфалерит (цинковая обманка) — природный минерал, сульфид цинка, основная руда для получения металлического цинка. Из сфалеритовых концентратов цинк извлекают путем обжига с последующим выщелачиванием и электролизом.
Чем опасен сульфид цинка?
Само по себе вещество малотоксично — оно нерастворимо и почти не всасывается. Главная опасность — химическая: при контакте с кислотами сульфид цинка выделяет сероводород — высокотоксичный газ с запахом тухлых яиц. Поэтому такие работы проводят под вытяжкой.
Как получают сульфид цинка?
Основной способ получения — осаждение из растворов солей цинка сульфидом натрия, сульфидом аммония или сероводородом. Также его получают прямым синтезом из цинка и серы, гидротермальным методом, а в промышленных масштабах сульфид цинка не синтезируют, а добывают в виде сфалерита.
Что такое литопон?
Литопон — белый пигмент, смесь сульфида цинка и сульфата бария, получаемая путем их совместного осаждения. На протяжении десятилетий был основным белым пигментом для красок, пока его не вытеснил диоксид титана.
Реагирует ли сульфид цинка с серой?
Нет. ZnS — устойчивое соединение, в котором цинк находится в степени окисления +2, а сера — в степени окисления −2. Избыток серы с сульфидом цинка не реагирует, а встречающиеся в сети уравнения, описывающие вытеснение цинка серой, химически невозможны.
Словарь терминов
Сульфид цинка (ZnS) — бинарное соединение цинка и серы, белый нерастворимый порошок с люминесцентными и полупроводниковыми свойствами.
Сфалерит (цинковая обманка) — природный минерал, кубический сульфид цинка, основная руда для получения цинка.
Вюрцит — гексагональная высокотемпературная модификация сульфида цинка.
Люминофор — вещество, излучающее свет под воздействием возбуждения (ультрафиолета, электрического поля, излучения). Сульфид цинка с активаторами — классический люминофор.
Активатор — примесь (медь, серебро, марганец), добавляемая в люминофор для получения свечения определённого цвета.
Произведение растворимости (ПР) — величина, характеризующая растворимость малорастворимого вещества. У сульфида цинка крайне низкое значение (≈10⁻²⁴), поэтому он практически полностью осаждается.
Обжиг — окисление сульфида цинка при высокой температуре с образованием оксида цинка и сернистого газа; первая стадия получения металлического цинка.
Огарок — продукт обжига: оксид цинка с примесями, направляемый на выщелачивание и электролиз.
Литопон — белый пигмент, смесь ZnS и BaSO₄, получаемая совместным осаждением.
Осаждение — выделение нерастворимого сульфида цинка из раствора под действием сульфид-ионов; основной метод получения и способ очистки сточных вод от цинка.
Сцинтилляция — вспышка света при попадании в люминофор частицы излучения; на сульфиде цинка основан спинтарископ и опыты Резерфорда.
Запрещённая зона — энергетический параметр полупроводника. У сульфида цинка широкая запрещённая зона (3,5–3,8 эВ), что определяет его оптические свойства.
Сульфид цинка | Химический состав | Британника (britannica.com)