Сульфиды во всем многообразии

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

«СУЛЬФИДЫ ВО ВСЕМ МНОГООБРАЗИИ»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Методы получения сульфидов.

2. Физико-химические свойства сульфидов металлов

3. Растворимость сульфидов

4. Основные химические свойства сульфидов

5. Тиосоли

6. Полисульфиды.

7. Промышленное применение сульфидов

ВВЕДЕНИЕ

Соединения серы с более электроположительными элементами называются сульфидами. Большинство сульфидов, а именно сульфиды металлов, по способу образования и химическому поведению следует рассматривать как соли сероводородной кислоты. Сера в этих соединениях имеет отрицательную степень окисления –2.

Сульфиды щелочных и щелочноземельных металлов бесцветны.

Сульфидов тяжелых металлов имеют следующие окраски:

черные – HgS, Ag₂S, PbS, CuS; оранжевые – Sb₂S₃, Sb₂S₅;

коричневые – SnS, Bi₂S₃; желтые – As₂S₃, As₂S₅, SnS₂,CdS

розовый – MnS; белый – ZnS.

Многие сульфиды при нагревании без доступа воздуха не претерпевают разложения. Но некоторые из них теряют серу. Так, например, пирит FeS₂ уже при сильном нагревании распадается на сульфид железа (II) и серу; сульфид олова (IV) распадается при нагревании на сульфид олова (II) и серу. Устойчивые к нагреванию сульфиды в большинстве случаев можно нагревать в токе водорода: при этом они не изменяются. Напротив, при нагревании в токе кислорода или воздуха («обжиге») большинство сульфидов переходит в окислы, а иногда частично и в сульфаты. Сульфиды , выпавшие из водного раствора, уже при обычных температурах в значительной степени подвергаются окислению, если они во влажном состоянии долгое время находятся в контакте с током воздуха. При этом происходит или выделение серы или образование сульфата:

Fe₂S₃ + aq + 3/2O₂ = Fe₂O₃*aq + 3S (1)

CuS + 2O₂ = CuSO₄ (2)

Легко окисляются и растворенные сульфиды; при этом они действуют как сильные восстановители.

Сильное восстановительное сероводорода и сульфидов в растворе обусловлено незначительным сродством образования ионов S^2-. В гальваническом элементе, составленном из нормального водородного электрода и платиновой фольги, погруженной в раствор сульфида, «серный электрод» вследствие тенденции ионов S^2- разряжаться, становится отрицательным, а водородный электрод- положительным полюсом.

Распространение сульфидов металлов в природе представлено в таблице 1.

Таблица 1

Распространение сульфидов в природе

Колчеданы – светлые с металлическим блеском; блески – темные с металлическим отливом; обманки – темные без металлического блеска или чаще светлые, прозрачные.

1. Методы получения сульфидов

1. Взаимодействие гидроокисей с сероводородом

Эти методом получают в первую очередь растворимые в воде сульфиды, т.е. сульфиды щелочных металлов. Для этого необходимо: сначала насытить раствор гидроокиси щелочного металла сероводородом. При этом получается кислый сульфид (гидросульфид). Затем прибавляют равное количество щелочи для его перевода в нормальный сульфид:

NaOH + H₂S = NaHS + H₂O (3)

NaHS + NaOH = Na₂S + H₂O (4)

2.Восстановление сульфатов прокаливанием с углем.

Na₂SO₄ + 4C = Na₂S + 4 CO (5)

Этот метод является основным для получения сульфида натрия и сульфидов щелочноземельных металлов.

3. Непосредственное соединение элементов

Соединение металлов с серой протекает в большинстве случаев очень легко, часто с большим выделением тепла. Однако оно редко приводит к образованию совершенно чистого продукта:

Fe + S = FeS (6)

4. Взаимодействие солей в водном растворе с сероводородом или сульфидом аммония.

Этим методом получают в первую очередь нерастворимые в воде сульфиды.

2. Физико-химические свойства сульфидов металлов

Физико-химические свойства сульфидов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Физико-химические свойства сульфидов металлов

3. Растворимость сульфидов

Поскольку сероводород является двухосновной кислотой, от него производятся два ряда сульфидов: кислые сульфиды или гидросульфиды MHS и нормальные сульфиды M₂S. Все кислые сульфиды очень легко растворимы в воде. Из нормальных сульфидов также легко растворимы сульфиды щелочных металлов. В водном растворе они очень сильно гидролизуются (в 1 Н. растворе примерно на 90%) по уравнению:

Na₂S + HOH Û NaOH + NaHS или S” + HOH Û OH + HS (7)

Поэтому их растворы имеют сильно щелочную реакцию. Нейтральные сульфиды щелочноземельных металлов как таковые в воде не растворяются. Однако при действии воды они претерпевают гидролитическое расщепление, например,

2CaS + 2HOH = Ca(HS)₂ + Ca(OH)₂ (8)

а образующийся при этом кислый сульфид переходит в раствор. При кипячении раствора он также разлагается:

Ca(HS)₂ + 2HOH = Ca(OH)₂ + 2H₂S (9)

Еще легче гидролизуются сульфиды некоторых многовалентных металлов, например сульфид алюминия AI₂S₃, сульфид хрома, сульфид кремния Cr₂S₃SiS₂ . Кислоты разлагают все эти сульфиды с выделение сероводорода.

Большинство сульфидов тяжелых металлов настолько мало растворимы в воде, что гидролитическое расщепление их не происходит. Некоторые сульфиды, разбавленные сильными кислотами не разлагаются. Произведение растворимости этих сульфидов настолько мало, что даже при понижении концентрации ионов S^2- в растворе за счет прибавления ионов H⁺ концентрация ионов металла в растворе, находящемся в равновесии с сульфидом (донной фазой), очень незначительна. Поэтому, при пропускании сероводорода такие сульфиды будут выпадать в осадок даже из очень кислых растворов.

На том, что одна часть тяжелых металлов осаждается сероводородом из кислого раствора, а другая выпадает в осадок только из аммиачных растворов при действии на них раствора сульфида аммония, основано применение этих реактивов для разделения катионов при систематическом анализе.

Из кислого раствора сероводород осаждает следующие элементы в виде их сульфидов:

1) Мышьяк, сурьму и олово;

2) Серебро, ртуть, свинец, висмут, медь и кадмий;

При действии сульфида аммония осаждаются следующие элементы: цинк, марганец, кобальт, никель, железо, хром и алюминий. Два последних элемента выпадают в виде гидроокисей, так как их сульфиды гидролизуются водой.

Сульфиды элементов, приведенных под 1), отличаются тем, что они способны растворяться в желтом полисульфиде аммония, образуя при этом тиосоли, тогда как сульфиды элементов группы 2) в этом реактиве не растворяются.

Произведение растворимости ряда сульфидов приведено в таблице 3. Эти величины вычислены на основании соотношения

A_{F n} = - RT*2,3026 *log L (10),

где L – произведение растворимости, A_Fn– нормальное сродство реакции

2M + S = M₂S (11)

Таблица 3

Произведение растворимости кристаллических сульфидов металлов при 25⁰С

4. Основные химические свойства сульфидов

Основные химические свойства сульфидов представлены в таблице 4.

Таблица 4

Химические свойства сульфидов

5. Тиосоли

Многие сульфиды растворяются в растворах сульфидов щелочных металлов, образуя тиосоли, например:

As₂S₃ + 3K₂S = 2K₃[AsS₃] (12)

Полученное соединение называется тиоарсенат калия.

Этот процесс вполне аналогичен процессу образования солей кислородных кислот при соединении кислого и основного окислов:

As₂O₃ + 2K₂O = 2K₃[AsO₃] (13).

Тисоли можно рассматривать также как соли, аналогичные солям кислородных кислот, но только содержащие вместо кислорода серу. Образование анионов тиосолей по аналогии с образованием анионов солей кислородных кислот можно представить следующими уравнениями:

As₂O₃+3O^2-Û2[AsO₃]^3- , или As₂O₃ +6OH^-Û 2[AsO₃]^3- + 3H₂O (14)

As₂S₃+3S^2-Û2[AsS₃]^3- , или As₂S₃ +3SH^- + 3OH^-Û 2[AsS₃]^3- + 3H₂O (15)

As₂S₃+3O^2-Û[AsS₃]^3-+[AsO₃]^3- , или As₂S₃ +6OH^-Û[AsS₃]³ +[AsO₃]+ 3H₂O (16)

Уравнение (16) показывает, что могут образовываться одновременно анаионы как тио-, так и кислородных кислот, а именно в том случае, когда сульфиды, растворимые в растворах щелочных сульфидов, обрабатывают щелочами.

При подкислении раствора большинство тиосолей распадается с выделением сероводорода и освобождением исходного сульфида, так как свободные тиокислоты, как правило, неустойчивы.

Тиосоли образуют платина, золото, германий, теллур, молибден, вольфрам, ванадий и углерод. Тиосоли всех этих элементов можно получить обработкой соответствующих сульфидов раствором сульфида щелочного металла. Еще ряд тиосолей можно приготовить сплавлением, однако относительно полученных таким способом соединений часто остается сомнение, действительно ли мы имеем дело с настоящими тиосолями, а не с двойными сульфидами.

6. Полисульфиды.

Растворы щелочных металлов способны растворять значительные количества серы, и при этом образуются окрашенные в цвета от желтого до коричнево-красного полисульфиды, т.е. соединения общей формулы M₂S_n, где n обычно имеет значения от 2 до 5, но в некоторых случаях может принимать и еще большие значения. Известные полисульфиды щелочных металлов представлены в таблице 5.

Полисульфиды щелочных металлов образуются также при стоянии растворов щелочных сульфидов на воздухе вследствие медленного окисления гидросульфид-ионов кислородом воздуха:

2HS^- + ½ O₂ = H₂O + S^2- (17)

Полисульфиды щелочных металлов получают также сплавлением сульфидов щелочных металлов с серой. Кроме того, их можно получить, сплавляя гидроокиси или карбонаты щелочных металлов с серой. Однако в последнем случае получающиеся полисульфиды бывают загрязнены одновременно образующимся тиосульфатом, а при доступе воздуха и сульфатом.

Кроме полисульфидов щелочных металлов, известны также полисульфиды щелочноземельных металлов. Самыми устойчивыми являются, по –видимому, полисульфиды с четырьмя атомами серы.

В таблице 5 представлены известные полисульфиды щелочных меаллов.

Таблица 5

Известные полисульфиды щелочных металлов

Гидролитическое расщепление полисульфидов происходит в значительно меньшей степени, чем обычных сульфидов. Например, в отличие от нормального сульфида аммония (NH₄)₂S полисульфиды аммония при обычных температурах устойчивы. Кислоты разлагают полисульфиды с отщеплением серы:

Na₂S₂ + 2HCI = 2NaCI + H₂S + S (18)

7. Промышленное применение сульфидов

В таблице 6 представлены промышленные области применения сульфидов.

Таблица 6

Промышленное применение сульфидов