Sulfid rtuťnatý (HgS), běžně známý jako rumělka nebo chalkóza, je jasně červená hexagonální krystalická sloučenina složená z prvků rtuti a síry. Je to také nejdůležitější rtuťová ruda v přírodě. Je známý pro svou extrémně živou červenou barvu a vynikající chemickou stabilitu. Ve staré Číně se hojně používal jako rumělkový pigment a inkoust a byl také hlavní surovinou pro extrakci rtuti. Je nerozpustný ve vodě a většině kyselin, ale rozpustný v aqua regia. HgS existuje ve dvou izomorfních formách: kromě stabilní červené -formy (hexagonální krystalový systém) existuje také černá -forma (kubický krystalový systém), známá jako černá rumělka, která má nižší stabilitu a může se pod světlem nebo teplem přeměnit na červenou variantu. Tato sloučenina má vysoký index lomu a vysokou hustotu. Díky své živé červené barvě byl v historii vysoce ceněn. Jeho toxicita však pramení především z prvku rtuti, který obsahuje, a při jeho používání je nutná řádná ochrana. Kromě mineralogie a výzkumu historie pigmentů má v moderní době také potenciální aplikace v polovodičových a infračervených optických materiálech.
|
|
|
|
|
|
|
|
Chemické vlastnosti
Stabilita a reaktivita
Sulfid rtuťnatý (II) vykazuje pozoruhodnou chemickou stabilitu a vykazuje inertnost vůči většině kyselin a zásad. Například při pokojové teplotě nereaguje se zředěnou kyselinou chlorovodíkovou nebo roztoky hydroxidu sodného. Za vysokých-teplotních podmínek je však jeho stabilita narušena: když teplota překročí 100–150 stupňů, pokud HgS přijde do kontaktu s oxidačními směsmi (jako je okyselený roztok dvojchromanu draselného a koncentrovaná kyselina sírová), HgS podléhá rozkladné reakci, při níž vznikají soli rtuti, elementární síra a další oxidované produkty. Tato vlastnost vyžaduje přísnou kontrolu reakčních podmínek při specifickém průmyslovém zpracování.
Izomorfní varianty a fázové přechody
HgS má dvě stabilní izomorfní varianty: -HgS (červený hexagonální krystalový systém, rumělka) a -HgS (černý krychlový krystalový systém, černý ruměl). Tyto dvě varianty mohou podléhat reverzibilním fázovým přechodům vyvolaným teplotou: když se -HgS zahřeje na 250 stupňů, jeho barva se postupně změní na hnědou a při 386 stupních se zcela přemění na -HgS; zatímco když se -HgS ochladí, změní se na červenou -HgS. Tato charakteristika fázového přechodu má potenciální využití ve vědě o materiálech, například pro vývoj teplotně citlivých optických materiálů.
Vlastnosti polovodičů
-HgS vykazuje přímé polovodičové vlastnosti při 300 K s energetickou mezerou 2,1 eV. Tato vlastnost jej činí cenným pro průzkum v oblasti optoelektronických zařízení, která se například používají k výrobě infračervených detektorů nebo fotokatalyzátorů. Vzhledem k toxicitě rtuti je však její polovodičová aplikace stále ve stádiu laboratorního výzkumu a dosud nedosáhla komercializace.
Fyzikální vlastnosti
Vzhled a Barva
Dvě varianty sulfidu rtuťnatého mají výrazně odlišný vzhled: -HgS má sytě červenou barvu a často se používá jako pigment; -HgS je černý prášek a má širší průmyslové využití. Barevný rozdíl pramení z uspořádání vazeb Hg-S v krystalové struktuře: v -HgS jsou vazby Hg-S uspořádány spirálovitě, což vede k selektivní absorpci viditelného světla; zatímco u -HgS umožňuje kubická struktura jeho absorpčnímu spektru pokrýt širší rozsah.
Hustota a bod tání
Hustota HgS je 8,10 g/cm³ a patří ke sloučenině s vysokou -hustotou. Jeho bod tání je 583,5 stupně, ale před roztavením se nejprve rozloží a vytvoří páry rtuti a páry síry. Tato vlastnost vyžaduje speciální ochranná opatření během vysokoteplotního zpracování, aby se zabránilo úniku rtuťových par.
Rozpustnost
Sulfid rtuťnatý je téměř nerozpustný ve vodě (s rozpustností pouze 0,00001 g/l) a také se obtížně rozpouští ve většině organických rozpouštědel. Může se však rozpouštět v aqua regia (směs koncentrované kyseliny chlorovodíkové a koncentrované kyseliny dusičné), čímž vznikají rozpustné soli rtuti a produkty oxidace síry. Tato charakteristika rozpustnosti má velký význam při čištění znečištění rtutí, například prostřednictvím chemického srážení za účelem přeměny rtuťových iontů na sraženinu HgS za účelem snížení toxicity.
Způsoby přípravy
Metoda přímé syntézy
Smícháním elementární rtuti s práškovou sírou v molárním poměru 1:1 a reakcí za podmínek zahřívání přímo vzniká HgS. Pro urychlení reakčního procesu lze jako katalyzátor přidat zinkový prášek. Tato metoda je jednoduchá na provoz, ale je vyžadována přísná kontrola reakční teploty, aby se zabránilo těkání rtuťových par.
Srážková metoda
Při průchodu plynného sirovodíku do roztoku rtuťnaté soli (jako je roztok dusičné rtuti) vzniká černá sraženina -HgS. Tato metoda může upravit velikost částic a morfologii produktu řízením reakčních podmínek (jako je hodnota pH, teplota) a je vhodná pro laboratorní přípravu v malém-měřítku.
Přírodní minerální čištění
Těžba HgS z rumělkové rudy je hlavní průmyslovou výrobní metodou. Procesy zušlechťování, mletí a flotace lze získat vysoce čisté -hgS pigmenty nebo chemické suroviny. Čínské provincie Hunan a Guizhou jsou hlavními producenty rumělky a jejich technologie čištění dosáhla mezinárodní pokročilé úrovně.
Oblasti použití
Tradiční pigmenty a nátěry
-HgS je díky své živé červené barvě a vynikající odolnosti vůči povětrnostním vlivům široce používán v olejových barvách, keramických lazurách a nátěrech na dřevo. Například „rumělková červeň“ používaná renesančními malíři pochází z realgaru. Kvůli toxicitě rtuti však byla její aplikace pigmentů postupně nahrazována organickými pigmenty nebo ne-rtuťovými anorganickými pigmenty (jako je červená oxid železitý).
Tradiční medicína
V tradiční čínské medicíně a indické ajurvédské medicíně se realgar používá jako anestetikum a detoxikační prostředek. Například "Jade Red Pill" se skládá hlavně z HgS. Moderní toxikologické studie však potvrdily, že sloučeniny rtuti mohou způsobit otravu rtutí absorpcí kůží nebo požitím trávicího traktu. Proto bylo použití léků obsahujících HgS přísně omezeno nebo zakázáno.
Průmyslová katalýza a věda o materiálech
-HgS je díky své jedinečné krystalové struktuře a vlastnostem polovodičů zkoumán pro katalytické reakce a fotonická zařízení. Může být například použit jako fotokatalyzátor k rozkladu vody pro výrobu vodíku nebo jako citlivý vrstvový materiál pro infračervené detektory. Jeho použití je však stále omezeno toxicitou rtuti a environmentálními riziky.
Kontrola znečištění rtutí
HgS je konečná stabilní forma likvidace rtuti. Přeměnou rtuťových iontů v odpadní vodě na sraženiny HgS prostřednictvím chemického srážení lze významně snížit toxicitu a mobilitu rtuti. Kromě toho lze HgS použít k fixaci znečištění rtutí v půdě, čímž se zabrání jejímu vyluhování do podzemních vod dešťovou vodou.
Bezpečnostní rizika a environmentální opatření
Sulfid rtuťnatý (II) je vysoce toxická sloučenina, jejíž toxicita pochází hlavně z uvolňování rtuťových iontů (Hg²⁺). Vdechování rtuťových par nebo požití prášku HgS může vést k akutní nebo chronické otravě rtutí s příznaky zahrnujícími neurologické poškození, selhání ledvin a respirační selhání. Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) klasifikuje rtuť a její sloučeniny jako karcinogeny skupiny 2B (možná karcinogenní pro člověka).
HgS se v životním prostředí obtížně rozkládá a může se hromadit v potravním řetězci, což dlouhodobě poškozuje-ekosystém. Například HgS ve vodních útvarech může být mikroorganismy přeměněn na methylrtuť (CH₃Hg⁺), která má silnější biologickou toxicitu a neurotoxicitu a může se do lidského těla dostat prostřednictvím ryb.
Při manipulaci s HgS by měly být použity ochranné masky, rukavice a brýle, aby se zabránilo přímému kontaktu. Odpad by měl být balen a likvidován v souladu s předpisy pro nakládání s nebezpečným odpadem, např. spalováním při vysoké teplotě{1}} nebo chemickou stabilizací, aby se snížilo uvolňování rtuti. Předpisy na ochranu životního prostředí různých zemí (jako je směrnice Evropské unie o omezení nebezpečných látek RoHS) stanovily přísné limity pro použití a emise HgS.