كبريتيد الزئبق (II) (HgS)، المعروف باسم الزنجفر أو الكالكوس، هو مركب بلوري أحمر ساطع سداسي الشكل يتكون من عناصر الزئبق والكبريت. وهو أيضًا أهم خام الزئبق في الطبيعة. يشتهر بلونه الأحمر الزاهي للغاية وثباته الكيميائي الممتاز. في الصين القديمة، كان يستخدم على نطاق واسع كصبغة وحبر قرمزي، وكان أيضًا المادة الخام الرئيسية لاستخراج الزئبق. وهو غير قابل للذوبان في الماء ومعظم الأحماض، ولكنه قابل للذوبان في الماء الملكي. يوجد كبريتات الزئبق في شكلين متماثلين: بصرف النظر عن الشكل الأحمر المستقر - (نظام بلوري سداسي)، يوجد أيضًا شكل أسود - (نظام بلوري مكعب)، يُعرف باسم الزنجفر الأسود، والذي يتمتع بثبات أقل ويمكن أن يتحول إلى الشكل الأحمر تحت الضوء أو الحرارة. يحتوي هذا المركب على معامل انكسار عالي وكثافة عالية. نظرًا للون الأحمر الزاهي، فقد حظيت بتقدير كبير عبر التاريخ. إلا أن سميته تنبع بشكل رئيسي من عنصر الزئبق الذي يحتوي عليه، ومن الضروري الحماية المناسبة عند استخدامه. إلى جانب أبحاث علم المعادن وتاريخ الأصباغ، فإن لها أيضًا تطبيقات محتملة في المواد البصرية لأشباه الموصلات والأشعة تحت الحمراء في العصر الحديث.
|
|
|
|
|
|
|
|
الخواص الكيميائية
الاستقرار والتفاعل
يُظهر كبريتيد الزئبق (II) ثباتًا كيميائيًا ملحوظًا ويظهر خمولًا تجاه معظم الأحماض والقواعد. على سبيل المثال، في درجة حرارة الغرفة، لا يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك المخفف أو محاليل هيدروكسيد الصوديوم. ومع ذلك، في ظل ظروف درجات الحرارة العالية-، يتعطل استقراره: عندما تتجاوز درجة الحرارة 100-150 درجة، وإذا لامس الخلائط المؤكسدة (مثل محلول ثاني كرومات البوتاسيوم المحمض وحمض الكبريتيك المركز)، يخضع كبريتيد الزئبق لتفاعل تحلل، مما يؤدي إلى توليد أملاح الزئبق والكبريت العنصري والمنتجات المؤكسدة الأخرى. تجعل هذه الخاصية من الضروري التحكم الصارم في ظروف التفاعل في معالجة صناعية محددة.
المتغيرات المتماثلة وانتقالات المرحلة
يحتوي HgS على متغيرين متماثلين مستقرين: -HgS (نظام بلوري سداسي أحمر، الزنجفر) و-HgS (نظام بلوري مكعب أسود، الزنجفر الأسود). يمكن أن يخضع هذان المتغيران لتحولات طورية عكسية ناجمة عن درجة الحرارة: عندما يتم تسخين -HgS إلى 250 درجة، يتغير لونه تدريجيًا إلى اللون البني، ويتحول تمامًا إلى -HgS عند 386 درجة؛ بينما عندما يبرد -HgS فإنه يعود إلى اللون الأحمر -HgS. تتمتع خاصية الانتقال الطوري هذه بتطبيقات محتملة في علم المواد، على سبيل المثال، لتطوير مواد بصرية حساسة لدرجة الحرارة.
خصائص أشباه الموصلات
-يظهر HgS خصائص أشباه الموصلات المباشرة عند 300 كلفن، مع فجوة طاقة تبلغ 2.1 فولت. هذه الخاصية تجعلها ذات قيمة للاستكشاف في مجال الأجهزة الإلكترونية البصرية، مثل استخدامها لتصنيع أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء أو المحفزات الضوئية. ومع ذلك، ونظراً لسمية الزئبق، فإن تطبيقات أشباه الموصلات لا تزال في مرحلة الأبحاث المختبرية ولم يتم تسويقها بعد.
الخصائص الفيزيائية
المظهر واللون
يتميز النوعان المتغيران من كبريتيد الزئبق (II) بمظهرين مختلفين إلى حد كبير: -يظهر HgS بلون أحمر زاهي وغالبًا ما يستخدم كصبغة؛ -HgS هو مسحوق أسود وله تطبيقات صناعية أكثر شمولاً. ينبع اختلاف اللون من ترتيب روابط Hg-S في البنية البلورية: في -HgS، يتم ترتيب روابط Hg-S بطريقة حلزونية، مما يؤدي إلى امتصاص انتقائي للضوء المرئي؛ بينما في -HgS، يسمح الهيكل المكعب لطيف الامتصاص الخاص به بتغطية نطاق أوسع.
الكثافة ونقطة الانصهار
تبلغ كثافة HgS 8.10 جم/سم مكعب، وهي تنتمي إلى مركب عالي الكثافة-. نقطة انصهاره هي 583.5 درجة، لكنه سوف يتحلل أولا قبل الذوبان، ويولد بخار الزئبق وبخار الكبريت. تتطلب هذه الخاصية إجراءات وقائية خاصة أثناء معالجة درجات الحرارة المرتفعة-لمنع تسرب بخار الزئبق.
الذوبان
كبريتيد الزئبق (II) غير قابل للذوبان تقريبًا في الماء (مع قابلية ذوبان تبلغ 0.00001 جم / لتر فقط) ويصعب أيضًا ذوبانه في معظم المذيبات العضوية. ومع ذلك، فإنه يمكن أن يذوب في الماء الملكي (خليط من حمض الهيدروكلوريك المركز وحمض النيتريك المركز)، مما يولد أملاح الزئبق القابلة للذوبان ومنتجات أكسدة الكبريت. ولخاصية الذوبان هذه أهمية كبيرة في معالجة التلوث بالزئبق، على سبيل المثال، من خلال الترسيب الكيميائي لتحويل أيونات الزئبق إلى راسب زئبق الزئبق لتقليل السمية.
طرق التحضير
طريقة التوليف المباشر
يؤدي خلط عنصر الزئبق مع مسحوق الكبريت بنسبة مولارية 1:1 والتفاعل تحت ظروف التسخين إلى إنتاج غاز الزئبق مباشرة. لتسريع عملية التفاعل، يمكن إضافة مسحوق الزنك كمحفز. هذه الطريقة سهلة التشغيل، ولكن يلزم التحكم الصارم في درجة حرارة التفاعل لتجنب تطاير بخار الزئبق.
طريقة هطول الأمطار
يؤدي تمرير غاز كبريتيد الهيدروجين إلى محلول ملح الزئبق (مثل محلول زئبق النيتريك) إلى توليد راسب -HgS أسود. يمكن لهذه الطريقة ضبط حجم الجسيمات وشكلها للمنتج من خلال التحكم في ظروف التفاعل (مثل قيمة الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة)، وهي مناسبة للتحضير المعملي على نطاق صغير-.
تنقية المعادن الطبيعية
يعد استخراج HgS من خام الزنجفر طريقة الإنتاج الصناعي الرئيسية. ومن خلال عمليات الإثراء والطحن والتعويم، يمكن الحصول على -أصباغ HgS عالية النقاء أو مواد خام كيميائية. تعد مقاطعتا هونان وقويتشو الصينيتان من المنتجين الرئيسيين للزنجفر، وقد وصلت تكنولوجيا التنقية الخاصة بهما إلى مستويات دولية متقدمة.
مجالات التطبيق
الأصباغ والطلاءات التقليدية
-يستخدم كبريتات الزئبق، نظرًا للون الأحمر الزاهي ومقاومته الممتازة للعوامل الجوية، على نطاق واسع في الدهانات الزيتية وطلاءات السيراميك وطلاءات الخشب. على سبيل المثال، "اللون الأحمر الزنجفر" الذي استخدمه رسامي عصر النهضة نشأ من مادة الرغار. ومع ذلك، ونظرًا لسمية الزئبق، فقد تم استبدال تطبيق الصبغ الخاص به تدريجيًا بأصباغ عضوية أو أصباغ غير عضوية غير زئبقية (مثل أكسيد الحديد الأحمر).
الطب التقليدي
في الطب الصيني التقليدي والطب الهندي الأيورفيدا، يتم استخدام الريغار كعامل مخدر ومزيل للسموم. على سبيل المثال، "حبة اليشم الحمراء" تتكون أساسًا من كبريتات الزئبق. ومع ذلك، فقد أكدت الدراسات السمية الحديثة أن مركبات الزئبق يمكن أن تسبب التسمم بالزئبق من خلال امتصاص الجلد أو ابتلاعه عن طريق الجهاز الهضمي. لذلك، تم تقييد أو حظر استخدام الأدوية التي تحتوي على HgS بشكل صارم.
التحفيز الصناعي وعلوم المواد
-يتم استكشاف كبريتات الزئبق، نظرًا لبنيته البلورية الفريدة وخصائص أشباه الموصلات، في التفاعلات الحفزية والأجهزة الضوئية. على سبيل المثال، يمكن استخدامه كمحفز ضوئي لتحليل الماء لإنتاج الهيدروجين، أو كمادة طبقة حساسة لكاشفات الأشعة تحت الحمراء. ومع ذلك، لا يزال تطبيقه محدودًا بسبب سمية الزئبق والمخاطر البيئية.
مكافحة التلوث بالزئبق
HgS هو الشكل المستقر النهائي للتخلص من الزئبق. ومن خلال تحويل أيونات الزئبق الموجودة في مياه الصرف الصحي إلى رواسب زئبق الزئبق من خلال الترسيب الكيميائي، يمكن تقليل سمية الزئبق وحركته بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام HgS لإصلاح التلوث بالزئبق في التربة، ومنعه من التسرب إلى المياه الجوفية من خلال مياه الأمطار.
مخاطر السلامة والتدابير البيئية
كبريتيد الزئبق (II) هو مركب شديد السمية، وتأتي سميته بشكل رئيسي من إطلاق أيونات الزئبق (Hg²⁺). يمكن أن يؤدي استنشاق بخار الزئبق أو ابتلاع مسحوق HgS إلى التسمم بالزئبق الحاد أو المزمن، مع أعراض تشمل الضرر العصبي، والفشل الكلوي، وفشل الجهاز التنفسي. تصنف الوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC) الزئبق ومركباته على أنها مواد مسرطنة من المجموعة 2B (من المحتمل أن تكون مسرطنة للإنسان).
يصعب تحلل كبريتات الزئبق (HgS) في البيئة ويمكن أن يتراكم عبر السلسلة الغذائية، مما يسبب ضررًا طويل الأمد- للنظام البيئي. على سبيل المثال، يمكن تحويل HgS في المسطحات المائية عن طريق الكائنات الحية الدقيقة إلى ميثيل الزئبق (CH₃Hg⁺)، الذي له سمية بيولوجية وسمية عصبية أقوى ويمكن أن يدخل جسم الإنسان عن طريق الأسماك.
عند التعامل مع كبريتات الزئبق، يجب ارتداء الأقنعة الواقية والقفازات والنظارات الواقية لتجنب الاتصال المباشر. يجب تعبئة النفايات والتخلص منها وفقًا للوائح إدارة النفايات الخطرة، مثل الحرق في درجات حرارة عالية- أو التثبيت الكيميائي لتقليل إطلاق الزئبق. لقد وضعت لوائح حماية البيئة في مختلف البلدان (مثل توجيه الاتحاد الأوروبي لتقييد المواد الخطرة (RoHS) حدودًا صارمة على استخدام وانبعاثات HgS.