Elavhõbe(II)sulfiid (HgS), üldtuntud kui kinaver või kalkoos, on helepunane kuusnurkne kristallühend, mis koosneb elavhõbeda ja väävli elementidest. See on ka kõige olulisem elavhõbedamaak looduses. See on tuntud oma äärmiselt erksa punase värvi ja suurepärase keemilise stabiilsuse poolest. Vana-Hiinas kasutati seda laialdaselt vermilion pigmendi ja tindina ning oli ka elavhõbeda ekstraheerimise peamine tooraine. See ei lahustu vees ja enamikus hapetes, kuid lahustub vees. HgS esineb kahel isomorfsel kujul: peale stabiilse punase -vormi (kuusnurkne kristallisüsteem) on olemas ka must -vorm (kuubikujuline kristallisüsteem), mida tuntakse musta kinaverina, millel on madalam stabiilsus ja mis võib valguse või kuumuse käes muutuda punaseks variandiks. Sellel ühendil on kõrge murdumisnäitaja ja suur tihedus. Erksa punase värvuse tõttu on seda läbi ajaloo kõrgelt hinnatud. Selle mürgisus tuleneb aga peamiselt selles sisalduvast elavhõbedaelemendist ning selle kasutamisel on vajalik korralik kaitse. Lisaks mineraloogiale ja pigmendi ajaloo uurimisele on sellel tänapäeval potentsiaalseid rakendusi ka pooljuht- ja infrapuna optilistes materjalides.
|
|
|
|
|
|
|
|
Keemilised omadused
Stabiilsus ja reaktsioonivõime
Elavhõbe(II)sulfiidil on märkimisväärne keemiline stabiilsus ja see on inerts enamiku hapete ja aluste suhtes. Näiteks toatemperatuuril ei reageeri see lahjendatud vesinikkloriidhappe või naatriumhüdroksiidi lahustega. Kõrge -temperatuuri tingimustes on aga selle stabiilsus häiritud: kui temperatuur ületab 100–150 kraadi, kokkupuutel oksüdatiivsete segudega (nt hapendatud kaaliumdikromaadi lahus ja kontsentreeritud väävelhape) toimub HgS lagunemisreaktsioon, mille käigus tekivad elavhõbedasoolad, oksüdeeritud väävliproduktid jne. See omadus tingib konkreetse tööstusliku töötlemise reaktsioonitingimuste range kontrollimise.
Isomorfsed variandid ja faasisiirded
HgS-il on kaks stabiilset isomorfset varianti: -HgS (punane kuusnurkne kristallisüsteem, kinaver) ja -HgS (must kuubikujuline kristallisüsteem, must kinaver). Need kaks varianti võivad läbida temperatuuri poolt indutseeritud pöörduvaid faasisiire: kui -HgS kuumutatakse 250 kraadini, muutub selle värv järk-järgult pruuniks ja 386 kraadi juures muutub see täielikult -HgS-ks; samas kui -HgS jahtub, muutub see punaseks -HgS. Sellel faasisiirdekarakteristikul on potentsiaalseid rakendusi materjaliteaduses, näiteks temperatuuritundlike{10}optiliste materjalide väljatöötamiseks.
Pooljuhtide omadused
-HgS-il on otsesed pooljuhtide omadused 300 K juures ja energiavahe on 2,1 eV. See omadus muudab selle väärtuslikuks optoelektrooniliste seadmete uurimisel, näiteks infrapunadetektorite või fotokatalüsaatorite tootmiseks. Elavhõbeda toksilisuse tõttu on selle pooljuhtide kasutamine siiski veel laboratoorsete uuringute staadiumis ega ole veel saavutanud turustamist.
Füüsikalised omadused
Välimus ja värv
Elavhõbe(II)sulfiidi kahel variandil on märkimisväärselt erinev välimus: -HgS on erksapunase värvusega ja seda kasutatakse sageli pigmendina; -HgS on must pulber ja sellel on ulatuslikum tööstuslik rakendus. Värvuse erinevus tuleneb Hg-S sidemete paigutusest kristallstruktuuris: -HgS-is on Hg-S sidemed paigutatud spiraalselt, mille tulemuseks on nähtava valguse selektiivne neeldumine; samas kui -HgS-s võimaldab kuubilistruktuur selle neeldumisspektril katta laiemat vahemikku.
Tihedus ja sulamistemperatuur
HgS-i tihedus on 8,10 g/cm³, mis kuulub suure tihedusega ühendite hulka. Selle sulamistemperatuur on 583,5 kraadi, kuid see laguneb enne sulamist, tekitades elavhõbedaauru ja väävliauru. See omadus nõuab kõrgel temperatuuril{5}}töötlemise ajal spetsiaalseid kaitsemeetmeid, et vältida elavhõbedaauru lekkimist.
Lahustuvus
Elavhõbe(II)sulfiid on vees peaaegu lahustumatu (lahustuvusega ainult 0,00001 g/l) ja seda on raske lahustada ka enamikus orgaanilistes lahustites. Siiski võib see lahustuda vees (kontsentreeritud vesinikkloriidhappe ja kontsentreeritud lämmastikhappe segus), tekitades lahustuvaid elavhõbeda sooli ja väävli oksüdatsiooniprodukte. Sellel lahustuvuse karakteristikul on suur tähtsus elavhõbedareostuse töötlemisel, näiteks keemilise sadestamise kaudu elavhõbeda ioonide muutmiseks HgS sademeteks, et vähendada toksilisust.
Ettevalmistusmeetodid
Otsese sünteesi meetod
Elementaarse elavhõbeda segamine väävlipulbriga molaarsuhtes 1:1 ja reageerimine kuumutamistingimustes tekitab otseselt HgS. Reaktsiooniprotsessi kiirendamiseks võib katalüsaatorina lisada tsingipulbrit. Seda meetodit on lihtne kasutada, kuid elavhõbedaaurude lendumise vältimiseks on vaja reaktsiooni temperatuuri ranget kontrolli.
Sadestamise meetod
Gaasi vesiniksulfiidi suunamisel elavhõbeda soola lahusesse (nt lämmastik-elavhõbeda lahusesse) tekib must -HgS sade. Selle meetodi abil saab reguleerida toote osakeste suurust ja morfoloogiat, kontrollides reaktsioonitingimusi (nt pH väärtust, temperatuuri) ja see sobib väikesemahuliseks laboratoorseks ettevalmistuseks.
Looduslik mineraalide puhastamine
HgS eraldamine kinaveri maagist on peamine tööstuslik tootmismeetod. Rikastamise, jahvatamise ja flotatsiooniprotsesside abil on võimalik saada kõrge -puhtusastmega HgS pigmente või keemilisi tooraineid. Hiina Hunani ja Guizhou provintsid on peamised kinaveri tootjad ning nende puhastustehnoloogia on jõudnud rahvusvahelisele kõrgtasemele.
Kasutusalad
Traditsioonilised pigmendid ja katted
-HgS-i kasutatakse oma erksa punase värvi ja suurepärase ilmastikukindluse tõttu laialdaselt õlivärvides, keraamilistes glasuurides ja puitkatetes. Näiteks renessansi maalikunstnike kasutatav "kaneelipunane" pärineb realgarist. Elavhõbeda toksilisuse tõttu on selle pigmendi kasutamine järk-järgult asendatud orgaaniliste pigmentide või mitte--elavhõbeda anorgaaniliste pigmentidega (nt punane raudoksiid).
Traditsiooniline meditsiin
Traditsioonilises Hiina meditsiinis ja India Ayurveda meditsiinis kasutatakse realgarit anesteetikumi ja detoksifitseeriva ainena. Näiteks "Jade Red Pill" koosneb peamiselt HgS-st. Kaasaegsed toksikoloogilised uuringud on aga kinnitanud, et elavhõbedaühendid võivad nahka imendudes või seedetrakti allaneelamisel põhjustada elavhõbedamürgitust. Seetõttu on HgS-i sisaldavate ravimite kasutamine rangelt piiratud või keelatud.
Tööstuslik katalüüs ja materjaliteadus
-HgS on selle ainulaadse kristallstruktuuri ja pooljuhtomaduste tõttu uuritud katalüütiliste reaktsioonide ja fotooniliste seadmete jaoks. Näiteks saab seda kasutada fotokatalüsaatorina vee lagundamiseks vesiniku tootmiseks või tundliku kihimaterjalina infrapunadetektorite jaoks. Selle kasutamist piiravad aga endiselt elavhõbeda toksilisus ja keskkonnariskid.
Elavhõbeda saastamise kontroll
HgS on elavhõbeda kõrvaldamise viimane stabiilne vorm. Muutes reovees sisalduvad elavhõbeda ioonid keemilise sadestamise teel HgS sademeteks, saab elavhõbeda toksilisust ja liikuvust oluliselt vähendada. Lisaks saab HgS-i kasutada elavhõbedareostuse fikseerimiseks pinnases, vältides selle leostumist vihmavee kaudu põhjavette.
Ohutusriskid ja keskkonnameetmed
Elavhõbe(II)sulfiid on väga mürgine ühend, mille toksilisus tuleneb peamiselt elavhõbeda ioonide (Hg²⁺) vabanemisest. Elavhõbeda aurude sissehingamine või HgS pulbri allaneelamine võib põhjustada ägedat või kroonilist elavhõbedamürgitust, mille sümptomiteks on neuroloogiline kahjustus, neerupuudulikkus ja hingamispuudulikkus. Rahvusvaheline Vähiuuringute Agentuur (IARC) liigitab elavhõbeda ja selle ühendid rühma 2B kantserogeenideks (võib-olla inimestele kantserogeenseks).
HgS-i on keskkonnas raske lagundada ja see võib koguneda toiduahela kaudu, põhjustades pikaajalist-kahju ökosüsteemile. Näiteks veekogudes oleva HgS-i võivad mikroorganismid muuta metüülelavhõbedaks (CH₃Hg⁺), millel on tugevam bioloogiline toksilisus ja neurotoksilisus ning mis võib sattuda inimorganismi kalade kaudu.
HgS-i käsitsemisel tuleb otsese kokkupuute vältimiseks kanda kaitsemaske, kindaid ja kaitseprille. Jäätmed tuleb pakendada ja kõrvaldada vastavalt ohtlike jäätmete käitlemise eeskirjadele, näiteks kõrgel temperatuuril-põletamise või keemilise stabiliseerimise teel, et vähendada elavhõbeda eraldumist. Erinevate riikide keskkonnakaitse regulatsioonid (näiteks Euroopa Liidu ohtlike ainete piiramise direktiiv RoHS) on seadnud HgS kasutamisele ja emissioonile ranged piirangud.