كبريتيد الزنك

كبريتيد الزنك مركب غير عضوي صيغته الكيميائية ZnS. [ 2 ] وهو الشكل الرئيسي للزنك الموجود في الطبيعة، حيث يوجد بشكل أساسي على هيئة معدن السفاليريت . على الرغم من أن هذا المعدن عادةً ما يكون أسود اللون بسبب الشوائب المختلفة، إلا أن المادة النقية بيضاء اللون، وتُستخدم على نطاق واسع كصبغة. في شكله الصناعي الكثيف، يكون كبريتيد الزنك شفافًا ، ويُستخدم كنافذة في البصريات المرئية والأشعة تحت الحمراء .

بناء

السفاليريت، وهو الشكل البلوري الأكثر شيوعًا لكبريتيد الزنك
وورتزيت، وهو الشكل البلوري الأقل شيوعًا لكبريتيد الزنك

يوجد كبريتيد الزنك (ZnS) في شكلين بلوريين رئيسيين . هذه الازدواجية مثال على تعدد الأشكال البلورية . في كلا الشكلين، يكون التنسيق الهندسي لذرات الزنك والكبريت رباعي الأوجه. يُعرف الشكل المكعب الأكثر استقرارًا باسم الزنك بليند أو السفاليريت . أما الشكل السداسي فيُعرف باسم معدن الورتزيت ، على الرغم من إمكانية إنتاجه صناعيًا أيضًا. [ 3 ] يحدث التحول من شكل السفاليريت إلى شكل الورتزيت عند حوالي 1020 درجة مئوية . 

التطبيقات

مادة مضيئة

عينات من كبريتيد الزنك مع مستويات متفاوتة من فراغات الكبريت .

يُظهر كبريتيد الزنك، مع إضافة بضعة أجزاء في المليون من مُنشِّط مناسب ، خاصية الفسفورية القوية . وقد وصف نيكولا تيسلا هذه الظاهرة عام 1893، [ 4 ] وتُستخدم حاليًا في العديد من التطبيقات، بدءًا من أنابيب أشعة الكاثود مرورًا بشاشات الأشعة السينية وصولًا إلى المنتجات المُضيئة في الظلام . عند استخدام الفضة كمُنشِّط، يكون اللون الناتج أزرقًا ساطعًا، مع ذروة عند 450 نانومترًا . أما استخدام المنغنيز فيُنتج لونًا برتقاليًا مُحمرًا عند حوالي 590 نانومترًا. يُعطي النحاس توهجًا أطول، ويتميز بتوهج أخضر مألوف في الظلام. يُستخدم كبريتيد الزنك المُطعَّم بالنحاس ("ZnS + Cu") أيضًا في الألواح الكهروضوئية . [ 5 ] كما يُظهر خاصية الفسفورية بسبب الشوائب عند إضاءته بضوء أزرق أو فوق بنفسجي .

مادة بصرية

يُستخدم كبريتيد الزنك أيضًا كمادة بصرية للأشعة تحت الحمراء ، حيث ينقل الضوء من الأطوال الموجية المرئية إلى ما يزيد قليلاً عن 12 ميكرومترًا . ويمكن استخدامه بشكل مسطح كنافذة بصرية أو تشكيله على هيئة عدسة . يُصنع على هيئة صفائح دقيقة التبلور من خلال التخليق من غاز كبريتيد الهيدروجين وبخار الزنك، ويُباع هذا المنتج تحت اسم FLIR (الأشعة تحت الحمراء الأمامية)، حيث يكون كبريتيد الزنك في صورة معتمة ذات لون أصفر حليبي. عند ضغط هذه المادة بالضغط المتساوي الساخن (HIP)، يمكن تحويلها إلى شكل شفاف كالماء يُعرف باسم Cleartran (علامة تجارية). سُوِّقت الأشكال التجارية الأولى منه باسم Irtran-2، ولكن هذا الاسم أصبح الآن غير مستخدم.

صبغة

كبريتيد الزنك هو صبغة شائعة ، ويسمى أحيانًا الساكتوليث. عند دمجه مع كبريتات الباريوم، يشكل كبريتيد الزنك الليثوبون . [ 6 ]

المحفز

يُعد مسحوق كبريتيد الزنك الناعم محفزًا ضوئيًا فعالًا ، حيث يُنتج غاز الهيدروجين من الماء عند تعرضه للضوء. ويمكن إدخال فراغات الكبريت في كبريتيد الزنك أثناء تصنيعه؛ مما يُحوّل لونه الأبيض المصفر تدريجيًا إلى مسحوق بني، ويعزز النشاط التحفيزي الضوئي من خلال زيادة امتصاص الضوء. [ 1 ]

خصائص أشباه الموصلات

يُعد كل من السفاليريت والوورتزيت من أشباه الموصلات الجوهرية ذات فجوة النطاق الواسعة . وهما من أشباه الموصلات النموذجية من النوع II-VI ، ويتخذان بنىً مشابهة للعديد من أشباه الموصلات الأخرى، مثل زرنيخيد الغاليوم . يمتلك الشكل المكعب لكبريتيد الزنك فجوة نطاق تبلغ حوالي 3.54 إلكترون فولت عند 300 كلفن ، بينما يمتلك الشكل السداسي فجوة نطاق تبلغ حوالي 3.91 إلكترون فولت. ويمكن تطعيم كبريتيد الزنك ليصبح شبه موصل من النوع n أو شبه موصل من النوع p .

تاريخ

أُبلغ عن خاصية الفسفورية لكبريتيد الزنك (ZnS) لأول مرة من قبل الكيميائي الفرنسي تيودور سيدوت عام 1866. وقدّم نتائجه لاحقًا أ. إ. بيكريل ، المعروف بأبحاثه في مجال التألق الضوئي . [ 7 ] استخدم إرنست رذرفورد وآخرون كبريتيد الزنك في السنوات الأولى للفيزياء النووية ككاشف وميضي ، نظرًا لانبعاثه الضوء عند إثارته بالأشعة السينية أو حزمة الإلكترونات ، مما جعله مفيدًا في شاشات الأشعة السينية وأنابيب أشعة الكاثود. [ 8 ] هذه الخاصية جعلت كبريتيد الزنك مفيدًا في موانئ ساعات الراديوم.

إنتاج

يُنتج كبريتيد الزنك عادةً من مخلفات تطبيقات أخرى. تشمل المصادر الشائعة مصاهر المعادن، والخبث، ومحاليل التخليل. [ 6 ] على سبيل المثال، يتطلب تصنيع الأمونيا من الميثان إزالة شوائب كبريتيد الهيدروجين الموجودة في الغاز الطبيعي مسبقًا ، والتي يُستخدم فيها أكسيد الزنك . ينتج عن هذه العملية كبريتيد الزنك.

ZnO + H₂S ZnS + H₂O

التحضير المختبري

يمكن إنتاج كبريتيد الزنك الخام عن طريق إشعال خليط من الزنك والكبريت. [9] وبشكل أكثر تقليدية ، يتم تحضير ZnS عن طريق معالجة محلول حمضي خفيف من أملاح Zn2 + مع H2S : [ 10 ]

Zn²⁺ + S²⁻ZnS

يُعد هذا التفاعل أساسًا للتحليل الوزني للزنك. [ 11 ]

مراجع

  1. وانغ ، غانغ؛ هوانغ، بايبياو؛ لي، تشوجي؛ لو، زايزو؛ وانغ، زيان؛ داي، يينغ؛ وانغبو، ميونغ هوان (2015). " تخليق وتوصيف كبريتيد الزنك (ZnS) بكمية مضبوطة من فراغات الكبريت لإنتاج الهيدروجين الضوئي التحفيزي تحت الضوء المرئي" . التقارير العلمية . 5 8544. Bibcode : 2015NatSR...5.8544W . doi : 10.1038/srep08544 . PMC 4339798. PMID 25712901 .  
  2. بينتو، فيليبي (2026). "تصميم أنظمة التحفيز الضوئي القائمة على كبريتيد الزنك: من هندسة العيوب إلى علاقات البنية والنشاط والتطبيقات الوظيفية". مجلة الهندسة الكيميائية البيئية . 14 (3) 122579. doi : 10.1016/j.jece.2026.122579 .
  3. ويلز، أ. ف. (1984)، الكيمياء اللاعضوية البنيوية ( الطبعة الخامسة)، أكسفورد: مطبعة كلارندون، رقم ISBN  0-19-855370-6.
  4. تيسلا، نيكولا (1894). "اختراعات وأبحاث وكتابات نيكولا تيسلا" . أرشيف الإنترنت . ص 290. تاريخ الاسترجاع: 2 يناير 2024 . 
  5. ^ كارل أ. فرانز، فولفغانغ جي كير، ألفريد سيغل، يورغن فيتسوريك، وفالديمار آدم “المواد المضيئة” في موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية 2002، وايلي-VCH، واينهايم. دوى : 10.1002/14356007.a15_519
  6. 1 2 جيرهارد أوير، بيتر فوديتش، أكسل فيسترهاوس، يورغن كيشكيويتز، وولف-ديتر جريبلر ومارسيل ليدكيرك "أصباغ، غير عضوية، 2. أصباغ بيضاء" في موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية 2009، وايلي-في سي إتش، واينهايم. دوى : 10.1002/14356007.n20_n01
  7. ^ سيدوت، ت. (1866). "Sur les propriétés de la Blende Hexagonale" . كومبت. مزق. 63 : 188 – 189.
  8. غرينوود، نورمان ن.؛ إيرنشو، آلان (1984). كيمياء العناصر . أكسفورد: مطبعة بيرغامون . ص 1405. ISBN  978-0-08-022057-4.
  9. ^ كوستال ، ر. (1931). "دراسة فوسفور كبريت الزنك الأول - طريقة الانفجار". جورنال دي تشيمي فيزيك . 28 : 277– 298. بيب كود : 1931JCP....28..277C . دوى : 10.1051/جكب/1931280277 .
  10. ف. واجنكنيشت؛ ر. جوزا (1963). "كبريتيد الزنك". في ج. براور (محرر). دليل الكيمياء اللاعضوية التحضيرية . المجلد 2 ( الطبعة الثانية). نيويورك: أكاديميك برس. ص 1075.   
  11. ميندهام، ج.؛ ديني، ر. س.؛ بارنز، ج. د.؛ توماس، م. ج. ك. (2000)، التحليل الكيميائي الكمي لفوغل ( الطبعة السادسة)، نيويورك: برنتيس هول، رقم ISBN  0-582-22628-7