في الكيمياء إن مركب كبريتيد الزنك عبارة عن مركب كيميائي غير عضوي، يتكون من عنصري الكبريت والزنك ويمتلك الصيغة الكيميائية التالية: (ZnS)، يوجد كبريتيد الزنك في الطبيعة في شكلين معدنيين بلوريين وهما: وورتزيت (Wurtzite)، والسفاليرايت (Sphalerite)، وخام الكبريتيد هو معدن الزنك الرئيسي، وبالنسبة لصيغة كبريتيد الزنك والمعروفة أيضًا باسم صيغة (Zincblende) أو صيغة (Wurtzite)، فإن هيكلها بسيط ويتكون من ذرة معدن الزنك والكبريت المرتبطة ببعضها البعض عبر رابطة تساهمية قطبية.
معلومات عامة عن كبريتيد الزنك
يتم الحصول على كبريتيد الزنك على شكل بلورة بيضاء أو بيضاء صفراء، يظهر السفاليرايت على شكل بلورة بيضاء رمادية، وهو غير قابل للذوبان في الماء وكذلك أكثر كثافة منه، وبطبيعة الحال فإنه يحدث على شكل مزيج الزنك المعدني، وهو خليط من كبريتيد الزنك والحديد، ويمكن تصنيعه عن طريق احتراق خليط من الكبريت والزنك، وتتفاعل كبريتات الزنك مع كبريتيد الصوديوم أو يتم تمرير غاز كبريتيد الهيدروجين عبر أي محلول يحتوي على أيونات الزنك يؤدي إلى ترسيب (ZnS) غير القابل للذوبان، ونظرًا لخاصية الإنارة، فإن لها تطبيقات واسعة.
- يتحلل هذا المركب في وجود عوامل مؤكسدة وأحماض، وكبريتيد الزنك ليس ضارًا للإنسان ولكنه خطر على البيئة، يمكن أن يخترق التربة وتلوث المياه الجوفية، لذلك يجب اتخاذ تدابير فورية لإيقافها، يُستخرج كبريتيد الزنك من الرواسب الطبيعية ويتركز بواسطة عمليات مختلفة، أيضًا، يمكن تحضير كبريتيد الزنك في المختبر عن طريق تمرير كبريتيد الهيدروجين عبر محلول مائي لملح الزنك القابل للذوبان.
- قد يكون الملح كلوريد الزنك أو نترات الزنك، يتم ترشيح الراسب وغسله وتجفيفه، وإن عملية الإنتاج مشابه لإنتاج الليثوبون، حيث أنه يتم خلط محلول (Na2S) مع محلول ملح الزنك تحت ظروف مضبوطة بدقة، ويتم تحميص راسب كبريتيد الزنك الناتج ومعالجته من أجل إعطاء المنتج النهائي، كما في المعادلة الكيميائية التالية:
Na2S + ZnSO4 → ZnS + Na2SO4.
- في علم السموم يُسمح باستخدام كبريتيد الزنك وكبريتات الباريوم عند ملامسة الأطعمة من قبل إدارة الغذاء والدواء (الولايات المتحدة) وفي معظم الدول الأوروبية، تنطبق بعض القيود في فرنسا وإيطاليا والمملكة المتحدة وتشيكوسلوفاكيا، يعتبر الزنك القابل للذوبان سامًا بكميات كبيرة، لكن جسم الإنسان يحتاج إلى كميات صغيرة (10-15 مجم في اليوم) من أجل التمثيل الغذائي.
- كبريتيد الزنك غير ضار للإنسان بسبب انخفاض قابليته للذوبان، تركيز الحمض في المعدة ومعدل الذوبان بعد الابتلاع غير كافيين لإنتاج كميات كبيرة من الناحية الفسيولوجية من الزنك القابل للذوبان، تتجاوز قيم (LD50) في الجرذ 15 جم كجم -1، لم يلاحظ أي حالات تسمم أو ضرر مزمن بالصحة في تصنيع أصباغ كبريتيد الزنك.
خصائص كبريتيد الزنك الكيميائية والفيزيائية
الخصائص الفيزيائية لكبريتيد الزنك
إن كبريتيد الزنك مركب ذو لون أبيض إلى مسحوق أبيض رمادي أو أصفر شاحب، يوجد في شكلين بلوريين ألفا وبيتا شكل وورتزيت له هيكل بلوري سداسي معامل الانكسار له 2.356 والكثافة 3.98 جم لكل سم مكعب، يذوب عند 1700 درجة مئوية، وهو غير قابل للذوبان عمليا في الماء أي حوالي 6.9 ملغم لكل لتر، كما أنه غير قابل للذوبان في القلويات، ولكنه قابل للذوبان في الأحماض المعدنية.
- بينما يرتب شكل السفاليريت في حالة بلورية مكعبة، وله معامل انكسار 2.368 والكثافة 4.102 جم لكل سم مكعب، التغييرات في شكل ألفا عند 1020 درجة مئوية، عمليا غير قابل للذوبان في الماء أي بنسبة 6.5 ملغم لكل لتر، ولكنه قابل للذوبان في الأحماض المعدنية، وغير قابل للذوبان في القلويات، عندما يحتوي كبريتيد الزنك على ماء، فإنه يتأكسد ببطء إلى كبريتات عند التعرض للهواء.
الخصائص الكيميائية لكبريتيد الزنك
كبريتيد الزنك (ZnS) هو ملح موجود بشكل طبيعي، وهو المصدر الرئيسي للزنك، له شكلين بلوريين شائعين (متعددات الأشكال): السفاليرايت مع هيكل بلوري مكعب وهو الشكل السائد في الطبيعة، وورتزيك ذو البلورات السداسية ويعتبر أكثر ندرة في الطبيعة، ولكن يمكن تصنيعه عن طريق تسخين السفاليرايت إلى درجة حرارة -1020 درجة مئوية.
- في الطبيعة تحتوي كلتا الأشكال المتعددة (ZnS) عادةً على كميات كبيرة من الحديد مما يجعلها تبدو سوداء، والأملاح المنقاة من الأبيض إلى الأصفر الشاحب أو الرمادي، والاستخدام الأكثر شيوعًا له هو صبغة للدهانات والبلاستيك والمطاط، وهناك (Lithopone) الذي هو خليط من كبريتيد الزنك وكبريتات الباريوم (BaSO4)، وهو صبغة مستخدمة على نطاق واسع للدهانات منخفضة اللمعان.
- كبريتيد الزنك هو مادة فسفورية مما يجعله مفيدًا للعديد من التطبيقات الإلكترونية والزخرفية، ومن بين الاستخدامات السابقة له كانت الأشعة السينية وشاشات التليفزيون وأقراص الساعة، في عصر التكنولوجيا النانوية هذا فإنه غالبًا ما يشكل أغلفة النقاط الكمومية لأشباه الموصلات، مع سيلينيد الكادميوم (CdSe) كالنوى.
- كبريتيد الزنك الفسفوري وغير السام يجعله مثاليًا للاستخدام في مستحضرات التجميل “المضيئة في الظلام”، وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على هذا الاستخدام في عام 2000 ميلادي ووفقًا لإدارة الغذاء والدواء “إنه اللون الوحيد المضيء المعتمد للاستخدام في مستحضرات التجميل، وهو ليس للاستخدام اليومي وليس بالقرب من عينيك، ويمكنك التعرف عليها من خلال وهجها المائل إلى البياض والمصفر والأخضر “.
- إن كبريتيد الزنك عبارة عن مجموعة من مواد أشباه الموصلات ذات فجوة واسعة النطاق II – VI مع فجوة نطاق، والتي تتراوح بين 3.6-3.8 فولت، ويحتوي كبريتيد الزنك على نوعين من الهياكل البلورية وهما السفاليرايت (خليط الزنك) ووورتزيك، ومن بين الاثنين فإنه يُشار إلى مزيج الزنك أيضًا باسم (β ‐ ZnS) وهو مستقر عند درجة حرارة منخفضة.
- في حين أن وورتزيك الذي يشار إليه أيضًا باسم (α-ZnS)، يكون مستقرًا عند درجة حرارة> 1024 درجة مئوية، من الصعب أكسدة كبريتيد الزنك والتحلل بالماء، وتجدر الإشارة إلى أن هذه الخصائص لا تتغير حتى عندما يتم تقليل حجم كبريتيد الزنك إلى مقياس نانومتر، لذلك تُظهر المواد النانوية منه نشاط تحفيزي ضوئي ممتاز.
- علاوة على ذلك، فإن كبريتيد الزنك غير سام ومن السهل تصنيعه واستخدامه على نطاق واسع، نجحت العديد من الدراسات في تخليق مادة نانوية منخفضة الأبعاد مثل الجسيمات النانوية لكبريتيد الزنك والأسلاك النانوية والأنابيب النانوية والصفائح النانوية، والخصائص التالية هي الأساليب الثلاثة الأكثر شيوعًا لتعزيز نشاط التحفيز الضوئي لكبريتيد الزنك.
- أولا: يتم زيادة مساحة السطح عن طريق تغيير مورفولوجيا كبريتيد الزنك، ويمكن أن تزيد مساحة السطح المحددة العالية الموقع النشط على سطح كبريتيد الزنك، ويمكن أن تزيد من مساحة التلامس بين كبريتيد الزنك والمتفاعل وبالتالي زيادة نشاط التحفيز الضوئي، ثانيا: تغيير الخصائص الإلكترونية وهيكل النطاق لكبريتيد الزنك من خلال المنشطات مع المعادن الأخرى والعناصر غير المعدنية.
- حيث أنه يتم تحسين معدل امتصاص كبريتيد الزنك للضوء المرئي، وبالتالي تحسين كفاءة التحفيز الضوئي له، ثالثا: يشكل كبريتيد الزنك ارتباطًا غير متجانس مع أشباه موصلات أخرى أو بنية مركبة مع معادن نبيلة لتقليل معدل إعادة تركيب ثقب الإلكترون، وبالتالي تحسين أداء التحفيز الضوئي لكبريتيد الزنك .
