«Золото дураков», «золото инков», талисман мужества и отваги… Интересно, про что речь? О загадочных халькогенидах «ЗН» расспросила Елену Павловну Харнутову, к. х. н., доцента кафедры техносферной безопасности и аналитической химии АлтГУ.
6 + 1
Халькогениды – химические соединения халькогенов: кислорода, серы, селена, теллура, полония, ливермория с металлами. Кислород формально относится к семейству халькогенов, но его соединения обычно не причисляют к халькогенидам, выделяя в отдельный класс соединений – оксиды. Среди халькогенидов широкое применение имеют сульфиды металлов р- и d-элементов.
Источник: www.commons.wikimedia.org
Сульфиды металлов – это бинарные соединения серы с металлами. Многие из них встречаются в природе в виде красивых минералов: минерал молибденит (сульфид молибдена MoS2) – свинцово-серого цвета с голубоватым оттенком, киноварь (сульфид ртути HgS) – ярко-красного цвета, сфалерит (сульфид цинка ZnS) – от почти бесцветного, желтоватого или зеленоватого цвета до черного и галенит (сульфид свинца PbS) – свинцово-серый с голубоватым отливом и другие.
Сульфиды металлов отличаются большим разнообразием кристаллических структур, характером и типом связи, склонностью к образованию цепочечных структур. Свойства сульфидов зависят от металла, входящего в их состав. Именно благодаря разнообразию свойств кристаллические сульфиды находят широкое применение в промышленности. Многие сульфиды металлов, например CuS, ZnS, CdS, PbS, Ga2S3, CeS2, применяются в качестве полупроводниковых материалов.
Из газа – в молекулу
Минерал аурипигмент, камень «цвета золота», можно спутать с драгоценным металлом. Его игольчатые кристаллы добавляют глубины и прозрачности красивому желтому цвету. Вот только в руках его держать не рекомендуется, поскольку это сульфид мышьяка As2S3. В древности места залегания этого минерала люди называли проклятыми.
Пирит (сульфид железа FeS2) – самый распространенный сульфид, который из-за блеска часто принимают за золото. Существует гипотеза «мира сульфидов железа», согласно которой ранняя жизнь зародилась на поверхностях кристаллов сульфидов железа в гидротермальных источниках (при температуре 100°С и высоком давлении). Эта форма жизни со сложной химической структурой использовала каталитические центры на основе таких переходных металлов, как железо и никель, а также цинка, кобальта, марганца и вольфрама. Роль сульфида железа в условиях, царивших в древних горячих источниках, оставалась малоизученной. В 2024 году ученые из Нанкинского института геологии и палеонтологии (КНР) и Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) опубликовали исследование в журнале Nature Communications, в котором предположили, что сульфиды железа способствовали превращению углекислого газа в пребиотические органические молекулы. То есть результаты исследования помогают понять, как простые неорганические соединения могли превращаться в органические молекулы без участия живых организмов, и объясняют возникновение первых молекул – предшественниц жизни на Земле.
Даешь промышленность
Сульфид цинка и сульфид кадмия служат основой люминофоров для кинескопов и мониторов. Сульфид кадмия дает зеленое свечение, а сульфид цинка, активированный серебром или медью, – синее. Широкая область применения сульфидов германия, олова и свинца – изготовление лазеров и приемников излучения для длинноволновой области спектра. Мощность таких лазеров в 103–109 раз больше, чем у тепловых источников излучения, что позволяет их использовать в быстродействующих спектрометрах высокого разрешения для контроля состава атмосферы, в молекулярной спектроскопии, в системах дальней космической связи. Еще одна широкая область применения этих сульфидов – термоэлектрические устройства, работающие в интервале температур от комнатной до 800–900 К. Термоэлектрические генераторы на их основе – незаменимые источники питания для автономных установок наземного и космического использования. Известно, что для улучшения противоизносных свойств деталей машин используют масла и смазки с добавлением антифрикционных присадок. К таким присадкам относятся и сульфиды молибдена и вольфрама. Их часто применяют в виде сухой смазки, в составе консистентных смазок, в виде суспензии в масле в машиностроении, авиации, металлообработке, электрооборудовании. Сульфиды молибдена и вольфрама обладают стойкостью к воздействию высокой температуры и давлений и выполняют роль смазки даже в инертных средах и вакууме. По сравнению с другими твердыми смазочными материалами, такими как графит, дисульфиды вольфрама и молибдена обладают лучшими противоизносными и смазочными свойствами на воздухе при температуре до 300–400°С и в вакууме до 1000°С. Благодаря этому они находят применение в космической технике.
Очистить нефть
Моя диссертационная работа под руководством доктора химических наук Эдуарда Ивановича Перова была посвящена разработке экологически безопасного способа получения сульфидов металлов, так как в большинстве случаев сульфиды получают с использованием токсичного газообразного сероводорода. Это небезопасно с экологической точки зрения, так как максимальное содержание загрязняющего вещества (предельно допустимой концентрации) H2S в рабочей зоне составляет 10 мг/м3. Мы же разработали и запатентовали способ, в котором реакция получения сероводорода совмещена с синтезом сульфидов в неводной среде жидких н-алканов.
В связи с этим одним из перспективных направлений является использование метода получения сульфидов металлов в среде н-алканов как способа очистки нефти и нефтепродуктов от серы и серосодержащих соединений. Известно, что нефть содержит от 0,2 до более 3 % серы. Очистка нефти и нефтепродуктов от серы связана с постоянным повышением требований к качеству топлива и с решением вопросов охраны окружающей среды.
В смоделированном нами образце парафиновой нефти степень извлечения серы составила более 80 %, что сопоставимо со степенью извлечения известными промышленными методами. Еще одно направление – получение композиций полиметакрилата, легированных сульфидом цинка, обладающих фотолюминесцентными свойствами. Это исследование проводится совместно с доктором химическим наук, профессором Владимиром Петровичем Смагиным и кандидатом химических наук, доцентом Линой Викторовной Затонской.
Сульфид? Один профит!
Сульфиды металлов использовали еще в древние времена. Например, молибденит (сульфид молибдена MoS2) использовали для письма вместо грифеля – линия, которую оставляет молибденит, имеет зеленоватый оттенок в отличие от графитовой.
Сульфид железа находит применение в металлургии, медицине и химической промышленности.
Обладая восстановительными свойствами, сульфид железа необходим для обработки органики в качестве катализатора для получения сероводорода. Как восстановитель он используется и в металлургической промышленности при изготовлении безуглеродистых, легированных и нержавеющих сталей. Сульфид кобальта применяется в органическом синтезе в качестве катализатора для гидрирования под давлением органических соединений. Сульфид никеля – в качестве катализатора при гидрогенизации и дегидрогенизации. Эти реакции широко применяются для получения органических веществ как в лаборатории, так и в промышленности, в некоторых процессах очистки, в нефтеперерабатывающей промышленности – для регулирования фракционного состава, удаления серо- и азотсодержащих соединений.
Сульфиды металлов применяют в медицине. Так сульфид железа используют в составе грязевых купаний, обертываний для улучшения состояния кожи, например при атопическом дерматите и себорее. Сульфид цинка применяют в составе кремов и мазей для лечения кожных заболеваний.
Сульфид меди используют в качестве фотопоглощающего материала для фототермической терапии, который выделяет тепло при непрерывном лазерном облучении, уничтожая раковые клетки, но не причиняя вреда здоровым тканям. Используются и наночастицы сульфидов: наночастицы сульфида серебра применяют в медицине для распознавания биологических объектов, то есть в медицинской диагностике и в биотехнологиях. Наноразмерные сульфиды железа проявляют ферментоподобную активность.
Пирит – страшная сила
Все слышали выражение «сусальное золото». «Сусальное золото» – техническое название дисульфида олова SnS2, имеющего вид золотисто-желтых чешуек. Его применяли для золочения дерева, гипсовых изделий, для мозаичных работ.
Пирит, сульфид железа, известен людям с незапамятных времен. Еще древние греки активно использовали его как украшение и в качества оберега. Пирит – символ мужества, отваги, доблести, страсти. Воины брали этот минерал в поход, веря, что он защитит от безвременной гибели, придаст в бою храбрости. Пирит называют еще золотом дураков или золотом инков. Когда конкистадоры из Испании высадились в Латинской Америке, они, приняв пирит за золото, стали отнимать его у местных племен.
Пирит, как полагают, обладает магическими свойства. Этот минерал – очень сильный. Не зря еще в древности люди верили в то, что он способен наделять хозяина энергией, силой, отвагой и храбростью. В Древнем Египте его использовали как зеркало, а в Индии – как талисман от… нападения крокодила! Из него делают ювелирные украшения. Пирит придает уверенность в собственных силах и решительность. Это достаточно «мужественный камень», а потому подойдет, если вы хотите обрести уверенность в себе, яркость, активную притягательность. Пирит подарит оптимизм, жизнерадостность, целеустремленность. Если в жизни наступил трудный период, обзаведитесь украшением с пиритом – он придаст вам сил. Блестящий минерал считается талисманом пожарных и саперов. Он отводит беду от хозяина. Долгому браку пирит вернет страстность и добавит огня в отношения.
Эльвира ПЕТРЕНЕВА
Фото Дмитрия ГЕРАЙКИНА
