כספית (II) גופרית (HgS), הידוע בכינויו צינבר או כלקוסיס, הוא תרכובת גביש משושה בצבע אדום בוהק המורכב מיסודות כספית וגופרית. זוהי גם עפרת הכספית החשובה ביותר בטבע. הוא ידוע בזכות צבעו האדום החי במיוחד והיציבות הכימית המצוינת. בסין העתיקה, נעשה בו שימוש נרחב כפיגמנט ודיו ורמיליון, והיה גם חומר הגלם העיקרי למיצוי כספית. הוא אינו מסיס במים וברוב החומצות, אך מסיס במים. HgS קיים בשתי צורות איזומורפיות: מלבד הצורה האדומה היציבה - (מערכת גבישים משושה), קיימת גם צורה שחורה - (מערכת גבישים מעוקבת), המכונה צינבר שחור, שיש לה יציבות נמוכה יותר ויכולה להפוך לגרסה האדומה באור או חום. לתרכובת זו מקדם שבירה גבוה וצפיפות גבוהה. בשל צבעו האדום החי, הוא זכה להערכה רבה לאורך ההיסטוריה. עם זאת, הרעילות שלו נובעת בעיקר מיסוד הכספית שהוא מכיל, ויש צורך בהגנה מתאימה בעת השימוש בו. מלבד מחקר מינרלוגיה והיסטוריה של פיגמנטים, יש לו גם יישומים פוטנציאליים בחומרים אופטיים מוליכים למחצה ואינפרא אדום בעת המודרנית.
|
|
|
|
|
|
|
|
מאפיינים כימיים
יציבות ותגובתיות
כספית (II) גופרית מפגין יציבות כימית יוצאת דופן ומראה אינרטיות כלפי רוב החומצות והבסיסים. לדוגמה, בטמפרטורת החדר, הוא אינו מגיב עם חומצה הידרוכלורית מדוללת או תמיסות נתרן הידרוקסיד. עם זאת, בתנאי טמפרטורה- גבוהים, היציבות שלו משתבשת: כאשר הטמפרטורה עולה על 100-150 מעלות, אם הוא בא במגע עם תערובות חמצוניות (כגון תמיסת אשלגן דיכרומט מחומצת וחומצה גופרתית מרוכזת), HgS עוברת תגובת פירוק, ויוצרת מלחי כספית, ומוצרים גופריתיים אחרים. תכונה זו מחייבת לשלוט בקפדנות על תנאי התגובה בעיבוד תעשייתי ספציפי.
גרסאות איזומורפיות ומעברי פאזה
ל-HgS שתי גרסאות איזומורפיות יציבות: -HgS (מערכת גבישים משושה אדומה, צינבר) ו--HgS (מערכת גבישים קוביות שחורות, צינבר שחור). שתי הגרסאות הללו יכולות לעבור מעברי פאזה הפיכים הנגרמים על ידי טמפרטורה: כאשר -HgS מחומם ל-250 מעלות, צבעו משתנה בהדרגה לחום, והוא הופך לחלוטין ל--HgS ב-386 מעלות; בעוד שכאשר -HgS מתקרר, הוא חוזר לאדום -HgS. למאפיין מעבר פאזה זה יש יישומים פוטנציאליים במדעי החומרים, למשל, לפיתוח חומרים אופטיים רגישים לטמפרטורה.
מאפייני מוליכים למחצה
-HgS מציג מאפייני מוליכים למחצה ישירים ב-300K, עם פער אנרגיה של 2.1 eV. מאפיין זה הופך אותו לבעל ערך עבור מחקר בתחום של מכשירים אופטו-אלקטרוניים, כגון שימוש לייצור גלאי אינפרא אדום או פוטו-זרזים. עם זאת, בשל הרעילות של כספית, יישום המוליכים למחצה שלה עדיין בשלב של מחקר מעבדה וטרם הגיע למסחור.
מאפיינים פיזיים
מראה וצבע
לשתי הגרסאות של Mercury(II) sulfide יש מראה שונה באופן משמעותי: -HgS מציג צבע אדום עז ומשמש לעתים קרובות כפיגמנט; -HgS היא אבקה שחורה ויש לה יישומים תעשייתיים נרחבים יותר. ההבדל בצבע נובע מסידור של קשרי Hg-S במבנה הגבישי: ב--HgS, קשרי Hg-S מסודרים בצורה סלילנית, וכתוצאה מכך ספיגה סלקטיבית של אור נראה; בעוד שב--HgS, המבנה המעוקב מאפשר לספקטרום הקליטה שלו לכסות טווח רחב יותר.
צפיפות ונקודת התכה
הצפיפות של HgS היא 8.10 גרם/ס"מ³, השייכת לתרכובת בצפיפות- גבוהה. נקודת ההיתוך שלו היא 583.5 מעלות, אך תחילה הוא יתפרק לפני ההמסה, וייצור אדי כספית ואדי גופרית. מאפיין זה דורש אמצעי הגנה מיוחדים במהלך-עיבוד בטמפרטורה גבוהה כדי למנוע דליפת אדי כספית.
מְסִיסוּת
כספית(II) גופרית כמעט בלתי מסיס במים (עם מסיסות של 0.00001 גרם/ליטר בלבד) וגם קשה להמסה ברוב הממיסים האורגניים. עם זאת, הוא יכול להתמוסס באקווה רג'יה (תערובת של חומצה הידרוכלורית מרוכזת וחומצה חנקתית מרוכזת), ליצור מלחי כספית מסיסים ומוצרי חמצון גופרית. מאפיין מסיסות זה הוא בעל משמעות רבה בטיפול בזיהום כספית, למשל, באמצעות משקעים כימיים להמרת יוני כספית למשקע HgS כדי להפחית את הרעילות.
שיטות הכנה
שיטת סינתזה ישירה
ערבוב כספית אלמנטרית עם אבקת גופרית ביחס מולרי של 1:1 ותגובה בתנאי חימום מייצר ישירות HgS. כדי להאיץ את תהליך התגובה, ניתן להוסיף אבקת אבץ כזרז. שיטה זו פשוטה לתפעול, אך נדרשת בקרה קפדנית על טמפרטורת התגובה כדי למנוע הנידוף אדי כספית.
שיטת משקעים
העברת גז מימן גופרתי לתמיסת מלח כספית (כגון תמיסת כספית חנקתית) מייצרת משקע -HgS שחור. שיטה זו יכולה להתאים את גודל החלקיקים והמורפולוגיה של המוצר על ידי שליטה בתנאי התגובה (כגון ערך pH, טמפרטורה), והיא מתאימה להכנה מעבדתית בקנה מידה קטן.
טיהור מינרלים טבעי
הפקת HgS מעפרות צינבר היא שיטת הייצור התעשייתית העיקרית. באמצעות תהליכי הטבה, טחינה וציפה, ניתן להשיג פיגמנטים HgS בטוהר- גבוה או חומרי גלם כימיים. מחוזות הונאן וגוויג'ואו בסין הם יצרנים גדולים של צינבר, וטכנולוגיית הטיהור שלהם הגיעה לרמות מתקדמות בינלאומיות.
אזורי יישום
פיגמנטים וציפויים מסורתיים
-HgS, בשל צבעו האדום החי והעמידות המצוינת למזג האוויר, נמצא בשימוש נרחב בצבעי שמן, זיגוג קרמי וציפוי עץ. לדוגמה, ה"אדום סינבאר" ששימש את ציירי הרנסנס מקורו בריאלגר. עם זאת, בשל הרעילות של כספית, יישום הפיגמנט שלה הוחלף בהדרגה בפיגמנטים אורגניים או בפיגמנטים אנאורגניים שאינם-כספית (כגון תחמוצת ברזל אדום).
רפואה מסורתית
ברפואה הסינית המסורתית וברפואה האיורוודית ההודית, רילגר משמש כחומר הרדמה וניקוי רעלים. לדוגמה, "גלולה אדומה של ג'ייד" מורכבת בעיקר מ-HgS. עם זאת, מחקרים טוקסיקולוגיים מודרניים אישרו כי תרכובות כספית עלולות לגרום להרעלת כספית באמצעות ספיגת עור או בליעה של מערכת העיכול. לכן, תרופות המכילות HgS הוגבלו לחלוטין או נאסרו לשימוש.
קטליזה תעשייתית ומדעי החומרים
-HgS, בשל מבנה הגביש הייחודי שלו ותכונות המוליכים למחצה, נחקר עבור תגובות קטליטיות והתקנים פוטוניים. למשל, זה יכול לשמש כזרז פוטו לפירוק מים לייצור מימן, או כחומר שכבה רגיש לגלאי אינפרא אדום. עם זאת, היישום שלה עדיין מוגבל על ידי הרעילות של כספית וסיכונים סביבתיים.
בקרת זיהום כספית
HgS היא הצורה היציבה הסופית של סילוק כספית. על ידי המרת יוני כספית במי שפכים למשקעי HgS באמצעות משקעים כימיים, ניתן להפחית באופן משמעותי את הרעילות והניידות של הכספית. בנוסף, HgS יכול לשמש לתיקון זיהום כספית בקרקע, ולמנוע את שטיפתה למי התהום דרך מי הגשמים.
סיכוני בטיחות ואמצעים סביבתיים
כספית(II) גופרית היא תרכובת רעילה ביותר, כאשר הרעילות שלה נובעת בעיקר משחרור יוני כספית (Hg²⁺). שאיפת אדי כספית או בליעה של אבקת HgS עלולה להוביל להרעלת כספית חריפה או כרונית, עם תסמינים הכוללים נזק נוירולוגי, אי ספיקת כליות ואי ספיקת נשימה. הסוכנות הבינלאומית לחקר הסרטן (IARC) מסווגת כספית ותרכובותיה כמסרטנים מקבוצה 2B (אולי מסרטנים לבני אדם).
HgS קשה לפירוק בסביבה והוא יכול להצטבר דרך שרשרת המזון, ולגרום לפגיעה-לטווח ארוך במערכת האקולוגית. לדוגמה, HgS בגופי מים ניתן להמיר על ידי מיקרואורגניזמים ל-methyl-כספית (CH₃Hg⁺), שיש לה רעילות ביולוגית ונוירו-רעילות חזקה יותר ויכולה לחדור לגוף האדם דרך דגים.
בעת הטיפול ב-HgS, יש ללבוש מסכות מגן, כפפות ומשקפי מגן כדי למנוע מגע ישיר. יש לארוז פסולת ולהיפטר בהתאם לתקנות ניהול פסולת מסוכנת, כגון באמצעות שריפה בטמפרטורה- גבוהה או ייצוב כימי כדי להפחית את שחרור הכספית. תקנות הגנת הסביבה של מדינות שונות (כגון הוראת ההגבלה של חומרים מסוכנים RoHS של האיחוד האירופי) קבעו מגבלות נוקשות על השימוש והפליטה של HgS.