Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ТВЕРДОФАЗНЫЙ СИНТЕЗ СУЛЬФИДА ЦИНКА

Научная статья
Огурцова А.В.
Выпуск: № 5 (36), 2015
Опубликована:
2015/06/15
PDF

Огурцова А.В.

Студент,

Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

ТВЕРДОФАЗНЫЙ СИНТЕЗ СУЛЬФИДА ЦИНКА

Аннотация

В статье рассмотрено – исследование процесса и методов твердофазного синтеза, методы синтеза поликристаллических материалов и методы синтеза твердых тел, получение сульфида цинка твердофазным методом синтеза для его последующего использования в приборостроении, производстве цинка, а так же для приготовления различных свето-составов.

Ключевые слова: твердофазный синтез, сухой синтез, сульфид цинка.

Ogurtsova A.V.

Student,

International University of Nature, Society and Man «Dubna»

SOLID-PHASE SYNTHESIS OF ZINC SULFIDE

Abstract

The article considers research process and methods solid-phase synthesis, methods for the synthesis of polycrystalline materials and methods synthesis of solids, obtaining zinc sulfide by solid-phase synthesis method for use in instrument making, production of zinc, as well as for cooking different light compositions.

Keywords: solid-phase synthesis, dry synthesis, zinc sulfide.

Введение

В настоящее время большой интерес представляет метод твердофазного синтеза из-за его простоты и возможности строго задавать состав. Воспроизводимость результатов твердофазного взаимодействия зависит от многих факторов, в частности, от размера и пространственного расположения частиц реагентов, содержания в них примесей, влаги, распределения температуры в объеме реагирующей смеси и т.д. Объективные данные о продуктах реакции, о механизме и кинетике процесса может дать только совокупность методов исследования.

Цель: исследование процесса и методов твердофазного синтеза; получение сульфида цинка твердофазным методом синтеза.

Задачи:

  • собрать, изучить и проанализировать литературу по данной теме;
  • выяснить степень изученности темы;
  • ознакомиться с существующими методами твердофазного синтеза, методами синтеза твердых тел;
  • определиться с наиболее подходящей методикой синтеза для наших условий;
  • ознакомиться с существующими методами твердофазного синтеза ZnS;
  • провести синтез вещества;
  • подготовить отчет о проделанной работе.

Метод исследования: изучение литературы по данной теме.

Твердофазный синтез

Процессы в твердофазных материалах имеют ряд важных отличий от процессов в жидкостях или газах. Эти отличия связаны, прежде всего, с существенно более низкой скоростью диффузии в твердых телах, что препятствует усреднению концентрации компонентов в системе и, таким образом, приводит к пространственной локализации протекающих процессов.

Твердофазный синтез часто применяется для получения сложных оксидов. Например, сверхпроводник YBa2Cu3O7-x, он часто делается спеканием оксидов.

Методы синтеза поликристаллических материалов

Существует несколько основных разновидностей методов твердофазного синтеза:

1) керамический метод синтеза − механическое смешение при одновременном измельчении реагентов с последующей термической обработкой;

2) соосаждение солевых смесей − частичный переход компонента раствора (расплава, пара), присутствующего в малых концентрациях, в твердую фазу, образуемую в данной системе другим компонентом, который находится в значительно больших концентрациях;

3) пиролиз аэрозолей − метод получения высокодисперсных порошков, основанный на термическом разложении аэрозоля раствора, содержащего катионы синтезируемого материала в стехиометрическом соотношении;

4) сублимационная сушка или криохимическая технология − процесс удаления растворителя из замороженных растворов, гелей, суспензий и биологических объектов, основанный на сублимации затвердевшего растворителя  без образования макроколичеств жидкой фазы;

5) золь-гель метод − технология материалов, в том числе наноматериалов, включающая получение золь с последующим переводом его в гель, то есть в коллоидную систему, состоящую из жидкой дисперсионной среды, заключенной в пространственную сетку, образованную соединившимися частицами дисперсной фазы;

6) кристаллизация солевых твердых растворов − это образование новой твердой фазы, выделяющейся из раствора, расплава или пара.

Самый простой способ – синтез из элементов или сухой синтез.

Методы исследования твердых тел

Микроскопические методы исследования

Метод сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии − основан на механическом сканировании поверхности образца тонкой иглой  с определением ее взаимодействия с этой поверхностью;

Метод растровой электронной микроскопии − заключается в сканировании поверхности образца максимально сфокусированным электронным пучком с одновременной регистрацией возбужденного этим пучком излучения;

Метод просвечивающей электронной микроскопии − получение изображения ультратонкого образца путём пропускания через него пучка электронов;

Метод оптической микроскопии − получение увеличенных изображений объектов, невидимых невооружённым глазом.

Дифракционные методы исследования

Дифракционные методы, традиционно широко используемые в химии твердого тела основаны на дифракции различных типов волн на периодической решетке кристалла.

Наиболее распространенным методом является дифракция рентгеновского излучения.

Таким образом, методы исследования твердофазного синтеза весьма обширны и разнообразны.

Сульфид цинка

А теперь более подробно рассмотрим такое соединение как сульфид цинка или ZnS.

Сульфид цинка – бинарное неорганическое соединение цинка и серы, цинковая соль сероводородной кислоты.

В природе ZnS встречается в виде минералов сфалерита α-ZnS (цинковая обманка) – основного сырья для получения цинка и вюрцита β-ZnS, – редкого минерала с таким же химическим составом, но отличающегося от сфалерита типом кристаллической решётки.

Важность изучения сульфида цинка

Сфалерит является главным источником металлического цинка, особенно в полиметаллических сульфидных рудах. Он встречается в таких объектах, как черные курильщики, железные метеориты.

Природный сфалерит почти всегда находится в виде твердого раствора замещения. Сфалерит – главный минерал для получения цинка.  Его используют для изготовления различных свето-составов и светящихся красок в приборостроении, в различных сигнальных аппаратах. Применяется он для создания люминофоров.

Цинк применяется для получения сплавов (латунь, алюминиевая бронза, мельхиор), для оцинкования железа с целью предохранения его от коррозии, для приготовления цинковых белил, флюоресцирующих экранов.

Способы синтеза ZnS

  • Пропускание газообразного сероводорода через водные растворы солей цинка;
  • ZnS получают тиосульфатным методом синтеза;
  • Получение слоев ZnS, легированных марганцем (II);
  • Получение сульфида цинка химическим осаждением из газовой фазы по реакции цинка с сероводородом;
  • «Сухой» метод в ампулах из кварцевого стекла - Спекание опилок цинка с чуть большим мольным количеством серы.

Практическая часть

Подготовительный этап синтеза ZnS начинался с изготовления ампулы из кварцевой трубки, которая   распиливалась на несколько частей длиной  по 200 мм диском с алмазным напылением.  Диметр внешний трубки  - 10 мм, а внутренний диаметр - 8мм, длина  - 200 мм.

Очередным подготовительным этапом трубки  является обработка каждой трубки спиртом изнутри и снаружи. Эта операция производится с целью удаления посторонних веществ. В том числе и спирта. Он  удаляется в сушильном  шкафу путём испарения при нагревании. Из  подготовленных таким образом заготовок трубок в дальнейшем  изготавливаются ампулы.  Для этой цели трубка посередине расплавляется на кислородной горелке и растягивается  при постоянном прокручивании  до разрыва на две части. После каждой части трубки  дну придаётся закругленная форма.  После охлаждения изготовленных  пробирок их  наполняют веществами-реагентами.

Эксперимент заключался в получении двух сульфидов.  Первый образец синтезировался из 1 г Zn и 0,5 г S. Другой из 1 г Zn, 0,5 г S, 0,03 г MnS и небольшого количества NH4Cl.

В реакции сера бралась с избытком с той целью, чтобы не было избытка металла.

Подготовленные навески запаивались в кварцевые трубки после  предварительного  удаления из них газов при помощи вакуумного  насоса.

 Эти трубки оформляются в ампулы длинной 100 мм. Далее они помещаются в горизонтальную печь в керамическом цилиндре. Эта печь с двух сторон заполняется каолиновой ватой. В этой печи подготовленные образцы выше описанным способом  запекали в течение месяца при  постоянно увеличении понемногу температуры, начиная с 300 градусов.

Благодаря добавлению NH4Cl возможно не только ускорять реакцию, но и растить кристаллы.

Так же проводилась оценку качества синтеза реагентов.

Точность результата складывалась из точности экспериментальной работы по подготовке объекта исследований и аналитической точности. В первую очередь ошибки накапливались при синтезе исходных веществ.

Оценку качества синтезированного вещества проводилась по следующим параметрам:

1)ампулы после охлаждения чистые, прозрачные, вещество сконцентрировано в одном конце ампулы, нет реакции вещества со стеклом;

3)визуально вещество однородно;

4)при вскрытии ампулы спек вещества свободно выходит при легком постукивании по ампуле;

5)вещество легко рассыпается под пестиком ступки.

Литература

  1. Toulmin P., Barton P.B. A thermodynamic study of pyrite and pyrrhotite * // Geochim. Cosmochim. Acta. 1964. Т. 28. С. 818.
  2. М. Браудлер, Г. Брауэр, Ф. Губер, В. Квасник, П.В. Шенк, М. Шмайсер,Р. Штойдель. Руководство по неорганическому синтезу: В 6-ти томах. Т. 1. Пер. с нем. /Под ред. Г. Брауэра. –М.: Мир, 1985.- 320 с., ил.
  3. Д. Воган, Дж. Крейг. Химия сульфидных минералов, Москва, издательство «Мир», 1981.
  4. Гаврилова Л.Я., «Методы синтеза и исследование перспективных материалов», учебное пособие, Екатеринбург, 2008.
  5. Ковтутенко П.В. Физическая химия твердого тела. Кристаллы с дефектами: Учеб.для хим.-технол.спец.вузов. – М.: Высш.шк., 1993 – 352 с.; ил.
  6. Кузнецов В.Д. Кристаллы и кристаллизация: Государственное издательство технико-теоретической литературы. М.,1953.
  7. Осадчий Е.Г., Сорокин В.И. Станнинсодержащие сульфидные системы, Москва, «Наука»,1989 (135с.).
  8. Софронов Д.С., Беликов К.Н., Камнева Н.Н., Брылева Е.Ю., Булгакова А.В., Чебанов В.А. Получение субмикронных частиц ZnS и их сорбционные свойства. ГНУ НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины, Харьков, Украина, 2013 г.
  9. Спицын В.И., Мартыненко Л.И., «Неорганическая химия», М.: Изд. МГУ, 1991.
  10. Сульфид цинка [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сульфид_цинка (дата обращения: 09. 03. 2015)
  11. Твердофазный синтез [Электронный ресурс] URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4327.html (дата обращения: 12. 11.2014)
  12. Химия твердого тела: учеб.пособие для студ.высш.учеб.заведений / А.В. Кнотько, И.А. Пресняков, Ю.Д. Третьяков. – М.: Издательство центр «Академия», 2006.- 304 с.
  13. Шеваренков Д.Н., Щуров А.Ф. Физика и техника полупроводников. Диэлектрические свойства полупроводникового ZnS. М., Наука, 2004.

References

  1. Toulmin, P., Barton, P. B. A thermodynamic study of pyrite and pyrrhotite * // Geochim. Cosmochim. Acta. 1964. T. 28. S. 818.
  2. M. Browder, G. Brauer, F., Huber, V. Kvass Maker (Kvassnik, P. V. Schenck, M. Schmeiser,R. Steudel. Guidelines for inorganic synthesis: In 6 volumes. Vol. 1. TRANS. with it. /Edited by G. Brauer. –M.: Mir, 1985.- 320 p., ill.
  3. D. Vaughan, J. Craig. Chemistry of sulphide minerals, Moscow, Mir publishing house, 1981.
  4. Gavrilova L. Y., "Methods of synthesis and investigation of advanced materials" tutorial, Yekaterinburg, 2008.
  5. Kovalenko P. W. Physical chemistry of solids. Crystals with defects: Proc.for chem.-Indus.spec.universities. – M.: Higher.Sch., 1993 – 352 p.; ill.
  6. V. D. Kuznetsov Crystals and crystallization: State publishing house of technical-theoretical literature. M.,1953.
  7. Osadchii E. G., Sorokin V. I. Tannenstrasse sulfide systems, Moscow, "Nauka",1989 (s.).
  8. Sofronov D. S., Belikov, K. N., Kamneva N. N., Bryleva E. J., A.V. Bulgakov, Chebanov V. A. preparation of submicron particles of ZnS and their sorption properties. Wildebeest STC "Institute for single crystals" NAS of Ukraine, Kharkov, Ukraine, 2013
  9. Spitsyn, V. I., Martynenko, L. I., "Inorganic chemistry", Moscow: Izd. Moscow state University, 1991.
  10. Zinc sulfide [Electronic resource] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сульфид_цинка (date accessed: 09. 03. 2015)
  11. Tverdovsky synthesis[Electronic resource] URL: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4327.html (accessed: 12. 11.2014)
  12. Solid state chemistry: textbook.the Handbook for students.the high.proc.institutions / V. A. Knotice, I. A. Presnyakov, Yu. d. Tretyakov. – M.: Publishing center "Academy", 2006.- 304 p.
  13. Shafarenko D. N., Shchurov A. F. semiconductor Physics and technology. Dielectric properties of semiconducting ZnS. M., Nauka, 2004.