Solfuro di zinco: proprietà, sintesi, reazioni, usi

Il solfuro di zinco è un composto inorganico con formula ZnS che si trova in natura in due forme polimorfiche: sfalerite e wurtzite. Questi due minerali costituiscono la maggiore fonte di zinco

Solubilità del solfuro di zinco

È un sale poco solubile e ha un prodotto di solubilità pari a 2.5 · 10^-22

Si dissocia secondo l’equilibrio eterogeneo:
ZnS_(s) ⇄ Zn²⁺_(aq) + S^2-_(aq)
L’espressione del prodotto di solubilità è:
K_ps = [Zn2⁺][S^2-]

Detta x la solubilità molare all’equilibrio si ha:
[Zn²⁺][S^2-]
Sostituendo nell’espressione del K_ps:
K_ps = 2.5 · 10^-22 = (x)(x) = x²
Da cui x  = √2.5 · 10^-22 = 1.6 · 10^-11 mol/L

pertanto la solubilità espressa in g/L vale 1.6 · 10^-11  mol/L ·97.474 g/mol g/mol = 1.6· 10^-9  g/L

Proprietà

Il solfuro di zinco è polvere di colore da bianco a grigio-bianco o giallo pallido.
È solubile in acidi minerali, e insolubile in alcali. Ha una durezza nella scala di Mohs pari a 3 e una densità di 4-4.1 g/cm³.

È  un semiconduttore il cui gap energetico tra le due bande è nel composto puro di circa 350 kJ/mol . Con l’aggiunta di poche ppm di attivatore adatto, mostra una forte fosforescenza.

Quando è utilizzato argento come attivatore, il colore risultante è blu brillante, con un massimo di 450 nm.

Il manganese produce un colore rosso-arancione a circa 590 nm mentre il rame porta a un lungo bagliore di colore verdastro al buio. I nanomateriali di solfuro di zinco hanno attirato grande attenzione non solo per le loro eccellenti proprietà fisiche come l’ampio gap di banda energetica, l’alto indice di rifrazione e l’elevata trasmittanza nella gamma visibile, ma anche per il loro grande potenziale per applicazioni in dispositivi ottici, elettronici e optoelettronici.

Sintesi

Il solfuro di zinco è ottenuto in genere da materiali di scarto come materiali di fonderia.

Può essere ottenuto dalla reazione tra ossido di zinco e solfuro di idrogeno alla temperatura di 450-550°C.
ZnO + H₂S → ZnS + H₂O

In laboratorio può essere ottenuto da una reazione di precipitazione facendo reagire un sale solubile di zinco come il cloruro di zinco e un solfuro solubile come quello di sodio:
ZnCl_2(aq) + Na₂S_(aq) → ZnS_(s) + 2 NaCl_(aq)

Reazioni

Reagisce con:

• ossigeno per dare ossido di zinco e anidride solforosa:
  2 ZnS + 3 O₂ → 2 ZnO + 2 SO₂
• acido cloridrico per dare cloruro di zinco e solfuro di idrogeno:
  ZnS + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂S

• acido solforico concentrato e a caldo per dare solfato di zinco e anidride solforosa:
  ZnS + 4 H₂SO₄ → ZnSO₄ + SO₂ + 4 H₂O

• fosfuro di alluminio per dare fosfuro di zinco e solfato di alluminio:
  3 ZnS + 2 AlP→ Zn₃P₂ + Al₂S₃

Usi

L’uso più comune del solfuro di zinco è come pigmento per vernici, plastica, carta e gomma.
Il litopone, una miscela di ZnS e solfato di bario è un pigmento ampiamente utilizzato per vernici a bassa brillantezza.

È  utilizzato per sistemi di rivestimento sensibili all’abrasione, composti in poliestere per autoveicoli e nelle vernici a polimerizzazione U.V. per un indurimento rapido e completo di film di vernice spessi. Nella carta, può essere utilizzato in combinazione con sbiancanti ottici per produrre carte estremamente luminose.

Per la sua fosforescenza  è usato per diverse applicazioni elettroniche e decorative e, per l’assenza di tossicità, in cosmetici che appaiono luminosi al buio.  La ricerca sui materiali fluorescenti al solfuro di zinco è stata condotta per più di 130 anni dalla loro scoperta da parte del chimico francese Théodore Sidot nel 1868, e la ricerca sui materiali al solfuro di zinco si è sviluppata dagli anni ’20 agli anni ’40 dello scorso secolo.