Реферат на тему «Сульфид аммония»

Введение

Сульфид аммония (NH₄)₂S – соль слабого основания (гидрата аммиака) и слабой кислоты (сероводородной). В лабораторной практике его чаще называют сернистым аммонием и используют в виде водного раствора. Молярная масса соединения составляет 68,14 г/моль.

В твёрдом виде индивидуальный сульфид аммония неустойчив и при комнатной температуре разлагается на гидросульфид аммония и аммиак. Поэтому реактив, который продаётся и хранится в лабораториях, представляет собой раствор с переменным соотношением (NH₄)₂S, NH₄HS и NH₃. Это обстоятельство важно учитывать при описании его свойств [1; 6].

Интерес к соединению связан прежде всего с аналитической химией. В сероводородной схеме качественного анализа сульфид аммония – групповой реагент на катионы третьей аналитической группы (Fe²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Al³⁺, Cr³⁺) [4; 5]. Кроме того, раствор применяют для химического патинирования меди и бронзы.

Цель реферата – описать физические и химические свойства сульфида аммония, способы его получения и применения. Для этого сначала описываются физические свойства вещества, затем химические, включая реакции с кислотами и основаниями, а в последней части – методы получения и области применения. Основные сведения о веществе сведены в таблицу 1.

Таблица 1 – Основные характеристики сульфида аммония

Примечание – Составлено автором по [1; 2; 6].

Методологическую основу работы составляют учебная и справочная литература по неорганической и аналитической химии. Уравнения реакций приведены в молекулярной и, где это существенно, в ионной форме.

Глава 1. Физические и химические свойства сульфида аммония

1.1 Физические свойства

Сульфид аммония в виде индивидуального вещества описан как бесцветные кристаллы, существующие лишь при низкой температуре. Уже при комнатной температуре соль отщепляет аммиак: (NH₄)₂S → NH₄HS + NH₃. Гидросульфид аммония, в свою очередь, при нагревании разлагается на аммиак и сероводород [1].

Водный раствор, получаемый насыщением раствора аммиака сероводородом, свежим бесцветен. При хранении на воздухе он желтеет, затем становится оранжево-жёлтым. Окраска объясняется образованием полисульфидов (NH₄)₂S_x, в которых несколько атомов серы связаны в цепочку.

Запах раствора резкий, в нём одновременно ощущаются аммиак и сероводород. Оба газа выделяются из раствора постоянно, поэтому склянки с реактивом держат плотно закрытыми и открывают только в вытяжном шкафу. Сероводород опасен тем, что в больших концентрациях притупляет обоняние, и человек перестаёт ощущать запах.

Растворимость сульфида аммония в воде высокая, в спирте он также растворяется. В водном растворе идёт гидролиз по катиону и аниону одновременно: (NH₄)₂S + H₂O ⇄ NH₄HS + NH₃·H₂O. Поскольку оба продукта гидролиза – слабые электролиты, гидролиз протекает в значительной степени, и раствор имеет щелочную реакцию.

Массовые доли элементов в соединении легко рассчитать по формуле. На азот приходится 2 · 14,01 = 28,01 г, на водород 8 · 1,008 = 8,06 г, на серу 32,06 г в 1 моль вещества. Результаты расчёта представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Массовые доли элементов в сульфиде аммония (NH4)2S, %

Примечание – Рассчитано автором по атомным массам: N 14,01; H 1,008; S 32,06.

Сера даёт 47,1 % массы, азот 41,1 %, водород 11,8 %. Высокая для неорганической соли доля водорода – следствие двух ионов NH₄⁺ на один ион S²⁻. Для сравнения: в Na₂S (M = 78,04 г/моль) на серу приходится 41,1 %.

Концентрацию реактива указывают на этикетке, а «старый» раствор узнают по жёлтой окраске и осадку серы на дне склянки. Для аналитических целей пожелтевший раствор не годится: полисульфиды растворяют часть сульфидов и искажают результат разделения (см. ниже). Поэтому реагент готовят перед работой или хранят недолго.

1.2 Химические свойства

В свойствах соли участвуют оба иона. От NH₄⁺ – термическое разложение и выделение NH₃ со щелочами, общие для всех солей аммония. От S²⁻ – восстановительные свойства, осаждение сульфидов металлов и выделение H₂S с кислотами.

Сера в S²⁻ имеет степень окисления −2 (низшую), отсюда роль сульфида аммония в ОВР – только восстановитель. Азот в NH₄⁺ тоже в низшей степени окисления (−3), однако при комнатной температуре в растворе он практически не окисляется.

С сильными кислотами сульфид аммония реагирует с выделением сероводорода: (NH₄)₂S + 2HCl → 2NH₄Cl + H₂S↑. В ионном виде: S²⁻ + 2H⁺ → H₂S↑. По этой реакции можно обнаружить сульфид-ион: газ чернит фильтровальную бумагу, смоченную раствором соли свинца, так как образуется PbS.

Со щелочами при нагревании выделяется аммиак: (NH₄)₂S + 2NaOH → Na₂S + 2NH₃↑ + 2H₂O. Аммиак обнаруживают по посинению влажной красной лакмусовой бумаги. Эта реакция общая для всех солей аммония и используется для открытия иона NH₄⁺.

Наиболее важны для практики обменные реакции с солями металлов. Катионы третьей аналитической группы образуют с сульфид-ионом малорастворимые осадки: Zn²⁺ + S²⁻ → ZnS↓ (белый), Mn²⁺ + S²⁻ → MnS↓ (телесного цвета), сульфиды железа, кобальта и никеля – чёрные. По цвету осадка можно сделать предварительный вывод о составе смеси [4; 5].

Ионы Al³⁺ и Cr³⁺ сульфидов в водном растворе не образуют. Вместо них выпадают гидроксиды, поскольку идёт совместный гидролиз: 2AlCl₃ + 3(NH₄)₂S + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑ + 6NH₄Cl. (Аналогично ведут себя Cr³⁺ и Fe³⁺, причём последний частично восстанавливается до Fe²⁺ с выделением серы.)

Катионы I и II групп (Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺) сульфидом аммония не осаждаются. Сульфиды IV и V групп (CuS, PbS, HgS, CdS, Bi₂S₃ и др.) имеют настолько малые произведения растворимости, что выпадают уже из кислого раствора при пропускании H₂S. Различие в растворимости сульфидов при разной кислотности – основа сероводородной схемы.

На воздухе кислород медленно окисляет сульфид-ион до серы, которая растворяется в избытке сульфида с образованием полисульфидов: (NH₄)₂S + S → (NH₄)₂S₂. Сильные окислители (галогены, пероксид водорода, перманганат) окисляют сульфид до серы, а при избытке окислителя – до сульфат-иона.

Полисульфид аммония – «жёлтый сернистый аммоний» – растворяет сульфиды олова(II), мышьяка и сурьмы, превращая их в растворимые тиосоли. Например, SnS + (NH₄)₂S₂ → (NH₄)₂SnS₃. Эту реакцию применяют для разделения подгрупп сульфидов в качественном анализе [5].

Техника безопасности при работе с реактивом определяется в первую очередь сероводородом. Предельно допустимая концентрация H₂S в воздухе рабочей зоны установлена гигиеническими нормативами СанПиН 1.2.3685-21 [7]. Работу с раствором ведут в вытяжном шкафу, в перчатках и защитных очках; кислоты к раствору добавляют только под тягой.

При нагревании раствора сульфид аммония разлагается полностью, выделяя аммиак и сероводород. Твёрдого остатка не образуется, что удобно в аналитической практике: избыток реагента удаляется кипячением. Методы получения и применения соединения рассматриваются во второй главе.

Лабораторный способ получения вытекает из сказанного: через концентрированный раствор аммиака пропускают сероводород, 2NH₃ + H₂S → (NH₄)₂S. При избытке сероводорода образуется гидросульфид, NH₃ + H₂S → NH₄HS, поэтому соотношение реагентов контролируют. Промышленные методы и применение в анализе, фотографии и обработке металлов разобраны в главе 2.