硫化物是指硫与电负性比硫小的元素所形成的化合物。金属硫化物可以看作是氢硫酸(H2S的水溶液)的正盐。正盐中除碱金属(包括NH4+)的硫化物和BaS易溶于水外,其他硫化物的溶解性都很小且各有特征颜色。大多数金属硫化物难溶于水的原因可以从结构上来解释:S2-的半径比较大,因此变形性大,在与重金属离子结合时,由于离子相互极化作用使这些金属硫化物中的M-S键显共价性,造成这类硫化物难溶于水。金属离子的极化作用越强,其硫化物的溶解度越小。
由于氢硫酸是个弱酸,所以所有的硫化物无论是易溶的还是难溶的,都会产生一定程度的水解,使溶液显碱性
Na2S溶液显强碱性,可作为强碱使用。Al2S3完全水解,难溶的的CuS和PbS有微弱的水解。因此这些硫化物不能用湿法从溶液中制备。
硫化物按照溶解度的大小,可以分为三类:
第一类溶于水的硫化物。碱金属及铵的硫化物可溶于水。它们在水中发生强烈水解,例如Na2S溶液由于水解而呈强碱性
Na2S+H2O= NaHS+ NaOH
碱土金属的硫化物中BeS不溶于水,其他的硫化物则微溶于水,但后者在水中由于水解而生成溶于水的硫氢化物,如
2CaS+2H2O=Ca(HS)2+Ca(OH)2
第二类不溶于水而溶于稀酸的硫化物。周期表中部一些副族金属元素的硫化物,如MnS、FeS、CoS、NiS及ZnS等,属于此类。往含有这些金属离子的溶液中加入可溶性硫化物,如(NH4)2S,就可生成硫化物沉淀。例如
Fe2++S2-=Fes↓
但若往该溶液中通人H2S时,由于溶液呈酸性,就不会生成沉淀
Fe2++H2S=FeS+2H+
反应实际上不能向右进行,而是向左进行,这正是制备H2S的方法。
Al2S3、Cr2S3等在水中完全水解,生成氢氧化物沉淀和H2S气体。例如
Al2S3+6H2O=2Al(OH)3+3H2S
所以它们在水中实际上不能存在。但是由于水解产物(氢氧化物沉淀)溶于稀酸,因而也可以把它们列入不溶于水而溶于稀酸的硫化物中。
第三类既不溶于水又不溶于稀酸的硫化物。第IB、ⅡB族元素,Cu、Ag、Cd、Hg以及第ⅣA、VA族的Sn、Pb、As、Sb、Bi等元素的硫化物属于此类。它们可以用通H2S于该金属的盐溶液中的方法得到。例如
Cu2++H2S=CuS +2H+
硫化物沉淀或溶解是工业生产和科学实验中的一个重要问题。根据溶度积规则,只要使溶液中硫离子和金属离子浓度的乘积小于该金属硫化物的溶度积时,该硫化物就会溶解。当往第二类硫化物中加入稀酸时,由于下列反应
S2-+H+=HS-
HS-+H+=H2S
使溶液中的S2-浓度度降低,从而硫离子浓度和金属离子浓度的乘积小于溶度积,使这类硫化物溶解。第三类硫化物,由于溶度积很小,有的用较浓的酸(如盐酸)就可使其溶解;有的则需用硝酸,甚至王水才能使其溶解。例如Cus可溶于硝酸。HNO3是一种相当强烈的氧化剂,它能将溶液中的S2-氧化为S,使溶液中S2-浓度大为降低,从而使Cu2+和S2-的浓度积小于CuS的溶度积,于是CuS就溶解了
3CuS+8HNO3(稀)=3Cu(NO3)2+3S+2NO +4H2O
又如HgS,它比CuS更难溶,就是用HNO3来氧化S2-,也不能使溶液中有关离子(S2-及Hg2+)浓度的乘积小于它的溶度积。但王水可使HgS溶解。这是因为除了王水中的HNO3能使S2-氧化为S外,王水中还有大量的Cl-可与Hg2+结合成[HgCl4]2-配离子,从而使S2-和Hg2+浓度大为降低,以致它们的乘积小于HgS的溶度积,而使沉淀溶解
3HgS +2HNO3 (浓)+12HCl(浓)=3H2[HgCl4]+3S+2NO+4H2O
利用硫化物溶解度的差别,可以借助H2S和(NH4)2S把溶液中的各类离子分开,也可利用硫化物的特征颜色来鉴别某些金属离子。表5-15列出了一些常见硫化物在酸中的溶解性及颜色。
表5-15 常见硫化物在酸中的溶解性及颜色
溶于稀盐酸 | 难溶于稀盐酸 | ||
溶于浓盐酸 | 难溶于浓盐酸 | ||
溶于浓硝酸 | 溶于王水 | ||
MnS肉红色,CoS黑色,ZnS白色, NiS黑色,FeS黑色 |
SnS(褐色),Sb2S3(橙色), SnS2(黄色),Sb2S5(橙色), PbS黑色,CdS(黄色), |
CuS黑色,As2S3浅黄色, Ag2S黑色 |
HgS黑色,Hg2S黑色 |
其中HgS与过量的S2-反应则生成无色的HgS22-离子。若向此溶液加入盐酸又生成黑色HgS沉淀。ZnS能溶于稀盐酸中。
多硫化物溶液一般显黄色,其颜色可随着溶解的硫的增多而加深,最深为红色。当多硫化物M2Sx中的x=2时,例如Na2S2或(NH4)2S2,可以称作过硫化物,过硫化物实际是过氧化物的同类化合物。因此,过硫化物与过氧化物相似,都具有氧化性和还原性。它在酸性溶液中不稳定,易歧化分解为硫化氢和单质硫。
S22-+2H+→H2S2→H2S+S
多硫化物是一种硫化试剂,在反应中它向其他反应物提供活性性硫而表现出氧化性。例如
SnS+(NH4)2S2=(NH4)2SnS3
As2S3+3Na2S2=2Na3AsS4+S
多硫化物能将硫化亚锡(Ⅱ)SnS氧化成硫代锡(Ⅳ)酸盐(NH4)2SnS3而溶解,将三硫化二砷(Ⅲ)As2S3氧化成硫代砷(Ⅳ)酸盐而溶解。