Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 28.07.16


Metallsulfide

Vortrag von Katharina Schmidt im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 15/16


Gliederung:


Einstieg: Im Nationalpark Hohe Tauern sind stillgelegte Bergwerke, bei denen man immer noch mit etwas Glück Gold finden kann. Doch es ist nicht alles Gold, was glänzt. Zum Beispiel ist Pyrit (FeS2 mit Disulfid S22-) auch zu finden. Aber es ist keineswegs nutzlos. In der Industrie wird Pyrit zur Herstellung von Schwefelsäure und Eisen verwendet.


Abb. 1: Pyrit

Auch durch andere Sulfide kann man Metalle und Schwefelsäure gewinnen.

 

Nach diesen Reaktionsgleichungen wären für die Schwefelsäure- bzw. Metallherstellung auch die Oxide möglich. Warum geht man dennoch den Umweg über die Metallsulfide?


1 Löslichkeitsprodukt

Eine Erklärung kann das Löslichkeitsprodukt KL sein, das angibt, ab welchem Ionenprodukt eine Verbindung ausfällt. Die Löslichkeitsprodukte von Sulfide sind im Allgemeinen sehr klein, das bedeutet, sie fallen sehr leicht aus. Sie werden dann auch als schwerlöslich bezeichnet. Diese Schwerlöslichkeit findet zum Beispiel Verwendung bei der Trennung von Metallen in der analytischen Chemie oder als Farbpigmente in der Plastikindustrie. 

Experiment Fällung von Sulfiden
Material
  • 3 Reagenzgläser
  • Reagenzglashalter
  • 4 Spatel
Chemikalien
  • Antimon(III)-chlorid
  • Bleiacetat
  • Natriumsulfid
  • Eisensulfat
  • VE-Wasser
Durchführung

Antimon(III)-chlorid, Bleiacetat und Eisensulfat je in ein Reagenzglas geben und je mit Natriumsulfid versetzen. Gegebenenfalls etwas VE-Wasser hinzugeben.

Beobachtung Bei der Reaktion von Natriumsulfid mit Antimon(III)-chlorid entsteht Antimonit (orange), mit Bleiacetat Galenit (schwarz) und mit Eisensulfat entsteht Magnetkies (schwarz).
Interpretation Die Sulfide bestizen ein kleineres Löslichkeitsprodukt als die Edukte. Diese Verbindungen werden bevorzugt eingegangen und fallen dann aus.

Dennoch gibt es teilweise große Unterschiede:

  • KL(Ag2S) = 5.5 · 10-51 mol3/l3,

  • KL (FeS) = 3.7 · 10-19  mol2/l2

Eine Erklärung hierfuer liefert das HSAB - Prinzip.


2 HSAB - Prinzip (principle of hart and soft acids and bases)

Das HSAB - Prinzip unterscheidet in harte und weiche Kationen / Anionen. Weiche Kationen besitzen einen großer Ionenradius, kleinere positive Ladung und d - Elektronen in der äußeren Schale. Dagegen haben harte Kationen einen kleinen Ionenradius, hohe positive Ladung und keine d - Elektronen in der äußeren Schale. Bei Anionen ist es so, dass weiche eine geringere Elektronegativität und harte eine hohe Elektronegativität aufweisen. Ein allgemeiner Trend im Periodensystem ist hier auch zu erkennen. So nimmt die Härte von Kationen von links oben nach rechts unten ab und die Härte von Anionen nimmt von rechts oben nach links unten ab.

Wenn eine Verbindung eingegangen wird, bevorzugt weich weich und hart hart. Da nun S2- im Gegensatz zu O22- zu den weichen Anionen zählt, bevorzugt dieses Verbindung mit weichen Kationen. Also je weicher das Kation, desto stabiler ist die Verbindung und desto eher fällt diese aus. Verbindungen mit harten Kationen sind dennoch möglich, aber sie sind nicht sehr stabil (NaS2 in Kontakt mit CO2 der  Atemluft  lässt H2S frei).

Das HSAB - Prinzip gibt ebenfalls Hinweise auf die Struktur. Weiche Ionen sind leichter polarisierbar, das bedeutet sie haben einen höheren kovalenten Anteil. Daraus ist eine Tetraederstrukur naheliegend. Dies kann man am Beispiel der Zinkblende (ZnS) erkennen. Hier liegen vier Orbitale vor, die miteinander eine Bindung eingehen können.

    Zn2+ (weich) :   3d10   4s0  4p0

    S2-   (weich) :              3s2  3p6

Ausnahmen gibt es trotzdem. So weist Galenit (PbS) eine Natriumchloridstruktur vor und das Pyrit ist ähnlich der Natriumchloridstruktur vor, nur mit S22- - Hanteln. Die Struktur der Elementarzelle ist aber keine Vorhersage für das Aussehen in der Natur. So kann Pyrit als Würfel oder als Sonne vorkommen. 


Zusammenfassung: S22- gehören im Gegensatz zu O22- zu den weichen Anionen. Je weicher nun das Kation, mit welchem eine Verbindung eingegangen wird, desto stabiler ist diese. Folglich bestitzen diese ein geringes Löslichkeitsprodukt und fallen leicht aus. Diese Sulfide sind dann eher in der Natur zu finden als die Oxide. Pyrit und andere solche Sulfide werden schließlich in der Industrie zur Schwefelsäureherstellung und zur Metallgewinnung verwendet.

Abschluss: Wenn man sich nun allerdings als einfacher Wanderer fragt, was man genau vor sich hat, Gold oder Pyrit, gibt es ein paar Dinge, die man beachten kann. Einerseits kommt Gold meist gediegen in verschiedenen Gesteinen vor. Es schimmert dabei gelbgold und ist somit deutlich heller als Pyrit. Hat man keinen Vergleich, hilft einen eventuell die Eigenschaft, dass Gold, im Gegensatz zu Pyrit, im Allgemeinen säureresistent ist. Da aber andererseits Gold auch als Verunreinigung in anderen Mineralien und Metallen, auch in Pyrit, vorkommen kann, lohnt sich eventuell der Blick unter ein Mikroskop oder der Gang zu einem Experten. Vielleicht hat man sogar beides.


Literatur

  1. http://www.chempage.de/lexi/schwefelh.html , 27.07.2016.

  2. Holleman, Arnold F.; Wiberg, Nils: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, DeGruyter, Berlin 2007.

  3. Matthes, Siegfried: Mineralogie, Springer Verlag, Berlin 1983.

  4. http://gestis.itrust.de/nxt/gateway.dll/gestis_de/000000.xml?f=templates$fn=default.htm$vid=gestisdeu:sdbdeu$3.0, 27.07.2016.

  5. Glöckner, Wolfgang; Jansen, Walter: Handbuch der Experimentellen Chemie, Sekundarbereich II,   Band 1, Aulis Verlag Deubner, Köln 2002.

  6. http://www.chemie.de/lexikon/Gold.html#Physikalische_und_chemische_Eigenschaften, 27.07.2016


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