二硫化铁

无机化合物

二硫化铁( 铁 disulfide)是一种 无机化合物 , 化学式 为FeS 2 ,分子量为119.975,通称二硫化亚铁,英文名为ferrous disulfide,外观呈黄色结晶固体,不溶于水。自然界中主要以两种黄铁矿和 白铁矿 两种矿物形式存在,可由水热法、 溶剂 热法、球磨法等制得,主要用于提炼 硫 和制造 硫酸 ,可用于饰品、电子、工业等领域。

存在形式

二硫化铁在自然界中主要以两种矿物存在:黄铁矿和白铁矿。 黄铁矿 ,俗称“愚人金”, 立方晶系 ,颜色呈金黄色、 黄铜 色,条痕绿黑色,有金属光泽,比重5.0,密度4.95 ~ 5.2 g/cm 3 ,难溶于水,可溶于稀酸,在木炭灼烧时火焰呈蓝色,并放出 二氧化硫 气体,常与铜、铅、锌等共生形成多金属矿床,是分布最广的 硫化物 类矿物,在各类岩石中都可出现。 白铁矿 , 正交晶系 ,颜色呈淡黄铜色,条痕暗灰绿色,比重4.87,密度4.6 ~ 4.9 g/cm 3 ,加热至450 ℃时转化,难溶于水,不溶于稀酸,产于沉积 地层 中,分布较少。

晶体结构

FeS 2 具有两种类型的 晶体结构 。 黄铁矿 型FeS 2 属于 立方晶系 ,是 NaCl 型结构的衍生结构,属于 立方晶系 ,在这种结构中,两个S 原子 组成哑铃状的S 2 复离子,这种复离子被6个Fe所包围。白铁矿FeS 2 为斜方晶系,在一定温度下能与 黄铁矿 型FeS 2 发生相转变。

理化性质

二硫化铁(FeS 2 ),是一种具有高理论比容量(894 mA·h·g -1 )的过渡族金属 硫化物 ,其中Fe的 化合价 为+2价,S为-1价,这种化合价情况较为特殊,整个原子团S₂为-2价。其分子量为119.98,硫化铁晶体立方体晶面上有与晶棱平行的条纹,各晶面上的条纹相互垂直。集合体呈致密块状、粒状或结核状。外观呈黄色结晶固体,浅黄(铜黄)色,条痕绿黑色,强金属光泽,具有反磁性, 不透明,无解理,参差状断口。摩氏硬度达6~6.5,小刀刻不动。比重4.9~5.2。在地表条件下易风化为褐铁矿。不溶于水。具有半导体性质,导电性较低,其 电导率 为17.7 Ω·cm ,还具有较高的反射率(53)、禁带宽度(Eg≈0.95 eV)、极高的光吸收率(λ<700 nm时,α>6×10 5 cm -1 )和优异的电化学性能。

受热分解生成一硫化铁和 硫 ,反应方程式为

焙烧炉中与 氧气 反应方程式

在空气中焙烧反应方程式为

与碳发生反应

制备方法

水热法

水热法是以 水溶液 为反应介质,在特制的密闭反应容器(高压釜)中将溶液加热到一定温度,从而在反应体系中产生高压环境,进行无机合成与材料制备的一种方法,可使通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶,具有设备简单、操作便捷、效率高、条件温和、污染小等优点。 制备:以 氯化亚铁 和 硫代硫酸钠 为原料,采用水热法一步合成了由FeS 2 纳米片堆积的FeS 2 微球。

溶剂热法

溶剂 热法是在水热法的基础上,采用有机溶剂作为反应介质,在高温高压环境进行 无机化合物 合成与材料制备的一种方法,其反应条件温和,合成产物纯度高、分散性好,但是产物 结晶度 普遍不高。 制备:采用 硝酸铁 与 硫脲 在溶剂热反应条件下制备FeS 2 ; 陈艳华 等采用FeSO 4 与硫 的 混合物 为前驱物,添加一定量的 聚乙烯吡咯烷酮 ( PVP )作保护剂( 分散剂 ),通过溶剂热反应,在酸性条件与碱性环境下均获得了结晶完好的FeS 2 纳米晶体 。

硫化法

通过其他方法如水热法、 溶剂 热法等合成Fe前驱体,再与S混合后于500 ℃下 硫化 生成FeS 2 。硫化时,温度过高,二硫化铁分解出现其他的物质,生成不纯相的FeS 2 。一般此法不单独使用,都与其他方法配合使用。

机械合成

将 单质 铁粉 和硫粉按照一定比例混合后进行机械合成FeS 2 材料。

矿床

沉积硫铁矿矿床

此矿床数目多,总储量大,分布范围广,但矿石品位低,矿层薄,难 机械化 开采,矿床规模大、中、小型都有,少数规模巨大。

大陆火山-气液矿床

此矿床可分为四种:火山构造沉陷型 硫铁矿 床、 火山岩 盆地 型玢岩硫铁矿矿床、热液充填硫铁矿床和接触交代型硫铁矿床。

海底火山矿床

此矿床多为中型以上,含硫品位高,常伴有铜、铅、锌、稀有金属和贵金属,常绕 火山喷发 中心成带或成群出现,可分为产于酸性 火山石 中的矿床、产于基性火山岩中的矿床、产于 沉积岩 和深 变质岩 中的矿床和产于变质岩中的 硫铁矿 床。

用途

饰品

黄铁矿 是一种很廉价的古代宝石。黄铁矿是提取硫和制造硫酸的主要原料。在 英国 维多利亚女王时代(公元1837~1901年),人们都喜欢饰用这种具有特殊形态和观赏价值的宝石,它除了用于磨制宝石外,还可以做珠宝玉器和其他工艺品的底座。

工业

生产硫酸所用的原材料主要是黄铁矿,成分中通常含钴、镍和硒,具有AB2的典型立方结构,结构类似NaCl,Fe原子位于单胞的角顶和面心。也可作为催化剂,如生产肥料用的氨、从可再生 生物质 中合成碳氢化合物燃料、提取燃料电池和 电动汽车 用的氢等。

电子

二硫化铁是一种极有潜力的光电材料和电池材料。作为过渡金属 硫化物 中的典型代表,具有合适的禁带宽度、极高的光吸收率和优异的 电化学 性能,二硫化铁可作为新一代 光伏 半导体材料 ;而且由于其远高于 石墨 的理论容量和赝 电容 特征,也可作为高性能储能器件的重要备选材料。

参考资料

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