Sulfuro de zinc: qué es, estructura, propiedades, usos
¿Qué es el sulfuro de zinc?
El sulfuro de zinc es un compuesto inorgánico de fórmula ZnS, formado por cationes Zn2+ y aniones S2-. Se encuentra en la naturaleza principalmente como dos minerales: la wurtzita y la esfalerita (o blenda de zinc), siendo esta última su forma principal.
La esfalerita se presenta en la naturaleza de color negro debido a las impurezas que presenta. En forma pura presenta cristales blancos, mientras que la wurtzita presenta cristales de color blanco grisáceo.
El sulfuro de zinc es insoluble en agua. Puede producir daños ambientales, ya que penetra en el suelo y contamina las aguas subterráneas y sus corrientes.
Se puede producir el sulfuro de zinc, entre otras reacciones, por corrosión y por neutralización.
Por corrosión:
Zn + H2S => ZnS + H2
Por neutralización:
H2S + Zn(OH)2 => ZnS + 2H2O
El sulfuro de zinc es una sal fosforescente, lo que le confiere la capacidad de múltiples usos y aplicaciones. Además, es un semiconductor y un fotocatalizador.
Estructura del sulfuro de zinc
El sulfuro de zinc adopta estructuras cristalinas regidas por las atracciones electrostáticas entre el catión Zn2+ y el anión S2-. Estas son dos: la esfalerita o blenda de zinc, y la wurzita. En ambas los iones reducen al mínimo las repulsiones entre iones de iguales cargas.
La blenda de zinc es la más estable en las condiciones terrestres de presión y temperatura; y la wurzita, que es menos densa, resulta del reordenamiento cristalino debido al incremento de la temperatura.
Las dos estructuras pueden coexistir en un mismo sólido de ZnS al mismo tiempo aunque, muy lentamente, la wurzita terminará predominando.
Blenda de zinc
En la imagen superior se muestra la celda unitaria cúbica centrada en las caras de la estructura blenda de zinc. Las esferas amarillas corresponden a los aniones S2-, y las grises a los cationes Zn2+, ubicados en las esquinas y en los centros de las caras del cubo.
Nótese las geometrías tetraédricas en torno a los iones. La blenda de zinc puede representarse también mediante estos tetraedros, cuyos agujeros dentro del cristal tienen la misma geometría (huecos tetraédricos).
Asimismo, dentro de las celdas unitarias se cumple la proporción ZnS; es decir, una proporción 1:1. Así, por cada catión Zn2+ hay un anión S2-. En la imagen puede parecer que abundan las esferas grises, pero en realidad al encontrarse en las esquinas y centro de las caras del cubo están compartidas por otras celdas.
Por ejemplo, si se toman las cuatro esferas amarillas que están dentro de la caja, los “pedazos” de todas las esferas grises alrededor deben sumar igual (y lo hacen), cuatro. De este modo, en la celda unitaria cúbica hay cuatro Zn2+ y cuatro S2-, cumpliéndose la proporción estequiométrica ZnS.
Igualmente, es importante recalcar que hay huecos tetraédricos adelante y detrás de las esferas amarillas (el espacio que las separa una de otras).
Wurzita
A diferencia de la estructura de la blenda de zinc, la wurzita adopta un sistema cristalino hexagonal (imagen superior). Este es menos compacto, por lo que el sólido tiene menor densidad.
Los iones en la wurzita también tienen entornos tetraédricos y una proporción 1:1 que concuerda con la fórmula ZnS.
Propiedades del sulfuro de zinc
Color
Puede presentarse de tres formas:
-La wurtzita, de cristales blancos y hexagonales.
-La esfalerita, de cristales blancos-grisáceos y cristales cúbicos.
-Como un polvo blanco a blanco grisáceo o amarillento, y cristales amarillentos cúbicos.
Punto de fusión
1.700° C.
Solubilidad en agua
Prácticamente insoluble (0,00069 g/100 ml a 18° C).
Solubilidad
Insoluble en álcalis, soluble en ácidos minerales diluidos.
Densidad
Esfalerita 4,04 g/cm3 y wurtzita 4,09 g/cm3.
Dureza
Tiene una dureza de 3 a 4 en la escala de Mohs.
Estabilidad
Cuando contiene agua se oxida lentamente a sulfato. En un ambiente seco es estable.
Descomposición
Cuando se calienta a altas temperaturas emite vapores tóxicos de zinc y óxidos sulfurosos.
Nomenclatura del sulfuro de zinc
La configuración electrónica del Zn es [Ar]3d104s2. Al perder los dos electrones del orbital 4s queda como el catión Zn2+ con sus orbitales d llenos. Por lo tanto, dado que electrónicamente el Zn2+ es mucho más estable que el Zn+, solo tiene una valencia de +2.
De aquí que se omita para la nomenclatura stock, el añadirle su valencia encerrada entre paréntesis y con números romanos: sulfuro de zinc (II).
Nomenclaturas sistemática y tradicional
Pero existen otras maneras de llamar al ZnS además de la ya planteada. En la sistemática, se especifica el número de átomos de cada elemento con los numeradores griegos, con la única excepción del elemento a la derecha cuando es solo uno. Así, el ZnS se nombra como: monosulfuro de zinc (y no monosulfuro de monozinc).
Respecto a la nomenclatura tradicional, al zinc al tener valencia única de +2, se le añade adicionándole el sufijo –ico. En consecuencia, su nombre tradicional resulta: sulfuro zíncico.
Usos del sulfuro de zinc
Como pigmentos o recubrimientos
Sachtolith
El sachtolith es un pigmento blanco hecho con sulfuro de zinc. Se usa en masillas, mastiques, selladores, cubiertas inferiores, pinturas de látex y señalización.
Su uso combinado con pigmentos absorbentes de la luz ultravioleta, como el micro titanio o pigmentos de óxido de hierro transparentes, es necesario en pigmentos resistentes a la intemperie.
ZnS y pinturas de látex
Cuando se aplica ZnS en las pinturas de látex o texturizadas tiene una acción microbicida prolongada.
Ventanas y marcos de aeronaves
Debido a su gran dureza y resistencia a la rotura, la erosión, la lluvia o al polvo, hace que sea adecuado para las ventanas infrarrojas exteriores o en los marcos de las aeronaves.
Recubrimiento y otros usos
El ZnS se usa en el recubrimiento de rotores usados en el transporte de compuestos, para reducir el desgaste. Además, se utiliza en la producción de tintas de impresión, compuestos aislantes, pigmentación termoplástica, plásticos resistentes a las llamas y lámparas electroluminiscentes.
Dispositivos de visión nocturna y pantallas
-El sulfuro de zinc puede ser transparente, pudiendo utilizarse como una ventana para la óptica visible y óptica infrarroja. Se usa en aparatos de visión nocturna, en las pantallas de televisión, pantallas de radares y en revestimientos fluorescentes.
Electroluminiscencia
El dopaje de ZnS con Cu se emplea en la producción de paneles de electroluminiscencia. Además, se utiliza en la propulsión de cohetes y en gravimetría.
Por su fosforescencia
Su fosforescencia se aprovecha para teñir las agujas del reloj y así visualizar la hora en la oscuridad; también en pinturas para los juguetes, en señales de emergencia y de avisos de tránsito.
La fosforescencia permite un uso del sulfuro de zinc en los tubos de rayos catódicos y en las pantallas de los rayos X para brillar en puntos oscuros. El color de la fosforescencia depende del activador usado.
Semiconductor, fotocatalizador y catalizador
- La esfalerita y la wurtzita son semiconductores de hendidura de banda ancha. La esfalerita tiene una hendidura de banda de 3,54 eV, mientras que la wurtzita tiene una hendidura de banda de 3,91 eV.
- Se usa el ZnS en la preparación de un fotocatalizador compuesto de CdS – ZnS/zirconium – fosfato de titanio, utilizado para la producción de hidrógeno bajo la luz visible.
- Interviene como catalizador de la degradación de contaminantes orgánicos. Se emplea en la preparación de un sincronizador de color en las lámparas LED.
- Sus nanocristales se usan para la detección ultrasensible de proteínas. Por ejemplo, mediante la emisión de luz de puntos cuánticos de ZnS. Se usa en la preparación de un fotocatalizador combinado (CdS/ZnS)–TiO2 para la producción eléctrica vía fotoelectrocatálisis.
Referencias
- PubChem (2018). Zinc sulfide. Tomado de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
- QuimiNet (16 de enero de 2015). Pigmento Blanco a base de Sulfuro de Zinc. Recuperado de: quiminet.com
- Wikipedia (2018). Zinc sulfide. Tomado de: en.wikipedia.org
- II-VI UK (2015). Sulfuro de Cinc (ZnS). Tomado de: ii-vi.es
- Rob Toreki (30 de marzo de 2015). The Zincblende (ZnS) Structure. Tomado de: ilpi.com
- Chemistry LibreTexts (22 de enero de 2017). Structure-Zinc Blende (ZnS). Tomado de: chem.libretexts.org
- Reade (2018). Zinc Sulfide/ Zinc Sulphide (ZnS). Tomado de: reade.com