Zinksulfid (ZnS), das Zinksalz der Schwefelwasserstoffsäure, existiert in verschiedenen Modifikationen, die sich in ihren Kristallstrukturen und Eigenschaften unterscheiden. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die verschiedenen ZNS-Modifikationen, ihre Strukturen, Eigenschaften und Anwendungen.
Einführung in Zinksulfid und seine Modifikationen
Zinksulfid (ZnS) ist eine anorganische Verbindung, die in der Natur hauptsächlich in zwei polymorphen Formen vorkommt: Sphalerit (auch bekannt als Zinkblende) und Wurtzit. Sphalerit ist die kubische Form, während Wurtzit die hexagonale Form von ZnS ist. Beide Strukturen sind Prototypen für eine ganze Reihe von Verbindungen.
Zinksulfid als Verbindung
Zinksulfid (ZnS) ist das Zink-Salz der Schwefelwasserstoffsäure. Es kommt in der Natur mineralisch als kubischer Sphalerit (Zinkblende) und hexagonaler Wurtzit vor und kann bergmännisch abgebaut werden.
Natürliches Vorkommen und Abbau
Zinksulfid kommt in der Natur mineralisch als kubischer Sphalerit (Zinkblende) und hexagonaler Wurtzit vor und kann bergmännisch abgebaut werden.
Die Kristallstrukturen von Zinksulfid
Sphalerit (Zinkblende)
Sphalerit, auch bekannt als Zinkblende, ist die kubische Modifikation von ZnS. In dieser Struktur sind sowohl die Zink- als auch die Sulfid-Ionen tetraedrisch von vier Ionen des jeweils anderen Typs umgeben. Die Struktur kann als eine kubisch-flächenzentrierte (kfz) Anordnung von Sulfidionen beschrieben werden, bei der die Zinkionen die Hälfte der Tetraederlücken besetzen.
Tetraedrische Koordination
Sowohl in Sphalerit als auch im Wurtzit sind die Zink-Ionen tetraedrisch von vier Sulfid-Ionen umgeben und umgekehrt.
Beschreibung der Struktur
Im Zinkblende-Strukturtyp besetzen Zinkionen die Hälfte der Tetraederlücken. Kurz gesagt, 4 Formeleinheiten ZnS. Die Zinkionen bilden genauso wie die Schwefelionen eine kubisch flächenzentrierte Packung. Die Schwefelionen und die Zinkionen sind also äquivalent.
Koordinationszahl
Sowohl Schwefelionen als auch Zinkionen haben die Koordinationszahl 4. Jedes Zinkion ist von 12 Zinkionen umgeben, ebenso jedes Schwefelion von 12 gleichen.
Wurtzit
Wurtzit ist die hexagonale Modifikation von ZnS und stellt die Hochtemperatur-Modifikation dar. Ähnlich wie Sphalerit ist Wurtzit durch eine tetraedrische Koordination der Zink- und Sulfidionen gekennzeichnet. Der Unterschied liegt in der Stapelung der Schichten, die in Wurtzit eine hexagonale dichte Packung (hdp) bildet, während sie in Sphalerit kubisch dicht gepackt ist.
Hochtemperatur-Modifikation
Wurtzit stellt die Hochtemperatur-Modifikation dar.
Tetraedrische Koordination
Sowohl in Sphalerit als auch im Wurtzit sind die Zink-Ionen tetraedrisch von vier Sulfid-Ionen umgeben und umgekehrt.
Beschreibung der Struktur
Im Wurtzit sind die Zinkionen immer exakt über den Schwefelionen, und immer im gleichen Abstand. Die Zinkionen bilden dasselbe Gitter wie die Schwefelionen. hexagonal dichteste Packung, und die Schwefelionen besetzen die Hälfte der Tetraederlücken.
Koordinationszahl
Sowohl Schwefelionen als auch Zinkionen haben die Koordinationszahl 4. Jedes Schwefelion ist von 12 weiteren Schwefelionen umgeben. Genauso ist natürlich auch jedes Zinkion von 12 weiteren Zinkionen umgeben.
Übergang zwischen Sphalerit und Wurtzit
Die Umwandlung von Sphalerit in Wurtzit erfolgt bei etwa 1020 °C. Wurtzit ist die Hochtemperaturform, während Sphalerit bei niedrigeren Temperaturen stabiler ist.
Temperaturabhängigkeit
Die Umwandlung von α-ZnS (Zinkblende) in β-ZnS (Wurtzit) beginnt bei 1185 °C und ist bei 1200 °C abgeschlossen. Die Rekonstruktion des Kristallgitters erfolgt bei 1185 °C.
Weitere Modifikationen und Polytype
Neben Sphalerit und Wurtzit existieren weitere, weniger verbreitete Modifikationen und Polytype von ZnS. Polytype sind Strukturen, die sich in der Stapelung der atomaren Schichten unterscheiden, aber ansonsten sehr ähnlich sind.
Polytype
Im Prinzip sind unendlich viele weitere Stapelvarianten möglich.
Hexagonaler Diamant (Lonsdaleit)
Der hexagonale Diamant (sog. Lonsdaleit genannt, der bei Meteoreinschlägen entsteht) ist mit dem Wurtzitgitter verwandt.
Dotierung und Lumineszenz
Zinksulfid kann mit verschiedenen Elementen dotiert werden, um seine optischen und elektronischen Eigenschaften zu verändern. Insbesondere die Dotierung mit Aluminium- oder Kupferionen führt zu Lumineszenz.
Lumineszenzeigenschaften
Mit Al3+- und Cu+-Ionen dotiertes Zinksulfid zeigt Lumineszenz und wird für Leuchtschirme in Bildröhren, Magische Augen und nachleuchtende Zifferblätter von Uhren verwendet. Ebenso kommt es in Elektrolumineszenz-Folien zur Anwendung.
Anwendungen
Dotiertes Zinksulfid findet Anwendung in Leuchtschirmen, nachleuchtenden Zifferblättern und Elektrolumineszenz-Folien.
Anwendungen von Zinksulfid
Zinksulfid findet aufgrund seiner vielfältigen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen Anwendung.
Pigment in Farben
In der Malerei wird es zusammen mit Bariumsulfat als Weißpigment genutzt, eine gemeinsam gefällte Form wird als Lithopone bezeichnet.
Optische Anwendungen
ZnS wird auch in der Optik (IR-Kameras) und als Schutzglas eingesetzt.
Weitere Anwendungen
Zinksulfid findet auch in der Halbleiterindustrie und als UV-Leuchtstoff Verwendung.
Einfluss von Bindungscharakter auf die Kristallstruktur
Die Stabilität einer Kristallstruktur hängt nicht nur von geometrischen Faktoren ab, sondern auch von der Art der chemischen Bindung.
Kovalente Bindungsanteile
Viele Stoffe, die im Zinkblendetyp kristallisieren, sind auch mit gutem Willen nicht mehr als Ionenverbindungen anzusehen, denn die kovalenten Bindungsanteile sind zu groß. Es liegen kovalente Bindungen vor.
Elektronegativität
Bei den restlichen 3 Verbindungen liegt die Differenz der Elektronegativitäten unter 1.
Geometrie
Die Geometrie kann also nicht der einzige Parameter sein, der die Kristallstruktur beeinflusst.
Schwefel als Bestandteil von Zinksulfid
Schwefel ist ein Element der VI. Hauptgruppe und ein wichtiger Bestandteil von Zinksulfid.
Eigenschaften von Schwefel
Schwefel kommt sowohl gediegen als auch in Form von Sulfiden und Sulfaten in der Erdkruste vor. Schwefel und viele Schwefel-Verbindungen sind vor allem in der chemischen Industrie von außerordentlicher Bedeutung.
Modifikationen von Schwefel
Elementarer Schwefel kommt in verschiedenen, temperaturabhängigen Modifikationen vor, z. B. als rhombischer, monokliner oder plastischer Schwefel. Einzig der rhombische Schwefel ist bei Zimmertemperatur stabil.
Reaktionen von Schwefel
Bei höheren Temperaturen reagiert Schwefel jedoch direkt mit vielen Metallen und Nichtmetallen. Mit vielen Metallen bildet Schwefel nach Erhitzen Metallsulfide.
Vergleich mit anderen Elementen der IV. Hauptgruppe
Die Elemente der IV. Hauptgruppe, zu denen auch Kohlenstoff gehört, weisen interessante strukturelle Eigenschaften auf.
Kohlenstoffmodifikationen
Nach der 8-N-Regel sind die Elemente der IV. Hauptgruppe 4-bindig. Kohlenstoff bildet verschiedene Modifikationen. Graphit besteht ausschließlich aus Sechsringen mit Sesselkonformation.
Diamantstruktur
Die Diamantstruktur ist eine weitere wichtige Struktur, die mit der Zinkblendestruktur verglichen werden kann.
Bandlücken
Die Bandlücken der Elemente nehmen im Periodensystem von oben nach unten ab. Silicium hat eine indirekte Bandlücke von 1.17 eV.
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