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二硫化铁

二硫化铁( disulfide)是一种无机化合物化学式为FeS2,分子量为119.98,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/cm3,熔点1171 ℃,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。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/cm3,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

FeS2具有两种类型的晶体结构。黄铁矿型FeS2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S2复离子,这种复离子被6个Fe所包围。白铁矿FeS2为斜方晶系,在一定温度下能与黄铁矿型FeS2发生相转变。

理化性质

二硫化铁(FeS2),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。其分子量为119.98,外观呈黄色结晶固体,条痕绿黑色,有金属光泽,具有反磁性,硬度6 ~ 6.5,不透明,解理不完全,参差状断口,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\u003c700 nm时,α\u003e6×105 cm-1)和优异的电化学性能。

受热分解生成一硫化铁和,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,在密闭反应器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,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:以氯化亚铁硫代硫酸钠为原料,采用水热法一步合成了由FeS2纳米片堆积的FeS2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:采用硝酸铁硫脲在溶剂热反应条件下制备FeS2;陈艳华等采用FeSO4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FeS2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FeS2。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FeS2。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FeS2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。在英国维多利亚女王时代(公元1837一1901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

二硫化铁是提取硫和制造硫酸的主要矿物原料,含Au、Co、Ni时可提取伴生元素。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

iron disulfide.pubchem.2023-03-10

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