Vodik-sulfid

Vodik-sulfid
Općenito
Hemijski spoj	Vodik-sulfid
Druga imena	Sulfan, Hidrogen sulfid, Sumporni hidrid
Molekularna formula	H2S
CAS registarski broj	7783-06-4
Kratki opis	bezbojni gas, snažnog mirisa
Osobine1
Molarna masa	34,082 g/mol
Agregatno stanje	gasovito
Gustoća	1,393 g/L, gasoviti
Tačka topljenja	-85,50 °C (187,65 K)
Tačka ključanja	-59,55 °C (213,6 K)
Rastvorljivost	0,4 g/100 mL (20 °C)
Dipolni moment	0,97 D
Rizičnost
NFPA 704	4 4 0
1 Gdje god je moguće korištene su SI jedinice. Ako nije drugačije naznačeno, dati podaci vrijede pri standardnim uslovima.

Vodik-sulfid je bezbojni otrovni gas, snažnog mirisa na pokvarena jaja. To je spoj vodika i sumpora, sumarne formule H₂S. Veoma je zapaljiv.

Često se javlja kao rezultat razlaganja sulfita iz neorganskih supstanci od strane bakterija, bez pristustva kisika na mjestima kao što su močvare i kanalizacija (anaerobna reakcija). Također se javlja i u sastavu vulkanskih gasova, prirodnog gasa kao i u nekim izvorima vode. Miris vodik sulfida se često pogrešno zamjenjuje sa mirisom elementarnog sumpora, koji je u stvari bez mirisa. Vodik-sulfid ima dosta trivijalnih naziva, poput sulfan, hidrogen-sulfid, hidrosumporna kiselina i mnoge druge.

Proizvodnja

Vodik-sulfid se dobija putem izdvajanja iz prirodnog gasa sa visokom koncentracijom H₂S. Može se proizvoditi i putem reakcije vodika sa istopljenim elementarnim sumporom na oko 450 °C. Vodikovi ugljici mogu zamijeniti vodik u ovom procesu. Bakterije koje redukuju sulfate proizvode vodik-sulfid u normalnim uslovima putem redukcije sulfata iz elementarnog sumpora.

Standardna laboratorijska priprema uključuje blago zagrijavanje željezo-sulfida (FeS) sa jakim kiselinama u Kippovom generatoru. Manje poznata, ali dosta laška metoda, je reakcija aluminij-sulfida sa vodom:

$\mathrm {3H_{2}O+Al_{2}S_{3}\longrightarrow 3H_{2}S+Al_{2}O_{3}}$

Vodik-sulfid je i nusproizvod u nekim reakcijama, te se pri tim reakcijama mora posebno paziti, jer udisanje vodik sulfida može biti opasno po život. On se može razdvojiti djelovanjem svjetlosti u vodenom rastvoru kadmij-sulfida (CdS) sa rutenij-dioksidom kao katalizatorom. Smatra se da ova aplikacija može poslužiti kao jedna od metoda uklanjanja H₂S iz nafte i u drugim industrijskim procesima.

Fizičke osobine

Indeks prelamanja svjetlosti za H₂S na -80 °C iznosi 1,460, dok na 20 °C iznosi 1,3682. Van der Waalsova konstanta vodik sulfida iznosi 4,544 bar L²/mol². Kritična temperatura iznosi 100,4 °C, a kritični pritisak 90,1 bara. Standardna entalpija stvaranja iznosi -20,5 kJ/mol. U jednom litru vode na 20 °C rastvara se oko 2,582 litra vodik sulfida u vidu gasa. Pri normalnim uslovima, H₂S je vrlo malo teži od zraka, razlika u gustoći iznosi samo oko 19%.

Vodik sulfid je veoma otrovan i zapaljiv gas. Pošto je teži od zraka, uvijek se nakuplja pri dnu prostorija i slabije prozračenih prostora. Iako se miris isprva ne osjeti intenzivno, potencijalne žrtve mogu osjetiti karakteristični neugodni miris tek kada je već prekasno. Za bezbjedno rukovanje vodik sulfidom, neophodno je pažljivo proučiti sigurnosne procedure i upozorenja.

Nalazišta

Depozit sumpora na stijeni, kao rezultat izdvajanja iz vulkanskih gasova

Manje količine vodik sulfida se mogu naći u sirovoj nafti, ali se u prirodnom gasu može naći i do 90%. Vulkani i neki izvori vrele vode (kao i izvori mineralne vode) mogu sadržavati određene količine H₂S, gdje se vjerovatno javlja putem hidrolize sulfidnih minerala odnosno:

$\mathrm {MS+H_{2}O\longrightarrow MO+H_{2}S}$

gdje je MS - sulfidni mineral, a MO - oksid minerala

Oko 10% ukupne globalne emisije H₂S dolazi od ljudske aktivnosti. Zasigurno najveći industrijski zagađivač koji emituje H₂S su naftne rafinerije: u procesu hidrodesulfurizacije oslobađa se sumpor iz nafte djelovanjem vodika. Nastali H₂S se prevodi u elementarni sumpor djelimičnim sagorijevanjem u Clausovom procesu. Taj proces je najveći izvor elementarnog sumpora za industriju. Drugi antropogenetski izvori vodik sulfida uključuju koksne peći, tvornice papira (koje koriste sumpornu metodu) i industriju kože. H₂S se javlja gotovo uvijek kada elementarni sumpor dođe u kontakt sa organskim materijalom, naročito pri višim temperaturama.

Vodik-sulfid se ponekad javlja u prirodi u izvorskim vodama. U tim slučajevima, za njegovo uklanjanje se koristi ozon. Druge metoda uključuju filtriranje sa mangan dioksidom. Obje metode oksidiraju sulfide u manje otrovne sulfate.

Upotreba

Nekoliko organosufidnih supstanci se dobija koristeći vodik-sulfid. To su između ostalih metanetiol, etanetiol i tioglikolska kiselina. U spoju sa bazama alkalnih metala, vodik-sulfid prelazi u alkalne hidrosulfide kao što su natrij-hidrosulfid i natrij-sulfid, koji se koriste pri degradaciju biopolimera.

Analitička hemija

Vodik-sulfid ima veliku važnost u analitičkoj hemiji više od stotinu godina, pri kvalitativnoj neorganskoj analizi iona metala. U manjim laboratorijama, H₂S se pravi po potrebi u Kippovom generatoru putem reakcije sumporne kiseline (H₂SO₄) sa željezo(II)-sulfidom (FeS). Danas su Kippovi generatori zamijenjeni korištenjem tioacetamida, organske supstance koja u vodi prelazi u H₂S. U ovim analizama, teški metali (i nemetalni ioni kao što su Pb(II), Cu(II), Hg(II), As(III)) se izdvajaju iz rastvora u prisustvu vodik-sulfida.

Proizvodnja metalnih sulfida

Mnogi ioni metala reaguju sa vodik-sulfidom te daju pripadajuće metalne sulfide. Ova konverzija se široko primijenjuje. Pri obogaćivanju ruda metala putem flotacije, prah minerala se često miješa sa vodik-sulfidom da bi se poboljšalo odvajanje. Dijelići metala se često pasiviziraju sa vodik-sulfidom. Katalizatori koji se koriste pri hidrodesulfurizaciji se rutinski aktiviraju sa vodik-sulfidom, a ponašanje metalnih katalizatora koji se koriste u drugim procesima u rafineriji se često izmijenjuje djelovanjem vodik-sulfida.

Ostala upotreba

Vodik sulfid se koristi pri odvajanju deuterij oksida tj. (teške vode, D₂O) od obične vode putem Girdler sulfidnog procesa.

Otrovnost

Vodik sulfid se smatra otrovom širokog spektra, što znači da utiče na nekoliko različitih sistema u čovjekovom organizmu. Međutim, najviše utiče na nervni sistem. Otrovnost H₂S se donekle može porediti sa otrovnošću vodik cijanida. H₂S formira kompleksne veze sa željezom u enzimima mitohondrijalnih citohroma te tako blokira vezanje kisika i ćelijsko disanje. Pošto se vodik sulfid često nalazi u prirodnom okruženju, enzimi koji su prisutni u organizmu s vremenom su razvili sposobnost njegovog neutraliziranja putem oksidacije u manje otrovne sulfate. Pored toga, manje koncentracije sulfida se mogu tolerisati u dužem vremenskom periodu. Na određenim kritičnim nivoima, djelovanje oksidativnih enzima može biti nedovoljno. Smatra se da je prag djelovanja otprilike oko 300-350 ppm. Mnogi dojavljivači (detektori) gasa u postrojenjima, kanalizacijama i pogonima petrohemijske industrije su postavljeni da se aktiviraju na nivoe gasa od 5-10 ppm, a mogu se postaviti do najviše 15 ppm.

Izlaganje niskim koncentracijama H₂S može izazvati iritaciju očiju, suho grlo i kašalj, kratak dah i fluid u plućima. Ovi simptomi obično nestaju za nekoliko sedmica. Dugoročno izlaganje niskim koncentracijama može prouzrokovati umor, gubitak apetita, glavobolje, slabljenje pamćenja i slične simptome. Hronična izloženost niskim koncentracijama H₂S (oko 2 ppm) implicira povećanje rizika od gubitka trudnoće (kod žena) i gubitka potencije, međutim ti slučajevi nisu dokazani. Visoke koncentracije od oko 700-800 ppm mogu biti smrtonosne. Prag osjetljivosti iznosi oko 0,0047 ppm. Tu koncentraciju može osjetiti oko 50% osoba po karakterističnom mirisu na pokvarena jaja.

Vodik sulfid su koristili Britanci kao hemijsko oružje tokom Prvog svjetskog rata. Nije se smatrao kao idealan za korištenje u ratne svrhe, ali je zbog nedostatka drugih gasova korišten u dvije prilike tokom 1916. godine.