Siarczki żelaza

Ben Valsler

Wszystko, co się błyszczy, nie jest złotem,
często słyszałeś, jak to mówiono.
Brian Clegg pokazuje inną stronę,
złota głupców – siarczek żelaza.

Brian Clegg

’There’s gold in them thar hills!’. A może jest? Jak sugeruje jego przydomek „złoto głupców”, piryt, mineralna forma dwusiarczku żelaza II, ma więcej niż tylko przelotne podobieństwo do metalu szlachetnego. Dzięki prostej formule FeS2, sześcienna struktura związku może prowadzić do wytworzenia niezwykle efektownie wyglądających platońskich kształtów zarówno w postaci ostro zakończonych sześcianów, jak i dodekaedrów, które wyglądają, jakby zostały wyprodukowane, choć częściej naturalna formacja skutkuje mniej wyraźnie zaznaczoną strukturą.

W kryształach dwusiarczku żelaza atomy siarki występują parami, przy czym jedno z czterech wiązań siarki jest połączone z innym atomem siarki. Wiązania te ulegają rozerwaniu pod wpływem ogrzewania, w wyniku czego powstaje siarczek żelaza II – FeS – i siarka. Proces ten jest wykorzystywany do produkcji dwutlenku siarki, zarówno w celu wykorzystania gazu, na przykład jako wybielacza do papieru, jak i jako pierwszy krok do produkcji kwasu siarkowego. Ostatnio związek ten, będący półprzewodnikiem, znalazł zastosowanie w bateriach litowo-żelazowych, w których katoda wykonana jest z dwusiarczku żelaza: baterie te są zgodne napięciowo z tradycyjnymi ogniwami 1,5 V, ale działają znacznie dłużej niż ich alkaliczne odpowiedniki.

Prawdopodobnie najwcześniejszym zastosowaniem dwusiarczku żelaza była alternatywa dla krzemienia w krzesaniu iskier – stąd nazwa piryt – i był on często wykorzystywany w ten sposób we wczesnych pistoletach. Był on również od dawna wykorzystywany do produkcji siarczanu żelaza, tradycyjnie znanego jako zielony witriol. Dwusiarczek żelaza jest nadal czasami używany w ten sposób, choć z bardziej wyrafinowanymi mechanizmami niż tradycyjne podejście polegające na pozostawieniu stosu pirytu na deszczu i zbieraniu cieczy, która z niego kapała.

Jak minerał utlenia się, wydziela dość dużo ciepła, co może powodować eksplozje w kopalniach węgla z dużą zawartością siarki. Ta skłonność do utleniania nie oznacza jednak, że dwusiarczek żelaza II jest zawsze zamknięty. Polerowany piryt był używany w jubilerstwie od czasów starożytnych, a jego raczej ciemne kryształy (rzadko mają połysk złota) były szczególnie modne między późnymi latami 1700 a początkiem XX wieku.

Konfliktowo, biżuteria wykonana z pirytu jest nazywana biżuterią z marakasytem – mylące, ponieważ istnieje alternatywny minerał dwusiarczku żelaza II zwany marakasytem, w którym struktura sześcienna jest rozciągnięta do tak zwanej formy ortorhombicznej. Ta forma jest mniej odpowiednia do produkcji kamieni szlachetnych, ponieważ jest bardziej krucha i może się kruszyć. Nazwa klejnotu (często wymawiana „marca-seet” w Wielkiej Brytanii) pochodzi z czasów, kiedy wszystkie formy minerału były znane jako marcasite.

Jednakże disiarczek żelaza II nie jest bynajmniej jedynym sposobem połączenia żelaza i siarki. O wiele mniej atrakcyjnie wyglądający siarczek żelaza II jest czarną, cętkowaną substancją o strukturze oktaedrycznej wokół żelaza. Związek ten dość często powstaje w wyniku rozkładu materii organicznej, czy to jako czarny szlam na bagnach, czy ciemne przebarwienie zbyt ugotowanego żółtka jajka.

To dopiero początek dla subtelnych wariantów siarczku żelaza. Minerały znane jako greigit, mackinawit i pirrhotyt mają warianty struktury, podczas gdy czarny proszek siarczku żelaza III – Fe2S3 – był do tej pory tylko sztucznie wytwarzany. Greigit wykazuje zdolności odkrytej w 1975 roku grupy bakterii morskich, które mają niezwykłą zdolność orientowania się zgodnie z polem magnetycznym Ziemi. Nazywane „magnetotaktycznymi” bakteriami, organizmy te mają w swoich komórkach kryształy, które są w większości greigitem, który jest odpowiednikiem siarczku żelaza najbardziej znanego naturalnie występującego materiału magnetycznego, tlenku żelaza magnetytu.

Prawdopodobnie najbardziej interesującą z alternatywnych struktur jest troilit, inna forma siarczku żelaza o strukturze heksagonalnej. Chociaż jest on sporadycznie spotykany na Ziemi, najczęściej pojawia się w meteorytach – szczególnie w stosunkowo rzadkich odmianach, które pochodzą z Księżyca i Marsa, zanim zostały zdmuchnięte z powierzchni w wyniku uderzenia z kosmosu.

Nazwa troilit została nadana na cześć włoskiego księdza Domenico Troili, który dokonał pierwszej zarejestrowanej obserwacji meteoru skutkującej obiektem uderzającym w ziemię w 1766 roku. Troili uważał, że głównym materiałem meteorytu był marcasyt (prawdopodobnie oznaczający piryt), ale prawie 100 lat później niemiecki mineralog Gustav Rose zidentyfikował skład meteorytu jako inny siarczek żelaza i nazwał go imieniem Troili.

Siarczek żelaza może być uciążliwy. Może gromadzić się, na przykład, w szybach naftowych i gazowych, brudząc przewody. Jednak w innych miejscach udowodnił swoją wartość. Może być prostym związkiem dwóch prostych pierwiastków chemicznych i jak piryt zwodniczą podróbką złota, ale w swoich różnorodnych formach wykazuje różnorodność i zdolność adaptacji, która sprawia, że jego użytkownicy nie są głupcami.

Ben Valsler

To był Brian Clegg w obronie siarczku żelaza. W następnym tygodniu Mike Freemantle o nafcie i niekonwencjonalnej formie prowadzenia wojny.

Michael Freemantle

Mniej więcej miesiąc po japońskim ataku na Pearl Harbor w grudniu 1941 roku amerykański dentysta wpadł na pomysł zburzenia japońskich miast przez przyczepienie do nietoperzy maleńkich bomb zapalających.

Ben Valsler

Dowiedź się następnym razem, co się stało w Projekcie Rentgen. Do tego czasu możecie wysyłać e-maile na adres [email protected] lub tweetować na @chemistryworld, jeśli macie jakieś propozycje związków, które powinniśmy uwzględnić w podcaście. Jestem Ben Valsler, dziękuję za przyłączenie się do mnie.