Järnsulfider

Ben Valsler

Allt som glittrar är inte guld,
det har du ofta hört sägas.
Brian Clegg visar en annan sida,
av dårarnas guld – järnsulfid.

Brian Clegg

’There’s gold in them thar hills!’ Eller finns det? Som smeknamnet ”dårarnas guld” antyder har mineralformen pyrit av järn II-disulfid mer än en flyktig likhet med den ädla metallen. Med den enkla formeln FeS2 kan föreningens kubiska struktur resultera i produktion av anmärkningsvärt effektiva platoniska former, både i form av skarpt kantade kuber och dodekaeder som ser ut som om de har tillverkats, även om den naturliga bildningen oftare resulterar i en mindre tydligt avgränsad struktur.

I kristaller av järndisulfid kommer svavelatomer i par, där en av svavelns fyra bindningar är kopplad till en annan svavelatom. Dessa bindningar bryts under upphettning för att producera järn-II-sulfid – FeS – och svavel. Denna process används vid framställning av svaveldioxid, både för att använda gasen, till exempel som blekmedel för papper, och som det första steget för att framställa svavelsyra. På senare tid har föreningen, som är en halvledare, använts i litium-järn-batterier, där katoden består av järndisulfid: dessa batterier är spänningskompatibla med traditionella 1,5 volts celler, men håller betydligt längre än alkaliska motsvarigheter.

Kanske den tidigaste tillämpningen av järndisulfid var som ett alternativ till flinta för att slå gnistor – därav namnet pyrit – och användes ofta på detta sätt i tidiga pistoler. Det har också länge använts vid framställning av järnsulfat, traditionellt känt som grön vitriol. Järndisulfid används fortfarande ibland på detta sätt, men med mer sofistikerade mekanismer än det traditionella tillvägagångssättet att låta en hög med pyrit ligga ute i regnet och samla upp vätskan som droppade från den.

När mineralet oxiderar avger det en hel del värme, vilket kan resultera i explosioner i kolgruvor med hög svavelhalt. Denna tendens att oxidera innebär dock inte att järn II-disulfid alltid är inlåst. Polerad pyrit har använts i smycken sedan antiken och dess ganska mörka kristaller (de har sällan guldets lyster) var särskilt fashionabla mellan slutet av 1700-talet och början av 1900-talet.

Förvirrande nog kallas smycken tillverkade av pyrit för markazit-smycken – förvirrande eftersom det finns ett alternativt järn-II-disulfidmineral som heter markazit, där den kubiska strukturen är utsträckt till vad som är en s.k. ortorhombisk form. Denna form är mindre lämplig för tillverkning av ädelstenar eftersom den är sprödare och riskerar att smulas sönder. Smyckets namn (som ofta uttalas ”marca-seet” i Storbritannien) härstammar från en tid då alla former av mineralen kallades marcasit.

Kuriren: ©

Järn-II-disulfid är dock ingalunda det enda sättet att kombinera järn och svavel. Den betydligt mindre tilltalande järn II-sulfid är en svartfläckig substans med en struktur som är oktaedrisk runt järnet. Föreningen bildas ganska ofta vid nedbrytning av organiskt material, antingen som svart slam i träsk eller den mörka missfärgningen av en överkokt äggula.

Detta är bara början för subtila varianter av järnsulfid. Mineraler som är kända som greigit, mackinawit och pyrrhotit har varianter av strukturen, medan det svarta pulvret av järn III-sulfid – Fe2S3 – endast någonsin har framställts artificiellt. Greigit ingår i förmågorna hos en grupp marina bakterier som upptäcktes först 1975 och som har den anmärkningsvärda förmågan att orientera sig efter jordens magnetfält. Dessa organismer, som kallas ”magnetotaktiska” bakterier, har kristaller i sina celler som till största delen består av greigit, vilket är järnsulfidekvivalenten till det mest kända naturligt förekommande magnetiska materialet, järnoxiden magnetit.

Den kanske mest intressanta av de alternativa strukturerna är troilit, en annan form av järnsulfid med en hexagonal struktur. Även om detta ibland finns inhemskt på jorden dyker det oftast upp i meteoriter – särskilt de relativt ovanliga sorter som har sitt ursprung på månen och Mars innan de sprängdes bort från ytan i en nedslag från rymden.

Namnet troilit gavs för att hedra den italienske prästen Domenico Troili som gjorde den första registrerade observationen av en meteor som resulterade i att ett föremål träffade marken år 1766. Troili trodde att meteoritens huvudmaterial var marcasit (vilket förmodligen betyder pyrit), men nästan 100 år senare identifierade den tyske mineralogen Gustav Rose meteoritens sammansättning som en annan järnsulfid och namngav den efter Troili.

Järnsulfid kan vara en plåga. Det kan till exempel samlas upp i olje- och gaskällor och göra slangarna hårda. På andra håll har den dock visat sitt värde. Det må vara en enkel förening av två enkla kemiska grundämnen, och som pyrit ett bedrägligt falskt guld, men i sina olika former visar det en mångfald och anpassningsförmåga som gör dess användare allt annat än dårar.

Ben Valsler

Det var Brian Clegg som försvarade järnsulfid. Nästa vecka Mike Freemantle med fotogen och en okonventionell form av krigföring.

Michael Freemantle

Omkring en månad efter den japanska attacken mot Pearl Harbor i december 1941 kom en amerikansk tandläkare på en plan för att förstöra japanska städer genom att spänna fast små brandbomber på fladdermöss.

Ben Valsler

Hitta reda på vad som hände i Project x-ray nästa gång. Fram till dess kan du mejla [email protected] eller twittra @chemistryworld om du har önskemål om föreningar som vi borde ta med i podcasten. Jag heter Ben Valsler, tack för att du är med.