H2S a hidrogén-szulfid vegyület kémiai képlete. A hidrogén-szulfid egy kovalens vegyület, amely 2 hidrogénatomból áll, amelyek egy központi kénatomhoz kapcsolódnak. A vízhez (H20) hasonlóan a hidrogén-szulfid is hidrogén-kalkogenid – hidrogénből és egy 16. csoportba tartozó elemből (oxigén, kén, szelén, tellúr) álló vegyület. A hidrogén-szulfid a nem poláris H-S kötések miatt nem poláris. A hidrogén és a kén közötti EN-különbség 0,4, így a hidrogén és a kén nem poláris kötéseket képez. Bár aszimmetrikus molekulageometriával rendelkezik, az egész molekula nem poláris, mivel nincsenek poláris kötések.
A hidrogén-szulfiddal leggyakrabban a szulfidogén szervezetek anaerob légzésének termékeként találkozunk. Például egyes baktériumok, amelyek oxigén hiányában működnek, a sejtlégzés során szulfátionokat (SO4-) használnak terminális elektronakceptorként, amelyek H2S-szé redukálják azt. Más szóval, a szulfidogén szervezetek ként lélegeznek be és kénhidrogént lélegeznek ki. Ezzel szemben az aerob szervezetekben a légzés során a molekuláris oxigén (O2) a terminális elektronakceptor, amely H2O-vá redukálódik. A vulkánokban és a földgázképződményekben lejátszódó folyamatok terméke is.
A kénhidrogén-szulfid szúrós szagáról ismert, amelyet záptojásként írnak le. Gyúlékony, és hővel és oxigénnel reakcióba lépve kén-dioxidot (SO2) és vizet termel. A kénhidrogén nagy mennyiségben mérgező az emberre. toxicitási szintje a szén-monoxidéhoz (CO) hasonlítható. Belélegezve a kénhidrogén a mitokondriumokban lévő enzimekhez kötődik, ami megakadályozza a sejtlégzést.
Polaritás dióhéjban
Lényegében a polaritás a kémiában annak mérőszáma, hogy egy molekulában mennyire egyenletesen oszlanak el az elektronok. Amikor két atom kovalens kötést hoz létre, akkor ezt a valenciaelektronok megosztásával teszik. Minden elemnek van elektronegativitása, ami azt mutatja meg, hogy milyen erősen vonzzák az elektronokat. Amikor két, elektronegativitásukban nagymértékben eltérő elem kovalens kötést hoz létre, az elektronegatívabb elem erősebben húzza a megosztott elektronokat, mint a kevésbé elektronegatív elem. Ennek eredményeként a megosztott elektronok közelebb húzódnak az elektronegatívabb elemhez.
Az elektromos töltések egyenlőtlen elmozdulása a molekulában az elektronegatívabb elemnek részleges negatív, a kevésbé elektronegatív elemnek pedig részleges pozitív töltést ad. Ez jelenti azt, hogy egy molekula poláris; az elektronok egyenlőtlen térbeli eloszlása miatt részlegesen töltött dipólus van a szerkezetében.
Az, hogy két atom poláris vagy nem poláris kötést hoz létre, az elemek elektronegativitásától függ. Ha két elem elektronegativitása 0,5 és 2 között van, akkor a kötést általában polárisnak tekintik. Ha a különbség kisebb, mint 0,5, akkor funkcionálisan nem polárisnak tekintik. Ha a különbség nagyobb, mint 2, akkor a kötés teljesen poláris, és helyesebb ionos kötésnek nevezni.
Egy vízmolekula például a H-O kötései miatt poláris. A hidrogén EN értéke 2,1, az oxigéné pedig 3,5. A két érték közötti különbség 1,4, tehát a H-O kötések polárisnak tekinthetők, az oxigén részlegesen negatív töltéssel rendelkezik.
A hidrogén-szulfid polaritása
Az előző leckében a polaritásról tanultakat alkalmazva megtudhatjuk, hogy a hidrogén-szulfid poláris vegyület-e? A hidrogén EN értéke 2,1, a kéné pedig 2,5. A két érték közötti különbség kisebb, mint 0,5, tehát a H-S kötéseket nem polárisnak minősítjük. Mivel a hidrogén-szulfid teljes egészében nem poláris H-S kötésekből áll, az egész molekula nem poláris.
Szigorúan véve a H-S kötések nem teljesen nem polárisak. A kén kissé elektronegatívabb, mint a hidrogén, ezért kissé erősebben húzza a megosztott elektronokat. Ez a polaritás azonban nagyon gyenge, és gyakorlatilag célszerű a nagyon gyengén poláros kötéseket úgy kezelni, mintha egyáltalán nem lennének polárisak. Tehát annak ellenére, hogy a H-S kötések technikailag kissé polárisak, a legtöbbször biztonságos úgy kezelni őket, mintha nem lennének polárisak. Az egyetlen igazán nem poláris kötések azonos EN értékű atomok között jönnek létre (mint a kétatomos molekulák) A hidrogén-szulfid nagyon enyhe polaritása kis léptékben jelentős hatással bír, ezért bizonyos körülmények között célszerű lenne a H-S kötéseket polárként kezelni.
A hidrogén-szulfid mint vegyület
A hidrogén-szulfid egy háromatomos (3 atomos) molekula, amely egy központi kénatomból és 2 terminális hidrogénatomból áll. A vízmolekulához hasonlóan a hidrogén-szulfid is hajlított geometriai szerkezetű, 92,1°-os kötésszöggel és 136 pikométeres kötéshosszal (1 pikométer = a méter 1 billiomod része). Kicsit sűrűbb, mint a levegő, és oxigén és hő jelenlétében robbanékony. A hidrogén-szulfid vízben enyhén oldódik, és egy magányos protonra (H+) és egy hidroszulfidionra (HS-) disszociál. Ez a viselkedés a hidrogén-szulfidot gyenge savvá teszi.
A hidrogén-szulfid éghető, és oxigénnel és hővel kén-dioxid és víz képződésével reagál. Magas hőmérsékleten a kén-dioxid elemi kénné és vízzé alakul, ezért a hidrogén-szulfid elégetését gyakran használják a tiszta elemi kén előállításának egyik lépéseként. Fémionokkal fémszulfidokat képezve reagál, leggyakrabban ólommal (Pb), ólom(II)-szulfidot (PbS) képezve. Ezzel szemben a fémszulfidok erős savval való kezelése kénhidrogén keletkezését eredményezi.
A kénhidrogén előfordulása
Anaerob légzés
A kénhidrogén egyik elsődleges természetes forrása a szulfidogén baktériumok tevékenysége. A szulfidogén baktériumok oxigén helyett ként használnak anyagcseréjükhöz. A szulfidogén légzés során a baktériumok szulfátionokat használnak redukálószerként, hogy elektronokat szállítsanak az elektrontranszportvonalon. A reakció végén a szulfátionok kénhidrogénné redukálódnak, amely a környezetbe kerül. A szulfidogén baktériumok tevékenysége és hidrogén-szulfid termékeik felelősek a rothadó szagért, amely a nagy mennyiségű bomló szerves anyagot tartalmazó helyekkel, például a mocsarakkal vagy a csatornákkal kapcsolatos.
A szulfidogén baktériumok tevékenysége döntő jelentőségű a földi kénkörforgásban. Így a kénhidrogén a kén körforgásának egyik fő alkotóeleme. A kén körforgása az a folyamat, amelynek során a kén a környezeten keresztül az élő szervezetekbe és onnan vissza a környezetbe kerül. A kén az élő szervezetek számára szükséges nyomelem, ezért a kén körforgása biztosítja az elemi kén állandó készletét az élő szervezetek számára. A kénhidrogénnek a szulfidogén baktériumok általi előállítása fontos lépést jelent ebben a körforgásban; a kén előállítása, amely végül az élő szervezetekbe kerül.
Geológiai tevékenység
A földkéregben zajló geokémiai reakciók során kis mennyiségű kénhidrogén is keletkezik. A földkéreg nagy mennyiségben tartalmaz ként és kéntartalmú ásványokat. Hő és nyomás hatására a fémszulfidvegyületek vízzel hidrolízisnek vetik alá magukat, és fémoxidot és kénhidrogéngázt képeznek. Mint ilyen, a kénhidrogén a földgázt létrehozó folyamat természetes terméke. Valójában nagy mennyiségű hidrogén-szulfid keletkezik a földgázlelőhelyekről történő leválasztása révén. Hasonló mechanizmusok eredményezik a kénhidrogén képződését az óceáni termikus nyílásokban is.
Az emberben
Noha a kénhidrogén nagy mennyiségben rendkívül mérgező az emberre, kis mennyiségű kénhidrogén döntő szerepet játszik az emberi biológiában. A kénhidrogén a szervezetben gyakran olyan jelzőmolekulaként működik, amely szabályozza az ATP-termelés mennyiségét a sejtlégzés során. Úgy tűnik, hogy a hidrogén-szulfid az állati erek érszűkületében és a növényekben a magok csírázási sebességében is szerepet játszik.
A hidrogén-szulfid toxicitása
A hidrogén-szulfid általában nagyon mérgező az obligát oxigénlégzők számára. Hatásmechanizmusa hasonló a szén-monoxidéhoz. A hidrogén-szulfid fontos enzimekhez és kofaktorokhoz kötődik, megakadályozva őket abban, hogy a sejtlégzés során elvégezzék a feladatukat. Mivel a hidrogén-szulfid természetes módon termelődik az emberi szervezetben, a szervezetnek vannak mechanizmusai a hidrogén-szulfid eltávolítására, bár ezek a mechanizmusok elég nagy dózis esetén felülkerekedhetnek.
A hidrogén-szulfid-mérgezés tünetei hasonlóak a szén-monoxid-mérgezéséhez; fáradtság, szédülés, koncentrációképtelenség, emlékezetkiesés és ingerlékenység. Bár kezdetben szúrós szaga van, a szervezet gyorsan hozzászokik a szaghoz, ami miatt az emberek nem is tudnak a jelenlétéről. Kicsit sűrűbb, mint a levegő, ezért hajlamos a rosszul szellőző terek aljának közelében felhalmozódni. Az emberi szervezet egy ideig elviseli a kénhidrogén alacsony koncentrációját. Nagy koncentrációban a kénhidrogén belélegzése azonnal halálos lehet, vagy súlyos agykárosodást okozhat.
Történelmileg az orvosok a kénhidrogén-mérgezés szélsőséges eseteit úgy diagnosztizálták, hogy egy rézérmét tettek az áldozat zsebébe. Ha a beteg szervezetében nagy mennyiségű hidrogén-szulfid van, az reakcióba lép a zsebében lévő rézérmével, oxidálja azt és zöldre színezi.