Structure moléculaire et propriétés physiques
Par sa géométrie, la molécule de sulfure d'hydrogène ($H_2S$) rappelle à bien des égards celle de l'eau ($H_2O$), mais elle présente des différences significatives. L'angle de liaison y est nettement plus fermé et vaut $93^\circ$. La différence fondamentale réside dans l'interaction intermoléculaire : il ne se forme aucune liaison hydrogène entre les molécules de $H_2S$. C'est précisément pour cette raison que, dans les conditions standard, la substance se trouve à l'état gazeux, tandis que l'eau est un liquide.
Le soufre divalent est capable de former des composés stables avec la grande majorité des éléments. Seuls l'oxygène et le fluor font exception. De nombreux composés organosulfurés sont traditionnellement considérés en chimie comme des dérivés substitués du sulfure d'hydrogène.
Réactions chimiques et obtention
En laboratoire, le sulfure d'hydrogène est généralement préparé par action de l'acide chlorhydrique sur du sulfure de fer(II) solide : $$FeS + 2HCl = FeCl_2 + H_2S\uparrow$$
En solution aqueuse, le gaz présente les propriétés d'un acide diacide faible, formant deux séries de sels : les sels neutres (sulfures) et les sels acides (hydrogénosulfures).
Le sulfure d'hydrogène agit comme un fort réducteur. Les produits de son oxydation dépendent directement des conditions de la réaction :
- En cas de déficit en oxygène, il se produit une oxydation incomplète avec libération de soufre élémentaire :
$$2H_2S + O_2 = 2H_2O + 2S\downarrow$$
- En cas d'excès d'oxygène, il se forme du dioxyde de soufre (oxyde de soufre(IV)) :
$$2H_2S + 3O_2 = 2H_2O + 2SO_2$$
- Les réactions avec les halogènes (par exemple avec l'iode) s'accompagnent également de la précipitation de soufre :
$$H_2S + I_2 = 2HI + S\downarrow$$ (Un trouble similaire de la solution dû à la précipitation du soufre s'observe lors du passage du gaz à travers du dichromate de potassium).
Sulfures métalliques et leurs caractéristiques
Les sulfures métalliques peuvent être obtenus par plusieurs méthodes de base : la neutralisation du sulfure d'hydrogène par des hydroxydes, la synthèse directe à partir des métaux et du soufre, ainsi que par des réactions de métathèse (échange).
Vis-à-vis de l'eau, ces sels se divisent nettement en deux groupes. Les sulfures d'ammonium et de métaux alcalins sont très solubles, le sulfure d'ammonium n'existant en solution que sous forme de sel acide ($NH_4HS$). Les sels solubles subissent une hydrolyse poussée, ce qui confère à leurs solutions une odeur caractéristique de sulfure d'hydrogène. Certains composés, par exemple $Al_2S_3$, sont décomposés par l'eau de manière totale et irréversible.
La plupart des autres sulfures précipitent. Leur couleur spécifique constitue une excellente réaction qualitative pour identifier les cations métalliques :
| Formule du précipité | Couleur | Propriétés additionnelles |
|---|---|---|
| FeS, CuS | Noir | — |
| CdS | Jaune | Utilisé comme pigment en peinture |
| ZnS | Blanc | Capable de luminescence sous un flux d'électrons |
Polysulfures, thiosulfates et composés non métalliques
Les atomes de soufre ont la capacité de prolonger le squelette carboné en se fixant sur des sulfures préexistants. Il en résulte la formation de polysulfures : $$Na_2S + (n - 1)S = Na_2S_n$$ Dans ces molécules, $n$ peut prendre des valeurs de 1 à 8. Sur le plan structural, ils constituent des chaînes anioniques en zigzag d'atomes de soufre portant des charges négatives à leurs extrémités.
Lors de l'ébullition d'une solution de sulfite de sodium avec du soufre, on synthétise le thiosulfate de sodium ($Na_2S_2O_3$). Sa particularité structurale réside dans le fait que, dans l'ion sulfate ($SO_4^{2-}$), un atome d'oxygène est remplacé par du soufre. Ainsi, à la place d'une double liaison $S=O$ apparaît une liaison $S=S$.
Le soufre entre également facilement en réactions de combinaison avec les non-métaux ayant une électronégativité inférieure :
- Le chauffage avec du carbone conduit à la formation de disulfure de carbone ($CS_2$), largement utilisé comme solvant.
- L'interaction avec le phosphore conduit à la formation de sulfures de phosphore ($P_2S_3$, $P_2S_5$), qui sont utilisés comme substances auto-enflammables.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quels sulfures métalliques subissent une hydrolyse totale et irréversible en solution aqueuse ?
En solution aqueuse, certains sulfures métalliques subissent une hydrolyse totale et irréversible avec formation d'un précipité d'hydroxyde et libération de sulfure d'hydrogène gazeux. Le sulfure d'aluminium fait partie de ces composés ; lorsqu'on lui ajoute de l'eau, il forme un mélange trouble dégageant une odeur caractéristique de sulfure d'hydrogène.
- Sulfure d'aluminium (Al2S3) — décomposition totale et irréversible par l'eau avec formation d'hydroxyde d'aluminium et de sulfure d'hydrogène.
Pour quelles affections le traitement balnéologique par les eaux minérales sulfurées est-il indiqué ?
Le traitement balnéologique utilisant des eaux minérales sulfurées et des bains thérapeutiques est employé dans le cadre de la rééducation globale et de la cure thermale des patients souffrant de diverses affections de l'appareil locomoteur. De tels bains thérapeutiques sont indiqués dans les pathologies suivantes :
- Gonarthrose (gonarthrosis) — affection de l'articulation du genou pour laquelle la balnéothérapie bénéficie d'un niveau de recommandation élevé.
- Affections dégénératives de la colonne vertébrale (morbi degenerativi columnae vertebralis) — pathologies pour lesquelles les bains sulfurés sont utilisés à l'étape finale du traitement conservateur.
- Arthrite psoriasique (arthritis psoriatica) — atteinte articulaire inflammatoire en période de manifestations arthritiques minimales ou en rémission.
Quel est le rôle biologique des groupes sulfhydryles dans la formation de la structure tertiaire des protéines ?
Les groupes sulfhydryles des résidus de cystéine jouent un rôle clé dans la stabilisation de la structure tridimensionnelle des molécules protéiques grâce à la formation de liaisons covalentes disulfure. Au cours de l'oxydation des groupes thiols de deux résidus d'acides aminés cystéine, il se forme un pont disulfure solide. La présence de telles liaisons S-S est particulièrement caractéristique des protéines sécrétées, exportées hors de la cellule, où elles confèrent à la molécule une grande stabilité et la protègent de la dénaturation en milieu extracellulaire.
Pour retenir les couleurs des précipités de sulfures : le fer et le cuivre ressemblent à du charbon (noirs), le cadmium est éclatant comme le soleil sur un tableau (pigment jaune), et le zinc est clair comme l'écran d'un vieux téléviseur (luminophore blanc).
Questions des cours et des examens
Pourquoi le sulfure d'hydrogène est-il un gaz et l'eau un liquide dans les conditions normales ?
Contrairement à l'eau, les molécules de sulfure d'hydrogène ne forment pas de liaisons hydrogène entre elles. Cela les prive de la capacité de s'attirer fortement les unes les autres, ce qui explique leur état d'agrégation gazeux.
Comment distinguer structurellement l'ion thiosulfate de l'ion sulfate ?
L'ion thiosulfate ($S_2O_3^{2-}$) présente une géométrie similaire à celle de l'ion sulfate ($SO_4^{2-}$), mais l'un des atomes d'oxygène y est remplacé par un atome de soufre, c'est-à-dire qu'une liaison $S=O$ est remplacée par $S=S$.
Pourquoi les solutions aqueuses de sulfures solubles sentent-elles l'œuf pourri ?
Les sulfures de métaux alcalins solubles subissent une forte hydrolyse dans l'eau. Il résulte de ce processus la formation de sulfure d'hydrogène gazeux, qui s'échappe et dégage une odeur désagréable caractéristique.
À étudier également sur le sujet
- Mécanismes du déroulement par étapes des réactions de neutralisation du sulfure d'hydrogène
- Structure et propriétés chimiques des composés organosulfurés
- Mécanismes physiologiques d'action des bains thérapeutiques sulfurés
- Analyse détaillée de la réaction d'oxydoréduction du sulfure d'hydrogène avec le dichromate de potassium
- Thermodynamique de l'hydrolyse irréversible du sulfure d'aluminium en solutions aqueuses
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