Stabilization of Cu-Fe-Bi-Pb-Sn-sulfides

Summary Three stabilization phenomena, 1: special e.g. hydrothermal conditions, 2: stabilization by replacements of ions, as e.g. Cu and Fe and 3: heterogeneous nucleation as, e.g., by epitaxy are tested for phases in the system Cu₂S-CuS₂-Bi₂S₃-FeS-FeS₂. Hydrothermal solution and precipitation conditions can metastabilize or stabilize phases, which are not existent under dry conditions as Cu₄Bi₅S₁₀ or CuS₂-FeS₂ mixed crystals, but are stable at high pressures. Stabilization by Cu-Fe substitution leads to the assumption that stabilization basically depends on the ionic radii similarity, but necessarily electronic interactions have to be involved. Stabilization by heterogeneous nucleation is tested for Pb-Bi sulfosalts, e.g. for the epitaxial growth of Bi₂S₃ on NaCl. In contrast to the normal orthorhombic Bi2S3, the epitaxial Bi₂S₃ shows a pseudotetragonal subcell correlated to NaCl. Satellite reflections indicate a modulation probably caused by a modulation of the metal vacancies.

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Stabilisterung von Cu-Fe-Bi-Pb-Sn-Sulfiden

Zusammenfassung Im System Cu₂S-CuS₂-Bi₂S₃-FeS-FeS₂ werden drei Stabilisierungsphänomene 1: spezielle Stabilisierungsbedingungen z. B. in hydrothermalen Lösungen, 2: Stabilisierungen durch Elemente- bzw. Ionenersatz am Beispiel von Cu und Fe und 3: heterogene Keimbildung anhand von Epitaxieversuchen verifiziert.Hydrothermale Ausscheidungsbedingungen können metastabile oder stabile Phasen bedingen, die z. B. unter trockenen Bedingungen nicht oder nur bei hohen Drucken stabil sind. Dies gilt z. B. für den Cu-Fe-Ersatz in Cu₄Bi₅S₁₀ bzw. für CUS₂-FeS₂ Mischkristalle. Die Stabilisierung durch Cu-Fe-Substitution führt zu der Annahme, daß hierfür als notwendige Voraussetzung die Ähnlichkeit der Ionenradien gilt, jedoch als hinreichende Bedingung die elektronische Wechselwirkung zwischen den sich ersetzenden Ionen anzusehen ist.Die Stabilisierung durch heterogene Keimbildung wird für Pb-Bi-Sulfosalze am Beispiel der Epitaxie von Bi₂S₃ auf NaCI getestet. Im Gegensatz zum normalen orthorhombischen Bi₂S₃ zeigt die epitaktische Phase eine mit NaCl korrelierte tetragonale Subzelle. Satellitenreflexe deuten auf eine Modulation der Leerstellen der Metallionen hin.

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With 10 Figures

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Contribution to the Ore Mineralogy Symposium (IMA/COM) at the 14th General Meeting of the International Mineralogical Association, at Stanford, California, in July, 1986.     

Crystal chemistry of Fe-containing sphalerites

 Cell dimensions and solvus properties of Fe-containing sphalerites, depending on temperature and sulfur fugacity, were investigated using equilibrated powdered materials synthesized from elements and binary sulfides under vacuum. The Fe solvus in sphalerite, determined by optical microscopy and microprobe analysis, are directly correlated with increasing temperature and decreasing sulfur fugacity controlled by solid-state buffers. The increase of lattice parameters with Fe correlates with an increase of FeS independent of sulfur fugacity up to 10 mol% FeS within ZnS. Above about 10 mol% the lattice parameters are strongly depending on the sulfur fugacity controlled Fe³⁺/Fe²⁺ ratios. The Fe³⁺/Fe²⁺ ratios determined by Moessbauer spectroscopy and involving metal vacancies depend on the sulfur fugacity. The critical Fe²⁺ content determined by experimental simulations as well as the minimal Fe³⁺/ Fe²⁺ ratios agree with the required minimal Fe content for CuFeS₂-DIS in sphalerite. The critical Fe²⁺ content also agrees with the change of Moessbauer signal from a singlet to a doublet for Fe²⁺ containing sphalerite. Pyrrhotite exsolutions in sphalerite caused by higher sulfur fugacity show orientationally intergrown with the sphalerite matrix. Density data calculated from lattice parameters and composition are compared with experimental density measurements. Received: 25 April 2001 / Accepted: 14 February 2003     

The two polymorphs of TlPbSbS3 and the structural relations of phases in the system TlSbS2-PbS

Summary The synthetic TlPbSbS₃ represents a rare example of a sulphosalt with statistical distribution of Tl, Pb and Sb in the structure. Within the TlSbS₂-PbS system, TlPbSbS₃ is the end member of the solid solution series with TlSbS₂, but no solubility with PbS is detected. The high temperature-TlPbSbS₃ is orthorhombic and inverts at about 620 K to the low-temperature phase. The low-temperature modification of TlPbSbS₃ was structurally investigated by X-ray powder diffraction and by the Rietveld analysis of the data. The structure is monoclinic, with a = 4.1707(4) Å, b = 4.2856(4) Å, c = 12.157(1) Å, = 105.49(1)°, space group P2₁/c. Like in the high-temperature form, there is a cation disorder over the equivalent positions in the structure. The interatomic distances of (Tl, Ph, Sb) to S are 2.71, 2.72, 2.88, 3.15, 3.29, 3.51 (Å). There is a close similarity between the TlPbSbS₃ polymorphs and the and forms of SnS, as regards the atomic coordinations and the general structure types and the same type of phase transformation is supposed for both cases. The small differences in the structure type and symmetry, between the low temperature forms of SnS and TlPbSbS₃, result probably from stronger metal-metal interactions in the latter. A substitution-derivative relation to SnS type is established owing to the strong structural effect of the lone electron pairs of Tl and Sb. The substitution of Ag for Tl and Bi for Sb in ABCS₃ type compounds diminishes this effect and PbS type structures are produced.

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Die zwei Polymorphen von TlPbSbS₃ und die Strukturellen Beziehungen von Phasen in System TlSbS₂-PbS

Zusammenfassung Die synthetische Phase TlPbSbS₃ ist ein seltenes Beispiel von einem Sulfosalz mit der statistischen Verteilung von TI, Pb und Sb in der Struktur. In der TlSbS2-PbS Phasensystem, ist TlPbSbS₃ das Endmitglied der Mischkristallreihe, die sich im Richtung TlSbS₂ ausstreckt. Weitere Ausdehnung der Mischkristallreihe in der Richtung SbS konnte nicht bewiesen werden. Die Hochtemperatur-TlPbSbS₃ ist rhombisch und wird beim 620 K in die Tieftemperatur Modifikation umgewandelt. Die Tieftemperaturphase ist mit der Röntgenpulverdiffraktion und Rietveld Methode strukturell untersucht worden. Die ist monoklin, mit den Gitterkonstanten: a = 4.1707(4) Å, b = 4.2856(4) Å, c = 12.157(1) Å, = 105.49(1)°, Raumgruppe P2₁/c. Die statistische Verteilung von Kationen ist auch hier vorhanden. Die zwischenatomare Abstande (Tl, Pb, Sb)-S sind: 2.71, 2.72, 2.88, 3.14, 3.28, 3.51 (Å). Es besteht eine enge Verwandschaft zwischen den polymorphen Modifikationen von TlPbSbS₃ und den und Polymorphen von SnS, was die atomare Koordinationen und den generellen Strukturtypus betrifft, wobei ein ähnlicher Mechanismus der Phasenumwandlung für die beiden Fälle vermutet werden könnte. Die Differenzen in der Struktur und Symmetrie zwischen der Tieftemperaturmodifikationen von SnS und TlPbSbS₃ sind wahrscheinlich durch die bedeutende Metall-Metall Wirkungen in der zweiten verursacht. Die Phase TlPbSbS₃ ist ein substitution-derivative von der SnS Struktur, was durch die starke lone-electron-pair Aktivität von Kationen zu erklären ist. Die Ersetzung von Tl durch Ag und Sb durch Bi vermindert diese Aktivität und die entstandenen Strukturen sind in dem Fall dem PbS-Typus verwandt.

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With 3 Figures