Arsen jest pierwiastkiem chemicznym z grupy azotu (grupa 15 układu okresowego). Jest to krucha substancja (α-arsen) szara z metalicznym połyskiem z romboedryczną siecią krystaliczną. Po podgrzaniu do 600°C sublimuje. Po schłodzeniu pary pojawia się nowa modyfikacja - żółty arsen. Powyżej 270°C wszystkie formy As zamieniają się w czarny arsen.
Historia odkryć
Arszenik był znany na długo przed rozpoznaniem go jako pierwiastka chemicznego. W IV wieku. pne mi. Arystoteles wspomniał o substancji zwanej sandarak, która jest obecnie uważana za realgar lub siarczek arsenu. A w I wieku naszej ery mi. pisarze Pliniusz Starszy i Pedanius Dioscorides opisali orpiment - barwnik As2S3. W XI wieku. n. mi. wyróżniono trzy odmiany „arszenu”: białą (As4O6), żółtą (As2 S 3) i czerwony (As4S4). Sam pierwiastek został prawdopodobnie po raz pierwszy wyizolowany w XIII wieku przez Alberta Wielkiego, który zauważył pojawienie się substancji metalopodobnej, gdy arsen, inna nazwa As2S3 , ogrzewano mydłem. Ale nie ma pewności, że ten przyrodnik otrzymał czysty arszenik. Pierwszy autentyczny dowód na wyizolowanie czystego pierwiastka chemicznegoz dnia 1649. Niemiecki farmaceuta Johann Schroeder przygotowywał arszenik ogrzewając jego tlenek w obecności węgla. Później Nicolas Lemery, francuski lekarz i chemik, zaobserwował powstawanie tego pierwiastka chemicznego poprzez ogrzewanie mieszaniny jego tlenku, mydła i potażu. Na początku XVIII wieku arszenik był już znany jako unikalny semimetal.
Rozpowszechnienie
W skorupie ziemskiej stężenie arsenu jest niskie i wynosi 1,5 ppm. Występuje w glebie i minerałach i może być uwalniany do powietrza, wody i gleby poprzez erozję wietrzną i wodną. Ponadto pierwiastek dostaje się do atmosfery z innych źródeł. W wyniku erupcji wulkanicznych rocznie do powietrza ulatnia się około 3 tys. ton arsenu, mikroorganizmy wytwarzają rocznie 20 tys. ton lotnej metyloarsyny, a w wyniku spalania paliw kopalnych w tym samym okresie uwalnia się 80 tys. ton.
Pomimo tego, że jest śmiertelną trucizną, jest ważnym elementem diety niektórych zwierząt i prawdopodobnie ludzi, chociaż wymagana dawka nie przekracza 0,01 mg/dzień.
Arsen jest niezwykle trudny do przekształcenia w stan rozpuszczalny w wodzie lub lotny. Fakt, że jest dość mobilny oznacza, że duże stężenia substancji w jednym miejscu nie mogą się pojawić. Z jednej strony to dobrze, ale z drugiej strony łatwość, z jaką się rozprzestrzenia, powoduje, że zanieczyszczenie arsenem staje się coraz większym problemem. W wyniku działalności człowieka, głównie poprzez górnictwo i hutnictwo, normalnie nieruchomy pierwiastek chemiczny migruje, a obecnie można go znaleźć nie tylko w miejscachjego naturalne stężenie.
Ilość arsenu w skorupie ziemskiej wynosi około 5 g na tonę. W kosmosie jego stężenie szacuje się na 4 atomy na milion atomów krzemu. Ten element jest powszechny. Niewielka ilość jest obecna w stanie rodzimym. Z reguły wraz z metalami, takimi jak antymon i srebro, znajdują się formacje arsenu o czystości 90–98%. Większość z nich jednak zawarta jest w składzie ponad 150 różnych minerałów – siarczków, arsenków, sulfoarsenidów i arseninów. Arsenopiryt FeAsS jest jednym z najczęściej występujących minerałów zawierających As. Innymi powszechnymi związkami arsenu są minerały z prawdziwego garu As4S4, orpiment As2S 3, lellingite FeAs2 i enargit Cu3AsS4. Powszechny jest również tlenek arsenu. Większość tej substancji jest produktem ubocznym wytapiania rud miedzi, ołowiu, kob altu i złota.
W naturze istnieje tylko jeden stabilny izotop arsenu - 75Jak. Wśród sztucznych izotopów promieniotwórczych wyróżnia się 76Ponieważ o okresie półtrwania 26,4 h. Arsen-72, -74 i -76 są używane w diagnostyce medycznej.
Produkcja i zastosowanie przemysłowe
Arsen metaliczny jest otrzymywany przez ogrzewanie arsenopirytu do 650-700 °C bez powietrza. Jeśli arsenopiryt i inne rudy metali są ogrzewane tlenem, to As łatwo łączy się z nim, tworząc łatwo sublimujący As4O6, znany również jak „białyarsen . Pary tlenku są zbierane i kondensowane, a następnie oczyszczane przez resublimację. Większość As jest wytwarzana przez redukcję węgla z otrzymanego w ten sposób białego arsenu.
Światowe zużycie arsenu metalicznego jest stosunkowo niewielkie – tylko kilkaset ton rocznie. Większość spożywanych potraw pochodzi ze Szwecji. Znajduje zastosowanie w metalurgii ze względu na właściwości metaloidalne. Do produkcji śrutu ołowianego stosuje się około 1% arsenu, ponieważ poprawia on krągłość stopionej kropli. Właściwości stopów łożyskowych na bazie ołowiu poprawiają się zarówno termicznie, jak i mechanicznie, gdy zawierają około 3% arsenu. Obecność niewielkiej ilości tego pierwiastka chemicznego w stopach ołowiu powoduje ich utwardzenie do zastosowania w akumulatorach i pancerzach kabli. Drobne zanieczyszczenia arsenu zwiększają odporność korozyjną i właściwości cieplne miedzi i mosiądzu. W czystej postaci chemiczny pierwiastek As jest używany do powlekania brązem oraz w pirotechnice. Wysoko oczyszczony arsen znajduje zastosowanie w technologii półprzewodnikowej, gdzie jest używany z krzemem i germanem oraz w postaci arsenku galu (GaAs) w diodach, laserach i tranzystorach.
Połączenia jako
Ponieważ wartościowość arsenu wynosi 3 i 5 oraz posiada szereg stopni utlenienia od -3 do +5, pierwiastek ten może tworzyć różne rodzaje związków. Najważniejszymi komercyjnie są jego tlenki, których głównymi formami są As4O6 iJako2O5. Tlenek arsenu, powszechnie znany jako biały arsen, jest produktem ubocznym prażenia rud miedzi, ołowiu i niektórych innych metali, a także arsenopirytu i rud siarczkowych. Jest to materiał wyjściowy dla większości innych związków. Ponadto jest stosowany w pestycydach, jako środek wybielający w produkcji szkła oraz jako konserwant do skór. Pięciotlenek arsenu powstaje w wyniku działania środka utleniającego (np. kwasu azotowego) na biały arsen. Jest głównym składnikiem insektycydów, herbicydów i klejów do metali.
Arsine (AsH3), bezbarwny trujący gaz składający się z arsenu i wodoru, to kolejna znana substancja. Substancja, zwana także wodorem arsenu, otrzymywana jest w wyniku hydrolizy arsenków metali i redukcji metali ze związków arsenu w roztworach kwasów. Znalazł zastosowanie jako domieszka w półprzewodnikach oraz jako wojskowy gaz trujący. W rolnictwie kwas arsenowy (H3AsO4), arsenian ołowiu (PbHAsO44 4 ) i arsenian wapnia [Ca3(AsO4)2
], które służą do sterylizacji gleby i zwalczania szkodników.
Arszenik to pierwiastek chemiczny, który tworzy wiele związków organicznych. Jak Jeden (CH3)2Jako-Jak(CH3)2 , na przykład, jest używany do przygotowania szeroko stosowanego środka osuszającego (osuszacza) - kwasu kakodylowego. Złożone związki organiczne pierwiastka znajdują zastosowanie w leczeniu niektórych schorzeń, np. czerwonki pełzakowatej,spowodowane przez mikroorganizmy.
Właściwości fizyczne
Czym jest arszenik pod względem właściwości fizycznych? W najbardziej stabilnym stanie jest to kruche, stalowoszare ciało stałe o niskiej przewodności cieplnej i elektrycznej. Chociaż niektóre formy As są podobne do metalu, sklasyfikowanie go jako niemetalu jest dokładniejszą charakterystyką arsenu. Istnieją inne rodzaje arsenu, ale nie są one dobrze zbadane, zwłaszcza żółta forma metastabilna, składająca się z cząsteczek As4, podobnych do białego fosforu P4. Arsen sublimuje w 613 °C i występuje jako para jako cząsteczki As4, które nie dysocjują do około 800 °C. Całkowita dysocjacja na cząsteczki As2 zachodzi w 1700 °C.
Struktura atomu i zdolność tworzenia wiązań
Elektroniczna formuła arsenu to 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 - przypomina azot i fosfor tym, że ma pięć elektronów w zewnętrznej powłoce, ale różni się od nich posiadaniem 18 elektronów w przedostatniej powłoce zamiast dwóch lub ośmiu. Dodanie 10 dodatnich ładunków w jądrze podczas wypełniania pięciu trójwymiarowych orbitali często powoduje ogólny spadek chmury elektronowej i wzrost elektroujemności pierwiastków. Arsen w układzie okresowym można porównać z innymi grupami, które wyraźnie pokazują ten wzór. Na przykład ogólnie przyjmuje się, że cynk jestbardziej elektroujemny niż magnez i gal niż aluminium. Jednak w kolejnych grupach ta różnica się zawęża i wielu nie zgadza się, że german jest bardziej elektroujemny niż krzem, pomimo obfitości dowodów chemicznych. Podobne przejście od 8- do 18-elementowej powłoki z fosforu do arsenu może zwiększyć elektroujemność, ale pozostaje to kontrowersyjne.
Podobieństwo zewnętrznej powłoki As i P sugeruje, że mogą one tworzyć 3 wiązania kowalencyjne na atom w obecności dodatkowej niezwiązanej pary elektronów. Stan utlenienia musi zatem wynosić +3 lub -3, w zależności od względnej wzajemnej elektroujemności. Budowa arszeniku również przemawia za możliwością wykorzystania zewnętrznego orbitalu d do rozszerzenia oktetu, co pozwala pierwiastkowi na utworzenie 5 wiązań. Realizuje się to tylko przez reakcję z fluorem. Obecność wolnej pary elektronów do tworzenia związków kompleksowych (poprzez donację elektronów) w atomie As jest znacznie mniej wyraźna niż w fosforze i azocie.
Arszenik jest stabilny w suchym powietrzu, ale w wilgotnym zostaje pokryty czarnym tlenkiem. Jego para łatwo się pali, tworząc As2O3. Co to jest wolny arsen? Praktycznie nie ma na nią wpływu woda, zasady i kwasy nieutleniające, ale utlenia się kwasem azotowym do stanu +5. Halogeny, siarka reagują z arsenem, a wiele metali tworzy arsenki.
Chemia analityczna
Substancja arsen może być jakościowo wykryta jako żółty orpiment, który wytrąca się pod wpływem 25%roztwór kwasu solnego. Ślady As są zazwyczaj określane przez przekształcenie go w arsen, który można wykryć za pomocą testu Marsha. Arsine rozkłada się termicznie, tworząc czarne lustro arsenu wewnątrz wąskiej rurki. Zgodnie z metodą Gutzeita sonda impregnowana chlorkiem rtęci pod wpływem arsenu ciemnieje w wyniku uwolnienia rtęci.
Toksykologiczne właściwości arsenu
Toksyczność pierwiastka i jego pochodnych jest bardzo zróżnicowana w szerokim zakresie, od niezwykle trującej arsenu i jego organicznych pochodnych do po prostu As, który jest stosunkowo obojętny. Wykorzystanie jego związków organicznych jako chemicznych środków bojowych (lewizyt), środka parzącego i defoliantu (środek niebieski oparty na wodnej mieszaninie 5% kwasu kakodylowego i 26% jego soli sodowej) mówi nam, czym jest arszenik.
Ogólnie rzecz biorąc, pochodne tego pierwiastka chemicznego podrażniają skórę i powodują zapalenie skóry. Zaleca się również ochronę dróg oddechowych przed pyłem zawierającym arsen, ale większość zatruć następuje po spożyciu. Maksymalne dopuszczalne stężenie As w pyle dla ośmiogodzinnego dnia pracy wynosi 0,5 mg/m3. W przypadku arsenu dawka jest zmniejszona do 0,05 ppm. Oprócz zastosowania związków tego pierwiastka chemicznego jako herbicydów i pestycydów, zastosowanie arszeniku w farmakologii umożliwiło uzyskanie salwarsanu, pierwszego skutecznego leku przeciw kile.
Skutki zdrowotne
Arszenik jest jednym z najbardziej toksycznych pierwiastków. Związki nieorganiczne danej substancji chemicznejSubstancje naturalnie występują w niewielkich ilościach. Ludzie mogą być narażeni na arszenik poprzez żywność, wodę i powietrze. Narażenie może również nastąpić poprzez kontakt skóry ze skażoną glebą lub wodą.
Zawartość arsenu w żywności jest dość niska. Jednak poziomy w rybach i owocach morza mogą być bardzo wysokie, ponieważ pochłaniają one chemikalia z wody, w której żyją. Znaczące ilości nieorganicznego arsenu w rybach mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia ludzkiego.
Ludzie, którzy pracują z substancją, mieszkają w domach zbudowanych z potraktowanego nią drewna oraz na gruntach rolnych, na których w przeszłości stosowano pestycydy, są również narażeni na działanie substancji.
Arsznik nieorganiczny może powodować różne skutki zdrowotne u ludzi, takie jak podrażnienie żołądka i jelit, zmniejszenie produkcji czerwonych i białych krwinek, zmiany skórne i podrażnienie płuc. Uważa się, że spożywanie znacznych ilości tej substancji może zwiększyć ryzyko zachorowania na raka, zwłaszcza raka skóry, płuc, wątroby i układu limfatycznego.
Bardzo wysokie stężenia nieorganicznego arsenu powodują bezpłodność i poronienia u kobiet, zapalenie skóry, zmniejszoną odporność na infekcje, problemy z sercem i uszkodzenia mózgu. Ponadto ten pierwiastek chemiczny może uszkodzić DNA.
Śmiertelna dawka białego arsenu wynosi 100 mg.
Związki organiczne tego pierwiastka nie powodują raka ani uszkodzenia kodu genetycznego, ale wysokie dawki mogąpowodować szkody dla zdrowia ludzkiego, takie jak zaburzenia nerwowe lub ból brzucha.
Właściwości jako
Główne właściwości chemiczne i fizyczne arsenu są następujące:
- Numer atomowy - 33.
- Waga atomowa to 74.9216.
- Temperatura topienia szarej formy wynosi 814 °C przy ciśnieniu 36 atmosfer.
- Gęstość szarości 5,73g/cm3 w 14°C.
- Gęstość żółtej formy 2,03 g/cm3 w 18°C.
- Elektroniczna formuła arsenu to 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Stany utleniania – -3, +3, +5.
- Walencja arsenu wynosi 3, 5.
