ARSEN: HISTORIA, BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Arsen jest półmetalu albo półmetalu należący do grupy 15 i VA Układu Okresowego. Jest reprezentowany przez symbol chemiczny As, a jego liczba atomowa wynosi 33. Występuje w trzech formach alotropowych: żółtej, czarnej i szarej; ta ostatnia jako jedyna ma znaczenie przemysłowe.

Szary arsen to kruche, metalicznie wyglądające ciało stałe o stalowym, krystalicznym kolorze (dolne zdjęcie). Pod wpływem powietrza traci połysk, tworząc tlenek arsenu (As ₂ O ₃ ), który po podgrzaniu wydziela zapach czosnku. Z drugiej strony, jego żółte i czarne alotropy są odpowiednio molekularne i bezpostaciowe.

Arszenik metaliczny. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

Arsen znajduje się w skorupie ziemskiej związanej z licznymi minerałami. Tylko niewielka część występuje w stanie rodzimym, jednak związana jest z antymonem i srebrem.

Do najczęściej występujących minerałów, w których występuje arsen, należą: realgar (As ₄ S ₄ ), orpiment (As ₂ S ₃ ), loellingit (FeAs ₂ ) i enargit (Cu ₃ AsS ₄ ). Arsen jest również uzyskiwany jako produkt uboczny wytapiania metali, takich jak ołów, miedź, kobalt i złoto.

Związki arsenu są toksyczne, zwłaszcza arsyn (AsH ₃ ). Jednak arsen ma wiele zastosowań przemysłowych, w tym stapianie z ołowiem, używane do produkcji akumulatorów samochodowych oraz stapianie galem z różnymi zastosowaniami w elektronice.

Historia jego odkrycia

Nazwa „arsen” pochodzi od łacińskiego arsenicum i greckiego arsenikon, odnoszącego się do żółtego orpimentu, który był główną formą stosowania arsenu przez alchemików.

Arsen na długo przed uznaniem go za pierwiastek chemiczny był znany i stosowany w postaci jego związków. Na przykład Arystoteles w IV wieku pne pisał o sandarache, substancji, która obecnie uważa się za siarczek arsenu.

Pliniusz Starszy i Pedanius Discórides w I wieku naszej ery opisali orpiment, minerał składający się z As ₂ S ₃ . W XI wieku rozpoznano trzy gatunki arsenu: biały (As ₄ O ₄ ), żółty (As ₂ S ₃ ) i czerwony (As ₄ S ₄ ).

Arsen jako czysty pierwiastek po raz pierwszy zaobserwował Albertus Magnus (1250). Magnus podgrzał siarczek arsenu mydłem, zauważając pojawienie się substancji o charakterystyce podobnej do szarawego alotropu na obrazie. Jednak pierwszy autentyczny raport o jego izolacji opublikował w 1649 roku niemiecki aptekarz Johann Schroeder.

Schroeder przygotował arsen, ogrzewając jego tlenek węglem drzewnym. Później Nicolas Lémery zdołał go wyprodukować, ogrzewając mieszaninę tlenku arsenu, mydła i potażu. W XVIII wieku ostatecznie uznano ten element za półmetaliczny.

Struktura arsenu

Arsen jest izomorficzny do antymonu; to znaczy, są one strukturalnie identyczne, różniąc się jedynie wielkością atomów. Każdy atom arsenu tworzy trzy wiązania kowalencyjne As-As, w taki sposób, że dają one początek „pomarszczonym lub stromym” heksagonalnym jednostkom As ₆ , ponieważ hybrydyzacja atomów As to sp ³ .

Następnie jednostki As ₆ łączą się, tworząc strome warstwy arsenu, które słabo oddziałują ze sobą. W wyniku ich sił międzycząsteczkowych, zależnych przede wszystkim od ich mas atomowych, romboedryczne szare kryształy arsenu nadają ciału stałą kruchą i kruchą teksturę.

Prawdopodobnie z powodu odpychania wolnej pary elektronów arsenu, jednostki As ₆ utworzone między równoległymi warstwami nie definiują idealnego, ale zniekształconego ośmiościanu:

Struktura krystaliczna szarego arsenu. Źródło: Gabriel Bolívar.

Zwróć uwagę, że czarne kule rysują zniekształconą płaszczyznę w przestrzeni między dwiema stromymi warstwami. Podobnie w warstwie poniżej znajdują się niebieskawe kule, które razem z czarną kulą tworzą jednostkę As ₆ wspomnianą na początku rozdziału.

Struktura wygląda na uporządkowaną, rzędy wznoszą się i opadają, dzięki czemu jest krystaliczna. Jednak może stać się amorficzny, z kulkami ściśniętymi na różne sposoby. Kiedy szarawy arsen staje się amorficzny, staje się półprzewodnikiem.

Arsen żółty

Arsen żółty, najbardziej toksyczny alotrop tego pierwiastka, jest czysto cząsteczkowym ciałem stałym. Składa się z cząsteczek As ₄ jednostek ze względu na słabe siły dyspersji, które nie zapobiegają ich ulatnianiu.

Arszenik czarny

Czarny arsen jest amorficzny; ale nie jak może być szarawy alotrop. Jego struktura jest nieco podobna do opisanej powyżej , z tą różnicą, że płaszczyzny jednostek As ₆ mają większe obszary i różne wzorce nieuporządkowania.

Elektroniczna Konfiguracja

3d ¹⁰ 4s ² 4p ³

Ma wypełnione wszystkie orbitale poziomu 3. Tworzy wiązania za pomocą orbitali 4s i 4p (a także 4d) poprzez różne hybrydyzacje chemiczne.

Nieruchomości

Waga molekularna

74,922 g / mol

Opis fizyczny

Szary arsen jest szarawym ciałem stałym o metalicznym wyglądzie i kruchej konsystencji.

Kolor

Trzy formy alotropowe: żółta (alfa), czarna (beta) i szara (gamma).

Zapach

Toaleta

Smak

Bez smaku

Temperatura topnienia

1090 K przy 35,8 atm (potrójny punkt arsenu).

Pod normalnym ciśnieniem nie ma temperatury topnienia, ponieważ sublimuje do 887 K.

Gęstość

-Arsen szary: 5,73 g / cm ³ .

-Żółty arsen: 1,97 g / cm ³ .

Rozpuszczalność w wodzie

Nierozpuszczalny

Radio atomowe

139 pm

Objętość atomowa

13,1 cm ³ / mol

Promień kowalencyjny

120 po południu

Ciepło właściwe

0,328 J / gmol w 20 ° C

Ciepło parowania

32,4 kJ / mol

Elektroujemność

2.18 w skali Paulinga

Energia jonizacji

Pierwsza energia jonizacji 946,2 kJ / mol

Stany utleniania

-3, +3, +5

Stabilność

Arsen elementarny jest stabilny w suchym powietrzu, ale wystawiony na działanie wilgotnego powietrza pokrywa się brązowożółtą warstwą, która może stać się czarną warstwą tlenku arsenu (As ₂ O ₃ ).

Rozkład

Gdy arsen jest podgrzewany do rozkładu, wydziela biały dym As ₂ O ₃ . Procedura jest niebezpieczna, ponieważ może również uwolnić arsyn, bardzo trujący gaz.

Samozapłon

180 ºC

Twardość

3,5 w skali twardości Mohsa.

Reaktywność

Nie jest atakowany przez zimny kwas siarkowy ani stężony kwas solny. Reaguje z gorącym kwasem azotowym lub siarkowym, tworząc kwas arsenowy i kwas arsenowy.

Kiedy szary arsen ulatnia się przez ogrzewanie, a jego opary są szybko schładzane, tworzy się żółty arsen. Po wystawieniu na działanie światła ultrafioletowego powraca do szarej formy.

Aplikacje

Stopy

Niewielka ilość arsenu dodana do ołowiu utwardza ​​jego stopy na tyle, aby można było je wykorzystać do powlekania kabli oraz do produkcji akumulatorów samochodowych.

Dodatek arsenu do mosiądzu, stopu miedzi i cynku, zwiększa jego odporność na korozję. Z drugiej strony koryguje lub zmniejsza utratę cynku w mosiądzu, co powoduje wydłużenie jego żywotności.

elektronika

Oczyszczony arsen jest stosowany w technologii półprzewodników, gdzie jest używany w połączeniu z galem i germanem, a także w postaci arsenku galu (GaAs), który jest drugim najpowszechniej stosowanym półprzewodnikiem.

GaAs mają bezpośrednią przerwę wzbronioną, którą można wykorzystać w produkcji diod, laserów i diod LED. Oprócz arsenku galu istnieją inne arsenki, takie jak arsenek indu i arsenek glinu, które są również półprzewodnikami III-V.

Tymczasem arsenek kadmu jest półprzewodnikiem typu II-IV. Arsine był używany w domieszkowaniu półprzewodników.

Rolnictwo i ochrona drewna

Większość zastosowań została odrzucona ze względu na ich wysoką toksyczność i ich związki. As ₂ O ₃ jest stosowany jako pestycyd, natomiast As ₂ O ₅ jest składnikiem herbicydów i insektycydów.

Kwas arsenowy (H ₃ AsO ₄ ) i sole, takie jak arsenian wapnia i arsenian ołowiu, są używane do sterylizacji gleby i zwalczania szkodników. Stwarza to ryzyko skażenia środowiska arszenikiem.

Arsenian ołowiu był stosowany jako środek owadobójczy na drzewach owocowych do pierwszej połowy XX wieku. Ale ze względu na swoją toksyczność został zastąpiony metylenianem sodu, który przestał być stosowany z tego samego powodu od 2013 roku.

Leczniczy

Do XX wieku kilka jego związków było stosowanych jako leki. Na przykład arfenamina i neolsalvarsan są stosowane w leczeniu kiły i trypanosomatozy.

W 2000 roku zatwierdzono stosowanie silnie toksycznego związku As ₂ O ₃ w leczeniu ostrej białaczki promielocytowej opornej na kwas all-trans-retinowy. Ostatnio do lokalizacji guza zastosowano radioaktywny izotop ⁷⁴ As.

Izotop daje dobre obrazy, wyraźniejsze niż te otrzymane z ¹²⁴ I, ponieważ jod jest przenoszony do tarczycy i wytwarza szum w sygnale.

Inne zastosowania

Arsen był używany w przeszłości jako dodatek paszowy w produkcji drobiu i trzody chlewnej.

Jest stosowany jako katalizator w produkcji tlenku etylenu. Jest również używany w fajerwerkach i garbarstwie. Tlenek arsenu jest używany jako odbarwiacz w produkcji szkła.

Gdzie to się znajduje?

Arszenik można znaleźć w niewielkich ilościach w stanie elementarnym, o wysokim stopniu czystości. Występuje w wielu związkach, takich jak: siarczki, arsenki i sulfoarseniidy.

Występuje również w kilku minerałach, w tym: arsenopirycie (FeSAs), loellingicie (FeAs ₂ ), enargicie (Cu ₃ AsS ₄ ), orpymencie (As ₂ S ₃ ) i realgar (As ₄ S ₄ ).

Jak to jest otrzymywane?

Arsenopiryt jest podgrzewany do 650-700ºC bez dostępu powietrza. Arsen wyparowuje, pozostawiając siarczek żelaza (FeS) jako pozostałość. Podczas tego procesu arsen wiąże się z tlenem, tworząc As ₄ O ₆ , znaną jako „biały arsen”.

As ₄ O ₆ jest modyfikowany do postaci As ₂ O ₃ , którego opary są zbierane i skraplane w zestawie ceglanych komór, oczyszczając arszenik przez sublimację.

Większość arsenu jest wytwarzana przez redukcję węgla powstającego pyłu As ₂ O ₃ .

Bibliografia

1. Stephen R. Marsden. (23 kwietnia 2019). Chemia arsenu. Chemistry LibreTexts. Odzyskane z: chem.libretexts.org
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 grudnia 2018). Ciekawe fakty dotyczące arsenu. Odzyskany z: thinkco.com
3. Wikipedia. (2019). Arsen. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Dr Dough Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastka arsenu. Chemicool. Źródło: chemicool.com
5. Królewskie Towarzystwo Chemii. (2019). Arsen. Odzyskany z: rsc.or
6. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (03 maja 2019). Arsen. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com