Арсенът е химичен елемент от групата на азота (група 15 от периодичната таблица). Това е крехко вещество (α-арсен) сиво с метален блясък с ромбоедрична кристална решетка. При нагряване до 600°C, As сублимира. Когато парата се охлади, се появява нова модификация - жълт арсен. Над 270°C всички As форми се превръщат в черен арсен.
История на откриването
Арсенът е бил известен много преди да бъде признат за химичен елемент. През IV век. пр.н.е д. Аристотел споменава вещество, наречено сандарак, за което сега се смята, че е реалгар или арсенов сулфид. И през 1 век от н.е. д. писателите Плиний Стари и Педаний Диоскорид описват орпимента - боята As2S3. През XI век. н. д. бяха разграничени три разновидности на "арсен": бял (като4O6), жълт (като2 S 3) и червено (като4S4). Самият елемент вероятно е изолиран за първи път през 13-ти век от Алберт Велики, който отбелязва появата на металоподобно вещество при арсеник, друго име As2S3 , беше нагрят със сапун. Но няма сигурност, че този естествен учен е получил чист арсен. Първото автентично доказателство за изолирането на чист химичен елементот 1649 г. Германският фармацевт Йохан Шрьодер приготвя арсен чрез нагряване на неговия оксид в присъствието на въглища. По-късно Никола Лемери, френски лекар и химик, наблюдава образуването на този химичен елемент чрез нагряване на смес от неговия оксид, сапун и поташ. В началото на 18-ти век арсенът вече е известен като уникален полуметал.
Разпространение
В земната кора концентрацията на арсен е ниска и възлиза на 1,5 ppm. Той се среща в почвата и минералите и може да бъде освободен във въздуха, водата и почвата чрез вятърна и водна ерозия. Освен това елементът навлиза в атмосферата от други източници. В резултат на вулканични изригвания във въздуха се отделят около 3 хиляди тона арсен годишно, микроорганизмите образуват 20 хиляди тона летлив метиларсин годишно, а в резултат на изгаряне на изкопаеми горива се отделят 80 хиляди тона за същия период.
Въпреки факта, че As е смъртоносна отрова, тя е важна част от диетата на някои животни и вероятно хора, въпреки че необходимата доза не надвишава 0,01 mg / ден.
Арсенът е изключително труден за превръщане във водоразтворимо или летливо състояние. Фактът, че е доста подвижен, означава, че не могат да се появят големи концентрации на веществото на едно място. От една страна, това е добре, но от друга, лекотата, с която се разпространява, е причината замърсяването с арсен да става все по-голям проблем. Поради човешката дейност, главно чрез добив и топене, нормално неподвижен химичен елемент мигрира и сега може да се намери не само на местаестествената му концентрация.
Количеството арсен в земната кора е около 5 g на тон. В космоса концентрацията му се оценява на 4 атома на милион силициеви атома. Този елемент е широко разпространен. Малко количество присъства в родното състояние. Като правило, образувания на арсен с чистота 90–98% се срещат заедно с метали като антимон и сребро. По-голямата част от него обаче е включена в състава на повече от 150 различни минерала – сулфиди, арсениди, сулфоарсениди и арсенити. Арсенопирит FeAsS е един от най-разпространените минерали, съдържащи As. Други често срещани съединения на арсен са минерали на реалгар As4S4, orpiment As2S 3, лелингит FeAs2 и енаргит Cu3AsS4. Арсеновият оксид също е често срещан. По-голямата част от това вещество е страничен продукт от топенето на медни, олово, кобалтови и златни руди.
В природата има само един стабилен изотоп на арсена - 75As. Сред изкуствените радиоактивни изотопи се откроява 76Като с период на полуразпад от 26,4 часа. Арсен-72, -74 и -76 се използват в медицинската диагностика.
Промишлено производство и приложение
Металният арсен се получава чрез нагряване на арсенопирит до 650-700 °C без въздух. Ако арсенопирит и други метални руди се нагряват с кислород, тогава As лесно влиза в комбинация с него, образувайки лесно сублимиран As4O6, също известен като бялоарсен“. Оксидните пари се събират и кондензират и по-късно се пречистват чрез повторна сублимация. Повечето As се произвеждат чрез редукция на въглерода от така получения бял арсен.
Световното потребление на метален арсен е сравнително малко - само няколкостотин тона годишно. Повечето от консумираното идва от Швеция. Използва се в металургията поради своите металоидни свойства. Около 1% арсен се използва при производството на оловна дроб, тъй като подобрява закръглеността на разтопената капка. Свойствата на лагерните сплави на основата на олово се подобряват както термично, така и механично, когато съдържат около 3% арсен. Наличието на малко количество от този химичен елемент в оловните сплави ги втвърдява за използване в батерии и кабелна броня. Малките примеси на арсен повишават устойчивостта на корозия и термичните свойства на медта и месинга. В чистата си форма химическият елементарен As се използва за бронзово покритие и в пиротехниката. Високо пречистеният арсен намира приложение в полупроводниковата технология, където се използва със силиций и германий и под формата на галиев арсенид (GaAs) в диоди, лазери и транзистори.
Връзки като
Тъй като валентността на арсена е 3 и 5 и има редица степени на окисление от -3 до +5, елементът може да образува различни видове съединения. Най-важни в търговската мрежа са неговите оксиди, чиито основни форми са As4O6 иКато2O5. Арсеновият оксид, известен като бял арсен, е страничен продукт от изпичане на руди от мед, олово и някои други метали, както и арсенопиритни и сулфидни руди. Той е изходният материал за повечето други съединения. Освен това се използва в пестицидите, като избелващ агент при производството на стъкло и като консервант за кожи. Арсеновият пентоксид се образува при действието на окислител (напр. азотна киселина) върху белия арсен. Той е основна съставка в инсектицидите, хербицидите и металните лепила.
Арсин (AsH3), безцветен отровен газ, съставен от арсен и водород, е друго известно вещество. Веществото, наричано още арсенов водород, се получава чрез хидролиза на метални арсениди и редукция на метали от съединения на арсен в киселинни разтвори. Той е намерил приложение като добавка в полупроводниците и като военен отровен газ. В селското стопанство арсенова киселина (H3AsO4), оловен арсенат (PbHAsO44 4) и калциев арсенат [Ca3(AsO4)2
], които се използват за стерилизиране на почвата и контрол на вредителите.
Арсенът е химичен елемент, който образува много органични съединения. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 , например, се използва при приготвянето на широко използван десикант (десикант) - какодилова киселина. Сложните органични съединения на елемента се използват при лечението на някои заболявания, например амебна дизентерия,причинено от микроорганизми.
Физически свойства
Какво е арсенът по отношение на неговите физически свойства? В най-стабилното си състояние той е крехко, стоманено сиво твърдо вещество с ниска топлинна и електрическа проводимост. Въпреки че някои форми на As са металоподобни, класифицирането му като неметал е по-точна характеристика на арсена. Има и други видове арсен, но те не са добре проучени, особено жълтата метастабилна форма, състояща се от As4 молекули, подобни на белия фосфор P4. Арсенът сублимира при 613 °C и съществува като пара като As4 молекули, които не се дисоциират до около 800 °C. Пълната дисоциация в As2 молекули настъпва при 1700 °C.
Структурата на атома и способността за образуване на връзки
Електронната формула на арсена е 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 - прилича на азота и фосфора по това, че има пет електрона във външната обвивка, но се различава от тях по това, че има 18 електрона в предпоследната обвивка вместо два или осем. Добавянето на 10 положителни заряда в ядрото при запълване на пет 3d орбитали често води до цялостно намаляване на електронния облак и увеличаване на електроотрицателността на елементите. Арсенът в периодичната таблица може да се сравни с други групи, които ясно демонстрират този модел. Например, общоприето е, че цинкът епо-електроотрицателен от магнезия и галий от алуминия. Въпреки това, в следващите групи тази разлика се стеснява и мнозина не са съгласни, че германият е по-електроотрицателен от силиция, въпреки изобилието от химически доказателства. Подобен преход от 8- към 18-елементна обвивка от фосфор към арсен може да увеличи електроотрицателността, но това остава спорно.
Приликата на външната обвивка на As и P предполага, че те могат да образуват 3 ковалентни връзки на атом в присъствието на допълнителна несвързана електронна двойка. Следователно степента на окисление трябва да бъде +3 или -3, в зависимост от относителната взаимна електроотрицателност. Структурата на арсена също говори за възможността за използване на външната d-орбитала за разширяване на октета, което позволява на елемента да образува 5 връзки. Осъществява се само чрез реакция с флуор. Наличието на свободна електронна двойка за образуването на комплексни съединения (чрез даряване на електрони) в атома As е много по-слабо изразено, отколкото във фосфора и азота.
Арсенът е стабилен на сух въздух, но във влажен въздух се покрива с черен оксид. Неговите пари изгарят лесно, образувайки As2O3. Какво е свободен арсен? Практически не се влияе от вода, основи и неокисляващи киселини, но се окислява от азотна киселина до състояние +5. Халогените, сярата реагират с арсен и много метали образуват арсениди.
Аналитична химия
Веществото арсен може да се открие качествено като жълт орпимент, който се утаява под въздействието на 25%разтвор на солна киселина. Следите от As обикновено се определят чрез преобразуването му в арсин, което може да бъде открито с помощта на теста на Марш. Арсинът термично се разлага, образувайки черно арсеново огледало вътре в тясна тръба. Според метода Gutzeit, сонда, импрегнирана с живачен хлорид, под въздействието на арсин, потъмнява поради отделянето на живак.
Токсикологични характеристики на арсена
Токсичността на елемента и неговите производни варира в широки граници, от изключително отровния арсин и неговите органични производни до просто As, който е относително инертен. Използването на неговите органични съединения като химически бойни агенти (люизит), везикант и дефолиант (Agent Blue на базата на водна смес от 5% какодилова киселина и 26% от нейната натриева сол) ни казва какво е арсен.
По принцип, производните на този химичен елемент дразнят кожата и причиняват дерматит. Препоръчва се и защита при вдишване срещу прах, съдържащ арсен, но повечето отравяния се получават при поглъщане. Максимално допустимата концентрация на As в прах за осемчасов работен ден е 0,5 mg/m3. За арсин дозата се намалява до 0,05 ppm. В допълнение към използването на съединения на този химичен елемент като хербициди и пестициди, използването на арсен във фармакологията направи възможно получаването на салварсан, първото успешно лекарство срещу сифилис.
Здравни ефекти
Арсенът е един от най-токсичните елементи. Неорганични съединения на даден химикалВеществата се срещат естествено в малки количества. Хората могат да бъдат изложени на арсен чрез храна, вода и въздух. Експозицията може да възникне и чрез контакт на кожата със замърсена почва или вода.
Съдържанието на арсен в храната е доста ниско. Въпреки това, нивата в рибата и морските дарове могат да бъдат много високи, тъй като те абсорбират химикала от водата, в която живеят. Значителни количества неорганичен арсен в рибата могат да представляват риск за човешкото здраве.
Хората, които работят с веществото, живеят в къщи, построени от дърво, обработено с него, и в земеделски земи, където в миналото са били използвани пестициди, също са изложени на веществото.
Неорганичният арсен може да причини различни здравни ефекти при хората, като стомашно и чревно дразнене, намалено производство на червени и бели кръвни клетки, кожни промени и дразнене на белите дробове. Смята се, че поглъщането на значителни количества от това вещество може да увеличи шансовете за развитие на рак, особено рак на кожата, белия дроб, черния дроб и лимфната система.
Много високи концентрации на неорганичен арсен причиняват безплодие и спонтанен аборт при жени, дерматит, намалена устойчивост към инфекции, сърдечни проблеми и мозъчни увреждания. В допълнение, този химичен елемент може да увреди ДНК.
Смъртоносната доза бял арсен е 100 mg.
Органичните съединения на елемента не причиняват рак или увреждане на генетичния код, но високи дози могатпричиняват вреда на човешкото здраве, като причиняване на нервни разстройства или коремна болка.
Properties As
Основните химични и физични свойства на арсена са както следва:
- Атомен номер - 33.
- Атомното тегло е 74,9216.
- Точката на топене на сивата плесен е 814 °C при налягане от 36 атмосфери.
- Сива плътност 5,73 g/cm3 при 14°C.
- Плътност на жълтата плесен 2,03 g/cm3 при 18°C.
- Електронната формула на арсена е 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Състояния на окисление – -3, +3, +5.
- Валентността на арсена е 3, 5.
