ARSĒNS: VĒSTURE, STRUKTŪRA, ĪPAŠĪBAS, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Arsēns ir semimetal vai semimetal pieder 15 grupas vai VA periodiskās tabulas. To attēlo ķīmiskais simbols As, un tā atomu skaits ir 33. To var atrast trīs alotropās formās: dzeltenā, melnā un pelēkā; pēdējam ir vienīgais, kam ir rūpnieciska nozīme.

Pelēkais arsēns ir trausls, metāliska izskata ciets materiāls ar vienmērīgu, kristālisku krāsu (attēls apakšā). Gaisā zaudējot spīdumu, veidojas arsēna oksīds (As ₂ O ₃ ), kas karsējot izdala ķiploku smaku. No otras puses, dzeltenās un melnās alotropes ir attiecīgi molekulāras un amorfas.

Metālisks arsēns. Avots: Ķīmisko elementu Hi-Res attēli

Arsēns ir atrodams zemes garozā, kas saistīta ar daudziem minerāliem. Dzimtā valstī ir atrodama tikai neliela daļa, tomēr tā ir saistīta ar antimonu un sudrabu.

Starp visbiežāk sastopamajiem minerāliem, kuros atrodams arsēns, ir šie: regars (As ₄ S ₄ ), piedevas (As ₂ S ₃ ), loellingīts (FeAs ₂ ) un enargīts (Cu ₃ AsS ₄ ). Arsēnu iegūst arī kā blakusproduktu kausējot metālus, piemēram, svinu, varu, kobaltu un zeltu.

Arsēna savienojumi ir toksiski, īpaši arsīns (AsH ₃ ). Tomēr arsēnam ir daudz rūpniecisku pielietojumu, ieskaitot leģēšanu ar svinu, ko izmanto automobiļu akumulatoru ražošanā, un leģēšanu ar galliju, dažādiem lietojumiem elektronikā.

Tās atklāšanas vēsture

Nosaukums “arsenic” cēlies no latīņu arsenicum un grieķu arsenikon, atsaucoties uz dzelteno orpītu, kas bija alķīmiķu galvenais arsēna lietošanas veids.

Arsēns, jau ilgi pirms tā atzīšanas par ķīmisku elementu, bija pazīstams un izmantots tā savienojumu veidā. Piemēram, Aristotelis 4. gadsimtā pirms mūsu ēras rakstīja par sandara sāpēm - vielu, kuru tagad uzskata par arsēna sulfīdu.

Plinijs vecākais un Pedanius Discórides 1. gadsimtā pirms mūsu ēras aprakstīja orbitu, minerālu, kas sastāv no As ₂ S ₃ . 11. gadsimtā tika atzītas trīs arsēna sugas: baltā (As ₄ O ₄ ), dzeltenā (As ₂ S ₃ ) un sarkanā (As ₄ S ₄ ).

Arsēnu kā tīru elementu pirmoreiz novēroja Alberts Magnuss (1250). Magnuss karsēja arsēna sulfīdu ar ziepēm, atzīmējot vielas izskatu ar raksturlielumu, kas līdzīgs attēlā esošajam pelēcīgajam alotropam. Tomēr pirmo autentisko ziņojumu par viņa izolāciju 1649. gadā publicēja vācu farmaceits Johans Šrēders.

Šrēders sagatavoja arsēnu, karsējot tā oksīdu ar kokogli. Vēlāk Nicolas Lémery izdevās to iegūt, sildot arsēna oksīda, ziepju un potaša maisījumu. 18. gadsimtā šis elements beidzot tika atzīts par pusmetālu.

Arsēna struktūra

Arsēns ir izomorfs pret antimonu; tas ir, tie ir strukturāli identiski, atšķiras tikai pēc to atomu lieluma. Katrs arsēna atoms veido trīs As-As kovalentās saites tādā veidā, ka tās rada “saburzītas vai stāvas” sešstūrainas As ₆ vienības , jo As atomu hibridizācija ir sp ³ .

Tad As ₆ vienības savienojas, radot stāvus arsēna slāņus, kas vāji mijiedarbojas viens ar otru. Starpmolekulāro spēku rezultātā, kas galvenokārt ir atkarīgi no to atomu masām, romboedē pelēkie arsēna kristāli piešķir cietai vielai trauslu un trauslu tekstūru.

Iespējams, pateicoties arsēna brīvo elektronu pāri atgrūšanai, As ₆ vienības, kas izveidotas starp paralēliem slāņiem, nevis definē perfektu, bet izkropļotu oktaedru:

Pelēka arsēna kristāla struktūra. Avots: Gabriel Bolívar.

Ņemiet vērā, ka melnās sfēras izkropļo plakni telpā starp diviem stāviem slāņiem. Tāpat slānī zemāk ir zilganas sfēras, kas kopā ar melno sfēru veido sadaļas sākumā minēto As ₆ vienību .

Struktūra izskatās sakārtota, rindas iet uz augšu un uz leju, un tāpēc tā ir kristāliska. Tomēr tas var kļūt amorfs, sfēras saspiežot dažādos veidos. Kad pelēcīgs arsēns kļūst amorfs, tas kļūst par pusvadītāju.

Dzeltens arsēns

Dzeltenais arsēns, šī elementa toksiskākais allotrops, ir tīri molekulāra viela. To veido As molekulas ₄ vienības vājo izkliedes spēku dēļ, kas neliedz tām iztvaikot.

Melnais arsēns

Melnais arsēns ir amorfs; bet ne tas, kā var būt pelēcīga alotropa. Tās struktūra ir nedaudz līdzīga nupat aprakstītajai, ar atšķirību tajā, ka As ₆ vienības plaknēm ir lielāki laukumi un dažādi traucējumu modeļi.

Elektroniskā konfigurācija

3d ¹⁰ 4s ² 4p ³

Tajā ir aizpildītas visas 3. līmeņa orbitāles. Tas veido saites, izmantojot 4s un 4p orbitāles (kā arī 4d), izmantojot dažādas ķīmiskas hibridizācijas.

Īpašības

Molekulārais svars

74,922 g / mol

Izskata apraksts

Pelēks arsēns ir pelēcīga cieta viela ar metāla izskatu un trauslu konsistenci.

Krāsa

Trīs allotropiskas formas, dzeltena (alfa), melna (beta) un pelēka (gamma).

Smarža

Tualete

Garša

Bez garšas

Kušanas punkts

1090 K pie 35,8 atm (arsēna trīskāršs punkts).

Normālā spiedienā tam nav kušanas temperatūras, jo tas sublimējas līdz 887 K.

Blīvums

-Krāsas arsēns: 5,73 g / cm ³ .

-Dzeltenais arsēns: 1,97 g / cm ³ .

Šķīdība ūdenī

Nešķīst

Atomu radio

139 vakarā

Atomu tilpums

13,1 cm ³ / mol

Kovalentais rādiuss

Pulksten 120

Īpašs karstums

0,328 J / gmol pie 20 ° C

Iztvaikošanas siltums

32,4 kJ / mol

Elektronegativitāte

2,18 pēc Pālinga skalas

Jonizācijas enerģija

Pirmās jonizācijas enerģija 946,2 kJ / mol

Oksidācijas stāvokļi

-3, +3, +5

Stabilitāte

Elementārais arsēns ir stabils sausā gaisā, bet, saskaroties ar mitru gaisu, tas tiek pārklāts ar bronzas dzeltenu slāni, kas var kļūt par melnu arsēna oksīda slāni (As ₂ O ₃ ).

Sadalīšanās

Kad arsēns tiek uzkarsēts līdz sadalīšanās brīdim, tas izdala baltus As ₂ O ₃ dūmus . Procedūra ir bīstama, jo var izdalīties arī arsīns, ļoti indīga gāze.

Pašaizdegšanās

180 ºC

Cietība

3.5 pēc Mosa cietības skalas.

Reaģētspēja

Tam neuzbrūk aukstā sērskābe vai koncentrētā sālsskābe. Reaģē ar karstu slāpekļskābi vai sērskābi, veidojot arsēnu un arsēnskābi.

Kad pelēkais arsēns karsēšanas laikā iztvaiko un tvaiki tiek ātri atdzesēti, veidojas dzeltens arsēns. Pakļaujot ultravioleto gaismu, tā atgriežas pelēcīgā formā.

Lietojumprogrammas

Sakausējumi

Neliels arsēna daudzums, kas pievienots svinam, sacietē tā sakausējumus pietiekami, lai tos izmantotu kabeļu pārklāšanā un automašīnu akumulatoru ražošanā.

Arsēna pievienošana misiņam, vara un cinka sakausējumam, palielina tā izturību pret koroziju. No otras puses, tas koriģē vai samazina misiņa cinka zudumus, kas palielina tā lietderīgās lietošanas laiku.

elektronika

Attīrītu arsēnu izmanto pusvadītāju tehnoloģijā, kur to lieto kopā ar galliju un germāniju, kā arī gallija arsenīda (GaAs) formā, kas ir otrais visplašāk izmantotais pusvadītājs.

GaA ir tieša joslas sprauga, ko var izmantot diožu, lāzeru un LED ražošanā. Papildus gallija arsenīdam ir arī citi arsenīdi, piemēram, indija arsenīds un alumīnija arsenīds, kas ir arī III-V pusvadītāji.

Tikmēr kadmija arsenīds ir II-IV tipa pusvadītājs. Arsīns ir izmantots pusvadītāju dopinga lietošanā.

Lauksaimniecība un koksnes saglabāšana

Lielākā daļa produktu ir nodoti metāllūžņos to un to savienojumu augstās toksicitātes dēļ. Tā kā ₂ O ₃ ir izmantots kā pesticīds, savukārt As ₂ O ₅ ir herbicīdu un insekticīdu sastāvdaļa.

Augsņu sterilizēšanai un kaitēkļu apkarošanai ir izmantota arsēnskābe (H ₃ AsO ₄ ) un sāļi, piemēram, kalcija arsenāts un svina arsenāts. Tas rada vides piesārņojuma risku ar arsēnu.

Svina arsenāts tika izmantots kā insekticīds augļu kokos līdz 20. gadsimta pirmajai pusei. Bet tā toksicitātes dēļ tas tika aizstāts ar nātrija metilarsenātu, kuru tā paša iemesla dēļ pārstāja lietot kopš 2013. gada.

Zāles

Līdz 20. gadsimtam vairākus tā savienojumus izmantoja kā zāles. Sifilisa un trypanosomiāzes ārstēšanā ir izmantots, piemēram, arsfenamīns un neolsalvarsāns.

2000. gadā tika apstiprināta ļoti toksiska savienojuma As ₂ O ₃ izmantošana akūtas promielocītiskās leikēmijas, kas ir izturīga pret trans-retinoīnskābi, ārstēšanā. Nesen radioaktīvais izotops ⁷⁴ As tika izmantots audzēja lokalizācijai.

Izotops rada labus attēlus, skaidrākus nekā tie, kas iegūti ar ¹²⁴ I, jo jods tiek pārnests uz vairogdziedzeri un signālā rada troksni.

Citi lietojumi

Arsēnu iepriekš izmantoja kā barības piedevu mājputnu un cūku ražošanā.

To izmanto kā katalizatoru etilēnoksīda ražošanā. To izmanto arī uguņošanā un sauļošanās. Stikla ražošanā kā atkrāsotāju izmanto arsēnu oksīdu.

Kur tas atrodas?

Arsēnu var atrast nelielā daudzumā elementārā stāvoklī ar augstu tīrības pakāpi. Tas atrodas daudzos savienojumos, piemēram: sulfīdos, arsenīdos un sulfoarseniides.

Tas ir atrodams arī vairākos minerālos, ieskaitot: arsenopirītu (FeSAs), loellingītu (FeAs ₂ ), enargītu (Cu ₃ AsS ₄ ), virsotni (As ₂ S ₃ ) un regaru (As ₄ S ₄ ).

Kā to iegūst?

Arsenopirītu karsē līdz 650–700ºC, ja nav gaisa. Arsēns iztvaiko, kā atlikumu paliekot dzelzs sulfīdam (FeS). Šī procesa laikā arsēns saistās ar skābekli, veidojot As ₄ O ₆ , kas pazīstams kā “baltais arsēns”.

Tā kā ₄ O ₆ tiek modificēts, veidojot As ₂ O ₃ , kura tvaiki tiek savākti un kondensēti ķieģeļu kameru komplektā, sublimējot attīrot arsēnu.

Lielāko arsēna daudzumu iegūst, reducējot As ₂ O ₃ putekļus ar oglekli .

Atsauces

1. Stefans R. Marsdens. (2019. gada 23. aprīlis). Arsēna ķīmija. Ķīmija LibreTexts. Atgūts no: chem.libretexts.org
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. gada 03. decembris). Interesanti fakti par arsēnu. Atgūts no: domaco.com
3. Wikipedia. (2019. gads). Arsēns. Atgūts no: en.wikipedia.org
4. Dr Dough Stewart. (2019. gads). Fakti par arsēna elementu. Chemicool. Atgūts no: chemicool.com
5. Karaliskā ķīmijas biedrība. (2019. gads). Arsēns. Atgūts no: rsc.or
6. Enciklopēdijas Britannica redaktori. (2019. gada 03. maijs). Arsēns. Encyclopædia Britannica. Atgūts no: britannica.com