Arsenas yra azoto grupės cheminis elementas (periodinės lentelės 15 grupė). Tai trapi medžiaga (α-arsenas) pilka su metaliniu blizgesiu su romboedrine kristaline gardele. Kaitinamas iki 600°C, kaip sublimuoja. Kai garai atšaldomi, atsiranda nauja modifikacija – geltonasis arsenas. Virš 270°C visos As formos virsta juoduoju arsenu.
Atradimų istorija
Arsenas buvo žinomas daug anksčiau, nei buvo pripažintas cheminiu elementu. IV amžiuje. pr. Kr e. Aristotelis paminėjo medžiagą, vadinamą sandaraku, kuri dabar, kaip manoma, yra realgaras arba arseno sulfidas. Ir 1-ajame mūsų eros amžiuje e. rašytojai Plinijus Vyresnysis ir Pedanijus Dioskoridas aprašė orpimentą – dažus As2S3. XI amžiuje. n. e. buvo išskirtos trys „arseno“atmainos: b alta (As4O6), geltona (As2 S 3) ir raudona (As4S4). Pačią elementą tikriausiai pirmą kartą išskyrė 13 amžiuje Albertas Didysis, pastebėjęs, kad naudojant arseną atsirado į metalą panaši medžiaga, kitas pavadinimas As2S3 , buvo šildomas su muilu. Tačiau nėra tikrumo, kad šis gamtos mokslininkas gavo gryno arseno. Pirmasis autentiškas gryno cheminio elemento išskyrimo įrodymasdatuota 1649 m. Vokiečių vaistininkas Johanas Schroederis paruošė arseną kaitindamas jo oksidą esant anglims. Vėliau prancūzų gydytojas ir chemikas Nicolas Lemery stebėjo šio cheminio elemento susidarymą kaitinant jo oksido, muilo ir kalio mišinį. XVIII amžiaus pradžioje arsenas jau buvo žinomas kaip unikalus pusmetalas.
Plitimas
Žemės plutoje arseno koncentracija yra maža ir siekia 1,5 ppm. Jis atsiranda dirvožemyje ir mineraluose ir gali būti išleistas į orą, vandenį ir dirvožemį dėl vėjo ir vandens erozijos. Be to, elementas į atmosferą patenka iš kitų š altinių. Dėl ugnikalnių išsiveržimų į orą per metus išleidžiama apie 3 tūkst. tonų arseno, mikroorganizmai per metus sudaro 20 tūkst. tonų lakiojo metilarzino, o deginant iškastinį kurą per tą patį laikotarpį išsiskiria 80 tūkst..
Nepaisant to, kad As yra mirtinas nuodas, jis yra svarbi kai kurių gyvūnų ir galbūt žmonių mitybos dalis, nors reikiama dozė neviršija 0,01 mg per parą.
Arseną labai sunku paversti vandenyje tirpia arba lakia būsena. Tai, kad jis yra gana mobilus, reiškia, kad didelės medžiagos koncentracijos vienoje vietoje negali atsirasti. Viena vertus, tai gerai, bet, kita vertus, jo plitimo lengvumas yra priežastis, kodėl tarša arsenu tampa vis didesne problema. Dėl žmogaus veiklos, daugiausia kasant ir lydant, paprastai nejudantis cheminis elementas migruoja, o dabar jo galima rasti ne tik vietomis.natūrali jo koncentracija.
Arseno kiekis žemės plutoje yra apie 5 g tonoje. Erdvėje jo koncentracija yra 4 atomai milijonui silicio atomų. Šis elementas yra plačiai paplitęs. Nedidelis kiekis yra gimtojoje valstybėje. Paprastai 90–98% grynumo arseno dariniai randami kartu su metalais, tokiais kaip stibis ir sidabras. Tačiau didžioji jo dalis yra įtraukta į daugiau nei 150 skirtingų mineralų - sulfidų, arsenidų, sulfoarsenidų ir arsenitų. Arsenopiritas FeAsS yra vienas iš labiausiai paplitusių As turinčių mineralų. Kiti įprasti arseno junginiai yra realgaro mineralai As4S4, orpimentas As2S 3, lellingitas FeAs2 ir enargitas Cu3AsS4. Arseno oksidas taip pat yra dažnas. Dauguma šios medžiagos yra vario, švino, kob alto ir aukso rūdų lydymo šalutinis produktas.
Gamtoje yra tik vienas stabilus arseno izotopas – 75As. Iš dirbtinių radioaktyviųjų izotopų išsiskiria 76Kaip pusinės eliminacijos laikas yra 26,4 valandos. Medicininėje diagnostikoje naudojamas arsenas-72, -74 ir -76.
Pramoninė gamyba ir taikymas
Metalinis arsenas gaunamas kaitinant arsenopiritą iki 650–700 °C be oro. Jei arsenopiritas ir kitos metalo rūdos kaitinamos deguonimi, tai As lengvai susijungia su juo, sudarydamas lengvai sublimuojamą As4O6, taip pat žinomas. kaip "b altaarsenas". Oksido garai surenkami ir kondensuojami, o vėliau išvalomi pakartotinai sublimuojant. Dauguma As susidaro redukuojant anglį iš tokiu būdu gauto b altojo arseno.
Metalinio arseno suvartojimas pasaulyje yra palyginti mažas – tik keli šimtai tonų per metus. Didžioji dalis to, kas suvartojama, atkeliauja iš Švedijos. Jis naudojamas metalurgijoje dėl savo metaloidinių savybių. Švino šratų gamyboje sunaudojama apie 1 % arseno, nes jis pagerina išsilydusio lašo apvalumą. Švino turinčių guolių lydinių savybės pagerėja tiek termiškai, tiek mechaniškai, kai juose yra apie 3 % arseno. Nedidelis šio cheminio elemento kiekis švino lydiniuose sukietina juos naudoti akumuliatoriuose ir kabelių šarvuose. Mažos arseno priemaišos padidina vario ir žalvario atsparumą korozijai ir šilumines savybes. Gryna cheminė elementinė As naudojama bronzavimui ir pirotechnikai. Labai išgrynintas arsenas naudojamas puslaidininkių technologijose, kur jis naudojamas su siliciu ir germaniu, ir galio arsenido (GaAs) pavidalu dioduose, lazeriuose ir tranzistoriuose.
Ryšiai kaip
Kadangi arseno valentingumas yra 3 ir 5, o jo oksidacijos būsenos yra nuo -3 iki +5, elementas gali sudaryti įvairių rūšių junginius. Komerciniu požiūriu svarbiausi yra jo oksidai, kurių pagrindinės formos yra As4O6 irAs2O5. Arseno oksidas, paprastai žinomas kaip b altasis arsenas, yra vario, švino ir kai kurių kitų metalų rūdų, taip pat arsenopirito ir sulfido rūdų skrudinimo šalutinis produktas. Tai yra daugelio kitų junginių pradinė medžiaga. Be to, jis naudojamas pesticiduose, kaip baliklis stiklo gamyboje ir kaip odos konservantas. Arseno pentoksidas susidaro veikiant oksiduojančiai medžiagai (pvz., azoto rūgščiai) b altąjį arseną. Tai pagrindinė insekticidų, herbicidų ir metalo klijų sudedamoji dalis.
Arzinas (AsH3), bespalvės nuodingos dujos, sudarytos iš arseno ir vandenilio, yra kita žinoma medžiaga. Medžiaga, dar vadinama arseno vandeniliu, gaunama hidrolizuojant metalų arsenidus ir redukuojant metalus iš arseno junginių rūgščių tirpaluose. Jis buvo naudojamas kaip priedas puslaidininkiuose ir kaip karinės nuodingos dujos. Žemės ūkyje arseno rūgštis (H3AsO4), švino arsenatas (PbHAsO44 4 ) ir kalcio arsenatas [Ca3(AsO4)2
], kurie naudojami dirvožemiui sterilizuoti ir kovai su kenkėjais.
Arsenas yra cheminis elementas, kuris sudaro daug organinių junginių. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 Pavyzdžiui, naudojamas ruošiant plačiai naudojamą sausiklį (desikantą) – kakodilo rūgštį. Sudėtiniai organiniai elemento junginiai naudojami tam tikroms ligoms gydyti, pavyzdžiui, amebinei dizenterijai,sukelia mikroorganizmai.
Fizikinės savybės
Kas yra arsenas pagal jo fizines savybes? Stabiliausios būsenos tai trapi, plieniškai pilka kieta medžiaga, kurios šilumos ir elektros laidumas yra mažas. Nors kai kurios As formos yra panašios į metalą, jos klasifikavimas kaip nemetalas yra tikslesnis arseno apibūdinimas. Yra ir kitų arseno rūšių, tačiau jos nėra gerai ištirtos, ypač geltona metastabili forma, susidedanti iš As4 molekulių, panašių į b altąjį fosforą P4. Arsenas sublimuojasi 613 °C temperatūroje ir egzistuoja kaip garai kaip As4 molekulės, kurios nesiskiria iki maždaug 800 °C. Visiška disociacija į As2 molekules įvyksta 1700 °C temperatūroje.
Atomo struktūra ir gebėjimas sudaryti ryšius
Elektroninė arseno formulė yra 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 – primena azotą ir fosforą tuo, kad išoriniame apvalkale turi penkis elektronus, tačiau skiriasi nuo jų tuo, kad priešpaskutiniame apvalkale vietoj dviejų ar aštuonių yra 18 elektronų. 10 teigiamų krūvių pridėjimas branduolyje, užpildant penkias 3d orbitales, dažnai sukelia bendrą elektronų debesies sumažėjimą ir elementų elektronegatyvumo padidėjimą. Arsenas periodinėje lentelėje gali būti lyginamas su kitomis grupėmis, kurios aiškiai parodo šį modelį. Pavyzdžiui, visuotinai priimta, kad cinkas yraelektronneigiamesnis už magnį ir galis už aliuminį. Tačiau vėlesnėse grupėse šis skirtumas susiaurėja ir daugelis nesutinka, kad germanis yra labiau elektronegatyvus nei silicis, nepaisant daugybės cheminių įrodymų. Panašus perėjimas nuo 8 iki 18 elementų apvalkalo nuo fosforo prie arseno gali padidinti elektronegatyvumą, tačiau tai tebėra prieštaringa.
As ir P išorinio apvalkalo panašumas rodo, kad jie gali sudaryti 3 kovalentinius ryšius vienam atomui, esant papildomai nesusijusiai elektronų porai. Todėl oksidacijos būsena turi būti +3 arba -3, priklausomai nuo santykinio abipusio elektronegatyvumo. Arseno struktūra taip pat byloja apie galimybę panaudoti išorinę d-orbitalę oktetui išplėsti, o tai leidžia elementui suformuoti 5 ryšius. Tai realizuojama tik reaguojant su fluoru. Laisvosios elektronų poros buvimas kompleksiniams junginiams susidaryti (per elektronų donorystę) As atome yra daug mažiau ryškus nei fosforo ir azoto.
Arsenas yra stabilus sausame ore, bet drėgname ore jis pasidengia juodu oksidu. Jo garai lengvai dega, sudarydami As2O3. Kas yra laisvasis arsenas? Jo praktiškai neveikia vanduo, šarmai ir neoksiduojančios rūgštys, tačiau oksiduojasi azoto rūgštimi iki +5 būsenos. Halogenai, siera reaguoja su arsenu, o daugelis metalų sudaro arsenidus.
Analitinė chemija
Medžiagą arseną galima kokybiškai aptikti kaip geltoną nuosėdą, kuri nusėda veikiant 25 proc.druskos rūgšties tirpalas. As pėdsakai paprastai nustatomi paverčiant jį arsinu, kurį galima aptikti naudojant Marsh testą. Arsinas termiškai suyra, sudarydamas juodą arseno veidrodį siauro vamzdelio viduje. Pagal Gutzeito metodą gyvsidabrio chloridu impregnuotas zondas, veikiamas arsino, patamsėja dėl gyvsidabrio išsiskyrimo.
Toksikologinės arseno savybės
Elemento ir jo darinių toksiškumas labai skiriasi įvairiuose diapazonuose – nuo itin nuodingo arsino ir jo organinių darinių iki paprasto As, kuris yra gana inertiškas. Jo organinių junginių naudojimas kaip cheminės kovos priemonės (lewisite), pūslelė ir defoliantas (Agent Blue, sudarytas iš 5 % kakodilo rūgšties ir 26 % jos natrio druskos vandeninio mišinio) parodo, kas yra arsenas.
Apskritai šio cheminio elemento dariniai dirgina odą ir sukelia dermatitą. Taip pat rekomenduojama apsisaugoti nuo arseno turinčių dulkių įkvėpus, tačiau dažniausiai apsinuodijama jų nurijus. Didžiausia leistina As koncentracija dulkėse aštuonių valandų darbo dieną yra 0,5 mg/m3. Arsinui dozė sumažinama iki 0,05 ppm. Be to, kad šio cheminio elemento junginiai buvo naudojami kaip herbicidai ir pesticidai, arseno naudojimas farmakologijoje leido gauti salvarsaną, pirmąjį sėkmingą vaistą nuo sifilio.
Poveikis sveikatai
Arsenas yra vienas nuodingiausių elementų. Tam tikros cheminės medžiagos neorganiniai junginiaiMedžiagos natūraliai atsiranda mažais kiekiais. Žmonės gali būti veikiami arseno per maistą, vandenį ir orą. Poveikis taip pat gali atsirasti per odą kontaktuojant su užteršto dirvožemio ar vandens.
Arseno kiekis maiste yra gana mažas. Tačiau žuvies ir jūros gėrybių kiekis gali būti labai didelis, nes jie sugeria cheminę medžiagą iš vandens, kuriame gyvena. Didelis neorganinio arseno kiekis žuvyje gali kelti pavojų žmonių sveikatai.
Žmonės, dirbantys su šia medžiaga, gyvenantys namuose, pastatytuose iš ja apdorotos medienos, ir žemės ūkio paskirties žemėje, kur praeityje buvo naudojami pesticidai, taip pat susiduria su medžiaga.
Neorganinis arsenas gali sukelti įvairų poveikį žmonių sveikatai, pavyzdžiui, sudirginti skrandį ir žarnyną, sumažinti raudonųjų ir b altųjų kraujo kūnelių gamybą, pakisti odą ir sudirginti plaučius. Manoma, kad nurijus didelį šios medžiagos kiekį, gali padidėti vėžio, ypač odos, plaučių, kepenų ir limfinės sistemos vėžio, tikimybė.
Labai didelės neorganinio arseno koncentracijos sukelia moterų nevaisingumą ir persileidimą, dermatitą, sumažina atsparumą infekcijoms, širdies sutrikimus ir smegenų pažeidimus. Be to, šis cheminis elementas gali pažeisti DNR.
Mirtina b altojo arseno dozė yra 100 mg.
Organiniai elemento junginiai nesukelia vėžio ar nepažeidžia genetinio kodo, tačiau didelės dozės galipakenkti žmonių sveikatai, pavyzdžiui, sukelti nervų sutrikimus arba pilvo skausmą.
Ypatybės kaip
Pagrindinės cheminės ir fizinės arseno savybės yra šios:
- Atominis skaičius – 33.
- Atominis svoris yra 74 9216.
- Pilkos formos lydymosi temperatūra yra 814 °C, esant 36 atmosferų slėgiui.
- Pilkos spalvos tankis 5,73 g/cm3 prie 14°C.
- Geltonojo pelėsio tankis 2,03 g/cm3 esant 18°C.
- Elektroninė arseno formulė yra 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Oksidacijos būsenos – -3, +3, +5.
- Arseno valentingumas yra 3, 5.
