Какво представлява арсеникът? Характеристики, свойства и приложения

Арсенът е химичен елемент на азотната група (група 15 от периодичната таблица). Това е сива, металическа блестяща крехка субстанция (α-арсеник) с ромбоедрална кристална решетка. При нагряване до 600 ° С, като сублима. Когато пара се охлажда, възниква нова модификация - жълт арсен. Над 270 ° C всички като форми преминават в черен арсен.

История на откритието

За какво е известно арсеник дълго преди признаването му като химически елемент. През IV век. Преди новата ера. д. Аристотел спомена вещество, наречено "сандарак", за което се смята, че е истински или арсен сулфид. И в I век от н.е. д. Писателите Плиний Стари и Педиани Диоскоридес описват аурипигмента, аромата As ₂ S ₃ . През XI век. п. д. Разграничават се три вида "арсеник": бял (As ₄ O ₆ ), жълт (As ₂ S ₃ ) и червен (As ₄ S ₄ ). Самият елемент вероятно е бил първо изолиран през 13-ти век от Алберт Велики, който отбелязва появата на подобно на метал вещество, когато арсеникът, друго име As ₂ S ₃ , се нагрява със сапун. Но няма сигурност, че този естествен учен е получил чист арсен. Първият истински сертификат за изолиране на чист химически елемент е от 1649 г. Германският фармацевт Йохан Шрьодер е приготвил арсен чрез загряване на своя оксид в присъствието на въглища. По-късно Никола Лемири, френски лекар и химик, наблюдава образуването на този химичен елемент, като загрява смес от неговия оксид, сапун и поташ. До началото на 18-ти век арсеникът вече е известен като уникален полуметал.

преобладаване

В земната кора, концентрацията на арсен е малка и е 1,5 ррт. Той се намира в почвата и минералите и може да попадне във въздуха, водата и почвата поради вятърна и водна ерозия. В допълнение, елементът влиза в атмосферата от други източници. В резултат на вулканичните изригвания около 3000 тона арсен се отделят във въздуха годишно, микроорганизмите образуват 20 000 тона летлив метиларин на година и в резултат на изгарянето на изкопаеми горива през същия период се освобождават 80 000 тона.

Въпреки факта, че As е смъртоносна отрова, той е важен компонент на храненето на някои животни и евентуално човек, въпреки че необходимата доза не надвишава 0,01 mg / ден.

Арсенът е изключително трудно да се превърне във водоразтворимо или летливо състояние. Фактът, че е доста мобилен означава, че големи концентрации на материята на едно място не могат да се появят. От една страна, това е добре, но от друга - лекотата, с която се разпространява, е причината, поради която замърсяването с арсен се превръща в нарастващ проблем. Поради човешката дейност, основно поради минното дело и топенето, обикновено мигрира неподвижният химически елемент и сега той се среща не само на места с естествена концентрация.

Количеството арсен в земната кора е около 5 грама на тон. В космоса концентрацията му се оценява на 4 атома на милион силициеви атоми. Този елемент е широко разпространен. Малко количество от него се намира в родното си състояние. Като правило, арсенови образувания с чистота от 90-98% се срещат заедно с такива метали като антимон и сребро. Повечето от тях обаче са част от повече от 150 различни минерала - сулфиди, арсениди, сулфорасениди и арсеници. Арсенопирит FeAsS е един от най-разпространените минерали, съдържащи Ас. Други общи арсенови съединения са реалните As 4S ₄ минерали _, As2S3 auripigment _, lelligite на FeAs ₂ и enargite на Cu ₃ AsS ₄ . Оксидът на арсена също е обичаен. По-голямата част от това вещество е страничен продукт от топенето на мед, олово, кобалт и златни руди.

В природата има само един стабилен изотоп на арсен - ⁷⁵ As. Сред изкуствените радиоактивни изотопи, ⁷⁶ As се отличава с полуживот от 26.4 часа. Арсеник-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 достъп до въздуха. Ако арсенопирит и други метални руди се нагряват с кислород, лесно влиза в съединението с него, образувайки лесно сублимирано As ₄ O ₆ , известен също като "бял арсен". Оксидните пари се събират и кондензират и по-късно се пречистват чрез ре-дестилация. По-голямата част от As се получава чрез редукцията му с въглерод от получения по този начин бял арсен.

Глобалната консумация на метален арсен е сравнително малка - само няколко стотин тона на година. Повечето от консумираните количества идват от Швеция. Използва се в металургията поради металоидните свойства. Около 1% от арсена се използва при производството на оловен изстрел, тъй като подобрява кръговината на стопения капка. Свойствата на оловните лагерни сплави се подобряват както при топлинни, така и при механични свойства, когато съдържат около 3% арсен. Наличието на малко количество от този химически елемент в оловните сплави ги заздравява за употреба в акумулаторни батерии и кабелни брони. Малките добавки на арсен увеличават корозионната устойчивост и топлинните свойства на медта и медта. В чистата си форма химическият елемент As се използва за покриване на бронз и пиротехника. Високо пречистен арсен се използва в полупроводниковата технология, където се използва със силиций и германий, както и под формата на галиев арсенид (GaAs) в диоди, лазери и транзистори.

Съединения As

Тъй като валентността на арсена е 3 и 5 и има редица степен на окисление от -3 до +5, елементът може да образува различни видове съединения. Най-важната търговска стойност е нейните оксиди, основните форми на които са As ₄ O ₆ и As ₂ O ₅ . Арсеновият оксид, известен като бял арсен, е страничен продукт от печене на мед, олово и някои други метали, както и арсенопиритни и сулфидни руди. Това е изходният материал за повечето други съединения. В допълнение, тя се използва в пестициди, служи като обезцветяваща при производството на стъкло и консервант за кожата. Арсеновият пентоксид се образува чрез действието на окислител (например азотна киселина) върху бял арсен. Това е основната съставка на инсектициди, хербициди и лепило за метал.

Арсен (AsH3), безцветен отровен газ, състоящ се от арсен и водород, е друга известна субстанция. Вещество, наречено също арсен, се получава чрез хидролиза на метални арсениди и намаляване на металите от арсенови съединения в кисели разтвори. Той е намерил приложение като допингова добавка в полупроводници и военни отровни газове. В селското стопанство са от голямо значение арсенова киселина (H ₃ AsO ₄ ), оловен арсенат (PbHAsO ₄ ) и калциев арсенат [Ca ₃ (AsO ₄ ) ₂ ], които се използват за почвена стерилизация и борба с вредителите.

Арсенът е химичен елемент, който образува различни органични съединения. Какодин (CH3) ₂ As-As (CH3) ₂ , например, се използва при получаването на широко използван десикант (сушител) - какодилова киселина. Комплексните органични съединения на елемента се използват при лечението на определени заболявания, например амебична дизентерия, причинена от микроорганизми.

Физични свойства

Какво представлява арсеникът по отношение на неговите физични свойства? В най-стабилно състояние е крехко твърдо вещество от стоманено сиво с ниска термична и електрическа проводимост. Въпреки че някои форми на As са подобни на металите, препращането към неметали е по-точна характеристика на арсена. Има и други видове арсен, но те не са добре проучени, особено жълтата метастабилна форма, състояща се от As ₄ молекули, подобно на белия фосфор Р4. Арсеникът се сублимира при температура от 613 ° С и като изпарение съществува като молекули А4, които не се разпадат до температура около 800 ° С Пълната дисоциация в As2 молекули се извършва при 1700 ° С.

Структурата на атома и способността му да образуват връзки

Формулата на електронния арсеник - 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ^{3 -} прилича на азот и фосфор в това, че във външната обвивка има пет електрона, но се различава от наличието на 18 електрона в предпоследната черупка вместо две или осем. Добавянето на 10 положителни заряда в сърцевината при запълването на пет 3d орбитални структури често води до общо намаляване на облака от електрони и до увеличаване на електронегорността на елементите. Арсеникът в периодичната таблица може да бъде сравнен с други групи, които ясно демонстрират този модел. Например, общоприето е, че цинкът е по-електрореактивен от магнезий, а галият е повече от алуминий. Въпреки това, в следващите групи тази разлика намалява и мнозина не са съгласни, че германийът е електронегативен, отколкото силиций, въпреки изобилието от химически доказателства. Такъв преход от 8- до 18-елементна мембрана от фосфор към арсен може да увеличи електронегогността, но това остава спорно.

Сходството на външната обвивка As и P предполага, че те могат да образуват 3 ковалентни връзки на атом в присъствието на допълнителна несвързана електронна двойка. Следователно, степента на окисляване трябва да бъде +3 или -3, в зависимост от относителната взаимна електронеогенетика. Структурата на арсена също така показва възможността за използване на външни d-орбитали за разширяване на октета, което позволява на елемента да образува 5 връзки. Тя се реализира само при реакция с флуор. Наличието на свободна електронна двойка за образуването на сложни съединения (чрез донорство на електрони) в Ас атома се проявява много по-малко, отколкото във фосфор и азот.

Арсенът е стабилен на сух въздух, но на мокър е покрит с черен оксид. Неговата пара лесно се изгаря, образувайки As2O3. Какво представлява арсеникът в свободно състояние? Той практически не се влияе от вода, алкали и неокислителни киселини, но се окислява от азотна киселина до степен +5. Арсеникът реагира на халогени, сяра и много метали от арсенидите.

Аналитична химия

Арсеновият материал може да бъде открит качествено под формата на жълт аурипигмент, утаен с 25% разтвор на солна киселина. Следите от As, като правило, се определят чрез превръщането му в arsine, което може да бъде открито чрез теста Marsh. Арсин се разлага термично, образувайки черно огледало от арсеник в тясна тръба. Според метода на Gutzait сонда, импрегнирана с живачен хлорид под действието на Arsin, потъмнява поради освобождаването на живака.

Токсикологични характеристики на арсена

Токсичността на елемента и неговите производни варира в широки граници, вариращи от изключително отровния аселин и неговите органични производни до точно As, което е относително инертно. Какво представлява арсеникът като употреба на неговите органични съединения като волюзни отровни вещества (левизит), везикант и дефолиант ("Агент blu", базиран на водна смес от 5% какодилова киселина 26% от натриевата си сол).

Като цяло, производните на този химичен елемент дразнят кожата и причиняват дерматит. Защита срещу вдишване на арсенов прах също се препоръчва, но по-голямата част от отравянето настъпва при поглъщане. Максималната допустима концентрация на As в праха за осемчасов работен ден е 0,5 mg / m ³ . За арсина дозата се намалява до 0,05 части на милион. В допълнение към използването на съединения от този химически елемент като хербициди и пестициди, използването на арсен в фармакологията направи възможно получаването на салварсан, първото успешно лекарство срещу сифилис.

Въздействие върху здравето

Арсенът е един от най-токсичните елементи. Неорганичните съединения на този химикал в естествени условия се срещат в малки количества. Хората могат да бъдат изложени на арсен чрез храна, вода и въздух. Експозицията може да възникне и при 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 този химически елемент от водата, в която живеят. Значителното количество неорганичен арсен в рибата може да бъде опасно за човешкото здраве.

Влиянието на веществото се влияе и от хора, които работят с него, живеят в къщи, построени от дърво, обработено от тях, и върху земеделска земя, където са били използвани пестициди в миналото.

Неорганичният арсен може да причини различни ефекти върху човешкото здраве, като дразнене на стомаха и червата, намалено производство на червени и бели кръвни клетки, кожни промени и дразнене на белите дробове. Смята се, че абсорбцията на значително количество от това вещество може да увеличи шансовете за развитие на рак, особено рак на кожата, белите дробове, черния дроб и лимфната система.

Много високи концентрации на неорганичен арсен са причина за безплодие и спонтанен аборт при жените, дерматит, намаляване на устойчивостта на организма към инфекции, сърдечни проблеми и мозъчни увреждания. Освен това този химически елемент може да увреди ДНК.

Смъртоносната доза на бял арсеник е 100 mg.

Органичните съединения на елемента нито рак, нито увреждане на генетичния код причиняват, но високи дози могат да навредят на човешкото здраве например, да причинят нервни заболявания или коремна болка.

Свойства на Ас

Основните химико-физични свойства на арсена са, както следва:

• Атомното число е 33.
• Атомното тегло е 74.9216.
• Точката на топене на сивата форма е 814 ° С при налягане от 36 атмосфери.
• Плътността на сивата форма е 5,73 g / cm3 При 14 ° С.
• Плътността на жълтата форма е 2.03 g / cm3 при 18 ° С.
• Електронната формула на арсен е 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ³ _.
• Окислителното състояние е -3, +3, +5.
• Валене на арсен - 3, 5.