ARSEN: HISTORIE, STRUKTUR, EGENSKABER, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den arsen er et semimetal eller semimetal tilhører gruppe 15 eller VA i det periodiske system. Det er repræsenteret af det kemiske symbol As, og dets atomnummer er 33. Det findes i tre allotropiske former: gul, sort og grå; sidstnævnte er den eneste med industriel betydning.

Grå arsen er et sprødt, metallisk udseende fast stof med en steely, krystallinsk farve (bundbillede). Den mister sin glans når den udsættes for luft og danner arsenoxid (As ₂ O ₃), som når den opvarmes afgiver en hvidløgslugt. På den anden side er dets gule og sorte allotrope molekylære og amorfe.

Metallisk arsen. Kilde: Hi-Res-billeder af kemiske elementer

Arsen findes i jordskorpen forbundet med adskillige mineraler. Kun en lille andel findes i den oprindelige stat, dog forbundet med antimon og sølv.

Blandt de mest almindelige mineraler, hvor arsen findes, er følgende: realgar (As ₄ S ₄), orpiment (As ₂ S ₃), loellingite (FeAs ₂) og enargite (Cu ₃ AsS ₄). Arsen fås også som et biprodukt af smeltemetaller som bly, kobber, kobolt og guld.

Arsenforbindelser er giftige, især arsin (AsH ₃). Arsen har imidlertid mange industrielle anvendelser, herunder legering med bly, der anvendes til fremstilling af bilbatterier og legering med gallium med forskellige anvendelser inden for elektronik.

Historie om dens opdagelse

Navnet 'arsen' kommer fra det latinske arsenik og det græske arsenikon, der henviser til gult orpiment, som var den vigtigste form for anvendelse af arsen fra alkymister.

Arsen, længe før det blev anerkendt som et kemisk element, var kendt og anvendt i form af dets forbindelser. For eksempel skrev Aristoteles i det 4. århundrede f.Kr. om sandarache, et stof, der nu antages at være arsenisk sulfid.

Plinius den ældre og Pedanius Discórides beskrev i 1. århundrede e. Kr. Orpiment, et mineral, der består af As ₂ S ₃. I det 11. århundrede blev tre arter af arsen genkendt: hvid (As ₄ O ₄), gul (As ₂ S ₃) og rød (As ₄ S ₄).

Arsen som et rent element blev først observeret af Albertus Magnus (1250). Magnus opvarmede arsenisk sulfid med sæbe og bemærkede udseendet af et stof med en egenskab, der ligner den grålig allotrope på billedet. Den første autentiske rapport om hans isolation blev dog offentliggjort i 1649 af en tysk farmaceut Johann Schroeder.

Schroeder tilberedte arsen ved at opvarme dens oxid med trækul. Senere formåede Nicolas Lémery at fremstille det ved at opvarme en blanding af arsenoxid, sæbe og potash. I det 18. århundrede blev dette element endelig anerkendt som et halvmetal.

Struktur af arsen

Arsen er isomorf for antimon; de er strukturelt identiske og adskiller sig kun i størrelsen på deres atomer. Hvert arsenatom danner tre As-As-kovalente bindinger på en sådan måde, at de stammer fra ”rynkede eller stejle” hexagonale As _6- enheder, da hybridiseringen af ​​As-atomerne er sp ³.

Derefter forbindes As _6- enhederne, hvilket giver anledning til stejle lag af arsen, som interagerer svagt med hinanden. Som et resultat af deres intermolekylære kræfter, der først og fremmest afhænger af deres atommasser, giver de rhombohedrale grå arsenkrystaller det faste stof en skrøbelig og sprød struktur.

På grund af afvisningen af ​​arsenens frie elektronpar muligvis definerer As _6- enheder dannet mellem parallelle lag ikke en perfekt, men forvrænget oktaeder:

Krystallstruktur af grå arsen. Kilde: Gabriel Bolívar.

Bemærk, at de sorte kugler tegner det forvrængede plan i rummet mellem to stejle lag. Ligeledes er der i laget nedenfor blålige kugler, der sammen med den sorte kugle udgør As _6- enheden nævnt i begyndelsen af ​​sektionen.

Strukturen ser ordnet ud, rækkerne går op og ned, og derfor er den krystallinsk. Imidlertid kan det blive amorft, med kugler presset på forskellige måder. Når grålig arsen bliver amorf, bliver den en halvleder.

Gul arsen

Gul arsen, den mest giftige allotrope af dette element, er et rent molekylært fast stof. Det består af As-molekyler ₄ enheder på grund af svage spredningskræfter, som ikke forhindrer dem i at flygtige.

Sort arsen

Sort arsen er amorf; men ikke hvordan den grålig allotrope kan være. Dens struktur ligner lidt den, der netop er beskrevet, med den forskel, at dens As _6- enhedsplan har større områder og forskellige forstyrrelsesmønstre.

Elektronisk konfiguration

3d ¹⁰ 4s ² 4p ³

Den har alle orbitaler på niveau 3 udfyldt. Det danner bindinger ved hjælp af 4s og 4p orbitals (såvel som 4d) gennem forskellige kemiske hybridiseringer.

Ejendomme

Molekylær vægt

74,922 g / mol

Fysisk beskrivelse

Grå arsen er et gråligt fast stof med et metallisk udseende og en sprød konsistens.

Farve

Tre allotropiske former, gul (alfa), sort (beta) og grå (gamma).

Lugt

Toilet

Smag

Smagløs

Smeltepunkt

1.090 K ved 35,8 atm (tredobbelt arsenik).

Ved normalt tryk har det intet smeltepunkt, da det sublimerer til 887 K.

Massefylde

-Gray arsen: 5,73 g / cm ³.

-Gul arsen: 1,97 g / cm ³.

Vandopløselighed

uopløselig

Atomradio

139 pm

Atomisk volumen

13,1 cm ³ / mol

Kovalent radius

120 kl

Specifik varme

0,328 J / gmol ved 20 ° C

Fordampningsvarme

32,4 kJ / mol

elektronegativitet

2.18 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergi

Første ioniseringsenergi 946,2 kJ / mol

Oxidationstilstande

-3, +3, +5

Stabilitet

Elementær arsen er stabil i tør luft, men når den udsættes for fugtig luft, overtrækkes den med et bronzegult lag, der kan blive et sort lag af arsenoxid (Som ₂ O ₃).

nedbrydning

Når arsen opvarmes til nedbrydning, udsender den en hvid røg af As ₂ O ₃. Proceduren er farlig, fordi arsin, en meget giftig gas, også kan frigives.

Automatisk tænding

180 ºC

Hårdhed

3.5 på Mohs hårdhedsskala.

Reaktivitet

Det angribes ikke af kold svovlsyre eller koncentreret saltsyre. Reagerer med varm salpetersyre eller svovlsyre, danner arsenic syre og arsenic acid.

Når grå arsen volatiliseres ved opvarmning, og damperne afkøles hurtigt, dannes en gul arsen. Dette vender tilbage til den grålig form, når den udsættes for ultraviolet lys.

Applikationer

Legeringer

En lille mængde arsen tilsat bly, hærder sine legeringer nok til at bruge dem til belægning af kabler og til fremstilling af bilbatterier.

Tilsætningen af ​​arsen til messing, en legering af kobber og zink, øger dens modstand mod korrosion. På den anden side korrigerer eller reducerer det tabet af zink i messingen, hvilket medfører en stigning i dens brugstid.

elektronik

Oprenset arsen anvendes i halvlederteknologi, hvor det bruges i forbindelse med gallium og germanium, såvel som i form af galliumarsenid (GaAs), som er den næst mest anvendte halvleder.

GaA'er har en direkte båndafstand, som kan bruges i diode-, laser- og LED-fremstilling. Foruden galliumarsenid er der andre arsenider, såsom indiumarsenid og aluminiumarsenid, som også er III-V-halvledere.

I mellemtiden er cadmiumarsenid en type II-IV halvleder. Arsine er blevet brugt i halvlederdoping.

Landbrug og træbeskyttelse

De fleste anvendelser er blevet skrotet på grund af deres høje toksicitet og deres forbindelser. Som ₂ O ₃ er blevet brugt som et pesticid, mens As ₂ O ₅ er en ingrediens i herbicider og insekticider.

Arseninsyre (H ₃ AsO ₄) og salte såsom calciumarsenat og blyarsenat er blevet brugt til sterilisering af jord og kontrol med skadedyr. Dette skaber en risiko for miljøforurening med arsen.

Blyarsenat blev brugt som et insekticid på frugttræer indtil første halvdel af det 20. århundrede. Men på grund af dets toksicitet blev det erstattet af natriummethylarsenat, som stoppede med at blive brugt af samme grund siden 2013.

lægemidlet

Indtil det 20. århundrede blev flere af dets forbindelser brugt som medicin. Arsphenamin og neolsalvarsan er for eksempel blevet anvendt til behandling af syfilis og trypanosomiasis.

I 2000, anvendelsen af As ₂ O ₃, en yderst toksisk forbindelse, blev godkendt til behandling af akut promyelocytisk leukæmi resistent over for all-trans-retinsyre. For nylig blev den radioaktive isotop ⁷⁴ As brugt til tumorlokalisering.

Isotopen producerer gode billeder, klarere end dem, der opnås med ¹²⁴ I, fordi jod føres til skjoldbruskkirtlen og producerer støj i signalet.

Andre anvendelser

Arsen blev tidligere brugt som fodertilsætningsstof til fjerkræ- og svineproduktion.

Det bruges som katalysator til fremstilling af ethylenoxid. Det bruges også til fyrværkeri og garvning. Arsenoxid anvendes som affarvningsmiddel til fremstilling af glas.

Hvor er det placeret?

Arsen kan findes i små mængder i en elementær tilstand med en høj grad af renhed. Det er til stede i adskillige forbindelser, såsom: sulfider, arsenider og sulfoarseniider.

Det findes også i flere mineraler, herunder: arsenopyrit (FeSA'er), loellingit (FeAs ₂), enargit (Cu ₃ AsS ₄), orpiment (As ₂ S ₃) og realgar (As ₄ S ₄).

Hvordan opnås det?

Arsenopyrite opvarmes til 650-700 ºC, i fravær af luft. Arsen fordamper, hvilket efterlader jernsulfid (FeS) som en rest. Under denne proces binder arsen sig til ilt til dannelse af Som ₄ O ₆, kendt som "hvidt arsen."

Da ₄ O ₆ modificeres til dannelse af Som ₂ O ₃, hvis dampe opsamles og kondenseres i et sæt murstenkamre, hvor arsenet renses ved sublimering.

Det meste af arsen fremstilles ved kulstofreduktion af det dannede støv af As ₂ O ₃.

Referencer

1. Stephen R. Marsden. (23. april 2019). Arsenikskemi. Kemi LibreTexts. Gendannes fra: chem.libretexts.org
2. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (03. december 2018). Interessante fakta om arsen. Gendannes fra: thoughtco.com
3. Wikipedia. (2019). Arsen. Gendannet fra: en.wikipedia.org
4. Dr. Dough Stewart. (2019). Arseniske elementfakta. Chemicool. Gendannes fra: chemicool.com
5. Royal Society of Chemistry. (2019). Arsen. Gendannes fra: rsc.or
6. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (3. maj 2019). Arsen. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com