Arzen je kemični element skupine dušika (skupina 15 periodnega sistema). To je krhka snov (α-arzen) sive barve s kovinskim sijajem z romboedrično kristalno mrežo. Ko se segreje na 600°C, As sublimira. Ko se para ohladi, se pojavi nova modifikacija - rumeni arzen. Nad 270°C se vse oblike As spremenijo v črni arzen.
zgodovina odkritij
Arzen je bil znan že dolgo preden je bil priznan kot kemični element. V IV stoletju. pr e. Aristotel je omenil snov, imenovano sandarak, za katero se zdaj domneva, da je realgar ali arzenov sulfid. In v 1. stoletju n.š. e. pisatelja Plinij starejši in Pedanij Dioskorid sta opisala orpiment - barvilo As2S3. V XI stoletju. n. e. ločile so se tri sorte "arzena": bela (As4O6), rumena (As2 S 3) in rdeče (kot4S4). Sam element je verjetno prvi izoliral Albert Veliki v 13. stoletju, ki je opazil pojav kovini podobne snovi pri arsenikum, drugo ime As2S3 , je bil ogrevan z milom. Vendar ni gotovosti, da je ta naravoslovec prejel čisti arzen. Prvi verodostojni dokazi o izolaciji čistega kemičnega elementaiz leta 1649. Nemški farmacevt Johann Schroeder je pripravil arzen s segrevanjem njegovega oksida v prisotnosti premoga. Pozneje je Nicolas Lemery, francoski zdravnik in kemik, opazoval nastanek tega kemičnega elementa s segrevanjem mešanice njegovega oksida, mila in pepelike. V začetku 18. stoletja je bil arzen že znan kot edinstvena polkovina.
Razširjenost
V zemeljski skorji je koncentracija arzena nizka in znaša 1,5 ppm. Pojavlja se v tleh in mineralih in se lahko sprošča v zrak, vodo in tla z vetrom in vodno erozijo. Poleg tega element vstopi v ozračje iz drugih virov. Zaradi vulkanskih izbruhov se v zrak sprosti približno 3 tisoč ton arzena na leto, mikroorganizmi tvorijo 20 tisoč ton hlapnega metilarsina na leto, zaradi gorenja fosilnih goriv pa se v istem obdobju sprosti 80 tisoč ton..
Kljub temu, da je As smrtonosni strup, je pomemben del prehrane nekaterih živali in morda ljudi, čeprav zahtevani odmerek ne presega 0,01 mg/dan.
Arzen je izjemno težko pretvoriti v vodotopno ali hlapno stanje. Dejstvo, da je precej mobilen, pomeni, da se velike koncentracije snovi ne morejo pojaviti na enem mestu. Po eni strani je to dobro, po drugi strani pa je lahkota, s katero se širi, razlog, da postaja onesnaževanje z arzenom vse večji problem. Zaradi človekovih dejavnosti, predvsem z rudarjenjem in taljenjem, se migrira običajno nepomični kemični element, ki ga zdaj ne najdemo le ponekod.njegova naravna koncentracija.
Količina arzena v zemeljski skorji je približno 5 g na tono. V vesolju je njegova koncentracija ocenjena na 4 atome na milijon atomov silicija. Ta element je zelo razširjen. Majhna količina je prisotna v domačem stanju. Praviloma najdemo tvorbe arzena s čistostjo 90–98 % skupaj s kovinami, kot sta antimon in srebro. Večina pa je vključena v sestavo več kot 150 različnih mineralov - sulfidov, arzenidov, sulfoarsenidov in arzenitov. Arsenopirit FeAsS je eden najpogostejših mineralov, ki vsebujejo As. Druge pogoste spojine arzena so minerali realgar As4S4, orpiment As2S 3, lellingite FeAs2 in enargit Cu3AsS4. Pogost je tudi arzenov oksid. Večina te snovi je stranski produkt taljenja bakrovih, svinčevih, kob altovih in zlatih rud.
V naravi obstaja samo en stabilen izotop arzena - 75As. Med umetnimi radioaktivnimi izotopi izstopa 76As z razpolovno dobo 26,4 ure. Arzen-72, -74 in -76 se uporabljajo v medicinski diagnostiki.
Industrijska proizvodnja in uporaba
Kovinski arzen dobimo s segrevanjem arsenopirita na 650-700 °C brez zraka. Če se arsenopirit in druge kovinske rude segrejejo s kisikom, potem As zlahka vstopi v kombinacijo z njim in tvori lahko sublimiran As4O6, znan tudi kot "beloarzen". Oksidni hlapi se zberejo in kondenzirajo ter kasneje očistijo s ponovno sublimacijo. Večina As se proizvaja z redukcijo ogljika iz tako pridobljenega belega arzena.
Svetovna poraba kovinskega arzena je relativno majhna – le nekaj sto ton na leto. Večina porabljenega prihaja iz Švedske. Zaradi svojih metaloidnih lastnosti se uporablja v metalurgiji. Pri izdelavi svinčene šobe se uporablja približno 1 % arzena, saj izboljša okroglost staljene kapljice. Lastnosti ležajnih zlitin na osnovi svinca se izboljšajo tako toplotno kot mehansko, če vsebujejo približno 3 % arzena. Prisotnost majhne količine tega kemičnega elementa v svinčevih zlitinah jih utrdi za uporabo v baterijah in oklepu kablov. Majhne nečistoče arzena povečajo odpornost proti koroziji in toplotne lastnosti bakra in medenine. V svoji čisti obliki se kemični elementarni As uporablja za bronanje in pirotehniko. Visoko prečiščen arzen najde uporabo v polprevodniški tehnologiji, kjer se uporablja s silicijem in germanijem ter v obliki galijevega arzenida (GaAs) v diodah, laserjih in tranzistorjih.
Povezave kot
Ker je valenca arzena 3 in 5 in ima številna oksidacijska stanja od -3 do +5, lahko element tvori različne vrste spojin. Komercialno najpomembnejši so njegovi oksidi, katerih glavne oblike so As4O6 inKot 2O5. Arzenov oksid, splošno znan kot beli arzen, je stranski produkt praženja rud bakra, svinca in nekaterih drugih kovin ter arsenopirita in sulfidnih rud. Je začetni material za večino drugih spojin. Poleg tega se uporablja v pesticidih, kot belilno sredstvo v proizvodnji stekla in kot konzervans za usnje. Arzenov pentoksid nastane z delovanjem oksidacijskega sredstva (npr. dušikove kisline) na beli arzen. Je glavna sestavina insekticidov, herbicidov in kovinskih lepil.
Arsine (AsH3), brezbarven strupeni plin, sestavljen iz arzena in vodika, je še ena znana snov. Snov, imenovana tudi arzenov vodik, je pridobljena s hidrolizo kovinskih arzenidov in redukcijo kovin iz arzenovih spojin v kislinskih raztopinah. Našel je uporabo kot dopant v polprevodnikih in kot vojaški strupeni plin. V kmetijstvu arzenova kislina (H3AsO4), svinčev arzenat (PbHAsO44 4 ) in kalcijev arzenat [Ca3(AsO4)2
], ki se uporabljajo za sterilizacijo zemlje in zatiranje škodljivcev.
Arzen je kemični element, ki tvori številne organske spojine. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 , na primer, se uporablja pri pripravi široko uporabljenega sušilnega sredstva (desikant) - kakodilne kisline. Kompleksne organske spojine elementa se uporabljajo pri zdravljenju nekaterih bolezni, na primer amebne dizenterije,povzročajo mikroorganizmi.
Fizične lastnosti
Kaj je arzen glede na njegove fizikalne lastnosti? V svojem najbolj stabilnem stanju je krhka, jekleno siva trdna snov z nizko toplotno in električno prevodnostjo. Čeprav so nekatere oblike As kovini podobne, je razvrstitev kot nekovina natančnejša karakterizacija arzena. Obstajajo tudi druge vrste arzena, vendar niso dobro raziskane, zlasti rumena metastabilna oblika, sestavljena iz As4 molekul, podobnih belemu fosforju P4. Arzen sublimira pri 613 °C in obstaja kot para kot As4 molekule, ki se ne disociirajo do približno 800 °C. Popolna disociacija na As2 molekule se pojavi pri 1700 °C.
Struktura atoma in sposobnost tvorbe vezi
Elektronska formula arzena je 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 - je podoben dušiku in fosforju po tem, da ima pet elektronov v zunanji lupini, vendar se od njih razlikuje po tem, da ima v predzadnji lupini 18 elektronov namesto dveh ali osmih. Dodatek 10 pozitivnih nabojev v jedru med polnjenjem petih 3d orbital pogosto povzroči splošno zmanjšanje elektronskega oblaka in povečanje elektronegativnosti elementov. Arzen v periodnem sistemu lahko primerjamo z drugimi skupinami, ki jasno kažejo ta vzorec. Na primer, splošno velja, da je cinkbolj elektronegativni kot magnezij in galij kot aluminij. Vendar se v naslednjih skupinah ta razlika zoži in mnogi se ne strinjajo, da je germanij bolj elektronegativen kot silicij, kljub obilici kemijskih dokazov. Podoben prehod iz lupine z 8 v 18 elementov iz fosforja v arzen lahko poveča elektronegativnost, vendar to ostaja sporno.
Podobnost zunanje lupine As in P kaže, da lahko tvorita 3 kovalentne vezi na atom v prisotnosti dodatnega nevezanega elektronskega para. Oksidacijsko stanje mora torej biti +3 ali -3, odvisno od relativne medsebojne elektronegativnosti. Struktura arzena govori tudi o možnosti uporabe zunanje d-orbitale za razširitev okteta, kar elementu omogoča tvorbo 5 vezi. Uresniči se le z reakcijo s fluorom. Prisotnost prostega elektronskega para za tvorbo kompleksnih spojin (prek darovanja elektronov) v atomu As je veliko manj izrazita kot v fosforju in dušiku.
Arzen je stabilen na suhem zraku, na mokrem pa se prekrije s črnim oksidom. Njena para zlahka gori in tvori As2O3. Kaj je prosti arzen? Voda, alkalije in neoksidirajoče kisline nanj praktično ne vplivajo, dušikova kislina pa ga oksidira do +5. Halogeni, žveplo reagirajo z arzenom in številne kovine tvorijo arzenide.
analitična kemija
Snov arzen je mogoče kvalitativno zaznati kot rumen orpiment, ki se obori pod vplivom 25%raztopina klorovodikove kisline. Sledi As se običajno določijo s pretvorbo v arsin, kar je mogoče zaznati z Marshovim testom. Arzin se toplotno razgradi in v ozki cevi tvori črno arzenovo ogledalo. Po metodi Gutzeit sonda, impregnirana z živosrebrnim kloridom, pod vplivom arsina potemni zaradi sproščanja živega srebra.
Toksikološke značilnosti arzena
Strupenost elementa in njegovih derivatov se zelo razlikuje v širokem razponu, od izjemno strupenega arzina in njegovih organskih derivatov do preprosto As, ki je relativno inerten. Uporaba njegovih organskih spojin kot kemičnih bojnih sredstev (lewisite), vezikanta in defolianta (Agent Blue na osnovi vodne mešanice 5% kakodilne kisline in 26% njene natrijeve soli) nam pove, kaj je arzen.
Na splošno derivati tega kemičnega elementa dražijo kožo in povzročajo dermatitis. Priporočljiva je tudi zaščita pri vdihavanju pred prahom, ki vsebuje arzen, vendar največ zastrupitev nastane ob zaužitju. Največja dovoljena koncentracija As v prahu za osemurni delovnik je 0,5 mg/m3. Za arsin se odmerek zmanjša na 0,05 ppm. Poleg uporabe spojin tega kemičnega elementa kot herbicidov in pesticidov je uporaba arzena v farmakologiji omogočila pridobitev salvarsana, prvega uspešnega zdravila proti sifilisu.
Zdravstveni učinki
Arzen je eden najbolj strupenih elementov. Anorganske spojine določene kemikalijeSnovi se naravno pojavljajo v majhnih količinah. Ljudje smo lahko izpostavljeni arzenu s hrano, vodo in zrakom. Do izpostavljenosti lahko pride tudi zaradi stika s kožo z onesnaženo zemljo ali vodo.
Vsebnost arzena v hrani je precej nizka. Vendar pa je vsebnost v ribah in morski hrani lahko zelo visoka, saj absorbirajo kemikalijo iz vode, v kateri živijo. Znatne količine anorganskega arzena v ribah lahko predstavljajo tveganje za zdravje ljudi.
Snovi so izpostavljeni tudi ljudje, ki delajo s snovjo, živijo v hišah, zgrajenih iz lesa, obdelanega z njo, in na kmetijskih zemljiščih, kjer so bili v preteklosti uporabljeni pesticidi.
Anorganski arzen lahko povzroči različne zdravstvene učinke pri ljudeh, kot so draženje želodca in črevesja, zmanjšana proizvodnja rdečih in belih krvnih celic, kožne spremembe in draženje pljuč. Menijo, da lahko zaužitje znatnih količin te snovi poveča možnosti za razvoj raka, zlasti raka kože, pljuč, jeter in limfnega sistema.
Zelo visoke koncentracije anorganskega arzena povzročajo neplodnost in spontani splav pri ženskah, dermatitis, zmanjšano odpornost na okužbe, težave s srcem in poškodbe možganov. Poleg tega lahko ta kemični element poškoduje DNK.
Smrtonosni odmerek belega arzena je 100 mg.
Organske spojine elementa ne povzročajo raka ali poškodbe genetske kode, vendar lahko visoki odmerkipovzročajo škodo zdravju ljudi, na primer povzročajo živčne motnje ali bolečine v trebuhu.
Properties As
Glavne kemične in fizikalne lastnosti arzena so naslednje:
- Atomska številka - 33.
- Atomska teža je 74,9216.
- Tališče sive plesni je 814 °C pri tlaku 36 atmosfer.
- Siva gostota 5,73 g/cm3 pri 14°C.
- Gostota rumene plesni 2,03 g/cm3 pri 18°C.
- Elektronska formula arzena je 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Oksidacijska stanja – -3, +3, +5.
- Valenca arzena je 3, 5.
