Арсен: история, структура, електронна конфигурация, свойства, приложения
Арсенът е полуметал или металоид, който принадлежи към група 15 или VA на периодичната таблица. Той е представен от химическия символ As и има атомно число 33. Може да се намери в три алотропни форми: жълто, черно и сиво; последният е единственият с индустриално значение.
Сивият арсен е крехко, метално изглеждащо твърдо вещество със стоманен, кристален цвят (дъно). Той губи блясъка си, когато е изложен на въздуха, образувайки арсеновия оксид (As 2 O 3 ), който при нагряване излъчва миризма на чесън. От друга страна, неговите жълти и черни алотропи са съответно молекулни и аморфни.
Арсенът се намира в земната кора, свързана с множество минерали. Само малка част се намира в естественото състояние, свързана обаче с антимон и сребро.
Сред най-често срещаните минерали, в които се открива арсен, са следните: регар (As 4 S 4 ), orpiment (As 2 S 3 ), лойлинг (FeAs 2 ) и енаргит (Cu 3 AsS 4 ). Арсенът се получава и като страничен продукт от топенето на метали като олово, мед, кобалт и злато.
Арсеновите съединения са токсични, особено арсин (AsH3). Въпреки това, арсенът има множество промишлени приложения, включително сплавта с олово, използвана при производството на батерии за автомобили, и сплавта с галий с различни приложения в електрониката.
История на откритието му
Името „арсен“ идва от латинския арсеник и от гръцкия арсеник, отнесен към жълтия орфимент, който е основната форма на употреба на арсен от алхимиците.
Арсенът, много преди да бъде разпознат като химичен елемент, е бил известен и използван под формата на неговите съединения. Например, Аристотел в четвърти век преди новата ера пише за сандараш, вещество, което сега се смята за арсен сулфид.
Плиний Старият и Педанийският раздор, през първия век от н.е., описва орнамента, минерал, съставен от As 2 S 3 . В единадесети век се признават три вида арсен: бял (As 4 O 4 ), жълт (As 2 S 3 ) и червен (As 4 S 4 ).
Арсенът като чист елемент е наблюдаван за първи път от Алберт Магнус (1250). Магнус нагрява арсеновия сулфид със сапун, като отбелязва появата на вещество с характеристика, подобна на сивкавата алотропност на образа. Първият автентичен доклад за неговата изолация обаче е публикуван през 1649 г. от германския фармацевт Йохан Шрьодер.
Шрьодер е подготвил арсена чрез загряване на оксида с въглерод. По-късно Nicolas Lémery успява да го произведе чрез загряване на смес от арсенов оксид, сапун и поташ. В осемнадесети век този елемент най-накрая бе признат за полуметал.
Структура на арсен
Арсенът е изоморфен на антимона; структурно те са идентични, като се различават само по размера на атомите си. Всеки атом на арсен образува три ковалентни As-As връзки, по такъв начин, че те образуват шестоъгълни единици As 6 "набръчкани или стръмни", тъй като хибридизацията на атомите на As е sp3.
След това азотните единици са свързани, което води до стръмни слоеве арсен, които взаимодействат слабо един с друг. В резултат на техните междумолекулни сили, зависими преди всичко от техните атомни маси, ромбоедричните кристали от сив арсен дават на твърдото вещество крехка и крехка текстура.
Вероятно поради отблъскванията на свободната от електрони двойка арсен, As 6 единиците, образувани между паралелни слоеве, не определят перфектен октаедър, а са изкривени:
Забележете, че черните сфери нарисуват изкривената равнина в пространството между два стръмни слоя. Също така, в долния слой има синкави сфери, които заедно с черната сфера образуват единица As 6, спомената в началото на секцията.
Структурата изглежда чиста, редовете се издигат и падат и затова е кристално чисто. Въпреки това, той може да стане аморфен, със свити сфери по различни начини. Когато сивият арсен стане аморфен, той се превръща в полупроводник.
Жълт арсен
Жълтият арсен, най-токсичният алотроп на този елемент, е чисто молекулно твърдо вещество. Състои се от молекули на As 4 единици със слаби сили на дисперсия, които не им пречат да изпаряват.
Черен арсен
Черният арсен е аморфен; но не и как може да стигне до сиво алотроп. Неговата структура е малко по-близка до току-що описаната, с тази разлика, че нейните равнини на As 6 имат по-големи площи и различни модели на разстройство.
Електронна конфигурация
[Ar] 3d104s24p3
Има пълни орбитали от ниво 3. Той образува връзки с помощта на 4s и 4p орбитали (като 4d) чрез различни химически хибридизации.
свойства
Молекулно тегло
74, 922 g / mol
Физическо описание
Сивият арсен е сивкаво твърдо вещество с метален външен вид и крехка консистенция.
цвят
Три алотропни форми, жълто (алфа), черно (бета) и сиво (гама).
миризма
тоалетна
вкус
безвкусен
Точка на топене
1090 К при 35, 8 атм (тройна точка на арсен).
При нормално налягане няма точка на топене, тъй като сублимира при 887 K.
плътност
-Арсеново сиво: 5.73 g / cm3.
-Арсенова жълта: 1.97 g / cm3.
Разтворимост във вода
нерешим
Атомно радио
139 pm
Атомна сила
13, 1 cm3 / mol
Ковалентно радио
120 pm
Специфична топлина
0.328 J / g · mol при 20 ° С
Топлина на изпаряване
32, 4 kJ / mol
електроотрицателност
2.18 по скалата на Паулинг
Йонизираща енергия
Първа йонизационна енергия 946.2 kJ / mol
Състояния на окисляване
-3, +3, +5
стабилност
Елементалният арсен е стабилен в сух въздух, но когато е изложен на влажен въздух, той е покрит с жълто-бронзов слой, който може да се превърне в черен слой на арсеновия оксид (As 2 O 3 ).
разлагане
Когато арсенът се нагрява до разлагане, той излъчва бял дим от As 2 O 3 . Процедурата е опасна, тъй като може да се излъчва и арсин, много отровен газ.
Самозапалване
180 ° С
твърдост
3.5 по скалата на твърдост на Mohs.
реактивност
Не се атакува от студена сярна киселина или концентрирана солна киселина. Реагира с азотна киселина или гореща сярна киселина, образувайки арсенова киселина и арсенова киселина.
Когато сивият арсен се изпари чрез нагряване, и изпаренията бързо се охлаждат, образува жълт арсен. Това се връща към сивата форма, когато е подложена на ултравиолетова светлина.
приложения
сплави
Малко количество арсен добавя към оловото, втвърдява неговите сплави достатъчно, за да се използва в облицовка на кабели, както и в производството на автомобилни батерии.
Добавянето на арсен към месинг, сплав от мед и цинк, увеличава устойчивостта му към корозия. От друга страна, той коригира или намалява загубата на цинк в месинга, което води до увеличаване на полезния му живот.
електроника
Пречистеният арсен се използва в полупроводниковата технология, където се използва заедно с галий и германий, както и под формата на галиев арсенид (GaAs), който е вторият най-широко използван полупроводник.
GaAs имат директна ширина, която може да се използва при производството на диоди, лазери и светодиоди. В допълнение към галиев арсенид има и други арсениди, като индиеви арсенид и алуминиев арсенид, които също представляват III-V полупроводници.
Междувременно, кадмиевият арсенид е полупроводник тип II-IV. Arsine се използва в допинг на полупроводници.
Земеделие и консервация на дървесина
Повечето приложения са изхвърлени поради тяхната висока токсичност и тази на техните съединения. As 2 O 3 се използва като пестицид, докато As 2 O 5 е съставка на хербициди и инсектициди.
Арсенова киселина (Н 3 AsO 4 ) и соли като калциев арсенат и оловен арсенат са използвани за стерилизиране на почвите и контрол на вредители. Това създава риск от замърсяване на околната среда с арсен.
Оловният арсенат се използва като инсектицид в овощните дървета до първата половина на 20-ти век. Но поради неговата токсичност, той е заменен с натриев метиларсенат, който спира да се използва по същата причина от 2013 г. насам.
лечебен
До двадесети век няколко от неговите съединения бяха използвани като лекарства. Арсфенамин и неолсалварсан, например, се използват за лечение на сифилис и трипанозомиаза.
През 2000 г., използването на As 2 O 3, много токсично съединение, беше одобрено при лечението на остра промиелоцитна левкемия, резистентна към всички транс-ретинолова киселина. Наскоро радиоактивният изотоп 74А е използван за локализация на тумора.
Изотопът произвежда добри образи, по-ясни от тези, получени при 124I, тъй като йодът се подава към щитовидната жлеза и произвежда шум в сигнала.
Други приложения
Арсенът е бил използван в миналото като фуражна добавка при производството на домашни птици и свине.
Използва се като катализатор при производството на етиленов оксид. Използва се и при пиротехника и при тен. Арсеният оксид се използва като обезцветяващо средство при производството на стъкло.
Къде е?
Арсенът може да бъде намерен в малки количества в елементарно състояние, с висока степен на чистота. Той присъства в множество съединения, като: сулфиди, арсениди и сулфоардениди.
Също така се среща и в няколко минерала, сред които: арсенопирит (FeSAs), лойлинг (FeAs 2 ), енаргит (Cu 3 AsS 4 ), orpiment (As 2 S 3 ) и realgar (As 4 S 4 ).
Как я получавате?
Арсенопиритът се загрява до 650-700 ° С в отсъствие на въздух. Арсенът се изпарява, оставяйки като остатък железен сулфид (FeS). По време на този процес арсенът се свързва с кислорода, за да образува As 4 O 6, известен като "бял арсен".
As4O6 е модифициран за образуване на As 2 O 3, чиито пари са събрани и кондензирани в комплект от тухлени камери, пречистващи арсеника чрез сублимация.
По-голямата част от арсена се произвежда чрез намаляване на въглерода на праха, образуван от As 2 O 3 .
