Arsen je hemijski element grupe azota (grupa 15 periodnog sistema). Ovo je krhka supstanca (α-arsen) siva sa metalnim sjajem sa romboedarskom kristalnom rešetkom. Kada se zagrije na 600°C, As sublimira. Kada se para ohladi, pojavljuje se nova modifikacija - žuti arsen. Iznad 270°C, svi As oblici se pretvaraju u crni arsen.
Historija otkrića
Arsen je bio poznat mnogo prije nego što je prepoznat kao hemijski element. U IV veku. BC e. Aristotel je spomenuo supstancu zvanu sandarak, za koju se danas vjeruje da je realgar, ili arsenik sulfid. I u 1. veku nove ere. e. pisci Plinije Stariji i Pedanije Dioskorid opisali su orpiment - boju As2S3. U XI veku. n. e. razlikuju se tri varijante "arsena": bijela (Kao4O6), žuta (Kao2 S 3) i crveni (Kao4S4). Sam element je verovatno prvi izolovao u 13. veku Albert Veliki, koji je primetio pojavu supstance nalik metalu kada je arsenikum, drugo ime As2S3 , grijano je sapunom. Ali nema sigurnosti da je ovaj prirodnjak primio čisti arsen. Prvi autentični dokazi o izolaciji čistog hemijskog elementaiz 1649. Njemački farmaceut Johann Schroeder pripremio je arsen zagrijavanjem njegovog oksida u prisustvu uglja. Kasnije je Nicolas Lemery, francuski liječnik i hemičar, promatrao stvaranje ovog kemijskog elementa zagrijavanjem mješavine njegovog oksida, sapuna i potaše. Početkom 18. veka, arsen je već bio poznat kao jedinstveni polumetal.
Prevalencija
U zemljinoj kori koncentracija arsena je niska i iznosi 1,5 ppm. Javlja se u tlu i mineralima i može se osloboditi u zrak, vodu i tlo kroz vjetar i vodenu eroziju. Osim toga, element ulazi u atmosferu iz drugih izvora. Kao rezultat vulkanskih erupcija godišnje se u vazduh ispusti oko 3 hiljade tona arsena, mikroorganizmi formiraju 20 hiljada tona isparljivog metilarsina godišnje, a kao rezultat sagorevanja fosilnih goriva, 80 hiljada tona se oslobodi u istom periodu..
Uprkos činjenici da je kao smrtonosni otrov, važan je dio ishrane nekih životinja, a možda i ljudi, iako potrebna doza ne prelazi 0,01 mg/dan.
Arsen je izuzetno teško pretvoriti u vodotopivo ili isparljivo stanje. Činjenica da je prilično mobilna znači da se ne mogu pojaviti velike koncentracije tvari ni na jednom mjestu. S jedne strane, to je dobro, ali s druge strane, lakoća kojom se širi je razlog zašto zagađenje arsenom postaje sve veći problem. Zbog ljudskih aktivnosti, uglavnom kroz rudarenje i topljenje, normalno nepomičan hemijski element migrira, a sada se može naći ne samo na mjestimanjegova prirodna koncentracija.
Količina arsena u zemljinoj kori je oko 5 g po toni. U svemiru se njegova koncentracija procjenjuje na 4 atoma na milion atoma silicija. Ovaj element je široko rasprostranjen. Mala količina je prisutna u izvornom stanju. Po pravilu, formacije arsena sa čistoćom od 90-98% nalaze se zajedno sa metalima kao što su antimon i srebro. Većina je, međutim, uključena u sastav više od 150 različitih minerala - sulfida, arsenida, sulfoarsenida i arsenita. Arsenopirit FeAsS je jedan od najčešćih minerala koji sadrže As. Druga uobičajena jedinjenja arsena su realgar minerali As4S4, orpiment As2S 3, lellingite FeAs2 i enargit Cu3AsS4. Arsenov oksid je također čest. Većina ove supstance je nusproizvod topljenja ruda bakra, olova, kob alta i zlata.
U prirodi postoji samo jedan stabilan izotop arsena - 75As. Među vještačkim radioaktivnim izotopima izdvaja se 76Kao sa poluživotom od 26,4 sata. Arsen-72, -74 i -76 se koriste u medicinskoj dijagnostici.
Industrijska proizvodnja i primjena
Metalni arsen se dobija zagrevanjem arsenopirita na 650-700 °C bez vazduha. Ako se arsenopirit i druge metalne rude zagrevaju kiseonikom, tada As lako ulazi u kombinaciju sa njim, formirajući lako sublimirani As4O6, takođe poznat kao beloarsenik“. Oksidna para se sakuplja i kondenzuje, a kasnije se pročišćava ponovnom sublimacijom. Većina As se proizvodi redukcijom ugljika iz tako dobivenog bijelog arsena.
Svjetska potrošnja metalnog arsena je relativno mala - samo nekoliko stotina tona godišnje. Većina onoga što se konzumira dolazi iz Švedske. Koristi se u metalurgiji zbog svojih metaloidnih svojstava. U proizvodnji olovne sačme koristi se oko 1% arsena, jer poboljšava zaobljenost rastopljene kapi. Svojstva legura za ležajeve na bazi olova poboljšavaju se i termički i mehanički kada sadrže oko 3% arsena. Prisustvo male količine ovog hemijskog elementa u olovnim legurama očvršćava ih za upotrebu u baterijama i oklopu kablova. Male nečistoće arsena povećavaju otpornost na koroziju i termička svojstva bakra i mesinga. U svom čistom obliku, hemijski elementarni As se koristi za bronzanje i pirotehniku. Visoko pročišćeni arsen nalazi upotrebu u tehnologiji poluprovodnika, gdje se koristi sa silicijumom i germanijumom, te u obliku galij arsenida (GaAs) u diodama, laserima i tranzistorima.
Veze kao
Budući da je valencija arsena 3 i 5, i da ima niz oksidacionih stanja od -3 do +5, element može formirati različite vrste jedinjenja. Najvažniji komercijalno su njegovi oksidi, čiji su glavni oblici As4O6 iKao2O5. Arsenov oksid, poznatiji kao bijeli arsen, nusproizvod je prženja ruda bakra, olova i nekih drugih metala, kao i ruda arsenopirita i sulfida. To je početni materijal za većinu drugih spojeva. Osim toga, koristi se u pesticidima, kao sredstvo za izbjeljivanje u proizvodnji stakla i kao konzervans za kože. Arsenov pentoksid nastaje djelovanjem oksidacijskog sredstva (npr. dušične kiseline) na bijeli arsen. Glavni je sastojak insekticida, herbicida i ljepila za metal.
Arsine (AsH3), bezbojni otrovni gas sastavljen od arsena i vodonika, je još jedna poznata supstanca. Supstanca, također nazvana arsenov vodonik, dobiva se hidrolizom metalnih arsenida i redukcijom metala iz spojeva arsena u kiselim otopinama. Našao je upotrebu kao dopant u poluvodičima i kao vojni otrovni plin. U poljoprivredi, arsenska kiselina (H3AsO4), olovni arsenat (PbHAsO44 4 ) i kalcijum arsenat [Ca3(AsO4)2
], koji se koriste za sterilizaciju tla i kontrolu štetočina.
Arsen je hemijski element koji formira mnoga organska jedinjenja. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 se, na primjer, koristi u pripremi široko rasprostranjenog sredstva za sušenje (desikant) - kakodilne kiseline. Složena organska jedinjenja elementa koriste se u liječenju određenih bolesti, na primjer, amebne dizenterije,uzrokovano mikroorganizmima.
Fizička svojstva
Šta je arsen u smislu njegovih fizičkih svojstava? U svom najstabilnijem stanju, to je krhka, čelično siva čvrsta supstanca sa niskom toplotnom i električnom provodljivošću. Iako su neki oblici As slični metalu, klasificiranje ga kao nemetala je preciznija karakterizacija arsena. Postoje i druge vrste arsena, ali nisu dobro proučene, posebno žuti metastabilni oblik, koji se sastoji od As4 molekula, sličnih bijelom fosforu P4. Arsen sublimira na 613 °C i postoji kao para kao As4 molekuli koji se ne disociraju do oko 800 °C. Potpuna disocijacija na As2 molekule se dešava na 1700 °C.
Struktura atoma i sposobnost formiranja veza
Elektronska formula arsena je 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 - podsjeća na dušik i fosfor po tome što ima pet elektrona u vanjskoj ljusci, ali se razlikuje od njih po tome što u pretposljednjoj ljusci ima 18 elektrona umjesto dva ili osam. Dodavanje 10 pozitivnih naboja u jezgru dok se popunjava pet 3d orbitala često uzrokuje ukupno smanjenje elektronskog oblaka i povećanje elektronegativnosti elemenata. Arsen u periodnom sistemu može se uporediti sa drugim grupama koje jasno pokazuju ovaj obrazac. Na primjer, općenito je prihvaćeno da je cinkelektronegativniji od magnezijuma i galija od aluminijuma. Međutim, u sljedećim grupama, ova razlika se sužava i mnogi se ne slažu da je germanij elektronegativniji od silicija, uprkos obilju kemijskih dokaza. Sličan prijelaz sa ljuske od 8 u 18 elemenata iz fosfora u arsen može povećati elektronegativnost, ali to ostaje kontroverzno.
Sličnost spoljašnje ljuske As i P sugeriše da oni mogu formirati 3 kovalentne veze po atomu u prisustvu dodatnog nevezanog para elektrona. Oksidacijsko stanje stoga mora biti +3 ili -3, u zavisnosti od relativne međusobne elektronegativnosti. Struktura arsena također govori o mogućnosti korištenja vanjske d-orbitale za proširenje okteta, što omogućava elementu da formira 5 veza. Ostvaruje se samo reakcijom sa fluorom. Prisustvo slobodnog para elektrona za formiranje kompleksnih jedinjenja (kroz donaciju elektrona) u atomu As je mnogo manje izraženo nego u fosforu i azotu.
Arsen je stabilan na suvom vazduhu, ali na vlažnom se prekriva crnim oksidom. Njegova para lako gori, formirajući As2O3. Šta je slobodni arsen? Na njega praktički ne utječu voda, baze i neoksidirajuće kiseline, ali ga dušična kiselina oksidira do +5. Halogeni, sumpor reaguju sa arsenom, a mnogi metali formiraju arsenide.
Analitička hemija
Supstanca arsen se može kvalitativno detektovati kao žuti orpiment koji se taloži pod uticajem 25%rastvor hlorovodonične kiseline. Tragovi As se općenito određuju pretvaranjem u arsin, što se može otkriti korištenjem Marshovog testa. Arsin se termički raspada, formirajući crno ogledalo od arsena unutar uske cijevi. Prema Gutzeit metodi, sonda impregnirana živinim hloridom, pod uticajem arsina, potamni usled oslobađanja žive.
Toksikološke karakteristike arsena
Toksičnost elementa i njegovih derivata varira u širokom rasponu, od izuzetno otrovnog arsina i njegovih organskih derivata do jednostavnog As, koji je relativno inertan. Upotreba njegovih organskih jedinjenja kao hemijskih ratnih agenasa (luizit), vezikanata i defolijansa (Agent Blue na bazi vodene mešavine 5% kakodilne kiseline i 26% njene natrijumove soli) govori nam šta je arsen.
Uglavnom, derivati ovog hemijskog elementa iritiraju kožu i uzrokuju dermatitis. Preporučuje se i zaštita od udisanja od prašine koja sadrži arsen, ali većina trovanja se javlja kada se ona proguta. Maksimalna dozvoljena koncentracija As u prašini za osmočasovni radni dan je 0,5 mg/m3. Za arsin, doza se smanjuje na 0,05 ppm. Pored upotrebe jedinjenja ovog hemijskog elementa kao herbicida i pesticida, upotreba arsena u farmakologiji omogućila je dobijanje salvarsana, prvog uspešnog leka protiv sifilisa.
Zdravstveni efekti
Arsen je jedan od najotrovnijih elemenata. Neorganska jedinjenja date hemikalijeSupstance se prirodno javljaju u malim količinama. Ljudi mogu biti izloženi arsenu kroz hranu, vodu i zrak. Do izlaganja može doći i kontaktom kože sa kontaminiranom zemljom ili vodom.
Sadržaj arsena u hrani je prilično nizak. Međutim, nivoi ribe i morskih plodova mogu biti veoma visoki jer apsorbuju hemikalije iz vode u kojoj žive. Značajne količine anorganskog arsena u ribi mogu predstavljati rizik za ljudsko zdravlje.
Ljudi koji rade sa supstancom, žive u kućama izgrađenim od drveta tretiranog njome, i na poljoprivrednom zemljištu gde su se u prošlosti koristili pesticidi takođe su izloženi supstanci.
Neorganski arsen može uzrokovati različite zdravstvene efekte kod ljudi, kao što su iritacija želuca i crijeva, smanjena proizvodnja crvenih i bijelih krvnih zrnaca, promjene na koži i iritacija pluća. Vjeruje se da uzimanje značajnih količina ove supstance može povećati šanse za razvoj raka, posebno raka kože, pluća, jetre i limfnog sistema.
Veoma visoke koncentracije anorganskog arsena uzrokuju neplodnost i pobačaj kod žena, dermatitis, smanjenu otpornost na infekcije, probleme sa srcem i oštećenje mozga. Osim toga, ovaj hemijski element može oštetiti DNK.
Smrtonosna doza bijelog arsena je 100 mg.
Organska jedinjenja elementa ne uzrokuju rak ili oštećenje genetskog koda, ali visoke doze moguuzrokovati štetu ljudskom zdravlju, kao što je izazivanje nervnih poremećaja ili bolova u trbuhu.
Properties As
Glavna hemijska i fizička svojstva arsena su sljedeća:
- Atomski broj - 33.
- Atomska težina je 74,9216.
- Tačka topljenja sive kalupa je 814 °C pri pritisku od 36 atmosfera.
- Siva gustina 5,73g/cm3 na 14°C.
- Gustina žute plijesni 2,03 g/cm3 na 18°C.
- Elektronska formula arsena je 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Oksidacija – -3, +3, +5.
- Valencija arsena je 3, 5.
