Arsēns ir slāpekļa grupas ķīmiskais elements (periodiskās tabulas 15. grupa). Šī ir trausla viela (α-arsēns) pelēka ar metālisku spīdumu ar romboedrisku kristāla režģi. Sildot līdz 600°C, Sublimējas. Kad tvaiki ir atdzesēti, parādās jauna modifikācija - dzeltenais arsēns. Virs 270°C visas As formas pārvēršas melnajā arsēnā.
Atklājumu vēsture
Arsēns bija zināms ilgi pirms to atzina par ķīmisko elementu. IV gadsimtā. BC e. Aristotelis pieminēja vielu, ko sauc par sandaraku, kas tagad tiek uzskatīts par realgaru jeb arsēna sulfīdu. Un 1. gadsimtā p.m.ē. e. rakstnieki Plīnijs Vecākais un Pedanius Dioscorides aprakstīja orpimentu - krāsvielu As2S3. XI gadsimtā. n. e. tika izdalītas trīs "arsēna" šķirnes: b altā (As4O6), dzeltenā (As2 S 3) un sarkanā krāsā (As4S4). Pašu elementu, iespējams, pirmo reizi izolēja 13. gadsimtā Alberts Lielais, kurš atzīmēja metālam līdzīgas vielas parādīšanos, kad arsēns, cits nosaukums As2S3 , tika uzkarsēts ar ziepēm. Bet nav pārliecības, ka šis dabaszinātnieks saņēma tīru arsēnu. Pirmā autentiskā liecība par tīra ķīmiskā elementa izolācijudatēts ar 1649. gadu. Vācu farmaceits Johans Šrēders sagatavoja arsēnu, karsējot tā oksīdu ogļu klātbūtnē. Vēlāk franču ārsts un ķīmiķis Nikolass Lemērijs novēroja šī ķīmiskā elementa veidošanos, karsējot tā oksīda, ziepju un potaša maisījumu. 18. gadsimta sākumā arsēns jau bija pazīstams kā unikāls pusmetāls.
Izplatība
Zemes garozā arsēna koncentrācija ir zema un sasniedz 1,5 ppm. Tas rodas augsnē un minerālos, un vēja un ūdens erozijas rezultātā var tikt izlaists gaisā, ūdenī un augsnē. Turklāt elements nonāk atmosfērā no citiem avotiem. Vulkānu izvirdumu rezultātā gaisā izdalās aptuveni 3 tūkstoši tonnu arsēna gadā, mikroorganismi veido 20 tūkstošus tonnu gaistošā metilarsīna gadā, bet fosilā kurināmā sadedzināšanas rezultātā tajā pašā laika posmā izdalās 80 tūkstoši tonnu..
Neskatoties uz to, ka As ir nāvējoša inde, tā ir svarīga dažu dzīvnieku un, iespējams, arī cilvēku uztura sastāvdaļa, lai gan nepieciešamā deva nepārsniedz 0,01 mg dienā.
Arsēnu ir ārkārtīgi grūti pārvērst ūdenī šķīstošā vai gaistošā stāvoklī. Tas, ka tas ir diezgan mobils, nozīmē, ka lielas vielas koncentrācijas nevar parādīties nevienā vietā. No vienas puses, tas ir labi, bet, no otras puses, tā izplatīšanās vieglums ir iemesls, kāpēc arsēna piesārņojums kļūst par pieaugošu problēmu. Cilvēku darbības rezultātā, galvenokārt ieguves un kausēšanas rezultātā, migrē parasti nekustīgs ķīmiskais elements, un tagad to var atrast ne tikai vietāmtā dabiskā koncentrācija.
Arsēna daudzums zemes garozā ir aptuveni 5 g uz tonnu. Kosmosā tā koncentrācija tiek lēsta 4 atomi uz miljonu silīcija atomu. Šis elements ir plaši izplatīts. Neliels daudzums atrodas dzimtajā valstī. Parasti arsēna veidojumi ar tīrību 90–98% tiek atrasti kopā ar tādiem metāliem kā antimons un sudrabs. Lielākā daļa tomēr ir iekļauta vairāk nekā 150 dažādu minerālu - sulfīdu, arsenīdu, sulfoarsenīdu un arsenītu sastāvā. Arsenopirīts FeAsS ir viens no visizplatītākajiem minerāliem, kas satur As. Citi izplatīti arsēna savienojumi ir reālgāra minerāli As4S4, orpiment As2S 3, lellingīts FeAs2 un enargīts Cu3AsS4. Arsēna oksīds ir arī izplatīts. Lielākā daļa šīs vielas ir vara, svina, kob alta un zelta rūdu kausēšanas blakusprodukts.
Dabā ir tikai viens stabils arsēna izotops - 75As. Mākslīgo radioaktīvo izotopu vidū izceļas 76Kā ar pussabrukšanas periodu 26,4 stundas. Arsēnu-72, -74 un -76 izmanto medicīniskajā diagnostikā.
Rūpnieciskā ražošana un pielietojums
Metāla arsēnu iegūst, karsējot arsenopirītu līdz 650-700 °C bez gaisa. Ja arsenopirītu un citas metāliskas rūdas karsē ar skābekli, tad As viegli savienojas ar to, veidojot viegli sublimējamu As4O6, zināms arī kā "b altsarsēns". Oksīda tvaikus savāc un kondensē, un vēlāk attīra ar atkārtotu sublimāciju. Lielāko daļu As iegūst, reducējot oglekli no šādi iegūtā b altā arsēna.
Metāliskā arsēna patēriņš pasaulē ir salīdzinoši neliels – tikai daži simti tonnu gadā. Lielākā daļa patērētā nāk no Zviedrijas. To izmanto metalurģijā tā metaloīdu īpašību dēļ. Svina skrošu ražošanā tiek izmantots aptuveni 1% arsēna, jo tas uzlabo izkausētā piliena apaļumu. Svinu saturošu gultņu sakausējumu īpašības uzlabojas gan termiski, gan mehāniski, ja tie satur aptuveni 3% arsēna. Neliela šī ķīmiskā elementa klātbūtne svina sakausējumos tos sacietē izmantošanai akumulatoros un kabeļu bruņās. Nelieli arsēna piemaisījumi palielina vara un misiņa izturību pret koroziju un termiskās īpašības. Tīrā veidā ķīmiskais elements As tiek izmantots bronzas apšuvumam un pirotehnikā. Augsti attīrīts arsēns tiek izmantots pusvadītāju tehnoloģijās, kur to izmanto kopā ar silīciju un germāniju, kā arī gallija arsenīda (GaAs) veidā diodēs, lāzeros un tranzistoros.
Savienojumi kā
Tā kā arsēna valence ir 3 un 5 un tam ir vairāki oksidācijas stāvokļi no -3 līdz +5, elements var veidot dažāda veida savienojumus. Komerciāli vissvarīgākie ir tā oksīdi, kuru galvenās formas ir As4O6 unKā2O5. Arsēna oksīds, ko parasti sauc par b alto arsēnu, ir vara, svina un dažu citu metālu, kā arī arsenopirīta un sulfīdu rūdu apdedzināšanas blakusprodukts. Tas ir izejmateriāls lielākajai daļai citu savienojumu. Turklāt to izmanto pesticīdos, kā balinātāju stikla ražošanā un kā ādas konservantu. Arsēna pentoksīds veidojas oksidētāja (piemēram, slāpekļskābes) iedarbības rezultātā uz b alto arsēnu. Tā ir galvenā sastāvdaļa insekticīdos, herbicīdos un metālu līmēs.
Arsīns (AsH3), bezkrāsaina indīga gāze, kas sastāv no arsēna un ūdeņraža, ir vēl viena zināma viela. Vielu, ko sauc arī par arsēna ūdeņradi, iegūst, hidrolizējot metālu arsenīdus un reducējot metālus no arsēna savienojumiem skābes šķīdumos. Tas ir izmantots kā palīgviela pusvadītājos un kā militāra indīga gāze. Lauksaimniecībā arsēnskābe (H3AsO4), svina arsenāts (PbHAsO44 4 ) un kalcija arsenāts [Ca3(AsO4)2
], ko izmanto augsnes sterilizēšanai un kaitēkļu apkarošanai.
Arsēns ir ķīmisks elements, kas veido daudzus organiskus savienojumus. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 , piemēram, izmanto plaši lietota žāvēšanas līdzekļa (desikantu) - kakodilskābes - pagatavošanā. Elementa kompleksos organiskos savienojumus izmanto noteiktu slimību ārstēšanā, piemēram, amēbiskās dizentērijas,ko izraisa mikroorganismi.
Fizikālās īpašības
Kas ir arsēns pēc tā fizikālajām īpašībām? Visstabilākajā stāvoklī tā ir trausla, tēraudi pelēka cieta viela ar zemu siltuma un elektrisko vadītspēju. Lai gan dažas As formas ir līdzīgas metālam, klasificējot to kā nemetālu, ir precīzāks arsēna raksturojums. Ir arī citi arsēna veidi, taču tie nav pietiekami izpētīti, jo īpaši dzeltenā metastabilā forma, kas sastāv no As4 molekulām, kas ir līdzīgas b altajam fosforam P4. Arsēns sublimējas 613 °C temperatūrā un pastāv kā tvaiks kā As4 molekulas, kas nedisociējas līdz aptuveni 800 °C. Pilnīga disociācija As2 molekulās notiek 1700 °C temperatūrā.
Atoma struktūra un spēja veidot saites
Arsēna elektroniskā formula ir 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 - atgādina slāpekli un fosforu ar to, ka tā ārējā apvalkā ir pieci elektroni, taču tas atšķiras no tiem ar to, ka priekšpēdējā apvalkā ir 18 elektroni, nevis divi vai astoņi. 10 pozitīvu lādiņu pievienošana kodolā, piepildot piecas 3D orbitāles, bieži izraisa vispārēju elektronu mākoņa samazināšanos un elementu elektronegativitātes palielināšanos. Arsēnu periodiskajā tabulā var salīdzināt ar citām grupām, kas skaidri parāda šo modeli. Piemēram, ir vispāratzīts, ka cinks irelektronnegatīvāks par magniju un gallijs nekā alumīnijs. Tomēr nākamajās grupās šī atšķirība samazinās, un daudzi nepiekrīt, ka germānija ir vairāk elektronegatīva nekā silīcijs, neskatoties uz ķīmisko pierādījumu pārpilnību. Līdzīga pāreja no 8 elementu apvalka uz 18 elementiem no fosfora uz arsēnu var palielināt elektronegativitāti, taču tas joprojām ir pretrunīgs.
As un P ārējā apvalka līdzība liecina, ka tie var veidot 3 kovalentās saites uz katru atomu papildu nesaistīta elektronu pāra klātbūtnē. Tāpēc oksidācijas pakāpei jābūt +3 vai -3 atkarībā no relatīvās savstarpējās elektronegativitātes. Arsēna struktūra runā arī par iespēju izmantot ārējo d-orbitāli, lai paplašinātu oktetu, kas ļauj elementam izveidot 5 saites. To realizē tikai reakcijā ar fluoru. Brīvā elektronu pāra klātbūtne kompleksu savienojumu veidošanai (ar elektronu ziedošanu) As atomā ir daudz mazāk izteikta nekā fosforā un slāpeklī.
Arsēns ir stabils sausā gaisā, bet slapjā gaisā pārklājas ar melnu oksīdu. Tā tvaiki viegli sadedzina, veidojot As2O3. Kas ir brīvais arsēns? To praktiski neietekmē ūdens, sārmi un neoksidējošās skābes, bet slāpekļskābe to oksidē līdz stāvoklim +5. Halogēni, sērs reaģē ar arsēnu, un daudzi metāli veido arsenīdus.
Analītiskā ķīmija
Vielu arsēnu var kvalitatīvi noteikt kā dzeltenu orpimentu, kas izgulsnējas 25% ietekmē.sālsskābes šķīdums. As pēdas parasti nosaka, pārvēršot to arsīnā, ko var noteikt, izmantojot Marsh testu. Arsīns termiski sadalās, šauras caurules iekšpusē veidojot melnu arsēna spoguli. Saskaņā ar Guceita metodi ar dzīvsudraba hlorīdu piesūcināta zonde arsīna ietekmē kļūst tumšāka dzīvsudraba izdalīšanās dēļ.
Arsēna toksikoloģiskās īpašības
Elementa un tā atvasinājumu toksicitāte ir ļoti atšķirīga plašā diapazonā, sākot no ārkārtīgi indīgā arsīna un tā organiskajiem atvasinājumiem līdz vienkārši As, kas ir salīdzinoši inerta. Tā organisko savienojumu izmantošana kā ķīmiskās kaujas vielas (lewisīts), pūslīši un defoliantu (aģents Blue, kura pamatā ir 5% kakodilskābes un 26% tā nātrija sāls ūdens maisījums) parāda, kas ir arsēns.
Kopumā šī ķīmiskā elementa atvasinājumi kairina ādu un izraisa dermatītu. Ieteicama arī ieelpošanas aizsardzība pret arsēnu saturošiem putekļiem, taču lielākā daļa saindēšanās notiek, kad tie tiek norīti. Maksimālā pieļaujamā As koncentrācija putekļos astoņu stundu darba dienā ir 0,5 mg/m3. Arsīnam devu samazina līdz 0,05 ppm. Papildus šī ķīmiskā elementa savienojumu izmantošanai kā herbicīdiem un pesticīdiem, arsēna izmantošana farmakoloģijā ļāva iegūt salvarsānu, pirmo veiksmīgo medikamentu pret sifilisu.
Ietekme uz veselību
Arsēns ir viens no toksiskākajiem elementiem. Dotās ķīmiskās vielas neorganiskie savienojumiVielas dabā sastopamas nelielos daudzumos. Cilvēki var tikt pakļauti arsēna iedarbībai ar pārtiku, ūdeni un gaisu. Iedarbība var notikt arī, saskaroties ar ādu ar piesārņotu augsni vai ūdeni.
Arsēna saturs pārtikā ir diezgan zems. Tomēr līmenis zivīs un jūras veltēs var būt ļoti augsts, jo tie absorbē ķīmisko vielu no ūdens, kurā tie dzīvo. Ievērojams neorganiskā arsēna daudzums zivīs var apdraudēt cilvēku veselību.
Šai vielai ir pakļauti arī cilvēki, kuri strādā ar vielu, dzīvo mājās, kas celtas no ar to apstrādāta koka, kā arī lauksaimniecības zemēs, kur agrāk ir izmantoti pesticīdi.
Neorganiskais arsēns var izraisīt dažādu ietekmi uz cilvēku veselību, piemēram, kuņģa un zarnu kairinājumu, samazinātu sarkano un b alto asins šūnu veidošanos, ādas izmaiņas un plaušu kairinājumu. Tiek uzskatīts, ka, uzņemot ievērojamu daudzumu šīs vielas, var palielināties iespēja saslimt ar vēzi, īpaši ādas, plaušu, aknu un limfātiskās sistēmas vēzi.
Ļoti augsta neorganiskā arsēna koncentrācija izraisa neauglību un spontāno abortu sievietēm, dermatītu, samazina izturību pret infekcijām, sirds problēmas un smadzeņu bojājumus. Turklāt šis ķīmiskais elements var bojāt DNS.
Nāvējošā b altā arsēna deva ir 100 mg.
Elementa organiskie savienojumi neizraisa vēzi vai ģenētiskā koda bojājumus, taču lielas devas varnodarīt kaitējumu cilvēka veselībai, piemēram, izraisīt nervu traucējumus vai sāpes vēderā.
Properties As
Arsēna galvenās ķīmiskās un fizikālās īpašības ir šādas:
- Atomskaitlis - 33.
- Atomu svars ir 74,9216.
- Pelēkās veidnes kušanas temperatūra ir 814 °C pie 36 atmosfēru spiediena.
- Pelēkais blīvums 5,73g/cm3 pie 14°C.
- Dzeltenās pelējuma blīvums 2,03 g/cm3 pie 18°C.
- Arsēna elektroniskā formula ir 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Oksidācijas stāvokļi – -3, +3, +5.
- Arsēna valence ir 3, 5.
