Arsen je kemijski element skupine dušika (skupina 15 periodnog sustava). Ovo je krhka tvar (α-arsen) siva s metalnim sjajem s 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 oblici As pretvaraju se u crni arsen.
Povijest otkrića
Arsen je bio poznat mnogo prije nego što je prepoznat kao kemijski element. U IV stoljeću. PRIJE KRISTA e. Aristotel je spomenuo tvar zvanu sandarak, za koju se danas vjeruje da je realgar, ili arsenov sulfid. I u 1. stoljeću n.e. e. pisci Plinije Stariji i Pedanije Dioskorid opisali su orpiment - boju As2S3. U XI stoljeću. n. e. razlikuju se tri varijante "arsena": bijela (Kao4O6), žuta (Kao2 S 3) i crveno (Kao4S4). Sam element vjerojatno je prvi izolirao u 13. stoljeću Albert Veliki, koji je primijetio pojavu tvari nalik metalu kada je arsenicum, drugo ime As2S3 , zagrijano je sapunom. No, nema sigurnosti da je ovaj prirodoslovac primio čisti arsen. Prvi autentični dokazi o izolaciji čistog kemijskog elementaiz 1649. godine. Njemački ljekarnik Johann Schroeder pripremio je arsen zagrijavanjem njegovog oksida u prisutnosti ugljena. Kasnije je Nicolas Lemery, francuski liječnik i kemičar, promatrao stvaranje ovog kemijskog elementa zagrijavanjem mješavine njegovog oksida, sapuna i potaše. Početkom 18. stoljeća 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 ispustiti 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 zrak ispusti oko 3 tisuće tona arsena, mikroorganizmi tvore 20 tisuća tona hlapljivog metilarsina godišnje, a kao rezultat sagorijevanja fosilnih goriva, u istom razdoblju ispusti se 80 tisuća tona.
Unatoč činjenici da je As smrtonosni otrov, važan je dio prehrane nekih životinja, a možda i ljudi, iako potrebna doza ne prelazi 0,01 mg/dan.
Arsen je izuzetno teško pretvoriti u vodotopivo ili hlapljivo 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 s kojom se širi razlog je zašto onečišćenje arsenom postaje sve veći problem. Uslijed ljudskih aktivnosti, uglavnom rudarenjem i topljenjem, migrira normalno nepomičan kemijski element, a sada se može naći ne samo mjestimičnonjegova prirodna koncentracija.
Količina arsena u zemljinoj kori je oko 5 g po toni. U svemiru se njegova koncentracija procjenjuje na 4 atoma na milijun atoma silicija. Ovaj element je široko rasprostranjen. Mala količina je prisutna u izvornom stanju. U pravilu se zajedno s metalima poput antimona i srebra nalaze formacije arsena čistoće od 90-98%. Većina je, međutim, uključena u sastav više od 150 različitih minerala - sulfida, arsenida, sulfoarsenida i arsenita. Arsenopirit FeAsS jedan je od najčešćih minerala koji sadrže As. Drugi uobičajeni spojevi arsena su minerali realgar As4S4, orpiment As2S 3, lellingite FeAs2 i enargit Cu3AsS4. Arsenov oksid je također čest. Većina ove tvari je nusproizvod taljenja ruda bakra, olova, kob alta i zlata.
U prirodi postoji samo jedan stabilan izotop arsena - 75As. Među umjetnim radioaktivnim izotopima ističe se 76Kao s poluživotom od 26,4 sata. Arsen-72, -74 i -76 se koriste u medicinskoj dijagnostici.
Industrijska proizvodnja i primjena
Metalni arsen se dobiva zagrijavanjem arsenopirita na 650-700 °C bez zraka. Ako se arsenopirit i druge metalne rude zagrijavaju kisikom, tada As lako ulazi u kombinaciju s njim, tvoreći lako sublimirani As4O6, također poznat kao "bijeliarsen". Oksidna para se skuplja i kondenzira, 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. Zbog svojih metaloidnih svojstava koristi se u metalurgiji. U proizvodnji olovne sačme koristi se oko 1% arsena, jer poboljšava zaobljenost rastaljene kapi. Svojstva legura za ležajeve na bazi olova poboljšavaju se i toplinski i mehanički kada sadrže oko 3% arsena. Prisutnost male količine ovog kemijskog elementa u olovnim legurama očvršćuje ih za upotrebu u baterijama i oklopu kabela. Male nečistoće arsena povećavaju otpornost na koroziju i toplinska svojstva bakra i mjedi. U svom čistom obliku, kemijski elementarni As koristi se za brončanu obradu i pirotehniku. Visoko pročišćeni arsen koristi se u poluvodičkoj tehnologiji, gdje se koristi sa silicijem i germanijem, te u obliku galij arsenida (GaAs) u diodama, laserima i tranzistorima.
Veze kao
Budući da je valencija arsena 3 i 5, a ima niz oksidacijskih stanja od -3 do +5, element može formirati različite vrste spojeva. Najvažniji komercijalno su njegovi oksidi, čiji su glavni oblici As4O6 iKao 2O5. Arsenov oksid, obično poznat kao bijeli arsen, nusproizvod je prženja ruda bakra, olova i nekih drugih metala, kao i arsenopirita i sulfidnih ruda. 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 plin sastavljen od arsena i vodika, je još jedna poznata tvar. Tvar, također nazvana arsenov vodik, 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 kalcijev arsenat [Ca3(AsO4)2
], koji se koriste za sterilizaciju tla i kontrolu štetočina.
Arsen je kemijski element koji tvori mnoge organske spojeve. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 , na primjer, koristi se u pripremi široko korištenog sredstva za sušenje (desikant) - kakodilne kiseline. Složeni organski spojevi elementa koriste se u liječenju određenih bolesti, na primjer, amebne dizenterije,uzrokovano mikroorganizmima.
Fizička svojstva
Što je arsen u smislu njegovih fizičkih svojstava? U svom najstabilnijem stanju, to je krhka, čelično siva krutina s niskom toplinskom i električnom vodljivošću. Iako su neki oblici Asa slični metalu, klasificiranje ga kao nemetala je točnija 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 molekule koje se ne disociraju do oko 800 °C. Potpuna disocijacija na As2 molekule događa se na 1700 °C.
Struktura atoma i sposobnost stvaranja 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 ima 18 elektrona u pretposljednjoj ljusci umjesto dva ili osam. Dodavanje 10 pozitivnih naboja u jezgri dok ispunjava pet 3d orbitala često uzrokuje ukupno smanjenje elektronskog oblaka i povećanje elektronegativnosti elemenata. Arsen u periodnom sustavu može se usporediti s drugim skupinama koje jasno pokazuju ovaj obrazac. Na primjer, opće je prihvaćeno da je cinkelektronegativniji od magnezija i galija od aluminija. Međutim, u sljedećim skupinama ta se razlika sužava i mnogi se ne slažu da je germanij elektronegativniji od silicija, unatoč obilju kemijskih dokaza. Sličan prijelaz iz ljuske od 8 u 18 elemenata iz fosfora u arsen može povećati elektronegativnost, ali to ostaje kontroverzno.
Sličnost vanjske ljuske As i P sugerira da oni mogu formirati 3 kovalentne veze po atomu u prisutnosti dodatnog nevezanog para elektrona. Oksidacijsko stanje stoga mora biti +3 ili -3, ovisno o relativnoj međusobnoj elektronegativnosti. Struktura arsena također govori o mogućnosti korištenja vanjske d-orbitale za proširenje okteta, što elementu omogućuje stvaranje 5 veza. Ostvaruje se samo reakcijom s fluorom. Prisutnost slobodnog para elektrona za stvaranje složenih spojeva (kroz donaciju elektrona) u atomu As je mnogo manje izražena nego u fosforu i dušiku.
Arsen je stabilan na suhom zraku, ali na vlažnom zraku postaje prekriven crnim oksidom. Njegova para lako gori, formirajući As2O3. Što je slobodni arsen? Na njega praktički ne utječu voda, lužine i neoksidirajuće kiseline, ali ga dušična kiselina oksidira do +5. Halogeni, sumpor reagiraju s arsenom, a mnogi metali stvaraju arsenide.
Analitička kemija
Tvar arsen može se kvalitativno detektirati kao žuti orpiment koji se taloži pod utjecajem 25%otopina klorovodične kiseline. Tragovi As se općenito određuju pretvaranjem u arsin, što se može otkriti Marshovim testom. Arsin se toplinski razgrađuje, stvarajući crno arsenovo zrcalo unutar uske cijevi. Prema Gutzeit metodi, sonda impregnirana živinim kloridom, pod utjecajem arsina, potamni zbog oslobađanja žive.
Toksikološke karakteristike arsena
Otrovnost elementa i njegovih derivata uvelike varira u širokom rasponu, od izrazito otrovnog arsina i njegovih organskih derivata do jednostavnog As, koji je relativno inertan. Korištenje njegovih organskih spojeva kao kemijskih bojnih sredstava (lewisite), vezikanata i defolijansa (Agent Blue na bazi vodene mješavine 5% kakodilne kiseline i 26% njezine natrijeve soli) govori nam što je arsen.
Općenito, derivati ovog kemijskog elementa iritiraju kožu i uzrokuju dermatitis. Preporuča se i zaštita od udisanja od prašine koja sadrži arsen, no većina trovanja se događa kada se ona proguta. Maksimalna dopuštena koncentracija As u prašini za osmosatni radni dan je 0,5 mg/m3. Za arsin, doza se smanjuje na 0,05 ppm. Uz korištenje spojeva ovog kemijskog elementa kao herbicida i pesticida, korištenje arsena u farmakologiji omogućilo je dobivanje salvarsana, prvog uspješnog lijeka protiv sifilisa.
Zdravstveni učinci
Arsen je jedan od najotrovnijih elemenata. Anorganski spojevi određene kemikalijeTvari se prirodno javljaju u malim količinama. Ljudi mogu biti izloženi arsenu kroz hranu, vodu i zrak. Do izlaganja može doći i kontaktom kože s kontaminiranom zemljom ili vodom.
Sadržaj arsena u hrani je prilično nizak. Međutim, razine u ribi i morskim plodovima mogu biti vrlo visoke jer apsorbiraju kemikalije iz vode u kojoj žive. Značajne količine anorganskog arsena u ribi mogu predstavljati rizik za ljudsko zdravlje.
Ljudi koji rade s supstancom, žive u kućama izgrađenim od drveta tretiranog njome, te na poljoprivrednim zemljištima gdje su se u prošlosti koristili pesticidi također su izloženi tvari.
Anorganski arsen može uzrokovati različite zdravstvene učinke kod ljudi, kao što su iritacija želuca i crijeva, smanjena proizvodnja crvenih i bijelih krvnih stanica, promjene na koži i iritacija pluća. Vjeruje se da unos značajnih količina ove tvari može povećati šanse za razvoj raka, posebno raka kože, pluća, jetre i limfnog sustava.
Vrlo visoke koncentracije anorganskog arsena uzrokuju neplodnost i pobačaj kod žena, dermatitis, smanjenu otpornost na infekcije, probleme sa srcem i oštećenje mozga. Osim toga, ovaj kemijski element može oštetiti DNK.
Smrtonosna doza bijelog arsena je 100 mg.
Organski spojevi elementa ne uzrokuju rak ili oštećenje genetskog koda, ali visoke doze moguuzrokovati štetu ljudskom zdravlju, kao što je izazivanje živčanih poremećaja ili bolova u trbuhu.
Properties As
Glavna kemijska i fizička svojstva arsena su sljedeća:
- Atomski broj - 33.
- Atomska težina je 74,9216.
- Točka topljenja sive plijesni je 814 °C pri tlaku od 36 atmosfera.
- Gustoća sive 5,73g/cm3 na 14°C.
- Gustoća žute plijesni 2,03 g/cm3 na 18°C.
- Elektronska formula arsena je 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Oksidacijska stanja – -3, +3, +5.
- Valencija arsena je 3, 5.
