Arsen ist ein chemisches Element der Stickstoffgruppe (Gruppe 15 des Periodensystems). Dies ist eine spröde Substanz (α-Arsen), grau mit metallischem Glanz mit einem rhomboedrischen Kristallgitter. Beim Erhitzen auf 600°C sublimiert As. Wenn der Dampf abgekühlt wird, erscheint eine neue Modifikation - gelbes Arsen. Oberhalb von 270 °C verwandeln sich alle As-Formen in schwarzes Arsen.
Discovery-Verlauf
Arsen war schon lange bekannt, bevor es als chemisches Element erkannt wurde. Im IV Jahrhundert. BC e. Aristoteles erwähnte eine Substanz namens Sandarak, von der heute angenommen wird, dass sie Realgar oder Arsensulfid ist. Und im 1. Jahrhundert n. Chr. e. die Schriftsteller Plinius der Ältere und Pedanius Dioscorides beschrieben Orpiment - den Farbstoff As2S3. Im XI Jahrhundert. n. e. drei Arten von "Arsen" wurden unterschieden: weiß (As4O6), gelb (As2 S 3) und rot (As4S4). Das Element selbst wurde wahrscheinlich erstmals im 13. Jahrhundert von Albert dem Großen isoliert, der das Auftreten einer metallähnlichen Substanz beim Arsen bemerkte, ein anderer Name As2S3 , wurde mit Seife erhitzt. Aber es gibt keine Gewissheit, dass dieser Naturforscher reines Arsen erh alten hat. Der erste authentische Beweis für die Isolierung eines reinen chemischen Elementsdatiert 1649. Der deutsche Apotheker Johann Schroeder stellte Arsen her, indem er sein Oxid in Gegenwart von Kohle erhitzte. Später beobachtete Nicolas Lemery, ein französischer Arzt und Chemiker, die Bildung dieses chemischen Elements durch Erhitzen einer Mischung aus Oxid, Seife und Pottasche. Bereits zu Beginn des 18. Jahrhunderts war Arsen als einzigartiges Halbmetall bekannt.
Prävalenz
In der Erdkruste ist die Konzentration von Arsen gering und beträgt 1,5 ppm. Es kommt in Böden und Mineralien vor und kann durch Wind und Wassererosion in Luft, Wasser und Boden freigesetzt werden. Darüber hinaus gelangt das Element aus anderen Quellen in die Atmosphäre. Durch Vulkanausbrüche werden jährlich etwa 3.000 Tonnen Arsen in die Luft freigesetzt, Mikroorganismen bilden jährlich 20.000 Tonnen flüchtiges Methylarsin und durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe werden im gleichen Zeitraum 80.000 Tonnen freigesetzt.
Trotz der Tatsache, dass As ein tödliches Gift ist, ist es ein wichtiger Bestandteil der Ernährung einiger Tiere und möglicherweise Menschen, obwohl die erforderliche Dosis 0,01 mg / Tag nicht überschreitet.
Arsen lässt sich nur sehr schwer in einen wasserlöslichen oder flüchtigen Zustand überführen. Die Tatsache, dass es ziemlich mobil ist, bedeutet, dass große Konzentrationen der Substanz an einem Ort nicht auftreten können. Das ist einerseits gut, andererseits ist die Ausbreitung durch Arsen der Grund dafür, dass die Belastung durch Arsen immer mehr zum Problem wird. Aufgrund menschlicher Aktivitäten, hauptsächlich durch Bergbau und Verhüttung, wandert ein normalerweise unbewegliches chemisches Element und ist jetzt nicht nur stellenweise zu findenseine natürliche Konzentration.
Die Menge an Arsen in der Erdkruste beträgt etwa 5 g pro Tonne. Im Weltraum wird seine Konzentration auf 4 Atome pro Million Siliziumatome geschätzt. Dieses Element ist weit verbreitet. Eine kleine Menge ist im nativen Zustand vorhanden. Arsenbildungen mit einer Reinheit von 90–98 % werden in der Regel zusammen mit Metallen wie Antimon und Silber gefunden. Das meiste davon ist jedoch in der Zusammensetzung von mehr als 150 verschiedenen Mineralien enth alten - Sulfide, Arsenide, Sulfoarsenide und Arsenite. Arsenopyrit FeAsS ist eines der häufigsten As-h altigen Mineralien. Andere übliche Arsenverbindungen sind Realgar-Minerale As4S4, Orpiment As2S 3, Lellingit FeAs2 und Enargit Cu3AsS4. Auch Arsenoxid ist weit verbreitet. Der größte Teil dieser Substanz ist ein Nebenprodukt der Verhüttung von Kupfer-, Blei-, Kob alt- und Golderzen.
In der Natur gibt es nur ein stabiles Arsenisotop - 75As. Unter den künstlichen radioaktiven Isotopen sticht 76As mit einer Halbwertszeit von 26,4 Stunden hervor. Arsen-72, -74 und -76 werden in der medizinischen Diagnostik verwendet.
Industrielle Produktion und Anwendung
Metallarsen wird durch Erhitzen von Arsenopyrit auf 650-700 °C ohne Luft gewonnen. Erhitzt man Arsenopyrit und andere metallische Erze mit Sauerstoff, so geht As leicht eine Verbindung mit ihm ein und bildet leicht sublimiertes As4O6, auch bekannt wie „weißArsen . Der Oxiddampf wird gesammelt und kondensiert und später durch Resublimation gereinigt. Das meiste As wird durch Kohlenstoffreduktion aus dem so erh altenen weißen Arsen hergestellt.
Der weltweite Verbrauch von metallischem Arsen ist relativ gering – nur wenige hundert Tonnen pro Jahr. Das meiste, was konsumiert wird, stammt aus Schweden. Aufgrund seiner metalloiden Eigenschaften wird es in der Metallurgie verwendet. Bei der Herstellung von Bleischrot wird etwa 1 % Arsen verwendet, da es die Rundheit des geschmolzenen Tropfens verbessert. Die Eigenschaften von Lagerlegierungen auf Bleibasis verbessern sich sowohl thermisch als auch mechanisch, wenn sie etwa 3 % Arsen enth alten. Das Vorhandensein einer geringen Menge dieses chemischen Elements in Bleilegierungen härtet sie für die Verwendung in Batterien und Kabelpanzerungen. Kleine Arsenverunreinigungen erhöhen die Korrosionsbeständigkeit und die thermischen Eigenschaften von Kupfer und Messing. In seiner reinen Form wird chemisches elementares As zum Verbronzen und in der Pyrotechnik verwendet. Hochreines Arsen findet Verwendung in der Halbleitertechnik, wo es mit Silizium und Germanium verwendet wird, sowie in Form von Galliumarsenid (GaAs) in Dioden, Lasern und Transistoren.
Verbindungen als
Da die Wertigkeit von Arsen 3 und 5 ist und es eine Reihe von Oxidationsstufen von -3 bis +5 hat, kann das Element verschiedene Arten von Verbindungen bilden. Kommerziell am wichtigsten sind seine Oxide, deren Hauptformen As4O6 und sindAs2O5. Arsenoxid, allgemein als weißes Arsen bekannt, ist ein Nebenprodukt der Röstung von Erzen aus Kupfer, Blei und einigen anderen Metallen sowie von Arsenopyrit- und Sulfiderzen. Es ist das Ausgangsmaterial für die meisten anderen Verbindungen. Darüber hinaus wird es in Pestiziden, als Bleichmittel in der Glasherstellung und als Konservierungsmittel für Leder verwendet. Arsenpentoxid entsteht durch Einwirkung eines Oxidationsmittels (z. B. Salpetersäure) auf weißes Arsen. Es ist der Hauptbestandteil von Insektiziden, Herbiziden und Metallklebstoffen.
Arsin (AsH3), ein farbloses Giftgas aus Arsen und Wasserstoff, ist eine weitere bekannte Substanz. Der Stoff, auch Arsenwasserstoff genannt, wird durch die Hydrolyse von Metallarseniden und die Reduktion von Metallen aus Arsenverbindungen in sauren Lösungen gewonnen. Es hat Verwendung als Dotierstoff in Halbleitern und als militärisches Giftgas gefunden. In der Landwirtschaft Arsensäure (H3AsO4), Bleiarsenat (PbHAsO44 4 ) und Calciumarsenat [Ca3(AsO4)2
], die zur Sterilisation von Erde und zur Schädlingsbekämpfung verwendet werden.
Arsen ist ein chemisches Element, das viele organische Verbindungen bildet. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 wird beispielsweise bei der Herstellung eines weit verbreiteten Trockenmittels (Trockenmittels) - Cacodylsäure - verwendet. Komplexe organische Verbindungen des Elements werden zur Behandlung bestimmter Krankheiten verwendet, zum Beispiel Amöbenruhr,durch Mikroorganismen verursacht.
Physikalische Eigenschaften
Was ist Arsen in Bezug auf seine physikalischen Eigenschaften? In seinem stabilsten Zustand ist es ein spröder, stahlgrauer Feststoff mit geringer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Obwohl einige Formen von As metallähnlich sind, ist die Klassifizierung als Nichtmetall eine genauere Charakterisierung von Arsen. Es gibt andere Arten von Arsen, aber sie sind nicht gut untersucht, insbesondere die gelbe metastabile Form, die aus As4-Molekülen besteht, ähnlich dem weißen Phosphor P4. Arsen sublimiert bei 613 °C und existiert als Dampf in Form von As4-Molekülen, die bis etwa 800 °C nicht dissoziieren. Vollständige Dissoziation in As2 Moleküle erfolgt bei 1700 °C.
Die Struktur des Atoms und die Fähigkeit, Bindungen zu bilden
Die elektronische Formel von Arsen ist 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 - ähnelt Stickstoff und Phosphor darin, dass es fünf Elektronen in der äußeren Schale hat, aber es unterscheidet sich von ihnen dadurch, dass es 18 Elektronen in der vorletzten Schale anstelle von zwei oder acht hat. Das Hinzufügen von 10 positiven Ladungen im Kern, während fünf 3d-Orbitale gefüllt werden, verursacht häufig eine allgemeine Abnahme der Elektronenwolke und eine Zunahme der Elektronegativität der Elemente. Arsen im Periodensystem kann mit anderen Gruppen verglichen werden, die dieses Muster deutlich zeigen. Zum Beispiel ist es allgemein anerkannt, dass Zink istelektronegativer als Magnesium und Gallium als Aluminium. In nachfolgenden Gruppen verringert sich dieser Unterschied jedoch, und viele sind sich trotz der Fülle chemischer Beweise nicht einig, dass Germanium elektronegativer ist als Silizium. Ein ähnlicher Übergang von der 8- zur 18-Elemente-Schale von Phosphor zu Arsen kann die Elektronegativität erhöhen, bleibt aber umstritten.
Die Ähnlichkeit der äußeren Hülle von As und P legt nahe, dass sie in Gegenwart eines zusätzlichen ungebundenen Elektronenpaars 3 kovalente Bindungen pro Atom bilden können. Die Oxidationsstufe muss daher +3 oder -3 sein, abhängig von der relativen gegenseitigen Elektronegativität. Die Struktur von Arsen spricht auch für die Möglichkeit, das äußere d-Orbital zur Erweiterung des Oktetts zu verwenden, wodurch das Element 5 Bindungen eingehen kann. Es wird nur durch Reaktion mit Fluor realisiert. Das Vorhandensein eines freien Elektronenpaares zur Bildung von Komplexverbindungen (durch Elektronenspende) ist im As-Atom viel weniger ausgeprägt als in Phosphor und Stickstoff.
Arsen ist in trockener Luft stabil, aber in feuchter Luft wird es mit schwarzem Oxid überzogen. Sein Dampf brennt leicht und bildet As2O3. Was ist freies Arsen? Es ist praktisch unempfindlich gegen Wasser, Laugen und nicht oxidierende Säuren, wird jedoch durch Salpetersäure auf einen Zustand von +5 oxidiert. Halogene, Schwefel reagieren mit Arsen und viele Metalle bilden Arsenide.
Analytische Chemie
Der Stoff Arsen ist qualitativ als gelbes Orpiment nachweisbar, das unter dem Einfluss von 25% ausfälltSalzsäurelösung. Spuren von As werden im Allgemeinen durch Umwandlung in Arsenwasserstoff bestimmt, der mit dem Marsh-Test nachgewiesen werden kann. Arsin zersetzt sich thermisch und bildet in einem engen Rohr einen schwarzen Arsenspiegel. Nach der Gutzeit-Methode verdunkelt sich eine mit Quecksilberchlorid imprägnierte Sonde unter dem Einfluss von Arsenwasserstoff durch die Freisetzung von Quecksilber.
Toxikologische Eigenschaften von Arsen
Die Toxizität des Elements und seiner Derivate variiert stark über einen weiten Bereich, von dem extrem giftigen Arsenwasserstoff und seinen organischen Derivaten bis hin zu einfachem As, das relativ inert ist. Die Verwendung seiner organischen Verbindungen als chemische Kampfstoffe (Lewisit), Vesicant und Defoliant (Agent Blue, basierend auf einer wässrigen Mischung aus 5 % Cacodylsäure und 26 % ihres Natriumsalzes) sagt uns, was Arsen ist.
Im Allgemeinen reizen Derivate dieses chemischen Elements die Haut und verursachen Dermatitis. Ein Atemschutz gegen arsenh altigen Staub wird ebenfalls empfohlen, die meisten Vergiftungen treten jedoch beim Verschlucken auf. Die maximal zulässige As-Konzentration im Staub für einen Achtstundentag beträgt 0,5 mg/m33. Für Arsin wird die Dosis auf 0,05 ppm reduziert. Neben der Verwendung von Verbindungen dieses chemischen Elements als Herbizide und Pestizide ermöglichte die Verwendung von Arsen in der Pharmakologie die Gewinnung von Salvarsan, dem ersten erfolgreichen Medikament gegen Syphilis.
Auswirkungen auf die Gesundheit
Arsen ist eines der giftigsten Elemente. Anorganische Verbindungen einer bestimmten ChemikalieStoffe kommen in der Natur in geringen Mengen vor. Menschen können Arsen durch Nahrung, Wasser und Luft ausgesetzt werden. Eine Exposition kann auch durch Hautkontakt mit kontaminiertem Boden oder Wasser erfolgen.
Der Geh alt an Arsen in Lebensmitteln ist ziemlich gering. Die Konzentrationen in Fisch und Meeresfrüchten können jedoch sehr hoch sein, da sie die Chemikalie aus dem Wasser aufnehmen, in dem sie leben. Erhebliche Mengen an anorganischem Arsen in Fischen können ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen.
Menschen, die mit dem Stoff arbeiten, in Häusern leben, die aus damit behandeltem Holz gebaut wurden, und auf landwirtschaftlichen Flächen, auf denen in der Vergangenheit Pestizide verwendet wurden, sind dem Stoff ebenfalls ausgesetzt.
Anorganisches Arsen kann beim Menschen verschiedene gesundheitliche Auswirkungen haben, wie z. B. Magen- und Darmreizungen, verminderte Produktion von roten und weißen Blutkörperchen, Hautveränderungen und Lungenreizungen. Es wird angenommen, dass die Einnahme erheblicher Mengen dieser Substanz die Wahrscheinlichkeit erhöhen kann, an Krebs zu erkranken, insbesondere an Haut-, Lungen-, Leber- und Lymphsystemkrebs.
Sehr hohe Konzentrationen von anorganischem Arsen verursachen Unfruchtbarkeit und Fehlgeburten bei Frauen, Dermatitis, verringerte Widerstandskraft gegen Infektionen, Herzprobleme und Hirnschäden. Außerdem kann dieses chemische Element die DNA schädigen.
Die tödliche Dosis von weißem Arsen beträgt 100 mg.
Organische Verbindungen des Elements verursachen keinen Krebs oder Schäden am genetischen Code, aber hohe Dosen können esdie menschliche Gesundheit schädigen, z. B. nervöse Störungen oder Bauchschmerzen.
Eigenschaften als
Die wichtigsten chemischen und physikalischen Eigenschaften von Arsen sind wie folgt:
- Ordnungszahl - 33.
- Atomgewicht ist 74,9216.
- Der Schmelzpunkt des Grauschimmels beträgt 814 °C bei einem Druck von 36 Atmosphären.
- Graudichte 5,73g/cm3 bei 14°C.
- Gelbschimmeldichte 2,03 g/cm3 bei 18°C.
- Die elektronische Formel von Arsen ist 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Oxidationszustände – -3, +3, +5.
- Arsen Wertigkeit ist 3, 5.
