Arseeni on typpiryhmän kemiallinen alkuaine (jaksollisen järjestelmän ryhmä 15). Tämä on hauras aine (α-arseeni) harmaa, jolla on metallinen kiilto romboedrisellä kidehilalla. Lämmitettynä 600°C:een sublimaattina. Kun höyry jäähdytetään, ilmestyy uusi modifikaatio - keltainen arseeni. Yli 270°C:ssa kaikki As-muodot muuttuvat mustaksi arseeniksi.
Löytöhistoria
Arseeni tunnettiin kauan ennen kuin se tunnistettiin kemialliseksi alkuaineeksi. IV vuosisadalla. eKr e. Aristoteles mainitsi aineen nimeltä sandarak, jonka uskotaan nykyään olevan realgar tai arseenisulfidi. Ja ensimmäisellä vuosisadalla jKr. e. kirjailijat Plinius vanhin ja Pedanius Dioscorides kuvasivat orpimenttia - väriainetta As2S3. XI vuosisadalla. n. e. "Arseenista" erotettiin kolme lajiketta: valkoinen (As4O6), keltainen (As2 S 3) ja punainen (As4S4). Itse alkuaineen eristi luultavasti ensimmäisen kerran 1200-luvulla Albert Suuri, joka havaitsi metallin k altaisen aineen ilmaantumisen, kun arseenia, toinen nimi As2S3 , lämmitettiin saippualla. Mutta ei ole varmuutta siitä, että tämä luonnontieteilijä sai puhdasta arseenia. Ensimmäinen aito todiste puhtaan kemiallisen alkuaineen eristämisestäpäivätty 1649. Saksalainen farmaseutti Johann Schroeder valmisti arseenia kuumentamalla sen oksidia hiilen läsnäollessa. Myöhemmin Nicolas Lemery, ranskalainen lääkäri ja kemisti, havaitsi tämän kemiallisen alkuaineen muodostumisen kuumentamalla sen oksidin, saippuan ja potaskan seosta. 1700-luvun alussa arseeni tunnettiin jo ainutlaatuisena puolimetallina.
Esiintyvyys
Maankuoressa arseenin pitoisuus on alhainen ja on 1,5 ppm. Sitä esiintyy maaperässä ja mineraaleissa ja se voi vapautua ilmaan, veteen ja maaperään tuulen ja vesieroosion kautta. Lisäksi elementti pääsee ilmakehään muista lähteistä. Tulivuorenpurkausten seurauksena arseenia vapautuu ilmaan noin 3 tuhatta tonnia vuodessa, mikro-organismit muodostavat 20 tuhatta tonnia haihtuvaa metyyliarsiinia vuodessa ja fossiilisten polttoaineiden polttamisen seurauksena vapautuu 80 tuhatta tonnia samana ajanjaksona..
Huolimatta siitä, että As on tappava myrkky, se on tärkeä osa joidenkin eläinten ja mahdollisesti ihmisten ruokavaliota, vaikka vaadittu annos ei ylitä 0,01 mg/vrk.
Arseeni on erittäin vaikea muuttaa vesiliukoiseksi tai haihtuvaksi tilaan. Se, että se on melko liikkuva, tarkoittaa, että suuria aineen pitoisuuksia ei voi esiintyä missään paikassa. Yhtäältä tämä on hyvä asia, mutta toisa alta sen leviämisen helppous on syy siihen, miksi arseenisaastuksesta on tulossa kasvava ongelma. Ihmisen toiminnan, pääasiassa louhinnan ja sulatuksen kautta, normaalisti liikkumaton kemiallinen alkuaine siirtyy, ja nyt sitä ei löydy vain paikoistasen luonnollinen pitoisuus.
Arseenin määrä maankuoressa on noin 5 g/tonni. Avaruudessa sen pitoisuudeksi arvioidaan 4 atomia miljoonaa piiatomia kohden. Tämä elementti on laajalle levinnyt. Pieni määrä on läsnä alkuperäistilassa. Yleensä arseenin muodostumia, joiden puhtausaste on 90–98%, löytyy yhdessä metallien, kuten antimonin ja hopean, kanssa. Suurin osa siitä kuitenkin sisältyy yli 150 erilaisen mineraalin - sulfidien, arsenidien, sulfoarsenidien ja arseniittien - koostumukseen. Arsenopyriitti FeAsS on yksi yleisimmistä As-pitoisista mineraaleista. Muita yleisiä arseeniyhdisteitä ovat realgar-mineraalit As4S4, orpimentti As2S 3, lellingiitti FeAs2 ja enargiitti Cu3AsS4. Arseenioksidi on myös yleinen. Suurin osa tästä aineesta on kuparin, lyijyn, koboltin ja kultamalmien sulatuksen sivutuote.
Luonnossa on vain yksi vakaa arseenin isotooppi - 75As. Keinotekoisista radioaktiivisista isotoopeista erottuu 76Kuten puoliintumisaika on 26,4 tuntia. Arseeni-72, -74 ja -76 käytetään lääketieteellisessä diagnostiikassa.
Teollinen tuotanto ja sovellus
Metalliarseeni saadaan kuumentamalla arsenopyriittiä 650-700 °C:seen ilman ilmaa. Jos arsenopyriittiä ja muita metallimalmeja kuumennetaan hapella, niin As yhdistyy helposti sen kanssa muodostaen helposti sublimoituvan As4O6, joka tunnetaan myös kuten "valkoinenarseeni". Oksidihöyry kerätään ja kondensoidaan ja puhdistetaan myöhemmin uudelleen sublimoimalla. Suurin osa As:sta saadaan pelkistämällä hiiltä näin saadusta valkoisesta arseenista.
Metallisen arseenin kulutus maailmassa on suhteellisen pieni - vain muutama sata tonnia vuodessa. Suurin osa kulutetusta tulee Ruotsista. Sitä käytetään metallurgiassa sen metalloidiominaisuuksien vuoksi. Lyijyhaulien valmistuksessa käytetään noin 1 % arseenia, koska se parantaa sulan pisaran pyöreyttä. Lyijypohjaisten laakeriseosten ominaisuudet paranevat sekä termisesti että mekaanisesti, kun ne sisältävät noin 3 % arseenia. Pieni määrä tätä kemiallista alkuainetta lyijyseoksissa kovettaa niitä käytettäväksi akuissa ja kaapelipanssarissa. Pienet arseenin epäpuhtaudet lisäävät kuparin ja messingin korroosionkestävyyttä ja lämpöominaisuuksia. Puhtaassa muodossaan kemiallista elementaalista As:ta käytetään pronssipinnoituksessa ja pyrotekniikassa. Erittäin puhdistettua arseenia käytetään puolijohdeteknologiassa, jossa sitä käytetään piin ja germaniumin kanssa, ja galliumarsenidina (GaAs) diodeissa, lasereissa ja transistoreissa.
Yhteydet nimellä
Koska arseenin valenssi on 3 ja 5 ja sillä on useita hapetusasteita välillä -3 - +5, alkuaine voi muodostaa erilaisia yhdisteitä. Kaupallisesti tärkeimpiä ovat sen oksidit, joiden päämuodot ovat As4O6 jaKuten2O5. Arseenioksidi, joka tunnetaan yleisesti valkoisena arseenina, on kuparin, lyijyn ja joidenkin muiden metallien sekä arsenopyriitti- ja sulfidimalmien pasahtamisen sivutuote. Se on useimpien muiden yhdisteiden lähtöaine. Lisäksi sitä käytetään torjunta-aineissa, valkaisuaineena lasituotannossa ja nahkajen säilöntäaineena. Arseenipentoksidia muodostuu hapettavan aineen (esim. typpihapon) vaikutuksesta valkoiseen arseeniin. Se on hyönteismyrkkyjen, rikkakasvien torjunta-aineiden ja metalliliimojen pääainesosa.
Arsiini (AsH3), väritön myrkyllinen kaasu, joka koostuu arseenista ja vedystä, on toinen tunnettu aine. Aine, jota kutsutaan myös arseenivedyksi, saadaan hydrolysoimalla metalliarsenideja ja pelkistämällä metalleja arseeniyhdisteistä happoliuoksissa. Sitä on käytetty puolijohteiden lisäaineena ja sotilaallisena myrkkykaasuna. Maataloudessa arseenihappo (H3AsO4), lyijy-arsenaatti (PbHAsO44 4 ) ja kalsiumarsenaatti [Ca3(AsO4)2
], joita käytetään maaperän ja tuholaisten torjuntaan.
Arseeni on kemiallinen alkuaine, joka muodostaa monia orgaanisia yhdisteitä. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 Esimerkiksi käytetään laaj alti käytetyn kuivausaineen (desikkantin) - kakodyylihapon - valmistuksessa. Alkuaineen monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä käytetään tiettyjen sairauksien, kuten amebisen punataudin, hoidossa,mikro-organismien aiheuttama.
Fysikaaliset ominaisuudet
Mitä arseeni on fysikaalisten ominaisuuksiensa perusteella? Vakaimmassa tilassaan se on hauras, teräksenharmaa kiinteä aine, jolla on alhainen lämmön- ja sähkönjohtavuus. Vaikka jotkut As:n muodot ovat metallin k altaisia, sen luokittelu ei-metalliksi on tarkempi luonnehdinta arseenista. On olemassa muitakin arseenin tyyppejä, mutta niitä ei ole tutkittu kunnolla, etenkään keltaista metastabiilia muotoa, joka koostuu As4 molekyyleistä, jotka ovat samanlaisia kuin valkoisen fosforin P4. Arseeni sublimoituu 613 °C:ssa ja esiintyy höyrynä As4-molekyyleina, jotka eivät dissosioidu noin 800 °C:ssa. Täydellinen dissosiaatio As2-molekyyleiksi tapahtuu 1700 °C:ssa.
Atomin rakenne ja kyky muodostaa sidoksia
Arseenin elektroninen kaava on 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 - muistuttaa typpeä ja fosforia siinä mielessä, että sen ulkokuoressa on viisi elektronia, mutta se eroaa niistä sillä, että toiseksi viimeisessä kuoressa on 18 elektronia kahden tai kahdeksan sijaan. 10 positiivisen varauksen lisääminen ytimeen samalla, kun se täyttää viisi 3d-kiertorataa, aiheuttaa usein elektronipilven yleisen vähenemisen ja elementtien elektronegatiivisuuden lisääntymisen. Arseenia jaksollisessa taulukossa voidaan verrata muihin ryhmiin, jotka osoittavat selvästi tämän kuvion. Esimerkiksi on yleisesti hyväksyttyä, että sinkki onelektronegatiivisempi kuin magnesium ja gallium kuin alumiini. Myöhemmissä ryhmissä tämä ero kuitenkin kapenee, ja monet ovat eri mieltä siitä, että germanium on elektronegatiivisempi kuin pii, huolimatta kemiallisten todisteiden runsaudesta. Samanlainen siirtyminen 8 alkuainekuoresta 18 alkuainekuoreen fosforista arseeniksi voi lisätä elektronegatiivisuutta, mutta tämä on edelleen kiistanalaista.
As:n ja P:n ulkokuoren samank altaisuus viittaa siihen, että ne voivat muodostaa 3 kovalenttista sidosta atomia kohden, kun läsnä on ylimääräinen sitoutumaton elektronipari. Hapetusasteen tulee siis olla +3 tai -3 suhteellisesta keskinäisestä elektronegatiivisuudesta riippuen. Arseenin rakenne puhuu myös mahdollisuudesta käyttää ulompaa d-orbitaalia oktetin laajentamiseen, jolloin elementti voi muodostaa 5 sidosta. Se toteutuu vain reaktiolla fluorin kanssa. Vapaan elektroniparin läsnäolo monimutkaisten yhdisteiden muodostamiseksi (elektronin luovutuksen kautta) As-atomissa on paljon vähemmän ilmeistä kuin fosforissa ja typessä.
Arseeni on vakaa kuivassa ilmassa, mutta märässä ilmassa se peittyy mustalla oksidilla. Sen höyry palaa helposti muodostaen As2O3. Mikä on vapaa arseeni? Vesi, alkalit ja hapettamattomat hapot eivät käytännössä vaikuta siihen, mutta typpihappo hapettaa sen tilaan +5. Halogeenit, rikki reagoivat arseenin kanssa ja monet metallit muodostavat arsenideja.
Analyyttinen kemia
Aine arseeni voidaan havaita kvalitatiivisesti keltaisena orpimenttina, joka saostuu 25 %:n vaikutuksestasuolahappoliuos. As:n jäljet määritetään yleensä muuntamalla se arsiiniksi, joka voidaan havaita Marsh-testillä. Arsiini hajoaa termisesti muodostaen mustan arseenipeilin kapean putken sisään. Gutzeitin menetelmän mukaan elohopeakloridilla kyllästetty anturi tummuu arsiinin vaikutuksen alaisena elohopean vapautumisen vuoksi.
Arseenin toksikologiset ominaisuudet
Alkuaineen ja sen johdannaisten myrkyllisyys vaihtelee suuresti laajalla alueella, erittäin myrkyllisestä arsiinista ja sen orgaanisista johdannaisista yksinkertaisesti As:iin, joka on suhteellisen inertti. Sen orgaanisten yhdisteiden käyttö kemiallisina sodankäynnin aineina (lewisiitti), vesikanttina ja lehdenpoistoaineena (Agent Blue perustuu vesipitoiseen seokseen, jossa on 5 % kakodyylihappoa ja 26 % sen natriumsuolaa) kertoo meille, mitä arseeni on.
Yleensä tämän kemiallisen alkuaineen johdannaiset ärsyttävät ihoa ja aiheuttavat ihotulehdusta. Hengityssuojausta arseenia sisältävää pölyä vastaan suositellaan myös, mutta suurin osa myrkytyksistä tapahtuu sen nieltäessä. Suurin sallittu As-pitoisuus pölyssä kahdeksan tunnin työpäivän aikana on 0,5 mg/m3. Arsiinin os alta annos pienennetään 0,05 ppm:ään. Sen lisäksi, että tämän kemiallisen alkuaineen yhdisteitä käytettiin rikkakasvien ja torjunta-aineina, arseenin käyttö farmakologiassa mahdollisti salvarsaanin, ensimmäisen onnistuneen kupan lääkkeen, valmistamisen.
Terveysvaikutukset
Arseeni on yksi myrkyllisimmistä alkuaineista. Tietyn kemikaalin epäorgaaniset yhdisteetAineita esiintyy luonnossa pieniä määriä. Ihminen voi altistua arseenille ruoan, veden ja ilman kautta. Altistuminen voi tapahtua myös ihokosketuksessa saastuneen maaperän tai veden kanssa.
Arseenin pitoisuus ruoassa on melko alhainen. Kalojen ja äyriäisten pitoisuudet voivat kuitenkin olla erittäin korkeita, koska ne imevät kemikaalia vedestä, jossa ne elävät. Merkittävät määrät epäorgaanista arseenia kaloissa voivat olla vaaraksi ihmisten terveydelle.
Aineelle altistuvat myös ihmiset, jotka työskentelevät aineen kanssa, asuvat sillä käsitellystä puusta rakennetuissa taloissa ja maatalousmailla, joilla on aiemmin käytetty torjunta-aineita.
Epäorgaaninen arseeni voi aiheuttaa erilaisia terveysvaikutuksia ihmisille, kuten mahan ja suoliston ärsytystä, puna- ja valkosolujen tuotannon vähenemistä, ihomuutoksia ja keuhkojen ärsytystä. Uskotaan, että tämän aineen merkittävien määrien nauttiminen voi lisätä syövän, erityisesti iho-, keuhko-, maksa- ja imusolmukkeiden syövän, kehittymisen riskiä.
Erittäin korkeat epäorgaanisen arseenin pitoisuudet aiheuttavat naisilla hedelmättömyyttä ja keskenmenoa, ihotulehdusta, heikentynyttä vastustuskykyä infektioita vastaan, sydänongelmia ja aivovaurioita. Lisäksi tämä kemiallinen alkuaine voi vahingoittaa DNA:ta.
Tappava annos valkoista arseenia on 100 mg.
Alkuaineen orgaaniset yhdisteet eivät aiheuta syöpää tai vaurioita geneettistä koodia, mutta suuret annokset voivataiheuttaa haittaa ihmisten terveydelle, kuten aiheuttaa hermoston häiriöitä tai vatsakipua.
Ominaisuudet nimellä
Arseenin tärkeimmät kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat seuraavat:
- Atomiluku - 33.
- Atomipaino on 74,9216.
- Harmaan muotin sulamispiste on 814 °C 36 ilmakehän paineessa.
- Harmaa tiheys 5,73 g/cm3 14 °C:ssa.
- Keltaisen homeen tiheys 2,03 g/cm3 18°C:ssa.
- Arseenin elektroninen kaava on 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Hapetustilat – -3, +3, +5.
- Arseenin valenssi on 3, 5.
