МЫШЬЯК: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Мышьяк является полуметаллом или полуметаллом , принадлежащим к группе 15 или VA Периодической таблицы. Он представлен химическим символом As, а его атомный номер 33. Его можно найти в трех аллотропных формах: желтом, черном и сером; последний является единственным, имеющим промышленное значение.

Серый мышьяк представляет собой хрупкое твердое вещество металлического оттенка стального кристаллического цвета (нижнее изображение). На воздухе он теряет блеск, образуя оксид мышьяка (As ₂ O ₃ ), который при нагревании издает запах чеснока. С другой стороны, его желтый и черный аллотропы являются молекулярными и аморфными соответственно.

Металлический мышьяк. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Мышьяк содержится в земной коре, связанной с многочисленными минералами. Лишь небольшая часть находится в самородном состоянии, однако связана с сурьмой и серебром.

Среди наиболее распространенных минералов, в которых содержится мышьяк, находятся следующие: реальгар (As ₄ S ₄ ), орпимент (As ₂ S ₃ ), леллингит (FeAs ₂ ) и энаргит (Cu ₃ AsS ₄ ). Мышьяк также получается как побочный продукт при плавлении металлов, таких как свинец, медь, кобальт и золото.

Соединения мышьяка токсичны, особенно арсин (AsH ₃ ). Однако мышьяк имеет множество промышленных применений, включая легирование свинцом, используемое в производстве автомобильных аккумуляторов, и легирование галлием для различных применений в электронике.

История его открытия

Название «мышьяк» происходит от латинского arsenicum и греческого arsenikon, что относится к желтому орпименту, который был основной формой использования мышьяка алхимиками.

Мышьяк, задолго до того, как его признали химическим элементом, был известен и использовался в виде его соединений. Например, Аристотель в 4 веке до нашей эры писал о сандарахе, веществе, которое сейчас считается сульфидом мышьяка.

Плиний Старший и Педаний Дискоридис в I веке нашей эры описали арипимент, минерал, состоящий из As ₂ S ₃ . В XI веке были признаны три вида мышьяка: белый (As ₄ O ₄ ), желтый (As ₂ S ₃ ) и красный (As ₄ S ₄ ).

Мышьяк как чистый элемент был впервые обнаружен Альбертом Великим (1250 г.). Магнус нагрел сульфид мышьяка с мылом, отметив появление вещества с характеристиками, похожими на сероватый аллотроп на изображении. Однако первое достоверное сообщение о его изоляции было опубликовано в 1649 году немецким фармацевтом Иоганном Шредером.

Шредер получил мышьяк, нагревая его оксид с древесным углем. Позже Николя Лемери удалось произвести его путем нагревания смеси оксида мышьяка, мыла и поташа. В 18 веке этот элемент окончательно признали полуметаллическим.

Структура мышьяка

Мышьяк изоморфен сурьме; то есть они структурно идентичны, отличаются только размером своих атомов. Каждый атом мышьяка образует три ковалентные связи As-As таким образом, что они образуют «морщинистые или крутые» гексагональные звенья As ₆ , поскольку гибридизация атомов As имеет sp ³ .

Затем блоки As ₆ соединяются, образуя крутые слои мышьяка, которые слабо взаимодействуют друг с другом. В результате их межмолекулярных сил, зависящих, прежде всего, от их атомных масс, ромбоэдрические серые кристаллы мышьяка придают твердому телу хрупкую и хрупкую текстуру.

Возможно, из-за отталкивания свободной пары электронов мышьяка, единицы As _6, образованные между параллельными слоями, не определяют идеальный, а искаженный октаэдр:

Кристаллическая структура серого мышьяка. Источник: Габриэль Боливар.

Обратите внимание, что черные сферы рисуют искаженную плоскость в пространстве между двумя крутыми слоями. Точно так же в слое ниже есть голубоватые сферы, которые вместе с черной сферой составляют единицу As _6, упомянутую в начале раздела.

Структура выглядит упорядоченной, рядами идут вверх-вниз, поэтому она кристаллическая. Однако он может стать аморфным, при этом сферы сжимаются по-разному. Когда сероватый мышьяк становится аморфным, он становится полупроводником.

Желтый мышьяк

Желтый мышьяк, наиболее токсичный аллотроп этого элемента, представляет собой чисто молекулярное твердое вещество. Он состоит из ₄ единиц молекул As из-за слабых дисперсионных сил, которые не препятствуют их улетучиванию.

Черный мышьяк

Черный мышьяк аморфен; но не каким может быть сероватый аллотроп. Его структура немного похожа на только что описанную, с той разницей, что его единичные плоскости As ₆ имеют большие площади и разные паттерны беспорядка.

Электронная конфигурация

3д ¹⁰ 4с ² 4п ³

Все орбитали уровня 3 заполнены. Он образует связи, используя 4s и 4p орбитали (а также 4d) посредством различных химических гибридизаций.

свойства

Молекулярный вес

74,922 г / моль

Физическое описание

Серый мышьяк - это сероватое твердое вещество с металлическим оттенком и хрупкой консистенцией.

цвет

Три аллотропные формы: желтая (альфа), черная (бета) и серая (гамма).

запах

Туалет

Вкус

безвкусный

Температура плавления

1090 К при 35,8 атм (тройная точка мышьяка).

При нормальном давлении он не имеет температуры плавления, так как возгоняется до 887 К.

плотность

-Серый мышьяк: 5,73 г / см ³ .

-Желтый мышьяк: 1,97 г / см ³ .

Растворимость воды

нерастворимый

Атомное радио

139 вечера

Атомный объем

13,1 см ³ / моль

Ковалентный радиус

120 вечера

Удельная теплоемкость

0,328 Дж / гмоль при 20 ° C

Теплота испарения

32,4 кДж / моль

Электроотрицательность

2,18 по шкале Полинга

Энергия ионизации

Энергия первой ионизации 946,2 кДж / моль

Состояния окисления

-3, +3, +5

стабильность

Элементарный мышьяк устойчив в сухом воздухе, но при воздействии влажного воздуха он покрывается бронзово-желтым слоем, который может стать черным слоем оксида мышьяка (As ₂ O ₃ ).

декомпозиция

Когда мышьяк нагревается до разложения, он выделяет белый дым As ₂ O ₃ . Процедура опасна тем, что также может выделяться арсин, очень ядовитый газ.

Самовозгорание

180 ºC

твердость

3,5 по шкале твердости Мооса.

Реактивность

Он не подвергается воздействию холодной серной кислоты или концентрированной соляной кислоты. Реагирует с горячей азотной или серной кислотой, образуя мышьяковую кислоту и мышьяковую кислоту.

Когда серый мышьяк улетучивается при нагревании и пары быстро охлаждаются, образуется желтый мышьяк. Под воздействием ультрафиолета он возвращается к сероватой форме.

Приложения

сплавы

Небольшое количество мышьяка, добавленного к свинцу, делает его сплавы достаточно твердыми, чтобы использовать их для покрытия кабелей и производства автомобильных аккумуляторов.

Добавление мышьяка к латуни, сплаву меди и цинка, увеличивает ее устойчивость к коррозии. С другой стороны, он исправляет или снижает потери цинка в латуни, что увеличивает срок ее службы.

электроника

Очищенный мышьяк используется в полупроводниковой технологии, где он используется вместе с галлием и германием, а также в форме арсенида галлия (GaAs), который является вторым наиболее широко используемым полупроводником.

GaAs имеет прямую запрещенную зону, которая может использоваться в производстве диодов, лазеров и светодиодов. Помимо арсенида галлия, существуют другие арсениды, такие как арсенид индия и арсенид алюминия, которые также являются полупроводниками III-V.

Между тем, арсенид кадмия является полупроводником типа II-IV. Арсин использовался для легирования полупроводников.

Сельское хозяйство и сохранение древесины

Большинство применений было отменено из-за их высокой токсичности и токсичности их соединений. As ₂ O ₃ используется как пестицид, а As ₂ O ₅ входит в состав гербицидов и инсектицидов.

Мышьяковая кислота (H ₃ AsO ₄ ) и соли, такие как арсенат кальция и арсенат свинца, использовались для стерилизации почв и борьбы с вредителями. Это создает риск загрязнения окружающей среды мышьяком.

Арсенат свинца использовался в качестве инсектицида на фруктовых деревьях до первой половины 20 века. Но из-за его токсичности его заменили метиларсенатом натрия, который по той же причине прекратили использовать с 2013 года.

целебный

До 20 века некоторые из его соединений использовались в качестве лекарств. Например, арсфенамин и неолсальварсан использовались для лечения сифилиса и трипаносомоза.

В 2000 году использование As ₂ O ₃ , высокотоксичного соединения , было одобрено для лечения острого промиелоцитарного лейкоза, устойчивого к полностью транс-ретиноевой кислоте. Недавно радиоактивный изотоп ⁷⁴ As был использован для локализации опухоли.

Изотоп дает хорошие изображения, более четкие, чем изображения, полученные с помощью ¹²⁴ I, потому что йод переносится в щитовидную железу и создает шум в сигнале.

Другое использование

В прошлом мышьяк использовался в качестве кормовой добавки при птицеводстве и свиноводстве.

Он используется в качестве катализатора при производстве окиси этилена. Он также используется в фейерверках и дублении. Оксид мышьяка используется как обесцвечивающее средство при производстве стекла.

Где она находится?

Мышьяк можно найти в небольших количествах в элементарном состоянии с высокой степенью чистоты. Он присутствует во многих соединениях, таких как: сульфиды, арсениды и сульфоарсенииды.

Он также содержится в нескольких минералах, включая арсенопирит (FeSAs), леллингит (FeAs ₂ ), энаргит (Cu ₃ AsS ₄ ), арипимент (As ₂ S ₃ ) и реальгар (As ₄ S ₄ ).

Как это получается?

Арсенопирит нагревается до 650-700ºС, при отсутствии воздуха. Мышьяк испаряется, оставляя сульфид железа (FeS) в виде остатка. Во время этого процесса мышьяк связывается с кислородом с образованием As ₄ O ₆ , известного как «белый мышьяк».

As ₄ O ₆ модифицируется с образованием As ₂ O ₃ , пары которого собираются и конденсируются в ряде кирпичных камер, очищая мышьяк путем сублимации.

Большая часть мышьяка образуется при восстановлении углеродом образующейся пыли As ₂ O ₃ .

Ссылки

1. Стивен Р. Марсден. (23 апреля 2019 г.). Химия мышьяка. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
2. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (03 декабря 2018 г.). Интересные факты о мышьяке. Получено с: thinkco.com
3. Wikipedia. (2019). Мышьяк. Получено с: en.wikipedia.org
4. Доктор Доф Стюарт. (2019). Факты об элементе мышьяка. Chemicool. Получено с: chemicool.com
5. Королевское химическое общество. (2019). Мышьяк. Получено с: rsc.or
6. Редакторы энциклопедии Британника. (03 мая 2019 г.). Мышьяк. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com