Arseen on lämmastikurühma keemiline element (perioodilisuse tabeli 15. rühm). See on rabe aine (α-arseen) hall, millel on romboeedrilise kristallvõrega metalliline läige. Kuumutamisel temperatuurini 600°C sublimeerub. Kui aur on jahutatud, ilmub uus modifikatsioon - kollane arseen. Üle 270°C muutuvad kõik As-vormid mustaks arseeniks.
Avastuste ajalugu
Arseen oli tuntud juba ammu enne, kui seda keemilise elemendina tunnistati. IV sajandil. eKr e. Aristoteles mainis ainet nimega sandarak, mida praegu peetakse realgariks ehk arseensulfiidiks. Ja 1. sajandil e.m.a. e. kirjanikud Plinius vanem ja Pedanius Dioscorides kirjeldasid orpimenti - värvainet As2S3. XI sajandil. n. e. eristati kolme "arseeni" sorti: valge (As4O6), kollane (As2 S 3) ja punane (As4S4). Elemendi ise eraldas tõenäoliselt esmakordselt 13. sajandil Albert Suur, kes märkis arseeni kasutamisel metallitaolise aine ilmumist, teine nimi As2S3 , kuumutati seebiga. Kuid pole kindlust, et see loodusteadlane sai puhast arseeni. Esimesed autentsed tõendid puhta keemilise elemendi eraldamise kohtadateeritud 1649. aastal. Saksa apteeker Johann Schroeder valmistas arseeni, kuumutades selle oksiidi kivisöe juuresolekul. Hiljem jälgis prantsuse arst ja keemik Nicolas Lemery selle keemilise elemendi teket selle oksiidi, seebi ja kaaliumkloriidi segu kuumutamisel. 18. sajandi alguseks oli arseen juba tuntud unikaalse poolmetallina.
Levikus
Maakoores on arseeni kontsentratsioon madal ja ulatub 1,5 ppm-ni. Seda esineb pinnases ja mineraalides ning võib tuule ja veeerosiooni kaudu sattuda õhku, vette ja pinnasesse. Lisaks satub element atmosfääri muudest allikatest. Vulkaanipursete tagajärjel paiskub aastas õhku umbes 3 tuhat tonni arseeni, mikroorganismid moodustavad aastas 20 tuhat tonni lenduvat metüülarsiini ja fossiilkütuste põletamise tulemusena eraldub sama aja jooksul 80 tuhat tonni..
Hoolimata tõsiasjast, et kuna tegemist on surmava mürgiga, on see mõnede loomade ja võib-olla ka inimeste toitumise oluline osa, kuigi vajalik annus ei ületa 0,01 mg päevas.
Arseeni on äärmiselt raske muundada vees lahustuvaks või lenduvaks olekuks. Asjaolu, et see on üsna liikuv, tähendab, et ühes kohas ei saa tekkida aine suuri kontsentratsioone. Ühest küljest on see hea, kuid teisest küljest on selle leviku lihtsus põhjus, miks arseenireostus on muutumas üha suuremaks probleemiks. Inimtegevuse tõttu, peamiselt kaevandamise ja sulatamise teel, rändab tavaliselt liikumatu keemiline element, mida nüüd leidub mitte ainult kohtades.selle loomulik kontsentratsioon.
Arseeni kogus maakoores on umbes 5 g tonni kohta. Kosmoses on selle kontsentratsioon hinnanguliselt 4 aatomit miljoni räni aatomi kohta. See element on lai alt levinud. Naturaalses olekus esineb väike kogus. Reeglina leidub 90–98% puhtusega arseeni moodustisi koos metallidega nagu antimon ja hõbe. Suurem osa sellest aga sisaldub enam kui 150 erineva mineraali – sulfiidide, arseniidide, sulfoarseniidide ja arseniidide – koostises. Arsenopüriit FeAsS on üks levinumaid As-i sisaldavaid mineraale. Teised levinud arseeniühendid on realgari mineraalid As4S4, orpiment As2S 3, lellingiit FeAs2 ja enargiit Cu3AsS4. Levinud on ka arseenoksiid. Suurem osa sellest ainest on vase, plii, koob alti ja kullamaakide sulatamise kõrvalsaadus.
Looduses on ainult üks stabiilne arseeni isotoop – 75As. Kunstlike radioaktiivsete isotoopide hulgast torkab silma 76As poolestusajaga 26,4 tundi. Arseen-72, -74 ja -76 kasutatakse meditsiinilises diagnostikas.
Tööstuslik tootmine ja rakendus
Metall-arseeni saadakse arsenopüriidi kuumutamisel ilma õhuta temperatuurini 650–700 °C. Kui arsenopüriiti ja muid metallimaake kuumutatakse hapnikuga, siis ühineb As sellega kergesti, moodustades kergesti sublimeeruva As4O6, tuntud ka nagu "valgearseen". Oksiidiaur kogutakse kokku ja kondenseeritakse ning hiljem puhastatakse resublimatsiooni teel. Enamik As-st toodetakse süsiniku redutseerimisel sel viisil saadud valgest arseenist.
Metallilise arseeni tarbimine maailmas on suhteliselt väike – vaid paarsada tonni aastas. Suurem osa tarbitavast tuleb Rootsist. Seda kasutatakse metallurgias selle metalloidsete omaduste tõttu. Pliihaavli tootmisel kasutatakse umbes 1% arseeni, kuna see parandab sulatilga ümarust. Pliipõhiste laagrisulamite omadused paranevad nii termiliselt kui ka mehaaniliselt, kui need sisaldavad umbes 3% arseeni. Väikese koguse selle keemilise elemendi olemasolu pliisulamites muudab need akudes ja kaablisoomustes kasutamiseks kõvaks. Väikesed arseeni lisandid suurendavad vase ja messingi korrosioonikindlust ja termilisi omadusi. Puhtal kujul kasutatakse keemilist elementaarset As-i pronksimiseks ja pürotehnikas. Kõrgelt puhastatud arseeni kasutatakse pooljuhttehnoloogias, kus seda kasutatakse koos räni ja germaaniumiga, ning galliumarseniidi (GaAs) kujul dioodides, laserites ja transistorides.
Ühendused kui
Kuna arseeni valents on 3 ja 5 ning sellel on mitu oksüdatsiooniastet vahemikus -3 kuni +5, võib element moodustada mitmesuguseid ühendeid. Kaubanduslikult kõige olulisemad on selle oksiidid, mille peamised vormid on As4O6 jaNagu2O5. Arseenoksiid, üldtuntud kui valge arseen, on vase, plii ja mõnede teiste metallide maakide, samuti arsenopüriidi ja sulfiidmaakide röstimise kõrvalsaadus. See on enamiku teiste ühendite lähtematerjal. Lisaks kasutatakse seda pestitsiidides, pleegitusainena klaasitootmises ja nahkade säilitusainena. Arseenpentoksiid moodustub oksüdeeriva aine (nt lämmastikhappe) toimel valgele arseenile. See on insektitsiidide, herbitsiidide ja metalliliimide peamine koostisosa.
Arsiin (AsH3), värvitu mürgine gaas, mis koosneb arseenist ja vesinikust, on teine tuntud aine. Aine, mida nimetatakse ka arseenvesinikuks, saadakse metallide arseniidide hüdrolüüsil ja metallide redutseerimisel arseeniühenditest happelahustes. Seda on kasutatud pooljuhtide lisandina ja sõjalise mürkgaasina. Põllumajanduses arseenhape (H3AsO4), pliiarsenaat (PbHAsO44 4 ) ja k altsiumarsenaat [Ca3(AsO4)2
], mida kasutatakse pinnase ja kahjuritõrje steriliseerimiseks.
Arseen on keemiline element, mis moodustab palju orgaanilisi ühendeid. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 Näiteks kasutatakse laialdaselt kasutatava kuivatusaine (desikanti) – kakodüülhappe – valmistamisel. Elemendi kompleksseid orgaanilisi ühendeid kasutatakse teatud haiguste, näiteks amööbse düsenteeria, ravis.põhjustatud mikroorganismidest.
Füüsikalised omadused
Mis on arseen selle füüsikaliste omaduste poolest? Kõige stabiilsemas olekus on see habras terashall tahke aine, millel on madal soojus- ja elektrijuhtivus. Kuigi mõned As vormid on metallitaolised, on selle liigitamine mittemetalliks arseeni täpsem iseloomustus. On ka teisi arseeni tüüpe, kuid neid ei ole hästi uuritud, eriti kollast metastabiilset vormi, mis koosneb As4 molekulidest, mis on sarnased valge fosforiga P4. Arseen sublimeerub temperatuuril 613 °C ja eksisteerib auruna As4 molekulidena, mis ei dissotsieeru umbes 800 °C juures. Täielik dissotsiatsioon As2 molekulideks toimub temperatuuril 1700 °C.
Aatomi struktuur ja võime moodustada sidemeid
Arseeni elektrooniline valem on 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 – meenutab lämmastikku ja fosforit selle poolest, et selle väliskestas on viis elektroni, kuid see erineb neist selle poolest, et eelviimases kestas on kahe või kaheksa elektroni asemel 18 elektroni. 10 positiivse laengu lisamine tuumas viie 3d-orbitaali täitmise ajal põhjustab sageli elektronipilve üldist vähenemist ja elementide elektronegatiivsuse suurenemist. Arseeni perioodilisustabelis saab võrrelda teiste rühmadega, mis näitavad selgelt seda mustrit. Näiteks on üldiselt aktsepteeritud, et tsink onelektronegatiivsem kui magneesium ja gallium kui alumiinium. Järgmistes rühmades see erinevus aga väheneb ja paljud ei nõustu sellega, et germaanium on keemiliste tõendite rohkusest hoolimata elektronegatiivsem kui räni. Sarnane üleminek 8-elemendilisest kest alt 18-elemendilisele kestale fosforilt arseenile võib suurendada elektronegatiivsust, kuid see on endiselt vastuoluline.
As ja P väliskesta sarnasus viitab sellele, et nad võivad täiendava sidumata elektronipaari juuresolekul moodustada 3 kovalentset sidet aatomi kohta. Oksüdatsiooniaste peab seega olema +3 või -3, sõltuv alt suhtelisest vastastikusest elektronegatiivsusest. Arseeni struktuur räägib ka võimalusest kasutada okteti laiendamiseks välimist d-orbitaali, mis võimaldab elemendil moodustada 5 sidet. See saavutatakse ainult reaktsioonil fluoriga. Vaba elektronpaari olemasolu kompleksühendite moodustamiseks (elektronide loovutamise teel) As-aatomis on palju vähem väljendunud kui fosforis ja lämmastikus.
Arseen on kuivas õhus stabiilne, kuid märjas õhus kattub musta oksiidiga. Selle aur põleb kergesti, moodustades As2O3. Mis on vaba arseen? Vesi, leelised ja mitteoksüdeerivad happed seda praktiliselt ei mõjuta, kuid lämmastikhape oksüdeerib selle olekuni +5. Halogeenid, väävel reageerivad arseeniga ja paljud metallid moodustavad arseniide.
Analüütiline keemia
Aine arseeni saab kvalitatiivselt tuvastada kollase orpimendina, mis sadestub 25% mõjulvesinikkloriidhappe lahus. As jäljed määratakse üldiselt selle arsiiniks muutmise teel, mida saab tuvastada Marshi testi abil. Arsiin termiliselt laguneb, moodustades kitsa toru sees musta arseenipeegli. Gutzeiti meetodi järgi elavhõbedakloriidiga immutatud sond tumeneb arsiini mõjul elavhõbeda eraldumise tõttu.
Arseeni toksikoloogilised omadused
Elemendi ja selle derivaatide toksilisus varieerub väga laias vahemikus, alates äärmiselt mürgisest arsiinist ja selle orgaanilistest derivaatidest kuni lihts alt As-ni, mis on suhteliselt inertne. Selle orgaaniliste ühendite kasutamine keemiliste võitlusainetena (levisiit), vesikantina ja defoliantina (agent Blue, mis põhineb 5% kakodüülhappe ja 26% selle naatriumsoola vesilahusel) näitab meile, mis on arseen.
Üldiselt ärritavad selle keemilise elemendi derivaadid nahka ja põhjustavad dermatiiti. Soovitatav on ka sissehingamise kaitse arseeni sisaldava tolmu eest, kuid enamik mürgistusi tekib selle allaneelamisel. As-i maksimaalne lubatud kontsentratsioon tolmus kaheksatunnise tööpäeva jooksul on 0,5 mg/m3. Arsiini puhul vähendatakse annust 0,05 ppm-ni. Lisaks selle keemilise elemendi ühendite kasutamisele herbitsiidide ja pestitsiididena võimaldas arseeni kasutamine farmakoloogias saada salvarsaani, esimest edukat süüfilisevastast ravimit.
Mõju tervisele
Arseen on üks mürgisemaid elemente. Teatud kemikaali anorgaanilised ühendidAined esinevad looduslikult väikestes kogustes. Inimesed võivad arseeniga kokku puutuda toidu, vee ja õhu kaudu. Kokkupuude võib toimuda ka naha kokkupuutel saastunud pinnase või veega.
Arseeni sisaldus toidus on üsna madal. Kuid kalade ja mereandide sisaldus võib olla väga kõrge, kuna need absorbeerivad kemikaali veest, milles nad elavad. Märkimisväärne kogus anorgaanilist arseeni kalades võib ohustada inimeste tervist.
Ainega puutuvad kokku ka inimesed, kes töötavad ainega, elavad sellega töödeldud puidust ehitatud majades ja põllumajandusmaal, kus on varem kasutatud pestitsiide.
Anorgaaniline arseen võib inimestel põhjustada mitmesuguseid tervisemõjusid, nagu mao- ja soolteärritust, punaste ja valgete vereliblede tootmise vähenemist, nahamuutusi ja kopsude ärritust. Arvatakse, et selle aine märkimisväärses koguses allaneelamine võib suurendada vähktõve, eriti naha-, kopsu-, maksa- ja lümfisüsteemi vähkide tekke tõenäosust.
Väga kõrge anorgaanilise arseeni kontsentratsioon põhjustab naistel viljatust ja raseduse katkemist, dermatiiti, vähenenud vastupanuvõimet infektsioonidele, südameprobleeme ja ajukahjustusi. Lisaks võib see keemiline element kahjustada DNA-d.
Valge arseeni surmav annus on 100 mg.
Elemendi orgaanilised ühendid ei põhjusta vähki ega kahjusta geneetilist koodi, kuid suured annused võivadkahjustada inimeste tervist, näiteks põhjustada närvihäireid või kõhuvalu.
Properties as
Arseeni peamised keemilised ja füüsikalised omadused on järgmised:
- Aatomnumber - 33.
- Aatommass on 74,9216.
- Halli vormi sulamistemperatuur on 814 °C rõhul 36 atmosfääri.
- Halli tihedus 5,73 g/cm3 14°C juures.
- Kollase hallituse tihedus 2,03 g/cm3 temperatuuril 18°C.
- Arseeni elektrooniline valem on 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- Oksüdatsiooniastmed – -3, +3, +5.
- Arseeni valents on 3, 5.
