ארסן הוא יסוד כימי מקבוצת החנקן (קבוצה 15 בטבלה המחזורית). זהו חומר שביר (α-ארסן) אפור עם ברק מתכתי עם סריג קריסטל מעוין. כאשר מחומם ל-600 מעלות צלזיוס, אס מתבסס. כאשר האדים מתקררים, מופיע שינוי חדש - ארסן צהוב. מעל 270°C, כל צורות ה-As הופכות לארסן שחור.
היסטוריית גילוי
ארסן היה ידוע הרבה לפני שהוכר כיסוד כימי. במאה הרביעית. לִפנֵי הַסְפִירָה ה. אריסטו הזכיר חומר בשם סנדרק, שכיום מאמינים שהוא רילגר, או ארסן גופרתי. ובמאה ה-1 לספירה. ה. הכותבים פליניוס הזקן ופדניוס דיוסקורידס תיארו את האורפימנט - הצבע As2S3. במאה XI. נ. ה. הבחינו בשלושה זנים של "ארסן": לבן (As4O6), צהוב (As2 S 3) ואדום (As4S4). היסוד עצמו כנראה בודד לראשונה במאה ה-13 על ידי אלברט הגדול, שציין את הופעתו של חומר דמוי מתכת כאשר ארסניקום, שם אחר As2S3 , חומם עם סבון. אבל אין ודאות שמדען הטבע הזה קיבל ארסן טהור. העדות האותנטית הראשונה לבידוד של יסוד כימי טהורמ-1649. הרוקח הגרמני יוהן שרדר הכין ארסן על ידי חימום התחמוצת שלו בנוכחות פחם. מאוחר יותר, ניקולא למרי, רופא וכימאי צרפתי, ראה את היווצרותו של יסוד כימי זה על ידי חימום תערובת של תחמוצת, סבון ואשלג שלו. בתחילת המאה ה-18, ארסן כבר היה ידוע כחומר חצי מתכת ייחודי.
שכיחות
בקרום כדור הארץ, ריכוז הארסן נמוך ומסתכם ב-1.5 עמודים לדקה. הוא מופיע באדמה ובמינרלים וניתן להשתחרר לאוויר, למים ולאדמה באמצעות שחיקת רוח ומים. בנוסף, האלמנט נכנס לאטמוספירה ממקורות אחרים. כתוצאה מהתפרצויות געשיות משתחררים לאוויר כ-3,000 טון ארסן בשנה, מיקרואורגניזמים יוצרים 20,000 טונות של מתילארסין נדיף בשנה, וכתוצאה משריפת דלקים מאובנים, משתחררים באותה תקופה 80,000 טון..
למרות העובדה ש-As הוא רעל קטלני, הוא מהווה חלק חשוב מהתזונה של כמה בעלי חיים ואולי גם בני אדם, אם כי המינון הנדרש אינו עולה על 0.01 מ ג ליום.
ארסן קשה מאוד להמיר למצב מסיס במים או נדיף. העובדה שהוא די נייד פירושה שריכוזים גדולים של החומר בכל מקום אחד לא יכולים להופיע. מצד אחד זה טוב, אבל מצד שני קלות ההתפשטות היא הסיבה לכך שזיהום הארסן הופך לבעיה הולכת וגוברת. עקב פעילות אנושית, בעיקר באמצעות כרייה והתכה, נודד יסוד כימי בדרך כלל בלתי נייד, וכעת ניתן למצוא אותו לא רק במקומותהריכוז הטבעי שלו.
כמות הארסן בקרום כדור הארץ היא כ-5 גרם לטון. בחלל, ריכוזו מוערך ב-4 אטומים למיליון אטומי סיליקון. אלמנט זה נפוץ. כמות קטנה קיימת במדינת הילידים. ככלל, תצורות של ארסן בטוהר של 90-98% נמצאות יחד עם מתכות כמו אנטימון וכסף. רובו, לעומת זאת, כלול בהרכב של יותר מ-150 מינרלים שונים - סולפידים, ארסנים, סולפורזנידים וארסניטים. Arsenopyrite FeAsS הוא אחד המינרלים הנפוצים ביותר מסוג As-bearing. תרכובות ארסן נפוצות אחרות הן מינרלים רילגר As4S4, orpiment As2S 3, lellingite FeAs2 and enargite Cu3AsS4. תחמוצת ארסן נפוצה גם היא. רוב החומר הזה הוא תוצר לוואי של התכת נחושת, עופרת, קובלט ועפרות זהב.
בטבע, יש רק איזוטופ יציב אחד של ארסן - 75As. בין איזוטופים רדיואקטיביים מלאכותיים, בולט 76כמו עם זמן מחצית חיים של 26.4 שעות. ארסן-72, -74 ו-76 משמשים באבחון רפואי.
ייצור ויישום תעשייתי
ארסן מתכת מתקבל על ידי חימום ארסנופיריט ל-650-700 מעלות צלזיוס ללא אוויר. אם ארסנופיריט ועפרות מתכתיות אחרות מחוממות עם חמצן, אז As נכנס בקלות לשילוב איתו, ויוצרים בקלות סובלימציה As4O6, ידוע גם כמו "לבןאַרסָן". אדי התחמוצת נאספים ומתעבים, ומטוהרים מאוחר יותר על ידי סובלימציה מחדש. רוב האס מיוצר על ידי הפחתת פחמן מארסן לבן המתקבל כך.
הצריכה העולמית של ארסן מתכתי קטנה יחסית - רק כמה מאות טונות בשנה. רוב מה שנצרך מגיע משבדיה. הוא משמש במטלורגיה בשל תכונותיו המתכתיות. כ-1% ארסן משמש בייצור זריקת עופרת, מכיוון שהוא משפר את העגלגלות של הטיפה המותכת. התכונות של סגסוגות נושאות על בסיס עופרת משתפרות הן מבחינה תרמית והן מבחינה מכנית כאשר הן מכילות כ-3% ארסן. הנוכחות של כמות קטנה של יסוד כימי זה בסגסוגות עופרת מקשיחה אותם לשימוש בסוללות ושריון כבלים. זיהומים קטנים של ארסן מגבירים את עמידות בפני קורוזיה ותכונות תרמיות של נחושת ופליז. בצורתו הטהורה, בסיס כימי As משמש לציפוי ברונזה ובפירוטכניקה. ארסן מטוהר מאוד מוצא שימוש בטכנולוגיית מוליכים למחצה, שם משתמשים בו עם סיליקון וגרמניום, ובצורה של גליום ארסניד (GaAs) בדיודות, לייזרים וטרנזיסטורים.
Connections As
מכיוון שהערך של ארסן הוא 3 ו-5, ויש לו מספר מצבי חמצון מ-3 עד +5, היסוד יכול ליצור סוגים שונים של תרכובות. החשובים ביותר מבחינה מסחרית הם התחמוצות שלו, שהצורות העיקריות שלהן הן As4O6 וAs2O5. תחמוצת ארסן, המכונה בדרך כלל ארסן לבן, היא תוצר לוואי של קליית עפרות של נחושת, עופרת ומתכות אחרות, כמו גם עפרות ארסנופיריט וסולפיד. זהו חומר המוצא של רוב התרכובות האחרות. בנוסף, הוא משמש בחומרי הדברה, כחומר הלבנה בייצור זכוכית וכחומר משמר לעורות. ארסן פנטאוקסיד נוצר על ידי פעולה של חומר מחמצן (למשל, חומצה חנקתית) על ארסן לבן. זהו המרכיב העיקרי בקוטלי חרקים, קוטלי עשבים ודבקים למתכת.
ארסין (AsH3), גז רעיל חסר צבע המורכב מארסן ומימן, הוא חומר ידוע נוסף. החומר, הנקרא גם מימן ארסן, מתקבל על ידי הידרוליזה של ארסנידי מתכת והפחתת מתכות מתרכובות ארסן בתמיסות חומצה. הוא מצא שימוש כחומר סימפטום במוליכים למחצה וכגז רעיל צבאי. בחקלאות, חומצת ארסן (H3AsO4), עופרת ארסנט (PbHAsO44 4 ) וארסנט סידן [Ca3(AsO4)2
], המשמשים לעיקור אדמה והדברת מזיקים.
ארסן הוא יסוד כימי היוצר תרכובות אורגניות רבות. HowOne (CH3)2As−As(CH3)2 , למשל, משמש בהכנת חומר יובש (חומר יבוש) בשימוש נרחב - חומצה קקודילית. תרכובות אורגניות מורכבות של היסוד משמשות לטיפול במחלות מסוימות, למשל דיזנטריה אמבית,נגרם על ידי מיקרואורגניזמים.
נכסים פיזיים
מהו ארסן מבחינת התכונות הפיזיקליות שלו? במצבו היציב ביותר, זהו מוצק שביר, אפור פלדה עם מוליכות תרמית וחשמלית נמוכה. למרות שכמה צורות של As הן דמויות מתכת, סיווג שלה כלא מתכת הוא אפיון מדויק יותר של ארסן. ישנם סוגים נוספים של ארסן, אך הם אינם נחקרים היטב, במיוחד הצורה הגרורטית הצהובה, המורכבת ממולקולות As4, בדומה לזרחן לבן P4. ארסן עובר סובלימציה ב-613 מעלות צלזיוס וקיים כאדים כמו מולקולות As4 שאינן מתנתקות עד ל-800 מעלות צלזיוס בערך. ניתוק מוחלט למולקולות As2 מתרחש ב-1700 מעלות צלזיוס.
מבנה האטום והיכולת ליצור קשרים
הנוסחה האלקטרונית של ארסן היא 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 - דומה לחנקן וזרחן בכך שיש לו חמישה אלקטרונים בקליפה החיצונית, אך הוא שונה מהם בכך שיש 18 אלקטרונים בקליפה הלפני אחרונה במקום שניים או שמונה. הוספה של 10 מטענים חיוביים בגרעין תוך מילוי חמישה אורביטלים תלת מימדיים גורמת לרוב לירידה כוללת בענן האלקטרונים ולעלייה באלקטרושליליות של היסודות. ניתן להשוות את הארסן בטבלה המחזורית לקבוצות אחרות המדגימות בבירור דפוס זה. לדוגמה, מקובל בדרך כלל שאבץ הואיותר אלקטרוני שלילי ממגנזיום וגאליום מאלומיניום. עם זאת, בקבוצות עוקבות, הבדל זה מצטמצם, ורבים חולקים על כך שגרמניום הוא אלקטרושלילי יותר מסיליקון, למרות שפע העדויות הכימיות. מעבר דומה מקליפה של 8 ל-18 אלמנטים מזרחן לארסן יכול להגביר את האלקטרושליליות, אך הדבר נותר שנוי במחלוקת.
הדמיון של המעטפת החיצונית של As ו-P מצביע על כך שהם יכולים ליצור 3 קשרים קוולנטיים לכל אטום בנוכחות זוג אלקטרונים לא קשור נוסף. מצב החמצון חייב אפוא להיות +3 או -3, תלוי באלקטרושליליות ההדדית היחסית. המבנה של הארסן מדבר גם על האפשרות להשתמש ב-d-orbital החיצוני להרחבת השמינייה, מה שמאפשר לאלמנט ליצור 5 קשרים. זה מתממש רק על ידי תגובה עם פלואור. הנוכחות של זוג אלקטרונים חופשי ליצירת תרכובות מורכבות (באמצעות תרומת אלקטרונים) באטום As בולטת הרבה פחות מאשר בזרחן וחנקן.
ארסן יציב באוויר יבש, אך באוויר רטוב הוא מתכסה בתחמוצת שחורה. האדים שלו נשרפים בקלות, ויוצרים As2O3. מה זה ארסן חופשי? הוא כמעט ולא מושפע ממים, אלקליות וחומצות שאינן מחמצנות, אך מחומצן על ידי חומצה חנקתית למצב של +5. הלוגנים, גופרית מגיבים עם ארסן, ומתכות רבות יוצרות ארסנידים.
כימיה אנליטית
ניתן לזהות את החומר הארסן בצורה איכותית כאורפימנט צהוב שמשקע בהשפעה של 25%תמיסת חומצה הידרוכלורית. עקבות של As נקבעים בדרך כלל על ידי המרתו ל-arsine, שניתן לזהות באמצעות מבחן Marsh. ארסין מתפרק תרמית ויוצר מראה ארסן שחור בתוך צינור צר. לפי שיטת גוטצייט, בדיקה ספוגה בכספית כלוריד, בהשפעת ארסין, מתכהה עקב שחרור כספית.
מאפיינים רעילים של ארסן
הרעילות של היסוד ונגזרותיו משתנה מאוד בטווח רחב, החל מהארסין הרעיל ביותר ונגזרותיו האורגניות ועד פשוט As, שהוא אינרטי יחסית. השימוש בתרכובות האורגניות שלו כחומרי לוחמה כימיים (לויזיט), חומרי שלפוחית ומסירה (Agent Blue המבוסס על תערובת מימית של 5% חומצה קקודילית ו-26% ממלח הנתרן שלו) אומר לנו מהו ארסן.
באופן כללי, נגזרות של יסוד כימי זה מגרים את העור וגורמות לדרמטיטיס. מומלצת גם הגנה מפני שאיפה מפני אבק המכיל ארסן, אך רוב ההרעלה מתרחשת בעת בליעתו. הריכוז המרבי המותר של As באבק ליום עבודה של שמונה שעות הוא 0.5 מ"ג/מ"ר3. עבור ארסין, המינון מופחת ל-0.05 ppm. בנוסף לשימוש בתרכובות של יסוד כימי זה כקוטלי עשבים והדברה, השימוש בארסן בפרמקולוגיה איפשר להשיג סלוורסן, התרופה המוצלחת הראשונה נגד עגבת.
השפעות בריאות
ארסן הוא אחד היסודות הרעילים ביותר. תרכובות אנאורגניות של כימיקל נתוןחומרים מתרחשים באופן טבעי בכמויות קטנות. בני אדם יכולים להיחשף לארסן דרך מזון, מים ואוויר. חשיפה יכולה להתרחש גם במגע עור עם אדמה או מים מזוהמים.
תכולת הארסן במזון נמוכה למדי. עם זאת, רמות בדגים ופירות ים יכולות להיות גבוהות מאוד מכיוון שהם סופגים את הכימיקל מהמים שהם חיים בהם. כמויות משמעותיות של ארסן אנאורגני בדגים עלולות להוות סיכון לבריאות האדם.
אנשים שעובדים עם החומר, מתגוררים בבתים הבנויים מעץ שטופל בו, ובשטחים חקלאיים שבהם השתמשו בעבר בחומרי הדברה נחשפים לחומר.
ארסן אי-אורגני עלול לגרום להשפעות בריאותיות שונות בבני אדם, כמו גירוי בקיבה ובמעיים, ייצור מופחת של תאי דם אדומים ולבנים, שינויים בעור וגירוי בריאות. מאמינים כי בליעת כמויות משמעותיות של חומר זה עלולה להגביר את הסיכויים לפתח סרטן, במיוחד סרטן העור, הריאות, הכבד ומערכת הלימפה.
ריכוזים גבוהים מאוד של ארסן אנאורגני גורמים לאי-פוריות והפלה בקרב נשים, דרמטיטיס, עמידות מופחתת לזיהומים, בעיות לב ונזק מוחי. בנוסף, יסוד כימי זה יכול להזיק ל-DNA.
המינון הקטלני של ארסן לבן הוא 100 מ ג.
תרכובות אורגניות של היסוד אינן גורמות לסרטן או נזק לקוד הגנטי, אך מינונים גבוהים עלוליםלגרום נזק לבריאות האדם, כגון גרימת הפרעות עצבים או כאבי בטן.
Properties As
התכונות הכימיות והפיזיקליות העיקריות של ארסן הן כדלקמן:
- מספר אטומי - 33.
- משקל אטומי הוא 74.9216.
- נקודת ההיתוך של התבנית האפורה היא 814 מעלות צלזיוס בלחץ של 36 אטמוספרות.
- צפיפות אפורה 5.73g/cm3 ב-14°C.
- צפיפות עובש צהוב 2.03 גרם/ס"מ3 ב-18°C.
- הנוסחה האלקטרונית של ארסן היא 1s22s22p63s23p63d104s24p 3 .
- מצבי חמצון – -3, +3, +5.
- ערך הארסן הוא 3, 5.
