ארסן: היסטוריה, מבנה, תכונות, שימושים - כִּימִיָה - 2025

ארסן הוא semimetal או semimetal השייכים לקבוצה 15 או VA של הטבלה המחזורית. הוא מיוצג על ידי הסמל הכימי As, והמספר האטומי שלו הוא 33. ניתן למצוא אותו בשלוש צורות אלוטרופיות: צהוב, שחור ואפור; האחרון הוא היחיד בעל חשיבות תעשייתית.

ארסן אפור הוא מוצק שביר ומטאלי למראה עם צבע גביש יציב (תמונה תחתונה). הוא מאבד את ברקו כאשר הוא חשוף לאוויר, ויוצר תחמוצת ארסן (כ- ₂ O ₃ ), שכאשר מחומם פולט ריח שום. מצד שני, האלוטרופים הצהובים והשחורים שלו הם מולקולריים ואמורפיים, בהתאמה.

ארסן מתכתי. מקור: תמונות Hi-Res של אלמנטים כימיים

ארסן נמצא בקרום כדור הארץ הקשור למינרלים רבים. רק חלק קטן נמצא במדינת הילידים, עם זאת קשור לאנטימון וכסף.

בין המינרלים השכיחים ביותר בהם נמצא ארסן הם הבאים: realgar (As ₄ S ₄ ), Orpiment (As ₂ S ₃ ), loellingite (FeAs ₂ ) ו- enargite (Cu ₃ AsS ₄ ). ארסן מתקבל גם כתוצר לוואי של מתכות התכה כמו עופרת, נחושת, קובלט וזהב.

תרכובות ארסן הן רעילות, בעיקר ארסן (AsH ₃ ). עם זאת, לארסן יש יישומים תעשייתיים רבים, כולל סגסוגת עופרת, המשמשת לייצור סוללות רכב, וסגסוגת גליום עם שימושים שונים בתחום האלקטרוניקה.

היסטוריה של גילויו

השם 'ארסן' מקורו בארסן הלטיני והארסןניקון היווני, בהתייחס לאשך צהוב, שהיה הצורה העיקרית לשימוש בארסן על ידי האלכימאים.

ארסן, הרבה לפני שהוכר כאלמנט כימי, היה ידוע ומשמש בצורה של תרכובותיו. לדוגמה, אריסטו במאה הרביעית לפני הספירה כתב על כאב חול, חומר שנחשב כיום להיות ארסן גופריתי.

פליניוס הזקן ופדניוס דיסקורידס, במאה הראשונה לספירה, תיארו את האורפימנט, מינרל המורכב כ- ₂ S ₃ . במאה ה -11 הוכרו שלושה מינים של ארסן: לבן (כ- ₄ O ₄ ), צהוב (כ- ₂ S ₃ ) ואדום (כ- ₄ S ₄ ).

ארסן כמרכיב טהור נצפה לראשונה על ידי אלברטוס מגנוס (1250). מגנוס חימם את הסולפיד הארסן בסבון, וציין את המראה של חומר עם מאפיין הדומה לאלוטרופ האפרורי שבתמונה. עם זאת, הדו"ח האותנטי הראשון על בידודו פורסם בשנת 1649 על ידי יוהן שרודר, רוקח גרמני.

שרדר הכין את הארסן על ידי חימום תחמוצתו בפחם. מאוחר יותר הצליח ניקולה לאמרי לייצר אותו באמצעות חימום של תערובת של תחמוצת ארסן, סבון ואשלג. במאה ה -18 הוכר סוף סוף אלמנט זה כחצי מתכת.

מבנה של ארסן

ארסן הוא איזומורפי לאנטימון; כלומר, הם זהים מבחינה מבנית, ונבדלים זה מזה רק בגודל האטומים שלהם. כל אטום ארסן יוצר שלושה קשרים קוולנטים של As-As, באופן שמקורם משושה "מקומט או תלול" כ- ₆ יחידות , שכן ההכלאה של אטומי As היא sp ³ .

ואז ₆ יחידות מתחברות ומולידות שכבות תלויות של ארסן, אשר מתקשרות זו עם זו בצורה חלשה. כתוצאה מכוחותיהם הבין-מולקולריים, תלויים יותר מכל בהמוניהם האטומיים, גבישי הארסן האפור-רומבודראליים מעניקים למוצק מרקם שביר ושברירי.

יתכן שבגלל הדחייה של צמד האלקטרונים החופשי של ארסן, יחידות ה- As ₆ הנוצרות בין שכבות מקבילות אינן מגדירות אוקטהדרון מושלם אך מעוות:

מבנה קריסטל של ארסן אפור. מקור: גבריאל בוליבר.

שימו לב כי הכדוריות השחורות מציירות את המישור המעוות במרחב שבין שתי שכבות תלולות. באופן דומה, בשכבה שמתחת יש כדורים כחלחלים שיחד עם הכדור השחור מהווים את יחידת As ₆ שהוזכרה בתחילת המקטע.

המבנה נראה מסודר, השורות עולות ויורדות, ולכן הוא גבישי. עם זאת, זה יכול להפוך לאמורפי, עם תחומים נסחטים בדרכים שונות. כאשר ארסן אפרפר הופך לאמורפי, הוא הופך למוליך למחצה.

ארסן צהוב

ארסן צהוב, האלוטרופיה הרעילה ביותר של יסוד זה, הוא מוצק מולקולרי גרידא. זה מורכב ממולקולות As ₄ יחידות בגלל כוחות פיזור חלשים, שאינם מונעים מהם להתנדנד.

ארסן שחור

ארסן שחור הוא אמורפי; אבל לא איך יכולה להיות האלוטרופ האפרפר. המבנה שלו דומה מעט לזה שבדיוק תיאר, עם ההבדל שלמטוסי יחידת ה- ₆ שלו יש אזורים גדולים יותר ודפוסי הפרעה שונים.

תצורה אלקטרונית

3d ¹⁰ 4s ² 4p ³

יש לו את כל המעגלים בדרגה 3. זה יוצר קשרים באמצעות 4s ו- 4p האורביטלים (כמו גם ה- 4d) באמצעות הכלאות כימיות שונות.

נכסים

משקל מולקולרי

74.922 גרם / מול

תיאור פיזי

ארסן אפור הוא מוצק אפרפר עם מראה מתכתי ועקביות שבירה.

צֶבַע

שלוש צורות אלוטרופיות, צהוב (אלפא), שחור (בטא) ואפור (גמא).

רֵיחַ

שֵׁרוּתִים

טַעַם

חֲסַר טַעַם

נקודת המסה

1,090 K במהירות של 35.8 אטמוספירה (נקודה משולשת של ארסן).

בלחץ רגיל אין לו נקודת התכה, מכיוון שהוא סובלימציה ל -887 ק '.

צְפִיפוּת

ארסן גרעיני: 5.73 גרם / ס"מ ³ .

-ארסן צהוב: 1.97 גרם / ס"מ ³ .

מסיסות במים

לֹא מָסִיס

רדיו אטומי

139 בערב

נפח אטומי

13.1 ס"מ ³ / מול

רדיוס קוולנטי

120 בערב

חום ספציפי

0.328 J / gmol בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס

חום אידוי

32.4 ק"ג / מול

אלקטרונגטיביות

2.18 בסולם פאולינג

אנרגיית יינון

אנרגיה יינון ראשונה 946.2 ק"ג / מול

מצבי חמצון

-3, +3, +5

יַצִיבוּת

ארסן יסודי יציב באוויר יבש, אך כאשר הוא נחשף לאוויר לח הוא הופך מצופה בשכבה צהובה ארד שיכולה להפוך לשכבה שחורה של תחמוצת ארסן (כ- ₂ O ₃ ).

הִתפָּרְקוּת

כאשר ארסן מחומם לפירוק, הוא פולט עשן לבן של As ₂ O ₃ . ההליך מסוכן מכיוון שגם ניתן לשחרר ארסן, גז רעיל מאוד.

הצתה אוטומטית

180 מעלות צלזיוס

קַשִׁיוּת

3.5 בסולם הקשיות של מוה.

תגובתיות

היא לא מותקפת על ידי חומצה גופרתית קרה או חומצה הידרוכלורית מרוכזת. מגיב עם חומצה חנקתית חמה או חומצה גופרתית ויוצר חומצה ארסן וחומצה ארסן.

כאשר ארסנים אפורים נדיפים בחימום, והאדים מתקררים במהירות, נוצר ארסן צהוב. זה חוזר לצורה אפרפרה, כאשר הוא נתון לאור אולטרה סגול.

יישומים

סגסוגות

כמות קטנה של ארסן שנוספה לעופרת, מקשיחה את הסגסוגות שלה בכדי להשתמש בהן בציפוי כבלים, ובייצור מצברים לרכב.

תוספת ארסן לפליז, סגסוגת נחושת ואבץ, מגבירה את עמידותו בפני קורוזיה. מצד שני, הוא מתקן או מקטין את אובדן האבץ ב פליז, מה שגורם לעלייה בחיי השימוש שלו.

מכשירי חשמל

ארסן מטוהר משמש בטכנולוגיית מוליכים למחצה, שם הוא משמש בשילוב עם גליום וגרמניום, כמו גם בצורה של גליניום ארסניד (GaAs) שהוא המוליכים למחצה השני הנפוץ ביותר בשימוש.

ל- GaAs יש פער פס ישיר, אשר ניתן להשתמש בהם בייצור דיודות, לייזר ו- LED. בנוסף לארציניד גליום, ישנם ארסנידים אחרים, כמו אינדיסמין ארסניד וארסניד מאלומיניום, שהם גם מוליכים למחצה III-V.

בינתיים, קדמיום ארסניד הוא מוליך למחצה סוג II-IV. Arsine שימש בסמים מוליכים למחצה.

חקלאות ושימור עצים

מרבית היישומים בוטלו בגלל הרעילות הגבוהה שלהם ושל התרכובות שלהם. שכן ₂ O ₃ שימש כחומר הדברה, ואילו As ₂ O ₅ הוא מרכיב בקוטלי עשבים וקוטלי חרקים.

חומצת ארסן (H ₃ AsO ₄ ) ומלחים כמו סידן ארסנאט וארסן עופרת שימשו לעיקור קרקעות ולהדברת מזיקים. זה יוצר סיכון לזיהום סביבתי עם ארסן.

ארסן עופרת שימש כקוטל חרקים על עצי פרי עד למחצית הראשונה של המאה העשרים. אך בשל רעילותו הוא הוחלף על ידי נתרן מתילרסנאט, שהפסיק להשתמש מאותה סיבה מאז 2013.

תְרוּפָתִי

עד המאה העשרים השתמשו בכמה מתרכובותיה כתרופות. Arsphenamine ו- neolsalvarsan, למשל, שימשו לטיפול בעגבת ו טריפנוסומיאזיס.

בשנת 2000 אושר השימוש ב- As ₂ O ₃ , תרכובת רעילה ביותר , לטיפול בלוקמיה פרמיאלוציטית חריפה עמידה בפני חומצה רטינואית כל-טרנס. לאחרונה, האיזוטופ הרדיואקטיבי ⁷⁴ כפי ששימש לצורך לוקליזציה של גידולים.

האיזוטופ מייצר תמונות טובות, ברורות יותר מאלה שהושגו עם ה- ¹²⁴ I, מכיוון שהיוד מובל לבלוטת התריס ומייצר רעש באות.

שימושים אחרים

ארסן שימש בעבר כתוסף מזון לייצור עופות וחזירים.

הוא משמש כזרז בייצור תחמוצת אתילן. הוא משמש גם בזיקוקים ושיזוף. תחמוצת ארסן משמשת כממיס גוון לייצור זכוכית.

איפה זה נמצא?

ניתן למצוא ארסן בכמויות קטנות במצב יסודי, בדרגה גבוהה של טוהר. הוא קיים בתרכובות רבות, כגון: סולפידים, ארסנידים וסולפרורסנידים.

הוא נמצא גם בכמה מינרלים, ביניהם: ארסן-פיריט (FeSAs), loellingite (FeAs ₂ ), enargite (Cu ₃ AsS ₄ ), אורפימנט (As ₂ S ₃ ) ו- realgar (As ₄ S ₄ ).

איך היא מתקבלת?

Arsenopyrite מחומם ל 650-700 מעלות צלזיוס, בהיעדר אוויר. ארסן מתאדה ומשאיר משאיר ברזל גופריתי (FeS) כשאריות. במהלך תהליך זה, ארסן נקשר לחמצן ויוצר כ- ₄ O ₆ , המכונה "ארסן לבן."

כאשר ₄ O ₆ משתנה ליצירת As ₂ O ₃ , אשר אדיהם נאספים ומעובדים בתוך קבוצה של תאי לבנים, ומטהרים את הארסן על ידי סובלימציה.

מרבית הארסן מופק על ידי הפחתת הפחמן של האבק הנוצר של As ₂ O ₃ .

הפניות

1. סטיבן ר. מרסדן. (23 באפריל, 2019). כימיה של ארסן. כימיה LibreTexts. התאושש מ: chem.libretexts.org
2. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (03 בדצמבר 2018). עובדות מעניינות על ארסן. התאושש מ: thoughtco.com
3. ויקיפדיה. (2019). אַרסָן. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. ד"ר בצק סטיוארט. (2019). עובדות על ארסן. כימיקול. התאושש מ: chemicool.com
5. החברה המלכותית לכימיה. (2019). אַרסָן. התאושש מ: rsc.or
6. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (03 במאי 2019). אַרסָן. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com