آرسنیک چیست؟ ویژگی ها، خواص و کاربردها

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

آرسنیک یک عنصر شیمیایی از گروه نیتروژن (گروه 15 جدول تناوبی) است. این ماده شکننده (α-آرسنیک) خاکستری با درخشندگی فلزی با شبکه کریستالی لوزی شکل است. هنگامی که تا 600 درجه سانتیگراد گرم می شود، As تصعید می شود. هنگامی که بخار خنک می شود، یک اصلاح جدید ظاهر می شود - آرسنیک زرد. در دمای بالاتر از 270 درجه سانتیگراد، همه اشکال به آرسنیک سیاه تبدیل می شوند.

تاریخچه کشف

آرسنیک مدتها قبل از اینکه به عنوان یک عنصر شیمیایی شناخته شود شناخته شده بود. در قرن چهارم. قبل از میلاد مسیح ه. ارسطو از ماده ای به نام ساندارک یاد کرد که امروزه اعتقاد بر این است که آن را رئالگار یا سولفید آرسنیک است. و در قرن اول ق. ه. نویسندگان Pliny the Elder و Pedanius Dioscorides زینت را توصیف کردند - رنگ را به عنوان₂S₃. در قرن XI. n ه. سه نوع "آرسنیک" متمایز شد: سفید (As₄O₆)، زرد (As₂ S ₃) و قرمز (As₄S₄). خود این عنصر احتمالاً اولین بار در قرن سیزدهم توسط آلبرت کبیر جدا شد، که به ظاهر یک ماده فلزی مانند آرسنیک اشاره کرد، نام دیگری As₂S₃ ، با صابون گرم شد. اما هیچ اطمینانی وجود ندارد که این دانشمند طبیعی آرسنیک خالص دریافت کرده باشد. اولین شواهد معتبر از جداسازی یک عنصر شیمیایی خالصمورخ 1649. یوهان شرودر داروساز آلمانی آرسنیک را با حرارت دادن اکسید آن در حضور زغال سنگ تهیه کرد. بعدها نیکلاس لمری، پزشک و شیمیدان فرانسوی، تشکیل این عنصر شیمیایی را با حرارت دادن مخلوطی از اکسید، صابون و پتاس آن مشاهده کرد. در آغاز قرن هجدهم، آرسنیک از قبل به عنوان یک نیمه فلز منحصر به فرد شناخته می شد.

شیوع

در پوسته زمین، غلظت آرسنیک کم و به 1.5ppm می رسد. در خاک و مواد معدنی وجود دارد و می تواند از طریق فرسایش باد و آب در هوا، آب و خاک منتشر شود. علاوه بر این، عنصر از منابع دیگر وارد جو می شود. در اثر فوران های آتشفشانی، سالانه حدود 3 هزار تن آرسنیک در هوا، میکروارگانیسم ها سالانه 20 هزار تن متیلارسین فرار و در نتیجه سوزاندن سوخت های فسیلی، 80 هزار تن در همین مدت آزاد می شود..

علیرغم این واقعیت که As یک سم کشنده است، بخش مهمی از رژیم غذایی برخی از حیوانات و احتمالاً انسان ها است، اگرچه دوز مورد نیاز از 0.01 میلی گرم در روز تجاوز نمی کند.

آرسنیک تبدیل به حالت محلول در آب یا فرار بسیار دشوار است. این واقعیت که کاملاً متحرک است به این معنی است که غلظت زیادی از این ماده در یک مکان نمی تواند ظاهر شود. از یک طرف این خوب است، اما از طرف دیگر، سهولت انتشار آن دلیلی است که آلودگی آرسنیک به یک مشکل فزاینده تبدیل می شود. به دلیل فعالیت‌های انسانی، عمدتاً از طریق استخراج معدن و ذوب، یک عنصر شیمیایی غیرمتحرک به طور معمول مهاجرت می‌کند و اکنون نه تنها در مکان‌ها یافت می‌شود.غلظت طبیعی آن.

میزان آرسنیک در پوسته زمین حدود ۵ گرم در تن است. در فضا، غلظت آن 4 اتم در هر میلیون اتم سیلیکون برآورد شده است. این عنصر گسترده است. مقدار کمی در حالت بومی وجود دارد. به عنوان یک قاعده، تشکیل آرسنیک با خلوص 90-98٪ همراه با فلزاتی مانند آنتیموان و نقره یافت می شود. با این حال، بیشتر آن در ترکیب بیش از 150 ماده معدنی مختلف - سولفیدها، آرسنیدها، سولفوآرسنیدها و آرسنیت ها قرار دارد. آرسنوپیریت FeAsS یکی از رایج ترین کانی های As-bearing است. سایر ترکیبات رایج آرسنیک، مواد معدنی رئالگار هستند. 3، _{lellingite FeAs}2 _{و انارژیت Cu}3_AsS4_{. اکسید آرسنیک نیز رایج است. بیشتر این ماده محصول جانبی ذوب سنگ معدن مس، سرب، کبالت و طلا است.}

در طبیعت، تنها یک ایزوتوپ پایدار آرسنیک وجود دارد - ⁷⁵As. در بین ایزوتوپ های رادیواکتیو مصنوعی، ⁷⁶ مانند با نیمه عمر 26.4 ساعت برجسته است. آرسنیک-72، -74 و -76 در تشخیص پزشکی استفاده می شود.

تولید صنعتی و کاربرد

آرسنیک فلزی با حرارت دادن آرسنوپیریت در دمای 650-700 درجه سانتیگراد بدون هوا به دست می آید. اگر آرسنوپیریت و سایر سنگ‌های فلزی با اکسیژن گرم شوند، As به راحتی با آن ترکیب می‌شود و به راحتی تصعید می‌شود. مانند "سفیدآرسنیک". بخار اکسید جمع آوری و متراکم می شود و بعداً با تصعید مجدد خالص می شود. بیشترین مقدار As توسط احیای کربن از آرسنیک سفید حاصل می شود.

مصرف جهانی آرسنیک فلزی نسبتاً کم است - فقط چند صد تن در سال. بیشتر چیزی که مصرف می شود از سوئد می آید. به دلیل خواص متالوئیدی که دارد در متالورژی استفاده می شود. حدود 1٪ آرسنیک در تولید شات سرب استفاده می شود، زیرا گردی قطره مذاب را بهبود می بخشد. خواص آلیاژهای یاتاقان مبتنی بر سرب زمانی که حاوی حدود 3 درصد آرسنیک باشند، هم از نظر حرارتی و هم از نظر مکانیکی بهبود می‌یابند. وجود مقدار کمی از این عنصر شیمیایی در آلیاژهای سرب آنها را برای استفاده در باتری و زره کابل سخت می کند. ناخالصی های کوچک آرسنیک باعث افزایش مقاومت به خوردگی و خواص حرارتی مس و برنج می شود. در شکل خالص خود، عنصر شیمیایی As برای آبکاری برنز و در صنایع آتش نشانی استفاده می شود. آرسنیک بسیار خالص شده در فناوری نیمه هادی استفاده می شود، جایی که با سیلیکون و ژرمانیوم و به شکل آرسنید گالیم (GaAs) در دیودها، لیزرها و ترانزیستورها استفاده می شود.

اتصالات به عنوان

از آنجایی که ظرفیت آرسنیک 3 و 5 است و دارای تعدادی حالت اکسیداسیون از -3 تا +5 است، این عنصر می تواند انواع مختلفی از ترکیبات را تشکیل دهد. از نظر تجاری مهمترین اکسیدهای آن هستند که اشکال اصلی آن عبارتند از ₄O₆ وبه عنوان₂O₅. اکسید آرسنیک که معمولاً به عنوان آرسنیک سفید شناخته می شود، محصول جانبی برشته کردن سنگ معدن مس، سرب و برخی فلزات دیگر و همچنین سنگ معدن آرسنوپیریت و سولفید است. این ماده اولیه برای اکثر ترکیبات دیگر است. علاوه بر این، در آفت کش ها، به عنوان یک عامل سفید کننده در تولید شیشه و به عنوان نگهدارنده برای چرم ها استفاده می شود. پنتوکسید آرسنیک از اثر یک عامل اکسید کننده (مثلاً اسید نیتریک) روی آرسنیک سفید تشکیل می شود. این ماده اصلی در حشره کش ها، علف کش ها و چسب های فلزی است.

آرسین (AsH₃)، یک گاز سمی بی رنگ متشکل از آرسنیک و هیدروژن، یکی دیگر از مواد شناخته شده است. این ماده که هیدروژن آرسنیک نیز نامیده می شود، از هیدرولیز آرسنیدهای فلزی و احیای فلزات از ترکیبات آرسنیک در محلول های اسیدی به دست می آید. به عنوان یک ماده ناخالص در نیمه هادی ها و به عنوان یک گاز سمی نظامی استفاده شده است. در کشاورزی، اسید آرسنیک (H₃AsO₄)، آرسنات سرب (PbHAsO₄4 4 _{) و آرسنات کلسیم [Ca}3_(AsO4₎2

]، که برای استریل کردن خاک و کنترل آفات استفاده می شود.

آرسنیک یک عنصر شیمیایی است که بسیاری از ترکیبات آلی را تشکیل می دهد. HowOne (CH₃)₂As−As(CH₃)_{2 به عنوان مثال،} در تهیه یک ماده خشک کننده (دسیکنت) پرکاربرد - اسید کاکودیلیک استفاده می شود. ترکیبات آلی پیچیده این عنصر در درمان بیماری های خاص مانند اسهال خونی آمیبی،ناشی از میکروارگانیسم ها.

خواص فیزیکی

آرسنیک از نظر خواص فیزیکی چیست؟ در پایدارترین حالت، جامد خاکستری شکننده و فولادی با هدایت حرارتی و الکتریکی کم است. اگرچه برخی از اشکال As شبیه فلز هستند، طبقه بندی آن به عنوان غیرفلز توصیف دقیق تری از آرسنیک است. انواع دیگری از آرسنیک وجود دارد، اما آنها به خوبی مورد مطالعه قرار نگرفته‌اند، به‌ویژه شکل زرد متابعت‌پذیر، متشکل از مولکول‌های As₄، شبیه به فسفر سفید P_{4.. آرسنیک در دمای 613 درجه سانتیگراد تصعید می شود و به صورت بخار به عنوان مولکولهای As}4 _{وجود دارد که تا حدود 800 درجه سانتیگراد تجزیه نمی شوند. تفکیک کامل به مولکول‌های As}2 _{در 1700 درجه سانتی‌گراد رخ می‌دهد.}

ساختار اتم و توانایی تشکیل پیوند

فرمول الکترونیکی آرسنیک 1s²2s²2p⁶3s2^3p6^3d10^4s2^4p 3 - ^{شباهت به نیتروژن و فسفر دارد زیرا دارای پنج الکترون در لایه بیرونی است، اما تفاوت آن با داشتن 18 الکترون در لایه ماقبل آخر به جای دو یا هشت الکترون است. افزودن 10 بار مثبت در هسته در حین پر کردن پنج اوربیتال 3 بعدی اغلب باعث کاهش کلی ابر الکترونی و افزایش الکترونگاتیوی عناصر می شود. آرسنیک در جدول تناوبی را می توان با گروه های دیگری که به وضوح این الگو را نشان می دهند مقایسه کرد. به عنوان مثال، به طور کلی پذیرفته شده است که روی استالکترونگاتیوتر از منیزیم و گالیم از آلومینیوم. با این حال، در گروه‌های بعدی، این تفاوت کاهش می‌یابد و بسیاری با وجود شواهد شیمیایی فراوان، مخالف هستند که ژرمانیوم از سیلیکون الکترونگاتیوتر است. انتقال مشابه از پوسته 8 به 18 عنصر از فسفر به آرسنیک می تواند الکترونگاتیوی را افزایش دهد، اما این موضوع بحث برانگیز است.}

شباهت لایه بیرونی As و P نشان می دهد که آنها می توانند 3 پیوند کووالانسی در هر اتم در حضور یک جفت الکترون غیرپیوندی اضافی تشکیل دهند. بنابراین، بسته به الکترونگاتیوی نسبی متقابل، حالت اکسیداسیون باید 3+ یا -3 باشد. ساختار آرسنیک همچنین از امکان استفاده از اوربیتال d بیرونی برای گسترش اکتت صحبت می کند که به عنصر اجازه می دهد 5 پیوند تشکیل دهد. تنها با واکنش با فلوئور به دست می آید. وجود یک جفت الکترون آزاد برای تشکیل ترکیبات پیچیده (از طریق اهدای الکترون) در اتم As بسیار کمتر از فسفر و نیتروژن است.

آرسنیک در هوای خشک پایدار است، اما در هوای مرطوب با اکسید سیاه پوشیده می شود. بخار آن به راحتی می سوزد و به صورت ₂O₃ شکل می گیرد. آرسنیک آزاد چیست؟ عملاً تحت تأثیر آب، قلیایی ها و اسیدهای غیر اکسید کننده قرار نمی گیرد، اما توسط اسید نیتریک به حالت 5+ اکسید می شود. هالوژن ها، گوگرد با آرسنیک واکنش می دهند و بسیاری از فلزات آرسنید تشکیل می دهند.

شیمی تجزیه

ماده آرسنیک را می توان از نظر کیفی به عنوان یک رنگ زرد رنگ که تحت تأثیر 25 درصد رسوب می کند تشخیص داد.محلول اسید هیدروکلریک ردیابی As به طور کلی با تبدیل آن به آرسین مشخص می شود که با استفاده از تست مارش قابل تشخیص است. آرسین از نظر حرارتی تجزیه می شود و یک آینه آرسنیک سیاه در داخل یک لوله باریک تشکیل می دهد. طبق روش Gutzeit، کاوشگر آغشته به کلرید جیوه، تحت تأثیر آرسین، در اثر آزاد شدن جیوه تیره می شود.

ویژگی های سمی آرسنیک

سمیت عنصر و مشتقات آن به طور گسترده ای در طیف گسترده ای متفاوت است، از آرسین بسیار سمی و مشتقات آلی آن تا به سادگی As، که نسبتاً بی اثر است. استفاده از ترکیبات آلی آن به‌عنوان عوامل جنگ شیمیایی (لویزیت)، وزیکانت و برگ‌زدایی (عامل آبی بر پایه مخلوط آبی 5 درصد اسید کاکودیلیک و 26 درصد نمک سدیم آن) به ما می‌گوید آرسنیک چیست.

به طور کلی، مشتقات این عنصر شیمیایی باعث تحریک پوست و ایجاد درماتیت می شود. محافظت استنشاقی در برابر گرد و غبار حاوی آرسنیک نیز توصیه می شود، اما بیشتر مسمومیت ها زمانی اتفاق می افتد که بلعیده شود. حداکثر غلظت مجاز As در گرد و غبار برای یک روز کاری هشت ساعته 0.5 میلی گرم در مترمربع ³ است. برای آرسین، دوز به 0.05 ppm کاهش می یابد. علاوه بر استفاده از ترکیبات این عنصر شیمیایی به‌عنوان علف‌کش و آفت‌کش، استفاده از آرسنیک در فارماکولوژی، دستیابی به سالوارسان، اولین داروی موفق علیه سیفلیس را ممکن کرد.

اثرات سلامت

آرسنیک یکی از سمی ترین عناصر است. ترکیبات معدنی یک ماده شیمیایی معینمواد به طور طبیعی در مقادیر کم وجود دارند. انسان می تواند از طریق غذا، آب و هوا در معرض آرسنیک قرار گیرد. قرار گرفتن در معرض همچنین می تواند از طریق تماس پوست با خاک یا آب آلوده رخ دهد.

میزان آرسنیک در غذا بسیار کم است. با این حال، سطح ماهی و غذاهای دریایی می تواند بسیار بالا باشد زیرا آنها مواد شیمیایی را از آبی که در آن زندگی می کنند جذب می کنند. مقادیر قابل توجهی آرسنیک غیر آلی در ماهی می تواند برای سلامت انسان خطرآفرین باشد.

افرادی که با این ماده کار می کنند، در خانه های ساخته شده از چوب ساخته شده با آن زندگی می کنند و در زمین های کشاورزی که در گذشته از آفت کش ها استفاده می شده است نیز در معرض این ماده هستند.

آرسنیک غیر آلی می تواند اثرات سلامتی مختلفی مانند تحریک معده و روده، کاهش تولید گلبول های قرمز و سفید، تغییرات پوستی و تحریک ریه در انسان ایجاد کند. اعتقاد بر این است که مصرف مقادیر قابل توجهی از این ماده ممکن است شانس ابتلا به سرطان، به ویژه سرطان های پوست، ریه، کبد و سیستم لنفاوی را افزایش دهد.

غلظت بسیار بالای آرسنیک غیر آلی باعث ناباروری و سقط جنین در زنان، درماتیت، کاهش مقاومت در برابر عفونت ها، مشکلات قلبی و آسیب مغزی می شود. علاوه بر این، این عنصر شیمیایی می تواند به DNA آسیب برساند.

دوز کشنده آرسنیک سفید 100 میلی گرم است.

ترکیبات آلی این عنصر باعث سرطان یا آسیب به کد ژنتیکی نمی شود، اما دوزهای بالا می تواندباعث آسیب به سلامت انسان، مانند ایجاد اختلالات عصبی یا درد شکم شود.