ARSEN: GESCHICHTE, STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Arsen ist ein Halbmetall oder Halbmetall, das zur Gruppe 15 oder VA des Periodensystems gehört. Es wird durch das chemische Symbol As dargestellt und seine Ordnungszahl ist 33. Es kann in drei allotropen Formen gefunden werden: gelb, schwarz und grau; Letzteres ist das einzige mit industrieller Bedeutung.

Graues Arsen ist ein spröder, metallisch aussehender Feststoff mit einer stählernen, kristallinen Farbe (unteres Bild). Es verliert seinen Glanz an der Luft und bildet Arsenoxid (As ₂ O ₃ ), das beim Erhitzen einen Knoblauchgeruch abgibt. Andererseits sind seine gelben und schwarzen Allotrope molekular bzw. amorph.

Metallisches Arsen. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

Arsen kommt in der Erdkruste vor, die mit zahlreichen Mineralien verbunden ist. Im Heimatstaat kommt nur ein geringer Anteil vor, der jedoch mit Antimon und Silber in Verbindung gebracht wird.

Zu den häufigsten Mineralien, in denen Arsen enthalten ist, gehören: Realgar (As ₄ S ₄ ), Orpiment (As ₂ S ₃ ), Loellingit (FeAs ₂ ) und Enargit (Cu ₃ AsS ₄ ). Arsen entsteht auch als Nebenprodukt beim Schmelzen von Metallen wie Blei, Kupfer, Kobalt und Gold.

Arsenverbindungen sind toxisch, insbesondere Arsin (AsH ₃ ). Arsen hat jedoch zahlreiche industrielle Anwendungen, einschließlich des Legierens mit Blei, das bei der Herstellung von Autobatterien verwendet wird, und des Legierens mit Gallium mit verschiedenen Anwendungen in der Elektronik.

Geschichte seiner Entdeckung

Der Name "Arsen" stammt vom lateinischen Arsenicum und dem griechischen Arsenikon und bezieht sich auf das gelbe Orpiment, das die Hauptform der Verwendung von Arsen durch Alchemisten war.

Arsen war lange bevor es als chemisches Element erkannt wurde, bekannt und wurde in Form seiner Verbindungen verwendet. Zum Beispiel schrieb Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. Über Sandarache, eine Substanz, die heute als Arsen-Sulfid gilt.

Plinius der Ältere und Pedanius Discórides beschrieben im 1. Jahrhundert n. Chr. Orpiment, ein Mineral bestehend aus As ₂ S ₃ . Im 11. Jahrhundert wurden drei Arten von Arsen erkannt: Weiß (As ₄ O ₄ ), Gelb (As ₂ S ₃ ) und Rot (As ₄ S ₄ ).

Arsen als reines Element wurde erstmals von Albertus Magnus (1250) beobachtet. Magnus erhitzte das Arsensulfid mit Seife und bemerkte das Auftreten einer Substanz mit einer Eigenschaft, die dem grauen Allotrop im Bild ähnlich ist. Der erste authentische Bericht über seine Isolation wurde jedoch 1649 von Johann Schroeder, einem deutschen Apotheker, veröffentlicht.

Schröder stellte das Arsen durch Erhitzen seines Oxids mit Holzkohle her. Später gelang es Nicolas Lémery, es durch Erhitzen einer Mischung aus Arsenoxid, Seife und Kali herzustellen. Im 18. Jahrhundert wurde dieses Element schließlich als Halbmetall anerkannt.

Struktur von Arsen

Arsen ist isomorph zu Antimon; das heißt, sie sind strukturell identisch und unterscheiden sich nur in der Größe ihrer Atome. Jedes Arsenatom bildet drei kovalente As-As-Bindungen, so dass sie "faltige oder steile" hexagonale As ₆ -Einheiten bilden , da die Hybridisierung der As-Atome sp ^{3 ist} .

Dann verbinden sich die As ₆ -Einheiten und es entstehen steile Arsenschichten, die schwach miteinander interagieren. Aufgrund ihrer intermolekularen Kräfte, die vor allem von ihren Atommassen abhängen, verleihen die rhomboedrischen grauen Arsenkristalle dem Feststoff eine zerbrechliche und spröde Textur.

Möglicherweise aufgrund der Abstoßung des freien Elektronenpaares Arsen definieren die zwischen parallelen Schichten gebildeten As ₆ -Einheiten kein perfektes, aber verzerrtes Oktaeder:

Kristallstruktur von grauem Arsen. Quelle: Gabriel Bolívar.

Beachten Sie, dass die schwarzen Kugeln die verzerrte Ebene im Raum zwischen zwei steilen Schichten zeichnen. Ebenso befinden sich in der darunter liegenden Schicht bläuliche Kugeln, die zusammen mit der schwarzen Kugel die am Anfang des Abschnitts erwähnte As ₆ -Einheit bilden .

Die Struktur sieht ordentlich aus, die Reihen gehen auf und ab und sind daher kristallin. Es kann jedoch amorph werden, wobei die Kugeln auf unterschiedliche Weise zusammengedrückt werden. Wenn graues Arsen amorph wird, wird es zu einem Halbleiter.

Gelbes Arsen

Gelbes Arsen, das giftigste Allotrop dieses Elements, ist ein rein molekularer Feststoff. Es besteht aus As-Molekülen ₄ Einheiten aufgrund schwacher Dispersionskräfte, die nicht verhindern, dass sie sich verflüchtigen.

Schwarzes Arsen

Schwarzes Arsen ist amorph; aber nicht wie das graue Allotrop sein kann. Seine Struktur ist der gerade beschriebenen etwas ähnlich, mit dem Unterschied, dass seine As ₆ -Einheitsebenen größere Flächen und unterschiedliche Störungsmuster aufweisen.

Elektronische Konfiguration

3d ¹⁰ 4s ² 4p ³

Es sind alle Orbitale der Stufe 3 gefüllt. Es bildet Bindungen unter Verwendung der 4s- und 4p-Orbitale (sowie des 4d) durch verschiedene chemische Hybridisierungen.

Eigenschaften

Molekulargewicht

74,922 g / mol

Physische Beschreibung

Graues Arsen ist ein grauer Feststoff mit einem metallischen Aussehen und einer spröden Konsistenz.

Farbe

Drei allotrope Formen, gelb (alpha), schwarz (beta) und grau (gamma).

Geruch

Toilette

Geschmack

Geschmacklos

Schmelzpunkt

1.090 K bei 35,8 atm (Tripelpunkt von Arsen).

Bei normalem Druck hat es keinen Schmelzpunkt, da es auf 887 K sublimiert.

Dichte

-Graues Arsen: 5,73 g / cm ³ .

-Gelbes Arsen: 1,97 g / cm ³ .

Wasserlöslichkeit

Unlöslich

Atomradio

139 Uhr

Atomvolumen

13,1 cm ³ / mol

Kovalenter Radius

120 Uhr

Spezifische Wärme

0,328 J / gmol bei 20 ° C.

Verdunstungswärme

32,4 kJ / mol

Elektronegativität

2.18 auf der Pauling-Skala

Ionisationsenergie

Erste Ionisierungsenergie 946,2 kJ / mol

Oxidationszustände

-3, +3, +5

Stabilität

Elementares Arsen ist in trockener Luft stabil, aber wenn es feuchter Luft ausgesetzt wird, wird es mit einer bronzegelben Schicht überzogen, die zu einer schwarzen Schicht aus Arsenoxid (As ₂ O ₃ ) werden kann.

Zersetzung

Wenn Arsen zur Zersetzung erhitzt wird, entsteht ein weißer Rauch von As ₂ O ₃ . Das Verfahren ist gefährlich, da auch Arsin, ein sehr giftiges Gas, freigesetzt werden kann.

Selbstentzündung

180 ºC

Härte

3,5 auf der Mohsschen Härteskala.

Reaktivität

Es wird nicht von kalter Schwefelsäure oder konzentrierter Salzsäure angegriffen. Reagiert mit heißer Salpetersäure oder Schwefelsäure unter Bildung von Arsen und Arsen.

Wenn graues Arsen durch Erhitzen verflüchtigt wird und die Dämpfe schnell abgekühlt werden, entsteht ein gelbes Arsen. Dies kehrt zur grauen Form zurück, wenn es ultraviolettem Licht ausgesetzt wird.

Anwendungen

Legierungen

Eine kleine Menge Arsen, die dem Blei zugesetzt wird, härtet seine Legierungen so weit aus, dass sie bei der Beschichtung von Kabeln und bei der Herstellung von Autobatterien verwendet werden können.

Die Zugabe von Arsen zu Messing, einer Legierung aus Kupfer und Zink, erhöht die Korrosionsbeständigkeit. Andererseits korrigiert oder verringert es den Zinkverlust im Messing, was zu einer Verlängerung seiner Lebensdauer führt.

Elektronik

Gereinigtes Arsen wird in der Halbleitertechnologie verwendet, wo es in Verbindung mit Gallium und Germanium verwendet wird, sowie in Form von Galliumarsenid (GaAs), dem zweithäufigsten Halbleiter.

GaAs haben eine direkte Bandlücke, die bei der Herstellung von Dioden, Lasern und LEDs verwendet werden kann. Neben Galliumarsenid gibt es noch andere Arsenide wie Indiumarsenid und Aluminiumarsenid, die ebenfalls III-V-Halbleiter sind.

Inzwischen ist Cadmiumarsenid ein Halbleiter vom Typ II-IV. Arsin wurde bei der Halbleiterdotierung verwendet.

Landwirtschaft und Holzschutz

Die meisten Anwendungen wurden aufgrund ihrer hohen Toxizität und der ihrer Verbindungen verschrottet. As ₂ O ₃ wurde als Pestizid verwendet, während As ₂ O ₅ ein Bestandteil von Herbiziden und Insektiziden ist.

Arsen (H ₃ AsO ₄ ) und Salze wie Calciumarsenat und Bleiarsenat wurden verwendet, um Böden zu sterilisieren und Schädlinge zu bekämpfen . Dies birgt das Risiko einer Umweltverschmutzung mit Arsen.

Bleiarsenat wurde bis zur ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts als Insektizid bei Obstbäumen eingesetzt. Aufgrund seiner Toxizität wurde es jedoch durch Natriummethylarsenat ersetzt, das seit 2013 aus demselben Grund nicht mehr verwendet wird.

Medizinisch

Bis zum 20. Jahrhundert wurden mehrere seiner Verbindungen als Arzneimittel verwendet. Arsphenamin und Neolsalvarsan wurden beispielsweise zur Behandlung von Syphilis und Trypanosomiasis verwendet.

Im Jahr 2000 wurde die Verwendung von As ₂ O ₃ , einer hochtoxischen Verbindung , zur Behandlung der akuten Promyelozyten-Leukämie, die gegen all-trans-Retinsäure resistent ist, zugelassen. Kürzlich wurde das radioaktive Isotop ⁷⁴ As zur Tumorlokalisierung verwendet.

Das Isotop erzeugt gute Bilder, die klarer sind als die mit dem ¹²⁴ I erhaltenen, da das Jod zur Schilddrüse transportiert wird und Rauschen im Signal erzeugt.

Andere Verwendungen

Arsen wurde in der Vergangenheit als Futtermittelzusatzstoff bei der Geflügel- und Schweineproduktion verwendet.

Es wird als Katalysator bei der Herstellung von Ethylenoxid verwendet. Es wird auch in Feuerwerkskörpern und zum Bräunen verwendet. Arsenoxid wird als Entfärbungsmittel bei der Herstellung von Glas verwendet.

Wo befindet es sich?

Arsen kann in geringen Mengen in einem elementaren Zustand mit einem hohen Reinheitsgrad gefunden werden. Es ist in zahlreichen Verbindungen vorhanden, wie: Sulfiden, Arseniden und Sulfoarseniiden.

Es kommt auch in verschiedenen Mineralien vor, darunter: Arsenopyrit (FeSAs), Loellingit (FeAs ₂ ), Enargit (Cu ₃ AsS ₄ ), Orpiment (As ₂ S ₃ ) und Realgar (As ₄ S ₄ ).

Wie wird es erhalten?

Arsenopyrit wird in Abwesenheit von Luft auf 650-700ºC erhitzt. Arsen verdampft und hinterlässt Eisensulfid (FeS) als Rückstand. Während dieses Prozesses bindet Arsen an Sauerstoff und bildet As ₄ O ₆ , bekannt als "weißes Arsen".

As ₄ O ₆ wird modifiziert, um As ₂ O ₃ zu bilden , dessen Dämpfe in einer Reihe von Ziegelkammern gesammelt und kondensiert werden, wodurch das Arsen durch Sublimation gereinigt wird.

Das meiste Arsen wird durch Kohlenstoffreduktion des gebildeten Staubes von As ₂ O _{3 erzeugt} .

Verweise

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