البنية
ليست رسماً تخطيطياً لنقاط على حلقات — بل عينة مونت كارلو لكثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل مستوى فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير اللونان الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين للدالة الموجية، وهو ما يجعل الترابط ممكناً.
القيم المقيسة
يوضح كل شريط موضع زرنيخ بين العناصر الـ118 جميعها بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق مقياس
Radius 119 pm — that is 0.119 nm, so about 4202 million of them side by side would span a millimetre.
النطاق الحراري
عند الضغط العادي، لا يملك زرنيخ حالة سائلة على الإطلاق. فهو يتسامى عند 887 K، وينتقل مباشرةً من الحالة الصلبة إلى البخار. إن نقطة الانصهار البالغة 1090 K حقيقية، لكنها لا تحدث إلا فوق نحو 3.63 MPa.
القصة
يُعدّ الزرنيخ على الأرجح أشهر شبه فلز سيئ السمعة في الجدول الدوري؛ فقد عُرف عبر التاريخ بوصفه سمًّا قاتلًا، ومع ذلك فهو ضروري تمامًا للتكنولوجيا الحديثة. هذا العنصر ذو اللون الرمادي الفولاذي يتمتع بسمعة أكثر قتامة من أي عنصر آخر، لكنه ضروري أيضًا لأشباه الموصلات والمبيدات الحشرية وحتى الطب. يأتي الاسم من الكلمة اليونانية "arsenikos" التي تعني أصفر الزرنيخ، وهو معدن زرنيخ جميل لكنه قاتل. عُرفت مركبات الزرنيخ منذ العصور القديمة، واستُخدمت للقتل والطب على حد سواء لأكثر من 2,000 عام. تصف النصوص المصرية واليونانية والرومانية القديمة التسمم بالزرنيخ، وقد عُرف خلال عصر النهضة باسم "ملك السموم" لأنه كان عديم الطعم والرائحة، ويكاد يستحيل اكتشافه. ومع ذلك، وعلى نحو متناقض، استُخدمت مركبات الزرنيخ أيضًا أدويةً، ومنها "محلول فاولر" الشهير الذي استُخدم لعلاج كل شيء، من الحمى إلى الأمراض الجلدية. ما يجعل الزرنيخ مثيرًا للاهتمام علميًا هو خصائصه غير المعتادة. فهو يوجد في عدة متآصلات: الشكل المعدني الرمادي المستقر، وشكل أصفر لا فلزي، وشكل أسود غير متبلور. والزرنيخ الرمادي شبه موصل فعليًا وليس فلزًا حقيقيًا، كما أنه يتسامى، أي ينتقل مباشرة من الحالة الصلبة إلى الغازية، عند تسخينه، مكوِّنًا بخار زرنيخ سامًا. تعتمد التكنولوجيا الحديثة اعتمادًا كبيرًا على الزرنيخ رغم سميته. فأشباه موصلات زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أسرع وأكثر كفاءة من السيليكون في التطبيقات ذات الترددات العالية. ويحتوي هاتفك المحمول ونظام GPS ومصابيح LED جميعها على مركبات زرنيخ. ولن تكون الألواح الشمسية وثنائيات الليزر واتصالات الأقمار الصناعية ممكنة من دون أشباه الموصلات القائمة على الزرنيخ. إليك أمرًا مفاجئًا: الزرنيخ ضروري فعلًا للحياة بكميات ضئيلة. تستخدم بعض الكائنات الزرنيخ في كيميائها الحيوية، ويحتاج الإنسان إلى كميات ضئيلة منه للنمو والتطور السليمين. ومع ذلك، فإن الفرق بين الجرعات الضرورية والسامة صغير للغاية.
كان الزرنيخ معروفًا للبشر منذ العصور القديمة، لكن الاعتراف به عنصرًا كيميائيًا متميزًا تطور تدريجيًا عبر قرون من خلال أعمال العديد من الكيميائيين والخيميائيين. وكانت الحضارات القديمة، ومنها اليونانيون والرومان والصينيون، على دراية بمركبات الزرنيخ، ولا سيما معدني الأوربيمنت والريجار الكبريتيْن، اللذين استُخدما صبغتين وفي الطب التقليدي رغم سميتهما. ويُشتق اسم العنصر من الكلمة اليونانية "arsenikos"، التي تعني "ذكوري" أو "قوي"، وتعكس الفهم القديم لخصائصه القوية والخطيرة. ووصف الخيميائيون العرب في القرن 8، ومنهم جابر بن حيان المعروف باللاتينية باسم Geber، طرق تحضير مركبات زرنيخ مختلفة، وتعرفوا على خصائصها المميزة. ويُنسب أول عزل واضح للزرنيخ الفلزي إلى الخيميائي الألماني ألبرتوس ماغنوس نحو عام 1250 ميلاديًا، إذ حصل على العنصر بتسخين الأوربيمنت مع مادة عضوية، رغم أنه ربما لم يفهم تمامًا طبيعة ما أنتجه. ووثّق الراهب الدومينيكاني والعالم ألبرت الكبير إجراءات الحصول على "مادة فلزية" من معادن الزرنيخ، وهو ما يمثل إحدى أقدم عمليات عزل الزرنيخ العنصري المسجلة. وبدأت الدراسة المنهجية للزرنيخ بجدية خلال القرن 18، عندما قدم الكيميائي السويدي جورج براندت أوصافًا مفصلة لخصائص الزرنيخ وسلوكه الكيميائي. ونشر الكيميائي الألماني يوهان شرودر دراسات شاملة عن مركبات الزرنيخ في القرن 17، وأسهم إسهامًا كبيرًا في فهم كيمياء العنصر. وأدى تطور الكيمياء التحليلية في القرنين 18 و19 إلى توصيف أكثر دقة لخصائص الزرنيخ والاعتراف به عنصرًا متميزًا في النظام الدوري الناشئ. وأدت الصلة التاريخية سيئة السمعة بين الزرنيخ والتسمم إلى أبحاث واسعة في الكشف عنه وتحليله، مما حفز تقدمًا في الكيمياء التحليلية وعلوم الأدلة الجنائية.
الاستخدامات
للزرنيخ، رغم سمعته السيئة المعروفة بوصفه سمًّا، عدة تطبيقات صناعية وتقنية مهمة عند التعامل معه وضبطه على نحو صحيح. تستخدم صناعة أشباه الموصلات الزرنيخ فائق النقاء في إنتاج أشباه موصلات زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، الضرورية للأجهزة الإلكترونية ذات الترددات العالية، وإضاءة LED، وثنائيات الليزر، والخلايا الشمسية. وتوفر أشباه الموصلات المحتوية على الزرنيخ خصائص أداء متفوقة مقارنةً بالسيليكون في التطبيقات التي تتطلب سرعة عالية أو كفاءة كبيرة في استخدام الطاقة. وتعتمد صناعة الإلكترونيات على مركبات الزرنيخ في تصنيع الدوائر المتكاملة، ولا سيما في التطبيقات المتخصصة مثل أجهزة الموجات الدقيقة والمكونات البصرية الإلكترونية. وقد مثّل حفظ الأخشاب تاريخيًا استخدامًا رئيسيًا لمركبات الزرنيخ، ولا سيما زرنيخات النحاس المكرومة (CCA)، إلا أن هذا التطبيق أُلغي تدريجيًا إلى حد كبير في بلدان كثيرة بسبب المخاوف الصحية والبيئية. وتستخدم صناعة الزجاج ثالث أكسيد الزرنيخ عاملًا للتنقية لإزالة الفقاعات وتحسين الصفاء البصري، ولا سيما في إنتاج الزجاج البصري عالي الجودة وشاشات التلفزيون. وتعمل مركبات الزرنيخ موادَّ مطعِّمة في عملية تصنيع أشباه الموصلات، إذ تُضاف كميات دقيقة منها لتعديل الخصائص الكهربائية للسيليكون ومواد أشباه الموصلات الأخرى. وقد وجد المجال الطبي تطبيقات متخصصة لمركبات الزرنيخ في علاج السرطان، ولا سيما ثالث أكسيد الزرنيخ لعلاج أنواع معينة من ابيضاض الدم، حيث أظهر فعالية ملحوظة رغم سميته. وتشمل التطبيقات الزراعية بعض المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب، إلا أن هذه الاستخدامات تخضع لتنظيم صارم وتتراجع بسبب المخاوف البيئية والصحية. وتتواصل الأبحاث حول التطبيقات المحتملة للزرنيخ في التقنيات المتقدمة، ومنها الحوسبة الكمومية والسبائك المتخصصة لتطبيقات الطيران والفضاء. وتستخدم الصناعة الفلزية الزرنيخ عاملَ سبك في المواد القائمة على الرصاص لتحسين الصلابة ومقاومة التآكل.
أهم تطبيق حديث للزرنيخ هو تصنيع أشباه الموصلات، إذ يُكوِّن مركبات زرنيخيد الغاليوم المستخدمة في جميع الهواتف الذكية تقريبًا ومصابيح LED وأجهزة الاتصالات اللاسلكية. وتعتمد الألواح الشمسية، ولا سيما المصممة لتطبيقات الفضاء، على خلايا زرنيخيد الغاليوم التي تحتوي على الزرنيخ لتحقيق أقصى كفاءة في تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. وتعتمد بنية الإنترنت عالي السرعة على ثنائيات الليزر وكواشف الضوء المحتوية على الزرنيخ والمستخدمة في أنظمة الاتصالات عبر الألياف الضوئية. وتحتوي المصابيح الأمامية والخلفية بتقنية LED في السيارات على أشباه موصلات قائمة على الزرنيخ لسطوعها وكفاءتها في استهلاك الطاقة. وتستخدم التطبيقات العسكرية والفضائية مركبات الزرنيخ في أنظمة الرادار واتصالات الأقمار الصناعية ومعدات الحرب الإلكترونية. وتواصل صناعة الزجاج استخدام كميات صغيرة من ثالث أكسيد الزرنيخ في إنتاج الزجاج المتخصص، بما في ذلك العدسات البصرية وشاشات التلفزيون الراقية. وتستخدم أقسام طب الأورام ثالث أكسيد الزرنيخ عاملًا للعلاج الكيميائي لأنواع محددة من سرطانات الدم، وقد ثبتت فعاليته العالية. وتستخدم مختبرات الأبحاث في أنحاء العالم الزرنيخ فائق النقاء في أجهزة أشباه الموصلات التجريبية وتطبيقات الأبحاث الكمومية. ولا تزال بعض السبائك المعدنية المتخصصة تحتوي على كميات صغيرة من الزرنيخ لتحسين خصائص المواد في تطبيقات صناعية محددة. وتستخدم معدات الرصد البيئي مستشعرات وكواشف قائمة على الزرنيخ لقياس جودة الهواء والماء. وحتى الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، مثل معالجات الحاسوب وبطاقات الرسوميات، تحتوي على كميات ضئيلة من الزرنيخ في مكوناتها من أشباه الموصلات. ويستخدم قطاع الطاقة المتجددة مركبات الزرنيخ في الأنظمة الكهروضوئية المتقدمة المصممة لتحقيق أقصى كفاءة في توليد الطاقة.
مصدره
1.8 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 56% of elements
يتوزع الزرنيخ على نطاق واسع في قشرة الأرض بتركيز متوسط يبلغ تقريبًا 1.8 جزء في المليون، مما يجعله أكثر وفرة من كثير من العناصر النزرة الأخرى، لكنه نادرًا ما يوجد في رواسب مركزة. يوجد العنصر طبيعيًا في أكثر من 200 نوع معدني، إلا أن عددًا قليلًا منها فقط له أهمية اقتصادية في الاستخراج. ويُعدّ أرسينوبيريت (FeAsS) أكثر المعادن الحاملة للزرنيخ شيوعًا، كما يمثل المصدر الرئيسي لإنتاج الزرنيخ التجاري. وغالبًا ما يوجد هذا المعدن مرتبطًا بخامات الذهب والفضة والنحاس، مما يجعل استرداد الزرنيخ ناتجًا ثانويًا من عمليات تعدين المعادن النفيسة. والريجار (As4S4) والأوربيمنت (As2S3) معدنان مميزان من كبريتيد الزرنيخ البرتقالي والأصفر، وكانا مصدرين مهمين تاريخيًا، إلا أن أهميتهما التجارية اليوم أقل. ويوجد الزرنيخ عادةً عنصرًا نزرًا في خامات كبريتيد النحاس والرصاص والزنك والفضة والذهب، وغالبًا ما يعقّد معالجة هذه المعادن. وكثيرًا ما تحتوي رواسب الفحم على تركيزات من الزرنيخ تتراوح بين 1 و100 جزء في المليون، بينما يحتوي بعض الفحم عالي الزرنيخ على مستويات أعلى بكثير، مما يؤدي إلى مخاوف بيئية عند حرقه. وتحتوي المياه الجوفية في بعض التكوينات الجيولوجية طبيعيًا على مستويات مرتفعة من الزرنيخ بسبب تجوية الصخور والمعادن الحاملة له، مما يخلق تحديات كبيرة للصحة العامة في المناطق المتضررة. ويمكن للنشاط البركاني أن يطلق الزرنيخ في البيئة عبر العمليات الحرارية الجوفية، مؤديًا إلى تركيزات مرتفعة طبيعيًا في بعض الينابيع الحارة والمناطق الحرارية الجوفية. وغالبًا ما تحتوي الرواسب البحرية على زرنيخ تركز بفعل العمليات البيولوجية والكيميائية، ولا سيما في المناطق الغنية بالمواد العضوية. ويمكن لبعض النباتات أن تراكم الزرنيخ من التربة الملوثة، مما يؤدي إلى تركيزات مرتفعة في بعض المنتجات الزراعية المزروعة في المناطق المتضررة. ويرتبط التوزيع الجغرافي للزرنيخ ارتباطًا وثيقًا بتكوينات جيولوجية محددة، مع تركيزات ملحوظة في مناطق النشاط البركاني السابق وبعض الأحواض الرسوبية.
التعامل
الزرنيخ سام للغاية ويتطلب أعلى مستوى من احتياطات السلامة أثناء التعامل معه وتخزينه والتخلص منه، إذ تصنفه الوكالة الدولية لبحوث السرطان مادةً مسرطنة من المجموعة 1. ويجب التعامل مع جميع أشكال الزرنيخ، بما في ذلك العنصر الفلزي ومركباته، بوصفها مواد شديدة الخطورة تتطلب تدريبًا متخصصًا ومعدات سلامة. ويجب منع التلامس المباشر مع الزرنيخ باستخدام معدات الوقاية الشخصية المناسبة، ومنها القفازات المقاومة للمواد الكيميائية والملابس الواقية ووسائل حماية الجهاز التنفسي. ويمكن أن يسبب استنشاق غبار الزرنيخ أو أبخرته تسممًا حادًا شديدًا وآثارًا صحية طويلة الأمد، منها السرطان وأمراض القلب والأوعية الدموية والضرر العصبي. وقد يكون ابتلاع كميات صغيرة من مركبات الزرنيخ قاتلًا، مما يجعل التخزين الآمن ووضع الملصقات الصحيحة أمرين بالغي الأهمية. ويجب على العاملين في الصناعات التي تستخدم الزرنيخ اتباع حدود التعرض المهني الصارمة والخضوع لمراقبة صحية منتظمة لاكتشاف العلامات المبكرة للتعرض للزرنيخ. ويمكن أن يسبب التعرض المزمن لمستويات منخفضة من الزرنيخ آفات جلدية واعتلال الأعصاب المحيطية وزيادة خطر الإصابة بأنواع مختلفة من السرطان، ولا سيما سرطان الجلد والرئة والمثانة. ويجب على النساء الحوامل تجنب أي تعرض لمركبات الزرنيخ، إذ يمكن أن يسبب العنصر تشوهات نمائية ونتائج سلبية للحمل. وتشمل إجراءات الطوارئ عند التعرض للزرنيخ إزالة التلوث فورًا، والابتعاد عن مصدر التعرض، وطلب عناية طبية عاجلة، لأن العلاج السريع ضروري للوقاية من التسمم الشديد. ويتطلب التخلص من المواد المحتوية على الزرنيخ الامتثال للوائح النفايات الخطرة واستخدام مرافق متخصصة مجهزة للتعامل مع المواد السامة بأمان. ويجب إجراء العمل المخبري بمركبات الزرنيخ داخل خزانات شفط الأبخرة جيدة التهوية، مع عرض إجراءات الطوارئ بوضوح وإتاحتها بسهولة. وينبغي لعامة الناس أن يدركوا أن الزرنيخ الموجود طبيعيًا في مياه الشرب يشكل مخاطر صحية، ويوصى بفحص المياه في المناطق التي يُعرف بتلوثها بالزرنيخ.
إجابات سريعة
زرنيخ (symbol As) is element 33 on the periodic table, a شبه فلز in period 4, group 15. The classic poison of history — tasteless, undetectable for centuries, and still a groundwater crisis for millions. At room temperature it is a solid.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³, giving 4 occupied shells holding 2, 8, 18, 5 electrons respectively. Its outer shell holds 5 electrons, which is what sets its bonding behaviour.At ordinary pressure زرنيخ does not melt at all — it sublimes, passing straight from solid to vapour at about 887 K (613.9 °C). A liquid phase only exists above roughly 3.63 MPa, where it melts near 1090 K. That is why a single "melting point" for زرنيخ is misleading without a stated pressure.
The standard atomic weight of زرنيخ is 74.922 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
زرنيخ has a density of 5.727 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of زرنيخ is about 5.7× heavier.
زرنيخ has a Pauling electronegativity of 2.18. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
زرنيخ has been known since antiquity — it occurs in a form usable without smelting, so no single person can be credited with its discovery. The name comes from greek arsenikon, yellow orpiment.
زرنيخ makes up about 1.8 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.