33 As زرنيخ 74.922
شبه فلز المستوى الفرعي p الدورة 4 المجموعة 15

زرنيخ

As · العنصر 33 · شبه فلز

السم الكلاسيكي في التاريخ — بلا طعم ولا يمكن اكتشافه لقرون، ولا يزال أزمة في المياه الجوفية لملايين الأشخاص.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 74.922 u
التوزيع الإلكتروني[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³
32Ge كل العناصر الـ118 34Se

البنية

ذرة زرنيخ

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع زرنيخ بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.

الفيزيائية

الكثافة 5.727 g/cm³ 32%
نقطة التسامي 887 K عند 1 atm
نقطة الانصهار 1090 K at 3.63 MPa
الحرارة النوعية 0.329 J/g·K
الموصلية الحرارية 50 W/m·K 65%

الذرية

نصف القطر الذري 119 pm 13%
نصف القطر التساهمي 119 pm
نصف قطر فان دير فالس 185 pm

الإلكترونية

الكهروسلبية 2.18 76%
طاقة التأين 944.6 kJ/mol 84%
الألفة الإلكترونية 78.2 kJ/mol 63%

الوجود

الوفرة في القشرة 1.8 mg/kg 56%

الهوية

الرمزAs
العدد الذري33
الكتلة الذرية74.9216 u
الفئةشبه فلز
المستوى الفرعيp
البنية البلوريةمعيني الوجوه
حالات الأكسدة-3, +2, +3, +5
سنة الاكتشافancient
اكتشفهAlbertus Magnus

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة زرنيخ؟

نصف القطر 119 pm — أي 0.119 nm، ولذلك فإن نحو 4.2 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، غاز — ومتى

عند الضغط العادي، لا توجد لـ زرنيخ حالة سائلة إطلاقًا. إنه يتسامى عند 887 K، منتقلًا مباشرةً من الحالة الصلبة إلى البخار. إن نقطة الانصهار عند 1090 K حقيقية، لكنها لا تحدث إلا فوق ضغط يقارب 3.63 MPa.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع زرنيخ في الدورة 4، والمجموعة 15. تشترك جميع العناصر في المجموعة 15 في العدد نفسه من الإلكترونات الخارجية، ولذلك تتصرف بطريقة متشابهة جدًا.

عناصر أشباه الفلزات الأخرى

5B 14Si 32Ge 51Sb 52Te 85At
جميع عناصر أشباه الفلزات

القصة

ماهيّة زرنيخ وكيف اكتشفناه

يُعدّ الزرنيخ على الأرجح أشهر شبه فلز سيّئ 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 الزرنيخ الأصفر، وهو معدن زرنيخي 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 أصبح يُعرف باسم "ملك السموم" خلال عصر النهضة لأنه كان عديم الطعم والرائحة، وكان من شبه المستحيل اكتشافه. ومع ذلك، وعلى نحو مفارق، 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 غير معدني، وشكل أسود غير متبلور. والزرنيخ الرمادي في الواقع شبه موصل، وليس معدنًا حقيقيًا، كما أنه يتسامى (ينتقل مباشرةً من الحالة الصلبة إلى الغازية) عند تسخينه، مكوّنًا 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 التردد العالي. ويحتوي هاتفك المحمول ونظام GPS ومصابيح LED جميعها على مركبات الزرنيخ. ولولا أشباه الموصلات القائمة على الزرنيخ، لما وُجدت الألواح الشمسية وثنائيات الليزر واتصالات الأقمار الصناعية. إليك أمرًا مفاجئًا: الزرنيخ ضروري في الواقع للحياة بكميات ضئيلة جدًا. 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.

اكتشاف زرنيخ

عُرف الزرنيخ للبشرية منذ العصور القديمة، لكن الاعتراف به عنصرًا كيميائيًا مستقلًا تطور تدريجيًا عبر قرون من خلال أعمال العديد من الخيميائيين والكيميائيين. وكانت الحضارات القديمة، بما فيها اليونانيون والرومان والصينيون، على دراية بمركبات الزرنيخ، ولا سيما معدني الأوربيمنت والريجار الكبريتيْن، اللذين استُخدما أصباغًا وفي الطب التقليدي رغم سميتهما. ويشتق اسم العنصر من الكلمة اليونانية "arsenikos"، التي تعني "ذكوري" أو "قوي"، وهو ما يعكس الفهم القديم لخصائصه القوية والخطيرة. وقد وصف الخيميائيون العرب في القرن 8، ومنهم جابر بن حيان (المعروف باللاتينية باسم Geber)، طرائق تحضير مركبات زرنيخ مختلفة، وأدركوا خصائصها المميزة. ويُنسب أول عزل واضح للزرنيخ المعدني إلى الخيميائي الألماني Albertus Magnus نحو عام 1250 م، إذ حصل على العنصر بتسخين الأوربيمنت مع مادة عضوية، رغم أنه ربما لم يفهم تمامًا طبيعة ما أنتجه. ووثّق الراهب الدومينيكاني والعالم Albert the Great إجراءات الحصول على "مادة معدنية" من معادن الزرنيخ، وهو ما يمثل إحدى أقدم عمليات عزل الزرنيخ العنصري المسجلة. وبدأت الدراسة المنهجية للزرنيخ فعليًا خلال القرن 18، عندما قدم الكيميائي السويدي Georg Brandt أوصافًا مفصلة لخصائص الزرنيخ وسلوكه الكيميائي. ونشر الكيميائي الألماني Johann Schroeder 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 مستقلًا في النظام الدوري الناشئ. وأفضت الصلة التاريخية سيئة الصيت بين الزرنيخ والتسمم إلى أبحاث واسعة في اكتشافه وتحليله، مما حفّز تقدمًا في الكيمياء التحليلية وعلوم الأدلة الجنائية.

الاستخدامات

استخدامات زرنيخ

للزرنيخ، رغم سمعته سيئة الصيت بوصفه سمًّا، عدة تطبيقات صناعية وتقنية مهمة عند التعامل معه والتحكم فيه على النحو السليم. تستخدم صناعة أشباه الموصلات الزرنيخ فائق النقاء في إنتاج أشباه موصلات زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وهي ضرورية للأجهزة الإلكترونية ذات التردد العالي، 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 لتصنيع الدوائر المتكاملة، ولا سيما في التطبيقات المتخصصة مثل أجهزة الموجات الدقيقة والمكونات الكهروضوئية. وكان حفظ الأخشاب يمثل تاريخيًا استخدامًا رئيسيًا لمركبات الزرنيخ، وخاصة زرنيخات النحاس الكروماتية (CCA)، رغم أن هذا التطبيق أُوقف 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 التلفاز. وتعمل مركبات الزرنيخ موادَّ مطعِّمة في عملية تصنيع أشباه الموصلات، حيث 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، رغم أن هذه الاستخدامات تخضع لتنظيم صارم وتتراجع بسبب المخاوف البيئية والصحية. وتستمر الأبحاث في دراسة التطبيقات المحتملة للزرنيخ في التقنيات المتقدمة، بما في ذلك الحوسبة الكمومية والسبائك المتخصصة لتطبيقات الطيران والفضاء. وتستخدم الصناعة المعدنية الزرنيخ عاملَ سبك في المواد القائمة على الرصاص لتحسين الصلابة ومقاومة التآكل.

أهم تطبيق حديث للزرنيخ هو تصنيع أشباه الموصلات، حيث يُكوّن 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 البنية التحتية للإنترنت عالي السرعة على ثنائيات الليزر وكاشفات الضوء المحتوية على الزرنيخ والمستخدمة في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية. وتضم المصابيح الأمامية والخلفية LED في السيارات أشباه موصلات قائمة على الزرنيخ لتحقيق السطوع وكفاءة الطاقة. وتستخدم التطبيقات العسكرية وتطبيقات الطيران والفضاء 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 التلفاز عالية الجودة. وتستخدم أقسام طب الأورام ثالث أكسيد الزرنيخ عاملًا للعلاج الكيميائي لأنواع محددة من سرطانات الدم، وقد أثبت فعالية عالية. 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 لتطبيقات صناعية محددة. وتستخدم معدات الرصد البيئي مستشعرات وكاشفات قائمة على الزرنيخ لقياس جودة الهواء والماء. وحتى الإلكترونيات الاستهلاكية، مثل معالجات الحاسوب وبطاقات الرسومات، 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

الوجود الطبيعي

1.8 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 56% من العناصر

يتوزع الزرنيخ على نطاق واسع في قشرة الأرض بتركيز متوسط يبلغ نحو 1.8 جزء في المليون، ما يجعله أوفر من كثير من العناصر النزرة الأخرى، لكنه نادرًا ما يوجد في رواسب مركزة. ويوجد العنصر طبيعيًا في أكثر من 200 نوع معدني، رغم أن عددًا قليلًا منها فقط له أهمية اقتصادية للاستخراج. ويُعدّ أرسينوبيريت (FeAsS) أكثر المعادن الحاملة للزرنيخ شيوعًا، كما أنه المصدر الرئيسي لإنتاج الزرنيخ تجاريًا. وغالبًا ما يوجد هذا المعدن مرتبطًا بخامات الذهب والفضة والنحاس، ما 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، رغم أن أهميتهما التجارية اليوم أقل. ويوجد الزرنيخ عادةً عنصرًا نزِرًا 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 تحتوي بعض أنواع الفحم الغنية بالزرنيخ على مستويات أعلى بكثير، ما يثير مخاوف بيئية عند حرقها. وتحتوي المياه الجوفية في بعض التكوينات الجيولوجية طبيعيًا على مستويات مرتفعة من الزرنيخ بسبب تجوية الصخور والمعادن الحاملة له، ما يسبب تحديات كبيرة للصحة العامة في المناطق المتأثرة. ويمكن للنشاط البركاني أن يطلق الزرنيخ في البيئة من خلال العمليات الحرارية الأرضية، مؤديًا إلى تركيزات مرتفعة طبيعيًا في بعض الينابيع الساخنة والمناطق الحرارية الأرضية. وغالبًا ما تحتوي الرواسب البحرية على زرنيخ تركّز بفعل العمليات البيولوجية والكيميائية، ولا سيما في المناطق الغنية بالمواد العضوية. ويمكن لبعض النباتات أن تراكم الزرنيخ من التربة الملوثة، ما يؤدي إلى تركيزات مرتفعة في بعض المنتجات الزراعية المزروعة في المناطق المتأثرة. ويرتبط التوزيع الجغرافي للزرنيخ ارتباطًا وثيقًا بتكوينات جيولوجية محددة، مع تركيزات ملحوظة في مناطق النشاط البركاني السابق وبعض الأحواض الرسوبية.

التعامل

السلامة

الزرنيخ شديد السمية ويتطلب أعلى مستوى من احتياطات السلامة أثناء التعامل معه وتخزينه والتخلص منه، إذ تصنّفه الوكالة الدولية لبحوث السرطان مادةً مسرطنة من المجموعة 1. وينبغي التعامل مع جميع أشكال الزرنيخ، بما في ذلك العنصر المعدني ومركباته، بوصفها مواد شديدة الخطورة تتطلب تدريبًا متخصصًا ومعدات سلامة. ويجب منع التلامس المباشر مع الزرنيخ باستخدام معدات الوقاية الشخصية المناسبة، بما في ذلك 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، بما في ذلك السرطان وأمراض القلب والأوعية الدموية والأضرار العصبية. وقد يؤدي ابتلاع كميات صغيرة حتى من مركبات الزرنيخ إلى الوفاة، ما يجعل التخزين الآمن ووضع الملصقات المناسبة أمرين بالغَي 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 الرعاية الطبية العاجلة، لأن العلاج السريع بالغ الأهمية لمنع التسمم الشديد. ويتطلب التخلص من المواد المحتوية على الزرنيخ الامتثال للوائح النفايات الخطرة واستخدام مرافق متخصصة للتخلص منها ومجهزة للتعامل مع المواد السامة بأمان. ويجب إجراء العمل المخبري بمركبات الزرنيخ داخل خزانات أبخرة جيدة التهوية، مع عرض إجراءات الطوارئ بوضوح وإتاحتها بسهولة. وينبغي لعامة الناس أن يدركوا أن الزرنيخ الموجود طبيعيًا في مياه الشرب يشكل مخاطر صحية، ويُنصح بفحص المياه في المناطق المعروفة بتلوثها بالزرنيخ.

إجابات سريعة

أسئلة شائعة عن زرنيخ

ما هو زرنيخ؟

زرنيخ (رمزه As) هو العنصر 33 في الجدول الدوري، وينتمي إلى شبه فلز في الدورة 4 والمجموعة 15. السم الكلاسيكي في التاريخ — بلا طعم ولا يمكن اكتشافه لقرون، ولا يزال أزمة في المياه الجوفية لملايين الأشخاص. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً.

ما التوزيع الإلكتروني لـ زرنيخ؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـزرنيخ هو [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³، ويشغل 4 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 5. يحتوي غلافه الخارجي على 5 إلكتروناتٍ، وهذا ما يحدد سلوكه في الترابط.

هل ينصهر زرنيخ أم يتسامى؟

عند الضغط العادي، لا ينصهر زرنيخ إطلاقًا — بل يتسامى، وينتقل مباشرةً من الحالة الصلبة إلى البخار عند درجة حرارة تبلغ نحو 887 K (613.9 °C). لا توجد الحالة السائلة إلا فوق ضغط يقارب 3.63 MPa، حيث ينصهر بالقرب من 1090 K. ولهذا فإن تحديد «نقطة انصهار» واحدة لـ زرنيخ يكون مضللًا من دون ذكر الضغط.

ما الكتلة الذرية لـ زرنيخ؟

تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ زرنيخ ‏74.922 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.

ما كثافة زرنيخ؟

تبلغ كثافة زرنيخ مقدار 5.727 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من زرنيخ أثقل بنحو 5.7×.

ما الكهروسلبية لـ زرنيخ؟

تبلغ كهروسلبية زرنيخ وفق مقياس باولنغ 2.18. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.

من اكتشف زرنيخ ومتى؟

عُرف زرنيخ منذ العصور القديمة — فهو يوجد في صورة يمكن استخدامها دون صهر، لذلك لا يمكن نسب اكتشافه إلى شخص واحد. يأتي الاسم من arsenikon باليونانية، زرنيخ أصفر.

ما مدى وفرة زرنيخ على الأرض؟

يشكّل زرنيخ حوالي 1.8 mg/kg من قشرة الأرض — وهو غير شائع، لكنه ليس نادرًا.

→ السابق Ge جرمانيوم العنصر 32 · شبه فلز التالي ← Se سيلينيوم العنصر 34 · لافلز