Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Schalen – eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo arsen bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Mit ~ gekennzeichnete Werte sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 119 pm — that is 0.119 nm, so about 4202 million of them side by side would span a millimetre.
Temperaturbereich
Bei Normaldruck hat arsen überhaupt keinen flüssigen Aggregatzustand. Es sublimiert bei 887 K und geht direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Der Schmelzpunkt von 1090 K ist real, wird aber erst oberhalb von etwa 3.63 MPa erreicht.
Die Geschichte
Arsen ist wahrscheinlich das berüchtigtste Halbmetall im Periodensystem – seit jeher als tödliches Gift bekannt und dennoch für die moderne Technologie unverzichtbar. Dieses stahlgraue Element hat einen schlechteren Ruf als jedes andere Element, ist aber auch entscheidend für Halbleiter, Pestizide und sogar die Medizin. Der Name leitet sich vom griechischen Wort "arsenikos" ab und bezeichnete ein gelbes Arsenmineral, das schön, aber tödlich ist. Arsenverbindungen sind seit der Antike bekannt und wurden über 2.000 Jahre lang sowohl für Mord als auch als Medizin verwendet. Altägyptische, griechische und römische Texte beschreiben Arsenvergiftungen, und während der Renaissance wurde Arsen als "König der Gifte" bekannt, weil es geschmacklos, geruchlos und nahezu unmöglich nachzuweisen war. Paradoxerweise wurden Arsenverbindungen jedoch auch als Arzneimittel eingesetzt, darunter die berühmte "Fowler-Lösung", die zur Behandlung von allem von Fieber bis hin zu Hauterkrankungen verwendet wurde. Was Arsen wissenschaftlich so faszinierend macht, sind seine ungewöhnlichen Eigenschaften. Es kommt in mehreren allotropen Formen vor: als stabile graue metallische Form, als gelbe nichtmetallische Form und als schwarze amorphe Form. Graues Arsen ist tatsächlich ein Halbleiter und kein echtes Metall. Beim Erhitzen sublimiert es, also geht direkt vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand über, wobei giftiger Arsendampf entsteht. Die moderne Technologie ist trotz seiner Giftigkeit stark auf Arsen angewiesen. Galliumarsenid-Halbleiter (GaAs) sind bei Hochfrequenzanwendungen schneller und effizienter als Silicium. Ihr Mobiltelefon, Ihr GPS-System und Ihre LED-Leuchten enthalten allesamt Arsenverbindungen. Solarmodule, Laserdioden und Satellitenkommunikation wären ohne arsenbasierte Halbleiter nicht möglich. Hier ist etwas Überraschendes: Arsen ist in winzigen Mengen tatsächlich lebensnotwendig. Einige Organismen verwenden Arsen in ihrem Stoffwechsel, und Menschen benötigen Spuren davon für ein normales Wachstum und eine normale Entwicklung. Der Unterschied zwischen einer lebensnotwendigen und einer giftigen Dosis ist jedoch äußerst gering.
Arsen ist der Menschheit seit der Antike bekannt, doch seine Anerkennung als eigenständiges chemisches Element entwickelte sich über Jahrhunderte hinweg allmählich durch die Arbeiten zahlreicher Alchemisten und Chemiker. Antike Zivilisationen, darunter die Griechen, Römer und Chinesen, kannten Arsenverbindungen, insbesondere die Sulfidminerale Auripigment und Realgar, die trotz ihrer Giftigkeit als Pigmente und in der traditionellen Medizin verwendet wurden. Der Name des Elements leitet sich vom griechischen Wort "arsenikos" ab, das "männlich" oder "kräftig" bedeutet und das damalige Verständnis seiner starken und gefährlichen Eigenschaften widerspiegelt. Arabische Alchemisten im 8. Jahrhundert, darunter Jabir ibn Hayyan (im Lateinischen als Geber bekannt), beschrieben Verfahren zur Herstellung verschiedener Arsenverbindungen und erkannten deren besondere Eigenschaften. Die erste eindeutige Isolierung von metallischem Arsen wird dem deutschen Alchemisten Albertus Magnus um 1250 n. Chr. zugeschrieben, der das Element durch Erhitzen von Auripigment mit organischem Material gewann, obwohl er möglicherweise nicht vollständig verstand, was er hergestellt hatte. Der Dominikanermönch und Gelehrte Albert der Große dokumentierte Verfahren zur Gewinnung "eines metallischen Stoffes" aus Arsenmineralien und lieferte damit eine der frühesten Aufzeichnungen über die Isolierung von elementarem Arsen. Die systematische Untersuchung von Arsen begann im 18. Jahrhundert, als der schwedische Chemiker Georg Brandt detaillierte Beschreibungen der Eigenschaften und des chemischen Verhaltens von Arsen lieferte. Der deutsche Chemiker Johann Schroeder veröffentlichte im 17. Jahrhundert umfassende Untersuchungen zu Arsenverbindungen und trug damit wesentlich zum Verständnis der Chemie dieses Elements bei. Die Entwicklung der analytischen Chemie im 18. und 19. Jahrhundert führte zu einer präziseren Charakterisierung der Eigenschaften von Arsen und zu seiner Anerkennung als eigenständiges Element im entstehenden Periodensystem. Die berüchtigte historische Verbindung von Arsen mit Vergiftungen führte zu umfangreichen Forschungen über seinen Nachweis und seine Analyse und trieb dadurch Fortschritte in der analytischen Chemie und der forensischen Wissenschaft voran.
Anwendungen
Arsen hat trotz seines berüchtigten Rufs als Gift mehrere wichtige industrielle und technologische Anwendungen, sofern es ordnungsgemäß gehandhabt und kontrolliert wird. Die Halbleiterindustrie verwendet hochreines Arsen zur Herstellung von Galliumarsenid-Halbleitern (GaAs), die für elektronische Hochfrequenzgeräte, LED-Beleuchtung, Laserdioden und Solarzellen unverzichtbar sind. Diese arsenhaltigen Halbleiter bieten im Vergleich zu Silicium überlegene Leistungseigenschaften bei Anwendungen, die hohe Geschwindigkeit oder hohe Energieeffizienz erfordern. Die Elektronikindustrie nutzt Arsenverbindungen zur Herstellung integrierter Schaltkreise, insbesondere für spezielle Anwendungen wie Mikrowellengeräte und optoelektronische Bauteile. Die Holzkonservierung war historisch gesehen eine bedeutende Verwendung von Arsenverbindungen, insbesondere von chromatiertem Kupferarsenat (CCA), obwohl diese Anwendung in vielen Ländern aufgrund gesundheitlicher und umweltbezogener Bedenken weitgehend eingestellt wurde. Die Glasindustrie verwendet Arsen(III)-oxid als Läuterungsmittel, um Blasen zu entfernen und die optische Klarheit zu verbessern, insbesondere bei der Herstellung hochwertiger optischer Gläser und Fernsehbildschirme. Arsenverbindungen dienen im Herstellungsprozess von Halbleitern als Dotierstoffe, wobei genau dosierte Mengen eingebracht werden, um die elektrischen Eigenschaften von Silicium und anderen Halbleitermaterialien zu verändern. In der Medizin gibt es spezielle Anwendungen für Arsenverbindungen zur Krebsbehandlung, insbesondere für Arsen(III)-oxid bei bestimmten Leukämiearten, bei denen es trotz seiner Giftigkeit eine bemerkenswerte Wirksamkeit gezeigt hat. Zu den landwirtschaftlichen Anwendungen gehören bestimmte Pestizide und Herbizide, wobei diese Verwendungen aufgrund von Umwelt- und Gesundheitsbedenken streng reguliert werden und rückläufig sind. Die Forschung zu möglichen Anwendungen von Arsen in fortschrittlichen Technologien, einschließlich Quantencomputing und speziellen Legierungen für die Luft- und Raumfahrt, wird fortgesetzt. Die metallurgische Industrie verwendet Arsen als Legierungsbestandteil in bleibasierten Materialien, um Härte und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Die bedeutendste moderne Anwendung von Arsen liegt in der Halbleiterherstellung, bei der Galliumarsenidverbindungen entstehen, die in praktisch allen Smartphones, LED-Leuchten und Geräten für die drahtlose Kommunikation eingesetzt werden. Solarmodule, insbesondere für den Einsatz im Weltraum entwickelte, verwenden Galliumarsenidzellen, die Arsen enthalten, um bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität eine maximale Effizienz zu erreichen. Die Infrastruktur für Hochgeschwindigkeitsinternet ist auf arsenhaltige Laserdioden und Fotodetektoren angewiesen, die in Glasfaserkommunikationssystemen eingesetzt werden. LED-Scheinwerfer und -Rückleuchten von Fahrzeugen enthalten arsenbasierte Halbleiter, die für ihre Helligkeit und Energieeffizienz sorgen. Militärische Anwendungen und die Luft- und Raumfahrt nutzen Arsenverbindungen in Radarsystemen, der Satellitenkommunikation und Geräten für die elektronische Kriegsführung. Die Glasindustrie verwendet weiterhin geringe Mengen Arsen(III)-oxid bei der Herstellung von Spezialglas, darunter optische Linsen und hochwertige Fernsehbildschirme. Medizinische Onkologieabteilungen verwenden Arsen(III)-oxid als Chemotherapeutikum für bestimmte Arten von Blutkrebs, bei denen es sich als äußerst wirksam erwiesen hat. Forschungslabore weltweit setzen hochreines Arsen in experimentellen Halbleitergeräten und für Anwendungen in der Quantenforschung ein. Einige spezielle Metalllegierungen enthalten weiterhin geringe Mengen Arsen, um die Materialeigenschaften für bestimmte industrielle Anwendungen zu verbessern. Geräte zur Umweltüberwachung verwenden arsenbasierte Sensoren und Detektoren, um die Luft- und Wasserqualität zu messen. Selbst Unterhaltungselektronik wie Computerprozessoren und Grafikkarten enthält in ihren Halbleiterbauteilen Spuren von Arsen. Der Bereich der erneuerbaren Energien verwendet Arsenverbindungen in fortschrittlichen photovoltaischen Systemen, die für eine maximale Effizienz bei der Stromerzeugung entwickelt wurden.
Woher es stammt
1.8 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 56% of elements
Arsen ist in der Erdkruste weit verbreitet und kommt mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 1,8 Teilen pro Million vor. Damit ist es häufiger als viele andere Spurenelemente, wird jedoch nur selten in konzentrierten Lagerstätten gefunden. Das Element kommt natürlich in mehr als 200 Mineralarten vor, von denen jedoch nur wenige für die Gewinnung wirtschaftlich bedeutsam sind. Arsenopyrit (FeAsS) ist das häufigste arsenhaltige Mineral und dient als wichtigste Quelle für die kommerzielle Arsenproduktion. Dieses Mineral kommt häufig zusammen mit Gold-, Silber- und Kupfererzen vor, wodurch die Arsenrückgewinnung zu einem Nebenprodukt des Abbaus von Edelmetallen wird. Realgar (As4S4) und Auripigment (As2S3) sind charakteristische orangefarbene und gelbe Arsensulfidminerale, die historisch wichtige Quellen waren, heute jedoch kommerziell weniger bedeutend sind. Arsen kommt häufig als Spurenelement in Sulfiderzen von Kupfer, Blei, Zink, Silber und Gold vor und erschwert oft die Verarbeitung dieser Metalle. Kohlelagerstätten enthalten häufig Arsenkonzentrationen von 1 bis 100 Teilen pro Million. Einige arsenreiche Kohlen enthalten deutlich höhere Mengen, was beim Verbrennen dieser Kohlen zu Umweltproblemen führt. Grundwasser in bestimmten geologischen Formationen enthält aufgrund der Verwitterung arsenhaltiger Gesteine und Mineralien von Natur aus erhöhte Arsengehalte, was in den betroffenen Regionen erhebliche Herausforderungen für die öffentliche Gesundheit darstellt. Vulkanische Aktivität kann durch geothermische Prozesse Arsen in die Umwelt freisetzen und in einigen heißen Quellen und Geothermalgebieten zu natürlich erhöhten Konzentrationen führen. Meeressedimente enthalten häufig Arsen, das durch biologische und chemische Prozesse angereichert wurde, insbesondere in Gebieten mit hohem Gehalt an organischer Substanz. Einige Pflanzen können Arsen aus belasteten Böden aufnehmen, wodurch bestimmte in betroffenen Gebieten angebaute landwirtschaftliche Erzeugnisse erhöhte Konzentrationen aufweisen. Die geografische Verteilung von Arsen ist eng an bestimmte geologische Formationen gebunden, mit bemerkenswerten Konzentrationen in Gebieten früherer vulkanischer Aktivität und bestimmten Sedimentbecken.
Handhabung
Arsen ist äußerst giftig und erfordert bei der Handhabung, Lagerung und Entsorgung die strengsten Sicherheitsvorkehrungen, da es von der Internationalen Agentur für Krebsforschung als Karzinogen der Gruppe 1 eingestuft wird. Alle Formen von Arsen, einschließlich des metallischen Elements und seiner Verbindungen, sind als hochgefährliche Stoffe zu behandeln, für die eine spezielle Schulung und Sicherheitsausrüstung erforderlich sind. Direkter Kontakt mit Arsen muss durch geeignete persönliche Schutzausrüstung verhindert werden, darunter chemikalienbeständige Handschuhe, Schutzkleidung und Atemschutz. Das Einatmen von Arsenstaub oder -dämpfen kann zu schweren akuten Vergiftungen und langfristigen gesundheitlichen Folgen führen, darunter Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und neurologische Schäden. Die Aufnahme selbst kleiner Mengen von Arsenverbindungen kann tödlich sein, weshalb eine sichere Lagerung und eine ordnungsgemäße Kennzeichnung von entscheidender Bedeutung sind. Beschäftigte in Industriezweigen, in denen Arsen verwendet wird, müssen strenge Arbeitsplatzgrenzwerte einhalten und sich regelmäßigen Gesundheitskontrollen unterziehen, um frühe Anzeichen einer Arsenexposition zu erkennen. Eine chronische Exposition gegenüber niedrigen Arsenmengen kann Hautläsionen, periphere Neuropathie und ein erhöhtes Risiko für verschiedene Krebsarten verursachen, insbesondere für Haut-, Lungen- und Blasenkrebs. Schwangere müssen jede Exposition gegenüber Arsenverbindungen vermeiden, da das Element Entwicklungsstörungen und ungünstige Schwangerschaftsverläufe verursachen kann. Zu den Notfallmaßnahmen bei einer Arsenexposition gehören die sofortige Dekontamination, das Entfernen von der Expositionsquelle und eine unverzügliche medizinische Behandlung, da eine schnelle Therapie entscheidend ist, um eine schwere Vergiftung zu verhindern. Die Entsorgung arsenhaltiger Materialien muss den Vorschriften für gefährliche Abfälle entsprechen und in speziellen Entsorgungsanlagen erfolgen, die für den sicheren Umgang mit giftigen Stoffen ausgestattet sind. Laborarbeiten mit Arsenverbindungen müssen in ordnungsgemäß belüfteten Abzugshauben durchgeführt werden, wobei Notfallverfahren deutlich sichtbar ausgehängt und leicht zugänglich sein müssen. Die Allgemeinbevölkerung sollte sich bewusst sein, dass natürlich vorkommendes Arsen im Trinkwasser ein Gesundheitsrisiko darstellt. In Gebieten mit bekannter Arsenbelastung wird eine Untersuchung des Wassers empfohlen.
Schnelle Antworten
Arsen (symbol As) is element 33 on the periodic table, a halbmetall 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 arsen 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 arsen is misleading without a stated pressure.
The standard atomic weight of Arsen is 74.922 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Arsen has a density of 5.727 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of arsen is about 5.7× heavier.
Arsen 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.
Arsen 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.
Arsen makes up about 1.8 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.