As · Element 33 · Halbmetall
Das klassische Gift der Geschichte — geschmacklos, jahrhundertelang nicht nachweisbar und noch immer eine Krise des Grundwassers für Millionen.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht 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. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 119 pm — das entspricht 0,119 nm; etwa 4,2 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Bei Normaldruck hat Arsen überhaupt keinen flüssigen Aggregatzustand. Es sublimiert bei 887 K und geht direkt vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand über. Der Schmelzpunkt von 1090 K ist real, tritt aber erst oberhalb von etwa 3.63 MPa auf.
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 für Halbleiter, Pestizide und sogar die Medizin von entscheidender Bedeutung. Der Name leitet sich vom griechischen Wort „arsenikos“ ab und bezeichnet gelbes Auripigment, ein schönes, aber tödliches Arsenmineral. Arsenverbindungen sind seit der Antike bekannt und wurden über mehr als 2.000 Jahre sowohl für Mord als auch für medizinische Zwecke verwendet. Altägyptische, griechische und römische Texte beschreiben Arsenvergiftungen. Während der Renaissance wurde Arsen als „König der Gifte“ bekannt, da es geschmacklos, geruchlos und nahezu unmöglich nachzuweisen war. Paradoxerweise wurden Arsenverbindungen auch als Arzneimittel eingesetzt, darunter die berühmte „Fowler-Lösung“, die zur Behandlung von Fieber bis hin zu Hautkrankheiten 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, geht also direkt vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand über, wobei giftiger Arsenvapor entsteht. Die moderne Technologie ist trotz seiner Giftigkeit in hohem Maß auf Arsen angewiesen. Galliumarsenid-(GaAs-)Halbleiter sind für Hochfrequenzanwendungen schneller und effizienter als Silicium. Ihr Mobiltelefon, Ihr GPS-System und LED-Leuchten enthalten allesamt Arsenverbindungen. Solarmodule, Laserdioden und die Satellitenkommunikation wären ohne arsenbasierte Halbleiter nicht möglich. Hier ist etwas Überraschendes: Arsen ist in winzigen Mengen tatsächlich lebensnotwendig. Einige Organismen verwenden Arsen in ihrem biochemischen Stoffwechsel, und Menschen benötigen Spuren davon für ein normales Wachstum und eine normale Entwicklung. Der Unterschied zwischen einer notwendigen 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 durch die Arbeit 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 des 8. Jahrhunderts, darunter Jabir ibn Hayyan, der auf Latein Geber genannt wurde, 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. Er gewann das Element durch Erhitzen von Auripigment mit organischem Material, verstand aber möglicherweise nicht vollständig, was er hergestellt hatte. Der Dominikanermönch und Gelehrte Albert der Große dokumentierte Verfahren zur Gewinnung einer „metallischen Substanz“ aus Arsenmineralen und beschrieb damit eine der frühesten aufgezeichneten Isolierungen 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 genaueren 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 Untersuchungen seiner Nachweisbarkeit und Analyse und förderte dadurch Fortschritte in der analytischen Chemie und der forensischen Wissenschaft.
Anwendungen
Arsen hat trotz seines berüchtigten Rufs als Gift bei sachgemäßer Handhabung und Kontrolle mehrere wichtige industrielle und technologische Anwendungen. Die Halbleiterindustrie verwendet hochreines Arsen zur Herstellung von Galliumarsenid-(GaAs-)Halbleitern, die für elektronische Hochfrequenzgeräte, LED-Beleuchtung, Laserdioden und Solarzellen unverzichtbar sind. Diese arsenhaltigen Halbleiter bieten im Vergleich zu Silicium bessere Leistungseigenschaften für Anwendungen, die hohe Geschwindigkeit oder eine hohe Energieeffizienz erfordern. Die Elektronikindustrie ist für die Herstellung integrierter Schaltkreise auf Arsenverbindungen angewiesen, insbesondere bei speziellen Anwendungen wie Mikrowellengeräten und optoelektronischen Bauteilen. Die Holzkonservierung war früher ein bedeutender Einsatzbereich für Arsenverbindungen, insbesondere für chromatiertes Kupferarsenat (CCA). Aufgrund gesundheitlicher und ökologischer Bedenken wurde diese Anwendung jedoch in vielen Ländern weitgehend eingestellt. 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 bei der Halbleiterherstellung als Dotierstoffe. Dabei werden genau bemessene Mengen eingebracht, um die elektrischen Eigenschaften von Silicium und anderen Halbleitermaterialien zu verändern. In der Medizin gibt es spezielle Anwendungen für Arsenverbindungen in der Krebsbehandlung, insbesondere für Arsen(III)-oxid bei bestimmten Leukämieformen, bei denen es trotz seiner Giftigkeit eine bemerkenswerte Wirksamkeit gezeigt hat. Zu den landwirtschaftlichen Anwendungen gehören bestimmte Pestizide und Herbizide, obwohl diese Verwendungen aufgrund ökologischer und gesundheitlicher Bedenken streng reguliert werden und zurückgehen. Die Forschung untersucht weiterhin mögliche Anwendungen von Arsen in fortschrittlichen Technologien, darunter Quantencomputer und spezielle Legierungen für die Luft- und Raumfahrt. Die metallurgische Industrie verwendet Arsen als Legierungselement in bleibasierten Materialien, um Härte und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Die bedeutendste moderne Anwendung von Arsen liegt in der Halbleiterherstellung. Dabei entstehen Galliumarsenidverbindungen, die in praktisch allen Smartphones, LED-Leuchten und Geräten für die drahtlose Kommunikation verwendet werden. Solarmodule, insbesondere für den Einsatz im Weltraum, beruhen auf Galliumarsenidzellen, die Arsen enthalten und eine maximale Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom ermöglichen. 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 und luft- und raumfahrttechnische Anwendungen nutzen Arsenverbindungen in Radarsystemen, der Satellitenkommunikation und der elektronischen Kriegsführung. Die Glasindustrie verwendet weiterhin geringe Mengen Arsen(III)-oxid zur Herstellung von Spezialglas, darunter optische Linsen und hochwertige Fernsehbildschirme. Medizinische onkologische Abteilungen setzen Arsen(III)-oxid als Chemotherapeutikum gegen bestimmte Blutkrebsarten ein, bei denen es sich als äußerst wirksam erwiesen hat. Forschungslaboratorien weltweit verwenden hochreines Arsen in experimentellen Halbleiterbauteilen und bei Quantenforschungsanwendungen. Einige spezielle Metalllegierungen enthalten weiterhin geringe Arsenmengen, um die Materialeigenschaften für bestimmte industrielle Anwendungen zu verbessern. Geräte zur Umweltüberwachung verwenden arsenbasierte Sensoren und Detektoren zur Messung der Luft- und Wasserqualität. Selbst Unterhaltungselektronik wie Computerprozessoren und Grafikkarten enthält in ihren Halbleiterbauteilen Spuren von Arsen. Der Bereich der erneuerbaren Energien verwendet Arsenverbindungen in fortschrittlichen Photovoltaiksystemen, die für eine möglichst effiziente Stromerzeugung entwickelt wurden.
Woher es stammt
1,8 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 56 % der Elemente
Arsen ist in der Erdkruste weit verbreitet und kommt dort mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 1,8 Teilen pro Million vor. Damit ist es häufiger als viele andere Spurenelemente, wird aber 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 tritt häufig zusammen mit Gold-, Silber- und Kupfererzen auf, sodass die Gewinnung von Arsen ein Nebenprodukt des Abbaus von Edelmetallerzen ist. Realgar (As4S4) und Auripigment (As2S3) sind charakteristische orangefarbene und gelbe Arsensulfidminerale, die früher wichtige Quellen waren, heute kommerziell jedoch weniger bedeutsam 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 Kohle zu Umweltproblemen führt. Grundwasser enthält in bestimmten geologischen Formationen aufgrund der Verwitterung arsenhaltiger Gesteine und Minerale natürlicherweise erhöhte Arsenkonzentrationen. Dies stellt in den betroffenen Regionen eine erhebliche Herausforderung für die öffentliche Gesundheit dar. Vulkanische Aktivitäten können 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 Agrarprodukte erhöhte Konzentrationen aufweisen. Die geografische Verteilung von Arsen ist eng an bestimmte geologische Formationen gebunden, mit bemerkenswerten Konzentrationen in Gebieten früherer vulkanischer Aktivität und in bestimmten Sedimentbecken.
Handhabung
Arsen ist äußerst giftig und erfordert bei Handhabung, Lagerung und Entsorgung die höchsten 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, müssen als hochgefährliche Stoffe behandelt werden, für die eine spezielle Ausbildung und Schutzausrüstung erforderlich sind. Direkter Kontakt mit Arsen muss durch geeignete persönliche Schutzausrüstung verhindert werden, darunter chemikalienbeständige Handschuhe, Schutzkleidung und Atemschutz. Das Einatmen von Arsenstaub oder Arsendämpfen kann schwere akute Vergiftungen und langfristige gesundheitliche Schäden verursachen, darunter Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und neurologische Schäden. Die Aufnahme selbst kleiner Mengen von Arsenverbindungen kann tödlich sein. Daher sind eine sichere Lagerung und eine ordnungsgemäße Kennzeichnung unbedingt erforderlich. Beschäftigte in Industriezweigen, in denen Arsen verwendet wird, müssen strenge Grenzwerte für die berufliche Exposition einhalten und regelmäßig medizinisch überwacht werden, um frühe Anzeichen einer Arsenexposition zu erkennen. Eine chronische Exposition gegenüber niedrigen Arsenmengen kann Hautveränderungen, periphere Neuropathie und ein erhöhtes Risiko für verschiedene Krebsarten verursachen, insbesondere für Haut-, Lungen- und Blasenkrebs. Schwangere Frauen müssen jede Exposition gegenüber Arsenverbindungen vermeiden, da das Element Entwicklungsstörungen und ungünstige Schwangerschaftsverläufe verursachen kann. Zu den Notfallmaßnahmen bei Arsenexposition gehören die sofortige Dekontamination, das Entfernen aus der Expositionsquelle und unverzügliche ärztliche Hilfe, da eine schnelle Behandlung 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 Abzügen durchgeführt werden. Notfallverfahren müssen deutlich ausgehängt und leicht zugänglich sein. Die Öffentlichkeit 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) ist Element 33 im Periodensystem, ein Halbmetall in der 4, Gruppe 15. Das klassische Gift der Geschichte — geschmacklos, jahrhundertelang nicht nachweisbar und noch immer eine Krise des Grundwassers für Millionen. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³; sie ergibt 4 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 5. Seine Außenschale enthält 5 Elektronen, wodurch sein Bindungsverhalten bestimmt wird.Bei gewöhnlichem Druck schmilzt Arsen überhaupt nicht — es sublimiert und geht bei etwa 887 K (613.9 °C) direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über. Ein flüssiger Aggregatzustand existiert erst oberhalb von ungefähr 3.63 MPa; dort schmilzt es bei etwa 1090 K. Deshalb ist ein einzelner „Schmelzpunkt“ für Arsen ohne Angabe des Drucks irreführend.
Die Standardatommasse von Arsen beträgt 74.922 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Arsen hat eine Dichte von 5.727 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Arsen ungefähr 5.7× schwerer.
Arsen hat eine Elektronegativität von 2.18 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Arsen ist seit der Antike bekannt – es kommt in einer Form vor, die ohne Verhüttung genutzt werden kann, daher kann keine einzelne Person als Entdecker genannt werden. Der Name stammt von griechisch arsenikon, gelbes Auripigment.
Arsen macht Über 1.8 mg/kg der Erdkruste aus — nicht häufig, aber auch nicht selten.