As · Élément 33 · Métalloïde
Le poison historique classique — insipide, indétectable pendant des siècles et toujours à l’origine d’une crise des eaux souterraines pour des millions de personnes.
Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe arsenic parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 119 pm — soit 0,119 nm ; il en faudrait donc environ 4,2 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
À pression ordinaire, arsenic n’a aucun état liquide. Il se sublime à 887 K, passant directement de l’état solide à la vapeur. Le point de fusion à 1090 K est réel, mais uniquement au-dessus d’environ 3.63 MPa.
L’histoire
L’arsenic est probablement le métalloïde le plus tristement célèbre du tableau périodique: connu depuis l’Antiquité comme un poison mortel, il est pourtant absolument essentiel aux technologies modernes. Cet élément gris acier a une réputation plus sombre que tout autre élément, mais il est aussi essentiel aux semi-conducteurs, aux pesticides et même à la médecine. Le nom vient du mot grec « arsenikos », qui signifie orpiment jaune, un minéral d’arsenic magnifique mais mortel. Connu depuis l’Antiquité, les composés de l’arsenic sont utilisés à la fois pour tuer et pour soigner depuis plus de 2 000 ans. Des textes égyptiens, grecs et romains anciens décrivent les empoisonnements à l’arsenic, et celui-ci est devenu connu comme le « roi des poisons » à la Renaissance, car il était insipide, inodore et presque impossible à détecter. Pourtant, paradoxalement, les composés de l’arsenic étaient aussi utilisés comme médicaments, notamment la célèbre « solution de Fowler », employée pour traiter aussi bien les fièvres que les affections cutanées. Ce qui rend l’arsenic scientifiquement fascinant, ce sont ses propriétés inhabituelles. Il existe sous plusieurs formes allotropiques: la forme métallique grise, stable, une forme jaune non métallique et une forme noire amorphe. L’arsenic gris est en réalité un semi-conducteur, et non un véritable métal, et il se sublime (passe directement de l’état solide à l’état gazeux) lorsqu’il est chauffé, créant une vapeur toxique d’arsenic. Les technologies modernes dépendent largement de l’arsenic malgré sa toxicité. Les semi-conducteurs à base d’arséniure de gallium (GaAs) sont plus rapides et plus efficaces que ceux à base de silicium pour les applications à haute fréquence. Votre téléphone portable, votre système GPS et vos lampes à LED contiennent tous des composés de l’arsenic. Les panneaux solaires, les diodes laser et les communications par satellite n’existeraient pas sans les semi-conducteurs à base d’arsenic. Voici quelque chose de surprenant: l’arsenic est en réalité essentiel à la vie en très petites quantités. Certains organismes utilisent l’arsenic dans leur biochimie, et les êtres humains en ont besoin à l’état de traces pour assurer une croissance et un développement normaux. Cependant, la différence entre les doses essentielles et les doses toxiques est extrêmement faible.
L’arsenic est connu de l’humanité depuis l’Antiquité, mais sa reconnaissance en tant qu’élément chimique distinct s’est développée progressivement au fil des siècles grâce aux travaux de nombreux alchimistes et chimistes. Les civilisations anciennes, notamment les Grecs, les Romains et les Chinois, connaissaient les composés de l’arsenic, en particulier les minéraux sulfurés que sont l’orpiment et le réalgar, utilisés comme pigments et dans la médecine traditionnelle malgré leur toxicité. Le nom de l’élément vient du mot grec « arsenikos », qui signifie « masculin » ou « puissant », reflétant la compréhension ancienne de ses propriétés puissantes et dangereuses. Les alchimistes arabes du VIIIe siècle, notamment Jabir ibn Hayyan (connu en latin sous le nom de Geber), ont décrit des méthodes de préparation de divers composés de l’arsenic et reconnu leurs propriétés distinctes. La première isolation clairement établie de l’arsenic métallique est attribuée à l’alchimiste allemand Albertus Magnus vers 1250 apr. J.-C., qui obtint l’élément en chauffant de l’orpiment avec de la matière organique, bien qu’il n’ait peut-être pas compris pleinement ce qu’il avait produit. Le frère dominicain et érudit Albert le Grand a documenté des procédés permettant d’obtenir « une substance métallique » à partir de minéraux d’arsenic, ce qui constitue l’une des premières isolations consignées de l’arsenic élémentaire. L’étude systématique de l’arsenic a véritablement commencé au XVIIIe siècle, lorsque le chimiste suédois Georg Brandt a fourni des descriptions détaillées des propriétés et du comportement chimique de l’arsenic. Le chimiste allemand Johann Schroeder a publié au XVIIe siècle des études approfondies sur les composés de l’arsenic, contribuant largement à la compréhension de la chimie de l’élément. Le développement de la chimie analytique aux XVIIIe et XIXe siècles a permis une caractérisation plus précise des propriétés de l’arsenic et sa reconnaissance en tant qu’élément distinct dans le système périodique émergent. L’association historique tristement célèbre de l’arsenic avec les empoisonnements a conduit à des recherches approfondies sur sa détection et son analyse, stimulant les progrès de la chimie analytique et de la criminalistique.
Applications
L’arsenic, malgré sa réputation notoire de poison, possède plusieurs applications industrielles et technologiques importantes lorsqu’il est manipulé et contrôlé correctement. L’industrie des semi-conducteurs utilise de l’arsenic ultrap pur dans la production de semi-conducteurs à base d’arséniure de gallium (GaAs), essentiels aux appareils électroniques à haute fréquence, à l’éclairage à LED, aux diodes laser et aux cellules solaires. Ces semi-conducteurs contenant de l’arsenic offrent de meilleures performances que le silicium dans les applications nécessitant une vitesse élevée ou une grande efficacité énergétique. L’industrie électronique utilise des composés de l’arsenic pour fabriquer des circuits intégrés, notamment dans des applications spécialisées comme les appareils à micro-ondes et les composants optoélectroniques. La préservation du bois a historiquement constitué une utilisation majeure des composés de l’arsenic, en particulier de l’arséniate de cuivre chromaté (CCA), bien que cette application ait été largement abandonnée dans de nombreux pays en raison de préoccupations sanitaires et environnementales. L’industrie du verre utilise le trioxyde d’arsenic comme agent d’affinage pour éliminer les bulles et améliorer la clarté optique, notamment dans la production de verre optique de haute qualité et d’écrans de télévision. Les composés de l’arsenic servent de dopants dans le processus de fabrication des semi-conducteurs, au cours duquel des quantités précises sont introduites pour modifier les propriétés électriques du silicium et d’autres matériaux semi-conducteurs. Le domaine médical a trouvé des applications spécialisées aux composés de l’arsenic dans le traitement du cancer, en particulier au trioxyde d’arsenic pour certains types de leucémie, pour lesquels il s’est révélé remarquablement efficace malgré sa toxicité. Les applications agricoles comprennent certains pesticides et herbicides, bien que ces utilisations soient fortement réglementées et en déclin en raison de préoccupations environnementales et sanitaires. Les recherches se poursuivent sur les applications potentielles de l’arsenic dans les technologies avancées, notamment l’informatique quantique et les alliages spécialisés destinés à l’aérospatiale. L’industrie métallurgique utilise l’arsenic comme agent d’alliage dans les matériaux à base de plomb afin d’améliorer leur dureté et leur résistance à la corrosion.
L’application moderne la plus importante de l’arsenic est la fabrication de semi-conducteurs, où il forme des composés d’arséniure de gallium utilisés dans pratiquement tous les smartphones, les lampes à LED et les appareils de communication sans fil. Les panneaux solaires, en particulier ceux conçus pour les applications spatiales, utilisent des cellules à base d’arséniure de gallium contenant de l’arsenic pour atteindre une efficacité maximale dans la conversion de la lumière du soleil en électricité. Les infrastructures Internet à haut débit dépendent de diodes laser et de photodétecteurs contenant de l’arsenic, utilisés dans les systèmes de communication par fibre optique. Les phares et feux arrière à LED des automobiles intègrent des semi-conducteurs à base d’arsenic pour leur luminosité et leur efficacité énergétique. Les applications militaires et aérospatiales utilisent des composés de l’arsenic dans les systèmes radar, les communications par satellite et les équipements de guerre électronique. L’industrie du verre continue d’utiliser de petites quantités de trioxyde d’arsenic dans la production de verres spéciaux, notamment les lentilles optiques et les écrans de télévision haut de gamme. Les services d’oncologie utilisent le trioxyde d’arsenic comme agent chimiothérapeutique contre certains types de cancers du sang, pour lesquels il s’est révélé très efficace. Les laboratoires de recherche du monde entier utilisent de l’arsenic ultrap pur dans des dispositifs semi-conducteurs expérimentaux et des applications de recherche quantique. Certains alliages métalliques spécialisés contiennent encore de petites quantités d’arsenic afin d’améliorer les propriétés des matériaux pour des applications industrielles particulières. Les équipements de surveillance environnementale utilisent des capteurs et des détecteurs à base d’arsenic pour mesurer la qualité de l’air et de l’eau. Même les appareils électroniques grand public, comme les processeurs d’ordinateur et les cartes graphiques, contiennent des traces d’arsenic dans leurs composants semi-conducteurs. Le secteur des énergies renouvelables utilise des composés de l’arsenic dans des systèmes photovoltaïques avancés conçus pour maximiser l’efficacité de la production d’énergie.
D’où il vient
1,8 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 56 % des éléments
L’arsenic est largement réparti dans la croûte terrestre, avec une concentration moyenne d’environ 1,8 partie par million, ce qui le rend plus abondant que de nombreux autres éléments présents à l’état de traces, mais il est rarement trouvé dans des gisements concentrés. L’élément est présent naturellement dans plus de 200 espèces minérales, mais seules quelques-unes sont économiquement importantes pour son extraction. L’arsénopyrite (FeAsS) est le minéral contenant de l’arsenic le plus courant et constitue la principale source de production commerciale d’arsenic. Ce minéral est souvent associé à des minerais d’or, d’argent et de cuivre, de sorte que la récupération de l’arsenic est un sous-produit des activités d’extraction des métaux précieux. Le réalgar (As4S4) et l’orpiment (As2S3) sont des minéraux de sulfure d’arsenic orange et jaune caractéristiques qui constituaient autrefois des sources importantes, mais qui ont aujourd’hui moins d’importance sur le plan commercial. L’arsenic est couramment présent à l’état de traces dans les minerais sulfurés de cuivre, de plomb, de zinc, d’argent et d’or, ce qui complique souvent le traitement de ces métaux. Les gisements de charbon contiennent fréquemment des concentrations d’arsenic comprises entre 1 et 100 parties par million, certains charbons très arsenicaux en contenant beaucoup davantage, ce qui entraîne des préoccupations environnementales lorsqu’ils sont brûlés. Les eaux souterraines de certaines formations géologiques contiennent naturellement des teneurs élevées en arsenic en raison de l’altération des roches et des minéraux contenant de l’arsenic, créant d’importants problèmes de santé publique dans les régions touchées. L’activité volcanique peut libérer de l’arsenic dans l’environnement par des processus géothermiques, entraînant des concentrations naturellement élevées dans certaines sources chaudes et zones géothermiques. Les sédiments marins contiennent souvent de l’arsenic qui s’y est concentré par des processus biologiques et chimiques, en particulier dans les zones riches en matière organique. Certaines plantes peuvent accumuler l’arsenic présent dans des sols contaminés, ce qui entraîne des concentrations élevées dans certains produits agricoles cultivés dans les zones touchées. La répartition géographique de l’arsenic est étroitement liée à certaines formations géologiques, avec des concentrations notables dans les régions ayant connu une activité volcanique et dans certains bassins sédimentaires.
Manipulation
L’arsenic est extrêmement toxique et exige le niveau maximal de précautions de sécurité lors de sa manipulation, de son stockage et de son élimination, car il est classé comme cancérogène du groupe 1 par le Centre international de recherche sur le cancer. Toutes les formes d’arsenic, y compris l’élément métallique et ses composés, doivent être considérées comme des matières hautement dangereuses nécessitant une formation spécialisée et des équipements de sécurité adaptés. Tout contact direct avec l’arsenic doit être évité grâce à l’utilisation d’équipements de protection individuelle appropriés, notamment des gants résistants aux produits chimiques, des vêtements de protection et une protection respiratoire. L’inhalation de poussières ou de vapeurs d’arsenic peut provoquer une intoxication aiguë grave et des effets à long terme sur la santé, notamment des cancers, des maladies cardiovasculaires et des lésions neurologiques. L’ingestion de petites quantités seulement de composés de l’arsenic peut être mortelle, ce qui rend absolument essentiels un stockage sécurisé et un étiquetage correct. Les travailleurs des industries utilisant de l’arsenic doivent respecter des limites d’exposition professionnelle strictes et faire l’objet d’une surveillance médicale régulière afin de détecter les premiers signes d’exposition à l’arsenic. Une exposition chronique à de faibles niveaux d’arsenic peut provoquer des lésions cutanées, une neuropathie périphérique et un risque accru de divers cancers, notamment des cancers de la peau, du poumon et de la vessie. Les femmes enceintes doivent éviter toute exposition aux composés de l’arsenic, car l’élément peut provoquer des anomalies du développement et des issues défavorables de la grossesse. Les procédures d’urgence en cas d’exposition à l’arsenic comprennent une décontamination immédiate, l’éloignement de la source d’exposition et une prise en charge médicale urgente, car un traitement rapide est essentiel pour prévenir une intoxication grave. L’élimination des matières contenant de l’arsenic doit respecter la réglementation sur les déchets dangereux et être effectuée dans des installations spécialisées équipées pour traiter les matières toxiques en toute sécurité. Les travaux de laboratoire avec des composés de l’arsenic doivent être réalisés dans des sorbonnes correctement ventilées, avec des procédures d’urgence clairement affichées et facilement accessibles. Le grand public doit savoir que l’arsenic naturellement présent dans l’eau potable constitue un risque pour la santé, et il est recommandé d’analyser l’eau dans les zones où une contamination à l’arsenic est connue.
Réponses rapides
Arsenic (symbole As) est l’élément 33 du tableau périodique, un Métalloïde de la période 4, du groupe 15. Le poison historique classique — insipide, indétectable pendant des siècles et toujours à l’origine d’une crise des eaux souterraines pour des millions de personnes. À température ambiante, c’est un solide.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³ ; elle comporte 4 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 5. Sa couche externe contient 5 électrons, ce qui détermine son comportement en matière de liaisons.À pression ordinaire, Arsenic ne fond pas du tout — il se sublime, passant directement de l’état solide à la vapeur vers 887 K (613.9 °C). Un état liquide n’existe qu’au-dessus d’environ 3.63 MPa, où il fond vers 1090 K. C’est pourquoi un « point de fusion » unique pour Arsenic est trompeur sans pression indiquée.
La masse atomique standard de Arsenic est de 74.922 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Arsenic a une masse volumique de 5.727 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Arsenic est donc environ 5.7× plus lourd.
Arsenic a une électronégativité de Pauling de 2.18. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Arsenic est connu depuis l’Antiquité — il existe sous une forme utilisable sans réduction du minerai ; aucune personne en particulier ne peut donc être créditée de sa découverte. Le nom vient de grec arsenikon, orpiment jaune.
Arsenic constitue environ 1.8 mg/kg de la croûte terrestre — peu courant, mais pas rare.