Строение
Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место мышьяк занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 119 pm — that is 0.119 nm, so about 4202 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
При обычном давлении мышьяк вообще не имеет жидкого агрегатного состояния. Он сублимирует при 887 K, сразу переходя из твёрдого состояния в пар. Температура плавления 1090 K реальна, но достигается только при давлении выше примерно 3.63 МПа.
История
Мышьяк, вероятно, самый печально известный металлоид в периодической таблице — на протяжении всей истории известный как смертельный яд, но при этом абсолютно необходимый для современных технологий. Этот стально-серый элемент имеет более мрачную репутацию, чем любой другой элемент, но он также крайне важен для полупроводников, пестицидов и даже медицины. Название происходит от греческого слова «arsenikos», означающего жёлтый аурипигмент — красивый, но смертельно опасный минерал мышьяка. Известные с древних времён соединения мышьяка использовались и для убийств, и в медицине более 2 000 лет. Древнеегипетские, греческие и римские тексты описывают отравление мышьяком, а в эпоху Возрождения он стал известен как «король ядов», поскольку не имел вкуса и запаха и его было почти невозможно обнаружить. И всё же, парадоксальным образом, соединения мышьяка также применялись как лекарства, включая знаменитый «раствор Фаулера», которым лечили всё — от лихорадки до кожных заболеваний. Научный интерес к мышьяку обусловлен его необычными свойствами. Он существует в нескольких аллотропных формах: устойчивой серой металлической, жёлтой неметаллической и чёрной аморфной. Серый мышьяк на самом деле является полупроводником, а не настоящим металлом, и при нагревании сублимируется, то есть непосредственно переходит из твёрдого состояния в газообразное, образуя токсичный пар мышьяка. Современные технологии во многом зависят от мышьяка, несмотря на его токсичность. Полупроводники из арсенида галлия (GaAs) быстрее и эффективнее кремниевых в высокочастотных приложениях. Ваш мобильный телефон, система GPS и светодиодные лампы содержат соединения мышьяка. Солнечные панели, лазерные диоды и спутниковая связь не существовали бы без полупроводников на основе мышьяка. Вот что удивительно: мышьяк действительно необходим для жизни в очень малых количествах. Некоторые организмы используют мышьяк в своей биохимии, а человеку нужны его следовые количества для нормального роста и развития. Однако разница между необходимой и токсичной дозой чрезвычайно мала.
Мышьяк известен человечеству с древних времён, однако признание его самостоятельным химическим элементом происходило постепенно на протяжении веков благодаря работе многочисленных алхимиков и химиков. Древние цивилизации, включая греков, римлян и китайцев, были знакомы с соединениями мышьяка, особенно с сульфидными минералами аурипигментом и реальгаром, которые использовали как пигменты и в традиционной медицине несмотря на их токсичность. Название элемента происходит от греческого слова «arsenikos», означающего «мужественный» или «мощный», что отражает древнее представление о его сильных и опасных свойствах. Арабские алхимики VIII века, включая Джабира ибн Хайяна, известного на латыни как Geber, описывали методы получения различных соединений мышьяка и распознавали их характерные свойства. Первое достоверное выделение металлического мышьяка приписывают немецкому алхимику Альберту Великому примерно в 1250 году н. э.; он получил этот элемент, нагревая аурипигмент с органическим веществом, хотя, возможно, не до конца понимал, что именно произвёл. Доминиканский монах и учёный Альберт Великий документировал способы получения «металлического вещества» из минералов мышьяка, что стало одним из первых зафиксированных случаев выделения элементарного мышьяка. Систематическое изучение мышьяка началось в XVIII веке, когда шведский химик Георг Брандт подробно описал его свойства и химическое поведение. Немецкий химик Иоганн Шрёдер опубликовал всесторонние исследования соединений мышьяка в XVII веке, внеся значительный вклад в понимание химии этого элемента. Развитие аналитической химии в XVIII и XIX веках привело к более точному описанию свойств мышьяка и признанию его самостоятельным элементом в формировавшейся периодической системе. Печально известная историческая связь мышьяка с отравлениями привела к масштабным исследованиям его обнаружения и анализа, способствовав развитию аналитической химии и судебной экспертизы.
Применение
Мышьяк, несмотря на печально известную репутацию яда, имеет несколько важных промышленных и технологических применений при надлежащем обращении и контроле. Полупроводниковая промышленность использует сверхчистый мышьяк для производства полупроводников из арсенида галлия (GaAs), необходимых для высокочастотных электронных устройств, светодиодного освещения, лазерных диодов и солнечных элементов. Эти содержащие мышьяк полупроводники обеспечивают более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с кремнием в приложениях, требующих высокой скорости или высокой энергоэффективности. Электронная промышленность использует соединения мышьяка при изготовлении интегральных схем, особенно в специализированных приложениях, таких как микроволновые устройства и оптоэлектронные компоненты. Консервация древесины исторически была одним из основных применений соединений мышьяка, особенно хромированного арсената меди (CCA), хотя во многих странах это применение в значительной степени прекращено из-за опасений по поводу здоровья и окружающей среды. Стекольная промышленность использует триоксид мышьяка как осветляющий агент для удаления пузырьков и повышения оптической прозрачности, особенно при производстве высококачественного оптического стекла и телевизионных экранов. Соединения мышьяка служат легирующими добавками в процессе производства полупроводников, когда их точные количества вводят для изменения электрических свойств кремния и других полупроводниковых материалов. В медицине существуют специализированные применения соединений мышьяка для лечения рака, особенно триоксида мышьяка при некоторых видах лейкоза, где он показал замечательную эффективность несмотря на токсичность. В сельском хозяйстве используются некоторые пестициды и гербициды, содержащие мышьяк, хотя эти применения строго регулируются и сокращаются из-за экологических рисков и опасности для здоровья. Продолжаются исследования потенциального применения мышьяка в передовых технологиях, включая квантовые вычисления и специализированные сплавы для аэрокосмической отрасли. Металлургическая промышленность использует мышьяк как легирующую добавку в материалах на основе свинца для повышения твёрдости и коррозионной стойкости.
Наиболее значимое современное применение мышьяка — производство полупроводников, в котором образуются соединения арсенида галлия, используемые практически во всех смартфонах, светодиодных лампах и устройствах беспроводной связи. Солнечные панели, особенно предназначенные для космического применения, используют элементы из арсенида галлия, содержащие мышьяк, для достижения максимальной эффективности преобразования солнечного света в электричество. Высокоскоростная интернет-инфраструктура зависит от содержащих мышьяк лазерных диодов и фотодетекторов, применяемых в системах волоконно-оптической связи. Автомобильные светодиодные фары и задние фонари содержат полупроводники на основе мышьяка, обеспечивающие яркость и энергоэффективность. Военные и аэрокосмические системы используют соединения мышьяка в радиолокационных системах, спутниковой связи и оборудовании радиоэлектронной борьбы. Стекольная промышленность продолжает использовать небольшие количества триоксида мышьяка при производстве специального стекла, включая оптические линзы и телевизионные экраны высокого класса. В медицинских онкологических отделениях триоксид мышьяка применяют как химиотерапевтическое средство для лечения некоторых видов рака крови, где он доказал высокую эффективность. Научно-исследовательские лаборатории по всему миру используют сверхчистый мышьяк в экспериментальных полупроводниковых устройствах и квантовых исследованиях. Некоторые специализированные металлические сплавы по-прежнему содержат небольшие количества мышьяка для улучшения свойств материалов в отдельных промышленных приложениях. Оборудование экологического мониторинга использует датчики и детекторы на основе мышьяка для измерения качества воздуха и воды. Даже потребительская электроника, например компьютерные процессоры и графические карты, содержит следовые количества мышьяка в полупроводниковых компонентах. Сектор возобновляемой энергетики применяет соединения мышьяка в передовых фотоэлектрических системах, разработанных для максимальной эффективности выработки энергии.
Откуда он берётся
1.8 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 56% of elements
Мышьяк широко распространён в земной коре; его средняя концентрация составляет примерно 1,8 части на миллион, поэтому он более распространён, чем многие другие микроэлементы, но редко встречается в концентрированных месторождениях. Элемент естественным образом входит в состав более 200 минеральных видов, однако лишь некоторые из них имеют экономическое значение для добычи. Арсенопирит (FeAsS) — наиболее распространённый минерал, содержащий мышьяк, и основной источник промышленного производства мышьяка. Этот минерал часто встречается вместе с рудами золота, серебра и меди, поэтому извлечение мышьяка становится побочным продуктом добычи драгоценных металлов. Реальгар (As4S4) и аурипигмент (As2S3) — характерные оранжевый и жёлтый сульфидные минералы мышьяка, которые исторически были важными источниками, хотя сегодня имеют меньшее коммерческое значение. Мышьяк обычно присутствует как микроэлемент в сульфидных рудах меди, свинца, цинка, серебра и золота, часто осложняя переработку этих металлов. Угольные месторождения нередко содержат мышьяк в концентрациях от 1 до 100 частей на миллион, а некоторые угли с высоким содержанием мышьяка — значительно больше, что вызывает экологические проблемы при их сжигании. Грунтовые воды в некоторых геологических формациях естественным образом содержат повышенные уровни мышьяка из-за выветривания пород и минералов, содержащих мышьяк, создавая серьёзные проблемы для здоровья населения в затронутых регионах. Вулканическая активность может высвобождать мышьяк в окружающую среду посредством геотермальных процессов, приводя к естественно повышенным концентрациям в некоторых горячих источниках и геотермальных районах. Морские отложения часто содержат мышьяк, сконцентрированный в результате биологических и химических процессов, особенно в районах с высоким содержанием органического вещества. Некоторые растения способны накапливать мышьяк из загрязнённых почв, что приводит к повышенным концентрациям в отдельных сельскохозяйственных продуктах, выращенных в таких районах. Географическое распределение мышьяка тесно связано с определёнными геологическими формациями; заметные концентрации наблюдаются в районах прошлой вулканической активности и некоторых осадочных бассейнах.
Обращение
Мышьяк чрезвычайно токсичен и требует максимального уровня мер безопасности при обращении, хранении и утилизации, поскольку Международное агентство по изучению рака относит его к канцерогенам группы 1. Со всеми формами мышьяка, включая металлический элемент и его соединения, следует обращаться как с особо опасными материалами, требующими специальной подготовки и защитного оборудования. Необходимо предотвращать прямой контакт с мышьяком с помощью соответствующих средств индивидуальной защиты, включая химически стойкие перчатки, защитную одежду и средства защиты органов дыхания. Вдыхание пыли или паров мышьяка может вызвать тяжёлое острое отравление и долгосрочные последствия для здоровья, включая рак, сердечно-сосудистые заболевания и неврологические повреждения. Проглатывание даже небольших количеств соединений мышьяка может привести к смерти, поэтому безопасное хранение и правильная маркировка имеют критическое значение. Работники предприятий, использующих мышьяк, должны соблюдать строгие нормы профессионального воздействия и регулярно проходить медицинский контроль для раннего выявления признаков воздействия мышьяка. Хроническое воздействие низких уровней мышьяка может вызвать поражения кожи, периферическую невропатию и повышенный риск различных видов рака, особенно рака кожи, лёгких и мочевого пузыря. Беременные женщины должны избегать любого воздействия соединений мышьяка, поскольку этот элемент может вызвать нарушения развития и неблагоприятные исходы беременности. Неотложные меры при воздействии мышьяка включают немедленную дезактивацию, удаление из зоны воздействия и срочное обращение за медицинской помощью, поскольку своевременное лечение имеет решающее значение для предотвращения тяжёлого отравления. Утилизация материалов, содержащих мышьяк, должна соответствовать требованиям законодательства об опасных отходах и проводиться на специализированных объектах, оборудованных для безопасного обращения с токсичными материалами. Работы с соединениями мышьяка в лаборатории необходимо проводить в исправно вентилируемых вытяжных шкафах, разместив инструкции по экстренным действиям на видном и доступном месте. Население должно знать, что природный мышьяк в питьевой воде представляет опасность для здоровья; в районах с известным загрязнением мышьяком рекомендуется проверять воду.
Краткие ответы
Мышьяк (symbol As) is element 33 on the periodic table, a металлоид 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 мышьяк 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 мышьяк is misleading without a stated pressure.
The standard atomic weight of Мышьяк is 74.922 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Мышьяк has a density of 5.727 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of мышьяк is about 5.7× heavier.
Мышьяк 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.
Мышьяк 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.
Мышьяк makes up about 1.8 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.