As · Элемент 33 · Металлоид
Классический яд из истории — безвкусный, незаметный на протяжении веков и по-прежнему являющийся причиной кризиса грунтовых вод для миллионов людей.
Строение
Это не диаграмма 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 химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение мышьяк среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 119 pm — это 0,119 нм, поэтому около 4,2 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
При обычном давлении мышьяк вообще не имеет жидкого агрегатного состояния. Он сублимирует при 887 K, переходя непосредственно 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, однако он также играет ключевую роль в производстве полупроводников, пестицидов и даже лекарств. Название происходит от греческого слова «arsenikos», означающего жёлтый аурипигмент — красивый, но смертельно опасный минерал мышьяка. Известные с глубокой древности соединения мышьяка более 2 000 лет использовались как для убийств, так и в медицине. В древнеегипетских, греческих и римских текстах описываются отравления мышьяком, а в эпоху Возрождения он получил название «короля ядов», поскольку был безвкусным, не имел запаха и почти не поддавался обнаружению. 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 модификациях: устойчивой серой металлической, жёлтой неметаллической и чёрной аморфной. Серый мышьяк на самом деле является полупроводником, а не настоящим металлом, и при нагревании сублимирует — переходит непосредственно из твёрдого состояния в газообразное, образуя токсичный пар мышьяка. Современные технологии широко используют мышьяк, несмотря на его токсичность. Полупроводники из арсенида галлия (GaAs) быстрее и эффективнее кремниевых в высокочастотных приложениях. В вашем мобильном телефоне, GPS-системе и светодиодных лампах содержатся 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 глубокой древности, однако его признание как самостоятельного химического элемента 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 «мужской» или «мощный», что отражает древнее представление о его сильных и опасных свойствах. Арабские алхимики VIII века, включая Джабира ибн Хайяна, известного на латыни как Гебер, описывали способы получения различных соединений мышьяка и распознавали их особые свойства. Первое достоверное выделение металлического мышьяка приписывают немецкому алхимику Альберту Великому примерно в 1250 году н. э.; он получил этот элемент нагреванием аурипигмента с органическим веществом, хотя, возможно, не до конца понимал, что именно ему удалось получить. Доминиканский монах и учёный Альберт Великий описал процедуры получения «металлического вещества» из минералов мышьяка, что стало одним из самых ранних зафиксированных случаев выделения элементарного мышьяка. Систематическое изучение мышьяка всерьёз началось в XVIII веке, когда шведский химик Георг Брандт подробно описал его свойства и химическое поведение. Немецкий химик Иоганн Шрёдер опубликовал подробные 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 точной характеристике свойств мышьяка и его признанию самостоятельным элементом в формировавшейся периодической системе. Печально известная историческая связь мышьяка с отравлениями привела к масштабным исследованиям методов его обнаружения и анализа, стимулировав развитие аналитической химии и криминалистики.
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 обладают более высокими эксплуатационными характеристиками по сравнению с кремнием в приложениях, требующих высокой скорости или высокой энергоэффективности. Электронная промышленность использует соединения мышьяка при изготовлении интегральных схем, особенно в специализированных устройствах, таких как микроволновые приборы и оптоэлектронные компоненты. Сохранение древесины исторически было одним из основных применений соединений мышьяка, особенно хромированного арсената меди (CCA), хотя во многих странах это применение в значительной степени свернули из-за опасений за здоровье людей и окружающую среду. Стекольная промышленность использует триоксид мышьяка как осветляющий реагент для удаления пузырьков и улучшения оптической прозрачности, особенно при производстве высококачественного оптического стекла и экранов телевизоров. Соединения мышьяка служат легирующими добавками в процессе производства полупроводников: их точные количества вводят для изменения электрических свойств кремния и других полупроводниковых материалов. В медицине найдены специализированные применения соединений мышьяка для лечения рака, особенно триоксида мышьяка при некоторых видах лейкоза, где он показал выдающуюся эффективность, несмотря на токсичность. В сельском хозяйстве применяются некоторые пестициды и гербициды, содержащие мышьяк, однако эти виды использования строго регулируются и сокращаются из-за экологических рисков и опасности для здоровья. Продолжаются исследования потенциального применения мышьяка в передовых технологиях, включая квантовые вычисления и специальные 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 космических применений, используют элементы на основе арсенида галлия, содержащие мышьяк, для достижения максимальной эффективности преобразования солнечного света в электричество. Высокоскоростная интернет-инфраструктура зависит от содержащих мышьяк лазерных диодов и фотодетекторов, используемых в системах волоконно-оптической связи. В автомобильных светодиодных фарах и задних фонарях применяются полупроводники на основе мышьяка, обеспечивающие яркость и энергоэффективность. В военной и аэрокосмической сферах соединения мышьяка применяются 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 используют как химиотерапевтическое средство для лечения определённых видов рака крови, где он доказал высокую эффективность. Исследовательские лаборатории по всему миру применяют сверхчистый мышьяк в экспериментальных полупроводниковых устройствах и исследованиях квантовых технологий. Некоторые специальные металлические сплавы по-прежнему содержат небольшие количества мышьяка для улучшения свойств материалов в отдельных промышленных применениях. Оборудование для экологического мониторинга использует датчики и детекторы на основе мышьяка для измерения качества воздуха и воды. Даже такие потребительские электронные устройства, как компьютерные процессоры и графические карты, содержат следовые количества мышьяка в своих полупроводниковых компонентах. Сектор возобновляемой энергетики применяет соединения мышьяка в передовых фотоэлектрических системах, разработанных для достижения максимальной эффективности выработки энергии.
Откуда он происходит
1,8 мг/кг земной коры · более распространён, чем 56% элементов
Мышьяк широко распространён в земной коре: его средняя концентрация составляет примерно 1,8 части на миллион. Это делает его более распространённым, чем многие другие микроэлементы, однако он редко встречается в концентрированных месторождениях. Элемент естественным образом входит в состав более 200 видов минералов, хотя лишь несколько 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 является 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 часто присутствует как микроэлемент в сульфидных рудах меди, свинца, цинка, серебра и золота, нередко осложняя переработку этих металлов. Угольные месторождения часто содержат мышьяк в концентрациях от 1 до 100 частей на миллион, а в некоторых углях с высоким содержанием мышьяка его значительно больше, что создаёт экологические проблемы при сжигании такого угля. Подземные воды в некоторых геологических формациях естественным образом содержат повышенные уровни мышьяка из-за выветривания пород и минералов, содержащих мышьяк, создавая серьёзные угрозы для здоровья населения в затронутых регионах. Вулканическая активность может выделять мышьяк в окружающую среду посредством геотермальных процессов, вызывая естественно повышенные концентрации 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 отмечаются в районах прошлой вулканической активности и некоторых осадочных бассейнах.
Обращение
Мышьяк чрезвычайно токсичен и требует самого высокого уровня мер безопасности при обращении, хранении и утилизации, поскольку Международное агентство по изучению рака классифицирует его как канцероген группы 1. Со всеми формами мышьяка, включая металлический элемент и его соединения, следует обращаться как с высокоопасными 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. Попадание внутрь даже небольших количеств соединений мышьяка может привести к смерти, поэтому надёжное хранение и правильная маркировка имеют решающее значение. Работники предприятий, использующих мышьяк, должны соблюдать строгие ограничения профессионального воздействия и регулярно проходить медицинский контроль для раннего выявления признаков воздействия мышьяка. Хроническое воздействие низких уровней мышьяка может вызвать поражения кожи, периферическую нейропатию 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 источника воздействия и срочное обращение за медицинской помощью, поскольку быстрое лечение имеет решающее значение для предотвращения тяжёлого отравления. Утилизация материалов, содержащих мышьяк, требует соблюдения правил обращения с опасными отходами и использования специализированных объектов, оборудованных для безопасного обращения с токсичными материалами. Работы с соединениями мышьяка в лаборатории должны проводиться в правильно вентилируемых вытяжных шкафах, при этом аварийные процедуры должны быть чётко изложены и легко доступны. Население должно знать, что естественный мышьяк в питьевой воде представляет опасность для здоровья, поэтому в районах с известным загрязнением мышьяком рекомендуется проводить анализ воды.
Краткие ответы
Мышьяк (символ As) — элемент 33 в периодической таблице, представитель семейства Металлоид в 4 периоде, 15 группе. Классический яд из истории — безвкусный, незаметный на протяжении веков и по-прежнему являющийся причиной кризиса грунтовых вод для миллионов людей. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 18, 5. На внешней оболочке находится 5 электронов, что определяет характер химических связей.При обычном давлении Мышьяк вообще не плавится — он сублимирует, переходя непосредственно из твёрдого состояния в пар при температуре около 887 K (613.9 °C). Жидкое агрегатное состояние существует только при давлении выше примерно 3.63 МПа; плавление происходит примерно при 1090 K. Поэтому указание одной «температуры плавления» для Мышьяк вводит в заблуждение без указания давления.
Стандартная атомная масса Мышьяк составляет 74.922 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Мышьяк составляет 5.727 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Мышьяк примерно в 5.7× тяжелее.
Электроотрицательность Мышьяк по шкале Полинга составляет 2.18. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Мышьяк известен с древности — он встречается в форме, пригодной для использования без выплавки, поэтому нельзя приписать его открытие какому-либо одному человеку. Название происходит от греческое arsenikon, жёлтый аурипигмент.
На долю Мышьяк приходится около 1.8 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.