Арсенът, известен с химическия символ As, е химичен елемент с атомен номер 33. Той принадлежи към групата на металоидите и притежава уникални физични и химични свойства, които го правят важен в различни области на науката и индустрията.
| Арсен | |
 | |
| Информационна таблица | |
| Параметър | Информация |
|---|---|
| Име на елемента (български) | Арсен |
| Латинско / международно наименование | Arsenicum |
| Химичен символ | As |
| Пореден номер (атомно число) | 33 |
| Период и група в таблицата | 4-ти период, 15-та група |
| Блок (s, p, d, f) | p-блок |
| Категория / тип елемент | Металоид |
| Атомна маса | 74.9216 u |
| Изотопи | As-75 (стабилен), As-74, As-76 (радиоактивни) |
| Средна атомна маса | 74.9216 |
| Плътност | 5.727 g/cm³ при 20°C |
| Температура на топене | Сублимира при 616°C (не преминава в течна фаза при нормално налягане) |
| Температура на кипене | 613°C (сублимация) |
| Кристална структура | Ромбична, тригонална форма (сив арсен) |
| Цвят / външен вид | Сивкав металоид с метален блясък |
| Агрегатно състояние при 20°C | Твърдо |
| Откривател / година на откриване | Известен от древността (около XIII век н.е. – Алберт Велики го изолира пръв) |
| Място на откриване | Европа |
| Етимология на името | От гръцки „arsenikon“ – означава „мъжествен“ или „силен“ |
| Химическа формула | As |
| Окислителни степени | −3, +3, +5 |
| Електронна конфигурация | [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³ |
| Електроотрицателност | 2.18 (по Полинг) |
| Йонизационна енергия | 947 kJ/mol |
| Ковалентен радиус | 119 pm |
| Атомен радиус | 114 pm |
| Топлопроводимост | 50 W/(m·K) |
| Електрическа проводимост | 3.3×10⁴ S/m |
| Магнитни свойства | Диамагнитен |
| Състояние на електрони при възбуждане | 4s¹4p⁴ |
| Спектрален цвят / линии | Сини и зелени линии в спектъра |
| Честота в земната кора | Около 1.8 ppm |
| Наличие във Вселената | Среща се в малки количества в метеорити |
| Основни минерали и съединения | Арсенопирит (FeAsS), реалгар (As₄S₄), орпимент (As₂S₃) |
| Разпространение в природата | Среща се в сулфидни руди заедно с мед, олово и сребро |
| Начини за получаване / добив | При рафиниране на медни и оловни руди |
| Основни производители в света | Китай, Русия, Мароко, Чили |
| Основни приложения | Полупроводници, сплави, пестициди, дървесна обработка, оптични устройства |
| Участие в сплави / съединения | GaAs (арсенид на галия), As₂O₃ (арсенов триоксид), AsH₃ (арсин) |
| Биологично значение | Токсичен за човека; в микроколичества присъства в някои ензими при животни |
| Токсичност и безопасност | Изключително токсичен; хроничното излагане води до отравяне и рак |
| Пределно допустима концентрация | 0.01 mg/L (в питейна вода, според СЗО) |
| Влияние върху човешкия организъм | Причинява клетъчно увреждане, анемия и поражения върху нервната система |
| Роля в биохимичните процеси | Замества фосфора в клетъчни реакции, което ги прави неефективни |
| Използване в индустрията | Производство на полупроводници, антипаразитни и дървесни консерванти |
| Използване в електрониката / енергетиката | Компонент в арсениди на галий и индий (GaAs, InAs) – важни за LED и лазери |
| Използване в медицината / фармацията | Исторически – в арсенови съединения (напр. Fowler’s solution) |
| Ядрени свойства | Стабилен изотоп As-75; радиоактивни форми използвани в трасиращи изследвания |
| Полуживот на радиоактивни изотопи | As-74 – 17.8 дни, As-76 – 26.3 часа |
| Тип радиоактивен разпад | Бета-разпад |
| Енергия на връзката | 3.21 eV на атом |
| Наличие в атмосферата / океаните | Следи от неорганичен арсен в седименти и води |
| Влияние върху околната среда | Силен замърсител – натрупва се в почви и водни екосистеми |
| Методи за рециклиране / повторна употреба | Ограничено рециклиране; контролирано обезвреждане |
| Глобално годишно производство | Около 40 000 тона |
| Годишна консумация | Приблизително 38 000 тона |
| Основни вносители / износители | Китай, Япония, САЩ, Белгия |
| Историческо значение | Използван още в древен Китай и Египет за пигменти и лекарства |
| Научна дисциплина | Химия, токсикология, материалознание |
| Интересни факти | Арсенът е едновременно известен отровен елемент и ключов в микроелектрониката |
| CAS номер | 7440-38-2 |
| PubChem CID | 5359596 |
| UN номер / код за транспортна безопасност | UN 1558 |
| Периодични тенденции | Поведение между фосфор и антимон |
| Спектър на излъчване | Синьо-зелен при пламъчен тест |
| Енергийно ниво на външния електрон | 4p³ |
| Промишлени рискове и мерки за безопасност | Изисква вентилация, предпазно облекло и специализирано съхранение |
| Състояние при стандартни условия (STP) | Твърдо, металоид |
| Класификация по IUPAC | Металоид |
| Символика и културно значение | Символ на двойствеността – живот и смърт; „отровата на алхимиците“ |
История на арсена
Историята на арсена е дълга и сложна, обхващаща хиляди години. Първите известия за арсен датират от древен Египет, където той е бил използван в различни сплави и в производството на козметика.
Въпреки че древните цивилизации не са познавали елемента в чиста форма, те са открили неговите свойства чрез взаимодействащи минерали. През Средновековието, арсенът придобива популярност в Европа, особено в контекста на алхимията, където алхимици опитвали да трансформират различни метали в злато.
През 1250 година, арсенът бил описан от алхимика Теофраст, който го нарекъл "арсеникос". През 18-ти век, с напредъка на химията, арсенът започва да бъде изолиран и изучаван по-подробно. В края на 18-ти век, френският химик Антоан Лавоазие го класифицира като елемент.
През 19-ти век, арсенът става важен компонент в производството на пестициди и инсектициди, но също така и в медицината, където е използван за лечение на различни заболявания.
Физични и химични свойства
Арсенът е полуметал, който може да съществува в различни алотропни форми. Най-разпространената форма е сивият арсен, който е твърд и кристален. Другите форми включват черния и жълтия арсен, които имат различни физични свойства.
Сивият арсен е известен със своята метална лъскавина и е изключително твърд, а черният арсен е по-мекият и по-добре разтворим във вода. Химическият състав на арсена е уникален. Той образува съединения с много елементи, включително кислород, водород и сяра.
Най-често срещаните съединения на арсена включват арсенова киселина (H₃AsO₄) и арсенитна киселина (H₃AsO₃). Арсенът проявява разнообразие от валентности, най-вече +3 и +5, което му позволява да участва в много химични реакции.
Водата и органичните разтворители не разтварят арсена, но той образува разтворими съединения, които могат да бъдат опасни.
Приложения на арсена
Арсенът намира приложение в множество индустриални и научни области. Въпреки че е известен със своите токсични свойства, той също така играе важна роля в производството на полупроводникови материали. Например, арсенидът на галия (GaAs) е ключов компонент в производството на лазери и LED осветление.
Полупроводниците, базирани на арсен, се използват в компютри, мобилни телефони и други електронни устройства. Освен в електрониката, арсенът е широко използван в производството на сплави, особено в стомана, където той подобрява якостта и устойчивостта на корозия.
Добавянето на арсен в медни сплави повишава тяхната електрическа проводимост и термална устойчивост. В селското стопанство, арсенът се използва в производството на пестициди и инсектициди, но с увеличаващата се осведоменост за неговата токсичност, много от тези приложения са ограничени или забранени в съвременната практика.
Токсичност и здравословни рискове
Арсенът е известен като един от най-токсичните елементи. Приемането му в човешкия организъм може да доведе до сериозни здравословни проблеми, включително рак, кожни заболявания и нарушения в нервната система.
Основните източници на експозиция към арсен включват замърсени водоизточници, използването на пестициди, съдържащи арсен, и вдишването на прах от арсенсодържащи минерали. Хроничното отравяне с арсен, известно като арсеноза, може да се прояви с различни симптоми, включително умора, главоболие, замаяност и дори депресия.
Дългосрочната експозиция на арсен е свързана с развитието на различни видове рак, особено рак на белия дроб, пикочния мехур и кожата. Поради своята токсичност, арсенът е подложен на строг контрол и регулации в много държави.
Екологичен аспект
Екологичните последици от арсена също са значителни. Замърсяването с арсен може да повлияе на водоизточниците, почвите и биосферата. В много райони по света, включително части от Азия и Латинска Америка, арсенът е основен замърсител на подземните води, което води до сериозни здравословни рискове за местното население.
За да се справят с тези проблеми, много правителства и международни организации работят за намаляване на арсеновото замърсяване и за проучване на алтернативни методи за контрол на вредителите, които да не включват арсен.
В допълнение, опазването на околната среда изисква внимателно управление на отпадъците, съдържащи арсен. Депонирането на арсеносъдържащи материали без подходящи мерки за безопасност може да доведе до дълготрайно замърсяване.
Редица изследвания се провеждат за разработване на технологии за безопасно управление и рециклиране на арсеносъдържащи отпадъци, за да се минимизират рисковете за околната среда и здравето на хората.