Мышьяк

Описание мышьяка

Мышьяк - химический элемент с символом As и атомным номером 33. Мышьяк встречается во многих минералах, обычно в сочетании с серой и металлами, а также в виде чистого элементарного кристалла. Мышьяк является металлоидом. Он имеет различные аллотропы, но для промышленности важна только серая форма, которая имеет металлический вид.

Основное применение мышьяк находит в сплавах со свинцом (например, в автомобильных аккумуляторах и боеприпасах). Мышьяк - распространенный легирующий элемент n-типа в полупроводниковых электронных устройствах, а оптоэлектронное соединение арсенид галлия - второй по распространенности полупроводник после легированного кремния. Мышьяк и его соединения, особенно триоксид, используются в производстве пестицидов, изделий из обработанной древесины, гербицидов и инсектицидов. Эти области применения сокращаются в связи с растущим признанием токсичности мышьяка и его соединений.

Соединения мышьяка

Соединения мышьяка в некоторых отношениях напоминают соединения фосфора, которые занимают ту же группу (колонку) периодической таблицы. Наиболее распространенными состояниями окисления мышьяка являются -3 в арсенидах, которые представляют собой сплавоподобные интерметаллические соединения, +3 в арсенитах и +5 в арсенатах и большинстве арсенаторганических соединений. Мышьяк также легко соединяется сам с собой, как это видно на примере квадратных ионов As3-4 в минерале скуттерудит. В состоянии окисления +3 мышьяк обычно имеет пирамидальную форму из-за влияния одинокой пары электронов.

Неорганические соединения

Одним из простейших соединений мышьяка является тригидрид - высокотоксичный, легковоспламеняющийся, пирофорный арсин (AsH3). Это соединение принято считать стабильным, так как при комнатной температуре оно разлагается очень медленно. При температуре 250-300 °C происходит быстрое разложение на мышьяк и водород.[25] Несколько факторов, таких как влажность, присутствие света и некоторые катализаторы (в частности, алюминий), способствуют скорости разложения. Он легко окисляется на воздухе с образованием триоксида мышьяка и воды, аналогичные реакции происходят с серой и селеном вместо кислорода.

Мышьяк образует бесцветные, без запаха, кристаллические оксиды As2O3 ("белый мышьяк") и As2O5, которые гигроскопичны и легко растворяются в воде, образуя кислые растворы. Мышьяковая(V) кислота - слабая кислота, а соли называются арсенатами. Это наиболее распространенное загрязнение подземных вод мышьяком и проблема, которая затрагивает многих людей. Синтетические арсенаты включают Зелень Шееле (арсенат меди, кислый арсенат меди), арсенат кальция и арсенат свинца. Эти три вещества использовались в качестве сельскохозяйственных инсектицидов и ядов.

Этапы протонирования между арсенатом и мышьяковой кислотой похожи на те, что происходят между фосфатом и фосфорной кислотой. В отличие от фосфорной кислоты, мышьяковая кислота является истинно трибазидной, с формулой As(OH)3.

Известно большое разнообразие сернистых соединений мышьяка. Орпимент (As2S3) и реальгар (As4S4) довольно многочисленны и ранее использовались в качестве живописных пигментов. В As4S10 мышьяк имеет формальную степень окисления +2, в As4S4 - связи As-As, так что общая ковалентность As по-прежнему равна 3. И орпимент, и реальгар, и As4S3 имеют селеновые аналоги; аналогичный As2Te3 известен как минерал калгурлиит, а анион As2Te- - как лиганд в кобальтовых комплексах.

Все тригалогениды мышьяка(III) хорошо известны, за исключением астатида, который неизвестен. Пентафторид мышьяка (AsF5) - единственный важный пентагалогенид, что отражает меньшую стабильность состояния окисления +5; несмотря на это, он является очень сильным фторирующим и окисляющим агентом. (Пентахлорид устойчив только при температуре ниже -50 °C, при этой температуре он разлагается на трихлорид с выделением хлорного газа.

Сплавы

Мышьяк используется в качестве элемента 5-й группы в полупроводниках III-V классов - арсениде галлия, арсениде индия и арсениде алюминия. Количество валентных электронов в GaAs такое же, как в паре атомов Si, но полосовая структура совершенно иная, что обуславливает отличные объемные свойства. Другие сплавы мышьяка включают в себя II-V полупроводник - арсенид кадмия.

Области применения мышьяка

Сельское хозяйство

Токсичность мышьяка для насекомых, бактерий и грибков привела к его использованию в качестве консерванта древесины. Мышьяк также использовался в различных сельскохозяйственных инсектицидах и ядах. Мышьяк используется в качестве кормовой добавки в птицеводстве и свиноводстве, в частности в США, для увеличения прироста массы тела, повышения эффективности кормления и профилактики заболеваний.

Медицина

В XVIII, XIX и XX веках ряд соединений мышьяка использовался в качестве лекарств, в том числе арсфенамин (Пауль Эрлих) и триоксид мышьяка (Томас Фаулер). За последние 500 лет триоксид мышьяка использовался по-разному, чаще всего для лечения рака, а также в таких разнообразных препаратах, как раствор Фаулера при псориазе. В последнее время исследователи определяют местонахождение опухолей с помощью мышьяка-74 (позитронного излучателя). Этот изотоп дает более четкие изображения при ПЭТ-сканировании, чем предыдущий радиоактивный агент, йод-124, поскольку организм склонен транспортировать йод в щитовидную железу, создавая шумовой сигнал. Наночастицы мышьяка показали способность убивать раковые клетки с меньшей цитотоксичностью по сравнению с другими препаратами мышьяка

Сплав

Основное применение мышьяка - это сплав со свинцом. Свинцовые компоненты автомобильных аккумуляторов усиливаются благодаря присутствию очень небольшого процента мышьяка. Децинкование латуни (медно-цинкового сплава) значительно снижается при добавлении мышьяка. "Фосфорная раскисленная мышьяковистая медь" с содержанием мышьяка 0,3 % обладает повышенной коррозионной стойкостью в определенных условиях. Арсенид галлия - важный полупроводниковый материал, используемый в интегральных схемах. Микросхемы из GaAs работают гораздо быстрее (но и гораздо дороже), чем из кремния. В отличие от кремния, GaAs имеет прямую полосу пропускания и может использоваться в лазерных диодах и светодиодах для прямого преобразования электрической энергии в световую.

Военные

После Первой мировой войны Соединенные Штаты создали запас из 20 000 тонн оружейного люизита (ClCH=CHAsCl2), везикорганического вещества (возбудителя нарывов) и раздражителя легких. Запасы были нейтрализованы с помощью отбеливателя и сброшены в Мексиканский залив в 1950-х годах. Во время войны во Вьетнаме Соединенные Штаты использовали Agent Blue, смесь какодилата натрия и его кислотной формы, в качестве одного из гербицидов-радуг, чтобы лишить северовьетнамских солдат лиственного покрова и риса.