สารหนูคืออะไร? ลักษณะ คุณสมบัติ และการใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

สารหนูเป็นองค์ประกอบทางเคมีของกลุ่มไนโตรเจน (กลุ่มที่ 15 ของตารางธาตุ) นี่คือสารที่เปราะบาง (α-arsenic) สีเทาที่มีเงาเป็นโลหะพร้อมโครงผลึกรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน เมื่อถูกความร้อนถึง 600 °C เป็น sublimate. เมื่อไอเย็นลงการดัดแปลงใหม่จะปรากฏขึ้น - สารหนูสีเหลือง ที่อุณหภูมิสูงกว่า 270°C ทั้งหมด เมื่อฟอร์มกลายเป็นสารหนูสีดำ

ประวัติการค้นพบ

สารหนูเป็นที่รู้จักกันมานานก่อนที่จะได้รับการยอมรับว่าเป็นองค์ประกอบทางเคมี ในศตวรรษที่สี่ BC อี อริสโตเติลกล่าวถึงสารที่เรียกว่าแซนดารัค ซึ่งปัจจุบันเชื่อกันว่าเป็นหยาดน้ำหรือสารหนูซัลไฟด์ และในศตวรรษที่ 1 คริสตศักราช อี ผู้เขียน Pliny the Elder และ Pedanius Dioscorides บรรยายถึง orpiment - สีย้อม As₂S₃ ในศตวรรษที่สิบเอ็ด น. อี "สารหนู" สามสายพันธุ์มีความโดดเด่น: สีขาว (As₄O₆), สีเหลือง (As₂ S ₃) และสีแดง (A₄S₄) ธาตุนี้น่าจะถูกแยกออกจากกันเป็นครั้งแรกในศตวรรษที่ 13 โดยอัลเบิร์ตมหาราช ผู้สังเกตเห็นการปรากฏตัวของสารคล้ายโลหะเมื่อสารหนูชื่ออื่น As₂S₃ ถูกทำให้ร้อนด้วยสบู่ แต่ไม่มีความแน่นอนว่านักวิทยาศาสตร์ธรรมชาติคนนี้ได้รับสารหนูบริสุทธิ์ หลักฐานอันแท้จริงประการแรกเกี่ยวกับการแยกองค์ประกอบทางเคมีบริสุทธิ์ลงวันที่ 1649. เภสัชกรชาวเยอรมัน Johann Schroeder เตรียมสารหนูโดยการให้ความร้อนกับออกไซด์ของออกไซด์ในที่ที่มีถ่านหิน ต่อมา Nicolas Lemery แพทย์และนักเคมีชาวฝรั่งเศสได้สังเกตเห็นการก่อตัวขององค์ประกอบทางเคมีนี้โดยการให้ความร้อนกับส่วนผสมของออกไซด์ สบู่ และโปแตช ในช่วงต้นศตวรรษที่ 18 สารหนูเป็นที่รู้จักในฐานะกึ่งโลหะที่มีลักษณะเฉพาะ

ความชุก

ในเปลือกโลกมีความเข้มข้นของสารหนูต่ำและมีปริมาณ 1.5 ppm มันเกิดขึ้นในดินและแร่ธาตุ และสามารถปล่อยสู่อากาศ น้ำ และดินผ่านลมและน้ำกัดเซาะ นอกจากนี้องค์ประกอบยังเข้าสู่บรรยากาศจากแหล่งอื่น จากการปะทุของภูเขาไฟ สารหนูประมาณ 3,000 ตันถูกปล่อยสู่อากาศต่อปี จุลินทรีย์ก่อตัวเป็นเมทิลลาร์ซีนที่ระเหยได้ 20,000 ตันต่อปี และผลของการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล 80,000 ตันจะถูกปล่อยออกมาในช่วงเวลาเดียวกัน.

แม้จะเป็นพิษร้ายแรง แต่ก็เป็นส่วนสำคัญของอาหารของสัตว์บางชนิดและมนุษย์ได้ แม้ว่าปริมาณที่ต้องการจะไม่เกิน 0.01 มก. / วัน

สารหนูเป็นเรื่องยากมากที่จะเปลี่ยนเป็นสถานะที่ละลายน้ำได้หรือระเหยได้ ความจริงที่ว่ามันค่อนข้างเคลื่อนที่หมายความว่าความเข้มข้นของสารมากในที่เดียวไม่สามารถปรากฏได้ ในแง่หนึ่งนี่เป็นสิ่งที่ดี แต่ในทางกลับกัน ความง่ายในการแพร่กระจายคือสาเหตุที่มลพิษจากสารหนูกลายเป็นปัญหาที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากกิจกรรมของมนุษย์ส่วนใหญ่ผ่านการขุดและการถลุงธาตุเคมีที่ปกติจะเคลื่อนที่ไม่ได้และตอนนี้สามารถพบได้ไม่เพียงในสถานที่เท่านั้นความเข้มข้นตามธรรมชาติ

ปริมาณสารหนูในเปลือกโลกประมาณ 5 กรัมต่อตัน ในอวกาศ ความเข้มข้นของมันอยู่ที่ประมาณ 4 อะตอมต่อหนึ่งล้านอะตอมของซิลิคอน องค์ประกอบนี้แพร่หลาย จำนวนเล็กน้อยมีอยู่ในสถานะดั้งเดิม ตามกฎแล้วจะพบการก่อตัวของสารหนูที่มีความบริสุทธิ์ 90–98% ร่วมกับโลหะเช่นพลวงและเงิน อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่รวมอยู่ในองค์ประกอบของแร่ธาตุต่างๆ มากกว่า 150 ชนิด ได้แก่ ซัลไฟด์ อาร์เซไนด์ ซัลโฟอาร์เซไนด์ และอาร์เซไนต์ Arsenopyrite FeAsS เป็นหนึ่งในแร่ธาตุ As-bearing ที่พบมากที่สุด สารหนูทั่วไปอื่นๆ ได้แก่ แร่ธาตุจริง As₄S_4, orpiment As₂S _3, lellingite FeAs₂ และ enargite Cu₃AsS₄. สารหนูออกไซด์เป็นเรื่องธรรมดา สารนี้ส่วนใหญ่เป็นผลพลอยได้จากการถลุงแร่ทองแดง ตะกั่ว โคบอลต์ และทองคำ

ในธรรมชาติ มีไอโซโทปเสถียรเพียงหนึ่งเดียวของสารหนู - ⁷⁵As ในบรรดาไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ⁷⁶ด้วยครึ่งชีวิต 26.4 ชั่วโมงนั้นโดดเด่น สารหนู-72, -74 และ -76 ถูกนำมาใช้ในการวินิจฉัยทางการแพทย์

การผลิตเชิงอุตสาหกรรมและการประยุกต์ใช้

สารหนูโลหะได้มาจากการให้ความร้อนแก่อาร์เซโนไพไรต์ที่อุณหภูมิ 650-700 °C โดยไม่ใช้อากาศ หากอาร์เซโนไพไรต์และแร่โลหะอื่น ๆ ถูกทำให้ร้อนด้วยออกซิเจน เมื่อรวมเข้ากับมันอย่างง่ายดาย ก่อตัวเป็น sublimated ได้ง่าย As₄O₆ หรือที่รู้จัก ชอบ"สีขาวสารหนู". ไอออกไซด์จะถูกรวบรวมและควบแน่น และทำให้บริสุทธิ์ในภายหลังโดยการระเหิดซ้ำ As ส่วนใหญ่ผลิตโดยการลดคาร์บอนจากสารหนูขาวจึงได้

การบริโภคสารหนูที่เป็นโลหะของโลกมีน้อย - เพียงไม่กี่ร้อยตันต่อปี สิ่งที่บริโภคส่วนใหญ่มาจากสวีเดน มันถูกใช้ในโลหะวิทยาเนื่องจากคุณสมบัติของโลหะลอยด์ มีการใช้สารหนูประมาณ 1% ในการผลิตตะกั่วช็อต เนื่องจากจะช่วยเพิ่มความกลมของหยดหลอมเหลว คุณสมบัติของโลหะผสมที่มีตะกั่วเป็นส่วนประกอบหลักจะปรับปรุงทั้งทางความร้อนและทางกลไก เมื่อมีสารหนูประมาณ 3% การมีอยู่ขององค์ประกอบทางเคมีนี้เพียงเล็กน้อยในโลหะผสมตะกั่วจะทำให้พวกมันแข็งตัวเพื่อใช้ในแบตเตอรี่และเกราะสายเคเบิล สิ่งเจือปนเล็กน้อยของสารหนูจะเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนและคุณสมบัติทางความร้อนของทองแดงและทองเหลือง ในรูปแบบบริสุทธิ์ ธาตุเคมี As ใช้สำหรับชุบทองแดงและดอกไม้ไฟ สารหนูที่มีความบริสุทธิ์สูงพบว่ามีการใช้ในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งใช้กับซิลิคอนและเจอร์เมเนียม และอยู่ในรูปของแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ในไดโอด เลเซอร์ และทรานซิสเตอร์

การเชื่อมต่อเป็น

เนื่องจากความจุของสารหนูคือ 3 และ 5 และมีสถานะออกซิเดชันจำนวนหนึ่งตั้งแต่ -3 ถึง +5 ธาตุจึงสามารถก่อตัวเป็นสารประกอบได้หลายชนิด ที่สำคัญที่สุดในเชิงพาณิชย์คือออกไซด์ของมัน ซึ่งมีรูปแบบหลักคือ As₄O₆ และเช่น₂O₅. สารหนูออกไซด์หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นสารหนูสีขาวเป็นผลพลอยได้จากการคั่วแร่ทองแดง ตะกั่ว และโลหะอื่นๆ บางชนิด รวมทั้งแร่อาร์เซโนไพไรต์และแร่ซัลไฟด์ เป็นวัสดุเริ่มต้นสำหรับสารประกอบอื่นๆ ส่วนใหญ่ นอกจากนี้ยังใช้ในยาฆ่าแมลง เป็นสารฟอกขาวในการผลิตแก้ว และเป็นสารกันบูดสำหรับหนัง สารหนูเพนท็อกไซด์เกิดขึ้นจากการกระทำของตัวออกซิไดซ์ (เช่น กรดไนตริก) บนสารหนูสีขาว เป็นส่วนผสมหลักในยาฆ่าแมลง สารกำจัดวัชพืช และกาวโลหะ

Arsine (AsH₃) ก๊าซพิษไม่มีสีประกอบด้วยสารหนูและไฮโดรเจน เป็นสารที่รู้จักอีกชนิดหนึ่ง สารนี้เรียกอีกอย่างว่าไฮโดรเจนอาร์เซนิก ได้มาจากการไฮโดรไลซิสของอาร์เซไนด์โลหะและการลดลงของโลหะจากสารประกอบอาร์เซนิกในสารละลายกรด พบว่ามีการใช้เป็นสารเจือปนในเซมิคอนดักเตอร์และเป็นก๊าซพิษของทหาร ในการเกษตร กรดสารหนู (H₃AsO4_{) ตะกั่ว arsenate (PbHAsO}4_{4 4}) และแคลเซียม arsenate [Ca₃(AsO₄)₂] ซึ่งใช้ฆ่าเชื้อในดินและกำจัดศัตรูพืช

สารหนูเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่สร้างสารประกอบอินทรีย์หลายชนิด ฮาววัน (CH₃)₂As−As(CH₃)_{2 ตัวอย่างเช่น} ใช้ในการเตรียมสารดูดความชื้น (สารดูดความชื้น) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย - กรด cacodylic สารประกอบอินทรีย์ที่ซับซ้อนของธาตุนั้นใช้ในการรักษาโรคบางชนิดเช่นโรคบิดอะมีบาเกิดจากจุลินทรีย์

สมบัติทางกายภาพ

คุณสมบัติทางกายภาพของสารหนูคืออะไร? ในสถานะที่เสถียรที่สุด มันคือของแข็งสีเทาที่เปราะและเป็นเหล็ก โดยมีการนำความร้อนและไฟฟ้าต่ำ แม้ว่า As บางรูปแบบจะมีลักษณะคล้ายโลหะ แต่การจำแนกเป็นอโลหะนั้นเป็นการแสดงลักษณะเฉพาะของสารหนูที่แม่นยำยิ่งขึ้น มีสารหนูประเภทอื่นๆ อยู่แต่ไม่ได้รับการศึกษาอย่างดี โดยเฉพาะรูปแบบสีเหลืองที่แพร่กระจายได้ ซึ่งประกอบด้วย As₄ โมเลกุล คล้ายกับฟอสฟอรัสขาว P_{4. สารหนูระเหยที่อุณหภูมิ 613 °C และมีอยู่ในรูปของไอเป็น As}4 _{โมเลกุลที่ไม่แยกตัวสูงถึงประมาณ 800 °C การแยกตัวออกเป็น As}2 _{โมเลกุลเกิดขึ้นที่ 1700 °C}

โครงสร้างของอะตอมและความสามารถในการสร้างพันธะ

สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของสารหนูคือ 1s²2s²2p⁶3s2^3p6^3d10^4s2^4p 3 - ^{คล้ายกับไนโตรเจนและฟอสฟอรัสที่มีอิเล็กตรอนห้าตัวในเปลือกชั้นนอก แต่แตกต่างจากอิเล็กตรอนที่มี 18 อิเล็กตรอนในเปลือกสุดท้ายแทนที่จะเป็นสองหรือแปด การเพิ่มประจุบวก 10 ประจุในนิวเคลียสในขณะที่เติมออร์บิทัล 3 มิติ 5 ออร์บิทัล มักจะทำให้เมฆอิเล็กตรอนโดยรวมลดลงและเพิ่มอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ขององค์ประกอบ สารหนูในตารางธาตุสามารถเปรียบเทียบกับกลุ่มอื่นที่แสดงรูปแบบนี้อย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าสังกะสีคือมีค่าไฟฟ้ามากกว่าแมกนีเซียมและแกลเลียมมากกว่าอะลูมิเนียม อย่างไรก็ตาม ในกลุ่มต่อๆ มา ความแตกต่างนี้จะแคบลง และหลายคนไม่เห็นด้วยว่าเจอร์เมเนียมจะให้ผลทางไฟฟ้ามากกว่าซิลิคอน แม้ว่าจะมีหลักฐานทางเคมีมากมาย การเปลี่ยนแปลงที่คล้ายกันจากเปลือก 8- เป็น 18 องค์ประกอบจากฟอสฟอรัสเป็นสารหนูสามารถเพิ่มอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ แต่สิ่งนี้ยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่}

ความคล้ายคลึงกันของเปลือกนอกของ As และ P แสดงให้เห็นว่าพวกมันสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ได้ 3 พันธะต่ออะตอมต่อหน้าคู่อิเล็กตรอนที่ไม่ถูกผูกมัดเพิ่มเติม สถานะออกซิเดชันจึงต้องเป็น +3 หรือ -3 ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ของอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ร่วมกัน โครงสร้างของสารหนูยังพูดถึงความเป็นไปได้ของการใช้ d-orbital ด้านนอกเพื่อขยายออกเตต ซึ่งทำให้องค์ประกอบสามารถสร้างพันธะได้ 5 พันธะ เกิดขึ้นได้จากปฏิกิริยากับฟลูออรีนเท่านั้น การปรากฏตัวของคู่อิเล็กตรอนอิสระสำหรับการก่อตัวของสารประกอบเชิงซ้อน (ผ่านการบริจาคอิเล็กตรอน) ในอะตอม As มีความเด่นชัดน้อยกว่าในฟอสฟอรัสและไนโตรเจน

สารหนูจะคงตัวในอากาศแห้ง แต่ในอากาศเปียกจะปกคลุมด้วยแบล็กออกไซด์ ไอของมันจะไหม้ได้ง่าย เกิดเป็น As₂O₃ สารหนูฟรีคืออะไร? แทบไม่ได้รับผลกระทบจากน้ำ ด่าง และกรดที่ไม่ออกซิไดซ์ แต่ถูกออกซิไดซ์โดยกรดไนตริกเป็นสถานะ +5 ฮาโลเจน กำมะถันทำปฏิกิริยากับสารหนู และโลหะหลายชนิดเกิดอาร์เซไนด์

เคมีวิเคราะห์

สารหนูสามารถตรวจพบในเชิงคุณภาพเป็น orpiment สีเหลืองที่ตกตะกอนภายใต้อิทธิพลของ 25%สารละลายกรดไฮโดรคลอริก โดยทั่วไปแล้วร่องรอยของ As จะถูกกำหนดโดยการแปลงเป็น Arsine ซึ่งสามารถตรวจจับได้โดยใช้การทดสอบ Marsh Arsine สลายตัวด้วยความร้อน ก่อตัวเป็นกระจกสารหนูสีดำภายในท่อแคบ ตามวิธีของ Gutzeit โพรบที่ชุบด้วยปรอทคลอไรด์ภายใต้อิทธิพลของอาร์ซีน จะมืดลงเนื่องจากการปลดปล่อยปรอท

ลักษณะทางพิษวิทยาของสารหนู

ความเป็นพิษของธาตุและอนุพันธ์ของธาตุนั้นแตกต่างกันอย่างมากในวงกว้าง ตั้งแต่อาร์ซีนที่มีพิษร้ายแรงและอนุพันธ์ของสารอินทรีย์ไปจนถึง As ซึ่งค่อนข้างเฉื่อย การใช้สารประกอบอินทรีย์เป็นสารทำสงครามเคมี (lewisite), vesicant และ defoliant (Agent Blue ขึ้นอยู่กับส่วนผสมที่เป็นน้ำของ 5% cacodylic acid และ 26% ของเกลือโซเดียม) บอกเราว่าสารหนูคืออะไร

โดยทั่วไป อนุพันธ์ขององค์ประกอบทางเคมีนี้จะระคายเคืองผิวหนังและทำให้เกิดโรคผิวหนังได้ แนะนำให้สูดดมฝุ่นละอองที่มีสารหนู แต่พิษส่วนใหญ่เกิดขึ้นเมื่อกลืนกิน ความเข้มข้นสูงสุดที่อนุญาตของ As ในฝุ่นสำหรับวันทำงานแปดชั่วโมงคือ 0.5 มก./ม.³ สำหรับอาร์ซีน ขนาดยาจะลดลงเหลือ 0.05 ppm นอกจากการใช้สารประกอบขององค์ประกอบทางเคมีนี้เป็นสารกำจัดวัชพืชและยาฆ่าแมลงแล้ว การใช้สารหนูในเภสัชวิทยายังทำให้ได้รับซัลวาร์ซาน ยารักษาโรคซิฟิลิสตัวแรกที่ประสบความสำเร็จ

ผลกระทบต่อสุขภาพ

สารหนูเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่เป็นพิษมากที่สุด สารประกอบอนินทรีย์ของสารเคมีที่กำหนดสารเกิดขึ้นตามธรรมชาติในปริมาณเล็กน้อย มนุษย์สามารถสัมผัสกับสารหนูได้ทางอาหาร น้ำ และอากาศ การสัมผัสยังสามารถเกิดขึ้นได้จากการสัมผัสกับดินหรือน้ำที่ปนเปื้อน

มีสารหนูในอาหารค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม ระดับของปลาและอาหารทะเลอาจสูงมาก เนื่องจากดูดซับสารเคมีจากน้ำที่พวกมันอาศัยอยู่ ปริมาณสารหนูอนินทรีย์จำนวนมากในปลาอาจเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์

คนที่ทำงานกับสารเคมี อาศัยอยู่ในบ้านที่สร้างจากไม้ที่บำบัดด้วยมัน และบนพื้นที่เกษตรกรรมที่มีการใช้สารกำจัดศัตรูพืชในอดีตก็สัมผัสกับสารเคมีเช่นกัน

สารหนูอนินทรีย์สามารถทำให้เกิดผลต่อสุขภาพหลายอย่างในมนุษย์ เช่น การระคายเคืองในกระเพาะอาหารและลำไส้ การผลิตเซลล์เม็ดเลือดแดงและเม็ดเลือดขาวที่ลดลง การเปลี่ยนแปลงของผิวหนัง และการระคายเคืองของปอด เชื่อกันว่าการกลืนกินสารนี้ในปริมาณมากอาจเพิ่มโอกาสในการเกิดมะเร็ง โดยเฉพาะมะเร็งผิวหนัง ปอด ตับ และระบบน้ำเหลือง

สารหนูอนินทรีย์ที่มีความเข้มข้นสูงมากทำให้เกิดภาวะมีบุตรยากและการแท้งบุตรในสตรี โรคผิวหนัง ความต้านทานต่อการติดเชื้อลดลง ปัญหาเกี่ยวกับหัวใจ และสมองถูกทำลาย นอกจากนี้ องค์ประกอบทางเคมีนี้สามารถทำลาย DNA ได้

ปริมาณสารหนูขาวที่อันตรายถึงตายคือ 100 มก.

สารประกอบอินทรีย์ของธาตุไม่ก่อให้เกิดมะเร็งหรือทำลายรหัสพันธุกรรม แต่ปริมาณสูงสามารถก่อให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ เช่น ทำให้เกิดอาการทางประสาทหรือปวดท้อง