ASEN: LỊCH SỬ, CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, CÔNG DỤNG - HÓA HỌC - 2025

Các asen là một semimetal hoặc semimetal thuộc nhóm 15 hoặc VA của bảng tuần hoàn. Nó được biểu thị bằng ký hiệu hóa học As, và số hiệu nguyên tử của nó là 33. Nó có thể được tìm thấy ở ba dạng dị hướng: vàng, đen và xám; cái sau là cái duy nhất có tầm quan trọng công nghiệp.

Asen xám là một chất rắn có vẻ ngoài kim loại, giòn và có màu kết tinh cứng rắn (hình dưới). Nó mất đi độ sáng bóng khi tiếp xúc với không khí, tạo thành arsenous oxit (As ₂ O ₃ ), khi đun nóng sẽ phát ra mùi tỏi. Mặt khác, các dạng thù hình màu vàng và đen của nó lần lượt là dạng phân tử và dạng vô định hình.

Asen kim loại. Nguồn: Hình ảnh độ phân giải cao của các nguyên tố hóa học

Asen được tìm thấy trong vỏ trái đất cùng với nhiều khoáng chất. Chỉ một tỷ lệ nhỏ được tìm thấy ở trạng thái bản địa, tuy nhiên có liên quan đến antimon và bạc.

Trong số các khoáng chất phổ biến nhất mà asen được tìm thấy là: realgar (As ₄ S ₄ ), orpiment (As ₂ S ₃ ), loellingit (FeAs ₂ ) và enargit (Cu ₃ AsS ₄ ). Asen cũng thu được dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình nấu chảy kim loại như chì, đồng, coban và vàng.

Các hợp chất asen rất độc, đặc biệt là arsine (AsH ₃ ). Tuy nhiên, asen có nhiều ứng dụng công nghiệp, bao gồm tạo hợp kim với chì, được sử dụng trong sản xuất pin ô tô và tạo hợp kim với gali với các ứng dụng khác nhau trong điện tử.

Lịch sử khám phá ra nó

Tên gọi 'thạch tín' xuất phát từ tiếng Latinh arsenicum và arsenikon trong tiếng Hy Lạp, dùng để chỉ quỹ đạo màu vàng, là hình thức chính sử dụng thạch tín của các nhà giả kim thuật.

Asen, từ rất lâu trước khi được công nhận là một nguyên tố hóa học, đã được biết đến và sử dụng dưới dạng các hợp chất của nó. Ví dụ, Aristotle vào thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên đã viết về sandarache, một chất ngày nay được cho là asen sulfua.

Pliny the Elder và Pedanius Discórides, vào thế kỷ 1 sau Công nguyên, đã mô tả orpiment, một khoáng chất bao gồm As ₂ S ₃ . Vào thế kỷ 11, ba loài asen đã được công nhận: trắng (As ₄ O ₄ ), vàng (As ₂ S ₃ ) và đỏ (As ₄ S ₄ ).

Asen như một nguyên tố tinh khiết được Albertus Magnus quan sát thấy lần đầu tiên (1250). Magnus đun nóng asen sunfua với xà phòng, nhận thấy sự xuất hiện của một chất có đặc điểm giống với dạng thù hình màu xám trong hình ảnh. Tuy nhiên, báo cáo xác thực đầu tiên về sự cô lập của ông đã được Johann Schroeder, một dược sĩ người Đức, xuất bản vào năm 1649.

Schroeder điều chế asen bằng cách nung oxit của nó với than củi. Sau đó, Nicolas Lémery đã tìm cách sản xuất nó bằng cách đun nóng hỗn hợp ôxít asen, xà phòng và bồ tạt. Vào thế kỷ 18, nguyên tố này cuối cùng đã được công nhận là một bán kim loại.

Cấu trúc của asen

Asen là đồng phân với antimon; nghĩa là chúng giống nhau về cấu trúc, chỉ khác nhau về kích thước nguyên tử của chúng. Mỗi nguyên tử asen tạo thành ba liên kết cộng hóa trị As-As, theo cách mà chúng bắt nguồn từ ₆ đơn vị As lục giác “nhăn hoặc dốc”, vì sự lai hóa của các nguyên tử As là sp ³ .

Sau đó, các đơn vị As ₆ kết nối làm phát sinh các lớp thạch tín dốc, tương tác yếu với nhau. Là kết quả của lực giữa các phân tử, phụ thuộc hơn hết vào khối lượng nguyên tử của chúng, các tinh thể asen xám hình thoi tạo cho chất rắn một kết cấu mỏng manh và giòn.

Có thể do lực đẩy của cặp electron tự do của asen, các đơn vị As ₆ được hình thành giữa các lớp song song không xác định một khối bát diện hoàn hảo nhưng bị méo mó:

Cấu trúc tinh thể của asen xám. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Lưu ý rằng các quả cầu màu đen vẽ mặt phẳng bị bóp méo trong không gian giữa hai lớp dốc. Tương tự như vậy, trong lớp bên dưới có các quả cầu màu xanh lam, cùng với quả cầu màu đen, tạo nên đơn vị As ₆ được đề cập ở đầu phần.

Cấu trúc trông có trật tự, các hàng lên xuống, và do đó nó là kết tinh. Tuy nhiên, nó có thể trở nên vô định hình, với các hình cầu bị ép theo nhiều cách khác nhau. Khi asen hơi xám trở thành chất vô định hình, nó trở thành chất bán dẫn.

Asen vàng

Asen vàng, dạng thù hình độc nhất của nguyên tố này, là một chất rắn phân tử thuần túy. Nó bao gồm các phân tử As ₄ đơn vị do lực phân tán yếu, không ngăn được chúng bay hơi.

Asen đen

Asen đen là chất vô định hình; nhưng không phải làm thế nào mà allotrope xám được. Cấu trúc của nó hơi giống với cấu trúc vừa được mô tả, với sự khác biệt là các mặt phẳng đơn vị As ₆ của nó có diện tích lớn hơn và các dạng rối loạn khác nhau.

Cấu hình điện tử

3d ¹⁰ 4s ² 4p ³

Nó có tất cả các obitan cấp 3 được lấp đầy. Nó tạo liên kết bằng cách sử dụng các obitan 4s và 4p (cũng như 4d) thông qua các phép lai hóa học khác nhau.

Tính chất

Trọng lượng phân tử

74,922 g / mol

Mô tả vật lý

Asen xám là một chất rắn màu xám, có vẻ ngoài như kim loại và đặc tính giòn.

Màu sắc

Ba dạng dị hướng, vàng (alpha), đen (beta) và xám (gamma).

Mùi

Phòng vệ sinh

Nếm thử

Vô vị

Độ nóng chảy

1,090 K ở 35,8 atm (điểm ba của asen).

Ở áp suất thường, nó không có điểm nóng chảy, vì nó thăng hoa đến 887 K.

Tỉ trọng

- Asen xám: 5,73 g / cm ³ .

- Asen vàng: 1,97 g / cm ³ .

Khả năng hòa tan trong nước

Không hòa tan

Đài nguyên tử

139 giờ chiều

Khối lượng nguyên tử

13,1 cm ³ / mol

Bán kính cộng hóa trị

120 giờ chiều

Nhiệt dung riêng

0,328 J / gmol ở 20 ° C

Bay hơi nhiệt

32,4 kJ / mol

Độ âm điện

2,18 trên thang điểm Pauling

Năng lượng ion hóa

Năng lượng ion hóa thứ nhất 946,2 kJ / mol

Trạng thái oxy hóa

-3, +3, +5

Ổn định

Asen nguyên tố ổn định trong không khí khô, nhưng khi tiếp xúc với không khí ẩm, nó bị bao phủ bởi một lớp màu vàng đồng và có thể trở thành một lớp đen oxit asen (As ₂ O ₃ ).

Sự phân hủy

Khi nung nóng asen để phân hủy, nó tạo ra khói trắng As ₂ O ₃ . Quy trình này rất nguy hiểm vì arsine, một loại khí rất độc, cũng có thể được giải phóng.

Tự động đánh lửa

180 ºC

Độ cứng

3,5 trên thang độ cứng Mohs.

Phản ứng

Nó không bị tấn công bởi axit sulfuric lạnh hoặc axit clohydric đậm đặc. Phản ứng với axit nitric hoặc axit sunfuric nóng, tạo thành axit asen và axit asen.

Khi asen xám bị bay hơi bằng cách đốt nóng, và hơi nước được làm lạnh nhanh chóng, asen màu vàng được hình thành. Điều này sẽ trở lại dạng hơi xám, khi bị chiếu tia cực tím.

Các ứng dụng

Hợp kim

Một lượng nhỏ asen được thêm vào chì, làm cứng các hợp kim của nó, đủ để sử dụng chúng trong lớp phủ của dây cáp và trong sản xuất pin ô tô.

Việc bổ sung asen vào đồng thau, một hợp kim của đồng và kẽm, làm tăng khả năng chống ăn mòn. Mặt khác, nó điều chỉnh hoặc làm giảm sự mất kẽm trong đồng thau, làm tăng tuổi thọ hữu ích của nó.

thiết bị điện tử

Asen tinh khiết được sử dụng trong công nghệ bán dẫn nơi nó được sử dụng cùng với gali và gecmani, cũng như ở dạng arsen gali (GaAs) là chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi thứ hai.

GaA có độ rộng vùng cấm trực tiếp, có thể được sử dụng trong sản xuất diode, laser và LED. Ngoài arsenide gali, còn có các asenua khác, chẳng hạn như arsenide indium và arsenide nhôm, cũng là chất bán dẫn III-V.

Trong khi đó, cadimi arsenide là chất bán dẫn loại II-IV. Arsine đã được sử dụng trong pha tạp chất bán dẫn.

Nông nghiệp và bảo tồn gỗ

Hầu hết các ứng dụng đã bị loại bỏ do độc tính cao và các hợp chất của chúng. As ₂ O ₃ đã được sử dụng như một loại thuốc trừ sâu, trong khi As ₂ O ₅ là một thành phần trong thuốc diệt cỏ và diệt côn trùng.

Axit arsenic (H ₃ AsO ₄ ) và các muối như asenat canxi và asenat chì đã được sử dụng để khử trùng đất và kiểm soát sâu bệnh. Điều này gây ra nguy cơ ô nhiễm asen cho môi trường.

Chì asenat đã được sử dụng làm thuốc trừ sâu trên cây ăn quả cho đến nửa đầu thế kỷ 20. Nhưng do độc tính của nó, nó đã được thay thế bằng natri methylarsenate, đã ngừng sử dụng vì lý do tương tự từ năm 2013.

Thuốc

Cho đến thế kỷ 20, một số hợp chất của nó đã được sử dụng làm thuốc. Ví dụ, arsphenamine và neolsalvarsan đã được sử dụng trong điều trị bệnh giang mai và nhiễm trùng trypanosomiasis.

Năm 2000, việc sử dụng As ₂ O ₃ , một hợp chất có độc tính cao , đã được chấp thuận trong điều trị bệnh bạch cầu cấp tính nguyên bào nuôi kháng với axit retinoic all-trans. Gần đây, đồng vị phóng xạ ⁷⁴ As đã được sử dụng để định vị khối u.

Đồng vị tạo ra hình ảnh tốt, rõ ràng hơn so với hình ảnh thu được bằng ¹²⁴ I, bởi vì iốt được đưa đến tuyến giáp và tạo ra tiếng ồn trong tín hiệu.

Sử dụng khác

Asen trước đây được sử dụng như một chất phụ gia thức ăn chăn nuôi trong chăn nuôi gia cầm và lợn.

Nó được sử dụng làm chất xúc tác trong sản xuất etylen oxit. Nó cũng được sử dụng trong pháo hoa và thuộc da. Arsen oxit được sử dụng làm chất khử màu trong sản xuất thủy tinh.

Nó nằm ở đâu?

Asen có thể được tìm thấy với một lượng nhỏ ở trạng thái nguyên tố, với mức độ tinh khiết cao. Nó có trong nhiều hợp chất, chẳng hạn như: sulfua, arsenides và sulfoarseniides.

Nó cũng được tìm thấy trong một số khoáng chất, bao gồm: arsenopyrit (FeSAs), loellingite (FeAs ₂ ), enargite (Cu ₃ AsS ₄ ), orpiment (As ₂ S ₃ ) và realgar (As ₄ S ₄ ).

Làm thế nào nó được thu được?

Arsenopyrit được nung nóng đến 650-700ºC, trong điều kiện không có không khí. Asen bay hơi, để lại sắt sunfua (FeS) dưới dạng cặn. Trong quá trình này, asen liên kết với oxy để tạo thành As ₄ O ₆ , được gọi là "asen trắng".

As ₄ O ₆ được biến đổi để tạo thành As ₂ O ₃ , hơi của chúng được thu thập và ngưng tụ trong một tập hợp các buồng gạch, asen được tinh chế bằng cách thăng hoa.

Phần lớn asen được tạo ra do quá trình khử cacbon của bụi As ₂ O ₃ .

Người giới thiệu

1. Stephen R. Marsden. (Ngày 23 tháng 4 năm 2019). Hóa học của asen. Hóa học LibreTexts. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 03 tháng 12 năm 2018). Sự thật thú vị về thạch tín. Phục hồi từ: thinkco.com
3. Wikipedia. (2019). Thạch tín. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
4. Tiến sĩ Dough Stewart. (2019). Sự thật về nguyên tố asen. Hóa chất. Phục hồi từ: chemicool.com
5. Hiệp hội Hóa học Hoàng gia. (2019). Thạch tín. Được khôi phục từ: rsc.or
6. Các biên tập viên của Encyclopaedia Britannica. (Ngày 03 tháng 5 năm 2019). Thạch tín. Encyclopædia Britannica. Phục hồi từ: britannica.com