砷是什么？特性、性能和应用

砷是氮族（元素周期表第15族）的化学元素。这是一种脆性物质（α-砷）灰色，具有金属光泽和菱面体晶格。加热到 600°C 时，As 升华。当蒸气冷却时，会出现一种新的变体--黄色砷。超过 270°C，所有 As 形态都会变成黑砷。

探索历史

砷早在被认为是一种化学元素之前就已为人所知。在四世纪。公元前e.亚里士多德提到了一种叫做山达拉克的物质，现在人们认为它是雄黄或硫化砷。在公元 1 世纪。 e.作家 Pliny the Elder 和 Pedanius Dioscorides 描述了雌黄 - 染料 As₂S₃。在十一世纪。 n. e.区分了三种“砷”：白色（As₄O₆）、黄色（As₂ S ₃）和红色（As₄S₄）。该元素本身可能在 13 世纪由阿尔伯特大帝首次分离出来，他注意到在砷出现时出现了一种类似金属的物质，别名为 As₂S₃ ，用肥皂加热。但不能确定这位自然科学家是否接受了纯砷。分离纯化学元素的第一个真实证据1649 年。德国药剂师约翰施罗德通过在煤存在下加热其氧化物来制备砷。后来，法国医生和化学家 Nicolas Lemery 通过加热其氧化物、肥皂和钾盐的混合物来观察这种化学元素的形成。到 18 世纪初，砷已被称为独特的半金属。

患病率

在地壳中，砷的浓度很低，为1.5 ppm。它存在于土壤和矿物质中，可通过风蚀和水蚀释放到空气、水和土壤中。此外，该元素还从其他来源进入大气。由于火山喷发，每年约有 3000 吨砷被释放到空气中，微生物每年形成 20000 吨挥发性甲基胂，由于燃烧化石燃料，同期释放 80000 吨.

尽管As是一种致命的毒药，但它是一些动物甚至人类饮食的重要组成部分，尽管所需剂量不超过0.01毫克/天。

砷极难转化为水溶性或挥发性状态。事实上，它的流动性很强，这意味着任何地方都不会出现大浓度的物质。一方面，这很好，但另一方面，它易于传播是砷污染问题日益严重的原因。由于人类活动，主要通过采矿和冶炼，一种通常固定不动的化学元素迁移，现在它不仅可以在地方找到它的自然浓度。

地壳中的砷含量约为每吨5克。在太空中，其浓度估计为每百万硅原子中有 4 个原子。这个元素很普遍。少量存在于原生状态。通常，纯度为 90-98% 的砷与锑和银等金属一起形成。然而，其中大部分包含在 150 多种不同矿物的成分中--硫化物、砷化物、硫代砷化物和亚砷酸盐。毒砂 FeAsS 是最常见的含砷矿物之一。其他常见的砷化合物还有雄黄矿物质As₄S_4、雌黄As₂S _3，莱林铁矿FeAs₂和铝镁石Cu₃AsS₄。氧化砷也很常见。这种物质大部分是冶炼铜、铅、钴和金矿石的副产品。

在自然界中，砷只有一种稳定同位素--⁷⁵As。在人工放射性同位素中，⁷⁶因为半衰期为26.4小时脱颖而出。砷72、-74和-76用于医学诊断。

工业生产与应用

金属砷是通过在没有空气的情况下将毒砂加热到650-700°C而获得的。毒砂等金属矿石若与氧气加热，则As易与之结合，形成易升华的As₄O₆，又称像“白砷”。氧化物蒸气被收集和冷凝，然后通过再升华纯化。大多数 As 是由由此获得的白砷通过碳还原产生的。

世界金属砷的消费量比较少--每年只有几百吨。大部分消费来自瑞典。由于其准金属特性，它被用于冶金。铅丸的生产中使用了大约 1% 的砷，因为它提高了熔滴的圆度。当铅基轴承合金含有约 3% 的砷时，它们的热性能和机械性能都会得到改善。铅合金中少量这种化学元素的存在使它们硬化，可用于电池和电缆铠装。砷的小杂质增加了铜和黄铜的耐腐蚀性和热性能。纯化学元素 As 用于青铜镀层和烟火。高纯度砷可用于半导体技术，与硅和锗一起使用，并以砷化镓 (GaAs) 的形式用于二极管、激光器和晶体管。

连接方式

砷的化合价为3和5，具有-3到+5的多种氧化态，可以形成多种化合物。商业上最重要的是它的氧化物，其主要形式是 As₄O₆ 和如₂O₅。氧化砷，俗称白砷，是焙烧铜、铅和一些其他金属矿石以及毒砂和硫化物矿石的副产品。它是大多数其他化合物的起始材料。此外，它还用于杀虫剂、玻璃生产中的漂白剂以及皮革的防腐剂。五氧化二砷是由氧化剂（如硝酸）作用于白砷而形成的。它是杀虫剂、除草剂和金属粘合剂的主要成分。

砷化氢（AsH₃）是一种由砷和氢组成的无色有毒气体，是另一种已知物质。该物质也称为砷氢，是通过金属砷化物的水解和砷化合物在酸性溶液中还原金属而获得的。它已被用作半导体中的掺杂剂和军用毒气。在农业中，砷酸（H₃AsO₄）、砷酸铅（PbHAsO₄4 4_{)和砷酸钙[Ca}3_(AsO4₎2

]，用于土壤消毒和害虫防治。

砷是一种可形成多种有机化合物的化学元素。 HowOne (CH₃)₂As−As(CH₃)_2例如，用于制备一种广泛使用的干燥剂（干燥剂）--二甲胂酸。该元素的复杂有机化合物用于治疗某些疾病，例如阿米巴痢疾，由微生物引起。

物理性质

砷的物理性质是什么？在其最稳定的状态下，它是一种易碎的钢灰色固体，具有低导热性和导电性。尽管某些形式的 As 类似于金属，但将其归类为非金属是对砷的更准确表征。还有其他类型的砷，但没有得到很好的研究，尤其是黄色亚稳态形式，由 As₄ 分子组成，类似于白磷 P_{4 。砷在 613 °C 时升华并以蒸气形式作为 As}4 _{分子存在，在约 800 °C 时不会解离。在 1700 °C 时完全解离为 As}2 _分子。

原子结构与成键能力

砷的电子公式为1s²2s²2p⁶3s 2^3p6^3d10^4s2^4p 3 - ^{类似于氮和磷，因为它在外壳中有五个电子，但与它们的不同之处在于倒数第二个壳中有 18 个电子，而不是两个或八个。在原子核中添加 10 个正电荷同时填充五个 3d 轨道通常会导致电子云的整体减少和元素电负性的增加。元素周期表中的砷可以与其他清楚表明这种模式的组进行比较。例如，人们普遍认为锌是比镁和镓比铝更负电。然而，在随后的小组中，这种差异缩小了，尽管有大量的化学证据，但许多人不同意锗比硅更具电负性。从 8 元素壳层到 18 元素壳层从磷到砷的类似转变可以增加电负性，但这仍然存在争议。}

As和P外壳的相似性表明它们可以在存在额外的未键合电子对的情况下每个原子形成3个共价键。因此，氧化态必须是+3 或-3，这取决于相对的相互电负性。砷的结构也说明了使用外部 d 轨道扩展八位位组的可能性，这允许元素形成 5 个键。它只能通过与氟反应来实现。与磷和氮相比，在 As 原子中形成复杂化合物（通过电子捐赠）的自由电子对的存在比在磷和氮中要少得多。

砷在干燥空气中稳定，但在潮湿空气中会被黑色氧化物覆盖。它的蒸气很容易燃烧，形成As₂O₃。什么是游离砷？它几乎不受水、碱和非氧化性酸的影响，但被硝酸氧化到+5的状态。卤素、硫与砷发生反应，许多金属形成砷化物。

分析化学

物质砒霜可定性检出为黄色雌蕊，在25%的影响下析出盐酸溶液。 As 的痕量通常通过将其转化为胂来确定，胂可以使用 Marsh 测试来检测。胂热分解，在窄管内形成黑色砷镜。根据Gutzeit法，浸有氯化汞的探针在胂的影响下，由于汞的释放而变暗。

砷的毒理学特征

元素及其衍生物的毒性变化很大，范围很广，从剧毒的砷化氢及其有机衍生物到相对惰性的简单砷。使用其有机化合物作为化学战剂（路易氏剂）、发泡剂和脱叶剂（蓝剂基于 5% 二甲胂酸和 26% 钠盐的水性混合物）告诉我们什么是砷。

一般来说，这种化学元素的衍生物会刺激皮肤，引起皮炎。还建议对含砷粉尘进行吸入防护，但大多数中毒发生在摄入时。八小时工作日的粉尘中砷的最大允许浓度为 0.5 mg/m³。对于胂，剂量减少到 0.05 ppm。除了将这种化学元素的化合物用作除草剂和杀虫剂外，砷在药理学中的使用使得获得第一个成功的抗梅毒药物萨尔瓦生成为可能。