Arsenico: storia, struttura, configurazione elettronica, proprietà, usi
L'arsenico è un semimetale o metalloide che appartiene al gruppo 15 o VA della tavola periodica. È rappresentato dal simbolo chimico As e ha un numero atomico di 33. Può essere trovato sotto tre forme allotropiche: giallo, nero e grigio; quest'ultimo è l'unico con importanza industriale.
L'arsenico grigio è un solido fragile dall'aspetto metallico con un colore acciaio e cristallino (immagine in basso). Perde la sua lucentezza quando esposto all'aria, formando l'ossido di arsenico (As 2 O 3 ), che, una volta riscaldato, emette un odore di aglio. D'altra parte, i suoi allotropi gialli e neri sono molecolari e amorfi, rispettivamente.
L'arsenico si trova nella crosta terrestre associata a numerosi minerali. Solo una piccola parte si trova nello stato nativo, associato tuttavia con antimonio e argento.
Tra i minerali più comuni in cui si trova l'arsenico sono i seguenti: realgar (As 4 S 4 ), orpimento (As 2 S 3 ), loellingite (FeAs 2 ) e enargite (Cu 3 AsS 4 ). L'arsenico è anche ottenuto come sottoprodotto della fusione di metalli come piombo, rame, cobalto e oro.
I composti dell'arsenico sono tossici, specialmente l'arsina (AsH 3 ). Tuttavia, l'arsenico ha numerose applicazioni industriali, tra cui la lega con piombo, utilizzata nella produzione di batterie per auto e la lega con gallio con vari usi nell'elettronica.
Storia della sua scoperta
Il nome "arsenico" deriva dal latino arsenicum e dal greco arsenikon, riferito al giallo, che era la principale forma di uso di arsenico da parte degli alchimisti.
L'arsenico, molto prima di essere riconosciuto come elemento chimico, era conosciuto e usato nella forma dei suoi composti. Ad esempio, Aristotele nel IV secolo aC scrisse di sandarache, una sostanza che ora si pensa sia solfuro di arsenico.
Plinio il Vecchio e Pedanius Discord, nel primo secolo d.C., descrivevano l'orpimento, un minerale costituito da As 2 S 3 . Nell'undicesimo secolo furono riconosciute tre specie di arsenico: bianco (come 4 O 4 ), giallo (come 2 S 3 ) e rosso (come 4 S 4 ).
L'arsenico come elemento puro fu osservato per la prima volta da Alberto Magno (1250). Magnus riscaldava il solfuro di arsenico con il sapone, notando l'aspetto di una sostanza con una caratteristica simile all'allotropo grigiastro dell'immagine. Tuttavia, il primo rapporto autentico del suo isolamento fu pubblicato nel 1649 da Johann Schroeder, un farmacista tedesco.
Schroeder preparò l'arsenico riscaldando il suo ossido con carbone. Successivamente, Nicolas Lémery riuscì a produrlo riscaldando una miscela di ossido di arsenico, sapone e cloruro di potassio. Nel diciottesimo secolo questo elemento fu finalmente riconosciuto come semimetale.
Struttura dell'arsenico
L'arsenico è isomorfo all'antimonio; cioè, strutturalmente sono identici, differiscono solo nella dimensione dei loro atomi. Ogni atomo di arsenico forma tre legami covalenti di As-As, in modo tale che originano unità esagonali come 6 "rugose o scoscese", poiché l'ibridazione degli atomi di As è sp3.
Quindi le unità As 6 sono collegate dando luogo a ripidi strati di arsenico, che interagiscono debolmente tra loro. Come risultato delle loro forze intermolecolari, dipendenti soprattutto dalle loro masse atomiche, i cristalli romboedrici di arsenico grigio conferiscono al solido una struttura fragile e fragile.
Probabilmente a causa delle repulsioni della coppia di arsenico libero da elettroni, le unità di As 6 formate tra strati paralleli non definiscono un ottaedro perfetto ma distorto:
Notare che le sfere nere disegnano il piano distorto nello spazio tra due strati ripidi. Inoltre, nello strato inferiore ci sono sfere bluastre che, insieme alla sfera nera, formano l'unità As 6 menzionata all'inizio della sezione.
La struttura sembra pulita, le file salgono e scendono e quindi è cristallina. Tuttavia, può diventare amorfo, con sfere spremute in modi diversi. Quando l'arsenico grigiastro diventa amorfo, diventa un semiconduttore.
Arsenico giallo
L'arsenico giallo, l'allotropo più tossico di questo elemento, è un solido puramente molecolare. Consiste di molecole di unità di As 4 per forze deboli di dispersione, che non impediscono loro di volatilizzarsi.
Arsenico nero
L'arsenico nero è amorfo; ma non come può arrivare ad essere l'allotropo grigiastro. La sua struttura è leggermente simile a quella appena descritta, con la differenza che i suoi piani di As 6 hanno aree più grandi e diversi pattern di disordine.
Configurazione elettronica
[Ar] 3d104s24p3
Ha tutti gli orbitali di livello 3 completi. Forma legami usando gli orbitali 4s e 4p (come 4d) attraverso diverse ibridazioni chimiche.
proprietà
Peso molecolare
74, 922 g / mol
Descrizione fisica
L'arsenico grigio è un solido grigiastro con un aspetto metallico e una consistenza fragile.
colore
Tre forme allotropiche, giallo (alfa), nero (beta) e grigio (gamma).
odore
toilette
sapore
insapore
Punto di fusione
1090 K a 35, 8 atm (punto triplo di arsenico).
A pressione normale non ha punto di fusione, poiché sublima a 887 K.
densità
- Grigio arsenico: 5, 73 g / cm3.
-Arsenico giallo: 1, 97 g / cm3.
Solubilità in acqua
irrisolvibile
Radio atomica
139 pm
Volume atomico
13, 1 cm3 / mol
Radio covalente
120 pm
Calore specifico
0, 328 J / g · mol a 20 ° C
Calore di evaporazione
32, 4 kJ / mol
elettronegatività
2.18 sulla scala di Pauling
Energia di ionizzazione
Prima energia di ionizzazione 946, 2 kJ / mol
Stati di ossidazione
-3, +3, +5
stabilità
L'arsenico elementare è stabile nell'aria secca, ma quando esposto all'aria umida è ricoperto da uno strato di bronzo giallo che può diventare uno strato nero di ossido di arsenico (As 2 O 3 ).
decomposizione
Quando l'arsenico viene riscaldato fino alla decomposizione, emette un fumo bianco di As 2 O 3 . La procedura è pericolosa perché anche l'arsina, un gas molto velenoso, può essere emessa.
Autocombustione
180 ºC
durezza
3.5 sulla scala di durezza di Mohs.
reattività
Non viene attaccato dall'acido solforico freddo o dall'acido cloridrico concentrato. Reagisce con acido nitrico o acido solforico caldo, formando acido arsenico e acido arsenico.
Quando l'arsenico grigio viene volatilizzato mediante riscaldamento e i vapori vengono rapidamente raffreddati, si forma un arsenico giallo. Questo ritorna alla forma grigiastra, se sottoposto a luce ultravioletta.
applicazioni
leghe
Una piccola quantità di arsenico aggiunto al piombo, indurisce le sue leghe abbastanza da essere utilizzato nel rivestimento di cavi e nella produzione di batterie per auto.
L'aggiunta di arsenico all'ottone, una lega di rame e zinco, aumenta la sua resistenza alla corrosione. D'altra parte, corregge o diminuisce la perdita di zinco nell'ottone, che provoca un aumento della sua vita utile.
elettronica
L'arsenico purificato viene utilizzato nella tecnologia dei semiconduttori, dove viene utilizzato in combinazione con gallio e germanio, nonché sotto forma di arseniuro di gallio (GaAs), che è il secondo semiconduttore più usato.
I GaA hanno un band gap diretto, che può essere utilizzato nella produzione di diodi, laser e LED. Oltre all'arseniuro di gallio ci sono altri arsenidi, come l'arsenuro di indio e l'arsenuro di alluminio, che costituiscono anche semiconduttori III-V.
Nel frattempo, l'arsenuro di cadmio è un semiconduttore di tipo II-IV. L'Arsina è stata usata nel doping dei semiconduttori.
Agricoltura e conservazione del legno
La maggior parte delle applicazioni sono state scartate a causa della loro elevata tossicità e di quella dei loro composti. Come 2 O 3 è stato usato come pesticida, mentre As 2 O 5 è un ingrediente di erbicidi e insetticidi.
L'acido arsenico (H 3 AsO 4 ) e sali come arseniato di calcio e arseniato di piombo sono stati utilizzati per sterilizzare terreni e controllare i parassiti. Ciò genera un rischio di contaminazione ambientale con l'arsenico.
L'arseniato di piombo è stato usato come insetticida negli alberi da frutto, fino alla prima metà del 20 ° secolo. Ma a causa della sua tossicità, è stato sostituito da metilarsenato di sodio, che ha smesso di essere utilizzato per lo stesso motivo dal 2013.
medicinale
Fino al XX secolo molti dei suoi composti erano usati come medicine. Ad esempio, l'Arsfenamina e il neolsalvarsan sono stati utilizzati nel trattamento della sifilide e della tripanosomiasi.
Nel 2000, l'uso di As 2 O 3, un composto molto tossico, è stato approvato nel trattamento della leucemia promielocitica acuta resistente all'acido trans retinoico. Recentemente, l'isotopo radioattivo 74A è stato utilizzato per la localizzazione del tumore.
L'isotopo produce buone immagini, più chiare di quelle ottenute con il 124I, perché lo iodio viene portato alla tiroide e produce rumore nel segnale.
Altri usi
L'arsenico è stato utilizzato in passato come additivo per mangimi nella produzione di pollame e suini.
È usato come catalizzatore nella produzione di ossido di etilene. Inoltre è usato in pirotecnica e concia. L'ossido d'arsenio è usato come decolorante nella produzione di vetro.
Dov'è?
L'arsenico può essere trovato in piccole quantità in uno stato elementale, con un alto grado di purezza. È presente in numerosi composti, come: solfuri, arsenidi e sulfararsenidi.
Si trova anche in diversi minerali, tra cui: arsenopirite (FeSAs), loellingite (FeAs 2 ), enargite (Cu 3 AsS 4 ), orpimento (As 2 S 3 ) e realgar (As 4 S 4 ).
Come hai capito?
L'arsenopirite viene riscaldata a 650-700 ° C, in assenza di aria. L'arsenico viene evaporato, lasciando come residuo il solfuro di ferro (FeS). Durante questo processo l'arsenico si lega all'ossigeno per formare As 4 O 6, noto come "arsenico bianco".
L'As 4 O 6 viene modificato per formare l'As 2 O 3, i cui vapori vengono raccolti e condensati in una serie di camere di mattoni, purificando l'arsenico per sublimazione.
La maggior parte dell'arsenico è prodotta dalla riduzione del carbonio della polvere formata da As 2 O 3 .
