الزرنيخ: التاريخ ، الهيكل ، الخصائص ، الاستخدامات - كيمياء - 2025

و الزرنيخ هو semimetal أو semimetal تابعة لمجموعة 15 أو VA من الجدول الدوري. يتم تمثيله بالرمز الكيميائي As ، ورقمه الذري هو 33. ويمكن العثور عليه في ثلاثة أشكال متآصلة: أصفر ، أسود ، رمادي ؛ الأخير هو الوحيد ذو الأهمية الصناعية.

الزرنيخ الرمادي مادة صلبة هشة معدنية ذات لون بلوري صلب (الصورة السفلية). يفقد لمعانه عند تعرضه للهواء مكونًا أكسيد الزرنيخ (As ₂ O ₃) ، والذي عند تسخينه تنبعث منه رائحة الثوم. من ناحية أخرى ، فإن تآصله الأصفر والأسود جزيئي وغير متبلور ، على التوالي.

الزرنيخ المعدني. المصدر: صور عالية الدقة للعناصر الكيميائية

يوجد الزرنيخ في قشرة الأرض المرتبطة بالعديد من المعادن. تم العثور على نسبة صغيرة فقط في الولاية الأصلية ، ولكنها مرتبطة بالأنتيمون والفضة.

من بين المعادن الأكثر شيوعًا التي يوجد فيها الزرنيخ ما يلي: الريغار (As ₄ S ₄) ، orpiment (As ₂ S ₃) ، loellingite (FeAs ₂) و enargite (Cu ₃ AsS ₄). يتم الحصول على الزرنيخ أيضًا كمنتج ثانوي لصهر المعادن مثل الرصاص والنحاس والكوبالت والذهب.

مركبات الزرنيخ سامة وخاصة الزرنيخ (AsH ₃). ومع ذلك ، فإن للزرنيخ العديد من التطبيقات الصناعية ، بما في ذلك صناعة السبائك مع الرصاص ، المستخدمة في تصنيع بطاريات السيارات ، وسبائك مع الغاليوم باستخدامات مختلفة في الإلكترونيات.

تاريخ اكتشافه

يأتي اسم الزرنيخ من الكلمة اللاتينية arsenicum واليونانية arsenikon ، في إشارة إلى orpiment الأصفر ، والذي كان الشكل الرئيسي لاستخدام الزرنيخ من قبل الكيميائيين.

كان الزرنيخ ، قبل فترة طويلة من التعرف عليه كعنصر كيميائي ، معروفًا ويستخدم في شكل مركباته. على سبيل المثال ، كتب أرسطو في القرن الرابع قبل الميلاد عن الصندل ، وهي مادة يُعتقد الآن أنها كبريتيد الزرنيخ.

وصف بليني الأكبر و Pedanius Discórides ، في القرن الأول الميلادي ، orpiment ، وهو معدن يتكون من As ₂ S ₃. في القرن الحادي عشر ، تم التعرف على ثلاثة أنواع من الزرنيخ: الأبيض (كما في ₄ O ₄) والأصفر (As ₂ S ₃) والأحمر (As ₄ S ₄).

لوحظ الزرنيخ كعنصر نقي لأول مرة بواسطة ألبرتوس ماغنوس (1250). قام Magnus بتسخين كبريتيد الزرنيخ بالصابون ، مشيرًا إلى ظهور مادة ذات خاصية مشابهة للتآصل الرمادي في الصورة. ومع ذلك ، نُشر أول تقرير موثوق عن عزله عام 1649 بواسطة يوهان شرودر ، وهو صيدلي ألماني.

أعد شرودر الزرنيخ بتسخين أكسيده بالفحم. في وقت لاحق ، تمكن نيكولاس ليميري من إنتاجه عن طريق تسخين خليط من أكسيد الزرنيخ والصابون والبوتاس. في القرن الثامن عشر ، تم التعرف أخيرًا على هذا العنصر على أنه شبه معدني.

هيكل الزرنيخ

الزرنيخ متماثل للأنتيمون ؛ أي أنها متطابقة من الناحية الهيكلية ، وتختلف فقط في حجم ذراتها. تشكل كل ذرة زرنيخ ثلاث روابط تساهمية As-As ، بحيث تنشأ سداسية "مجعدة أو شديدة الانحدار" سداسية مثل ₆ وحدات ، لأن تهجين ذرات As هو sp ³.

ثم يتم توصيل وحدات As ₆ مما يؤدي إلى ظهور طبقات شديدة الانحدار من الزرنيخ ، والتي تتفاعل بشكل ضعيف مع بعضها البعض. نتيجة لقواها بين الجزيئات ، التي تعتمد في المقام الأول على كتلها الذرية ، فإن بلورات الزرنيخ الرمادية المعينية الوجوه تعطي المادة الصلبة نسيجًا هشًا وهشًا.

ربما بسبب تنافر زوج الإلكترونات الحر للزرنيخ ، فإن وحدات As ₆ المتكونة بين طبقات متوازية لا تحدد مثمنًا مثاليًا ولكنه مشوه:

التركيب البلوري للزرنيخ الرمادي. المصدر: غابرييل بوليفار.

لاحظ أن الكرات السوداء ترسم المستوى المشوه في الفراغ بين طبقتين شديد الانحدار. وبالمثل ، توجد في الطبقة أدناه كرات مزرقة والتي ، مع الكرة السوداء ، تشكل وحدة As ₆ المذكورة في بداية القسم.

يبدو الهيكل منظمًا ، وترتفع الصفوف لأعلى ولأسفل ، وبالتالي فهي بلورية. ومع ذلك ، يمكن أن يصبح غير متبلور ، مع ضغط الكرات بطرق مختلفة. عندما يصبح الزرنيخ الرمادي غير متبلور ، يصبح شبه موصل.

الزرنيخ الأصفر

الزرنيخ الأصفر ، أكثر التآصل سمية لهذا العنصر ، هو مادة صلبة جزيئية بحتة. وتتكون من ₄ وحدات للجزيئات بسبب قوى التشتت الضعيفة التي لا تمنعها من التطاير.

الزرنيخ الأسود

الزرنيخ الأسود غير متبلور. ولكن ليس كيف يمكن أن يكون التآصل الرمادي. يتشابه هيكلها قليلاً مع الهيكل الموصوف للتو ، مع اختلاف أن طائراتها المكونة من ₆ وحدات بها مساحات أكبر وأنماط مختلفة من الاضطراب.

التكوين الإلكترونية

3d ¹⁰ 4s ² 4p ³

تمتلئ كل مدارات المستوى 3. إنه يشكل روابط باستخدام المدارات 4s و 4p (بالإضافة إلى 4d) من خلال التهجين الكيميائي المختلف.

الخصائص

الوزن الجزيئي الغرامي

74.922 جم / مول

الوصف المادي

الزرنيخ الرمادي مادة صلبة رمادية اللون ذات مظهر معدني وقوام هش.

اللون

ثلاثة أشكال متآصلة ، أصفر (ألفا) ، أسود (تجريبي) ، ورمادي (جاما).

رائحة

الحمام

المذاق

لا طعم له

نقطة الانصهار

1090 كلفن عند 35.8 ضغط جوي (نقطة ثلاثية للزرنيخ).

عند الضغط العادي ، لا توجد نقطة انصهار ، حيث تتسامي إلى 887 كلفن.

كثافة

-زرنيخ رمادي: 5.73 جم / سم ³.

- الزرنيخ الأصفر: 1.97 جم / سم ³.

الذوبان في الماء

لا يتحلل في الماء

راديو ذري

139 م

الحجم الذري

13.1 سم ³ / مول

نصف القطر التساهمي

120 م

حرارة نوعية

0.328 جول / جمول عند 20 درجة مئوية

حرارة التبخر

32.4 كيلو جول / مول

كهرسلبية

2.18 على مقياس بولينج

طاقة التأين

طاقة التأين الأولى 946.2 كيلو جول / مول

الأكسدة

-3 ، +3 ، +5

المزيد

عنصر الزرنيخ مستقر في الهواء الجاف ، ولكن عند تعرضه للهواء الرطب يصبح مغطى بطبقة برونزية صفراء يمكن أن تصبح طبقة سوداء من أكسيد الزرنيخ (كما في ₂ O ₃).

تقسيم

عندما يتم تسخين الزرنيخ ليتحلل ، فإنه ينبعث منه دخان أبيض بمقدار ₂ O ₃. هذا الإجراء خطير لأنه يمكن أيضًا إطلاق غاز الأرسين السام للغاية.

الاشتعال الذاتي

180 درجة مئوية

صلابة

3.5 على مقياس صلابة موس.

التفاعلية

لا يهاجمه حمض الكبريتيك البارد أو حمض الهيدروكلوريك المركز. يتفاعل مع حامض النيتريك الساخن أو حامض الكبريتيك ، مكونًا حمض الزرنيخ وحمض الزرنيخ.

عندما يتطاير الزرنيخ الرمادي عن طريق التسخين ، ويتم تبريد الأبخرة بسرعة ، يتشكل زرنيخ أصفر. يعود هذا إلى الشكل الرمادي ، عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية.

التطبيقات

سبائك

إضافة كمية صغيرة من الزرنيخ إلى الرصاص ، تقوي سبائكه بدرجة كافية لاستخدامها في طلاء الكابلات ، وفي تصنيع بطاريات السيارات.

إضافة الزرنيخ إلى النحاس ، وهو سبيكة من النحاس والزنك ، يزيد من مقاومته للتآكل. من ناحية أخرى ، فإنه يصحح أو يقلل من فقدان الزنك في النحاس ، مما يؤدي إلى زيادة عمره الإنتاجي.

إلكترونيات

يستخدم الزرنيخ المنقى في تكنولوجيا أشباه الموصلات حيث يتم استخدامه مع الغاليوم والجرمانيوم ، وكذلك في شكل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) الذي يعد ثاني أكثر أشباه الموصلات استخدامًا.

تحتوي GaAs على فجوة نطاق مباشرة ، والتي يمكن استخدامها في تصنيع الصمام الثنائي والليزر والصمام الثنائي الباعث للضوء. بالإضافة إلى زرنيخيد الغاليوم ، هناك زرنيخيدات أخرى ، مثل زرنيخيد الإنديوم وزرنيخيد الألومنيوم ، وهي أيضًا من أشباه الموصلات III-V.

وفي الوقت نفسه ، فإن زرنيخيد الكادميوم هو نوع من أشباه الموصلات من النوع الثاني إلى الرابع. تم استخدام أرسين في تعاطي المنشطات بأشباه الموصلات.

الزراعة والحفاظ على الأخشاب

تم إلغاء معظم التطبيقات بسبب سميتها العالية وتلك الخاصة بمركباتها. كما تم استخدام ₂ O ₃ كمبيد للآفات ، في حين أن As ₂ O ₅ عنصر في مبيدات الأعشاب ومبيدات الحشرات.

تم استخدام حمض الزرنيخ (H ₃ AsO ₄) والأملاح مثل زرنيخات الكالسيوم وزرنيخات الرصاص لتعقيم التربة ومكافحة الآفات. هذا يخلق خطر التلوث البيئي بالزرنيخ.

تم استخدام زرنيخات الرصاص كمبيد حشري على أشجار الفاكهة حتى النصف الأول من القرن العشرين. ولكن نظرًا لسميته ، فقد تم استبداله بميثيلارسينات الصوديوم ، والذي توقف عن استخدامه لنفس السبب منذ عام 2013.

طبي

حتى القرن العشرين ، تم استخدام العديد من مركباته كأدوية. تم استخدام Arsphenamine و neolsalvarsan ، على سبيل المثال ، في علاج مرض الزهري وداء المثقبيات.

في عام 2000 ، تمت الموافقة على استخدام As ₂ O ₃ ، وهو مركب شديد السمية ، في علاج ابيضاض الدم البرومي الحاد المقاوم لجميع حمض الريتينويك. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام النظير المشع ⁷⁴ As لتوطين الورم.

ينتج النظير صورًا جيدة ، أوضح من تلك التي تم الحصول عليها باستخدام ¹²⁴ I ، لأن اليود ينتقل إلى الغدة الدرقية وينتج ضوضاء في الإشارة.

استخدامات اخرى

تم استخدام الزرنيخ في الماضي كمادة مضافة للأعلاف في إنتاج الدواجن والخنازير.

يتم استخدامه كعامل مساعد في تصنيع أكسيد الإيثيلين. كما أنها تستخدم في الألعاب النارية والدباغة. يستخدم أكسيد الأرسينوس كمزيل للون في صناعة الزجاج.

أين هو موقعه؟

يمكن العثور على الزرنيخ بكميات صغيرة في الحالة الأولية ، مع درجة عالية من النقاء. يوجد في العديد من المركبات ، مثل: الكبريتيد ، الزرنيخيدات والسلفوارزينيدات.

يوجد أيضًا في العديد من المعادن ، بما في ذلك: arsenopyrite (FeSAs) ، loellingite (FeAs ₂) ، enargite (Cu ₃ AsS ₄) ، orpiment (As ₂ S ₃) و Realgar (As ₄ S ₄).

كيف يتم الحصول عليها؟

يتم تسخين Arsenopyrite إلى 650-700 درجة مئوية ، في حالة عدم وجود هواء. يتبخر الزرنيخ ، تاركًا كبريتيد الحديد (FeS) كمخلفات. خلال هذه العملية ، يرتبط الزرنيخ بالأكسجين ليشكل مثل ₄ O ₆ ، المعروف باسم "الزرنيخ الأبيض".

كما تم تعديل ₄ O ₆ ليشكل كـ ₂ O ₃ ، يتم تجميع أبخرةها وتكثيفها في مجموعة من غرف الطوب ، ويتم تنقية الزرنيخ عن طريق التسامي.

يتم إنتاج معظم الزرنيخ عن طريق تقليل الكربون للغبار المتكون من As ₂ O ₃.

المراجع

1. ستيفن آر مارسدن. (23 أبريل 2019). كيمياء الزرنيخ. الكيمياء LibreTexts. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
2. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (03 ديسمبر 2018). حقائق مثيرة للاهتمام حول الزرنيخ. تم الاسترجاع من: thinkco.com
3. ويكيبيديا. (2019). الزرنيخ. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
4. د. داو ستيوارت. (2019). حقائق عن عنصر الزرنيخ. كيميكول. تم الاسترجاع من: chemicool.com
5. الجمعية الملكية للكيمياء. (2019). الزرنيخ. تم الاسترجاع من: rsc.or
6. محررو Encyclopaedia Britannica. (03 مايو 2019). الزرنيخ. Encyclopædia Britannica. تم الاسترجاع من: britannica.com