Arsen Beschreibung
Arsen ist ein chemisches Element mit dem Symbol As und der Ordnungszahl 33. Arsen kommt in vielen Mineralien vor, in der Regel in Verbindung mit Schwefel und Metallen, aber auch als reiner elementarer Kristall. Arsen ist ein Metalloid. Es hat verschiedene Allotrope, aber nur die graue Form, die ein metallisches Aussehen hat, ist für die Industrie von Bedeutung.
Arsen wird hauptsächlich in Bleilegierungen verwendet (z. B. in Autobatterien und Munition). Arsen ist ein gängiger n-Typ-Dotierstoff in elektronischen Halbleiterbauelementen, und die optoelektronische Verbindung Galliumarsenid ist nach dotiertem Silizium der am zweithäufigsten verwendete Halbleiter. Arsen und seine Verbindungen, insbesondere das Trioxid, werden bei der Herstellung von Pestiziden, behandelten Holzprodukten, Herbiziden und Insektiziden verwendet. Diese Anwendungen sind rückläufig, da die Toxizität von Arsen und seinen Verbindungen zunehmend erkannt wird.
Arsenhaltige Verbindungen
Arsenverbindungen ähneln in mancher Hinsicht denen von Phosphor, die in der gleichen Gruppe (Spalte) des Periodensystems stehen. Die häufigsten Oxidationsstufen von Arsen sind -3 bei den Arseniden, bei denen es sich um legierungsähnliche intermetallische Verbindungen handelt, +3 bei den Arseniten und +5 bei den Arsenaten und den meisten organoarsenischen Verbindungen. Arsen verbindet sich auch leicht mit sich selbst, wie man an den quadratischen As3-4-Ionen im Mineral Skutterudit sieht. In der Oxidationsstufe +3 ist Arsen aufgrund des Einflusses des einsamen Elektronenpaars typischerweise pyramidenförmig.
Anorganische Verbindungen
Eine der einfachsten Arsenverbindungen ist das Trihydrid, das hochgiftige, brennbare und pyrophore Arsen (AsH3). Diese Verbindung gilt im Allgemeinen als stabil, da sie sich bei Raumtemperatur nur langsam zersetzt. Bei Temperaturen von 250-300 °C erfolgt die Zersetzung zu Arsen und Wasserstoff schnell[25]. Mehrere Faktoren wie Feuchtigkeit, Licht und bestimmte Katalysatoren (insbesondere Aluminium) begünstigen die Zersetzungsgeschwindigkeit. Es oxidiert leicht an der Luft zu Arsentrioxid und Wasser, und analoge Reaktionen finden mit Schwefel und Selen anstelle von Sauerstoff statt.
Arsen bildet farblose, geruchlose, kristalline Oxide As2O3 ("weißes Arsen") und As2O5, die hygroskopisch und in Wasser leicht löslich sind und saure Lösungen bilden. Arsen(V)-säure ist eine schwache Säure und die Salze werden als Arsenate bezeichnet, die häufigste Arsenverunreinigung des Grundwassers und ein Problem, das viele Menschen betrifft. Zu den synthetischen Arsenaten gehören Scheele's Green (Kupferhydrogenarsenat, saures Kupferarsenat), Calciumarsenat und Bleihydrogenarsenat. Diese drei wurden als landwirtschaftliche Insektizide und Gifte verwendet.
Die Protonierungsschritte zwischen Arsenat und Arsensäure sind ähnlich wie die zwischen Phosphat und Phosphorsäure. Im Gegensatz zur phosphorigen Säure ist die arsenige Säure eine echte dreibasische Säure mit der Formel As(OH)3.
Es ist eine Vielzahl von Schwefelverbindungen des Arsens bekannt. Orpiment (As2S3) und Realgar (As4S4) kommen relativ häufig vor und wurden früher als Farbpigmente verwendet. In As4S10 hat Arsen eine formale Oxidationsstufe von +2 in As4S4, das As-As-Bindungen aufweist, so dass die Gesamtkovalenz von As immer noch 3 beträgt. Sowohl Orpiment und Realgar als auch As4S3 haben Selenanaloga; das analoge As2Te3 ist als Mineral Kalgoorlieit bekannt, und das Anion As2Te- ist als Ligand in Kobaltkomplexen bekannt.
Alle Trihalogenide von Arsen(III) sind gut bekannt, mit Ausnahme des Astatids, das unbekannt ist. Arsenpentafluorid (AsF5) ist das einzige wichtige Pentahalogenid, was die geringere Stabilität der Oxidationsstufe +5 widerspiegelt; dennoch ist es ein sehr starkes Fluorierungs- und Oxidationsmittel. (Das Pentachlorid ist nur unter -50 °C stabil; bei dieser Temperatur zersetzt es sich unter Freisetzung von Chlorgas in das Trichlorid.
Legierungen
Arsen wird als Element der Gruppe 5 in den III-V-Halbleitern Galliumarsenid, Indiumarsenid und Aluminiumarsenid verwendet. Die Anzahl der Valenzelektronen von GaAs entspricht der eines Si-Atompaares, aber die Bandstruktur ist völlig anders, was zu unterschiedlichen Volumeneigenschaften führt. Zu den anderen Arsenlegierungen gehört der II-V-Halbleiter Cadmiumarsenid.
Arsen Anwendungen
Landwirtschaft
Die Toxizität von Arsen für Insekten, Bakterien und Pilze führte zu seiner Verwendung als Holzschutzmittel. Arsen wurde auch in verschiedenen landwirtschaftlichen Insektiziden und Giften verwendet. In der Geflügel- und Schweineproduktion wird Arsen als Futtermittelzusatz verwendet, insbesondere in den USA, um die Gewichtszunahme zu erhöhen, die Futtereffizienz zu verbessern und Krankheiten vorzubeugen.
Medizin
Im 18., 19. und 20. Jahrhundert wurde eine Reihe von Arsenverbindungen als Arzneimittel verwendet, darunter Arsphenamin (von Paul Ehrlich) und Arsentrioxid (von Thomas Fowler). Arsentrioxid wurde in den letzten 500 Jahren auf vielfältige Weise eingesetzt, vor allem bei der Behandlung von Krebs, aber auch in so unterschiedlichen Medikamenten wie Fowlers Lösung bei Psoriasis. Seit kurzem verwenden Forscher Arsen-74 (ein Positronenstrahler) zur Lokalisierung von Tumoren. Dieses Isotop liefert klarere PET-Scan-Bilder als das bisherige radioaktive Mittel Jod-124, da der Körper dazu neigt, Jod zur Schilddrüse zu transportieren, was zu Signalrauschen führt. Nanopartikel von Arsen haben gezeigt, dass sie in der Lage sind, Krebszellen mit geringerer Zytotoxizität abzutöten als andere Arsenformulierungen.
Legierung
Die Hauptverwendung von Arsen ist die Legierung mit Blei. Bleibestandteile in Autobatterien werden durch einen sehr geringen Anteil an Arsen verstärkt. Die Entzinkung von Messing (einer Kupfer-Zink-Legierung) wird durch den Zusatz von Arsen stark reduziert. "Phosphordesoxidiertes arsenhaltiges Kupfer" mit einem Arsengehalt von 0,3 % weist in bestimmten Umgebungen eine erhöhte Korrosionsstabilität auf. Galliumarsenid ist ein wichtiges Halbleitermaterial, das in integrierten Schaltungen verwendet wird. Aus GaAs hergestellte Schaltkreise sind viel schneller (aber auch viel teurer) als solche aus Silizium. Im Gegensatz zu Silizium hat GaAs eine direkte Bandlücke und kann in Laserdioden und LEDs verwendet werden, um elektrische Energie direkt in Licht umzuwandeln.
Militär
Nach dem Ersten Weltkrieg legten die Vereinigten Staaten einen Vorrat von 20.000 Tonnen waffenfähigem Lewisit (ClCH=CHAsCl2) an, einem organoarsenischen Blasenbildner und Lungenreizstoff. Der Vorrat wurde mit Bleichmittel neutralisiert und in den 1950er Jahren in den Golf von Mexiko gekippt. Während des Vietnamkriegs setzten die Vereinigten Staaten Agent Blue, eine Mischung aus Natriumcacodylat und seiner Säureform, als eines der Regenbogenherbizide ein, um den nordvietnamesischen Soldaten die Deckung mit Laub und Reis zu nehmen.
