สารหนู: ประวัติโครงสร้างคุณสมบัติการใช้งาน - เคมี - 2026

สารหนูเป็น semimetal หรือ semimetal อยู่ในกลุ่ม 15 หรือ VA ของตารางธาตุ มันแสดงด้วยสัญลักษณ์ทางเคมี As และเลขอะตอมของมันคือ 33 สามารถพบได้ในสามรูปแบบอัลโลทรอปิก: เหลืองดำและเทา หลังเป็นเพียงคนเดียวที่มีความสำคัญทางอุตสาหกรรม

สารหนูสีเทาเป็นของแข็งที่มีลักษณะเป็นโลหะเปราะและมีลักษณะเป็นผลึกแข็ง (ภาพล่าง) มันจะสูญเสียความเงางามเมื่อสัมผัสกับอากาศกลายเป็นสารหนูออกไซด์ (As ₂ O ₃ ) ซึ่งเมื่อถูกความร้อนจะทำให้เกิดกลิ่นกระเทียม ในทางกลับกัน allotropes สีเหลืองและสีดำเป็นโมเลกุลและอสัณฐานตามลำดับ

สารหนูโลหะ ที่มา: ภาพความละเอียดสูงขององค์ประกอบทางเคมี

พบสารหนูในเปลือกโลกที่เกี่ยวข้องกับแร่ธาตุมากมาย พบเพียงเล็กน้อยในรัฐพื้นเมือง แต่เกี่ยวข้องกับพลวงและเงิน

แร่ธาตุทั่วไปที่พบสารหนูมีดังต่อไปนี้: realgar (As ₄ S ₄ ) orpiment (As ₂ S ₃ ), loellingite (FeAs ₂ ) and enargite (Cu ₃ AsS ₄ ). สารหนูยังได้รับจากผลพลอยได้จากการหลอมโลหะเช่นตะกั่วทองแดงโคบอลต์และทองคำ

สารประกอบอาร์เซนิกเป็นพิษโดยเฉพาะอาร์ซีน (AsH ₃ ) อย่างไรก็ตามสารหนูมีการใช้งานทางอุตสาหกรรมมากมายรวมถึงการผสมกับตะกั่วที่ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่รถยนต์และการผสมกับแกลเลียมด้วยการใช้งานที่หลากหลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ประวัติการค้นพบ

ชื่อ 'สารหนู' มาจากสารหนูในภาษาละตินและอาร์เซนิคอนของกรีกหมายถึงออร์พิเมนต์สีเหลืองซึ่งเป็นรูปแบบหลักของการใช้สารหนูโดยนักเล่นแร่แปรธาตุ

สารหนูเป็นที่รู้จักและใช้มานานก่อนที่จะเป็นองค์ประกอบทางเคมีในรูปแบบของสารประกอบ ตัวอย่างเช่นอริสโตเติลในศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสตกาลเขียนเกี่ยวกับแซนดาราชซึ่งตอนนี้คิดว่าเป็นสารหนูซัลไฟด์

เฒ่าพลิและ Pedanius Discóridesในศตวรรษที่ 1, orpiment อธิบายแร่ประกอบด้วยในฐานะที่เป็น₂ S 3 ในศตวรรษที่ 11 มีการรู้จักสารหนู 3 ชนิด ได้แก่ สีขาว (As ₄ O ₄ ) สีเหลือง (As ₂ S ₃ ) และสีแดง (As ₄ S ₄ )

สารหนูเป็นองค์ประกอบบริสุทธิ์เป็นครั้งแรกที่พบโดย Albertus Magnus (1250) แมกนัสให้ความร้อนแก่สารหนูซัลไฟด์ด้วยสบู่สังเกตลักษณะของสารที่มีลักษณะคล้ายกับแอลโลโทรปสีเทาในภาพ อย่างไรก็ตามรายงานที่แท้จริงครั้งแรกเกี่ยวกับการแยกตัวของเขาได้รับการตีพิมพ์ในปี 1649 โดย Johann Schroeder เภสัชกรชาวเยอรมัน

ชโรเดอร์เตรียมสารหนูโดยให้ความร้อนออกไซด์ด้วยถ่าน ต่อมา Nicolas Lémeryสามารถผลิตได้โดยการให้ความร้อนกับส่วนผสมของสารหนูออกไซด์สบู่และโปแตช ในศตวรรษที่ 18 องค์ประกอบนี้ได้รับการยอมรับว่าเป็นโลหะกึ่งโลหะในที่สุด

โครงสร้างของสารหนู

สารหนูเป็นไอโซมอร์ฟิกต่อพลวง นั่นคือมีโครงสร้างเหมือนกันแตกต่างกันที่ขนาดของอะตอมเท่านั้น แต่ละรูปแบบอะตอมสารหนูสามในฐานะที่เป็นในฐานะที่เป็นพันธะโควาเลนในลักษณะที่พวกเขาเกิด“เหี่ยวย่นหรือสูงชัน” หกเหลี่ยมในฐานะที่เป็น₆หน่วยเนื่องจากการผสมพันธุ์ของอะตอมในฐานะที่เป็น SP 3

จากนั้นหน่วย As ₆เชื่อมต่อก่อให้เกิดชั้นของสารหนูที่สูงชันซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างอ่อนแรง อันเป็นผลมาจากแรงระหว่างโมเลกุลของพวกมันขึ้นอยู่กับมวลอะตอมของพวกมันผลึกสารหนูสีเทารูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนทำให้ของแข็งมีเนื้อเปราะบางและเปราะ

อาจเกิดจากการขับไล่ของอิเล็กตรอนคู่อิสระของสารหนูหน่วย As _{6 ที่}เกิดขึ้นระหว่างชั้นคู่ขนานไม่ได้กำหนดรูปแปดเหลี่ยมที่สมบูรณ์แบบ แต่บิดเบี้ยว:

โครงสร้างผลึกของสารหนูสีเทา ที่มา: Gabriel Bolívar

สังเกตว่าทรงกลมสีดำวาดระนาบที่บิดเบี้ยวในช่องว่างระหว่างชั้นสูงชันสองชั้น ในทำนองเดียวกันในเลเยอร์ด้านล่างจะมีทรงกลมสีน้ำเงินซึ่งร่วมกับทรงกลมสีดำประกอบเป็นหน่วย As _{6 ที่}กล่าวถึงในตอนต้นของส่วน

โครงสร้างดูเป็นระเบียบแถวขึ้นลงจึงเป็นผลึก อย่างไรก็ตามมันสามารถกลายเป็นอสัณฐานได้โดยมีการบีบทรงกลมด้วยวิธีต่างๆ เมื่อสารหนูสีเทากลายเป็นอสัณฐานจะกลายเป็นสารกึ่งตัวนำ

สารหนูสีเหลือง

สารหนูสีเหลืองเป็นสารหนูที่เป็นพิษมากที่สุดของธาตุนี้เป็นของแข็งโมเลกุลล้วนๆ ประกอบด้วย As โมเลกุล₄หน่วยเนื่องจากแรงกระจายที่อ่อนแอซึ่งไม่ได้ป้องกันไม่ให้ระเหย

สารหนูดำ

สารหนูดำเป็นรูปสัณฐาน แต่ไม่ใช่ว่าจะเป็นอย่างไรก็ได้ โครงสร้างของมันคล้ายกับที่อธิบายไว้เล็กน้อยโดยมีความแตกต่างที่เครื่องบิน As ₆มีพื้นที่ใหญ่กว่าและรูปแบบของความผิดปกติที่แตกต่างกัน

การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

3 มิติ¹⁰ 4 วินาที² 4p ³

มีวงโคจรของระดับ 3 เต็มไปหมด มันสร้างพันธะโดยใช้วงโคจร 4s และ 4p (เช่นเดียวกับ 4d) ผ่านการผสมพันธ์ทางเคมีที่แตกต่างกัน

คุณสมบัติ

น้ำหนักโมเลกุล

74.922 ก. / โมล

รายละเอียดทางกายภาพ

สารหนูสีเทาเป็นของแข็งสีเทามีลักษณะเป็นโลหะและมีความเปราะ

สี

อัลโลโทรปิกสามรูปแบบสีเหลือง (อัลฟา) สีดำ (เบต้า) และสีเทา (แกมมา)

กลิ่น

ห้องน้ำ

ลิ้มรส

รสจืด

จุดหลอมเหลว

1,090 K ที่ 35.8 atm (สารหนูสามจุด)

ที่ความดันปกติจะไม่มีจุดหลอมเหลวเนื่องจากมันระเหิดไปถึง 887 K

ความหนาแน่น

- สารหนูสีเทา: 5.73 ก. / ซม. ³ .

- สารหนูสีเหลือง: 1.97 ก. / ซม. ³ .

ความสามารถในการละลายน้ำ

ไม่ละลาย

วิทยุปรมาณู

139 น

ปริมาณอะตอม

13.1 ซม. ³ / โมล

รัศมีโควาเลนต์

120 น

ความร้อนจำเพาะ

0.328 J / gmol ที่ 20 ° C

ความร้อนจากการระเหย

32.4 กิโลจูล / โมล

อิเล็ก

2.18 ในระดับ Pauling

พลังงานไอออไนเซชัน

พลังงานไอออไนเซชันแรก 946.2 กิโลจูล / โมล

สถานะออกซิเดชัน

-3, +3, +5

ความมั่นคง

สารหนูเป็นองค์ประกอบมีความเสถียรในอากาศแห้ง แต่เมื่อสัมผัสกับอากาศชื้นจะเคลือบด้วยชั้นบรอนซ์ - เหลืองซึ่งอาจกลายเป็นชั้นของสารหนูออกไซด์สีดำได้ (As ₂ O ₃ )

การจำแนก

เมื่อสารหนูจะมีความร้อนจะสลายตัวก็ส่งเสียงควันสีขาวที่ ณ₂ O 3 ขั้นตอนนี้อันตรายเนื่องจากสามารถปล่อยก๊าซอาร์ซีนซึ่งเป็นก๊าซที่มีพิษร้ายแรงได้

Auto-จุดระเบิด

180 องศาเซลเซียส

ความแข็ง

3.5 ในระดับความแข็ง Mohs

การเกิดปฏิกิริยา

ไม่ถูกโจมตีโดยกรดซัลฟิวริกเย็นหรือกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้น ทำปฏิกิริยากับกรดไนตริกร้อนหรือกรดซัลฟิวริกกลายเป็นกรดอาร์เซนิกและกรดอาร์เซนิก

เมื่อสารหนูสีเทาระเหยด้วยความร้อนและไอระเหยจะถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วสารหนูสีเหลืองจะเกิดขึ้น สิ่งนี้จะกลับสู่รูปแบบสีเทาเมื่ออยู่ภายใต้แสงอัลตราไวโอเลต

การประยุกต์ใช้งาน

โลหะผสม

สารหนูจำนวนเล็กน้อยที่เติมลงในตะกั่วทำให้โลหะผสมแข็งตัวเพียงพอที่จะใช้ในการเคลือบสายเคเบิลและในการผลิตแบตเตอรี่รถยนต์

การเติมสารหนูลงในทองเหลืองซึ่งเป็นโลหะผสมของทองแดงและสังกะสีจะช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อน ในทางกลับกันจะแก้ไขหรือลดการสูญเสียสังกะสีในทองเหลืองซึ่งทำให้อายุการใช้งานเพิ่มขึ้น

อิเล็กทรอนิกส์

สารหนูบริสุทธิ์ใช้ในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งใช้ร่วมกับแกลเลียมและเจอร์เมเนียมรวมทั้งในรูปของแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นอันดับสอง

GaAs มีช่องว่างแถบตรงซึ่งสามารถใช้ในการผลิตไดโอดเลเซอร์และ LED นอกจากแกลเลียมอาร์เซไนด์แล้วยังมีสารหนูอื่น ๆ เช่นอินเดียมอาร์เซไนด์และอลูมิเนียมอาร์เซไนด์ซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์ III-V

ในขณะเดียวกันแคดเมียมอาร์เซไนด์เป็นเซมิคอนดักเตอร์ประเภท II-IV Arsine ถูกใช้ในการยาสลบเซมิคอนดักเตอร์

การเกษตรและการอนุรักษ์ไม้

การใช้งานส่วนใหญ่ถูกทิ้งเนื่องจากมีความเป็นพิษสูงและสารประกอบของมัน เนื่องจาก₂ O ₃ถูกใช้เป็นสารกำจัดศัตรูพืชในขณะที่ As ₂ O ₅เป็นส่วนผสมในสารกำจัดวัชพืชและยาฆ่าแมลง

กรดอาร์เซนิก (H ₃ AsO ₄ ) และเกลือเช่นแคลเซียมอาร์ซีเนตและตะกั่วอาร์ซีเนตถูกนำมาใช้เพื่อฆ่าเชื้อในดินและควบคุมศัตรูพืช สิ่งนี้ก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนของสิ่งแวดล้อมด้วยสารหนู

ตะกั่วอาร์ซีเนตถูกใช้เป็นยาฆ่าแมลงในไม้ผลจนถึงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 แต่เนื่องจากความเป็นพิษจึงถูกแทนที่ด้วยโซเดียมเมธิลลาร์เซเนตซึ่งหยุดใช้ด้วยเหตุผลเดียวกันตั้งแต่ปี 2556

เป็นยา

จนถึงศตวรรษที่ 20 สารประกอบหลายชนิดถูกใช้เป็นยา ตัวอย่างเช่น Arsphenamine และ neolsalvarsan ถูกนำมาใช้ในการรักษาซิฟิลิสและทริปาโนโซมิเอซิส

ในปีพ. ศ. 2543 การใช้ As ₂ O ₃ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีความเป็นพิษสูงได้รับการอนุมัติในการรักษามะเร็งเม็ดเลือดขาวชนิด promyelocytic แบบเฉียบพลันที่ทนต่อกรดเรติโนอิกทั้งหมด เมื่อเร็ว ๆ นี้ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี⁷⁴ As ถูกใช้สำหรับการแปลเนื้องอก

ไอโซโทปให้ภาพที่ดีชัดเจนกว่าที่ได้จาก¹²⁴ I เนื่องจากไอโอดีนถูกส่งไปยังไทรอยด์และก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนในสัญญาณ

การใช้งานอื่น ๆ

ในอดีตเคยใช้สารหนูเป็นสารเติมแต่งอาหารสัตว์ปีกและสุกร

ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิตเอทิลีนออกไซด์ นอกจากนี้ยังใช้ในดอกไม้ไฟและการฟอกหนัง Arsenous oxide ใช้เป็นตัวลดสีในการผลิตแก้ว

มันตั้งอยู่ที่ไหน?

สารหนูสามารถพบได้ในปริมาณเล็กน้อยในสถานะของธาตุที่มีความบริสุทธิ์สูง มีอยู่ในสารประกอบหลายชนิดเช่นซัลไฟด์อาร์เซไนด์และซัลโฟอาร์ซีไนด์

นอกจากนี้ยังพบในแร่ธาตุหลายชนิด ได้แก่ arsenopyrite (FeSAs), loellingite (FeAs ₂ ), enargite (Cu ₃ AsS ₄ ), orpiment (As ₂ S ₃ ) และ realgar (As ₄ S ₄ )

ได้มาอย่างไร?

Arsenopyrite ถูกทำให้ร้อนถึง650-700ºCในกรณีที่ไม่มีอากาศ สารหนูระเหยออกไปทำให้เหล็กซัลไฟด์ (FeS) เป็นสารตกค้าง ในระหว่างกระบวนการนี้สารหนูจะจับตัวกับออกซิเจนเพื่อสร้างเป็น₄ O ₆หรือที่เรียกว่า "สารหนูขาว"

เนื่องจาก₄ O ₆ถูกปรับเปลี่ยนให้อยู่ในรูปแบบเป็น₂ O ₃ไอระเหยที่ถูกรวบรวมและควบแน่นในห้องอิฐชุดหนึ่งทำให้สารหนูบริสุทธิ์โดยการระเหิด

ส่วนใหญ่ของสารหนูที่ผลิตโดยการลดคาร์บอนของฝุ่นละอองที่เกิดขึ้น ณ₂ O 3

อ้างอิง

1. สตีเฟนอาร์มาร์สเดน (23 เมษายน 2562). เคมีของสารหนู เคมี LibreTexts สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (03 ธันวาคม 2561). ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจเกี่ยวกับสารหนู ดึงมาจาก: thoughtco.com
3. วิกิพีเดีย (2019) สารหนู. สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
4. ดร. แป้งสจ๊วต (2019) ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับองค์ประกอบของสารหนู Chemicool ดึงมาจาก: chemicool.com
5. ราชสมาคมเคมี. (2019) สารหนู. สืบค้นจาก: rsc.or
6. บรรณาธิการของสารานุกรมบริแทนนิกา (03 พ.ค. 2562). สารหนู. สารานุกรมบริแทนนิกา. ดึงมาจาก: britannica.com