Arsen ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol As und der Ordnungszahl 33. (Zur Etymologie siehe den Abschnitt "Geschichte")
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| Allgemein | |||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Arsen, As, 33 | ||||||||||||
| Serie | Halbmetalle | ||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 15 (VA), 4, p | ||||||||||||
| Aussehen | metallisch grau | ||||||||||||
| Massenanteil an der Erdhülle | 6 · 10-4 % | ||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||
| Atommasse | 74,92159 | ||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 115 (114) pm | ||||||||||||
| Kovalenter Radius | 119 pm | ||||||||||||
| van der Waals-Radius | 185 pm | ||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Ar]3d104s24p3 | ||||||||||||
| Elektronen pro Energieniveau | 2, 8, 18, 5 | ||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxid) | ±3, 5 (leicht sauer) | ||||||||||||
| Normalpotential | 0,234 (3 Elektronen) | ||||||||||||
| Elektronegativität | 2,18 (Pauling-Skala) | ||||||||||||
| Kristallstruktur | rhomboedrisch | ||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest | ||||||||||||
| Modifikationen | 3 | ||||||||||||
| Dichte (Mohshärte) | graues As: 5720 kg/m3 (3,5) gelbes As: 1970 kg/m3 (-) schwarzes As: 4700-5100 kg/m3 (-) | ||||||||||||
| Magnetismus | - | ||||||||||||
| Schmelzpunkt | 1090 K (817 °C) (bei 27,5 bar) | ||||||||||||
| Siedepunkt | 887 K (614 °C) (Sublimation) | ||||||||||||
| Molares Volumen | 12,95 · 10-3 m3/mol | ||||||||||||
| Verdampfungswärme | 34,76 kJ/mol | ||||||||||||
| Schmelzwärme | 369,9 kJ/mol | ||||||||||||
| Dampfdruck | - | ||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | - | ||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 330 J/(kg · K) | ||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 3,45 · 106/m Ohm | ||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 50 W/(m · K) | ||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 947,0 kJ/mol | ||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1798 kJ/mol | ||||||||||||
| 3. Ionisierungsenergie | 2735 kJ/mol | ||||||||||||
| 4. Ionisierungsenergie | 4837 kJ/mol | ||||||||||||
| 5. Ionisierungsenergie | 6043 kJ/mol | ||||||||||||
| 6. Ionisierungsenergie | 12310 kJ/mol | ||||||||||||
| Stabilste Isotope | |||||||||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen. | |||||||||||||
Geschichte
Arsen war schon im Altertum in Form von Arsen-Sulfiden (→ Auripigment) bekannt. Es wurde benutzt, um Silber goldartig zu färben. Darüber hinaus kam es als Malerfarbe und Enthaarungsmittel zum Einsatz.
Im Mittelalter wurde Arsenik im Hüttenrauch gefunden. Die Herstellung von Arsen erstmals von Albertus Magnus um 1250 erwähnt.
Der Ursprung des Namens Arsen scheint vom Mittelpersischen zarnik (goldfarben) durch semitische Vermittlung zu kommen, volksetymologisch vom Griechischen arsenikón (αρσενικόν), welches für männlich/stark steht. Diese Bezeichnung gab Dioskurides im 1. Jahrhundert dem Mineral Auripigment aufgrund seiner starken Giftwirkung.
Vorkommen
Arsen kommt praktisch überall im Boden in geringen Konzentrationen vor, selten gediegen als Scherbenkobalt, meist gebunden als Sulfid vermengt mit Metallsulfiden. Natürlich vorkommendes Arsen besteht zu 100 % aus dem Isotop 75As.
Verwertbare Erze sind Realgar und Auripigment. Die Hauptvorkommen der Arsenerze liegen in Russland, China, Schweden und Mexiko.
Gewinnung/Darstellung
Arsen kann durch das Erhitzen von Arsenkies (FeAsS) oder Arsenikalkies (FeAs2) unter Luftabschluss in liegenden Tonröhren gewonnen werden. Dabei sublimiert elementares Arsen, das an kalten Oberflächen wieder in den festen Aggregatzustand zurückkehrt.
Hochreines Arsen für die Halbleitertechnik wird durch Sublimation aus Lösungen in flüssigem Blei erhalten. Dabei wird der Schwefel der Arsen-Erze durch das Blei in Form von Bleisulfid (PbS) gebunden. Eine andere Möglichkeit besteht im Auskristallisieren bei hohen Temperaturen aus geschmolzenem Arsen oder in der Umwandlung in Arsin (AsH3), einer sich anschließenden Reinigung sowie der Zersetzung bei 600 °C in Arsen und Wasserstoff.
Eigenschaften
Arsen ist ein Halbmetall.
Modifikationen
Arsen kommt wie andere Elemente der Stickstoff-Gruppe in verschiedenen allotropen Modifikationen vor.
Graues Arsen
Graues oder metallisches Arsen ist die stabilste Form des Arsen (Dichte = 5720 kg/m3). Seine Kristalle sind stahlgrau, metallisch glänzend und leiten den elektrischen Strom. Wie seine homologen Elemente Antimon und Bismut ist die graue Modifikation des Arsens sehr spröde. Deswegen werden dieses drei Element häufig auch als Sprödmetalle bezeichnet.
Gelbes Arsen
Wird Arsen-Dampf schnell abgekühlt, so bildet sich das metastabile gelbe Arsen (Dichte = 1970 kg/m3). Es besteht aus tetraedrischen As4-Molekülen. Gelbes Arsen ist ein Nichtmetall und leitet infolge dessen den elektrischen Strom nicht. Es kristallisiert aus Schwefelkohlenstoff und bildet kubische, stark lichtbrechende Kristalle, die nach Knoblauch riechen. Bei Raumtemperatur und besonders schnell unter Lichteinwirkung wandelt sich gelbes Arsen in graues Arsen um.
Schwarzes Arsen
Schwarzes Arsen selbst kann seinerseits in zwei verschiedenen Modifikationen vorkommen. Amorphes schwarzes Arsen entsteht durch Abkühlung von Arsen-Dampf an 100-200 °C warmen Oberflächen. Es besitzt keine geordnete Struktur, sondern liegt in einer amorphen, glasartigen Form vor, analog zum roten Phosphor. Die Dichte ist 4700-5100 kg/m3. Oberhalb 270 °C wandelt sich das schwarze Arsen in die graue Modifikation um. Wird glasartiges, amorphes schwarzes Arsen bei Anwesenheit von metallischem Quecksilber auf 100-175 °C erhitzt, so entsteht das metastabile orthorhombische schwarze Arsen, das mit dem schwarzen Phosphor vergleichbar ist.
Verbindungen
Arsenwasserstoff
Arsenwasserstoff (Arsin, Arsan), AsH3, ist ein giftiges, nach Knoblauch riechendes, farbloses Gas.
- Arsentrifluorid (AsF3)
- Arsenpentafluorid (AsF5)
- Arsentrichlorid (AsCl3)
- Arsenpentachlorid (AsCl5)
- Arsentribromid (AsBr3)
- Diarsentetraiodid (As2I4)
- Arsentrioxid (Arsenik, As2O3)
- Arsenige Säure (H3AsO3)
- Arsensäure (2 H3AsO4 * H2O)
- Kalziumarsenat (Ca3(AsO4)2 * 3 H2O) ist ein Bestandteil von Pflanzenschutzmitteln.
Verwendung
Arsen wird zu Bleilegierungen dazu gegeben um deren Festigkeit zu verbessern und das Blei gießbar zu machen. Vor allem die fein strukturierten Platten von Akkumulatoren können ohne Arsenzusatz nicht gegossen werden.
In der Elektronik spielt es als hochreines Element (mind. 99,9999 %) für Gallium-Arsenid-Wafer sowie in Form von Epitaxieschichten auf diesen Wafern, wie beispielsweise Indiumarsenidphosphid und Galliumarsenidphosphid, eine wesentliche Rolle in der Herstellung von Hochfrequenzbauelementen = Integrierte Schaltkreise(ICs), Leuchtdioden (LEDs) beziehungsweise Laserdioden (LDs). Es gibt Anfang 2004 weltweit nur drei Hersteller von hochreinem Arsen, zwei in Deutschland und einen in Japan.
Arsen kommt in allen organischen Geweben vor. Im Menschen wurde es zusammen mit Thallium in fast jedem Organ nachgewiesen (Blut enthält bis zu 8 ppm).
Die biologische Bedeutung des Arsen als Spurenelement ist noch nicht vollständig geklärt.
Nachweis
Die so genannte Marshsche Probe ist der klassischer Nachweis in der Chemie und Gerichtsmedizin für Arsen.
Sicherheitshinweise
Metallisches Arsen zeigt wegen seiner Unlöslichkeit im Unterschied zu seinen löslichen Verbindungen nur eine geringe Giftigkeit. Es sollte aber, da es sich an der Luft leicht mit seinen sehr giftigen Oxiden, wie dem Arsenik überzieht, stets mit größter Vorsicht behandelt werden!