فلز آرسنیک چیست؟

اگر فلزات و نافلزات جدول تناوبی را مشاهده کنید آرسنیک را با عدد اتمی 33 خواهید دید. آرسنیک، عنصری جذاب است که در قلب جدول تناوبی جای گرفته و مدت‌هاست با خواص شگفت‌انگیزش دانشمندان و متفکران را به خود جذب قرار داده است. آرسنیک که برای گذشتگان به عنوان ماده‌ای با قدرت دارویی شناخته می‌شد اثری پاک نشدنی در تاریخ بشر بر جای گذاشته است. در این مقاله در صباپروفیل به فلز آرسنیک می‌پردازیم و ماهیت فیزیکی و شیمیایی آن را مرور کرده و نقش‌های مختلفی را که در دنیای ما ایفا می‌کند را روشن می‌کنیم.

آرسنیک چیست؟

آرسنیک یک عنصر شیمیایی با علامت As و عدد اتمی ۳۳ است. این عنصر یک شبه فلز است که در گروه ۱۵ جدول تناوبی قرار دارد. آرسنیک در طبیعت به صورت آزاد یافت نمی‌شود، اما در بسیاری از سنگ‌ها، خاک‌ها و آب‌ها یافت می‌شود. آرسنیک در بسیاری از کاربردهای صنعتی و پزشکی استفاده می‌شود. در کاربردهای صنعتی، آرسنیک برای تولید شیشه، سیمان، رنگ، داروها و مواد شیمیایی دیگر استفاده می‌شود. در کاربردهای پزشکی، آرسنیک برای درمان برخی از بیماری‌ها مانند سرطان استفاده می‌شود.

مشخصات آرسنیک

مشخصات آرسنیک دارای خواصی مانند:

تاریخچه فلز آرسنیک

تاریخچه فلز آرسنیک شگفت‌انگیز است که قرن‌ها به عقب برمی‌گردد و با کشف، کاربردهای متنوع و درک در حال تکامل از خواص آن مشخص شده است. آرسنیک که از قدیم الایام به اشکال مختلف شناخته می‌شد با جداسازی و شناخت حالت فلزی خود ابعاد جدیدی به خود گرفت.

کشف آرسنیک فلزی را به کیمیاگران قرون وسطی نسبت می‌دهند. این دانشمندان اولیه در تعقیب تبدیل فلزات پایه به طلا به طور ناخواسته آرسنیک را در شکل فلزی آن جدا کردند. فرآیندهای کیمیاگری حرارت دادن الیاف (سولفید آرسنیک) و جمع آوری بقایای فلزی حاصل، پایه و اساس درک ماهیت عنصری آرسنیک را ایجاد کرد.

فلز آرسنیک در طول دوره رنسانس و تا اوایل دوره مدرن در کاربردهای مختلف کاربرد داشت. چکش خواری و قابلیت آلیاژ شدن آن با سایر فلزات این ماده را در تولید آلیاژهایی مانند سرب-آرسنیک و قلع-آرسنیک ارزشمند کرده است. این آلیاژها سختی و دوام بیشتری از خود نشان دادند که به استفاده از آنها در کاربردهای مختلف از چاپ تا مهمات کمک کرد.

قرن 18 و 19 شاهد گسترش کاربردهای فلز آرسنیک بود. این ماده یک جزء حیاتی در ساخت انواع خاصی از شیشه شد و رنگ زرد را ایجاد کرد. توسعه رنگدانه‌های مبتنی بر آرسنیک به ویژه پاریس گرین کاربرد گسترده‌ای در رنگ و کاغذ دیواری داشت که رنگ‌های پر جنب و جوشی را به دنیای ما اضافه کرد اما نگرانی‌هایی را در مورد سمیت آن ایجاد کرد.

در حوزه کشاورزی، آفت کش‌های مبتنی بر آرسنیک در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20 رایج شد. اثربخشی ترکیباتی مانند آرسنات سرب در برابر آفات آسیب‌رسان به محصولات، محبوبیت آنها را به عنوان ابزار ضروری در شیوه‌های کشاورزی افزایش داد و به افزایش بهره‌وری کشاورزی کمک کرد.

با پیشرفت درک علمی، آگاهی از خطرات بهداشتی و محیطی مرتبط با آرسنیک فلزی نیز افزایش یافت. اقدامات نظارتی در اواسط قرن بیستم استفاده از آن را در بسیاری از محصولات مصرفی محدود کرد و تعادل ظریف بین مزایا و خطرات ناشی از این عنصر را برجسته کرد.

خواص فیزیکی فلز آرسنیک

آرسنیک در سطح عنصری در جدول تناوبی در عدد اتمی 33 و وزن اتمی 74.92 حضور دارد که آن را در بلوک p جدول تناوبی قرار می‌دهد. موقعیت متمایز آن به عنوان یک متالوئید و ویژگی‌های مشترک با فلزات و غیرفلزات، آن را از همسایه‌های شیمیایی خود متمایز می‌کند. آرسنیک در حالت طبیعی خود در آلوتروپ‌های متعدد وجود دارد که آرسنیک زرد، سیاه و خاکستری رایج ترین آنهاست. این آلوتروپ‌ها به شکل‌های فیزیکی متفاوتی ظاهر می‌شوند که هر کدام به آرایه‌های متنوعی از خواص نشان داده شده توسط این عنصر کمک می‌کنند.

بارزترین جنبه فیزیکی آرسنیک در آلوتروپ‌های آن نهفته است. آرسنیک زرد با ساختار کریستالی خاص خودش، پایدارترین شکل این عنصر در دمای اتاق است. با این حال هنگامی که در معرض گرما قرار می‌گیرد به آرسنیک سیاه و سفید کم ثبات و بی شکل تبدیل می‌شود. علاوه بر این، خنک شدن آرسنیک سیاه منجر به تشکیل آرسنیک خاکستری، ماده‌ای شکننده و فلزی می‌شود. این رفتار چند شکلی به آرسنیک تطبیق پذیری غیر معمولی داده است.

قلمرو حرارتی آرسنیک از واکنش پذیری آن به نوسانات دما خبر می‌دهد. فلز آرسنیک با نقطه ذوب 817 درجه سانتیگراد (در فشار 36 اتمسفر) و نقطه جوش 613 درجه سانتیگراد، نوسانات مشخصی را نشان می‌دهد که امکان استفاده از آن را در فرآیندهای مختلف صنعتی فراهم می‌کند. چگالی آن تقریباً 5.727 گرم بر سانتی متر مکعب است که حضور آن را به عنوان ماده‌ای با جرم قابل توجه نشان می‌دهد و به کاربردهای آن در ساخت آلیاژ و نیمه هادی منجر می‌شود.

مطلب مرتبط: کاربرد آلیاژها در زندگی

با این حال، ویژگی واقعی آرسنیک در تمایل آن به دور زدن حالت مایع و انتقال مستقیم از حالت جامد به گاز است. این رفتار منحصر به فرد، که در بین عناصر نادر است ماهیت مرموز آرسنیک را نشان می‌دهد.

خواص شیمیایی فلز آرسنیک

در این بخش مقاله به خصوصیات شیمیایی فلز آرسنیک می‌پردازیم و ویژگی‌های متمایز آن را به عنوان یک متالوئید آشکار می‌کنیم. آرسنیک که در جدول تناوبی بین فلزات و نافلزات قرار گرفته است دوگانگی شگفت انگیزی را در واکنش پذیری خود نشان می‌دهد. عنصر آرسنیک ویژگی‌های خاصی شبیه به فلز مانند توانایی هدایت الکتریسیته دارد اما ویژگی‌های غیرفلزی مانند تشکیل پیوندهای کووالانسی در ترکیبات را نیز در بر می‌گیرد.

هویت شیمیایی آرسنیک با توانایی آن در تشکیل ترکیبات بی شمار و با حالت‌های اکسیداسیون از -3 تا +5 مشخص می‌شود. یکی از بدنام ترین ترکیبات این عنصر، تری اکسید آرسنیک (As2O3) است که به دلیل استفاده تاریخی آن به عنوان سم و وجود آن در برخی داروهای سنتی شناخته شده است. پنتوکسید آرسنیک (As2O5) ترکیب مهم دیگری است که ظرفیت این عنصر را برای وجود در حالت‌های اکسیداسیون متعدد نشان می‌دهد.

سمی بودن آرسنیک یک شمشیر دولبه است و پیامدهای مهمی برای موجودات زنده دارد. می‌توان از این عنصر در درمان‌های پزشکی در دوزهای کنترل شده استفاده کرد اما قرار گرفتن بیش از حد در معرض آرسنیک خطرات جدی برای سلامتی به همراه دارد. مسمومیت مزمن با آرسنیک که اغلب با منابع آب آلوده همراه است یک نگرانی دائمی بوده و منجر به اثرات نامطلوب سلامتی از ضایعات پوستی گرفته تا سرطان‌های مختلف می‌شود.

کاربردهای فلز آرسنیک

در طب سنتی از ترکیبات حاوی آرسنیک برای درمان انواع بیماری‌ها استفاده می‌شد. به عنوان مثال چینی‌های باستان از سولفید آرسنیک به عنوان درمان برخی بیماری‌های پوستی استفاده می‌کردند. مشابها تری اکسید آرسنیک که به عنوان آرسنیک سفید شناخته می‌شود در پزشکی اروپایی از قرن 18 تا 20 به طور برجسته ظاهر می‌شود که اغلب برای بیماری‌های مختلف از سیفلیس تا لوسمی تجویز می‌شود.

از لحاظ تاریخی ترکیبات مبتنی بر آرسنیک اجزای جدایی‌ناپذیر آفت‌کش‌ها بودند که به دلیل اثربخشی آن‌ها در برابر طیفی از آفات به محبوبیت رسیده بودند. پاریس گرین راه خود را به تجهیزات باغبانان دوره ویکتوریا پیدا کرد که از آن در برابر حشرات استفاده می‌کردند. پیامدهای چنین اقداماتی در طول زمان تکرار شد زیرا ماندگاری زیست‌محیطی آرسنیک نگرانی‌هایی را در مورد آلودگی خاک و آب ایجاد کرد.

آرسنیک در دوره معاصر همچنان به ایفای نقش محوری خود، به ویژه در حوزه فناوری ادامه می‌دهد. صنعت نیمه هادی سنگ بنای الکترونیک مدرن است و بر گالیوم آرسنید برای ساخت قطعات الکترونیکی با کارایی بالا متکی است. خواص منحصر به فرد گالیوم آرسنید از جمله توانایی آن در تبدیل کارآمد الکتریسیته به نور، این عنصر را در تولید وسایلی مانند سلول‌های خورشیدی، دیودهای ساطع کننده نور (LED) و لیزرهای نیمه هادی ضروری می‌کند.

آلیاژهای آرسنیک فراتر از الکترونیک به توسعه مواد با خواص تخصصی نیز کمک می‌کنند. وقتی آرسنیک با فلزاتی مانند سرب و قلع آلیاژ می‌شود سختی و دوام آنها را افزایش داده و این آلیاژها را در تولید بلبرینگ، مهمات و لحیم کاری ارزشمند می‌کند. این کاربرد بر نقش آرسنیک در شکل دادن به خواص فیزیکی مواد برای مقاصد صنعتی مختلف تاکید می‌کند.

نگرانی‌های زیست محیطی کار با فلز آرسنیک

کاربردهای تاریخی آرسنیک در کشاورزی، صنعت و حتی پزشکی اثری پاک نشدنی بر روی اکوسیستم و سلامت انسان بر جای گذاشته است. ماندگاری آرسنیک در خاک و آب نیازمند تلاشی هماهنگ برای درک و کاهش اثرات زیست محیطی آن است. آلودگی آب‌های زیرزمینی با آرسنیک یک مسئله حیاتی است که میلیون‌ها نفر را در سراسر جهان تحت تاثیر قرار می‌دهد. در مناطقی مانند بخش‌هایی از آسیای جنوب شرقی و آمریکای جنوبی که شرایط زمین‌شناسی به نفع شسته شدن آرسنیک به سفره‌های زیرزمینی است، جوامع با واقعیت تلخ آب آشامیدنی مملو از آرسنیک روبرو هستند. قرار گرفتن مزمن در معرض سطوح بالای آرسنیک از طریق آب آشامیدنی با بسیاری از مشکلات سلامتی از جمله ضایعات پوستی، بیماری‌های قلبی عروقی و سرطان‌های مختلف مرتبط است.

کاهش تاثیر آلودگی آرسنیک نیازمند یک رویکرد چندگانه است. پیشرفت‌ها در فناوری‌های تصفیه آب مانند جذب، فیلتراسیون و تبادل یونی راه‌حل‌های امیدوارکننده‌ای را برای حذف آرسنیک از آب آشامیدنی ارائه می‌دهند. علاوه بر این، ترویج شیوه‌های کشاورزی پایدار که اتکا به آفت‌کش‌های حاوی آرسنیک را به حداقل می‌رساند به کاهش آلودگی محیط‌زیست کمک می‌کند.

جمع‌بندی

معمای فلز آرسنیک از طریق تأثیر متقابل خواص فیزیکی و شیمیایی، اهمیت تاریخی و کاربردهای آن حل می‌شود. در این مقاله از کیمیاگران باستان تا آزمایشگاه‌های پیشرفته امروزی صحبت کردیم و نقش فلز آرسنیک را در تار و پود دانش و صنعت بشری دیدیم. همانطور که در تعادل ظریف بین استفاده از پتانسیل و کاهش خطرات آن حرکت می‌کنیم، داستان آرسنیک گواهی بر پیچیدگی‌های ذاتی در رابطه ما با عناصری که جهان ما را شکل می‌دهند خواهد بود.

فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 30 آذر 1402