الزرنيخ

وصف الزرنيخ

الزرنيخ هو عنصر كيميائي يرمز له بالرمز As، والرقم الذري 33. ويوجد الزرنيخ في العديد من المعادن، وعادةً ما يكون مع الكبريت والفلزات، ولكنه يوجد أيضاً كبلورة عنصري نقي. الزرنيخ من أشباه الفلزات. وله العديد من المتآصلات، لكن الشكل الرمادي فقط، الذي له مظهر معدني، مهم للصناعة.

الاستخدام الرئيسي للزرنيخ هو في سبائك الرصاص (على سبيل المثال، في بطاريات السيارات والذخيرة). ويُعد الزرنيخ مادة مخدرة من النوع n شائعة الاستخدام في الأجهزة الإلكترونية شبه الموصلة ويعتبر مركب زرنيخيد الغاليوم الإلكتروني البصري ثاني أكثر أشباه الموصلات استخداماً بعد السيليكون المخدّر. يُستخدم الزرنيخ ومركباته، وخاصة ثالث أكسيد الزرنيخ، في إنتاج المبيدات الحشرية ومنتجات الأخشاب المعالجة ومبيدات الأعشاب والمبيدات الحشرية. تتراجع هذه الاستخدامات بسبب الاعتراف المتزايد بسمية الزرنيخ ومركباته.

مركبات الزرنيخ

تتشابه مركبات الزرنيخ في بعض النواحي مع مركبات الفوسفور التي تحتل نفس المجموعة (العمود) من الجدول الدوري. حالات التأكسد الأكثر شيوعًا للزرنيخ هي -3 في الزرنيخيدات وهي مركبات بين فلزية تشبه السبائك، و+3 في الزرنيخيت، و+5 في الزرنيخات ومعظم المركبات العضوية. ويرتبط الزرنيخ أيضًا بسهولة مع نفسه كما يظهر في أيونات As3-4 المربعة في معدن السكوتروديت. وفي حالة التأكسد +3، يكون الزرنيخ عادةً هرميًا بسبب تأثير زوج الإلكترونات الوحيد.

المركبات غير العضوية

من أبسط مركبات الزرنيخ مركب ثلاثي الهيدريد، وهو مركب الأرسين شديد السمية والقابل للاشتعال والحرق (AsH3). يعتبر هذا المركب مستقرًا بشكل عام لأنه في درجة حرارة الغرفة يتحلل ببطء فقط. وفي درجات حرارة تتراوح بين 250-300 درجة مئوية يتحلل بسرعة إلى زرنيخ وهيدروجين.[25] وهناك عدة عوامل، مثل الرطوبة ووجود الضوء وبعض العوامل الحفازة (خاصةً الألومنيوم) تسهل معدل التحلل. ويتأكسد بسهولة في الهواء لتكوين ثالث أكسيد الزرنيخ والماء، وتحدث تفاعلات مماثلة مع الكبريت والسيلينيوم بدلاً من الأكسجين.

يُكوِّن الزرنيخ أكاسيد بلورية عديمة اللون والرائحة وبلورية As2O3 ("الزرنيخ الأبيض") و As2O5 وهي أكاسيد استرطابية وقابلة للذوبان بسهولة في الماء لتكوين محاليل حمضية. حمض الزرنيخ (V) هو حمض ضعيف وتسمى أملاحه بالزرنيخات، وهو أكثر أنواع الزرنيخ تلوثاً للمياه الجوفية شيوعاً، وهو مشكلة تؤثر على الكثير من الناس. تشمل الزرنيخات الاصطناعية زرنيخات شيل الخضراء (زرنيخات الهيدروجين النحاسية النحاسية الحمضية) وزرنيخات الكالسيوم وزرنيخات هيدروجين الرصاص. وقد استخدمت هذه الثلاثة كمبيدات حشرية وسموم زراعية.

تتشابه خطوات البروتونات بين الزرنيخات وحمض الزرنيخ مع تلك الموجودة بين الفوسفات وحمض الفوسفوريك. وخلافًا لحمض الفوسفور، فإن حمض الزرنيخ هو حمض زرنيخ ثلاثي الطور حقًا، وصيغته As(OH)3.

ومن المعروف وجود مجموعة واسعة من مركبات الكبريت من الزرنيخ. ويتوفر الأوربيمنت (As2S3) والريجار (As4S4) بكثرة إلى حد ما وكانا يستخدمان في السابق كأصباغ طلاء. في As4S10، يحتوي الزرنيخ على حالة أكسدة رسمية +2 في As4S4 الذي يتميز بروابط As-As بحيث لا يزال إجمالي تساهمية As 3. يحتوي كل من الأوربيمنت والريجار بالإضافة إلى As4S3 على نظائر السيلينيوم؛ ويُعرف نظير As2Te3 المماثل له بمعدن كالغورلييت، ويُعرف الأنيون As2Te- بأنه رابطة في معقدات الكوبالت.

جميع ثلاثي هاليدات الزرنيخ (III) معروفة جيدًا باستثناء الأستاتيد، وهو غير معروف. خماسي فلوريد الزرنيخ الخماسي (AsF5) هو الخماسي المهم الوحيد، مما يعكس الاستقرار الأقل لحالة الأكسدة +5؛ ومع ذلك، فهو عامل فلورة وأكسدة قوي للغاية. (وخماسي الكلوريد الخماسي مستقر فقط تحت -50 درجة مئوية، وعند درجة الحرارة التي يتحلل عندها إلى ثلاثي الكلوريد مطلقًا غاز الكلور.

السبائك

يُستخدَم الزرنيخ كعنصر من المجموعة 5 في أشباه الموصلات III-V زرنيخيد الغاليوم وزرنيخيد الإنديوم وزرنيخيد الألومنيوم. إن عدد إلكترونات التكافؤ في GaAs هو نفسه عدد ذرات Si، لكن بنية النطاق مختلفة تمامًا مما يؤدي إلى خصائص سائبة متميزة. وتتضمن سبائك الزرنيخ الأخرى زرنيخيد الكادميوم شبه الموصِّل II-V شبه الموصِّل.

تطبيقات الزرنيخ

الزراعة

أدت سمية الزرنيخ للحشرات والبكتيريا والفطريات إلى استخدامه كمادة حافظة للأخشاب. كما استُخدم الزرنيخ في العديد من المبيدات الحشرية والسموم الزراعية. يُستخدم الزرنيخ كمادة مضافة للعلف في إنتاج الدواجن والخنازير، خاصةً في الولايات المتحدة لزيادة زيادة الوزن وتحسين كفاءة العلف والوقاية من الأمراض

الطب

خلال القرون الثامن عشر والتاسع عشر والعشرين، تم استخدام عدد من مركبات الزرنيخ كأدوية، بما في ذلك الأرشفينامين (بواسطة بول إرليش) وثالث أكسيد ثلاثي الزرنيخ (بواسطة توماس فاولر). استُخدِم ثالث أكسيد الزرنيخ بطرق متنوعة على مدار الـ 500 عام الماضية، وكان أكثرها شيوعًا في علاج السرطان، ولكن أيضًا في أدوية متنوعة مثل محلول فاولر لعلاج الصدفية. وفي الآونة الأخيرة، كان الباحثون يحددون مواقع الأورام باستخدام الزرنيخ-74 (باعث البوزيترون). وينتج هذا النظير صورًا أوضح للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني من العامل المشع السابق، اليود-124، لأن الجسم يميل إلى نقل اليود إلى الغدة الدرقية مما ينتج عنه تشويش في الإشارة. أظهرت جسيمات الزرنيخ النانوية القدرة على قتل الخلايا السرطانية بسمية خلوية أقل من تركيبات الزرنيخ الأخرى

السبائك

يتمثل الاستخدام الرئيسي للزرنيخ في صناعة السبائك مع الرصاص. يتم تقوية مكونات الرصاص في بطاريات السيارات من خلال وجود نسبة صغيرة جداً من الزرنيخ. يتم تقليل إزالة الزرنيخ من النحاس الأصفر (سبيكة النحاس والزنك) إلى حد كبير بإضافة الزرنيخ. يزيد "النحاس المزيل للأكسدة الفوسفورية الزرنيخية" الذي يحتوي على نسبة زرنيخ تبلغ 0.3% من ثبات التآكل في بيئات معينة. زرنيخيد الغاليوم هو مادة مهمة من أشباه الموصلات تستخدم في الدوائر المتكاملة. والدوائر المصنوعة من GaAs أسرع بكثير (ولكنها أيضًا أغلى بكثير) من تلك المصنوعة من السيليكون. وخلافاً للسيليكون، تتمتع GaAs بفجوة نطاق مباشرة ويمكن استخدامها في ثنائيات الليزر ومصابيح LED لتحويل الطاقة الكهربائية مباشرة إلى ضوء.

المجال العسكري

بعد الحرب العالمية الأولى، قامت الولايات المتحدة الأمريكية ببناء مخزون من 20,000 طن من مادة الليوسيت (ClCH=CHAsCl2) التي تُعد مادة عضوية حويصلية (عامل نفطة) ومهيجة للرئة. تم تحييد المخزون بمادة مبيضة وإلقائه في خليج المكسيك في الخمسينيات. خلال حرب فيتنام، استخدمت الولايات المتحدة العامل الأزرق، وهو مزيج من كاكوديلات الصوديوم وشكله الحمضي، كأحد مبيدات الأعشاب قوس قزح لحرمان جنود فيتنام الشمالية من غطاء أوراق الشجر والأرز.