單質砷

單質砷 (Arsenic)
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

砷在地殼中的含量是5×10^-6，它是親硫元素，在自然界中主要以硫化物礦形式存在。例如雌黃As₂S₃、雄黃As₂S₂、砷硫鐵礦FeAsS，砷硫銅礦Cu₃AsS₄等。

1.　單質砷的物理性質：
砷是一個類金屬的非金屬元素，最早由德國人Albertus Magnus於西元1250年提及。具有金屬光澤。它有三種同素異形體：黃砷、黑砷和灰砷。單質砷的熔點為1090K（2. 8MPa下），889K時昇華。密度5. 78g/cm³ ，砷蒸氣的分子式是As₄，為正四面體結構。

2.　單質砷的化學性質：
砷的化學性質與其同族磷相似。於空氣中加熱，砷能生成氧化數為-3、+3和+5的化合物。-3和+3的化合物具有還原性，+5的化合物有氧化性。常溫下砷不與水、空氣作用，也不與稀酸作用，但與熱的濃硫酸、硝酸和王水反應，生成+3或+5價化合物。砷為兩性元素，能與鹼作用生成亞砷酸鹽。高溫時砷能與絕大多數金屬生成合金和化合物，如與鹼金屬生成M₃As （M=Li、Na、K、Rb、Cs）型化合物，與鎵生成半導體材料－砷化鎵GaAs。

3.　砷的製備方法：
將砷的硫化物礦先鍛燒成氧化物，然後用碳還原；或由砷硫鐵礦FeAsS直接鍛燒或以鐵粉為還原劑，還原硫化砷成單質砷。

4.　砷的毒性與應用：
砷的化合物都有毒。砷化合物的保管和使用必須嚴格遵守規章制度。砷中毒有兩種途徑：一是吞食中毒，誤食砒霜後，食道、咽喉均有灼燒感，腹痛嘔瀉。砷中毒的另一種途徑是呼吸道中毒，患者頭痛，喪失意識。萬一發生急性砷中毒，必須立即用藥物解毒：把氧化鎂和硫酸鐵溶液混合在一起，臨時配製，強烈搖動，生成新鮮的氫氧化鐵膠狀懸浮液，讓中毒者服用即可解毒。

5.　砷的化合物：
砷的化合物雖有毒，但人們可以利用它的毒性來為人類服務。例如:多種砷的化合物如PbHAsO₄可用來做農藥，防治果樹的病害蟲，但處理不當會導致噴灑工作者腦部病變。現今農業上多已改用毒性較低的甲基砷酸鈉（MSMA）替代。現今引起社會較大關注的是木材防腐處理用的鉻化砷酸銅（CCA或Tanalith）。

1.　砷化氫與NH₃、PH₃類似，砷能生成氫化物AsH₃。砷化氫是一種無色、具有大蒜昧的劇毒氣體。其熔點（156.1K）、沸點（210.5K）都很低，是共價型分子。分子呈三角錐型結構，微溶于水，不穩定，是強還原劑，表現在以下幾個方面：

①室溫下砷化氫在空氣中自燃： 2AsH₃ + 3O₂ → As₂O₃ + 3H₂O
②缺氧條件下受熱分解為單質：2AsH₃（加熱）→ 2As + 3H₂

砷的氧化物及水合物：砷的氧化物主要有兩種形式：

①氧化數為+3的三氧化二砷As₂O₃，即砒霜，是一種極毒的白色粉末狀固體，致死量為0.1g。它的水合物是亞砷酸H₃AsO₃。
②氧化數為+5的五氧化二砷As₂O₅，它的水合物是砷酸H₃3AsO₄。

2.　三氧化二砷及亞砷酸除少量礦物外，As₂O₃的主要來源是燃燒含砷硫化物過程中的煙道灰，用昇華法把砒霜從煙道灰中提出；蒸氣冷凝成透明的玻璃狀固體，放置後逐漸變成不透明的瓷狀物，最後變為八面體晶體。
和磷的氧化物三氧化二磷一樣，三氧化二砷是以As₄四面體為結構基礎而成的As₄O₆形式存在的分子結晶，其結構和P₄O₆相似。

3.　五氧化二砷（As₂O₅）及砷酸（H₃AsO₄）的製備
（a）　濃硝酸氧化單質砷或三氧化二砷，可以生成氧化數為+5的砷酸
（b）　用次氯酸納氧化單質砷，也可製得砷酸： 2As + 5NaClO₃ + 3H₂O → 2H₃AsO₄ + 5NaCl
（c）　將砷酸加熱脫水就可以製備出相應的五氧化二砷，五氧化二砷易溶於水生成難溶於水的砷酸：As₂O₅ + 3H₂O → 2H₃AsO₄

參考資料
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Arsenic
2. 車雲霞、申泮文，2005年，化學元素周期系（Huaxue Yuansu Zhouqi Xi），南開大學出版社。
3. Geoff Rayner-Canham， Tina Overton， 2006， Descriptive Inorganic Chemistry， 4th ed.， Freeman.