天文学
在 X 上关注我 在 Bluesky 上关注我 在 Pinterest 上关注我
中文 English Français Español Português 日本語 Deutsch
 
最后更新:2025年12月14日

砷(As,Z = 33):具有两面性的类金属

砷原子模型
Image description: Simplified atomic model of the arsenic atom. The most abundant isotope is \(\,^{75}\mathrm{As}\,\) with its 33 protons, 33 electrons, and 42 neutrons.
Image source: astronoo.com

砷的发现历史

Arsenic has been known since antiquity, long before its recognition as a chemical element. Arsenic compounds, particularly yellow arsenic sulfide (orpiment, As₂S₃) and red arsenic sulfide (realgar, As₄S₄), were used as pigments and poisons as early as the time of the Greeks and Romans. The word comes from the Greek , itself derived from the Persian zarnikh(扎尔尼克), meaning yellow pigment.

In the Middle Ages, alchemists were familiar with arsenic in the form of arsenic trioxide (As₂O₃), also known as 白砒霜. In 1250, the German scholar 阿尔伯图斯·马格努斯 (1200-1280) was the first to isolate metallic arsenic by heating arsenic trioxide with soap. This reduction method allowed the element to be obtained in its elementary form.

However, it was the Swedish chemist 卡尔·威廉·舍勒 (1742-1786) who, in 1775, demonstrated that arsenic was a true chemical element and not a compound. He established its elemental nature by studying its properties and chemical reactions. Arsenic was officially recognized as an element at the end of the 18th century.

The history of arsenic is closely linked to criminal poisoning. During the 17th and 18th centuries, odorless and tasteless arsenic trioxide was widely used as a poison, to the point of being nicknamed 继承粉 in reference to the inheritances it allowed to accelerate. The development of the Marsh test in 1836 by the British chemist James Marsh finally made it possible to detect the presence of arsenic in biological tissues, revolutionizing forensic medicine.

结构与基本性质

砷(符号As,原子序数33)是元素周期表第15族的准金属。其原子含有33个质子,通常有42个中子(对应最丰富的同位素\(\,^{75}\mathrm{As}\)),以及33个电子,电子构型为[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³。

Arsenic exhibits several allotropic forms, the most stable being 灰砷 (α form), a shiny metallic solid with a steel-gray color. This form has a rhombohedral crystalline structure with a density of 5.73 g/cm³. Gray arsenic is a semiconductor that becomes superconducting at very low temperatures.

There is also 黄砷 (γ form), an unstable molecular form composed of tetrahedral As₄ molecules, similar to white phosphorus. This form, obtained by rapid condensation of arsenic vapor, is extremely reactive and spontaneously transforms into gray arsenic at room temperature.

黑砷 (β form), obtained by slow sublimation of gray arsenic, has an amorphous structure and lies between the yellow and gray forms in terms of reactivity.

Arsenic does not melt at atmospheric pressure but sublimes directly at 615 °C (888 K), passing from solid to gaseous state without becoming liquid. Under high pressure (about 28 atm), arsenic can melt at 817 °C. This sublimation property has historically been used to purify arsenic.

The sublimation point of arsenic: 888 K (615 °C) at atmospheric pressure.
The melting point of arsenic: 1,090 K (817 °C) at 28 atmospheres.

砷同位素表

砷同位素(基本物理性质)
同位素 / 符号质子(Z)中子(N)原子质量(u)天然丰度半衰期/稳定性衰变 / 备注
砷-75 — \(\,^{75}\mathrm{As}\,\)334274.921595 u100%稳定的砷的唯一稳定同位素。具有用于核磁共振的核磁矩。
砷-73 — \(\,^{73}\mathrm{As}\,\)334072.923825 u合成≈ 80.3 天放射性(电子俘获)。在生物医学研究中用作示踪剂。
砷-74 — \(\,^{74}\mathrm{As}\,\)334173.923929 u合成≈ 17.8 天放射性(β⁺,电子捕获)。正电子发射体,用于PET医学成像。
砷-76 — \(\,^{76}\mathrm{As}\,\)334375.922394 u合成≈ 26.3小时放射性(β⁻)。在核反应堆中产生,用于研究。
砷-77 — \(\,^{77}\mathrm{As}\,\)334476.920648 u合成≈ 38.8 小时放射性(β⁻)。用于靶向放射治疗及农学中的示踪剂。

砷的电子排布与电子层

注意::
Electron shells: 电子如何围绕原子核组织.

砷有33个电子,分布在四个电子层中。其完整电子排布为:1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p³,简化形式为:[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³。该排布也可写作:K(2) L(8) M(18) N(5)。

壳层的详细结构

K壳层 (n=1): contains 2 electrons in the 1s subshell. This inner shell is complete and very stable.
L层(n=2): contains 8 electrons distributed as 2s² 2p⁶. This shell is also complete, forming a noble gas configuration (neon).
M层(n=3): contains 18 electrons distributed as 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. The presence of the complete 3d subshell is characteristic of post-transition elements and significantly influences the properties of arsenic.
N壳层(n=4): contains 5 electrons distributed as 4s² 4p³. These five electrons are the valence electrons of arsenic.

价电子与氧化态

The 5 electrons in the outer shell (4s² 4p³) are the 价电子 of arsenic. This configuration explains its varied chemical properties:

The most common oxidation state of arsenic is +3, where it loses its three 4p³ electrons to form the As³⁺ ion. This configuration [Ar] 3d¹⁰ 4s² has the inert pair effect. Arsenic(III) compounds include arsenic trioxide (As₂O₃) and arsenic trichloride (AsCl₃).

The oxidation state +5 is also important, where arsenic loses all its valence electrons to form As⁵⁺ with the configuration [Ar] 3d¹⁰. Arsenic(V) compounds include arsenic acid (H₃AsO₄) and arsenic pentoxide (As₂O₅). This state is less stable than +3 and has oxidizing properties.

Negative oxidation states also exist: -3 in metallic arsenides such as GaAs (gallium arsenide), where arsenic gains three electrons to complete its valence shell, forming As³⁻ with the configuration [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶.

砷也可以呈现0价(金属砷)、+1价和+2价的氧化态,尽管这些状态罕见且不稳定。砷的化学性质主要由+3价和+5价形式主导,这反映了惰性4s²电子对的稳定性以及利用所有价电子的可能性。

化学反应活性

灰砷在室温空气中相对稳定,会缓慢形成一层薄薄的氧化层,保护其免受进一步氧化。这种钝化作用使其对大气腐蚀具有一定的抵抗力。然而,黄砷极其活泼,在空气中会自发氧化,并产生光(化学发光)。

高温下,砷在氧气中燃烧呈淡蓝色火焰,生成三氧化二砷(As₂O₃),并以特征性白烟形式释放:4As + 3O₂ → 2As₂O₃。该反应因挥发性砷化合物而产生典型的大蒜气味。

砷与氧化性酸反应生成三价或五价砷化合物。与浓硝酸反应时,会形成砷酸:As + 5HNO₃ → H₃AsO₄ + 5NO₂ + H₂O。砷对稀的非氧化性酸相对稳定,但会与浓盐酸缓慢反应。

在强碱条件下,砷会根据条件溶解形成砷酸盐或亚砷酸盐:2As + 6NaOH + 3O₂ → 2Na₃AsO₄ + 3H₂O(生成砷酸盐)或 2As + 6NaOH → 2Na₃AsO₃ + 3H₂(无氧条件下生成亚砷酸盐)。

砷与大多数卤素直接反应,生成三卤化物(AsX₃)或五卤化物(AsX₅):2As + 3X₂ → 2AsX₃(其中X = F, Cl, Br, I)。其中三氟化砷(AsF₃)和五氟化砷(AsF₅)尤为稳定。

砷还能与金属(形成砷化物)和氢形成化合物。砷化氢(AsH₃)是一种剧毒气体,其危险性甚至超过单质砷。它被用于半导体工业中的掺杂以及III-V族化合物的制造。

砷的工业与技术应用

在天体物理学和宇宙学中的作用

砷在恒星中通过多种核合成过程合成。它主要形成于II型超新星爆发期间的硅燃烧过程,以及渐近巨星分支(AGB)恒星中的慢中子捕获过程(s-过程)和灾变事件中的快中子捕获过程(r-过程)。

砷的唯一稳定同位素(\(\,^{75}\mathrm{As}\))通过上述机制生成,并在恒星爆炸期间扩散至星际介质中。原始陨石中砷的丰度,为研究原始太阳系中的核合成条件及行星形成过程提供了重要信息。

砷在宇宙中的丰度极低,其原子数量约为氢的8×10⁻¹⁰倍。这种稀有性反映了在该原子质量区域(A≈75)合成原子核的困难,以及砷具有奇数质子和中子的事实,使其稳定性低于相邻的偶数元素。

电离砷(As II, As III)的光谱线已在某些热星和特殊恒星天体(如化学特殊星)的光谱中被探测到。对这些谱线的研究有助于理解恒星的化学增丰过程以及星系的化学演化。

砷在天体生物学中也扮演着潜在角色。某些陆地细菌能在代谢过程中利用砷,既可通过将砷酸盐(As⁵⁺)还原为亚砷酸盐(As³⁺)获取能量,也可将砷整合到生物分子中。这种能力引发了关于在富含砷的地外环境中,可能存在以砷为基础而非以磷为基础的生命形式的猜想。

注::
Arsenic is present in the Earth's crust at an average concentration of about 0.00018% by mass (1.8 ppm), making it a relatively rare element. It does not form its own ores but is found associated with other elements, mainly in metal sulfides such as arsenopyrite (FeAsS), realgar (As₄S₄), orpiment (As₂S₃), and in copper, lead, and gold ores.

砷主要通过铜矿和铅矿加工的副产品提取。全球砷年产量约为33,000吨,主要产地为中国(约占65%)、摩洛哥、俄罗斯和智利。砷通常以白色三氧化二砷的形式在市场上销售。

由于其高毒性,砷的使用在大多数国家受到严格管制。世界卫生组织标准将饮用水中的砷浓度限制在10微克/升(十亿分之十)。长期接触砷可能导致严重的健康问题,包括皮肤癌、肺癌、膀胱癌以及心血管和神经系统疾病。

砷中毒仍然是世界某些地区的一个重大公共卫生问题,尤其是在孟加拉国和印度,这些地区的地下水中天然含有高浓度的砷。数百万人暴露在这种自然污染中,这堪称现代史上最大的环境健康灾难之一。

本类别探索内容

原子的各种形态:从古代直觉到量子力学 原子的各种形态:从古代直觉到量子力学
原子中的电子是如何分布的?
原子中的电子是如何分布的?
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
核素的半衰期:对放射性与年代测定的影响
化学元素周期表 - 历史与组织
化学元素周期表 - 历史与组织
生命为何如此依赖氧气?
生命为何如此依赖氧气?
氢:宇宙创造的关键
氢(H,Z=1):宇宙创造的关键
氦:大爆炸的遗迹与恒星参与者
氦(He,Z=2):大爆炸的遗迹与恒星参与者
锂:现代电池的关键元素
锂(Li,Z=3):现代电池的关键元素
铍:具有卓越性能的稀有金属
铍(Be,Z=4):具有卓越性能的稀有金属
硼:材料科学中的关键元素
硼(B,Z=5):材料科学中的关键元素
碳:生命元素
碳(C,Z=6):生命元素
氮:大气中丰富而惰性的元素
氮(N,Z=7):大气中丰富而惰性的元素
氧:生命核心元素
氧(O,Z=8):生命核心元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氟(F,Z=9):活泼且重要的化学元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
氖(Ne,Z=10):稀有气体中的贵族元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
钠(Na,Z=11):活泼且多用途的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
镁(Mg,Z=12):对生物学和工业至关重要的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
铝(Al,Z=13):轻巧而多用途的元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
硅(Si,Z=14):地球与现代科技的关键元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
磷(P,Z=15):生命的基本元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
硫(S,Z=16):生命与工业的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氯(Cl,Z=17):化学工业与消毒的关键元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
氩(Ar,Z=18):大气中的贵族元素
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钾(K,Z=19):从水上之火到心脏的跳动
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钙(Ca,Z=20):骨骼的建筑师,山脉的雕刻家
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钪(Sc,Z=21):科学预测的胜利
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钛(Ti,Z=22):具有非凡性能的轻金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
钒(V,Z=23):多面手的战略金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
铬(Cr,Z=24):具有卓越性能的闪亮金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
锰(Mn,Z=25):多面手的过渡金属
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
铁(Fe,Z=26):我们文明的金属支柱
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
钴(Co,Z=27):具有战略特性的磁性金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
镍(Ni,Z=28):具有磁性的耐腐蚀金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
铜(Z=29):具有卓越性能的导电金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
锌(Zn,Z=30):具有重要性能的保护性金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
镓(Ga,Z=31):具有非凡物理性能的金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
锗(Ge,Z=32):开创电子时代的准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
砷(As,Z=33):双面准金属
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
硒(Se,Z=34):重要的光电元素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
溴(Br,Z=35):具有毒性的液态卤素
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
氪(Kr,Z=36):产生光谱光的稀有气体
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
铷(Rb,Z=37):原子钟的碱金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
锶(Sr,Z=38):红色烟火的金属
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
钇(Y,Z=39):具有革命性技术应用的稀土元素
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
锆(Zr,Z=40):核反应堆的超耐腐蚀金属
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
铌(Nb,Z=41):欧洲核子研究中心的超导体与现代钢材
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
钼(Mo,Z=42):高性能钢材的重要金属
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
锝(Tc,Z=43):首个完全人造的元素
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
钌(Ru,Z=44):先进技术的贵金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
铑(Rh,Z=45):世界上最珍贵的金属
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
钯(Pd,Z=46):绿色技术的吸氢海绵
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
银(Ag,Z=47):导电率创纪录的千年金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
镉(Cd,Z=48):镍镉电池中备受争议的金属
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
铟(In,Z=49):现代屏幕中的隐形元素
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锡(Sn,Z=50):青铜时代的古老金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
锑(Sb,Z=51):被忽视的战略性准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碲(Te,Z=52):可再生能源中的稀有准金属
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
碘(I,Z=53):生命必需的紫色卤素
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
氙(Xe,Z=54):具有卓越性能的稀有气体
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
铯(Cs,Z=55):最活泼的金属与时间的守护者
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
钡(Ba,Z=56):医学影像的重金属
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
镧(La,Z=57):稀土元素的旗帜
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
铈(Ce,Z=58):矛盾般丰富的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
镨(Pr,Z=59):绿色的稀土元素
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钕(Nd,Z=60):永磁体之王
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钷(Pm,Z=61):幻影稀土元素
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
钐(Sm,Z=62):具有恒星起源的地球磁体
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
铕(Eu,Z=63):红色发光荧光粉
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
钆(Gd,Z=64):医学影像的磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
铽(Tb,Z=65):绿色发光与磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
镝(Dy,Z=66):绿色能源的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
钬(Ho,Z=67):医用激光器的磁性原子
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铒(Er,Z=68):光纤网络的基础掺杂剂
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
铥(Tm,Z=69):激光与X射线的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镱(Yb,Z=70):时间与激光的原子
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
镥(Lu,Z=71):终极稀土珍宝
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
铪(Hf,Z=72):核反应堆与微处理器的原子
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钽(Ta,Z=73):生命与高科技的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
钨(W,Z=74):抗火的金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
铼(Re,Z=75):创纪录的高科技金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
锇(Os,Z=76):极高密度与硬度的金属
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铱(Ir,Z=77):天体灾难的见证者
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
铂(Pt,Z=78):永不腐蚀的贵金属之王
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
金(Au,Z=79):永恒与财富的金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
汞(Hg,Z=80):液态有毒金属
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铊(Tl,Z=81):完美毒药与阴影元素
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铅(Pb,Z=82):文明与毒性的重金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
铋(Bi,Z=83):用于医疗的重彩金属
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
钋(Po,Z=84):放射性与危险的元素
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
砹(At,Z=85):周期表中的幽灵
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
氡(Rn,Z=86):家中的放射性气体
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
钫(Fr,Z=87): elusive的碱金属
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
镭(Ra,Z=88):在黑暗中发光的元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
锕(Ac,Z=89):锕系元素的关键元素
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
钍(Th,Z=90):丰富的核能源
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
镤(Pa,Z=91):中间且短暂的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素
铀(U,Z=92):蕴含能量的元素