Мышьяк электронная формула: тайны элемента

Мышьяк... Зловещий яд или ценное лекарство? Металл или неметалл? Дар земли или ее проклятие? Этот загадочный элемент химии преследует нас на протяжении веков. Отравления и открытия, войны и лечение болезней – мышьяк неразрывно сплетен с историей цивилизации. Давайте заглянем в самую суть этого элемента – его электронную формулу, чтобы понять, почему он так противоречив и опасен. И кто знает, быть может, мы найдем новое применение мощному потенциалу мышьяка?

История открытия мышьяка

История мышьяка уходит корнями в глубокую древность. Первые упоминания об этом элементе встречаются в трудах алхимиков и целителей Античности. Так, древнегреческий философ Теофраст в IV веке до нашей эры описывал минерал, который сегодня мы называем мышьяковым колчеданом. А римский естествоиспытатель Плиний Старший в I веке нашей эры уже упоминал о ядовитых свойствах мышьяка в своей энциклопедии "Естественная история".

Откуда же пришло само название этого загадочного вещества? Существует версия, что слово "мышьяк" произошло от древнерусского слова "мыший", поскольку соединения мышьяка использовались как яд для уничтожения грызунов. Вот почему этот элемент так тесно связан с образом зловещего яда, хотя на самом деле мышьяк имеет гораздо более широкий спектр применения.

Мышьяк издревле применялся в алхимии, медицине и даже в военном деле. Но при этом его электронная структура долгое время оставалась загадкой.

По одной из версий, металлический мышьяк в чистом виде впервые был получен в XIII веке знаменитым алхимиком Альбертом Великим. Хотя многие исследователи полагают, что знакомство человечества с этим элементом произошло гораздо раньше – возможно, мышьяк был известен металлургам Китая и Индии еще за тысячу лет до нашей эры.

Несмотря на ядовитость, соединения мышьяка активно применялись средневековыми целителями в медицинских целях. Так, знаменитый врач и алхимик Парацельс использовал мышьяк для лечения различных недугов. А в средние века этот элемент стали применять для изготовления ядовитых стрел и примесей в порохе, что придавало мышьяку еще более зловещий ореол.

Физические свойства мышьяка

Чистый мышьяк представляет собой твердый хрупкий металл стально-серого цвета, обладающий металлическим блеском. В зависимости от модификации его плотность варьируется от 5,3 до 5,78 г/см3. Температура плавления мышьяка составляет 817 °C, а температура кипения – 614 °C. Интересная особенность этого элемента заключается в том, что в твердом состоянии он существует в нескольких аллотропных формах.

• Серый мышьяк – наиболее устойчивая при обычных условиях форма;
• Желтый мышьяк – неметаллическая форма, превращается в серый мышьяк при нагревании;
• Черный мышьяк – полуметаллическая модификация, получается при быстром охлаждении пара.

Как химический элемент мышьяк относится к металлоидам и проявляет свойства, промежуточные между металлами и неметаллами. В чистом виде это типичный полуметалл.

Особого внимания заслуживает высокая токсичность соединений мышьяка и его радиоактивные изотопы. Так, смертельная для человека доза чистого мышьяка составляет всего 70-180 мг. А некоторые изотопы мышьяка являются альфа-активными радионуклидами. К счастью, в природе мышьяк встречается исключительно в виде единственного стабильного изотопа 75As.

По распространенности в земной коре мышьяк относится к редким элементам. Его массовая доля составляет около 0,0005%. Встречается он главным образом в сульфидных минералах – таких, как арсенопирит, реальгар и аурипигмент. Из этих руд мышьяк и извлекают в промышленных масштабах.

Химические свойства и применение мышьяка

Химические свойства мышьяка во многом определяются его положением в периодической системе элементов. Мышьяк относится к элементам 15-й группы, поэтому он обладает как восстановительными, так и окислительными свойствами.

В соединениях мышьяк проявляет степени окисления от -3 до +5. Наиболее распространенными являются соединения мышьяка в степенях окисления +3 и +5. Мышьяк образует как неорганические соединения (оксиды, кислоты, соли), так и разнообразные органические производные.

Применение мышьяка

Несмотря на ядовитость, мышьяк и его соединения находят широкое применение в различных областях.

• Легирующая добавка для сплавов свинца и меди;
• Полупроводниковая промышленность (арсенид галлия);
• Пигменты (аурипигмент, реальгар) и пиротехника;
• Кожевенная промышленность;
• Медицина (препарат "Сальварсан" для лечения сифилиса);
• Яды и отравляющие вещества.

Отдельного внимания заслуживает применение соединений мышьяка в качестве ядов еще со времен Средневековья. И по сей день мышьяк остается одним из самых распространенных химических ядов, причем обнаружить его довольно сложно.

Электронная формула мышьяка

Что же представляет собой строение атома этого загадочного элемента химии? Рассмотрим электронную формулу мышьяка и его электронную структуру. В ней кроются многие секреты свойств этого удивительного вещества.

Атом мышьяка содержит в ядре 33 протона и 42 нейтрона. Электронная оболочка атома имеет следующее строение:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p³

То есть на внешнем электронном слое находится 3 неспаренных электрона 4p-подуровня. Именно они определяют химическую активность мышьяка и его валентность, равную III.

Возбужденные состояния

Однако благодаря наличию вакантных 3d-орбиталей, атом мышьяка способен переходить в возбужденное состояние. При этом электрон с 4s-подуровня переходит на 4p-подуровень, и внешний слой приобретает следующий вид:

4s¹ 4p⁴

В этом состоянии атом мышьяка проявляет валентность V и образует соединения с максимальной степенью окисления +5, такие как мышьяковая кислота H₃AsO₄ и мышьяковый ангидрид As₂O₅.

Графическая электронная формула

Для наглядного представления электронной структуры атома мышьяка используют различные графические и символьные обозначения.

Наиболее простой способ ― это записать распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням в виде электронно-графической формулы:

Такое изображение наглядно демонстрирует занятость отдельных орбиталей и наличие неспаренных электронов на внешнем слое.

Электроотрицательность

Важной характеристикой химических элементов является электроотрицательность. Для мышьяка она составляет 2,18 по шкале Полинга. Это выше, чем у типичных металлов, но ниже, чем у неметаллов. Данный факт еще раз подтверждает «пограничное» положение мышьяка между этими классами элементов.

Первый потенциал ионизации мышьяка равен 947 кДж/моль. Это означает, что для отрыва первого электрона с внешнего слоя требуется затратить такое количество энергии. А значит, мышьяк в химических реакциях может как отдавать, так и присоединять электроны.

Сравнение электронных формул элементов VA-группы

Для более глубокого понимания особенностей электронной формулы атома мышьяка полезно сравнить ее со строением атомов других элементов той же группы периодической системы.

Как видно из сравнения, общей чертой является наличие 3 неспаренных электронов на внешнем слое. Однако по мере увеличения порядкового номера элементов количество заполненных электронных оболочек закономерно растет.