สารหนู

สารหนู เจอร์เมเนียม ← → ซีลีเนียม P ↑ As ↓ Sb
ทั่วไป
ชื่อ, สัญลักษณ์, เลขอะตอม	สารหนู, As, 33
อนุกรมเคมี	ธาตุกึ่งโลหะ
หมู่, คาบ, บล็อก	15, 4, p
ลักษณะ	สีเทามันวาว
มวลอะตอม	74.92160 (2) กรัม/โมล
การจัดเรียงอิเล็กตรอน	[Ar] 3d^10 4s^2 4p^3
อิเล็กตรอนต่อระดับพลังงาน	2, 8, 18, 5
คุณสมบัติทางกายภาพ
สถานะ	ของแข็ง
ความหนาแน่น (ใกล้ r.t.)	5.727 ก./ซม.³
ความหนาแน่นของของเหลวที่m.p.	5.22 ก./ซม.³
จุดหลอมเหลว	1090 K (817 °C)
จุดเดือด	subl. 887 K(614 °C)
ความร้อนของการหลอมเหลว	(gray) 24.44 กิโลจูล/โมล
ความร้อนของการกลายเป็นไอ	? 34.76 กิโลจูล/โมล
ความร้อนจำเพาะ	(25 °C) 24.64 J/(mol·K)
ความดันไอ P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k ที่ T K 553 596 646 706 781 874
คุณสมบัติของอะตอม
โครงสร้างผลึก	rhombohedral
สถานะออกซิเดชัน	±3, 5 (ออกไซด์เป็นกรดปานกลาง)
อิเล็กโตรเนกาติวิตี	2.18 (พอลิงสเกล)
พลังงานไอออไนเซชัน (เพิ่มเติม)	ระดับที่ 1: 947.0 กิโลจูล/โมล
	ระดับที่ 2: 1798 กิโลจูล/โมล
	ระดับที่ 3: 2735 กิโลจูล/โมล
รัศมีอะตอม	115 pm
รัศมีอะตอม (คำนวณ)	114 pm
รัศมีโควาเลนต์	119 pm
รัศมีวานเดอร์วาลส์	185 pm
อื่น ๆ
การจัดเรียงทางแม่เหล็ก	no data
ความต้านทานไฟฟ้า	(20 °C) 333 nΩ·m
การนำความร้อน	(300 K) 50.2 W/(m·K)
โมดูลัสของยังก์	8 GPa
โมดูลัสของแรงบีบอัด	22 GPa
ความแข็งโมห์ส	3.5
ความแข็งบริเนล	1440 MPa
เลขทะเบียน CAS	7440-38-2
ไอโซโทปเสถียรที่สุด
บทความหลัก: ไอโซโทปของสารหนู iso NA ครึ่งชีวิต DM DE (MeV) DP ^73As 0.58% 80.3 d ε - ^73Ge γ 0.05D, 0.01D, e - ^74As 2.5% 17.78 d ε - ^74Ge β^+ 0.941 ^74Ge γ 0.595, 0.634 - β^- 1.35, 0.717 ^74Se ^75As 96.92% As เสถียร โดยมี 42 นิวตรอน
แหล่งอ้างอิง

สารหนู หรือ อาร์เซนิก (อังกฤษ: arsenic) เป็นชื่อธาตุลำดับที่ 33 สัญลักษณ์ As ลักษณะเป็นของแข็ง มีสามอัญรูป คือ สารหนูสีเทา สารหนูสีดำ และสารหนูสีเหลือง สารหนูเป็นพิษทั้งธาตุบริสุทธิ์และสารประกอบ หากร่างกายได้รับในปริมาณมาก

ประวัติ

คำ "arsenic" ยืมมาจากภาษาเปอร์เซียว่า "zarnik" แปลว่า หรดาลกลีบทอง (yellow orpiment) ชาวกรีกนำคำนี้ไปใช้ว่า "arsenikon"

สารหนูเป็นที่รู้จักกันดีในอิหร่านแต่โบราณครั้งที่ยังใช้ชื่อว่าเปอร์เซีย ในพุทธศตวรรษที่ 10 นักประวัติศาสตร์ชาวกรีกชื่อ "โซซิมัส" (Zosimus) รายงานถึงธาตุนี้เป็นครั้งแรก และยังมีการกล่าวอ้างว่าอัลแบร์ทุส มักนุส (Albertus Magnus) นักปรัชญาชาวเยอรมัน เป็นคนแรกที่ระบุว่าสารหนูเป็นธาตุเมื่อ พ.ศ. 1793 ต่อมาใน พ.ศ. 2193 นักวิทยาศาสตร์โยฮันน์ ชเรอเดอร์ (Johann Schroeder) ได้พิมพ์รายงานการเตรียมสารหนูสองวิธี

เมื่อต้นพุทธศตวรรษที่ 26 ที่ประเทศบังกลาเทศเกิดสถานการณ์วิกฤติ คนจำนวนมากมีอาการได้รับพิษสารหนู ประมาณว่าชาวบังกลาเทศหลายสิบล้านคนดื่มน้ำที่มีสารหนูเจือปนอยู่เกินมาตรฐานองค์การอนามัยโลก คือ 50 ส่วนในพันล้านส่วน (ppm) ทั้งนี้ เป็นเพราะสารหนูในน้ำนั้นมาจากชั้นหินตะกอนโดยเกิดจากเหตุธรรมชาติทางธรณีวิทยาและซึมลงไปในน้ำใต้ดิน ขณะนั้นบังกลาเทศให้ประชาชนดื่มน้ำใต้ดินเพื่อหลีกเลี่ยงน้ำผิวดินที่มีเชื้อโรค ราชบัณฑิตยสถานแห่งประเทศไทยคาดว่า อาจมีประเทศอื่นอีกทางเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ที่มีสิ่งแวดล้อมทางธรณีวิทยาเช่นเดียวกับบังกลาเทศ ทางภาคใต้ของประเทศไทยก็เคยเกิดเหตุการณ์ในทำนองเดียวกันกับข้างต้น แต่มิได้เป็นข่าวแพร่หลาย สาเหตุมาจากน้ำใต้ดินที่มาจากเหมืองดีบุกเก่าปนเปื้อนสารหนู

สภาพ

แหล่ง

สารหนูเป็นธาตุเสรี ในธรรมชาติมีอยู่เป็นจำนวนน้อย อาจพบได้ในสายแร่เงิน ส่วนใหญ่อยู่ในสารประกอบเป็นแร่หลายชนิดกระจายอยู่ทั่วโลก แร่ที่มีสารหนูเป็นตัวประกอบ เช่น อาร์เซโนไพไรต์ (FeAsS) หรดาลกลีบทองหรือออร์พิเมนต์ (As₂S₃) หรดาลแดงหรือรีอัลการ์ (As₄S₄) อาร์เซโนไลต์ (As₂O₃) เลิลลิงไกต์ (FeAs₂) นิกโคโลต์ (NiAs)

นอกจากนี้ สารหนูยังเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการที่ปฏิบัติกับสินแร่เงิน ตะกั่ว ทองแดง นิกเกิล และโคบอลต์ ประเทศรายใหญ่ผู้ผลิตสารหนู ได้แก่ สหรัฐอเมริกา สวีเดน และเม็กซิโก

การเตรียม

การเตรียมสารหนูในเชิงพาณิชย์มักใช้แร่อาร์เซโนไพไรต์ซึ่งเป็นแร่ธรรมดาสามัญของสารหนู เผาอาร์เซโนไพไรต์ที่ 650-700°ซ. ในที่ไม่มีอากาศ ได้สารหนูระเหิดเป็นไอออกมา คงเหลือ FeS แล้วจึงควบแน่นไอสารหนูเป็นของแข็ง วิธีเตรียมสารหนูอีกวิธีหนึ่งคือรีดิวซ์ออกไซด์ As₂O₃ ด้วยถ่านที่ 700-800°ซ.

องค์ประกอบ

สารหนูมีเลขเชิงอะตอม 33 อยู่ในคาบที่ 4 หมู่ VA หรือหมู่ 15 ตามแต่วิธีจัดหมู่ของตารางพีริออดิก และเป็นธาตุกึ่งโลหะ

โครงแบบอิเล็กตรอนเป็นดังนี้ [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p³ โดย [Ar] คือโครงแบบอิเล็กตรอนแสดงการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ ของธาตุอาร์กอน น้ำหนักเชิงอะตอม 74.9216 สารหนูมีไอโซโทปเสถียรเพียงไอโซโทปเดียว คือ As-75 และมีไอโซโทปกัมมันตรังสีสังเคราะห์อีกยี่สิบสองไอโซโทป

อัญรูป

สารหนูมีสามอัญรูป ได้แก่

1. สารหนูดำ อยู่ในรูปอสัณฐาน ได้จากอาร์ซีน (AsH₃) เมื่อสลายตัวด้วยความร้อน
2. ถ้าหากทำให้ไอของสารหนูเย็นลงอย่างรวดเร็วจะได้สารหนูเหลือง ประกอบด้วยโมเลกุล As₄ โครงผลึกเป็นลูกบาศก์ สารหนูเหลืองระเหยเป็นไอง่ายและว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมีมากกว่าสารหนูที่เป็นโลหะ ความหนาแน่น 1.73 กรัมต่อหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตร
3. อัญรูปที่เสถียรอยู่ในอุณหภูมิห้องคือสารหนูเทา เป็นโลหะ เปราะ มีสีเทาซึ่งเปลี่ยนไปเป็นสีเทาแก่และสีดำต่อไปอย่างรวดเร็ว โครงผลึกเป็นรอมโบฮีดรัล ความหนาแน่น 5.73 กรัมต่อหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตร ที่อุณหภูมิห้องเมื่อเผาร้อนจะระเหิด จุดระเหิดเหลว 817.2°ซ. ที่ความดัน 28 บรรยากาศ นำความร้อนและไฟฟ้าได้ดีมาก

สมบัติ

สถานะออกซิเดชันของสารหนู คือ -3, 0, +3, +5 กล่าวคือเป็นได้ทั้งบวกและลบ สารหนูเป็นธาตุกึ่งโลหะ การมีสมบัติเป็นกึ่งโลหะหมายความว่าสามารถทำปฏิกิริยาได้กับทั้งโลหะและอโลหะ ออกไซด์ของสารหนูเป็นทั้งกรดและเบส ทำปฏิกิริยาได้ดีกับคลอรีนและฟอสฟอรัสซึ่งเป็นอโลหะ และทำปฏิกิริยากับโลหะอื่นจำนวนมากให้อาร์เซไนด์

สารหนูไม่ละลายในกรดไฮโดรคลอริกถ้าไม่มีออกซิเจน และถึงแม้จะมีออกซิเจนอยู่ด้วยก็ละลายได้ช้า ทั้งนี้ ไม่ละลายในกรดซัลฟิวริกเจือจาง แต่จะทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟิวริกเข้มข้นร้อนโดยให้ As₄O₆ และไม่ได้ซัลเฟต กับทั้งยังทำปฏิกิริยากับกรดไนทริกเจือจางร้อนโดยให้กรดอาร์เซเนียส (H₃AsO₃) และกับกรดไนทริกเข้มข้นโดยให้กรดอาร์เซนิก (H₃AsO₄)

เมื่อเผาสารหนูจะได้อาร์เซนิกเซสควิออกไซด์ (As₄O₆) ซึ่งมีกลิ่นกระเทียม มักเรียกกันว่า "สารหนูขาว" ละลายในน้ำได้เล็กน้อย ให้สารละลายกรดอาร์เซเนียส As₄O₆ เป็นแอมโฟเทอริก แต่ค่อนข้างเป็นกรดมากกว่าเบส ละลายได้ดีในแอลคาไลโดยให้อาร์เซไนต์

สารหนูไม่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนโดยตรงในการให้อาร์เซนิกเพนทอกไซด์ (As₂O₅) ซึ่งกรณีนี้ไม่เหมือนฟอสฟอรัสที่ให้ฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์ (P₂O₅) แต่จะเตรียม As₂O₅ ได้จากการออกซิไดส์สารหนูด้วยกรดไนทริก As₂O₅ ละลายได้ดีในน้ำโดยให้สารละลายกรดอาร์เซนิก

สารหนูรวมกับแฮโลเจนได้โดยตรงและให้อาร์เซนิกไทรแฮไลด์ หรือจะใช้ปฏิกิริยาระหว่างออกไซด์หรือซัลไฟด์กับแฮโลเจนก็ได้

สารหนูรวมกับกำมะถันให้ซัลไฟด์หลายชนิด เช่น As₂S₄ (สารหนูแดง) As₂S₃ (สารหนูเหลือง) และ As₂S₅ ซัลไฟด์เหล่านี้มีสมบัติเป็นกรดและละลายได้ในเบสแก่

ประโยชน์และโทษ

ทั้งธาตุและสารประกอบของสารหนูมีพิษมาก เมื่อเข้าไปในร่างกายทั้งโดยการกินและการหายใจจะทำลายระบบทางเดินอาหารและส่วนอื่น ๆ ของร่างกาย และในที่สุดก็ทำให้ถึงแก่ความตาย จึงนิยมใช้เป็นยาเบื่อหนูและเป็นที่มาของชื่อ "สารหนู" ในภาษาไทย นอกจากนี้ยังนิยมใช้ในการฆาตกรรมอีกด้วย สารแก้พิษสารหนูที่ดีคือสารแขวนลอยของแมกนีเซียมหรือเฟร์ริกไฮดรอกไซด์ หรืออาจใช้น้ำปูนใส (แคลเซียมไฮดรอกไซด์) เนื่องจากสารดังกล่าวทำให้อาร์เซไนต์ที่ไม่ละลายเกิดตกตะกอนออกมา

ถึงแม้จะทราบกันมานานแล้วว่าสารหนูเป็นพิษ แต่ผู้คนก็ยังยอมรับว่าสารหนูมีประโยชน์อยู่บ้าง ในสมัยพุทธกาล ฮิปโปคราตีสได้นำสารประกอบของสารหนูมาเป็นองค์ประกอบของยารักษาโรค ชาวกรีกและชาวโรมันใช้สารหนูแดงและสารหนูเหลืองซึ่งเป็นซัลไฟด์ทำสารสีเมื่อต้องการสีแดงและสีเหลือง ใน พ.ศ. 2452 พอล แอร์ลิช (Paul Ehrlich) นักวิทยาแบคทีเรียชาวเยอรมันพบว่า สารอินทรีย์ที่มีสารหนูสามารถใช้รักษาโรคซิฟิลิส การใช้สารหนูเป็นองค์ประกอบของยารักษาโรคซิฟิลิสยังคงดำเนินต่อมาเรื่อย ๆ ในสมัยที่ยังไม่มีแพนนิซิลลิน

สารหนูยังใช้ในการทำทองบรอนซ์และทำดอกไม้ไฟ นอกจากนี้ ในการทำแบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าถ้าผสมสารหนูเล็กน้อยในตะกั่วและพลวงจะทำให้ได้โลหะผสมที่มีคุณภาพดีขึ้น

การทดสอบ

เนื่องจากสารหนูเป็นอันตรายต่อคนอย่างร้ายแรง จึงควรรู้จักวิธีทดสอบสารหนู สารประกอบของสารหนูในสถานะออกซิเดชัน-3 ที่รู้จักกันดีที่สุดคือ อาร์ซีน (AsH₃) ซึ่งเป็นแก๊สไร้สีและเป็นพิษมาก อาร์ซีนได้จากการแยกสลายอาร์เซไนต์ด้วยน้ำ หรือการรีดิวซ์สารประกอบของสารหนูด้วยสังกะสีหรือดีบุกในสารละลายกรด ดังนั้น ถ้าสามารถตรวจพิสูจน์ได้ว่ามีอาร์ซีนเกิดขึ้น ย่อมแสดงว่าสารที่สงสัยนั้นมีสารหนู วิธีทดสอบมีสองวิธีซึ่งใช้ได้ดีมีประสิทธิภาพแม้มีสารหนูอยู่เพียงเล็กน้อยก็ตาม ดังนี้

1. การทดสอบแบบมาร์ช (Marsh Test) เมื่อได้แก๊สที่สงสัยว่าเป็นอาร์ซีน เผาแก๊สนั้นด้วยความร้อนให้แยกสลายในหลอดทดลอง ถ้าเกิดเงาโลหะบนผนังหลอดทดลองแสดงว่ามีสารหนู
2. การทดสอบแบบกุทไซท์ (Gutzeit Test) เอากระดาษทดสอบชุบเมอร์คิวริกคลอไรด์หรือเมอร์คิวริกบรอไมด์สัมผัสแก๊สต้องสงสัย ถ้าเป็นอาร์ซีนกระดาษจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล

อาร์ซีนเป็นแก๊สพิษอย่างแรง ระหว่างทำการทดสอบต้องหลีกเลี่ยงการสูดหายใจเอาอาร์ซีนเข้าไป

อ้างอิง

• กฤษณา ชุติมา. (2550). "สารหนู". สารานุกรมไทยฉบับราชบัณฑิตยสถาน, (เล่ม 27 : สถานเสาวภา-สาละ, ต้น). กรุงเทพฯ : ด่านสุธาการพิมพ์. หน้า 17605-17609.
• วิริยะ สิริสิงห และคณะ. 110 ธาตุ คุณสมบัติ และการค้นพบ. กรุงเทพฯ : อักษรวัฒนา, พิมพ์ครั้งที่ 3.
• จอห์น เอ็มสเลย์, เขียน. ยุทธนา ตันติรุ่งโรจน์ชัย, แปล. สนุกกับโมเลกุล อัศจรย์เคมีของสสารรอบตัวเรา. กรุงเทพฯ: โครงการจัดพิมพ์คบไฟ มูลนิธิเพื่อการศึกษาประชาธิปไตยและการพัฒนา, พิมพ์ครั้งที่1, เมษายน 2550