आर्सेनिक (As): गुणधर्म, अभिक्रिया आणि महत्त्व

परिचय: आर्सेनिकचे महत्त्व

आर्सेनिक (As) हे एक रासायनिक मूलद्रव्य आहे, ज्याचे वर्गीकरण मेटलॉइड म्हणून केले जाते. त्याचे महत्त्व त्याच्या अद्वितीय गुणधर्मांमुळे आहे, ज्यामुळे सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान, मिश्रधातू आणि ऐतिहासिकदृष्ट्या कीटकनाशकांमध्ये त्याचा वापर केला जातो. सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, त्याची उच्च विषारीता आणि कार्सिनोजेनिक (कर्करोगजन्य) स्वरूप यामुळे ते एक मोठे पर्यावरणीय आणि आरोग्यविषयक चिंता आहे. आर्सेनिकचे रसायनशास्त्र समजून घेणे हे फायदेशीर तंत्रज्ञान आणि हानिकारक पर्यावरणीय संदर्भांमध्ये त्याच्या भूमिका समजून घेण्यासाठी महत्त्वाचे आहे.

CBSE/JEE जलद उजळणी नोट्स

• चिन्ह: As
• अणुक्रमांक: 33
• अणुवस्तुमान: 74.92 g/mol
• गट: 15 (Pnictogens)
• आवर्त: 4
• खंड: p-खंड
• स्वरूप: Metalloid (धातुसदृश)
• सामान्य ऑक्सिडीकरण अवस्था: -3, +3, +5
• संयुजा: 3, 5
• विद्युतऋणता (पॉलिंग): 2.18
• अपरूपे: Grey (metallic), Yellow (molecular As₄), Black (amorphous) (राखाडी (धातुसदृश), पिवळा (आण्विक As₄), काळा (अस्फटिकी))
• घनता (राखाडी As): 5.72 g/cm³
• द्रवणांक (राखाडी As): 817 °C (28 atm वर)
• उत्कलनांक: 615 °C (1 atm वर)

इलेक्ट्रॉन संरूपण आणि बंध तयार करण्याचे वर्तन

इलेक्ट्रॉनिक संरूपण

आर्सेनिकचे ग्राउंड स्टेट इलेक्ट्रॉनिक संरूपण असे आहे: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³

बंध वैशिष्ट्ये

• संयुजा कवच संरूपण: 4s² 4p³
• ऑक्सिडीकरण अवस्था:
  • +3 ऑक्सिडीकरण अवस्था: तीन 4p इलेक्ट्रॉन वापरून ही अवस्था प्राप्त होते. “अक्रिय युग्म परिणाम” (inert pair effect) मुळे ही अवस्था सामान्य आणि स्थिर असते, जिथे 4s इलेक्ट्रॉन बंधनासाठी कमी उपलब्ध असतात. AsCl₃ आणि As₂O₃ सारख्या संयुगांमध्ये ही अवस्था दिसून येते. As वर एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म (lone pair) असल्यामुळे भूमिती साधारणपणे ट्रायगोनल पिरॅमिडल असते.
  • +5 ऑक्सिडीकरण अवस्था: सर्व पाच संयोजकता इलेक्ट्रॉन (4s² 4p³) वापरून ही अवस्था प्राप्त होते. यासाठी एका 4s इलेक्ट्रॉनला रिक्त 4d ऑर्बिटलमध्ये जावे लागते, किंवा सर्व पाच संयोजकता इलेक्ट्रॉन बंधनात सहभागी होतात. AsF₅ आणि As₂O₅ सारख्या संयुगांमध्ये ही अवस्था दिसून येते. भूमिती अनेकदा ट्रायगोनल बायपिरॅमिडल असते.
  • -3 ऑक्सिडीकरण अवस्था: अत्यंत विद्युतधर्मी धातूंसोबतच्या आर्सेनाइड्समध्ये (उदा., Na₃As) ही अवस्था दिसून येते, जिथे आर्सेनिक स्थिर ऑक्टेट प्राप्त करण्यासाठी तीन इलेक्ट्रॉन मिळवतो.
• सहसंयोजक बंधन: आर्सेनिक मुख्यतः सहसंयोजक संयुगे बनवतो. ते कमी विद्युतऋणमूलक मूलद्रव्यांसोबत मजबूत सहसंयोजक बंध तयार करते.
• सहसंबंध संख्या: बदलू शकते, सामान्यतः 3 किंवा 5.

महत्त्वाच्या रासायनिक अभिक्रिया

1. ऑक्सिजनसोबत (हवेसोबत) अभिक्रिया

गरम केल्यावर आर्सेनिक ऑक्सिजनशी सहजपणे संयोग पावते.

• आर्सेनिक(III) ऑक्साईड (आर्सेनिक ट्रायऑक्साईड) तयार होणे: 4As (s) + 3O₂ (g) → 2As₂O₃ (s)
• उच्च तापमान/ऑक्सिजनच्या दाबाखाली आर्सेनिक(V) ऑक्साईड (आर्सेनिक पेंटॉक्साईड) तयार होणे: 4As (s) + 5O₂ (g) → 2As₂O₅ (s)

2. हॅलोजेन्ससोबत अभिक्रिया

आर्सेनिक हॅलोजेन्ससोबत तीव्रपणे अभिक्रिया करते, सामान्यतः ट्रायहॅलाईड्स आणि पेंटाहॅलाईड्स तयार करते.

• क्लोरिनसोबत (ट्रायहॅलाईड): 2As (s) + 3Cl₂ (g) → 2AsCl₃ (l)
• फ्लोरिनसोबत (पेंटाहॅलाईड, F च्या उच्च विद्युतऋणमूलकतेमुळे): 2As (s) + 5F₂ (g) → 2AsF₅ (g)

3. धातूंसोबत अभिक्रिया

आर्सेनिक विद्युतधर्मी धातूंसोबत आर्सेनाइड्स बनवतो.

• सोडियमसोबत: 2As (s) + 6Na (s) → 2Na₃As (s)

4. आम्लासोबत अभिक्रिया

आर्सेनिक सामान्यतः गैर-ऑक्सिडीकारक आम्लांसोबत निष्क्रिय असतो. तो ऑक्सिडीकारक आम्लांसोबत अभिक्रिया करतो.

• संयुजित नायट्रिक आम्लासोबत: 2As (s) + 6HNO₃ (conc) → 2H₃AsO₃ (aq) + 6NO₂ (g) + 2H₂O (l) (आर्सेनिक(III) आम्ल तयार होते, नंतर हळूहळू आर्सेनिक(V) आम्लामध्ये ऑक्सिडीकरण होते)
• विरल नायट्रिक आम्लासोबत: 2As (s) + 10HNO₃ (dil) → 2H₃AsO₄ (aq) + 10NO (g) + 4H₂O (l) (आर्सेनिक(V) आम्ल तयार होते)

5. मार्शची चाचणी (आर्सेनिक ओळखण्यासाठी)

आर्सेनिक ओळखण्यासाठी ही एक अत्यंत संवेदनशील पद्धत आहे.

• आर्सेनिक संयुगे नवजात हायड्रोजनद्वारे (Zn + HCl द्वारे तयार होणारे) अर्सिन वायू (AsH₃) मध्ये कमी होतात. As₂O₃ (s) + 6Zn (s) + 12HCl (aq) → 2AsH₃ (g) + 6ZnCl₂ (aq) + 3H₂O (l)
• अर्सिन वायू नंतर गरम केलेल्या नळीतून जातो, जिथे तो मूलद्रव्य आर्सेनिकमध्ये विघटित होतो आणि एक वैशिष्ट्यपूर्ण चमकदार काळा आरसा (mirror) तयार करतो. 2AsH₃ (g) --(heat)--> 2As (s, mirror) + 3H₂ (g)

औद्योगिक आणि जैविक महत्त्व

औद्योगिक महत्त्व

• सेमीकंडक्टर उद्योग: गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs) हे उच्च-गती एकीकृत सर्किट्स, LEDs, लेझर डायोड्स आणि फोटोव्होल्टेइक उपकरणांमध्ये वापरले जाणारे एक महत्त्वाचे सेमीकंडक्टर सामग्री आहे, कारण त्याची इलेक्ट्रॉन गतिशीलता सिलिकॉनपेक्षा जास्त आहे.
• मिश्रधातू: लीडच्या मिश्रधातू (lead alloys) कडक करण्यासाठी आर्सेनिकचा वापर केला जातो, जसे की लीड शॉट, बॅटरी ग्रिड्स आणि केबल शीथिंग.
• लाकूड संरक्षक (ऐतिहासिक/प्रतिबंधित): क्रोमेटेड कॉपर आर्सेनाइट (CCA) हे लाकडाला कुजण्यापासून आणि कीटकांपासून वाचवण्यासाठी मोठ्या प्रमाणावर वापरले जात होते. पर्यावरणीय आणि आरोग्यविषयक चिंतांमुळे अनेक प्रदेशांमध्ये त्याचा वापर आता खूप प्रतिबंधित किंवा वर्जित आहे.
• कीटकनाशके आणि तणनाशके (ऐतिहासिक/प्रतिबंधित): आर्सेनिक संयुगे (उदा., लीड आर्सेनाइट, सोडियम आर्सेनाइट) ऐतिहासिकदृष्ट्या कीटकनाशके आणि तणनाशके म्हणून वापरली जात होती. विषारीपणामुळे बहुतेक कृषी उपयोग टप्प्याटप्प्याने बंद केले आहेत.
• काच उत्पादन: काच उत्पादनात आर्सेनिक संयुगे एक शुद्धिकरण एजंट आणि रंग काढून टाकणारे (decolourizer) म्हणून कार्य करतात, बुडबुडे काढून टाकतात आणि अवांछित रंग (tints) निष्प्रभ करतात.

जैविक महत्त्व

• विषारीता: आर्सेनिक संयुगे बहुतेक सजीवांना अत्यंत विषारी म्हणून ओळखली जातात.
  • कार्यप्रणाली: अजैविक आर्सेनिक पेशीय श्वसन (cellular respiration), एन्झाइम क्रिया (विशेषतः सल्फहायड्रिल गट असलेल्या), आणि ऑक्सिडेटिव्ह फॉस्फोरिलेशनमध्ये व्यत्यय आणते, ज्यामुळे अनेक अवयवांचे नुकसान होते.
  • कार्सिनोजेनिक: इंटरनॅशनल एजन्सी फॉर रिसर्च ऑन कॅन्सर (IARC) द्वारे आर्सेनिकला गट 1 मानवी कार्सिनोजेन (कर्करोगजन्य पदार्थ) म्हणून वर्गीकृत केले आहे, जे विविध कर्करोगांशी (त्वचा, फुफ्फुस, मूत्राशय, यकृत, मूत्रपिंड) संबंधित आहे.
• औषधी उपयोग: त्याच्या विषारीपणामुळे असूनही, आर्सेनिक ट्रायऑक्साईड (As₂O₃) ने औषधांमध्ये एक विशिष्ट स्थान मिळवले आहे. तीव्र प्रोमायलोसाइटिक ल्युकेमिया (APL) या रक्ताच्या कर्करोगाच्या उपचारासाठी त्याला मान्यता मिळाली आहे, जे त्याचे एक लक्ष्यित उपचारात्मक एजंट म्हणून क्षमता दर्शवते.
• पर्यावरणीय प्रदूषण: नैसर्गिक भूगर्भीय स्त्रोतांमुळे भूजलामध्ये आर्सेनिकचे उच्च प्रमाण असू शकते, ज्यामुळे जगातील अनेक भागांमध्ये, विशेषतः दक्षिण आणि दक्षिणपूर्व आशियामध्ये (उदा., बांगलादेश, भारतातील पश्चिम बंगाल), गंभीर सार्वजनिक आरोग्य संकट निर्माण झाले आहे. दूषित पिण्याच्या पाण्याद्वारे दीर्घकाळापर्यंत संपर्क आल्यास आर्सेनिकोसीस (arsenicosis) होतो, ज्याची वैशिष्ट्ये त्वचेचे विकार, न्यूरोलॉजिकल परिणाम आणि कर्करोगाचा वाढलेला धोका ही आहेत।