砷化氢

✍ dations ◷ 2025-06-07 17:21:11 #砷化物,氢化合物,IARC一级致癌物质,全身中毒性毒剂,剧毒化学品

砷化氢或胂,是最简单的砷化合物,化学式为AsH3,可燃、能自燃。它是砷和氢的高毒性分子衍生物。尽管它毒性很强,在半导体工业中仍广泛使用,也可用于合成各种有机砷化合物。

标准状态下,AsH3是一种无色,密度高于空气,可溶于水(200 mL/L)及多种有机溶剂的气体。它本身无臭,但空气中有大约0.5ppm的胂存在时,它便可被空气氧化产生轻微类似大蒜的气味。常温下胂很稳定,分解成氢和砷的速度非常慢,但温度高于230°C时,它便迅速分解。还有几个因素也会影响胂分解的速度,其中包括:湿度、光的存在以及催化剂(铝)的存在。

AsH3分子呈键角H-As-H为91.8°的三角锥体,且三条As-H键长度相等,为1.519 Å。还可以指分子式为AsH3-xRx的有机砷化合物,其中 R 可以是芳基或烷基。例如:三苯胂(As(C6H5)3)是胂的一种。

AsH3在1775年由卡尔·威廉·舍勒发现。他通过锌和酸反应所生成的游离态氢还原三氧化二砷来制备砷化氢。这个化学反应是马氏试砷法的前奏。

AsH3通常通过含+3价As的物质及含-1价H的物质反应制取。

亦可通过-3价As与质子试剂的化学反应来制备此气体:

AsH3的化学性质介于PH3及SbH3之间。

与一些较重的氢化物一样(例如SbH3、H2Te和SnH4),AsH3不稳定(动力学上较稳定,但热力学上不稳定)。

分解反应是马氏试砷法的基础(见下文)。

仍以SbH3作比较,AsH3易被O2或空气氧化:

砷化氢与强氧化剂(例如高锰酸钾、次氯酸钠或硝酸等)剧烈反应。

砷化氢是制备纯净或接近纯净的砷的金属复合物的原料。例如属于二锰系列的2AsH,其中核心Mn2AsH是平面的。

古特蔡特测砷法(Gutzeit test)是一个利用AsH3与Ag+的化学反应来测试砷的特有方法。 虽然此测试在分析化学中已不再使用,但我们仍以以下的反应作为一个例子来解释AsH3在“软”金属阳离子中的吸引力。在古特蔡特测砷法中,含水的砷化合物(一般是亚砷酸盐)被锌和H2SO4还原便会生成AsH3。此气体将逸出并通入AgNO3溶液或粉末状的AgNO3中。固体AgNO3与AsH3反应生成黄色的Ag4AsNO3,而 AsH3与AgNO3溶液反应则生成黄色的Ag颗粒溶胶,不稳定。

As-H键有酸性,可被去质子化。这个性质经常被利用:

AsH3与三烷基铝发生相应的反应时,会生成三聚物3,当中的R=(CH3)3C。 此反应与利用AsH3制备GaAs的反应机理有关,见下。

一般认为AsH3是非碱性的,但可被超酸质子化,生成四面体形离子+。

砷化氢与卤素(氟及氯)或它们的化合物(例如:三氯化氮)的化学反应非常危险,可导致爆炸。

虽然H2As-AsH2及H2As-As(H)-AsH2可被探测到,但与PH3不同,AsH3很难形成稳定的链。联胂在-100°C以上不稳定。

AsH3可用于合成与微电子学及固态激光有关的半导体材料。与磷相似,砷是硅及锗的n-掺染物。 更重要的用途是以AsH3为原料,在700-900°C通过化学气相沉积来制造半导体材料砷化镓(GaAs):

早在第二次世界大战前,AsH3就已计划用于化学战。由于该气体无色,几乎无臭,且密度是空气的2.5倍,因此非常适合在化学战中用作覆盖效应搜索。其致命浓度远低于能闻到蒜头气味的浓度。尽管如此,与光气相比它非常易燃且效果较低,因此从未正式用作武器。另一方面,有几种基于砷化氢的有机化合物,例如:路易斯毒气(氯乙烯氯胂)、亚当毒气(二苯胺氯胂)、克拉克一号毒气(二苯胺氯胂)、克拉克二号毒气(二苯氰化胂)等则曾用于化学战中。

AsH3在司法科学中亦非常著名,因为它可用于砷中毒的探测。旧的(但特别敏感的)马氏试砷法样品中含砷时便会释放出砷化氢。 此方法大约在1836年由詹姆士·马西发明。它是基于受害者身体(通常在胃部)的含砷样本与无砷锌及稀硫酸的反应:如样本含砷,气态砷化氢便会生成。其后气体通过玻璃管,在250-300°C的温度下分解。若装置中加热部分有砷镜生成,便表明砷的存在。而若装置的清凉部分有黑镜沉淀物生成,则表明锑的存在。

十九世纪末至二十世初,马氏试砷法曾广泛使用,但现在被更多经过改善的、更复杂的技术取代,例如:用于司法领域的中子活化分析。

砷化氢的毒性与其他砷化合物的毒性非常不同。虽然曾有记录因皮肤接触而中毒,但主要途径还是吸入后中毒。砷化氢使红血球中的血红素凝固,使它易被身体破坏。

吸入砷化氢的第一症状是头痛、晕眩及反胃,需数小时后才能感觉到。其后,症状有溶血性贫血(高水平的非结合胆红素)、血红素尿和肾病。在最严重的情况下,对肾脏的伤害可持续很长时间。

吸入250ppm的砷化氢便会迅速死亡,而曝露在30ppm的砷化氢中30分钟亦可致命。长期曝露于10ppm的砷化氢也可致命。曝露于0.5ppm的砷化氢后会出现中毒症状。虽然我们可以合理地假设砷化氢与其他砷化合物有共通点,长期曝露可导致砷中毒,但目前只有少量关于砷化氢的慢性毒性的资料。

AsBr3 · AsCl3 · AsCl5 · AsF3 · AsF5 · AsH3 · AsI3 · As2O3 · As2O5 · As2S3 · As2S5 · As2Se3 · As4S4

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