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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[1]。
砷化氢 | |||
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IUPAC名 Arsane 胂 | |||
英文名 | Arsine | ||
别名 | 砷化氢 砷化三氢 三氢化砷 | ||
识别 | |||
CAS号 | 7784-42-1 ![]() | ||
PubChem | 23969 | ||
ChemSpider | 22408 | ||
SMILES |
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InChI |
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InChIKey | RBFQJDQYXXHULB-UHFFFAOYAH | ||
Gmelin | 599 | ||
性质 | |||
化学式 | AsH3 | ||
摩尔质量 | 77.9454 g·mol⁻¹ | ||
外观 | 无色且具有蒜臭的气体 | ||
密度 | 4.93 g/L (气体) 1.640 g/mL (-64°C) | ||
熔点 | -117 °C (157 K) | ||
沸点 | -62.5 °C (210 K) | ||
溶解性(水) | 0.07 g/100 ml (25 °C) | ||
结构 | |||
分子构型 | 三角锥形 | ||
危险性 | |||
警示术语 | R:R12-R26-R48/20-R50/53 | ||
安全术语 | S:S1/2-S9-S16-S28-S33-S36/37-S45-S60-S61 | ||
NFPA 704 | |||
闪点 | 可燃气体 | ||
相关物质 | |||
相关氢化物 | 氨、磷化氢、锑化氢、铋化氢 | ||
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。 |
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。[1]
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。胂还可以指分子式为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。[2][3]
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[(C5H5)Mn(CO)2]2AsH,其中核心Mn2AsH是平面的。[4]
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。[5] 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[R2AlAsH2]3,当中的R=(CH3)3C。[6] 此反应与利用AsH3制备GaAs的反应机理有关,见下。
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雷射有关的半导体材料。与磷相似,砷是硅及锗的n-掺染物。[1] 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。[8]
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。[3] 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。若装置中加热部份有砷镜生成,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。
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