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Arsina

La arsina ( nombre IUPAC : arsano ) es un compuesto inorgánico con la fórmula As H 3 . Este gas hidruro de nitrato de arsénico , inflamable, pirofórico y altamente tóxico, es uno de los compuestos más simples del arsénico . [4] A pesar de su letalidad, encuentra algunas aplicaciones en la industria de semiconductores y para la síntesis de compuestos organoarsénicos . El término arsina se usa comúnmente para describir una clase de compuestos organoarsénicos de fórmula AsH 3− x R x , donde R = arilo o alquilo . Por ejemplo, As(C 6 H 5 ) 3 , llamado trifenilarsina , se conoce como "una arsina".

Propiedades generales

En su estado estándar, la arsina es un gas incoloro, más denso que el aire, ligeramente soluble en agua (20 % a 20 °C) [1] y también en muchos disolventes orgánicos . [ cita requerida ] La arsina en sí misma es inodora, [5] pero se oxida en el aire y esto crea un ligero olor a ajo o pescado cuando el compuesto está presente por encima de 0,5 ppm . [6] Este compuesto es cinéticamente estable: a temperatura ambiente se descompone solo lentamente. A temperaturas de ca. 230 °C, la descomposición en arsénico e hidrógeno es lo suficientemente rápida como para ser la base de la prueba Marsh para la presencia de arsénico. Similar a la estibina , la descomposición de la arsina es autocatalítica, ya que el arsénico liberado durante la reacción actúa como catalizador para la misma reacción. [7] Varios otros factores, como la humedad , la presencia de luz y ciertos catalizadores (a saber, alúmina ) facilitan la velocidad de descomposición. [8] 

AsH 3 es una molécula piramidal trigonal con ángulos H–As–H de 91,8° y tres enlaces As–H equivalentes, cada uno de una longitud de 1,519 Å . [9]

Descubrimiento y síntesis

El AsH 3 generalmente se prepara mediante la reacción de fuentes de As 3+ con equivalentes de H . [10]

4 AsCl 3 + 3 NaBH 4 → 4 AsH 3 + 3 NaCl + 3 BCl 3

Como se informó en 1775, Carl Scheele redujo el óxido de arsénico (III) con zinc en presencia de ácido. [11] Esta reacción es un preludio de la prueba de Marsh.

Alternativamente, las fuentes de As 3− reaccionan con reactivos protónicos para producir también este gas. El arseniuro de cinc y el arseniuro de sodio son precursores adecuados: [12]

Zn3As2 + 6H + 2AsH3 + 3Zn2 +
Na 3 As + 3 HBr → AsH 3 + 3 NaBr

Reacciones

La comprensión de las propiedades químicas de AsH 3 está bien desarrollada y puede anticiparse basándose en un promedio del comportamiento de sus contrapartes pictógenas , como PH 3 y SbH 3 .

Descomposición térmica

Como es típico de un hidruro pesado (p. ej., SbH 3 , H 2 Te , SnH 4 ), el AsH 3 es inestable con respecto a sus elementos. En otras palabras, es estable cinéticamente pero no termodinámicamente.

2AsH3 3H2 + 2As

Esta reacción de descomposición es la base de la prueba de Marsh, que detecta As elemental.

Oxidación

Continuando con la analogía con SbH 3 , AsH 3 se oxida fácilmente con O 2 concentrado o con la concentración de O 2 diluido en el aire:

2AsH3 + 3O2As2O3 + 3H2O

La arsina reaccionará violentamente en presencia de agentes oxidantes fuertes, como permanganato de potasio , hipoclorito de sodio o ácido nítrico . [8]

Precursor de derivados metálicos

El AsH 3 se utiliza como precursor de complejos metálicos de arsénico "desnudo" (o "casi desnudo"). Un ejemplo es la especie de dimanganeso [(C 5 H 5 )Mn(CO) 2 ] 2 AsH, en la que el núcleo de Mn 2 AsH es plano. [13]

Prueba de valentía

Una prueba característica para el arsénico implica la reacción de AsH 3 con Ag + , llamada prueba de Gutzeit para arsénico. [14] Aunque esta prueba se ha vuelto obsoleta en la química analítica , las reacciones subyacentes ilustran aún más la afinidad de AsH 3 por los cationes metálicos "blandos". En la prueba de Gutzeit, AsH 3 se genera por reducción de compuestos acuosos de arsénico, típicamente arsenitos , con Zn en presencia de H 2 SO 4 . El AsH 3 gaseoso evolucionado luego se expone a AgNO 3 ya sea como polvo o como una solución. Con AgNO 3 sólido , AsH 3 reacciona para producir Ag 4 AsNO 3 amarillo , mientras que AsH 3 reacciona con una solución de AgNO 3 para dar Ag 3 As negro.

Reacciones ácido-base

Las propiedades ácidas del enlace As–H se aprovechan a menudo. Así, el AsH 3 puede desprotonarse:

AsH 3 + NaNH 2 → NaAsH 2 + NH 3

Tras la reacción con los trialquilos de aluminio, AsH 3 produce el trimérico [R 2 AlAsH 2 ] 3 , donde R = (CH 3 ) 3 C. [15] Esta reacción es relevante para el mecanismo por el cual GaAs se forma a partir de AsH 3 (ver más abajo).

El AsH 3 generalmente se considera no básico, pero puede ser protonado por superácidos para dar sales aislables de la especie tetraédrica [AsH 4 ] + . [16]

Reacción con compuestos halógenos

Las reacciones de la arsina con los halógenos ( flúor y cloro ) o algunos de sus compuestos, como el tricloruro de nitrógeno , son extremadamente peligrosas y pueden provocar explosiones. [8]

Cadena

A diferencia del comportamiento del PH 3 , el AsH 3 no forma cadenas estables, aunque se han detectado diarsina (o diarsano) H 2 As–AsH 2 , e incluso triarsano H 2 As–As(H)–AsH 2 . La diarsina es inestable por encima de −100 °C.

Aplicaciones

Aplicaciones de la microelectrónica

El AsH 3 se utiliza en la síntesis de materiales semiconductores relacionados con la microelectrónica y los láseres de estado sólido . En relación con el fósforo , el arsénico es un dopante n para el silicio y el germanio. [8] Más importante aún, el AsH 3 se utiliza para fabricar el semiconductor GaAs mediante deposición química en fase de vapor (CVD) a 700–900 °C:

Ga(CH3 ) 3 + AsH3 GaAs +3CH4

Para aplicaciones microelectrónicas, la arsina puede ser suministrada por una fuente de gas subatmosférica (una fuente que suministra una presión inferior a la atmosférica). En este tipo de paquete de gas, la arsina se adsorbe en un adsorbente microporoso sólido dentro de un cilindro de gas. Este método permite almacenar el gas sin presión, lo que reduce significativamente el riesgo de una fuga de gas arsina del cilindro. Con este aparato, la arsina se obtiene aplicando vacío a la salida de la válvula del cilindro de gas. Para la fabricación de semiconductores , este método es factible, ya que los procesos como la implantación de iones funcionan a alto vacío.

Guerra química

Desde antes de la Segunda Guerra Mundial, el AsH 3 se propuso como una posible arma de guerra química . El gas es incoloro, casi inodoro y 2,5 veces más denso que el aire, como se requiere para un efecto de cobertura buscado en la guerra química. También es letal en concentraciones mucho más bajas que las requeridas para oler su olor similar al ajo . A pesar de estas características, la arsina nunca se usó oficialmente como arma, debido a su alta inflamabilidad y su menor eficacia en comparación con la alternativa no inflamable fosgeno . Por otro lado, varios compuestos orgánicos basados ​​​​en arsina, como lewisita (β-clorovinildicloroarsina), adamsita (difenilaminacloroarsina), Clark 1 ( difenilcloroarsina ) y Clark 2 ( difenilcianoarsina ) se han desarrollado efectivamente para su uso en la guerra química. [17]

La ciencia forense y la prueba Marsh

El AsH 3 es bien conocido en la ciencia forense porque es un intermediario químico en la detección del envenenamiento por arsénico. La antigua (pero extremadamente sensible) prueba Marsh genera AsH 3 en presencia de arsénico. [4] Este procedimiento, publicado en 1836 por James Marsh , [18] se basa en tratar una muestra que contiene As del cuerpo de una víctima (normalmente el contenido del estómago) con zinc libre de As y ácido sulfúrico diluido : si la muestra contiene arsénico, se formará arsina gaseosa. El gas se introduce en un tubo de vidrio y se descompone mediante calentamiento a unos 250–300 °C. La presencia de As se indica por la formación de un depósito en la parte calentada del equipo. Por otro lado, la aparición de un depósito de espejo negro en la parte fría del equipo indica la presencia de antimonio (el altamente inestable SbH 3 se descompone incluso a bajas temperaturas).

La prueba de Marsh se utilizó ampliamente a fines del siglo XIX y principios del XX; hoy en día, se emplean técnicas más sofisticadas, como la espectroscopia atómica , el plasma acoplado inductivamente y el análisis de fluorescencia de rayos X , en el campo forense. Aunque el análisis de activación neutrónica se utilizó para detectar niveles traza de arsénico a mediados del siglo XX, desde entonces ha caído en desuso en la ciencia forense moderna.

Toxicología

La toxicidad de la arsina es distinta a la de otros compuestos de arsénico. La principal vía de exposición es la inhalación, aunque también se ha descrito envenenamiento tras el contacto con la piel. La arsina ataca la hemoglobina de los glóbulos rojos , provocando su destrucción por el organismo. [19] [20]

Los primeros signos de exposición, que pueden tardar varias horas en manifestarse, son dolores de cabeza , vértigo y náuseas , seguidos de síntomas de anemia hemolítica (niveles elevados de bilirrubina no conjugada ), hemoglobinuria y nefropatía . En casos graves, el daño a los riñones puede ser duradero. [1]

La exposición a concentraciones de arsina de 250 ppm es rápidamente mortal: concentraciones de 25–30 ppm son mortales para una exposición de 30 minutos, y concentraciones de 10 ppm pueden ser mortales en tiempos de exposición más prolongados. [3] Los síntomas de envenenamiento aparecen después de la exposición a concentraciones de 0,5 ppm. Hay poca información sobre la toxicidad crónica de la arsina, aunque es razonable suponer que, al igual que otros compuestos de arsénico, una exposición a largo plazo podría provocar arsenicosis . [ cita requerida ]

La arsina puede causar neumonía de dos maneras diferentes: "el edema extenso de la etapa aguda puede infiltrarse de manera difusa con leucocitos polimorfonucleares y el edema puede cambiar a un anillo de leucocitos, su epitelio degenerado, sus paredes infiltradas y cada bronquiolo en el centro de un pequeño foco o nódulo de consolidación neumónica", y en el segundo caso "las áreas involucradas son prácticamente siempre las puntas anteriores de los lóbulos medio y superior, mientras que las porciones posteriores de estos lóbulos y la totalidad de los lóbulos inferiores presentan una condición enfisematosa que contiene aire, a veces con ligera congestión, a veces sin ninguna", lo que puede resultar en la muerte. [21]

Formación de neumonía

Está clasificada como una sustancia extremadamente peligrosa en los Estados Unidos según se define en la Sección 302 de la Ley de Planificación de Emergencias y Derecho a Saber de la Comunidad de los Estados Unidos (42 USC 11002), y está sujeta a estrictos requisitos de notificación por parte de las instalaciones que la producen, almacenan o usan en cantidades significativas. [22]

Límites de exposición ocupacional

Véase también

Referencias

  1. ^ abcdefghi Guía de bolsillo del NIOSH sobre peligros químicos. "#0040". Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH).
  2. ^ Levvy, GA (1946). "La toxicidad de la arsina administrada por inyección intraperitoneal". British Journal of Pharmacology and Chemotherapy . 1 (4): 287–290. doi :10.1111/j.1476-5381.1946.tb00049.x. PMC 1509744 . PMID  19108099. 
  3. ^ abc "Arsina". Concentraciones inmediatamente peligrosas para la vida o la salud (IDLH) . Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH).
  4. ^ por Holleman, AF; Wiberg, E. (2001) Química inorgánica Academic Press: San Diego, ISBN 0-12-352651-5
  5. ^ Greaves, Ian; Hunt, Paul (2010). "Cap. 5 Agentes químicos". Respuesta al terrorismo. Manual médico . Elsevier. págs. 233–344. doi :10.1016/B978-0-08-045043-8.00005-2. ISBN . 978-0-08-045043-8Aunque la arsina en sí no tiene olor, su oxidación por el aire puede producir un ligero olor parecido al del ajo. Sin embargo, es letal en concentraciones mucho más bajas que las necesarias para producir este olor.
  6. ^ "Pautas de manejo médico para la arsina (AsH3)". Agencia para Sustancias Tóxicas y Registro de Enfermedades. Archivado desde el original el 24 de enero de 2012.
  7. ^ Hartman, Robert James (1947). Briscoe, Herman Thompson (ed.). Química coloidal (2.ª ed.). Houghton Mifflin Company. pág. 124.
  8. ^ abcd Institut National de Recherche et de Sécurité (2000). Fiche toxicológica nº 53: Trihidruro de arsénico (PDF) (Informe) (en francés). Archivado desde el original (PDF) el 26 de noviembre de 2006 . Consultado el 6 de septiembre de 2006 .
  9. ^ Nielsen, HH (1952). "La estructura molecular de la arsina". The Journal of Chemical Physics . 20 (12): 1955–1956. Código Bibliográfico :1952JChPh..20.1955N. doi :10.1063/1.1700347.
  10. ^ Bellama, JM; MacDiarmid, AG (1968). "Síntesis de los hidruros de germanio, fósforo, arsénico y antimonio mediante la reacción en fase sólida del óxido correspondiente con hidruro de litio y aluminio". Química inorgánica . 7 (10): 2070–2. doi :10.1021/ic50068a024.
  11. ^ Scheele, Carl Wilhelm (1775) "Om Arsenik och dess syra" Archivado el 5 de enero de 2016 en Wayback Machine. (Sobre el arsénico y su ácido), Kongliga Vetenskaps Academiens Handlingar (Actas de la Real Academia Científica [de Suecia]), 36 : 263-294. De la pág. 290: "Con zinc. 30. (a) Denna år den endaste af alla så hela som halfva Metaller, som i digestion met Arsenik-syra effervescerar". (Con zinc. 30. (a) Este es el único [metal] de todos los metales enteros y semimetales que efervesce al digerirse con ácido arsénico.) Scheele recogió la arsina y puso una mezcla de arsina y aire en un cilindro. De la pág. 291: "3:0, Då et tåndt ljus kom når o̊pningen, tåndes luften i kolfven med en småll, lågan for mot handen, denna blef o̊fvedragen med brun fårg, ..." (3:0, Luego, cuando [la] vela encendida se acercó a la abertura [del cilindro], los gases en [el] cilindro se encendieron con una explosión; ] llama [corrió] hacia mi mano, la cual quedó cubierta de [un] color marrón,... )
  12. ^ "Arsina" en Handbook of Preparative Inorganic Chemistry , 2.ª ed., G. Brauer (ed.), Academic Press, 1963, NY, Vol. 1, pág. 493.
  13. ^ Herrmann, WA; Koumbouris, B.; Schaefer, A.; Zahn, T.; Ziegler, ML (1985). "Generación y estabilización compleja de fragmentos de arsinideno y diarsina mediante degradación de monoarsina inducida por metales". Chemische Berichte . 118 (6): 2472–88. doi :10.1002/cber.19851180624.
  14. ^ King, EJ (1959) Análisis cualitativo y soluciones electrolíticas Harcourt, Brace y World; Nueva York
  15. ^ Atwood, fiscal del distrito; Cowley, AH; Harris, relaciones públicas; Jones, RA; Koschmieder, SU; Nunn, CM; Atwood, JL; Bott, SG (1993). "Derivados cíclicos triméricos hidroxi, amido, fosfido y arsenido de aluminio y galio. Estructuras de rayos X de [tert-Bu 2 Ga(m-OH)] 3 y [tert-Bu 2 Ga(m-NH 2 )] 3 ". Organometálicos . 12 : 24-29. doi :10.1021/om00025a010.
  16. ^ R. Minkwitz, R.; Kornath, A.; Sawodny, W.; Hartner, H. (1994). "Über die Darstellung der Pnikogenoniumsalze AsH 4 + SbF 6 - , AsH 4 + AsF 6 - , SbH 4 + SbF 6 - ". Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie (en alemán). 620 (4): 753–756. doi :10.1002/zaac.19946200429.
  17. ^ Suchard, Jeffrey R. (marzo de 2006). "CBRNE — Arsenicals, Arsine". EMedicine . Archivado desde el original el 23 de junio de 2006. Consultado el 5 de septiembre de 2006 .
  18. ^ Marsh, James (1836). "Exposición sobre un método para separar pequeñas cantidades de arsénico de sustancias con las que puede mezclarse". Edinburgh New Philosophical Journal . 21 : 229–236.
  19. ^ Fowler BA; Weissberg JB (1974). "Intoxicación por arsina". New England Journal of Medicine . 300 (22): 1171–1174. doi :10.1056/NEJM197411282912207. PMID  4608634.
  20. ^ Hatlelid KM (1996). "Reacciones de la arsina con la hemoglobina". Revista de toxicología y salud ambiental, parte A. 47 ( 2): 145–157. Bibcode :1996JTEHA..47..145H. doi :10.1080/009841096161852. PMID  8598571.
  21. ^ "Estudios recopilados sobre la patología del envenenamiento por gas de guerra, del Departamento de Bacteriología y Patología, Sección de Ciencias Médicas, Servicio de Guerra Química, bajo la dirección de MC Winternitz, mayor, MC, EE. UU. Yale University Press". books.google.com . Prensa de la Universidad de Yale. 1920 . Consultado el 28 de septiembre de 2022 .
  22. ^ 40 CFR: Apéndice A de la Parte 355: Lista de sustancias extremadamente peligrosas y sus cantidades límite de planificación (PDF) (Informe) (edición del 1 de julio de 2008). Oficina de Imprenta del Gobierno . Archivado desde el original (PDF) el 25 de febrero de 2012. Consultado el 29 de octubre de 2011 .
  23. ^ "Arsina". RTECS . Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH). Archivado desde el original el 8 de junio de 2017 . Consultado el 8 de septiembre de 2017 .

Enlaces externos