砷

砷[shēn]（Arsenic），舊稱砒，元素符號As，是一種非金屬元素，在化學元素周期表中位于第四周期第VA族，原子序數33。單質砷為銀灰色晶體，質脆，易碎，莫氏硬度為3.5-4。砷在自然界中分布廣泛，主要以硫化物、氧化物和鹵化物等形式存在。地殼中豐度為1.8mg/kg，在土壤中的含量一般為2.5~33.5mg/kg。

317年，中國煉丹家葛洪用雄黃、松脂、硝石合煉得到砷。1250年A.馬格努斯用雌黃與肥皂共熱制得砷，后經拉瓦錫確定為元素。元素英文名來源于拉丁文arsenICUm。在早期，砷被廣泛應用于不同的領域，包括青銅合金和顏料的生產。在青銅時代，砷可以作為青銅合金的添加劑，以提高合金的硬度和抗腐蝕性能。例如，在古希臘和古羅馬時期，砷可以添加到銅合金中用以制作硬幣和裝飾品。在18世紀和19世紀，巴黎綠（醋酸亞砷酸銅）、舍勒綠（酸式亞砷酸銅）等顏料被廣泛使用，這些顏料中含有砷化物。除了在顏料方面的應用，砷也被用作殺蟲劑。在19世紀中，砷酸鉛被廣泛用于消滅農作物害蟲。第一次世界大戰期間，路易氏劑（Lewisite）和藍劑（Agent Blue）被用作化學武器。路易氏劑是一種含有砷和氯的化合物，學名2-氯乙烯基二氯胂，可以引起嚴重的皮膚炎癥和呼吸道疾病。藍劑則是含有二甲基胂酸（也稱為二甲胂酸）及其相關鹽、二甲胂酸鈉和水的混合物，其可以引起皮膚病變和肝臟損傷。這些化學武器在使用后對環境和人類造成了嚴重的危害，已在戰爭結束后被禁止使用。20世紀30年代中期以來鉻化砷酸銅（CCA）一直用于處理木材，并以多種商品名出售。2003年，美國環境保護署和木材行業同意在大多數住宅建筑中逐步停止使用經過CCA處理的木材。該協議旨在通過減少CCA處理木材中的砷暴露來保護人類和環境的健康。

砷是一種化學元素，其化學符號為As，原子序數為33。砷在元素周期表中位于第4周期、第VA族。單質砷為銀灰色晶體，質脆，易碎，莫氏硬度為3.5-4。砷在自然界中主要以硫化物、氧化物和鹵化物等形式存在。砷蒸氣的分子是As₄，為正四面體結構，溫度高于800°C時分解為As₂，溫度更高時分解為As。砷不溶于水、堿液，溶于硝酸、熱堿液。

砷有許多同素異形體，其中最常見的是灰砷、黃砷和黑砷。灰砷是最穩定的形式，其晶體結構為六方晶系，具有相對較低的密度和硬度。室溫下穩定的菱形灰砷(α-砷)，熔點為817°C(3.70兆帕)，616°C升華，密度為5.75 g/cm，能導電（電導率為銅的1/25）。黃砷是一種較軟且具有蠟狀質地的物質，結構與白磷（P₄）類似。砷蒸氣驟冷得到淡黃色、六方晶的黃砷，密度為2.026 g/cm，黃砷能溶于二硫化碳，在空氣中被氧化呈現冷光。黃砷為亞穩態結構，見光易轉化為灰砷。黑砷的結構與紅磷類似。砷化氫AsH₃（胂）受熱分解成黑砷，密度為4.9 g/cm。

砷（原子量：74.92160）共有33個同位素，以及10種核同質異能素。砷的33種同位素中只有一種As是穩定的。因此，砷被認為是單一同位素元素。壽命最長的放射性同位素是As，半衰期為 80 天。

砷的主要同位素

砷的其他同位素

由于砷在元素周期表中處于磷的下方，所以砷的化學性質與磷相似，但比磷活潑。砷在干燥的空氣中是穩定的，在潮濕的空氣中能生成黑色的氧化物薄層。水或非氧化性酸不與砷反應，在硝酸和王水中砷被氧化成亞砷酸、砷酸。砷與熔融的堿反應生成亞砷酸鹽并析出氫：

砷和硫、氯氣、溴或者碘反應，可以產生三價的砷化合物：

和氟[fú]反應，得到五氟化砷：

砷與濃硝酸反應可以得到砷酸：

砷可以與多種元素組成化合物，比較常見的有砷的氧化物和氫化物。砷的氧化物包括三氧化二砷（As₂O₃）、五氧化二砷（As₂O₅）等。其中，三氧化二砷也稱為砒霜，是一種劇毒的化合物。砷的氫化物包括一甲基胂（CH₃AsH₂）、二甲基胂（(CH₃)₂AsH）、三甲基胂[(CH₃)₃As]以及砷化氫（胂）等。砷化氫（AsH₃）是無色、有大蒜氣味的劇毒氣體，可用鋅還原砷（Ⅲ、Ⅴ）的化合物，或砷化物與酸反應得到。砷還可以和鹵族元素形成鹵化物，包括二氟化二砷（As₂F₂）、二溴化二砷（As₂Br₂）等，五氟化砷是一種強氧化劑，五氯化砷在-50℃分解為三氯化砷和氯。以及和硫生成硫化物，比如三硫化二砷（As₂S₃）、四硫化二砷（As₂S₄）等。砷還可以與碳、氮等元素形成相應的化合物，如碳化三砷（As₄C₃）、三氧化氮砷（As(NO₃)₃）等。砷酸（H₃AsO₄）可由濃硝酸氧化單質砷或三氧化二砷得到。砷酸是中強三元酸，三級電離常數和磷酸相近，K₁、K₂、K₃分別為5.5×10、1.7×10、5.1×10。形成三系列砷酸鹽：MH₂AsO₄、M₂HAsO₄、M₃AsO₄。它們的溶解性和相應的磷酸鹽相近，如Na₂HAsO₄可溶，Ag₃AsO₄難溶。砷酸鈣、砷酸鉛、砷酸二氫鈉都是殺蟲劑。硫酸銅和亞砷酸鈉反應得到的亮綠色亞砷酸銅也是殺蟲劑。有機砷化合物是指砷與碳、氫、氧或氮之間含有化學鍵，至少含有一個有機基團通過碳原子以共價鍵與砷原子相連結而形成的化合物。這些化合物在自然界中并不常見，但可以使用各種方法合成，如胂酚胺、砷代苯胺或甲基化砷化合物。最常見的有機砷化合物是胂酚胺，可以用于治療非洲錐蟲病和阿米巴痢疾。有機砷化合物通常比無機砷化合物毒性更小。

在元素周期表中，砷屬于p區元素，砷原子的電子組態為[Ar]3d4s4p，表明它有33個電子分布在四個能級或殼層上。砷的電子層數為四，其中第一個層包含兩個電子，第二個層包含八個電子，三個層包含18個電子，四個層包含五個電子。砷屬于菱形晶系，它的晶體結構被稱為晶格，是一種在整個空間中延伸的數學點的重復模式，這是一種三角晶體系統。

砷的電子結構示意圖

砷的主要用途是以少量加入銅、鉛及其他金屬中形成合金，如用于蒸汽鍋爐的銅合金中含有0.25%~0.50%的砷，用作子彈頭的鉛合金中含有0.5%~1.6%的砷。砷化合物用途非常廣泛，如砷化鎵和磷砷化鎵是重要的半導體材料。三氧化二砷、砷酸鹽可作殺蟲劑、皮毛和木材防腐劑，也可用于玻璃脫色劑、媒染劑和除銹劑。

砷在制造合金方面的用途主要是作為合金添加劑，可以防止脫鋅，并可以提高合金的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。砷可以作為合金材料添加劑生產鉛制彈丸、印刷合金、黃銅（冷凝器用）、蓄電池柵板、耐磨合金、高強結構鋼及耐蝕鋼等。此外，高純度的砷還可以用于生產化合物半導體，如砷化鎵（GaAs）、砷化銦（InAs）、鎵砷磷（GaASP）、鎵鋁砷（GaAlAs）等，這些材料可以用于制作二極管、發光二極管、隧道二極管、紅外線發射管、激光器以及太陽能電池等產品。

砷在農業中的應用主要包括殺蟲劑、殺菌劑和除草劑，其被廣泛應用于農作物和果樹上的有害昆蟲、真菌和雜草的控制。砷化物是一種有效的殺蟲劑，可以控制農作物和果樹上的有害昆蟲。例如，砷酸鉛和亞砷酸鹽被廣泛應用于控制蚜蟲、螨蟲和蚊蟲等。砷酸鹽可以抑制真菌的生長，因此被用作殺菌劑。例如，砷酸鉛被用于控制馬鈴薯晚疫病等真菌病害。砷化合物也可以控制雜草的生長，比如一些砷的化合物被用于控制棉花田中的雜草。但是由于砷的毒性及其對環境的危害，其使用量和用途正逐漸受到限制。在一些國家和地區，已經禁止或限制了砷在農業中的應用。

砷在古時候被用于制作藥物，中國古代醫書記載中的砒霜，即三氧化二砷，被用于治療瘧疾、哮喘和絳蟲等病癥。在現代砷也可以被用于制作藥物，如亞砷酸、硝砷酸和砷凡納明等砷化合物被用于治療白血病、黑色素瘤和肺癌等惡性腫瘤。此外，砷還可以制作用來治療皮膚疾病、心血管疾病和神經系統疾病的藥物。但是，由于砷的毒性令其在醫藥方面的使用需要嚴格控制劑量和使用時間，以確保安全性和有效性。

砷在軍事方面主要被用于制造毒氣和軍用電子設備。此外，在鉛中加入2%的砷構成的砷鉛合金在軍事工業中可用以制造子彈頭、軍用毒藥和煙火。在第一次世界大戰期間，德國使用了含有砷的毒氣，如胂氣和氯胂，來攻擊敵軍。高純度的砷是半導體材料的關鍵成分，被用于制造紅外線傳感器、激光器和電子設備等。由于砷的毒性，其軍事應用已經被禁止并受到嚴格限制。

除了在農業、軍事、醫藥和合金材料方面的應用，砷還被用于玻璃制造、生產高強度鋼、電子工業等領域。砷可以用于制造彩色玻璃和光纖，因為其能夠吸收紅外線和紫外線，以提高玻璃的透光性和穩定性。它還可以作為合金元素加入到鋼鐵中，提高鋼的強度和耐腐蝕性。在電子工業中，砷化鎵等砷化合物被廣泛應用于制造集成電路、光電二極管、激光器等電子器件。

砷是一種有毒元素，會對包括細菌和高等動物在內的生物體產生有害影響。雖然砷對多種物種有毒害作用，但某些細菌可以使用砷作為其細胞材料中磷的替代品來生長。砷酸鹽和亞砷酸鹽主要通過水通道蛋白和磷酸鹽轉運蛋白被細菌吸收。砷進入細菌細胞內后被代謝（例如還原、氧化、甲基化等）成不同的形式。亞砷酸鹽依次甲基化為一甲基砷酸（MMA）和二甲基砷酸（DMA），然后轉化為毒性較小、揮發性的三甲基砷酸（TMA）。某些細菌對砷的利用可以產生有益影響，例如砷抗性根際促生菌可以對砷脅迫下的水稻生長產生積極影響。對于高等動物和人來說，砷在大多數情況下都有毒。但是砷在某些情況下也對人類有益，例如日常生活中使用的中成藥——牛黃解毒片，就含有雄黃（AsS）成分，有清熱解毒的功效。以及砒霜（三氧化二砷）雖然有劇毒，但它也是臨床醫學用藥。目前，應用砒霜治療一些腫瘤疾病，特別是白血病的實踐已得到了證實。除了白血病，砒霜還對肝癌、肺癌、紅斑狼瘡、風濕病等一系列疑難病癥有著不容忽視的作用。研究顯示，少量的砷也是人體不可缺少的營養成分，它能促進蛋氨酸的新陳代謝，從而防止頭發、皮膚和指甲的生長紊亂。

砷在自然界廣泛存在，地殼中豐度為1.8mg/kg，在土壤中的含量一般為2.5~33.5mg/kg，土壤平均背景值為9.6mg/kg。水溶性砷一般占砷總量的5%~10%，土壤中的砷以無機態為主，常以五價或三價形成砷酸鹽或亞砷酸鹽存在，其遷移轉化受土壤pH、Eh以及土壤膠體的吸附絡合作用的影響，在氧化條件下砷酸鹽是其主要形態，在還原條件下亞砷酸鹽是主要形態。在自然界中，砷以不同的形式廣泛存在，包括以砷的硫化物為主要成分的礦物，如雄黃（As₄S₄）、雌黃（As₂S₃）、砷黃鐵礦（FeAsS）等。此外，許多鉛、鋅、金、銅等礦石中也含有砷。在淡水中，砷的濃度通常較低，平均濃度約為0.1~2.0微克/升。而在海水中，砷的濃度相對較高，但濃度范圍波動較大，約在0.05～5微克/升之間。根據美國地質調查局（USGS）的數據，2021年全球砷產量為5.9萬噸，其中秘魯是全球最大的砷生產國，占全球產量的45.76%，其次是中國，占2021年全球砷產量的40.68%。

三氧化二砷的產量

砷是一種具有較強毒性和致癌作用的元素，其化合物大多也有毒。砷是土壤環境質量的重要指標之一，土壤砷污染會使農產品砷含量升高，進而危害人畜健康。長期攝入少量含砷的化合物可以引起慢性中毒，慢性中毒可表現為感覺異常、進行性虛弱、眩暈、氣短、心悸、食欲不振、嘔吐等，嚴重者四肢末梢有多發性神經炎，還可引起神經性疼痛。長期飲用砷污染的井水會引起胃腸炎，皮膚、肝及神經組織的損壞。同時飲用受砷污染的水會改變年輕人的心臟結構，從而增加其未來罹患心臟病的風險。砷對人體胃腸道系統、呼吸系統、皮膚和神經系統有較強毒性，其中三價砷的毒性最大，是五價砷的60倍，是甲基砷的70倍。高濃度的砷可以引起急性中毒，如嘔吐、腹痛、腹瀉、休克等，甚至導致死亡。

砷的毒理機制主要與亞砷酸離子（AsO₃-）與人體內酶蛋白的巰基結合，使酶失去活性有關。這種結合使得細胞內的氧化代謝過程受到干擾，從而導致細胞氧化代謝障礙。此外，亞砷酸離子還直接作用于毛細血管，造成全身性出血、組織缺血、血壓下降等癥狀。另外，砷還具有腐蝕作用，可以直接對消化道產生影響。攝入砒霜后，人體會出現一系列的癥狀，如嚴重腹痛、腹瀉、嘔吐等，這是由于亞砷酸離子與消化系統的酶蛋白結合，使得消化系統出現功能障礙。同時，砒霜還會引起喉頭灼痛、流涎等癥狀，這是由于亞砷酸離子刺激了喉頭和口腔的黏膜細胞。最后，中毒者往往會死于重度循環衰竭，這是由于亞砷酸離子對心血管系統產生了影響，干擾了正常的血液循環。

砷是一種有毒元素，具有毒性，可以對不同的生物體產生毒害作用。由于不同生物對砷的敏感性不同，因此不同生物的毒理學數據LC₅₀也不同。以下是一些不同生物對砷的毒理學數據：不同砷的化合物也具有不同的毒性。例如，三氧化二砷（俗稱砒霜）的毒性較強，其LC50約為0.76-1.95 mg/kg，對于人來說0.06克是危險劑量，0.125-0.25克的三氧化二砷已足以致人于死地。而其他砷化合物，如二硫化砷（雄黃）和三硫化二砷（雌黃）等，也具有毒性，但其毒性相對較低。

《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）規定，生活飲用水中砷的限值為0.01mg/L。聯合國糧食及農業組織／世界衛生組織聯合食物添加劑專家委員會已對砷進行評估，并就無機砷的暫定每周可容忍攝入量定為每公斤人體體重每周可攝入15微克。

砷是一種致癌物質，可增加患皮膚癌、肺癌、肝癌、膀胱癌、結腸癌、直腸癌、乳腺癌、卵巢癌和食管癌等癌癥的風險。砷的致癌性可能與其對DNA的損傷作用有關。此外，砷還可以干擾細胞分裂和DNA合成，從而促進癌癥的發生。除了致癌性，砷還會對人體造成一系列的危害。長期接觸砷的人可能會出現慢性砷中毒的癥狀，如皮膚瘙癢、四肢麻木、感覺遲鈍等。

砷在自然界中廣泛存在，主要通過巖石、土壤、化石燃料和礦石的風化等過程釋放到環境中。一些礦物中，如雌黃、雄黃和砷黃鐵礦等含有大量的砷。

砷對公眾健康的最大威脅來自受污染的地下水。許多國家的地下水中天然存在高濃度的無機砷，包括阿根廷、孟加拉國、柬埔寨、智利、中國、印度、墨西哥、巴基斯坦、美國和越南。飲用水、用受污染的水灌溉的農作物以及用受污染的水準備的食物是接觸源。在飲用水中，高濃度的砷可以導致中毒，其中最常見的是長期飲用含砷的地下水。長期飲用高砷水會對神經系統、心臟和肝臟等器官造成損害。含砷的飲用水還會對兒童的生長發育產生不良影響。魚類、貝類、肉類、家禽、乳制品和谷物也可能是砷的飲食來源，盡管與通過受污染的地下水的暴露相比，這些食物的砷暴露通常要低得多。在海鮮中，砷主要以毒性較小的有機形式存在。

目前，常用的去除水中的砷的方法包括化學沉淀法、吸附法、離子交換法、膜分離法等。其中，吸附法和離子交換法是最常用的方法，而活性炭和樹脂是最常用的吸附劑。其中沉淀法適用于處理含有較高濃度砷的水，但是不適合用在飲用水上面，因為沉淀法會引入其他的一些雜質，處理精度也不高。而吸附法的處理精度非常高，可以達到國家一級飲用水的標準。其中比較常見的離子吸附法是針對濃度低、處理水量不算大的情況，是理想的砷去除方法。

將砷的硫化物礦石氧化焙燒得砷的氧化物，再用碳還原即得單質砷：

砷硫鐵礦被鐵還原也可得到砷：

砷的測定可采用原子熒光光譜法、原子吸收分光光度法、電感耦合等離子發射光譜法、電感耦合等離子體質譜法、分光光度法、固體進樣直接分析法（如X射線熒光光譜法）等。電感耦合等離子發射光譜法和質譜法成本較高，適合多元素同時測定；固體進樣直接分析法適合元素的初步測定；分光光度法、原子吸收分光光度法靈敏度和穩定性相對較差。

砷及其化合物是一種具有較強毒性的元素，可能會對人的健康和自然環境造成危害。GHS危險聲明：H301：吞咽有毒[危險，急性毒性，口服]H331：吸入有毒[危險，急性毒性，吸入]H400：對水生生物毒性極大 [警告對水生環境有害，急性危險]H410：對水生生物毒性極大，并具有長期持續影響[警告對水生環境有害，長期危害]

腸道凈化和血流動力學穩定是急性砷中毒初始治療的關鍵因素。疑似急性砷中毒的患者通常需要在重癥監護室通過補液和電解質快速穩定。一些列舉了一些急救措施：

• 在嚴重中毒的情況下，積極的靜脈補液療法可能可以挽救生命。
• 急性攝入后不久洗胃可能有用，以防止進一步吸收。

• 血液透析對于伴有腎功能衰竭的患者可能是有益的。

對于口服中毒者應及時對其采取催吐、洗胃、導瀉。洗胃前可以服用新鮮配制的砷化物沉淀劑（12%硫酸亞鐵和20%氧化鎂混懸液等量混合），然后連服藥用炭2~3次，后用蛋清、牛奶灌入胃內。解毒藥可選用二巰[qiú]丙磺鈉、二巰丙醇、二巰丁二鈉等。急性腎功能衰竭時宜使用對腎毒性較小的青霉胺。