Arsen
As • Ordnungszahl 33
Arsen
Arsen befindet sich im Periodensystem in der Stickstoffgruppe. Es handelt sich um ein Halbmetall. Arsen kommt selten gediegen vor und tritt meist in sulfidischen Erzen wie Realgar und Auripigment auf. In seinem stabilsten elementaren Zustand ist Arsen ein stahlgrauer, spröder Feststoff mit geringer thermischer und elektrischer Leitfähigkeit.
Arsen wird oft mit seinem Einsatz als Gift in Verbindung gebracht. Die Verbindung Arsenik ist wasserlöslich, geruch- und geschmacklos und tödlich, weswegen sie schon in der Antike als Mordgift verwendet wurde.
In seiner Elementform ist Arsen krebserregend. Als unbedenklich für Trinkwasser gilt eine maximale Konzentration von 0.01 ppm. Der erhöhte durchschnittliche Gehalt im Meerwasser von 0.024 ppm führt zur Anreicherung von Arsen in Schalen- und Krustentieren.
Arsen kann auf vielfältige Weise in die Umwelt gelangen und Grund- und Trinkwasser verunreinigen, was aufgrund seiner Toxizität weltweit ein zunehmendes Problem ist.
Von Bedeutung ist die Verwendung von Arsen in der Halbleiterindustrie und als Legierungselement. Trotz ihrer Toxizität spielen Arsenverbindungen auch in der Medizin eine Rolle.
Die wichtigsten Abbauländer sind Peru, China und Marokko.
Als größte Arsenmine der Welt gilt Real de Angeles in Mexiko, wo das Element als Nebenprodukt der Zinkförderung anfällt. Bedeutender Arsenproduzent ist auch die Yongzhou Mine in China.
Zu den wichtigsten Unternehmen, die Arsen herstellen sind Yunnan Luoping Zinc & Electricity (China), Codelco (Chile) und Managem (Marokko).
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Geschichte
Bereits im Altertum waren arsenhaltige Mineralien wie Realgar, Auripigment und Arsenolith (Arsenik) bekannt. Therapeutische Präparate von Realgar bzw. Auripigment werden in der traditionellen chinesischen Medizin seit mindestens 2400 Jahren verwendet, etwa gegen Parasiten oder zur Behandlung von Neurodermitis. Auch aus dem antiken Griechenland und Rom sind Berichte zur Therapie von Asthma und Hautkrankheiten bekannt.
Die Verbindung Arsenik ist bereits in der Antike als Mordgift verwendet worden. Einer der ersten dokumentierten Arsenmorde wird Nero zugeschrieben. Ab dem 17. Jahrhundert häuften sich Giftmorde, die erst 1836 zurückgingen, nachdem James Marsh eine Methode entwickelte, mit der Arsen in Geweben nachgewiesen werden kann.
Die Entdeckung elementaren Arsens schreibt man dem Regensburger Bischof Albertus Magnus zu, es war aber der Apotheker Johann Schroeder, der Arsen 1649 mit Kohle hergestellt hat.
Ende des 18. Jahrhunderts entwickelte Thomas Fowler eine Tinktur (Fowlersche Lösung), die etwa 150 Jahre lang als Allheilmittel verwendet wurde. Eines der bekanntesten arsenbasierten Medikamente ist Arsphenamin, das die Firma Hoechst zur Behandlung von Syphilis 1910 auf den Markt gebracht hat. Gegen die parasitäre Schlafkrankheit hat man in Afrika seit 1922 mit Erfolg Tryparsamid verwendet, das später durch Melarsoprol, einer weiteren Arsenverbindung, ersetzt wurde. Trotz der hohen Toxizität und der zum Teil tödlichen Nebenwirkungen, wird Melarsoprol aus Mangel an Alternativen noch heute zur Behandlung der Schlafkrankheit eingesetzt. Seit 2003 darf in den USA und einigen europäischen Ländern ein Arsenik-enthaltendes Medikament gegen Promyelozytenleukämie, die unbehandelt rasch zum Tode führt, eingesetzt werden.
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Verwendung
2024 wurden weltweit schätzungsweise 58.000 Tonnen Arsentrioxid hergestellt.
Zu den wichtigsten kommerziellen Verbindungen zählen Arsenoxide, die auch als „weißes Arsen“ bezeichnet werden. Arsenoxide sind der Ausgangsstoff für die meisten anderen Arsenverbindungen.
Der Großteil von Arsen wird als Arsentrioxid und Diarsenpentaoxid verwendet, die wichtiger Bestandteil in zahlreichen Herbiziden und Pestiziden sind. In den USA werden große Mengen Arsentrioxid zur Herstellung von Arsensäure verwendet, die ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung von Konservierungsmitteln für Holz für nichtprivate Verwendung, etwa für Lichtmasten, maritime Anwendungen und Stützmauern.
Wegen der Umweltrisiken ist die Anwendung von arsenhaltigen Herbiziden, Pestiziden und Holzschutzmitteln weltweit jedoch am Zurückgehen. In der EU etwa ist ihre Verwendung wegen zahlreichen Verboten sehr stark eingeschränkt und spielt daher kaum eine Rolle.
Der weltweite Verbrauch von metallischem Arsen ist relativ gering und beträgt nur einige Hundert Tonnen pro Jahr. Die wichtigste Anwendung von hochreinem Arsenmetall liegt in der Halbleiterindustrie, wo es mit Silizium und Germanium sowie in Form von Galliumarsenid (GaAs) für Dioden, Laser und Transistoren verwendet wird.
Ein wichtiger Hersteller von hochreinem Arsen ist die Firma PPM High Purity Metals aus Sachsen-Anhalt und dem Wafer-Hersteller Freiberger Compound Materials (FCM) gehört. Der Arsenverbrauch für diese Anwendungen macht jedoch nur 0,1 Prozent des EU-Bedarfs.
70 Prozent des Arsenverbrauchs der EU gehen in die Herstellung von Zink, 18 Prozent in die Glasindustrie.
Arsen ist auch Bestandteil von Legierungen. In Bleilegierungen verbessert Arsen die Fließeigenschaften, härtet das Material und macht es korrosionsbeständiger. Dies ist sehr wichtig bei der Herstellung von bleibasierten Batterien und Akkumulatoren, aber auch für Bleimunition.
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Vorkommen, Abbau, Gewinnung
Wenngleich Arsen selten gediegen als Scherbenkobalt bzw. Fliegenstein vorkommen kann, tritt es meist in sulfidischen Erzen wie Realgar und Auripigment auf.
Führendes Abbauland ist Peru, gefolgt von China. Marokko rangiert mit großem Abstand an dritter Stelle. 95 Prozent der weltweiten Produktion kommen aus diesen drei Ländern.
Arsen entsteht hauptsächlich als Nebenprodukt bei der Verarbeitung verschiedener Erze, kommt aber besonders in Verbindung mit Kupfer-Gold-Erzen vor (Chile, Kanada). Arsen entsteht zudem als Nebenprodukt beim Rösten von Kupfer-, Blei- und bestimmten anderen Metallerzen sowie beim Rösten von Arsenopyrit- und Arsensulfiderzen.
Zu den größten Produzenten von Arsen gehören Yunnan Copper und Hunan Gold Group in China, Managem Group in Marokko, KazZinc in Kasachstan, Ural Mining and Metallurgical Company in Russland und Umicore in Belgien.
Wichtigstes Produktionsland von Arsentrioxid in der EU ist Belgien. Das Land deckt 67 Prozent des Arsenbedarfs der EU. 2022 produzierte Belgien 1000 Tonnen Arsenoxid.
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Substitution
Viele Halbleiterhersteller wechseln von Gallium-Arsenid(GaAs)- und Silizium-basierten lateral diffundierten Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren zu solchen mit Galliumnitrid.
Indiumphosphid-Komponenten können GaAs-basierte Infrarot-Laserdioden in einigen Wellenlängenanwendungen ersetzen. Helium-Neon-Laser konkurrieren mit GaAs in sichtbaren Laserdiodenanwendungen.
Silizium ist der Hauptkonkurrent von GaAs in Solarzellenanwendungen.
In vielen Anwendungen der Rüstungsindustrie werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften GaAs-basierte integrierte Schaltkreise eingesetzt, für die es in diesen Anwendungen keine wirksamen Alternativen gibt.
In Heteroübergangs-Bipolartransistoren wird GaAs in einigen Anwendungen durch Silizium-Germanium ersetzt.
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