Мышьяк - классический яд средневековых и современных отравителей
и лекарство в современной спортивной и реабилитационной медицине
Токсические и ядовитые камни и минералы
Мышьяк (лат. Arsenicum), As, химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 33, атомная масса 74,9216; кристаллы серо-стального цвета. Элемент состоит из одного устойчивого изотопа 75 As. Ядовитый в любом виде, лекарство.
Историческая справка.
Природные соединения мышьяка с серой (аурипигмент As 2 S 3 , реальгар As 4 S 4) были известны народам древнего мира, которые применяли эти минералы как лекарства и краски. Был известен и продукт обжигания сульфидов мышьяка - оксид мышьяка (III) As 2 O 3 ("белый мышьяк").
Название arsenikon встречается уже в начале н.э.; оно произведено от греческого arsen - сильный, мужественный и служило для обозначения соединений мышьяка (по их действию на организм). Русское название, как полагают, произошло от "мышь" ("смерть" - по применению препаратов мышьяка для убийства яков, а также истребления мышей и крыс). Химическое получение мышьяка в свободном состоянии приписывают 1250 году н.э. В 1789 году А. Лавуазье включил мышьяк в список химических элементов.
Мышьяк. Белореченское м-ние, Сев. Кавказ, Россия. ~10x7 см. Фото: А.А. Евсеев.
Распространение мышьяка в природе.
Среднее содержание мышьяк в земной коре (кларк) 1,7*10 -4 % (по массе), в таких количествах он присутствует в большинстве изверженных пород. Поскольку соединения мышьяка летучи при высоких температурах (сухая вулканическая возгонка на батолитах), элемент возгоняется в амтосферу и воздух в виде металлических паров (миражи – воздух внизу рябит) не накапливается при возгоночных по трещинам и трубкам магматических лавовых процессах; он концентрируется, осаждаясь из паров и горячих глубинных вод на катализаторах кристаллообразования – металлическом железе (вместе с S, Se, Sb, Fe, Co, Ni, Cu и другими элементами).
При извержении вулканов (при сухой возгонке мышьяка) мышьяк в виде своих летучих соединений попадает в атмосферу. Так как мышьяк многовалентен, на его миграцию оказывает влияние окислительно-восстановительная среда. В окислительных условиях земной поверхности образуются арсенаты (As 5+) и арсениты (As 3+).
Это редкие минералы, встречающиеся на участках месторождений мышьяка. Еще реже встречается самородный мышьяк и минералы As 2+ . Из минералов и соединений мышьяка (около 180) промышленное значение имеет арсенопирит FeAsS (атом железа – центр формирования пирита, формула стартового "однокристалла" - Fe + (As + S)).
Арсенопиритовая жила. Трифоновская шх., Кочкарское м-ние (Au), Пласт, Ю. Урал, Россия. Мышьяки. Фото: А.А. Евсеев.
Малые количества мышьяка необходимы для жизни. Однако в районах месторождений мышьяка и деятельности молодых вулканов почвы местами содержат до 1% мышьяка, с чем связаны болезни скота, гибель растительности. Накопление мышьяка особенно характерно для ландшафтов степей и пустынь, в почвах которых мышьяк малоподвижен. Во влажном климате и при поливе растений и почв мышьяк вымывается из почв.
В живом веществе в среднем 3·10 -5 % мышьяка, в реках 3·10 -7 %. Мышьяк, приносимый реками в океан, сравнительно быстро осаждается. В морской воде 1*10 -7 % мышьяка (там много золота, которое его вытесняет), но зато в глинах и сланцах мышьяка (по берегам рек и водоемов, в глинистых черных формированиях и по краям карьеров) - 6,6*10 -4 %. Осадочные железные руды, железомарганцевые и иные железные конкреции часто обогащены мышьяком.
Физические свойства мышьяка.
Мышьяк имеет несколько аллотропических модификаций. При обычных условиях наиболее устойчив так называемых металлический, или серый, мышьяк (α-As) - серостальная хрупкая кристаллическая маса (по свойствам – как пирит, золотая обманка, железный колчедан); на свежем изломе имеет металлический блеск, на воздухе быстро тускнеет, так как покрывается тонкой пленкой As 2 O 3 .
Мышьяк редко именуется серебряная обманка – дело о Приказчиках царя А.М. Романова в середине XVII в., "серебришко", не ковкое, бывает в порошке, можно размолоть - яд для Царя Всея Руси. Самый знаменитый Испанский скандал в таверне отравителей у мельницы "Дон Кихот" по дороге в г. Альмаден, Испания, где на Европейском континенте добывают красную киноварь (скандалы о продажах девственников Краснодарского Края РФ, пос. Новый, кристаллическая красная киноварь, не хотят работать).
Арсенопирит. Друза призматических кристаллов со сферолитами кальцита. Фрайберг, Саксония, Германия. Фото: А.А. Евсеев.
Кристаллическая решетка серого мышьяка ромбоэдрическая (а = 4,123Å, угол α = 54 o 10", х = 0,226), слоистая. Плотность 5,72 г/см 3 (при 20 o C), удельное электрическое сопротивление 35*10 -8 ом*м, или 35*10 -6 ом*см, температурный коэффициент электросопротивления 3,9·10 -3 (0 o -100 o C), твердость по Бринеллю 1470 Мн/м 2 , или 147 кгс/мм 2 (3-4 по Moocy); мышьяк диамагнитен.
Под атмосферным давлением мышьяк возгоняется при 615 o C не плавясь, так как тройная точка α-As лежит при 816 o C и давлении 36 aт.
Пар мышьяка состоит до 800 o C из молекул As 4 , выше 1700 o C - только из As 2 . При конденсации пара мышьяка на поверхности, охлаждаемой жидким воздухом, образуется желтый мышьяк - прозрачные, мягкие как воск кристаллы, плотностью 1,97 г/см 3 , похожие по свойствам на белый фосфор.
При действии света или при слабом нагревании он переходит в серый мышьяк. Известны стекловидно-аморфные модификации: черный мышьяк и бурый мышьяк, которые при нагревании выше 270 o C превращаются в серый мышьяк
Химические свойства мышьяка.
Конфигурация внешних электронов атома мышьяка 3d 10 4s 2 4p 3 . B соединениях мышьяк имеет степени окисления +5, +3 и -3. Серый мышьяк менее активен химически, чем фосфор. При нагревании на воздухе выше 400 o C мышьяк горит, образуя As 2 O 3 .
С галогенами мышьяк соединяется непосредственно; при обычных условиях AsF 5 - газ; AsF 3 , AsCl 3 , AsBr 3 - бесцветные летучие жидкости; AsI 3 и As 2 I 4 - красные кристаллы. При нагревании мышьяка с серой получены сульфиды: оранжево-красный As 4 S 4 и лимонно-желтый As 2 S 3 .
Бледно-желтый серебристый сульфид As 2 S 5 (арсенопирит ) осаждается при пропускании H 2 S в охлаждаемый льдом раствор мышьяковой кислоты (или ее солей) в дымящей соляной кислоте: 2H 3 AsO 4 + 5H 2 S = As 2 S 5 + 8H 2 O; около 500 o C он разлагается на As 2 S 3 и серу.
Все сульфиды мышьяка нерастворимы в воде и разбавленных кислотах. Сильные окислители (смеси HNO 3 + HCl, HCl + KClO 3) переводят их в смесь H 3 AsO 4 и H 2 SO 4 .
Сульфид As 2 S 3 легко растворяется в сульфидах и полисульфидах аммония и щелочных металлов, образуя соли кислот - тиомышьяковистой H 3 AsS 3 и тиомышьяковой H 3 AsS 4 .
С кислородом мышьяк дает оксиды: оксид мышьяка (III) As 2 O 3 - мышьяковистый ангидрид и оксид мышьяка (V) As 2 O 5 - мышьяковый ангидрид. Первый из них образуется при действии кислорода на мышьяк или его сульфиды, например 2As 2 S 3 + 9O 2 = 2As 2 O 3 + 6SO 2 .
Пары As 2 O 3 конденсируются в бесцветную стекловидную массу, которая с течением времени становится непрозрачной вследствие образования мелких кристаллов кубической сингонии, плотность 3,865 г/см 3 . Плотность пара отвечает формуле As 4 O 6 ; выше 1800 o C пар состоит из As 2 O 3 .
В 100 г воды растворяется 2,1 г As 2 O 3 (при 25 o C). Оксид мышьяк (III) - соединение амфотер-ное, с преобладанием кислотных свойств. Известны соли (арсениты), отвечающие кислотам ортомышьяковистой H 3 AsO 3 и метамышьяковистой HAsO 2 ; сами же кислоты не получены. В воде растворимы только арсениты щелочных металлов и аммония.
As 2 O 3 и арсениты обычно бывают восстановителями (например, As 2 O 3 + 2I 2 + 5H 2 O = 4HI + 2H 3 AsO 4), но могут быть и окислителями (например, As 2 O 3 + 3C = 2As + ЗСО).
Оксид мышьяка (V) получают нагреванием мышьяковой кислоты H 3 AsO 4 (около 200 o C). Он бесцветен, около 500 o C разлагается на As 2 O 3 и O 2 . Мышьяковую кислоту получают действием концентрированной HNO 3 на As или As 2 O 3 .
Соли мышьяковой кислоты (арсенаты) нерастворимы в воде, за исключением солей щелочных металлов и аммония. Известны соли, отвечающие кислотам ортомышьяковой H 3 AsO 4 , метамышьяковой HAsO 3 и пиромышьяковой H 4 As 2 O 7 ; последние две кислоты в свободном состоянии не получены. При сплавлении с металлами мышьяк по большей части образует соединения (арсениды).
Получение мышьяка.
Мышьяк получают в промышленности нагреванием мышьякового колчедана:
FeAsS = FeS + As
или (реже) восстановлением As 2 O 3 углем. Оба процесса ведут в ретортах из огнеупорной глины, соединенных с приемником для конденсации паров мышьяка.
Мышьяковистый ангидрид получают окислительным обжигом мышьяковых руд или как побочный продукт обжига полиметаллических руд, почти всегда содержащих мышьяк. При окислительном обжиге образуются пары As 2 O 3 , которые конденсируются в уловительных камерах.
Сырой As 2 O 3 очищают возгонкой при 500-600 o C. Очищенный As 2 O 3 служит для производства мышьяка и его препаратов.
Применение мышьяка.
Небольшие добавки мышьяка (0,2-1,0% по массе) вводят в свинец, служащий для производства ружейной дроби (мышьяк повышает поверхностное натяжение расплавленного свинца, благодаря чему дробь получает форму, близкую к сферической; мышьяк несколько увеличивает твердость свинца). Как частичный заменитель сурьмы мышьяк входит в состав некоторых баббитов и типографских сплавов.
Чистый мышьяк не ядовит, но все его соединения, растворимые в воде или могущие перейти в раствор под действием желудочного сока, чрезвычайно ядовиты; особенно опасен мышьяковистый водород. Из применяемых на производстве соединений мышьяка наиболее токсичен мышьяковистый ангидрид.
Примесь мышьяка содержат почти все сульфидные руды цветных металлов, а также железный (серный) колчедан. Поэтому при их окислительном обжиге, наряду с сернистым ангидридом SO 2 , всегда образуется As 2 O 3 ; большая часть его конденсируется в дымовых каналах, но при отсутствии или малой эффективности очистных сооружений отходящие газы рудообжигательных печей увлекают заметные количества As 2 O 3 .
Чистый мышьяк, хотя и не ядовит, но при хранении на воздухе всегда покрывается налетом ядовитого As 2 O 3 . При отсутствии правильно выполненной вентиляции крайне опасно травление металлов (железа, цинка) техническими серной или соляной кислотами, содержащими примесь мышьяка, так как при этом образуется мышьяковистый водород.
Мышьяк в организме.
В качестве микроэлемента мышьяк повсеместно распространен в живой природе. Среднее содержание мышьяка в почвах 4*10 -4 %, в золе растений - 3*10 -5 %. Содержание мышьяка в морских организмах выше, чем в наземных (в рыбах 0,6-4,7 мг в 1 кг сырого вещества, накапливается в печени).
Наибольшее количество его (на 1 г ткани) обнаруживается в почках и печени (при приеме в пищу – в мозгах не накапливается). Много мышьяка содержится в легких и селезенке, коже и волосах; сравнительно мало - в спинномозговой жидкости, головном мозге (главном образом - в гипофизе), половых железах и других.
В тканях мышьяк находится в основной белковой фракции ("камень культуристов и спортсменов"), значительно меньше - в кислоторастворимой и лишь незначительная часть его обнаруживается в липидной фракции. Им лечат прогрессирующую мышечную дистрофию – в мозге и костях не накапливается (допинг спорта, лечат заложникво и узников конлагерей типа "Освенцем" в Польше, ЕС, 1941-1944 гг.).
Мышьяк участвует в окислительно-восстановительных реакциях: окислительном распаде сложных биологических углеводов и сахаров, брожении, гликолизе и т.п. Улучшает умственные способности (содейсвует процессу расщепления сахаров в мозге). Соединения мышьяка применяют в биохимии как специфические ингибиторы ферментов для изучения реакций обмена веществ. Содействует распаду биологических тканей (ускоряет). Активно применяется в стоматологии и онкологии - по ликвидации быстро растущих и рано стареющих раковых клеток и опухолей.
Смесь (твердый сульфидный сплав) таллия, мышьяка и свинца: Гутчинсонит (Хатчинсонит)
Формула минерала (Pb, Tl)S` Ag2S * 5 As2 S5 - сложная сульфидная и адсенидная твердосплавная соль. Ромб. Кристаллы призматические до игольчатых. Спайность совершенная по {010}. Агрегаты радиальноигольчатые, зернистые. Твердость 1,5-2. Удельный вес 4,6. Красный. Блеск алмазный. В гидротермальных месторождениях с доломитом, с сульфидами и арсенидами Zn, Fe, As и сульфоарсенидами. Результат сухой серной и мышьяковистой возгонки магмы через кальдеры и открытые жерла вулканов, а также сухой возгонки через трещины в глубинных магматических плутонитах из раскаленной магмы Земли. Содержит серебро. Входит в число десяти очень опасных для здоровья человека и животных и канцерогенных камней и минералов, кристаллизующихся в современных условиях среди других горных пород в виде вредной, опасной для здоровья (при самовольном обращении) и обманчивой рудной красоты. На фото - хатчинсонит с аурипигментом.
Ядовитые минералы. Гутчинсонит - назван по фамилии минералога Hutchinson из Кембриджского университета и по виду напоминает свинец (его могут использовать для защиты от радиации). Открыт в 1861 году. Смертельно опасная смесь (твердый сплав) таллия, мышьяка и свинца. Контакт с этим минералом может привести к выпадению волос (алопеция, облысение, плешивость), сложным заболеваниям кожи и к летальному исходу (смерти). Ядовитыми являются все его основные компоненты. Очень похож на свинец, самородное серебро, пирит ("сухой пирит") и арсенопирит. Похож также на антимонит (соединение сурьмы, тоже очень ядовитое). Похож также на цеолиты. Гутчинсонит является опасной и поразительной твердосплавной смесью таллия, свинца и мышьяка. Три редких, очень дорогих и ценных рудных металла образуют ядовитый смертельный коктейль минералов, с которым нужно обращаться с предельной осторожностью. Воздействуют на мозг, сердце и печень одновременно.
Таллий - мрачный двойник свинца. Этот плотный, жирный металл похож на свинец по атомной массе, но является еще более смертоносным. Таллий является редким металлом, который появляется в очень токсичных соединениях, состоящих из странных комбинаций элементов (твердые сплавы). Эффекты воздействия таллия опаснее свинца, и включают потерю волос (алопецию, облысение), серьезные заболевания при контакте с кожей и во многих случаях приводят к смерти. Гутчинсонит был назван в честь Джона Хатчинсона (John Hutchinson), известного минералога из Кембриджского университета. Этот минерал можно найти в горных районах Европы, чаще всего в рудных месторождениях. Минерал, популярный в медицинской стоматологии и др. Минерал боятся алкоголики.
Гутчинсонит (Хатчинсонит) иногда в шутку называют "сухим" или "твердым спиртом", "твердым алкоголем" (и не только за вредное воздействие опьяняющим отравлением на организм и здоровье человека). Химическая формула пищевого спирта (алкоголь) - С2 Н5 (ОН). Гутчинсонит (Хатчинсонит) имеет химическую формулу - 5 As2 S5 * (Pb, Tl) S` Ag2 S или 5 As2 S5 * (Pb, Tl) S` Ag Ag S. Формулу Гутчинсонита (Хатчинсонита) иногда переписывают иначе - As2 S5 * (Pb) + As2 S5 * (Tl) + As2 S5 * S + As2 S5 * Ag + As2 S5 * AgS. Химическое разделение компонентов на производстве также выполняется по типу разных спиртов (слои механического обогащения, различные по массе и весу, которые дробят ультразвуком и сепарируют в центрифуге или на виброплатформе - фильм ужасов "Чужие"). Возможны другие схожие варианты химической формулы (состав варьируется).
ДОПОГ 6.1
Токсичные вещества (яд)
Риск отравления при вдыхании, контакте с кожей или проглатывании. Составляют опасность для водной окружающей среды или канализационной системы
Использовать маску для аварийного оставления транспортного средства
ДОПОГ 3
Легковоспламеняющиеся жидкости
Риск пожара. Риск взрыва. Емкости могут взрываться при нагревании (сверхопасны – легко горят)
ДОПОГ 2.1
Легковоспламеняющиеся газы
Риск пожара. Риск взрыва. Могут находиться под давлением. Риск удушья. Могут вызывать ожоги и/или отморожения. Емкости могут взрываться при нагревании (сверхопасны - практически не горят)
Использовать укрытие. Избегать низких участков поверхности (ям, низин, траншей)
Красный ромб, номер ДОПОГ, черное или белое пламя
ДОПОГ 2.2
Газовый баллон
Невоспламеняющиеся, нетоксичные газы.
Риск удушья. Могут находиться под давлением. Могут вызывать отморожение (похоже на ожог - бледность, пузыри, черная газовая гангрена - скрип). Емкости могут взрываться при нагревании (сверхопасны – взрыв от искры, пламени, спички, практически не горят)
Использовать укрытие. Избегать низких участков поверхности (ям, низин, траншей)
Зеленый ромб, номер ДОПОГ, черный или белый газовый баллон (типа "баллон", "термос")
ДОПОГ 2.3
Токсичные газы
. Череп и скрещенные кости
Опасность отравления. Могут находиться под давлением. Могут вызывать ожоги и/или отморожения. Емкости могут взрываться при нагревании (сверхопасны – мгновенное распространение газов по окрестности)
Использовать маску для аварийного оставления транспортного средства. Использовать укрытие. Избегать низких участков поверхности (ям, низин, траншей)
Белый ромб, номер ДОПОГ, черный череп и скрещенные кости
| Наименование особо опасного при транспортировке груза | Номер ООН | Класс ДОПОГ |
| Мышьяка (III) окисел АРСЕНА ТРИОКСИД | 1561 | 6.1 |
| 1685 | 6.1 | |
| 1557 | 6.1 | |
| 1561 | 6.1 | |
| Кальций мышьяковистокислый АРСЕНАТА СОЕДИНЕНИЕ ТВЕРДОЕ, Н.З.К. неорганическое включая: Арсенати, н.з.к., Арсенит, н.з.к., Арсена сульфиды, н.з.к. | 1557 | 6.1 |
| Кальций мышьяковокислый КАЛЬЦИЯ АРСЕНАТ | 1573 | 6.1 |
| КАЛЬЦИЯ АРСЕНАТ | 1573 | 6.1 |
| КАЛЬЦИЯ АРСЕНАТА И КАЛЬЦИЯ АРСЕНИТА СМЕСЬ ТВЕРДАЯ | 1574 | 6.1 |
| Кальция арсенит | 1557 | 6.1 |
| АММОНИЯ АРСЕНАТ | 1546 | 6.1 |
| Ангидрид мышьяковистый АРСЕНА ТРИОКСИД | 1561 | 6.1 |
| АРСЕН | 1558 | 6.1 |
| АРСЕНОВАЯ ПЫЛЬ | 1562 | 6.1 |
| Арсеноводород Арсин | 2188 | 2 |
| Арсено-содовый раствор | 1556 | 6.1 |
| АРСЕНА БРОМИД | 1555 | 6.1 |
| АРСЕНА ПЕНТАОКСИД | 1559 | 6.1 |
| АРСЕНА СОЕДИНЕНИЕ ЖИДКОЕ, Н.З.К. неорганическое, включая: Арсенати, н.з.к., Арсенит, н.з.к., но Арсена сульфиды, н.з.к. | 1556 | 6.1 |
| АРСЕНА СОЕДИНЕНИЕ ТВЕРДОЕ, Н.З.К. неорганическое, включая: Арсенати, н.з.к., Арсенит, н.з.к., но Арсена сульфиды, н.з.к. | 1557 | 6.1 |
| АРСЕНА ТРИОКСИД | 1561 | 6.1 |
| АРСЕНА ТРИХЛОРИД | 1560 | 6.1 |
| АРСИН | 2188 | 2 |
| ЖЕЛЕЗА (II) АРСЕНАТ | 1608 | 6.1 |
| ЖЕЛЕЗА (III) АРСЕНАТ | 1606 | 6.1 |
| ЖЕЛЕЗА (III) АРСЕНИТ | 1607 | 6.1 |
| КАЛИЯ АРСЕНАТ | 1677 | 6.1 |
| КАЛИЯ АРСЕНИТ | 1678 | 6.1 |
| КИСЛОТА АРСЕНОВАЯ ТВЕРДАЯ | 1554 | 6.1 |
| КИСЛОТА АРСЕНОВАЯ ЖИДКАЯ | 1553 | 6.1 |
| МАГНИЯ АРСЕНАТ | 1622 | 6.1 |
| МЕДИ АРСЕНИТ | 1586 | 6.1 |
| МЕДИ АЦЕТОАРСЕНИТ | 1585 | 6.1 |
| Натрий арсенистокислий НАТРИЯ АРСЕНИТ ТВЕРДЫЙ | 2027 | 6.1 |
| Натрий мышьяковокислый НАТРИЯ АРСЕНАТ | 1685 | 6.1 |
| НАТРИЯ АЗИД | 1687 | 6.1 |
| НАТРИЯ АРСЕНАТ | 1685 | 6.1 |
| НАТРИЯ АРСЕНИТ ТВЕРДЫЙ | 2027 | 6.1 |
| НАТРИЯ АРСЕНИТА ВОДНЫЙ РАСТВОР | 1686 | 6.1 |
| Олова арсенид | 1557 | 6.1 |
| Олово мышьяковистое Олова арсенит | 1557 | 6.1 |
| 2760 | 3 | |
| ПЕСТИЦИД АРСЕНОСОДЕРЖАЩИЙ ЖИКИЙ ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИЙСЯ ТОКСИЧНЫЙ с температурой возгорания менее 23 o С | 2760 | 3 |
| ПЕСТИЦИД АРСЕНОСОДЕРЖАЩИЙ ТВЕРДЫЙ ТОКСИЧНЫЙ | 2759 | 6.1 |
| ПЕСТИЦИД АРСЕНОСОДЕРЖАЩИЙ ЖИДКИЙ ТОКСИЧНЫЙ | 2994 | 6.1 |
| ПЕСТИЦИД АРСЕНОСОДЕРЖАЩИЙ ЖИКИЙ ТОКСИЧНЫЙ ЛЕГКОВОСПЛАМЕНЯЮЩИЙСЯ с температурой возгорания не менее 23 o С | 2993 | 6.1 |
| РТУТИ (II) АРСЕНАТ | 1623 | 6.1 |
| СВИНЦА АРСЕНАТИ | 1617 | 6.1 |
| СВИНЦА АРСЕНИТ | 1618 | 6.1 |
| СОЕДИНЕНИЕ АРСЕНО-ОРГАНІЧНА, ЖИДКОЕ, Н.З.К. | 3280 | 6.1 |
| СОЕДИНЕНИЕ АРСЕНО-ОРГАНИЧЕСКОЕТВЕРДОЕ, Н.З.К.* | 3465 | 6.1 |
| СЕРЕБРА АРСЕНИТ | 1683 | 6.1 |
| СТРОНЦИЯ АРСЕНИТ | 1691 | 6.1 |
| ЦИНКА АРСЕНАТ, ЦИНКА АРСЕНИТ или ЦИНКА АРСЕНАТА И ЦИНКА АРСЕНИТА СМЕСЬ | 1712 | 6.1 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
РЕФЕРАТ
По дисциплине: «Строительные материалы»
На тему: «Мышьяк – элемент таблицы Менделеева»
Выполнил: студент I курса, гр. С12-1
№ зачетной книжки 008
Долгий П.В.
Проверил: Тенкачев Ш.З.
ВВЕДЕНИЕ
Мышьяк это элемент, не очень распространенный, но достаточно широко известный, элемент, свойства которого до несовместимости противоречивы. Так же трудно совместить и роли, которые играл и играет этот элемент в жизни человечества.
Уникальность мышьяка состоит в том, что его можно найти повсюду – в горных породах, минералах, воде, почве, в животных и растениях. Его даже называют вездесущим элементом. Мышьяк распределяется по разным географическим регионам Земли благодаря летучести его соединений и высокой их растворимости в воде. Если климат региона влажный, то элемент вымывается из земли и затем уносится грунтовыми водами. В поверхностных водах и в глубинах рек содержится от 3 мкг/л до 10 мкг/л вещества, а в морской и океанской воде – гораздо меньше, около 1 мкг/л. Мышьяк встречается в организме взрослого человека в количестве примерно 15 мг. Большая часть его содержится в печени, лёгких, тонком кишечнике и эпителии. Всасывание вещества происходит в желудке и кишечнике. Антагонистами вещества являются фосфор, сера, селен, витамины E, C, а также некоторые аминокислоты. В свою очередь, вещество ухудшает всасывание организмом селена, цинка, витаминов A, E, C, фолиевой кислоты. Секрет его пользы – в его количестве: в малой дозе он выполняет ряд полезных функций; а в больших является сильнейшим ядом.
Таким образом, в разное время, в разных обстоятельствах, в разном виде он выступает как яд и как целительное средство, как вредный и опасный отход производства и как компонент полезнейших, незаменимых веществ.
Цель работы: Целью работы явилось исследование влияния мышьяка и препаратов на его основе на организм человека и окружающую среду а так же его применение в производстве.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Дана общая характеристика мышьяку;
2. Рассмотрены физико-химические свойства, токсические свойства, механизм токсического действия мышьяка;
3. Рассмотрены способы и виды применения мышьяка;
4. Сделано заключение о проделанной работе.
ГЛАВА 1.ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТА
Мышьяк (лат. Arsenicum), As, химический элемент V группы периодической системы Менделеева, атомный номер 33, атомная масса 74,9216; кристаллы серо-стального цвета. Зеленоватый полуметалл.
Элемент состоит из одного устойчивого изотопа 75 As. Русское название, как полагают, произошло от слова «мышь» (по применению препаратов Мышьяка для истребления мышей и крыс). Получение Мышьяка в свободном состоянии приписывают Альберту Великому около 1250 года. В 1789 году А. Лавуазье включил Мышьяк в список химических элементов.
Содержание мышьяка в земной коре всего 0,0005%, но этот элемент достаточно активен, и потому минералов, в состав которых входит мышьяк, свыше 120. Главный промышленный минерал мышьяка – арсенопирит FeAsS. Крупные медно-мышьяковые месторождения есть в США, Швеции, Норвегии и Японии, мышьяково-кобальтовые – в Канаде, мышьяково-оловянные – в Боливии и Англии. Кроме того, известны золото-мышьяковые месторождения в США и Франции. Многочисленными месторождения мышьяка находятся в Якутии и на Кавказе, в Средней Азии и на Урале, в Сибири и на Чукотке, в Казахстане и в Забайкалье. Мышьяк – один из немногих элементов, спрос на которые меньше, чем возможности их производства.
Поскольку соединения Мышьяка летучи при высоких температурах, элемент не накапливается при магматических процессах; он концентрируется, осаждаясь из горячих глубинных вод (вместе с S, Se, Sb, Fe, Co, Ni, Cu и другими элементами). При извержении вулканов Мышьяк в виде своих летучих соединений попадает в атмосферу. Так как Мышьяк многовалентен, на его миграцию оказывает большое влияние окислительно-восстановительная среда. В окислительных условиях земной поверхности образуются арсенаты (As 5+) и арсениты (As 3+). Это редкие минералы, встречающиеся только на участках месторождений Мышьяка. Еще реже встречается самородный Мышьяк и минералы As 2+ . Из многочисленных минералов Мышьяка (около 180) основное промышленное значение имеет лишь арсенопирит FeAsS.
Малые количества Мышьяка необходимы для жизни. Однако в районах месторождений Мышьяка и деятельности молодых вулканов почвы местами содержат до 1% Мышьяка, с чем связаны болезни скота, гибель растительности. Накопление Мышьяка особенно характерно для ландшафтов степей и пустынь, в почвах которых Мышьяк малоподвижен. Во влажном климате Мышьяк легко вымывается из почв.
В живом веществе в среднем 3·10 -5 % Мышьяка, в реках 3·10 -7 %. Мышьяк, приносимый реками в океан, сравнительно быстро осаждается. В морской воде лишь 1·10 -7 % Мышьяка, но зато в глинах и сланцах 6,6·10 -4 %. Осадочные железные руды, железомарганцевые конкреции часто обогащены Мышьяком.
В сознании многих слова «яд» и «мышьяк» идентичны. Так уже сложилось исторически. Известны рассказы о ядах Клеопатры. В Риме славились яды Локусты. Обычным орудием устранения политических и прочих противников яд был также в средневековых итальянских республиках. В Венеции, например, при дворе держали специалистов-отравителей. И главным компонентом почти всех ядов был мышьяк.
В России закон, запрещающий отпускать частным лицам «купоросное и янтарное масло, крепкую водку, мышьяк и цилибуху», был издан еще в царствование Анны Иоанновны – в январе 1733 г. Закон был чрезвычайно строг и гласил: «Кто впредь тем мышьяком и прочими вышеозначенными материалы торговать станут и с тем пойманы или на кого донесено будет, тем и учинено будет жестокое наказание и сосланы имеют в ссылку без всякия пощады, тож ученено будет и тем, которые мимо аптек и ратуш у кого покупать будут. А ежели кто, купя таковые ядовитые материалы, чинить будет повреждение людям, таковые по розыску не токмо истязаны, но и смертию казнены будут, смотря по важности дела неотменно».
На протяжении веков соединения мышьяка привлекали (да и сейчас продолжают привлекать) внимание фармацевтов, токсикологов и судебных экспертов.
Но не только ядом является мышьяк, еще, мышьяк – лекарство. Ученые предполагают, что микродозы мышьяка повышают устойчивость организма к действию вредных микробов.
Врачи констатируют, что кариес зубов в наше время – самая распространенная болезнь. Трудно найти в наше время человека, у которого нет хотя бы одного пломбированного зуба. Болезнь начинается с разрушения известковых солей зубной эмали, и тогда начинают свое гадкое дело болезнетворные микробы. Начинается ее воспаление, и тогда врач, во избежание худшего, решает убить нерв. Подается команда: «мышьяк!», и на обнаженную инструментом пульпу кладут крупинку пасты величиной с булавочную головку. Мышьяковистая кислота, входящая в состав этой пасты, быстро диффундирует в пульпу (боль, которая при этом ощущается, не что иное, как «последний крик» умирающей пульпы), и через 24...48 часов все кончено – зуб мертв. Теперь врач может безболезненно удалить пульпу и аполнить пульповую камеру и корневые каналы антисептической пастой, а «дырку» запломбировать.
Не только в стоматологии пользуются мышьяком и его соединениями. Всемирную известность приобрел сальварсан, 606-й препарат Пауля Эрлиха – немецкого врача, открывшего в начале XX в. первое эффективное средство борьбы с люэсом.
На смену сальварсану пришли другие мышьяковистые препараты, более эффективные и менее токсичные, в частности его производные: новарсенол, миарсенол и др.
Используют в медицинской практике и некоторые неорганические соединения мышьяка. Мышьяковистый ангидрид As 2 O 3 , арсенит калия KAsO 2 , гидроарсенат натрия Na2HАsO 4 · 7H 2 O (в минимальных дозах, разумеется) тормозят окислительные процессы в организме, усиливают кроветворение. Те же вещества – как наружное – назначают при некоторых кожных заболеваниях. Именно мышьяку и его соединениям приписывают целебное действие некоторых минеральных вод.
Кроме всего прочего, мышьяк является оружием уничтожения.
Не секрет, что мышьяк широко использовали, а возможно, и сейчас используют в производстве химического оружия, не менее преступного, чем ядерное.
Соединения мышьяка входят во все основные группы известных боевых отравляющих веществ (ОВ). Среди общеядовитого действия – арсин, мышьяковистый водород AsH 3 . Это самое ядовитое из всех соединений мышьяка: достаточно в течение получаса подышать воздухом, в литре которого содержится 0,00005 г AsH 3 , чтобы через несколько дней отправиться на тот свет. Концентрация AsH 3 0,005 г/л убивает мгновенно. Считают, что биохимический механизм действия AsH 3 состоит в том, что его молекулы «блокируют» молекулы фермента эритроцитов – каталазы; из-за этого в крови накапливается перекись водорода, разрушающая кровь. Активированный уголь сорбирует арсин слабо, поэтому против арсина обычный противогаз не защитник.
Другая большая группа отравляющих веществ – вещества раздражающего действия – почти целиком состоит из соединений мышьяка. Ее типичные представители дифенилхлорарсин (С б Н 5) 2 АsСl и дифенилцианарсин (C 6 H 5) 2 AsCN.
Вещества этой группы избирательно действуют на нервные окончания слизистых оболочек – главным образом оболочек верхних дыхательных путей.
Среди отравляющих веществ кожно-нарывного действия – люизит, реагирующий с сульфоптдрильными SH-группами ферментов и нарушающий ход многих биохимических процессов. Впитываясь через кожу, люизит вызывает общее отравление организма. Это обстоятельство в свое время дало повод американцам рекламировать люизит под названием «роса смерти».
1.1. Физические свойства Мышьяка
Мышьяк имеет несколько аллотропических модификаций. При обычных условиях наиболее устойчив так называемых металлический, или серый, Мышьяк (α-As) - серостальная хрупкая кристаллическая масса; в свежем изломе имеет металлический блеск, на воздухе быстро тускнеет, так как покрывается тонкой пленкой As 2 O 3 . Кристаллическая решетка серого Мышьяка ромбоэдрическая (а = 4,123Å, угол α = 54°10", х == 0,226), слоистая. Плотность 5,72 г/см 3 (при 20 °C), удельное электрическое сопротивление 35·10 -8 ом·м, или 35·10 -6 ом·см, температурный коэффициент электросопротивления 3,9·10 -3 (0°-100 °C), твердость по Бринеллю 1470 Мн/м 2 , или 147 кгс/мм 2 (3-4 по Moocy); Мышьяк диамагнитен. Под атмосферным давлением Мышьяк возгоняется при 615 °C не плавясь, так как тройная точка α-As лежит при 816 °C и давлении 36 aт. Пар Мышьяка состоит до 800 °C из молекул As 4 , выше 1700 °C - только из As 2 . При конденсации пара Мышьяка на поверхности, охлаждаемой жидким воздухом, образуется желтый Мышьяк - прозрачные, мягкие как воск кристаллы, плотностью 1,97 г/см 3 , похожие по свойствам на белый фосфор. При действии света или при слабом нагревании он переходит в серый Мышьяк. Известны также стекловидно-аморфные модификации: черный Мышьяк и бурый Мышьяк, которые при нагревании выше 270 °C превращаются в серый Мышьяк.
1.2. Химические свойства Мышьяка
Конфигурация внешних электронов атома Мышьяка 3d 10 4s 2 4p 3 . B соединениях Мышьяк имеет степени окисления +5, +3 и -3. Серый Мышьяк значительно менее активен химически, чем фосфор. При нагревании на воздухе выше 400 °C Мышьяк горит, образуя As 2 O 3 . С галогенами Мышьяк соединяется непосредственно; при обычных условиях AsF 5 - газ; AsF 3 , AsCl 3 , AsBr 3 - бесцветные легко летучие жидкости; AsI 3 и As 2 I 4 - красные кристаллы. При нагревании Мышьяка с серой получены сульфиды: оранжево-красный As 4 S 4 и лимонно-желтый As 2 S 3 . Бледно-желтый сульфид As 2 S 5 осаждается при пропускании H 2 S в охлаждаемый льдом раствор мышьяковой кислоты (или ее солей) в дымящей соляной кислоте:
2H 3 AsO 4 + 5H 2 S = As 2 S 5 + 8H 2 O;
около 500 °C он разлагается на As 2 S 3 и серу. Все сульфиды Мышьяка нерастворимы в воде и разбавленных кислотах. Сильные окислители (смеси HNO 3 + HCl, HCl + KClO 3) переводят их в смесь H 3 AsO 4 и H 2 SO 4 . Сульфид As 2 S 3 легко растворяется в сульфидах и полисульфидах аммония и щелочных металлов, образуя соли кислот - тиомышьяковистой H 3 AsS 3 и тиомышьяковой H 3 AsS 4 . С кислородом Мышьяк дает оксиды: оксид Мышьяка (III) As 2 O 3 - мышьяковистый ангидрид и оксид Мышьяка (V) As 2 O 5 - мышьяковый ангидрид. Первый из них образуется при действии кислорода на Мышьяк или его сульфиды, например 2As 2 S 3 + 9O 2 = 2As 2 O 3 + 6SO 2 . Пары As 2 O 3 конденсируются в бесцветную стекловидную массу, которая с течением времени становится непрозрачной вследствие образования мелких кристаллов кубической сингонии, плотность 3,865 г/см 3 . Плотность пара отвечает формуле As 4 O 6 ; выше 1800 °C пар состоит из As 2 O 3 . В 100 г воды растворяется 2,1 г As 2 O 3 (при 25 °C). Оксид Мышьяк (III) - соединение амфотерное, с преобладанием кислотных свойств. Известны соли (арсениты), отвечающие кислотам ортомышьяковистой H 3 AsO 3 и метамышьяковистой HAsO 2 ; сами же кислоты не получены. В воде растворимы только арсениты щелочных металлов и аммония. As 2 O 3 и арсениты обычно бывают восстановителями (например, As 2 O 3 + 2I 2 + 5H 2 O = 4HI + 2H 3 AsO 4), но могут быть и окислителями (например, As2O3 + 3C = 2As + ЗСО).
Оксид Мышьяка (V) получают нагреванием мышьяковой кислоты H3AsO4 (около 200 °C). Он бесцветен, около 500 °C разлагается на As2O3 и O2. Мышьяковую кислоту получают действием концентрированной HNO3 на As или As2O3. Соли мышьяковой кислоты (арсенаты) нерастворимы в воде, за исключением солей щелочных металлов и аммония. Известны соли, отвечающие кислотам ортомышьяковой H3AsO4, метамышьяковой HAsO3 и пиромышьяковой H4As2O7; последние две кислоты в свободном состоянии не получены. При сплавлении с металлами Мышьяк по большей части образует соединения (арсениды).
1.3. Получение Мышьяка
Мышьяк получают в промышленности нагреванием мышьякового колчедана:
FeAsS = FeS + As
или (реже) восстановлением As2O3 углем. Оба процесса ведут в ретортах из огнеупорной глины, соединенных с приемником для конденсации паров Мышьяка. Мышьяковистый ангидрид получают окислительным обжигом мышьяковых руд или как побочный продукт обжига полиметаллических руд, почти всегда содержащих Мышьяк. При окислительном обжиге образуются пары As2O3, которые конденсируются в уловительных камерах. Сырой As2O3 очищают возгонкой при 500-600 °C. Очищенный As2O3 служит для производства Мышьяка и его препаратов.
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЫШЬЯКА
Около 98% всего добываемого мышьяка не используется в чистом виде. А вот его соединения получили популярность и применяются в разных отраслях промышленности. Ежегодно добывают и используют сотни тонн вещества. Его добавляют в состав подшипниковых сплавов для улучшения качества, используют при создании кабелей и свинцовых аккумуляторов для повышения твёрдости, применяют в сплавах с германием или кремнием при производстве полупроводниковых приборов. Мышьяк применяется как легирующая добавка, которая придает проводимость определенного типа «классическим» полупроводникам. Мышьяк является ценным материалом в цветной металлургии. При добавлении к свинцу в количестве 1%, повышается твёрдость сплава. Если в расплавлённый свинец добавить немного мышьяка, то в процессе отливки дроби выходят шарики сферической правильной формы. Добавка в медь усиливает её прочность, коррозионную стойкость и твёрдость. Благодаря этой добавке, текучесть меди увеличивается, что облегчает процесс волочения проволоки. Добавляют As в некоторые сорта латуней, бронз, типографских сплавов, баббитов. Но всё же металлурги стараются исключить из производственного процесса эту добавку, поскольку она очень вредна для человека. Более того, она вредна и для металлов, поскольку присутствие мышьяка в больших количествах ухудшает свойства многих сплавов и металлов.
Мышьяковистые соединения используют в качестве антисептического средства для предохранения от порчи, а также для консервирования мехов, шкур, чучел; для создания необрастающих красок для водного транспорта; для пропитки древесины. Биологическая активность некоторых производных As заинтересовала агрономов, работников санэпидслужбы, ветеринаров. В итоге были созданы мышьяксодержащие препараты, которые являлись стимуляторами продуктивности и роста; лекарственные средства для профилактики болезней скота; противоглистные средства. Мышьяксодержащие средства применяются для борьбы с грызунами, сорняками, насекомыми. Раньше их активно применяли для обработки хлопковых и табачных плантаций, фруктовых деревьев; для избавления скота от блох и вшей; для высушивания хлопковой плантации перед уборкой; для стимулирования роста в свиноводстве и птицеводстве. Землевладельцы в древнем Китае обрабатывали оксидом мышьяка посевы риса, чтобы сберечь их от грибковых заболеваний и крыс, и таким образом обезопасить урожай. Сейчас же, из-за ядовитости мышьяксодержащих веществ, их применение в сельском хозяйстве ограничено. Важнейшие области использования мышьяксодержащих веществ – производство микросхем, полупроводниковых материалов и волоконной оптики, плёночной электроники, а также выращивание для лазеров специальных монокристаллов. В этих случаях, как правило, применяют газообразный арсин. Арсениды индия и галлия применяют при изготовлении диодов, транзисторов, лазеров. В тканях и органах элемент в основном обнаруживается в белковой фракции, гораздо меньше его – в кислоторастворимой фракции и только незначительная его часть находится в липидной фракции. Он является участником окислительно-восстановительных реакций, без него невозможен окислительный распад сложных углеводов. Он участвует в брожении и гликолизе. Соединения этого вещества применяются в биохимии как специфические ферментные ингибиторы, которые нужны для изучения метаболических реакций. Он необходим человеческому организму в качестве микроэлемента. В медицине применение мышьяка гораздо менее обширное, чем в производстве. Тем не менее, диагностика разнообразных патологий и заболеваний, а также лечение стоматологических болезней производятся с использованием микроскопических доз мышьяка. Самое главное в мышьяке – это его токсичность для человеческого здоровья. Поскольку он негативно влияет на здоровье, то доскональным изучением его свойств занимается именно медицинская область науки, которая ищет методы уберечь человека от мышьяковой интоксикации или свести к минимуму её последствия.
2.2. Применение в строительстве
Еще древним стеклоделам было известно, что трехокись мышьяка делает стекло «глухим», то есть непрозрачным. Однако небольшие добавки этого вещества, напротив, осветляют стекло. В 1612 году во Флоренции был издан первый научный труд в области стеклоделия - книга монаха А. Нери. В ней говорится об использовании окиси мышьяка для удаления из стекла воздушных пузырьков. Для этой цели окислы мышьяка иногда применяют и в наши дни. Мышьяк входит в состав некоторых промышленных стекол, например полухрусталя (0,5%) и термометрического стекла, типа «йенского» (0,2%). В инфракрасной технике используют стекло на основе Аs2S3. Коэффициент теплового расширения такого стекла почти такой же, как у алюминия. Оно хорошо пропускает излучение с длиной волны от 1 до 12 микрон. А стекло, содержащее соединение мышьяка с селеном, хорошо пропуская инфракрасное излучение, для видимого света непрозрачно.
Так же Мышьяк применяется в процедуре предохраняющей обработки древесины (основная сфера потребления Мышьяка в США в 2001–2002 гг.) Но в связи с ужесточение экологического контроля, направленного на охрану здоровья человека, было принято решение о прекращении использования Мышьяка для обработки древесины, предназначенной для настила полов и наружной облицовки жилых зданий.
2.3. Мышьяк – стимулятор технического прогресса
Мышьяк применяют и сегодня, хотя наряду с его давно известными соединениями (а чаще и вместо них) используют сравнительно новые. Прежде всего это арсениды галлия и индия GaAs и InAs, а также твердые растворы этих соединений с фосфидами галлия и индия.
В 2012 рынок полупроводников на основе арсенида галлия (GaAs) продолжал развиваться, увеличивая спрос на мышьяк. Теперь значительный спрос на такие полупроводники исходит не только от рынка мобильных телефонов и других высокоскоростных беспроводных устройств, но и от рынка смартфонов. Китай – крупнейший производитель мышьяка, он поставляет 56,8% этого металла. Чили на втором месте с 22,7% долей рынка.
Кроме этого, темно-серый с фиолетовым отливом и металлическим блеском арсенид галлия – один из основных полупроводниковых материалов для интегральных микросхем, фотоприемников, солнечных батарей и деталей лазеров. Не меньше подобных областей применения у арсенида индия.
InAs используется в качестве материала при создании электронных приборов для сильноточной электроники, СВЧ электроники, оптических приемников и излучателей ИК диапазона. Он имеет преимущества по сравнению с кремнием и арсенидом галлия, ввиду большей подвижности носителей заряда.
Варьируя состав InAs, можно оптимизировать спектры излучения и чувствительности приёмников в ближнем ИК, что находит применение в оптоволоконных технологиях передачи данных, использующих ИК-излучение с длиной волн 1300 и 1550 нм.
На основе этого материала изготавливаются СВЧ-транзисторы.
GaInAs вытесняет германий в качестве материала для изготовления приёмников ближнего ИК, так как имеет значительно меньший темновой ток и находит применение в некоторых фотокамерах ближнего ИК.
Также InGaAs имеет меньший лавинный шум по сравнению с германием, в лавинных фотодиодах, где используется в виде лавинного слоя.
Перспективно применение GaInAs в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров, работающих на длинах волн 905 нм, 980 нм, 1060 нм и 1300 нм.
Квантовые точки из GaInAs в матрице GaAs изучались с точки зрения применения в лазерах.
Соединение Ga 0,47 In 0,53 As может использоваться в качестве промежуточного слоя с большей шириной запрещённой зоны в многослойных фотогальванических ячейках, так как благодаря прекрасному согласованию постоянных решёток его с германием, снижается плотность дислокаций, и, тем самым, повышается КПД ячейки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, что знаем мы об истории мышьяка? Он известен с давних времен и упоминается еще Аристотелем. Пользование больных сульфидами мышьяка описано Плинием и Гиппократом. Ядовитые свойства мышьяка были знакомы лекарям еще в доалхимическом периоде. Его русское название, как полагают некоторые исследователи, связано с ядом для мышей. В.И.Даль слово «мышьяк» в своем словаре не выделяет, а поясняет вместе с другими производными от слова «мышь».
Алхимики называли его «лекарством для отбеливания Венеры» (Венера – это медь). Т.Парацельс (1493–1541) обратил внимание на мышьяковую кислоту и ввел в обиход «огнепостоянный мышьяк» – арсенат калия. Э.Франкланд (1825–1899) пояснял понятие валентности на примере какодила – As(С 2 Н 3) 2 . (Впоследствии было установлено, что формула какодила [(СН3) 2 As] 2 .) C конца XIX в. для обнаружения мышьяка применялась довольно чувствительная реакция образования мышьякового зеркала (прибор Марша). А.П.Бородин (1833–1887) показал, что мышьяковая кислота гораздо менее ядовита, чем мышьяковистая.
В небольших дозах мышьяк оказывает самое хорошее действие на людей: он повышает способность кроветворения, усвоение азота, а также фосфора, снижает степень окисления клеток.
В настоящее время неорганические соединения мышьяка в незначительных количествах входят в состав общеукрепляющих, тонизирующих средств, содержатся в лечебных минеральных водах и грязях, а органические соединения мышьяка используются как антимикробные и противопротозойные препараты. В области зубоврачебной практики долгое время применяли мышьяковистый ангидрид, в частности, для удаления нервов.
Кроме этого, мышьяк применяется для производства различных сплавов, полупроводников, красителей, аккумуляторов, пестицидов, составов для пропитки древесины, а также в кожевенной, текстильной и стекольной промышленности.
Уникальность мышьяка состоит в том, что его можно найти повсюду – в горных породах, минералах, воде, почве, в животных и растениях. Его даже называют вездесущим элементом. Мышьяк распределяется по разным географическим регионам Земли благодаря летучести его соединений и высокой их растворимости в воде.
Хотя биохимические и физиологические функции мышьяка достаточно изучены, в настоящее время не удается связать расстройства этих функций с нутритивным дефицитом мышьяка.
Возможные признаки дефицита мышьяка – сниженный рост и ненормальное воспроизводство, характеризующееся повышением фертильности и перинатальной смертности. Другие известные симптомы: сниженная концентрация триглицеридов сыворотки крови.
Таков элемент № 33, заслуженно пользующийся скверной репутацией, и тем не менее во многих случаях очень полезный.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://www.astronet.ru Электронная версия: «Наука и Техника», Мышьяк
2. http://ru.wikipedia.org
3. http://www.megabook.ru Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия
4.http://www.tiensmed.ru/news/myshyak1.html Мышьяк – опасное, но необходимое вещество 07 июня, 2012 Радзиховская А. А.
5. Популярная библиотека химических элементов. Электронная версия:
Спасибо
Сайт предоставляет справочную информацию исключительно для ознакомления. Диагностику и лечение заболеваний нужно проходить под наблюдением специалиста. У всех препаратов имеются противопоказания. Консультация специалиста обязательна!
Общие сведения
Уникальность мышьяка состоит в том, что его можно найти повсюду – в горных породах, минералах, воде, почве, в животных и растениях. Его даже называют вездесущим элементом. Мышьяк распределяется по разным географическим регионам Земли благодаря летучести его соединений и высокой их растворимости в воде. Если климат региона влажный, то элемент вымывается из земли и затем уносится грунтовыми водами. В поверхностных водах и в глубинах рек содержится от 3 мкг/л до 10 мкг/л вещества, а в морской и океанской воде – гораздо меньше, около 1 мкг/л.Мышьяк встречается в организме взрослого человека в количестве примерно 15 мг. Большая часть его содержится в печени , лёгких , тонком кишечнике и эпителии. Всасывание вещества происходит в желудке и кишечнике.
Антагонистами вещества являются фосфор, сера, селен, витамины E, C, а также некоторые аминокислоты. В свою очередь, вещество ухудшает всасывание организмом селена, цинка, витаминов A, E, C, фолиевой кислоты .
Секрет его пользы – в его количестве: в малой дозе он выполняет ряд полезных функций; а в больших является сильнейшим ядом.
Функции:
- Улучшение усвоения фосфора и азота.
- Стимулирование кроветворения.
- Ослабление окислительных процессов.
- Взаимодействие с белками, липоевой кислотой, цистеином.
Мышьяк как химический элемент
Мышьяк причислен к химическим элементам V группы периодической таблицы и относится к семейству азота. В природных условиях это вещество представлено единственным стабильным нуклидом. Искусственным путём получено более десятка радиоактивных изотопов мышьяка, обладающих широким диапазоном значений периода полураспада - от пары минут до пары месяцев. Образование термина связано с его применением для истребления грызунов – мышей и крыс. Латинское название Arsenicum (As) образовалось от греческого слова «арсен », что значит: мощный, сильный .Исторические сведения
Мышьяк в чистом виде был открыт во время алхимических экспериментов в Средние века. А его соединения были известны людям издавна, их использовали для производства лекарств и красок. На сегодняшний день особенно многогранно мышьяк используется в металлургии.Один из периодов развития человечества историки назвали бронзовым. В это время люди перешли от каменного оружия к усовершенствованному бронзовому оружию. Бронза является соединением (сплавом ) олова с медью. Как считают историки, первая бронза была отлита в долине Тигра и Евфрата, примерно в 30 вв. до н.э. В зависимости от процентного состава входящих в сплав составляющих, бронза, отлитая у разных кузнецов, могла обладать разными свойствами. Учёные выяснили, что наилучшая бронза с ценными свойствами – это сплав меди, который содержит до 3% олова и до 7% мышьяковистых веществ. Такая бронза легко отливалась и лучше ковалась. Вероятно, при выплавке перепутали медную руду с продуктами выветривания медно-мышьяковых сульфидных минералов, которые имели похожий вид. Древние мастера оценили хорошие свойства сплава и далее уже целенаправленно искали залежи мышьяковых минералов. Чтобы их найти, использовали специфическое свойство этих минералов при нагревании давать чесночный запах. Но со временем выплавка бронзы с содержанием мышьяковистых соединений прекратилась. Вероятнее всего, это случилось из-за того, что при обжиге мышьяксодержащих вещества очень часто возникали отравления .
Конечно, в далёком прошлом данный элемент был известен только в виде его минералов. В Древнем Китае знали твёрдый минерал под названием реальгар, который, как известно сейчас, является сульфидом состава As4S4. Слово «реальгар » в переводе с арабского означает «рудниковая пыль ». Этот минерал использовали для осуществления резьбы по камню, но у него был один существенный недостаток: на свету или при нагревании реальгар «портился», поскольку под влиянием термической реакции превращался в совершенно другое вещество As2S3.
Учёный и философ Аристотель в 4 в. до н.э. дал своё название этому минералу – «сандарак ». Спустя три столетия римский учёный и писатель Плиний Старший вместе с врачом и ботаником Диоскоридом описали другой минерал под названием аурипигмент . Латинское название минерала переводится «золотая краска ». Этот минерал использовался в качестве желтого красителя.
В средние века алхимики выделяли три формы вещества: жёлтый мышьяк (являющийся сульфидом As2S3 ), красный (сульфид As4S4 ) и белый (оксид As2O3 ). Белый образуется при возгонке некоторых примесей мышьяка во время обжига медных руд, которые содержат этот элемент. Он конденсировался из газовой фазы, и в виде белого налёта оседал, после чего его и собирали.
В 13 веке алхимики при нагреве жёлтого мышьяка и мыла получили металлоподобное вещество, которое, возможно, являлось первым образцом чистого вещества, полученного искусственным путём. Но полученное вещество нарушало представления алхимиков о мистической «связи» семи известных им металлов с семью астрономическими объектами - планетами; именно поэтому алхимики называли полученное вещество «незаконнорожденным металлом». Они заметили за ним одно интересное свойство – вещество могло придать меди белый цвет.
Мышьяк был совершенно точно идентифицирован как самостоятельное вещество в начале 17 века, когда аптекарь Иоганн Шредер при восстановлении древесным углём оксида, получил его в чистом виде. Несколько лет спустя французский врач и химик Никола Лемери сумел получить это вещество, нагревая его оксид в смеси с поташом и мылом. В следующем веке его уже хорошо знали и называли необычным «полуметаллом».
Шведский учёный Шееле получил опытным путём мышьяковистый газообразный водород и мышьяковую кислоту. В тоже время А.Л. Лавуазье признал это вещество самостоятельным химическим элементом.
Нахождение в природных условиях
Элемент часто встречается в природных условиях в соединениях с медью, кобальтом, никелем, железом. В земной коре его не так много – около 5 грамм на тонну, это примерно столько же, сколько олова, молибдена, германия, вольфрама и брома.
Состав минералов, которые образует данный химический элемент (на сегодняшний день их более 200
), обусловлен «полуметаллическими» свойствами элемента. Он может находиться как в отрицательной, так и в положительной степени окисления и поэтому легко соединяется со многими другими элементами; при положительном окислении мышьяк играет роль металла (к примеру, в сульфидах
), при отрицательном – неметалла (в арсенидах
). Мышьяксодержащие минералы имеют сложный состав. Сам элемент может заменять собой в кристаллической решетке атомы сурьмы, серы, а также атомы металлов.
Многие соединения металлов и мышьяка, если судить по их составу, скорее относятся к интерметаллическим соединениям, нежели к арсенидам; часть из них отличается переменным содержанием основного элемента. В арсенидах может одновременно присутствовать сразу несколько металлов, и атомы этих металлов при близком радиусе ионов могут в произвольных соотношениях замещать друг друга в кристаллической решетке. Все минералы, причисляемые к арсенидам, имеют металлический блеск. Они непрозрачны, тяжелы, их твердость невелика.
Примером естественных арсенидов (их насчитывается примерно 25 ) могут служить такие минералы как скуттерудит, саффлорит, раммельсбергит, никельскуттерудит, никелин, лёллингит, сперрилит, маухерит, альгодонит, лангисит, клиносаффлорит. Эти арсениды обладают высокой плотностью и относятся к группе «сверхтяжёлых» минералов.
Самый распространённый минерал – арсенопирит (или, как его ещё называют, мышьяковый колчедан ). Интересным для химиков кажется строение тех минералов, в которых одновременно с серой присутствует мышьяк, и в которых он играет роль металла, поскольку группируется вместе с иными металлами. Это минералы арсеносульванит, жиродит, арсеногаухекорнит, фрейбергит, голдфилдит, теннантит, аргентотеннантит. Строение этих минералов очень сложное.
Такие природные сульфиды как реальгар, аурипигмент, диморфит, гетчеллит, обладают положительной степенью окисления As (лат. обозначение мышьяка ). Эти минералы выглядят как небольшие вкрапления, хотя изредка в некоторых местностях добывались кристаллы большого размера и веса.
Интересен тот факт, что природные соли мышьяковой кислоты, называющиеся арсенатами, выглядят очень по-разному. Эритрит имеет кобальтовую окраску, скородит, аннабергит и симплезит – зелёную. А гёрнесит, кёттигит, рузвельтит – совершенно бесцветные.
В центральном округе Швеции встречаются карьеры, в которых добывают железомарганцевую руду. В этих карьерах были найдены и описаны более пятидесяти образцов минералов, которые являются арсенатами. Часть этих арсенатов нигде больше не встречалась. Как полагают специалисты, эти минералы образовались при невысоких температурах как результат взаимодействия мышьяковой кислоты с другими веществами. Арсенаты являются продуктами окисления некоторых сульфидных руд. Обычно они не имеют никакой ценности, кроме эстетической. Такие минералы являются украшениями минералогических коллекций.
Названия минералам были даны разным образом: одни из них были названы в честь учёных, видных деятелей политики; другие были поименованы в соответствии с названием местности, в которой они были найдены; третьи были названы греческими терминами, обозначавшими их основные свойства (например, цвет ); четвертые были названы аббревиатурами, обозначавшими начальные буквы наименований других элементов.
К примеру, интересно образование старинного названия такого минерала как никелин. Раньше его называли купферникелем. Немецкие горняки, трудившиеся над разработкой меди пять - шесть столетий назад, суеверно боялись злого горного духа, которого называли Никелем. Немецкое слово «купфер » обозначало «медь ». Купферникелем они называли «чёртову», или «фальшивую» медь. Эта руда была очень похожа на медную, но медь из неё получить не удавалось. Зато она нашла своё применение в стекловарении. С её помощью окрашивали стёкла в зелёный цвет. Впоследствии из этой руды выделили новый металл, и назвали его никелем.
Чистый мышьяк достаточно инертен по своим химическим свойствам, и его можно обнаружить в самородном состоянии. Он выглядит, как сросшиеся иголочки или кубики. Такой самородок легко растереть в порошок. Он содержит до 15% примесей (кобальт, железо, никель, серебро и другие металлы ).
В почве содержание As составляет, как правило, от 0,1 мг/кг до 40 мг/кг. В тех местностях, где залегает мышьяковая руда, и в районе вулканов, почва может содержать очень большое количество As – до 8 г/кг. Именно такой показатель встречается в некоторых районах Новой Зеландии и Швейцарии. В таких районах гибнет флора, а животные болеют. Такая же ситуация характерна для пустынь и степей, где мышьяк из почвы не вымывается. По сравнению со средним содержанием, обогащёнными считаются и глинистые породы, поскольку в них содержится вчетверо больше мышьяковистых веществ.
Если чистое вещество превращается в результате биометилирования в летучее мышьякорганическое соединение, то его выносит из почвы не только вода, но и ветер. Биометилирование – это присоединение метильной группы, при котором образуется связь C–As. Этот процесс осуществляется при участии вещества метилкобаламин - это метилированное производное витамина B12. Биометилирование As происходит как в морской воде, так и в пресной. Это приводит к образованию таких мышьякорганических соединений как метиларсоновая и диметиларсиновая кислоты.
В тех районах, где нет специфического загрязнения, мышьячная концентрация составляет 0,01 мкг/м3, а в промышленных районах, где расположены электростанции и заводы, концентрация достигает уровня 1 мкг/м3. В районах, где находятся промышленные центры, выпадение мышьяка интенсивное и составляет до 40 кг/кв. км в год.
Летучие соединения мышьяка, когда не были ещё полностью изучены их свойства, принесли людям немало бед. Массовые отравления даже в 19 веке встречались нередко. Но причин отравления врачи не знали. А отравляющее вещество содержалось в зелёной краске для обоев и в штукатурке. Высокая влажность приводила к образованию плесени. Под действием этих двух факторов образовывались летучие мышьякорганические вещества.
Имеется предположение, что процесс образования летучих мышьякорганических производных мог стать причиной замедленного отравления императора Наполеона , которое его и привело к смерти. Это предположение базируется на том факте, что спустя 150 лет после смерти, в его волосах были найдены остатки мышьяка.
Мышьяковистые вещества в умеренных количествах содержатся в составе некоторых минеральных вод . Общепринятые нормативы устанавливают, что в лечебных минеральных водах концентрация мышьяка должна составлять не более 70 мкг/л. В принципе, даже если концентрация вещества будет выше, то к отравлению это может привести только при постоянном длительном употреблении.
Мышьяк может находиться в природных водах в различных соединениях и формах. Трёхвалентный мышьяк, например, во много раз токсичнее, чем пятивалентный.
Некоторые из морских водорослей могут накапливать мышьяк в такой концентрации, что являются опасными для людей. Такие водоросли вполне могут расти и даже размножаться в кислотной мышьяковистой среде. В некоторых странах их используют в качестве дератизационных средств (против крыс ).
Химические свойства
Иногда мышьяк называют металлом, но на самом деле – это скорее неметалл. Он не образует солей в соединении с кислотами, но сам по себе он является кислотообразующим веществом. Поэтому ещё его называют полуметаллом. Как и фосфор, мышьяк может существовать в разных аллотропных формах.Одна из таких форм – серый мышьяк, достаточно хрупкое вещество. Его излом имеет яркий металлический блеск (поэтому второе его название - «металлический мышьяк» ). Электропроводность этого полуметалла по сравнению с медью 17 раз меньше, но при этом в 3,6 раза больше, чем у ртути. Чем выше температура, тем меньше электропроводность. Это типичное свойство металлов характерно и для данного полуметалла.
Если мышьяковые пары в течение короткого времени охладить до температуры –196 градусов (это температура жидкого азота ), то получится мягкое прозрачное вещество жёлтого цвета, по виду напоминающее жёлтый фосфор. Плотность этого вещества намного ниже, чем у металлического мышьяка. Жёлтый мышьяк и мышьяковые пары состоят из молекул, которые имеют форму тетраэдра (т.е. форма пирамиды с четырьмя основаниями ). Такую же форму имеют молекулы фосфора.
Под действием ультрафиолета, а также при нагревании, жёлтый мышьяк моментально переходит в серый; при этой реакции выделяется тепло. Если пары конденсируются в инертной атмосфере, то образуется еще одна форма данного элемента – аморфная. Если осаждать на стекле пары мышьяка, то образуется зеркальная плёнка.
Строение электронной внешней оболочки у данного элемента такое же, как у фосфора и азота. Мышьяк, как и фосфор, может образовывать три ковалентные связи.
Если воздух сухой, то As имеет устойчивую форму. От влажного воздуха он тускнеет и сверху покрывается чёрным оксидом. При воспламенении мышьяковые пары легко сгорают голубым пламенем.
As в чистом виде достаточно инертен; щелочи, вода и различные кислоты, которые не обладают окислительными свойствами, на него никак не воздействуют. Если взять разбавленную азотную кислоту, то она окислит чистый As до ортомышьяковистой кислоты, а если взять концентрированную, то она окислит до ортомышьяковой кислоты.
As реагирует с серой и галогенами. В реакциях с серой происходит образование сульфидов разного состава.
Мышьяк как яд
Все мышьячные соединения являются ядовитыми.Острое отравление этими веществами проявляется болью в животе , поносом , рвотой , угнетением ЦНС. Симптоматика интоксикации данным веществом очень похожа на симптоматику холеры . Поэтому в судебной практике ранее нередко встречались случаи использования мышьяка в качестве яда. Наиболее успешно используемое с криминальной целью ядовитое соединение – триоксид мышьяка.
На тех территориях, где в воде и почве наблюдается переизбыток вещества, происходит его накопление в щитовидных железах у людей. Вследствие этого у них образуется эндемический зоб .
Отравление мышьяком
Симптоматика мышьяковистого отравления проявляется металлическим вкусом во рту, рвотой, сильными болями в животе. Позже могут наступить судороги или паралич . Отравление может привести к смерти. Наиболее общедоступное и известное противоядие при интоксикации мышьяком – это молоко. Основной белок молока – казеин. Он образует с мышьяком нерастворимое соединение, которое не всасывается в кровь.Отравление происходит:
1.
При вдыхании мышьяковистых соединений в виде пыли (чаще всего – в неблагоприятных производственных условиях
).
2.
При употреблении отравленной воды и пищи.
3.
При применении некоторых лекарственных средств. Избыток вещества депонируется в костном мозге, лёгких, почках , коже , кишечном тракте. Существует большое количество доказательств того, что неорганические соединения мышьяка являются канцерогенными. Из-за длительного употребления отравленной мышьяком воды или медикаментов, может развиться низкодифференцированный рак кожи (рак Боуэна
) или гемангиоэндотелиома печени.
При остром отравлении в качестве первой помощи требуется сделать промывание желудка. В стационарных условиях проводят гемодиализ для очистки почек. Для использования при остром и при хроническом отравлении применяют Унитиол – универсальный антидот. Дополнительно используют вещества-антагонисты: сера, селен, цинк, фосфор; и в обязательном порядке вводят комплекс витаминов и аминокислот.
Симптоматика передозировки и дефицита
Возможные признаки дефицита мышьяка проявляются снижением концентрации в крови триглицеридов , повышением фертильности, ухудшением развития и роста организма.Мышьяк является весьма ядовитым веществом, единовременная доза в 50 мг может повлечь за собой летальный исход. Передозировка проявляется раздражительностью, аллергией , головной болью , дерматитом , экземой , конъюнктивитом , угнетением дыхательной функции и нервной системы, нарушением работы печени. Передозировка веществом увеличивает риск развития онкозаболеваний.
Источником элемента считаются: растительные и животные продукты, морепродукты, зерно, злаки, табак, вино, и даже питьевая вода.
О попадании в наш рацион данного микроэлемента беспокоиться не стоит – он есть практически во всех продуктах животного и растительного происхождения, его нет разве что в составе рафинированного сахара. С едой он поступает к нам в достаточном количестве. Продукты, особо богатые ним, такие как креветки, омары, лангусты – во избежание передозировки следует есть в умеренных количествах, чтобы не получить вовнутрь чрезмерное количество яда.
В человеческий организм соединения мышьяка могут попасть с минеральной водой, морепродуктами, соками, виноградными винами, медицинскими препаратами, гербицидами и пестицидами. Кумулируется это вещество преимущественно в ретикуло-эндотелиальной системе, а также в лёгких, коже, почках. Недостаточным суточным поступлением вещества в организм считается 1 мкг/день. Порог токсичности составляет примерно 20 мг.
Большое количество элемента содержится в рыбьем жире и, как ни странно, в винах. В нормальной питьевой воде содержание вещество невысокое и не опасное для здоровья – примерно 10 мкг/л. Некоторые регионы мира (Мексика, Тайвань, Индия, Бангладеш ) печально известны тем, что в питьевой воде этих стран содержится повышенное количества мышьяка (1 мг/л ), и поэтому там иногда происходят массовые отравления граждан.
Мышьяк препятствует потери организмом фосфора. Витамин D является регулирующим фактором в протекании фосфорно-кальциевого обмена, а мышьяк, в свою очередь, регулирует фосфорный обмен.
Известно также, что некоторые из форм аллергии развиваются из-за дефицита в организме мышьяка.
Микроэлемент применяется для повышения аппетита при анемии . При отравлении селеном мышьяк является отличным противоядием. Экспериментальные исследования на мышах показали, что точно рассчитанные дозы вещества помогают снизить заболеваемость раком.
При увеличении концентрации элемента в почве или продуктах питания, наступает интоксикация . Выраженная интоксикация может привести к таким серьёзным болезням как рак гортани или белокровие. Более того, число летальных исходов тоже увеличится.
Известно, что 80% вещества, поступившего в организм с пищей, направляется в желудочно-кишечный тракт и оттуда попадает в кровь, а оставшиеся 20% попадают к нам через кожу и лёгкие.
Через сутки после поступления в организм, из него выводится более 30% вещества вместе с мочой и около 4% – вместе с фекалиями. По классификации, мышьяк относят к иммунотоксичным, условно эссенциальным, элементам. Доказано, что вещество принимает участие практически во всех важных биохимических процессах.
Мышьяк в стоматологии
Это вещество нередко применяют для лечения такого стоматологического заболевания как кариес . Кариес начинается с того, что известковые соли зубной эмали начинают разрушаться, и ослабевший зуб атакуют болезнетворные микроорганизмы. Поражая мягкую внутреннюю часть зуба, микробы образуют кариозную полость.Если на данном этапе заболевания вычистить кариозную полость и заполнить пломбировочным материалом, то зуб останется «живым». А если пустить процесс на самотёк, то кариозная полость доходит до ткани, которая содержит кровеносные, нервные и лимфатические сосуды. Она называется пульпа.
Развивается воспаление пульпы, после чего единственным средством предотвращения дальнейшего распространения заболевания станет удаление нерва. Вот для проведения этой манипуляции мышьяк и нужен.
Стоматологическим инструментом обнажается пульпа, на неё кладут крупинку пасты, содержащей мышьяковистую кислоту, и она практическим мгновенно диффундирует в пульпу. Спустя сутки зуб мертвеет. Теперь пульпу можно удалить совершенно безболезненно, и заполнить корневые каналы и пульповую камеру специальной антисептической пастой, и запломбировать зуб.
Мышьяк в лечении лейкоза
Мышьяк довольно успешно применяется для лечения легкой формы лейкоза , а также в период первичного обострения, при котором еще не наблюдается резкое увеличение селезёнки и лимфоузлов. Он снижает или даже подавляет патологическое образование лейкоцитов , стимулирует красное кроветворение и выделение эритроцитов на периферию.Получение мышьяка
Его получают в качестве побочного продукта переработки свинцовых, медных, кобальтовых и цинковых руд, а также при добывании золота. Некоторые из полиметаллических руд содержат в себе до 12% мышьяка. Если их нагреть до 650 – 700 градусов, то при отсутствии воздуха происходит возгонка. Если нагреть на воздухе, то образуется «белый мышьяк», являющийся летучим оксидом. Его подвергают конденсации и нагревают с углём, при этой реакции происходит восстановление мышьяка. Получение этого элемента является вредным производством.Раньше, до развития экологии как науки, «белый мышьяк» в больших количествах выпускали в атмосферу, и впоследствии он оседал на деревья и растениях. Допустимая концентрация в воздухе составляет 0,003 мг/м3, в то время как возле промышленных объектов концентрация доходит до 200 мг/м3. Как ни странно, но окружающую среду сильнее загрязняют не те заводы, которые производят мышьяк, а электростанции и предприятия цветной металлургии. Донные осадки вблизи медеплавильных заводов содержат в себе большое количество элемента – до 10 г/кг.
Другой парадокс состоит в том, что это вещество добывается в большем количестве, чем оно требуется. Это редкое явление в области добывания металлов. Излишки его приходится утилизировать в больших металлических контейнерах, пряча их в отработанных старых шахтах.
Ценным промышленным минералом является арсенопирит. Большие медно-мышьяковые залежи встречаются в Средней Азии, Грузии, США, Японии, Норвегии, Швеции; золотомышьяковые – в США, Франции; мышьяково-кобальтовые – в Новой Зеландии, Канаде; мышьяково-оловянные – в Англии и Боливии.
Определение мышьяка
Качественная реакция на мышьяк состоит в осаждении жёлтых сульфидов из солянокислых растворов. Следы определяют методом Гутцейта или реакцией Марша: бумажные полоски, пропитанные HgCl2, меняют цвет на тёмный в присутствии арсина, восстанавливающего сулему до ртути.В последние полвека были разработаны разнообразные чувствительные методики анализа (спектрометрия ), благодаря которым можно выявить даже малое количество мышьяка. Если же вещества в воде совсем немного, то предварительно выполняют концентрирование образцов.
Некоторые соединения анализируют селективным гидридным методом. Этот метод заключается в проведении селективного восстановления анализируемого вещества в летучее вещество арсин. Летучие арсины вымораживают в ёмкости, охлаждённой жидким азотом. Затем, медленно подогревая содержимое ёмкости, можно добиться того, что разные арсины испаряются раздельно друг от друга.
Промышленное применение
Около 98% всего добываемого мышьяка не используется в чистом виде. А вот его соединения получили популярность и применяются в разных отраслях промышленности. Ежегодно добывают и используют сотни тонн вещества. Его добавляют в состав подшипниковых сплавов для улучшения качества, используют при создании кабелей и свинцовых аккумуляторов для повышения твёрдости, применяют в сплавах с германием или кремнием при производстве полупроводниковых приборов. Мышьяк применяется как легирующая добавка, которая придает проводимость определенного типа «классическим» полупроводникам.Мышьяк является ценным материалом в цветной металлургии. При добавлении к свинцу в количестве 1%, повышается твёрдость сплава. Если в расплавлённый свинец добавить немного мышьяка, то в процессе отливки дроби выходят шарики сферической правильной формы. Добавка в медь усиливает её прочность, коррозионную стойкость и твёрдость. Благодаря этой добавке, текучесть меди увеличивается, что облегчает процесс волочения проволоки.
Добавляют As в некоторые сорта латуней, бронз, типографских сплавов, баббитов. Но всё же металлурги стараются исключить из производственного процесса эту добавку, поскольку она очень вредна для человека. Более того, она вредна и для металлов, поскольку присутствие мышьяка в больших количествах ухудшает свойства многих сплавов и металлов.
Оксиды используют в стекловарении как осветлители стекла. Еще древние стеклодувы знали, что белый мышьяк способствует непрозрачности стекла. Однако малые добавки его, наоборот, осветляют стекло. Мышьяк и поныне входит в рецептуру изготовления некоторых стекол, к примеру, «венского» стекла, используемого для создания термометров.
Мышьяковистые соединения используют в качестве антисептического средства для предохранения от порчи, а также для консервирования мехов, шкур, чучел; для создания необрастающих красок для водного транспорта; для пропитки древесины.
Биологическая активность некоторых производных As заинтересовала агрономов, работников санэпидслужбы, ветеринаров. В итоге были созданы мышьяксодержащие препараты, которые являлись стимуляторами продуктивности и роста; лекарственные средства для профилактики болезней скота; противоглистные средства.
Землевладельцы в древнем Китае обрабатывали оксидом мышьяка посевы риса , чтобы сберечь их от грибковых заболеваний и крыс, и таким образом обезопасить урожай. Сейчас же, из-за ядовитости мышьяксодержащих веществ, их применение в сельском хозяйстве ограничено.
Важнейшие области использования мышьяксодержащих веществ – производство микросхем, полупроводниковых материалов и волоконной оптики, плёночной электроники, а также выращивание для лазеров специальных монокристаллов. В этих случаях, как правило, применяют газообразный арсин. Арсениды индия и галлия применяют при изготовлении диодов, транзисторов, лазеров.
В тканях и органах элемент в основном обнаруживается в белковой фракции, гораздо меньше его – в кислоторастворимой фракции и только незначительная его часть находится в липидной фракции. Он является участником окислительно-восстановительных реакций, без него невозможен окислительный распад сложных углеводов. Он участвует в брожении и гликолизе. Соединения этого вещества применяются в биохимии как специфические ферментные ингибиторы, которые нужны для изучения метаболических реакций. Он необходим человеческому организму в качестве микроэлемента.
| As | 33 |
Мышьяк |
|||||||
| t o кип. (o С) | Степ.окис. | +5 +3 -3 | |||||||
|
74,9215 |
t o плав.(o С) | 817 (под давлением) | Плотность | 5727(серый) 4900(черный) | |||||
| 4s 2 4p 3 | ОЭО | 2,11 | в зем. коре | 0,00017 % | |||||
Наш рассказ об элементе не очень распространенном, но достаточно широко известном; об элементе, свойства которого до несовместимости противоречивы. Так же трудно совместить и роли, которые играл и играет этот элемент в жизни человечества. В разное время, в разных обстоятельствах, в разном виде он выступает как яд и как целительное средство, как вредный и опасный отход производства, как компонент полезнейших, незаменимых веществ. Итак, элемент с атомным номером 33.
История в тезисах
Поскольку мышьяк относится к числу элементов, точная дата открытия которых не установлена, ограничимся констатацией лишь нескольких достоверных фактов:
известен мышьяк с глубокой древности;
в трудах Диоскорида (I век н. э.) упоминается о прокаливании вещества, которое сейчас называют сернистым мышьяком;
в III—IV веке в отрывочных записях, приписываемых Зозимосу, есть упоминание о металлическом мышьяке; у греческого писателя Олимпиодоруса (V век н. э.) описано изготовление белого мышьяка обжигом сульфида;
в VIII веке арабский алхимик Гебер получил трехокись мышьяка;
в средние века люди начали сталкиваться с трехокисью мышьяка при переработке мышьяксодержащих руд, и белый дым газообразного Аs2О3 получил название рудного дыма;
получение свободного металлического мышьяка приписывают немецкому алхимику Альберту фон Больштедту и относят примерно к 1250 году, хотя греческие и арабские алхимики бесспорно получали мышьяк (нагреванием его трехокиси с органическими веществами) раньше Больштедта;
в 1733 году доказано, что белый мышьяк — это окись металлического мышьяка;
в 1760 году француз Луи Клод Каде получил первое органическое соединение мышьяка, известное как жидкость Каде или окись «какодила»; формула этого вещества [(CH3)2A]2O;
в 1775 году Карл Вильгельм Шееле получил мышьяковистую кислоту и мышьяковистый водород;
в 1789 году Антуан Лоран Лавуазье признал мышьяк самостоятельным химическим элементом.
Элементарный мышьяк — серебристо-серое или оловянно-белое вещество, в свежем изломе обладающее
металлическим блеском. Но на воздухе он быстро тускнеет. При нагревании выше 600° С мышьяк возгоняется, не плавясь, а под давлением 37 атм плавится при 818° С. Мышьяк — единственный металл, у которого температура кипения при нормальном давлении лежит ниже точки плавления.
Мышьяк — яд
В сознании многих слова «яд» и «мышьяк» идентичны. Так уж сложилось исторически. Известны рассказы о ядах Клеопатры. В Риме славились яды Локусты. Обычным орудием устранения политических и прочих противников яд был также в средневековых итальянских республиках. В Венеции, например, при дворе держали специалистов-отравителей. И главным компонентом почти всех ядов был мышьяк.
В России закон, запрещающий отпускать частным лицам «купоросное и янтарное масло, крепкую водку, мышьяк и цилибуху», был издан еще в царствование Анны Иоанновны — в январе 1733 года. Закон был чрезвычайно строг и гласил: «Кто впредь тем мышьяком и прочими вышеозначенными материалы торговать станут и с тем пойманы или на кого донесено будет, тем и учинено будет жестокое наказание и сосланы имеют в ссылку без всякия пощады, тож учинено будет и тем, которые мимо аптек и ратуш у кого покупать будут. А ежели кто, купя таковые ядовитые материалы, чинить будет повреждение людям, таковые по розыску не токмо истязаны, но и смертию казнены будут, смотря по важности дела неотменно».
На протяжении веков соединения мышьяка привлекали (да и сейчас продолжают привлекать) внимание фармацевтов, токсикологов и судебных экспертов.
Узнавать отравление мышьяком криминалисты научились безошибочно. Если в желудке отравленных находят белые фарфоровидные крупинки, то первым делом возникает подозрение на мышьяковистый ангидрид Аs2О3. Эти крупинки вместе с кусочками угля помещают в стеклянную трубку, запаивают ее и нагревают. Если в трубке есть As2O3, то на холодных частях трубки появляется серо-черное блестящее кольцо металлического мышьяка.
После охлаждения конец трубки отламывают, уголь удаляют, а серо-черное кольцо нагревают. При этом кольцо перегоняется к свободному концу трубки, давая белый налет мышьяковистого ангидрида. Реакции здесь такие:
As2O3 + ЗС == As2 + ЗСО
или
2As2O3 + ЗС = 2AS2 + ЗСО2;
2As2+3O2==2As2O3.
Полученный белый налет помещают под микроскоп: уже при малом увеличении видны характерные блестящие кристаллы в виде октаэдров.
Мышьяк обладает способностью долго сохраняться в одном месте. Поэтому при судебно-химических исследованиях в лабораторию доставляют образцы земли, взятой из шести участков возле места захоронения человека, которого могли отравить, а также части его одежды, украшения, доски гроба.
Симптомы мышьяковистого отравления — металлический вкус во рту, рвота, сильные боли в животе. Позже судороги, паралич, смерть. Наиболее известное и общедоступное противоядие при отравлении мышьяком — молоко, точнее, главный белок молока казеин, образующий с мышьяком нерастворимое соединение, не всасывающееся в кровь.
Мышьяк в форме неорганических препаратов смертелен в дозах 0,05—0,1 г, и тем не менее мышьяк присутствует во всех растительных и животных организмах. (Это доказано французским ученым Орфила еще в 1838 году.) Морские растительные и животные организмы содержат в среднем стотысячные, а пресноводные и наземные — миллионные доли процента мышьяка. Микрочастицы мышьяка усваиваются и клетками человеческого организма, элемент № 33 содержится в крови, тканях и органах; особенно много его в печени — от 2 до 12 мг на 1 кг веса. Ученые предполагают, что микродозы мышьяка повышают устойчивость организма к действию вредных микробов.
Мышьяк — лекарство
Врачи констатируют, что кариес зубов в наше время — самая распространенная болезнь. Трудно найти человека, у которого нет хотя бы одного пломбированного зуба. Болезнь начинается с разрушения известковых солей зубной эмали, и тогда начинают свое гадкое дело болезнетворные микробы. Проникая сквозь ослабевшую броню зуба, они атакуют его более мягкую внутреннюю часть. Образуется «кариозная полость», и если посчастливится оказаться у зубного врача на этой стадии, можно отделаться сравнительно легко: кариозная полость будет очищена и заполнена пломбировочным материалом, а зуб останется живым. Но если вовремя не обратиться к врачу, кариозная полость доходит до пульпы—ткани, содержащей нервы, кровеносные и лимфатические сосуды. Начинается ее воспаление, и тогда врач, во избежание худшего, решает убить нерв. Подается команда: «мышьяк!», и на обнаженную инструментом пульпу кладут крупинку пасты величиной с булавочную головку. Мышьяковистая кислота, входящая в состав этой пасты, быстро диффундирует в пульпу (боль, которая при этом ощущается, не что иное, как «последний крик» умирающей пульпы), и через 24—48 часов все кончено — зуб мертв. Теперь врач может безболезненно удалить пульпу и заполнить пульповую камеру и корневые каналы антисептической пастой, а «дырку» запломбировать.
Не только в стоматологии пользуются мышьяком и его соединениями. Всемирную известность приобрел сальварсан, 606-й препарат Пауля Эрлиха — немецкого врача, открывшего в начале XX века первое эффективное средство борьбы с люэсом. Это действительно был 606-й из испытанных Эрлихом мышьяковистых препаратов. Первоначально этому желтому аморфному порошку приписывали формулу
Лишь в 50-х годах, когда сальварсан уже перестали применять как средство против люэса, малярии, возвратного тифа, советский ученый М. Я. Крафт установил его истинную формулу. Оказалось, что сальварсан имеет полимерное строение
Величина п в зависимости от способа получения может колебаться от 8 до 40.
На смену сальварсану пришли другие мышьяковистые препараты, более эффективные и менее токсичные, в частности его производные: новарсенол, миарсенол и др.
Используют в медицинской практике и некоторые неорганические соединения мышьяка. Мышьяковистый ангидрид As2O3, арсенит калия KAsO2, гидроарсенат натрия Na2HAsO4 . 7Н2О (в минимальных дозах, разумеется) тормозят окислительные процессы в организме, усиливают кроветворение. Те же вещества — как наружное — назначают при некоторых кожных заболеваниях. Именно, мышьяку и его соединениям приписывают целебное действие некоторых минеральных вод.
Думаем, что приведенных примеров достаточно для подтверждения тезиса, заключенного в названии этой главы.
Мышьяк — оружие уничтожения
Вновь приходится возращаться к смертоносным свойствам элемента № 33. Не секрет, что его широко использовали, а возможно и сейчас используют, в производстве химического оружия, не менее преступного, чем ядерное. Об этом свидетельствует опыт первой мировой войны. О том же говорят просочившиеся в печать сведения о применении войсками империалистических государств отравляющих веществ в Абиссинии (Италия), Китае (Япония), Корее и Южном Вьетнаме (США).
Соединения мышьяка входят во все основные группы известных боевых отравляющих веществ (0В). Среди 0В общеядовитого действия — арсин, мышьяковистый водород АsН3 (заметим попутно, что соединения трехвалентного мышьяка более ядовиты, чей соединения, в которых мышьяк пятивалентен). Это самое ядовитое из всех соединений мышьяк достаточно истечение получаса подышать воздухом, в литре которого содержится 0,00005 г AsH3, чтобы через несколько дней отправиться на тот свет. Концентрация AsH3 0,005г/л убивает мгновенно. Считают, что биохимический механиз действия- АsН3 состоит в том, что его молекулы «блокируют» молекулы фермента эритроцитов — каталазы; из-за этого в крови накапливается перекись водорода, разрушаящая кровь. Активированный уголь сорбирует арсин слабо, поэтому против арсина обычный противогаз не защитник.
В годы первой мировой войны были попытки применит арсин, но летучесть и неустойчивость этого веществ, помогли избежать его массового применения. Сейчас к сожалению, технические возможности для длительного заражения местности арсином есть. Он образуется при реакции арсенидов некоторых металлов с водой. Да и сами арсениды опасны для людей и животных, американские войска во Вьетнаме доказали это. . . Арсениды многих металлов тоже следовало бы отнести к числу ОВ общего действия.
Другая большая группа отравляющих веществ — вещества раздражающего действия —почти целиком состоит из соединений мышьяка. Ее типичные представители дифенилхлорарсин (C6H5)2AsCl и дифенилцианарсин (C6H5)2AsCN.
Вещества этой группы избирательно действуют на нервные окончания слизистых оболочек — главным образом оболочек верхних дыхательных путей. Это вызывает рефлекторную реакцию организма освободиться от раздражителя, чихая или кашляя. В отличие от слезоточивых ОВ эти вещества даже при легком отравлении действуют и после того, как пораженный выбрался из отравленной атмосферы. В течение нескольких часов человека сотрясает мучительный кашель, появляется боль в груди и в голове, начинают непроизвольно течь слезы. Плюс к этому рвота, одышка, чувство страха; все это доводит до совершенного изнурения. И вдобавок эти вещества вызывают общее отравление организма»
Среди отравляющих веществ кожно-нарывного действия — люизит, реагирующий с сульфогидрильными SH-группами ферментов и нарушающий ход многих: биохимических процессов. Впитываясь через кожу, люизит вызывает общее отравление организма. Это обстоятельство в свое время дало повод американцам рекламировать люизит под названием «роса смерти».
Но хватит об этом. Человечество живет надеждой, что отравляющие вещества, о которых мы рассказали (и еще многие им подобные), никогда больше не будут использованы.
Мышьяк — стимулятор технического прогресса
Самая перспективная область применения мышьяка несомненно полупроводниковая техника. Особое значение приобрели в ней арсениды галлия GaAs и индия InAs. Арсенид галлия важен также для нового направления электронной техники — оптоэлектроники, возникшей в 1963—1965 годах на стыке физики твердого тела, оптики и электроники. Этот же материал помог создать первые полупроводниковые лазеры.
Почему арсениды оказались перспективными для полупроводниковой техники? Чтобы ответить на этот вопрос, напомним коротко о некоторых основных понятиях физики полупроводников: «валентная зона», «запрещенная зона» и «зона проводимости».
В отличие от свободного электрона, который может обладать любой энергией, электрон, заключенный в атоме, может обладать только некоторыми, вполне определенными значениями энергии. Из возможных значений энергии электронов в атоме складываются энергетические зоны. В силу известного принципа Паули, число электронов в каждой зоне не может быть больше некоего определенного максимума. Если зона пуста, то она, естественно, не может участвовать в создании проводимости. Не участвуют в проводимости и электроны целиком заполненной зоны: раз нет свободных уровней, внешнее электрическое поле не может вызывать перераспределения электронов и тем самым создать электрический ток. Проводимость возможна лишь в частично заполненной зоне. Поэтому тела с частично заполненной зоной относят к металлам, а тела, у которых энергетический спектр электронных состоянии состоит из заполненных и пустых зон, — к диэлектрикам или полупроводникам.
Напомним также, что целиком заполненные зоны в кристаллах называются валентными зонами, частично заполненные и пустые — зонами проводимости, а энергетический интервал (или барьер) между ними — запрещенной зоной,
Основное различие между диэлектриками и полупроводниками состоит именно в ширине запрещенной зоны: если для преодоления ее нужна энергия больше 3 электронвольт, то кристалл относят к диэлектрикам, а если меньше — к полупроводникам.
По сравнению с классическими полупроводниками IV группы — германием и кремнием — арсениды элементов III группы обладают двумя преимуществами. Ширину запрещенной зоны и подвижность носителей заряда в них можно варьировать в более широких пределах. А чем подвижнее носители заряда, тем при больших частотах может работать полупроводниковый прибор. Ширину запрещенной зоны выбирают в зависимости от назначения прибора. Так, для выпрямителей и усилителей, рассчитанных на работу при повышенной температуре, применяют материал с большой шириной запрещенной зоны, а для охлаждаемых приемников инфракрасного излучения — с малой.
Арсенид галлия приобрел особую популярность потому, что у него хорошие электрические характеристики, которые он сохраняет в широком интервале температур — от минусовых до плюс 500° С. Для сравнения укажем, что арсенид индия, не уступающий GaAs по электрическим свойствам, начинает терять их при комнатной температуре, соединения германия — при 70—80°, а кремния — при 150-200° С.
Мышьяк используют и в качестве легирующей добавки, которая придает «классическим» полупроводникам (Si, Ge) проводимость определенного типа (см. статью «Германий»). При этом в полупроводнике создается так называемый переходный слой, и в зависимости от назначения кристалла его легируют так, чтобы получить слой на различной глубине. В кристаллах, предназначенных для изготовления диодов, его «прячут» поглубже; если же из полупроводниковых кристаллов будут делать солнечные батареи, то глубина переходного слоя — не более одного микрона.
Мышьяк как ценную присадку используют в цветной металлургии. Так, добавка к свинцу 0,2—l%As значительно повышает его твердость. Дробь, например, всегда делают из свинца, легированного мышьяком — иначе не получить строго шарообразной формы дробинок.
Добавка 0,15—0,45% мышьяка в медь увеличивает ее прочность на разрыв, твердость и коррозионную стойкость при работе в загазованной среде. Кроме того, мышьяк увеличивает текучесть меди при литье, облегчает процесс волочения проволоки.
Добавляют мышьяк в некоторые сорта бронз, латуней, баббитов, типографских сплавов.
И в то же время мышьяк очень часто вредит металлургам. В производстве стали и многих цветных металлов умышленно идут на усложнение процесса — лишь бы удалить из металла весь мышьяк. Присутствие мышьяка в руде делает производство вредным. Вредным дважды:
во-первых, для здоровья людей, во-вторых, для металла — значительные примеси мышьяка ухудшают свойства почти всех металлов и сплавов.
Таков элемент № 33, заслуженно пользующийся скверной репутацией, и тем не менее во многих случаях очень полезный.
* О двух типах проводимости подробно расскавано в статье «Германий».
Мышьяк - химический элемент группы азота (группа 15 таблицы Менделеева). Это серое с металлическим блеском хрупкое вещество (α-мышьяк) с ромбоэдрической кристаллической решеткой. При нагревании до 600°C As сублимирует. При охлаждении паров возникает новая модификация — желтый мышьяк. Выше 270°C все формы As переходят в черный мышьяк.
История открытия
О том, что такое мышьяк, было известно задолго до признания его химическим элементом. В IV в. до н. э. Аристотель упоминал о веществе под названием «сандарак», которое, как теперь полагают, было реальгаром, или сульфидом мышьяка. А в I веке н. э. писатели Плиний старший и Педаний Диоскорид описывали аурипигмент - краситель As 2 S 3 . В XI в. н. э. различались три разновидности «мышьяка»: белый (As 4 O 6), желтый (As 2 S 3) и красный (As 4 S 4). Сам элемент, вероятно, впервые был выделен в XIII веке Альбертом Великим, который отметил появление металлоподобного вещества, когда арсеникум, другое название As 2 S 3 , был нагрет с мылом. Но уверенности в том, что этот ученый-естествоиспытатель получил чистый мышьяк, нет. Первое подлинное свидетельство о выделении чистого датировано 1649 годом. Немецкий фармацевт Иоганн Шредер приготовил мышьяк, нагревая его оксид в присутствии угля. Позже Никола Лемери, французский врач и химик, наблюдал образование этого химического элемента при нагревании смеси его оксида, мыла и поташа. К началу XVIII века мышьяк уже был известен и как уникальный полуметалл.
Распространенность
В земной коре концентрация мышьяка невелика и составляет 1,5 промилле. Он встречается в почве и минералах и может попасть в воздух, воду и грунт благодаря ветровой и водной эрозии. Кроме того, элемент поступает в атмосферу из других источников. В результате извержения вулканов в воздух выделяется около 3 тыс. т мышьяка в год, микроорганизмы образуют 20 тыс. т летучего метиларсина в год, а в результате сжигания ископаемого топлива за тот же период выделяется 80 тыс. т.
Несмотря на то что As - смертельный яд, он является важной составляющей питания некоторых животных и, возможно, человека, хотя необходимая доза не превышает 0,01 мг/сутки.
Мышьяк крайне трудно перевести в водорастворимое или летучее состояние. Тот факт, что он довольно мобилен, означает, что большие концентрации вещества в каком-то одном месте появиться не могут. С одной стороны, это хорошо, но с другой - легкость, с которой он распространяется, является причиной того, что загрязнение мышьяком становится все большей проблемой. Из-за деятельности человека, в основном за счет добычи и плавки, обычно немобильный химический элемент мигрирует, и сейчас его можно найти не только в местах его естественной концентрации.
Количество мышьяка в земной коре составляет около 5 г на тонну. В космосе его концентрация оценивается как 4 атома на миллион атомов кремния. Этот элемент широко распространен. Небольшое его количество присутствует в самородном состоянии. Как правило, образования мышьяка чистотой 90-98% встречаются вместе с такими металлами, как сурьма и серебро. Большая его часть, однако, входит в состав более чем 150 различных минералов - сульфидов, арсенидов, сульфоарсенидов и арсенитов. Арсенопирит FeAsS является одним из самых распространенных As-содержащих минералов. Другие распространенные соединения мышьяка - минералы реальгар As 4 S 4, аурипигмент As 2 S 3, леллингит FeAs 2 и энаргит Cu 3 AsS 4 . Также часто встречается оксид мышьяка. Большая часть этого вещества является побочным продуктом выплавки медных, свинцовых, кобальтовых и золотых руд.
В природе существует только один стабильный изотоп мышьяка - 75 As. Среди искусственных радиоактивных изотопов выделяется 76 As c периодом полураспада 26,4 ч. Мышьяк-72, -74 и -76 используются в медицинской диагностике.
Промышленное производство и применение
Металлический мышьяк получают при нагреве арсенопирита до 650-700 °C без доступа воздуха. Если же арсенопирит и другие металлические руды нагревать с кислородом, то As легко вступает с ним в соединение, образуя легко возгоняемый As 4 O 6 , также известный как «белый мышьяк». Пары оксида собирают и конденсируют, и позже очищают повторной возгонкой. Большая часть As производится путем его восстановления углеродом из белого мышьяка, полученного таким образом.
Мировое потребление металлического мышьяка является относительно небольшим - всего несколько сотен тонн в год. Большая часть того, что потребляется, поступает из Швеции. Он используется в металлургии из-за его металлоидных свойств. Около 1% мышьяка применяется в производстве свинцовой дроби, так как он улучшает округлость расплавленной капли. Свойства подшипниковых сплавов на основе свинца улучшаются как по тепловым, так и по механическим характеристикам, когда они содержат около 3% мышьяка. Наличие малого количества этого химического элемента в свинцовых сплавах закаляет их для использования в аккумуляторных батареях и кабельной броне. Небольшие примеси мышьяка повышают коррозионную стойкость и тепловые свойства меди и латуни. В чистом виде химический элементарный As используется для нанесения бронзового покрытия и в пиротехнике. Высокоочищенный мышьяк находит применение в полупроводниковой технике, где он используется с кремнием и германием, а также в форме арсенида галлия (GaAs) в диодах, лазерах и транзисторах.
Соединения As
Так как валентность мышьяка равна 3 и 5, и он имеет ряд степеней окисления от -3 до +5, элемент может образовывать различные виды соединений. Наиболее важное коммерческое значение имеют его формами которых являются As 4 O 6 и As 2 O 5 . Мышьяковистый оксид, широко известный как белый мышьяк, - это побочный продукт обжига руд меди, свинца и некоторых других металлов, а также арсенопирита и сульфидных руд. Он является исходным материалом для большинства других соединений. Кроме того, он используется в пестицидах, служит обесцвечивающим веществом в производстве стекла и консервантом для кож. Пятиокись мышьяка образуется при воздействии окислителя (например, азотной кислоты) на белый мышьяк. Он является основным ингредиентом инсектицидов, гербицидов и клея для металла.
Арсин (AsH 3), бесцветный ядовитый газ, состоящий из мышьяка и водорода, - это еще одно известное вещество. Вещество, называемое также мышьяковистым водородом, получают путем гидролиза металлических арсенидов и восстановления металлов из соединений мышьяка в растворах кислот. Он нашел применение как легирующая добавка в полупроводниках и боевой отравляющий газ. В сельском хозяйстве большое значение имеют мышьяковая кислота (H 3 AsO 4), арсенат свинца (PbHAsO 4) и арсената кальция [Са 3 (AsO 4) 2 ], которые используются для стерилизации почвы и борьбы с вредителями.
Мышьяк - химический элемент, образующий множество органических соединений. Какодин (СН 3) 2 As−As(СН 3) 2 , например, используется при подготовке широко используемого десиканта (осушающего средства) - какодиловой кислоты. Сложные органические соединения элемента применяются в лечении некоторых заболеваний, например, амебной дизентерии, вызванной микроорганизмами.
Физические свойства
Что такое мышьяк с точки зрения его физических свойств? В наиболее стабильном состоянии он представляет собой хрупкое твердое вещество стального серого цвета с низкой тепловой и электрической проводимостью. Хотя некоторые формы As являются металлоподобными, отнесение его к неметаллам - это более точная характеристика мышьяка. Есть и другие виды мышьяка, но они не очень хорошо изучены, особенно желтая метастабильная форма, состоящая из молекул As 4 , подобно белому фосфору Р 4 . Мышьяк возгоняется при температуре 613 °C, и в виде пара он существует как молекулы As 4 , которые не диссоциируют до температуры около 800 °C. Полная диссоциация на молекулы As 2 происходит при 1700 °С.
Строение атома и способность образовывать связи
Электронная формула мышьяка - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3 - напоминает азот и фосфор в том, что во внешней оболочке есть пять электронов, но он отличается от них наличием 18 электронов в предпоследней оболочке вместо двух или восьми. Добавление 10 положительных зарядов в ядре во время заполнения пяти 3d-орбиталей часто вызывает общее уменьшение электронного облака и увеличение электроотрицательности элементов. Мышьяк в таблице Менделеева можно сравнить с другими группами, которые наглядно демонстрируют эту закономерность. Например, общепризнанно, что цинк является более электроотрицательным, чем магний, а галлий - чем алюминий. Однако в последующих группах эта разница уменьшается, и многие не согласны с тем, что германий электроотрицательнее кремния, несмотря на обилие химических доказательств. Подобный переход от 8- к 18-элементной оболочке от фосфора к мышьяку может увеличить электроотрицательность, но это остается спорным.
Сходство внешней оболочки As и P говорит о том, они могут образовывать 3 на атом при наличии дополнительной несвязанной электронной пары. Степень окисления должна, следовательно, быть +3 или -3, в зависимости от относительной взаимной электроотрицательности. Строение мышьяка также говорит о возможности использования внешней d-орбитали для расширения октета, что позволяет элементу образовывать 5 связей. Она реализуется только при реакции с фтором. Наличие свободной электронной пары для образования комплексных соединений (через донорство электронов) в атоме As проявляется гораздо меньше, чем у фосфора и азота.
Мышьяк стабилен в сухом воздухе, но во влажном покрывается черным оксидом. Его пары легко сгорают, образуя As 2 O 3 . Что такое мышьяк в свободном состоянии? Он практически не подвержен воздействию воды, щелочей и неокисляющих кислот, но окисляется азотной кислотой до состояния +5. С мышьяком реагируют галогены, сера, а многие металлы образуют арсениды.
Аналитическая химия
Вещество мышьяк качественно можно обнаружить в виде желтого аурипигмента, выпадающего в осадок под действием 25% раствора соляной кислоты. Следы As, как правило, определяются путем его преобразования в арсин, который можно обнаружить с помощью теста Марша. Арсин термически разлагается, образуя черное зеркало из мышьяка внутри узкой трубки. По методу Гутцайта пробник, пропитанный под действием арсина темнеет из-за выделения ртути.
Токсикологическая характеристика мышьяка
Токсичность элемента и его производных широко изменяется в значительных пределах, от чрезвычайно ядовитого арсина и его органических производных до просто As, который относительно инертен. О том, что такое мышьяк, говорит применение его органических соединений в качестве боевых отравляющих веществ (люизит), везиканта и дефолианта («Агент блю» на основе водной смеси 5% какодиловой кислоты 26% ее натриевой соли).
В целом производные данного химического элемента раздражают кожу и вызывают дерматит. Также рекомендуется защита от вдыхания мышьяк-содержащей пыли, но большая часть отравлений происходит при его употреблении внутрь. Предельно допустимая концентрация As в пыли за восьмичасовой рабочий день составляет 0,5 мг/м 3 . Для арсина доза снижается до 0,05 части на миллион. Помимо использования соединений данного химического элемента в качестве гербицидов и пестицидов, применение мышьяка в фармакологии позволило получить сальварсан - первый успешный препарат против сифилиса.
Воздействие на здоровье
Мышьяк является одним из наиболее токсичных элементов. Неорганические соединения данного химического вещества в естественных условиях встречаются в небольших количествах. Люди могут подвергаться воздействию мышьяка через пищу, воду и воздух. Экспозиция может также произойти при контакте кожи с зараженной почвой или водой.
Воздействию вещества также подвержены люди, которые с ним работают, живут в домах, построенных из обработанной им древесины, и на землях сельскохозяйственного назначения, где в прошлом применялись пестициды.
Неорганический мышьяк может вызывать различные последствия для здоровья человека, такие как раздражение желудка и кишечника, снижение производства красных и белых клеток крови, изменение кожи и раздражение легких. Предполагается, что поглощение значительного количества этого вещества может увеличить шансы развития рака, особенно рака кожи, легких, печени и лимфатической системы.
Очень высокие концентрации неорганического мышьяка являются причиной бесплодия и выкидышей у женщин, дерматитов, снижения сопротивляемости организма инфекциям, проблем с сердцем и повреждений мозга. Кроме того, этот химический элемент способен повредить ДНК.
Смертельная доза белого мышьяка равна 100 мг.
Органические соединения элемента ни рака, ни повреждений генетического кода не вызывают, но высокие дозы могут нанести вред здоровью человека, например вызвать нервные расстройства или боли в животе.
Свойства As
Основные химико-физические свойства мышьяка следующие:
- Атомное число - 33.
- Атомный вес - 74,9216.
- Температура плавления серой формы - 814 °C при давлении 36 атмосфер.
- Плотность серой формы - 5,73 г/см 3 при 14 °C.
- Плотность желтой формы - 2,03 г/см 3 при 18 °C.
- Электронная формула мышьяка - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3 .
- Состояния окисления - -3, +3, +5.
- Валентность мышьяка - 3, 5.
