Мышьяк является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 33 и условным обозначением As. Мышьяк в свободном виде представляет собой токсичный тяжелый металл серебристо-серого цвета.
Открытие
История такого химического элемента как мышьяк начинается с очень давних времён. Распространенность минералов содержащих мышьяк и присутствие его свободной формы в земной коре сделало этот химический элемент одним из самых ранних материалов известных человечеству. По имеющимся данным, люди уже его использовали преднамеренно в период «Бронзового века», а это составляет как минимум 3 тысячи лет. Данный факт подтверждается тем, что в волосах «Ледяного человека Эци» было обнаружено большое количество мышьяка, который по всей видимости попал в волосы при обработке содержащей мышьяк меди или преднамеренно добавленной в состав при обработке.
Сегодня достоверно не известно кто и когда впервые получил чистый химический элемент. Известно, что у древних алхимиков и исследователей мышьяк пользовался популярностью. Первый задокументированный процесс получения мышьяка датируется 1250 годом и принадлежит немецкому ученому и епископу Альберту Магнусу, который восстанавливал мышьяк древесным углем. Швейцарский алхимик Теофраст Бомбаст фон Гогенхайм широко известный как Парацельс первым начал широко применять мышьяк в медицине около XVI века, хотя приблизительно в это же время китайский врач и фармацевт Ли Шичжэнь описал препараты содержащие мышьяк в своей медицинской энциклопедии Bencao Gangmu.
Постепенно соединения мышьяка находили различные применения включая пигмент для красок, для печати обоев или цветной резки книг. Арсенит извести и арсенат свинца широко использовались в качестве инсектицидов до середины XIX века. В период войн соединения мышьяка использовались в качестве отравляющих веществ в составе химического оружия. Таким образом данный элемент является неотъемлемой частью истории современного человека.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Тройная точка | 816,9 °C 3628 кПа |
| Точка сублимации | 613 ° С |
| Плотность при Н.У. | 5,73 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 3.5 |
| Критическая точка | 1399,8 °C, 67 МПа |
| Мол. теплота плавления | 24,44 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 34,76 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 24,864 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 13,1 см3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 33 |
| Атомная масса | 74.921595 |
| Электронная конфигурация | 3d¹⁰4s²4p³ |
| Радиус атома | 115 пм |
| Ковалентный радиус | 119 пм |
| Степени окисления | -3; +3; +5 |
| Радиус иона | 46 пм |
| Электроотрицательность | 2.18 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 946,2 кДж/моль |
| Изотопы | ⁷²As; ⁷³As; ⁷⁴As; ⁷⁵As; ⁷⁶As; ⁷⁷As |
Интересное:
Добыча и производство
Мышьяк, согласно данных минералогов, находится на 53 строчке среди самых распространенных химических элементов в земной коре со значением 1,5 частей на миллион. Типичные фоновые концентрации мышьяка не превышают 3 нг/м³ в атмосфере; 100 мг/кг — в почве; 400 мкг/кг — в растительности; 10 мкг/л — в пресной воде и 1,5 мкг/л — в морской воде. Мышьяк является 22-м наиболее распространенным элементом в морской воде и занимает 41-е место по распространенности во Вселенной.
Мышьяк производится в больших количествах как побочный продукт добычи меди, свинца, кобальта и золота. Его обычно получают термическим восстановлением оксида мышьяка(III) коксом или железом и нагреванием мышьякпирита (FeAsS ) или мышьякпирита (FeAs2) в отсутствие воздуха в горизонтальных глиняных трубках. Элементарный мышьяк сублимируется и возвращается в твердое состояние на холодных поверхностях. Химические формулы получения мышьяк:
FeAsS → FeS + As
FeAs2 → FeAs + As
Для полупроводниковой техники мышьяк, чистота которого должна быть более 99,99999 процентов, получают восстановлением многократно перегнанного хлорида мышьяка(III) в токе водорода:
2AsCl3 + 3H2 → 6HCl + 2As
Ежегодное мировое производство мышьяка оценивается в 40 тысяч тонн. Лидерами по производству мышьяка являются Китай, Марокко и Россия с 25000 тонн, 9000 тонн и 1500 тонн соответственно и за ними следуют Бельгия, Боливия и Япония. В начале XX века во всем мире существовало всего три завода по производству чистого мышьяка два из которых находились в Германии, а третий в Японии.
Интересное:
Применение
Мышьяк применяется в различных сферах жизнедеятельности человека. Исторически сложилось так, что применение этого элемента приходится на области сельского хозяйства, медицины, металлургию и военную промышленность.
В области сельского хозяйства мышьяк используется в качестве консерванта древесины из-за его токсичности для насекомых, бактерий и грибков. Этот элемент также использовался в различных сельскохозяйственных инсектицидах и ядах. Арсенат свинца был распространенным инсектицидом на фруктовых деревьях, но контакт с этим соединением иногда приводил к повреждению мозга у тех, кто работал с опрыскивателями. Во второй половине 20-го века мононатрийметиларсенат (MSMA) и динатрийметиларсенат (DSMA) — менее токсичные органические формы мышьяка — заменили арсенат свинца в сельском хозяйстве. Мышьяк так же используется в качестве кормовой добавки в птицеводстве и свиноводстве который приводит к увеличению привеса, повышению эффективности корма и профилактики заболеваний.
Медицинское применение мышьяка зародилось еще до XX века и использовалось для лечения таких заболеваний как рак, сифилис, псориаз, трипаносомоз и острого промиелоцитарного лейкоза. Лекарственные средства, содержащие мышьяк или соединения мышьяка, пережили подъем в начале 20 века. В 1905 году Гарольд Вольферстан Томас и Антон Брейнл смогли наблюдать, что мышьяксодержащий препарат Атоксил убивает трипаносомы, в состав которых входят возбудители, вызывающие сонную болезнь. В 1907 году Пауль Уленхут лечил куриный спирохетоз и сифилис органическими соединениями мышьяка. Разработанный в 1950-х годах Меларсопрол, был препаратом выбора для лечения сонной болезни в течение нескольких десятилетий и используется до сих пор, поскольку не существует эффективных препаратов для последующего наблюдения. Различные сульфиды мышьяка входят в состав лекарств китайской медицины.
В металлургии большая часть мышьяка применяется в сплавах со свинцом. Децинкификация латуни (сплав меди и цинка) значительно снижается при добавлении мышьяка. «Фосфорная раскисленная мышьяковая медь» с содержанием мышьяка 0,3% имеет повышенную коррозионную стойкость в определенных средах. Арсенид галлия является важным полупроводниковым материалом, используемый в интегральных схемах. Схемы, изготовленные из GaAs, намного быстрее (но и намного дороже), чем те, что изготовлены из кремния. В отличие от кремния, GaAs имеет прямую запрещенную зону и может использоваться в лазерных диодах и светодиодах для преобразования электрической энергии непосредственно в свет.
В военной промышленности мышьяк применяется для изготовления токсичных и отравляющих веществ, которые могут включать кожно-нарывной агент люизит (А-243), нарывной агент везикант и американский радужный гербицид Агент Блю. Плюс ко всему около 2% производимого мышьяка используется в свинцовых сплавах для свинцовой дроби и пуль.
Существует множество других применений данного химического элемента, но вышеперечисленные категории из них являются самыми массовыми из них.
Интересное:
Безопасность
Трехвалентные растворимые соединения мышьяка высокотоксичны, поскольку они нарушают биохимические процессы, такие как восстановление ДНК, клеточный энергетический метаболизм, рецептор-опосредованные транспортные процессы и передача сигналов. Острое отравление мышьяком приводит к судорогам, тошноте, рвоте, внутреннему кровотечению, диарее и коликам, даже к недостаточности почек и кровообращения. При тяжелом отравлении кожа становится липкой и холодной, и пострадавший может впасть в кому.
Проглатывание от 60 до 170 миллиграммов мышьяка считается смертельной дозой для человека (LD 50 = 1,4 мг/кг массы тела). Смерть обычно наступает в течение нескольких часов или нескольких дней из-за почечной и сердечно-сосудистой недостаточности. Хроническое воздействие мышьяка может вызвать кожные заболевания и повреждение кровеносных сосудов, приводящее к отмиранию пораженных участков (черная стопа), а также к злокачественным опухолям кожи, легких, печени и мочевого пузыря. Эти симптомы были также известны как болезнь Рейхенштейна по названию места в Силезии, где питьевая вода содержала до 0,6 мг мышьяка на литр из-за добычи мышьяка.
Металлический мышьяк лишь слегка токсичен из-за своей нерастворимости, поскольку он почти не усваивается организмом (LD 50 = 763 мг/кг крысы, перорально). Однако, поскольку на воздухе он легко покрывается очень ядовитыми оксидами, такими как мышьяк, с ним всегда следует обращаться с величайшей осторожностью.