Опубликовано Оставить комментарий

Мышьяк как широко встречающийся токсичный металл

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.


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

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.


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.


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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *