Мышьяк

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.

Суточная потребность в данном веществе невелика – от 30 до 100 мкг.

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).