Соединения мышьяка (англ. и франц. Arsenic, нем. Arsen) известны очень давно. В III - II тысячелетиях до н. э. уже умели получать сплавы меди с 4 - 5% мышьяка. У ученика Аристотеля, Теофраста (IV - III в. до н. э.) встречающийся в природе красный сульфид мышьяка именуется реальгаром; Плиний называет желтый сернистый мышьяк Аs 2 S 3 аурипигментом (Auripigmentum) - окрашенный в золотистый цвет, а позднее он получил название орпимент (orpiment). Древнегреческое слово арсеникон, а также сандарак относятся главным образом к сернистым соединениям. В I в. Диоскорид описал обжигание аурипигмента и образующийся при этом продукт - белый мышьяк (Аs 2 O 3). В алхимический период развития химии считалось неоспоримым, что арсеник (Arsenik) имеет сернистую природу, а так как сера (Sulphur) почиталась "отцом металлов", то и арсенику приписывали мужские свойства. Неизвестно, когда именно впервые был получен металлический мышьяк. Обычно это открытие приписывается Альберту великому (ХIII в.). Окрашивание меди при добавках мышьяка в белый серебристый цвет алхимики рассматривали как превращение меди в серебро и приписывали такую "трансмутацию" могущественной силе мышьяка. В средние века и в первые столетия нового времени стали известны ядовитые свойства мышьяка. Впрочем, еще Диоскорид (Iв.) рекомендовал больным астмой вдыхание паров продукта, получаемого при нагревании реальгара со смолой. Парацельс уже широко применял белый мышьяк и другие соединения мышьяка для лечения. Химики и горняки ХV - ХVII в. знали о способности мышьяка сублимироваться и образовывать парообразные продукты со специфическим запахом и ядовитыми свойствами.Василий Валентин упоминает о хорошо известном металлургам ХVI в. доменном дыме (Huttenrauch) и его специфическом запахе. Греческое (и латинское) название мышьяка, относившееся к сульфидам мышьяка, происходит от греческого мужской. Имеются и другие объяснения про исхождения этого названия, например от арабского arsa paki, означавшего "глубоко в тело проникающий несчастный яд"; вероятно, арабы заимствовали это название от греков. Русское название мышьяк известно с давних пор. В литературе оно появилось со времен Ломоносова, который считал мышьяк полуметаллом. Наряду с этим названием в ХМVIII в. употреблялось слово арсеник, а мышьяком называли As 2 O 3 . Захаров (1810) предлагал название мышьяковик, но оно не привилось. Слово мышьяк, вероятно, заимствовано русскими ремесленниками у тюркских народов. На азербайджанском, узбекском, фарсидском и других восточных языках мышьяк назывался маргумуш (мар - убить, муш - мышь); русское мышьяк, вероятно, искаженное мышь-яд, или мышь-ядь.
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.
Историческая справка. Природные соединения М. 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 М. - оксид М. (iii) as 2 o 3 («белый М.»). Название arsenik o n встречается уже у Аристотеля; оно произведено от греч. a rsen - сильный, мужественный и служило для обозначения соединений М. (по их сильному действию на организм). Русское название, как полагают, произошло от «мышь» (по применению препаратов М. для истребления мышей и крыс). Получение М. в свободном состоянии приписывают Альберту Великому (около 1250). В 1789 А. Лавуазье включил М. в список химических элементов.
Распространение в природе. Среднее содержание М. в земной коре (кларк) 1,7 · 10 -4 % (по массе), в таких количествах он присутствует в большинстве изверженных пород. Поскольку соединения М. 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 др. элементами). При извержении вулканов М. в виде своих летучих соединений попадает в атмосферу. Так как М. 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 М. Ещё реже встречается самородный М. и минералы as 2+ . Из многочисленных минералов М. (около 180) основное промышленное значение имеет лишь арсенопирит feass.
Малые количества М. необходимы для жизни. Однако в районах месторождении М. и деятельности молодых вулканов почвы местами содержат до 1% М., с чем связаны болезни скота, гибель растительности. Накопление М. особенно характерно для ландшафтов степей и пустынь, в почвах которых М. малоподвижен. Во влажном климате М. легко вымывается из почв.
В живом веществе в среднем 3 · 10 -5 % М., в реках 3 · 10 -7 %. М., приносимый реками в океан, сравнительно быстро осаждается. В морской воде лишь 1 · 10 -7 % М., но зато в глинах и сланцах 6,6 · 10 -4 %. Осадочные железные руды, железомарганцевые конкреции часто обогащены М.
Физические и химические свойства. М. имеет несколько аллотропических модификаций. При обычных условиях наиболее устойчив так называемый металлический, или серый, М. (a -as) - серо-стальная хрупкая кристаллическая масса; в свежем изломе имеет металлический блеск, на воздухе быстро тускнеет, т. к. покрывается тонкой плёнкой as 2 o 3 . Кристаллическая решётка серого М. ромбоэдрическая (а = 4,123 a , угол a = 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), твёрдость по Бринеллю 1470 Мн/м 2 , или 147 кгс/мм 2 (3-4 по Моосу); М. диамагнитен. Под атмосферным давлением М. возгоняется при 615 °c не плавясь, т. к. тройная точка a -as лежит при 816 °c и давлении 36 ат . Пар М. состоит до 800 °c из молекул as 4 , выше 1700 °c - только из as 2 . При конденсации пара М. на поверхности, охлаждаемой жидким воздухом, образуется жёлтый М. - 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 М. Известны также стекловидно-аморфные модификации: чёрный М. и бурый М., которые при нагревании выше 270°c превращаются в серый М.
Конфигурация внешних электронов атома М. 3 d 10 4 s 2 4 p 3 . В соединениях М. имеет степени окисления + 5, + 3 и – 3. Серый М. значительно менее активен химически, чем фосфор. При нагревании на воздухе выше 400°c М. горит, образуя as 2 o 3 . С галогенами М. соединяется непосредственно; при обычных условиях asf 5 - газ; asf 3 , ascl 3 , asbr 3 - бесцветные легко летучие жидкости; asi 3 и as 2 l 4 - красные кристаллы. При нагревании М. с серой получены сульфиды: оранжево-красный as 4 s 4 и лимонно-жёлтый as 2 s 3 . Бледно-жёлтый сульфид as 2 s 5 осаждается при пропускании h 2 s в охлаждаемый льдом раствор мышьяковой кислоты (или её 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 М. 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 М. даёт окислы: оксид М. (iii) as 2 o 3 - мышьяковистый ангидрид и оксид М. (v) as 2 o 5 - мышьяковый ангидрид. Первый из них образуется при действии кислорода на М. 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 М. (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, as 2 o 3 + 3c = 2as + 3co).
Оксид М. (v) получают нагреванием мышьяковой кислоты h 3 aso 4 (около 200°c). Он бесцветен, около 500°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 М. по большей части образует соединения (арсениды ).
Получение и применение . М. 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, соединённых с приёмником для конденсации паров М. Мышьяковистый ангидрид получают окислительным обжигом мышьяковых руд или как побочный продукт обжига полиметаллических руд, почти всегда содержащих М. При окислительном обжиге образуются пары as 2 o 3 , которые конденсируются в уловительных камерах. Сырой as 2 o 3 очищают возгонкой при 500-600°c. Очищенный as 2 o 3 служит для производства М. и его препаратов.
Небольшие добавки М. (0,2-1,0% по массе) вводят в свинец, служащий для производства ружейной дроби (М. повышает поверхностное натяжение расплавленного свинца, благодаря чему дробь получает форму, близкую к сферической; М. несколько увеличивает твёрдость свинца). Как частичный заменитель сурьмы М. входит в состав некоторых баббитов и типографских сплавов.
Чистый М. 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 М. наиболее токсичен мышьяковистый ангидрид. Примесь М. 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 М., хотя и не ядовит, но при хранении на воздухе всегда покрывается налётом ядовитого as 2 o 3 . При отсутствии должной вентиляции крайне опасно травление металлов (железа, цинка) техническими серной или соляной кислотами, содержащими примесь М., т. к. при этом образуется мышьяковистый водород.
С. А. Погодин.
М. в организме. В качестве микроэлемента М. повсеместно распространён в живой природе. Среднее содержание М. в почвах 4 · 10 -4 %, в золе растений - 3 · 10 -5 %. Содержание М. в морских организмах выше, чем в наземных (в рыбах 0,6-4,7 мг в 1 кг сырого вещества, накапливается в печени). Среднее содержание М. в теле человека 0,08-0,2 мг/кг . В крови М. концентрируется в эритроцитах, где он связывается с молекулой гемоглобина (причём в глобиновой фракции содержится его вдвое больше, чем в геме). Наибольшее количество его (на 1 г ткани) обнаруживается в почках и печени. Много М. содержится в лёгких и селезёнке, коже и волосах; сравнительно мало - в спинномозговой жидкости, головном мозге (главным образом гипофизе), половых железах и др. В тканях М. находится в основной белковой фракции, значительно меньше - в кислоторастворимой и лишь незначительная часть его обнаруживается в липидной фракции. М. участвует в окислительно-восстановительных реакциях: окислительном распаде сложных углеводов, брожении, гликолизе и т. п. Соединения М. применяют в биохимии как специфические ингибиторы ферментов для изучения реакций обмена веществ.
М. в медицине. Органические соединения М. (аминарсон, миарсенол, новарсенал, осарсол) применяют, главным образом, для лечения сифилиса и протозойных заболеваний. Неорганические препараты М. - натрия арсенит (мышьяковокислый натрий), калия арсенит (мышьяковистокислый калий), мышьяковистый ангидрид as 2 o 3 , назначают как общеукрепляющие и тонизирующие средства. При местном применении неорганические препараты М. могут вызывать некротизирующий эффект без предшествующего раздражения, отчего этот процесс протекает почти безболезненно; это свойство, которое наиболее выражено у as 2 o 3 , используют в стоматологии для разрушения пульпы зуба. Неорганические препараты М. применяют также для лечения псориаза.
Полученные искусственно радиоактивные изотопы М. 74 as (t 1 / 2 = 17,5 сут ) и 76 as (t 1 / 2 = 26,8 ч ) используют в диагностических и лечебных целях. С их помощью уточняют локализацию опухолей мозга и определяют степень радикальности их удаления. Радиоактивный М. используют иногда при болезнях крови и др.
Согласно рекомендациям Международной комиссии по защите от излучений, предельно допустимое содержание 76 as в организме 11 мккюри . По санитарным нормам, принятым в СССР, предельно допустимые концентрации 76 as в воде и открытых водоёмах 1 · 10 -7 кюри/л , в воздухе рабочих помещений 5 · 10 -11 кюри/л . Все препараты М. очень ядовиты. При остром отравлении ими наблюдаются сильные боли в животе, понос, поражение почек; возможны коллапс, судороги. При хроническом отравлении наиболее часты желудочно-кишечные расстройства, катары слизистых оболочек дыхательных путей (фарингит, ларингит, бронхит), поражения кожи (экзантема, меланоз, гиперкератоз), нарушения чувствительности; возможно развитие апластической анемии. При лечении отравлений препаратами М. наибольшее значение придают унитиолу.
Меры предупреждения производственных отравлений должны быть направлены прежде всего на механизацию, герметизацию и обеспыливание технологического процесса, на создание эффективной вентиляции и обеспечение рабочих средствами индивидуальной защиты от воздействия пыли. Необходимы регулярные медицинские осмотры работающих. Предварительные медицинские осмотры производят при приёме на работу, а для работающих - раз в полгода.
Лит.: Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, М., 1963, с. 700-712; Погодин С. А., Мышьяк, в кн.: Краткая химическая энциклопедия, т. 3, М., 1964; Вредные вещества в промышленности, под общ. ред. Н. В. Лазарева, 6 изд., ч. 2, Л., 1971.
cкачать реферат
Контрольная работа
Напишите электронные формулы атомов мышьяка и ванадия. Укажите, на каких подуровнях расположены валентные электроны в атомах этих элементов.
Электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов nl x , где n – главное квантовое число, l – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение – s , p , d , f ), x – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n +1 (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:
1s→2s→2р→3s→3р→4s→3d→4р→5s→4d→5р→6s→(5d 1) →4f→5d→6р→7s→(6d 1-2)→5f→6d→7р
Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д.И. Менделеева, то для элементов мышьяка (Аs порядковый № 33) и ванадия(V –порядковый № 23) электронные формулы имеют вид:
V 23 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 6 4s 2 3d 3
Аs 33 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 6 4s 2 3d 10 4р 3
Валентные электроны ванадия - 4s 2 3d 3 - находятся на 4s и 3d подуровнях;
Валентные электроны мышьяка 4s 2 4р 3 находятся на 4s и 4р подуровнях. Таким обра-зом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов – 5. Поэтому оба элемента помещают в одну и ту же группу периодической системы Д.И.Менделеева.
У кого элемента – фосфора или сурьмы- ярче выражены окислительные свойства? Дайте ответ на основе сравнения электронных структур атомов этих элементов.
Фосфор 15-ый элемент в Периодической системе Д.И. Менделеева. Его электронная формула 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 3
Сурьма 51-ый элемент в Периодической системе Д.И. Менделеева. Ее электронная формула 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 6 4s 2 3d 10 4р 6 5s 2 4d 10 5р 3
На внешних электронных подуровнях этих элементов по 5 электронов, следовательно они относятся к 5-ой группе периодической системы.
Окислительные свойства связаны с положением элементов в Периодической системе Д.И. Менделеева. В каждой группе Периодической системы элемент с более высоким порядковым номером обладает более ярко выраженными восстановительными свойствами в своей группе, а элемент с меньшим порядковым номером - более сильными окислительными свойствами.
У фосфора окислительные свойства выражены сильнее, чем у сурьмы. так как радиус атома меньше и валентные электроны сильнее притягиваются к ядру.
Почему у азота, кислорода, фтора, железа, кобальта и никеля максимальная валентность ниже номера группы, в которой расположены указанные элементы, а у их электронных аналогов максимальная валентность соответствует номеру группы?
Свойства элементов, формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов.
Высшую степень окисления элемента определяет номер группы периодической системы Д.И. Менделеева, в которой он находится. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, который приобретает атом при присоединении того количества электронов, которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной оболочки (ns 2 nр 6).
Так как у элементов второго периода отсутствует d-подуровень, то азот, кислород и фтор не могут достигать валентности равной номеру группы. У них нет возможности распаривать электроны. У фтора максимальная валентность может быть равной единице, у кислорода два, а у азота – три. Возбуждение 2s-электрона может происходить только на уровень с n = 3, что энергетически крайне невыгодно Для образования незаполненных АО необходимо, чтобы этот процесс был энергетически выгодным., но энергия, необходимая для перевода 2s -электрона на 3d - слишком велика. Взаимодействие атомов с образованием связи между ними происходит только при наличии орбиталей с близкими энергиями, т.е. орбиталей с одинаковым главным квантовым числом В отличие от азота, кислорода, фтора атомы фосфора серы, хлора могут образовывать соответственно пять, шесть, семь ковалентных связей.. В этом случае возможно участие 3s-электронов в образовании связей, поскольку d-АО (3d) имеют такое же главное квантовое число.
Для большинства d-элементов высшая валентность может отличаться от номера группы. Валентные возможности d-элемента в конкретном, случае определяются структурой электронной оболочки атома. d-элементы могут иметь минимальную валентность выше номера группы (медь, серебро) и ниже номера группы (железо, кобальт, никель).
Термохимическое уравнение реакции:
СО(г)+2 H 2 (г)= CH 3 OH (ж)+128 кДж
Вычислите, при какой температуре наступает равновесие в этой системе?
При экзотермических реакциях энтальпия системы уменьшается и ΔH< 0 (Н 2 < H 1). Тепловые эффекты выражаются через ΔH.
В основе термохимических расчетов лежит закон Гесса (1840 г.): тепловой эффект реакции зависит только от природы и физического состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути перехода.
В термохимических расчетах применяют чаще следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции (ΔHх.р) равен сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.
Энтропия S, так же энтальпия Н является свойством вещества, пропорциональным его количеству Энтропия является функцией состояния, т.е. ее изменение (ΔS) зависит только от начального (S 1) и конечного (S 2) состояния и не зависит от пути процесса:
ΔSх.р = ΣS 0 прод – ΣS 0 исх.
Так как энтропия растет с повышением температуры, то можно считать,
что мера беспорядка ≈ ТΔS. При Р =const и Т = const общую движущую силу процесса, которую обозначают ΔG, можно найти из соотношения:
ΔG = (Н 2 – H 1) – (TS 2 – TS 1); ΔG = ΔH – TΔS.
Химическое равновесие - состояние системы, в котором скорость прямой реакции (V 1) равна скорости обратной реакции (V 2). При химическом равновесии концентрации веществ остаются неизменными. Химическое равновесие имеет динамический характер: прямая и обратная реакции при равновесии не прекращаются
В состояния равновесия
ΔG = 0 и ΔH = TΔS.
Находим ΔS. для данной системы:
S 0 (СО)=197,55∙10 -3 кДж/моль·К;
S 0 (Н 2)=130,52·10 -3 кДж/моль·К;
S 0 (СН 3 ОН)=126,78·10 -3 кДж/моль·К;
ΔSх.р=126,78·10 -3 -(197,55∙10 -3 +2·130,52·10 -3)=-331,81·10 -3
Из условия равновесия
ΔH = TΔS находим Т = ΔH/ΔS
Вычислите температурный коэффициент реакции (γ), если константа скорости этой реакции при 120 градусах С равна 5,88∙10 -4 , а при 170 градусах С 6,7∙10 -2
Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:
,
где v t 1 , v t 2 - скорости реакции соответственно при начальной (t 1) и конечной (t 2) температурах, а γ - температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10º.
Отсюда следует, что
,
Исходя из условия задачи, следует, что:
,
откуда γ 5 =113,94;
В каком направлении произойдёт смещение равновесия в системах при повышении давления:
2NO+O 2 – 2NO 2
4HCI(г )+O 2 – 2H 2 O(г )+2CI 2
H 2 + S (к) – H 2 S
Принцип Ле Шателье (принцип смещения равновесия), устанавливает, что внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия.
При увеличении давления смещение равновесия связано с уменьшением общего объёма системы, а уменьшению давления сопутствуют физ. или хим.процессы, приводящие к увеличению объема.
2NO+O 2 → 2NO 2
2моля + 1моль → 2 моля
Увеличение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, ведущей к образованию меньшего числа молекул. Следовательно равновесие смещается в сторону образования NО 2 V пр > V обр.
4HCI(г)+O 2 → 2H 2 O(г)+2CI 2
4 моля + 1 моль →4 моля
Увеличение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, ведущей к образованию меньшего числа молекул. Следовательно V пр > V обр
H 2 +S(к) → H 2 S
в ходе реакции не происходит изменение объема. Следовательно изменение давления никак не влияет на смещение равновесия реакции.
Мышьяк - химический элемент 5-группы 4-го периода таблицы Менделеева с атомным номером 33. Является хрупким полуметаллом стальной окраски с зеленоватым оттенком. Сегодня мы с вами подробнее рассмотрим, что такое мышьяк, и познакомимся с основными свойствами это элемента.
Уникальность мышьяка заключается в том, что он встречается буквально везде - в горных породах, воде, минералах, почве, растительном и животном мире. Поэтому его часто называют не иначе как вездесущий элемент. Мышьяк беспрепятственно распределяется по всем географическим регионам планеты Земля. Причиной тому являются летучесть и растворимость его соединений.
Название элемента связано с его использованием для истребления грызунов. Латинское слово Arsenicum (формула мышьяка в периодической таблице - As) образовалось от греческого Arsen, означающего «сильный» или «мощный».
В организме среднестатистического взрослого человека содержится порядка 15 мг этого элемента. В основном он концентрируется в тонком кишечнике, печени, легких и эпителии. Всасывание вещества осуществляется желудком и кишечником. Антагонистами мышьяка выступают сера, фосфор, селен, некоторые аминокислоты, а также витамины Е и С. Сам элемент ухудшает всасывание цинка, селена, а также витаминов А, С, В9 и Е.
Как и многие другие вещества, мышьяк может быть и ядом, и лекарством, все зависит от дозы.
Среди полезных функций такого элемента, как мышьяк, можно выделить:
Суточная потребность в мышьяке для взрослого человека составляет от 30 до 100 мкг.
Один из этапов развития человечества носит названием «бронзовый», так как в этот период люди сменили каменное оружие на бронзовое. Данный металл представляет собой сплав олова с медью. Однажды при выплавке бронзы мастера случайно использовали вместо медной руды продукты выветривания медно-мышьякового сульфидного минерала. Полученный сплав легко отливался и отлично ковался. В те времена никто еще не знал, что такое мышьяк, но залежи его минералов намеренно искали для производства качественной бронзы. Со временем от этой технологии отказались, очевидно, из-за того, что при ее использовании часто возникали отравления.
В Древнем Китае пользовались твердым минералом под названием реальгар (As 4 S 4). Его применяли для резьбы по камню. Так как под воздействием температуры и света реальгар превращался в другое вещество - As 2 S 3 , от него также вскоре отказались.
В 1 веке до нашей эры, римский ученый Плиний Старший вместе с ботаником и врачом Диоскоридом описывали минерал мышьяка под названием аурипигмент. Его название переводится с латыни как «золотая краска». Вещество применяли как желтый краситель.
В средневековье алхимики классифицировали три формы элемента: желтую (сульфид As 2 S 3), красную (сульфид As 4 S 4) и белую (оксид As 2 О 3). В 13 веке при нагреве желтого мышьяка с мылом алхимики получали металлоподобное вещество. Вероятнее всего, оно было первым образцом чистого элемента, полученного искусственным образом.
Что такое мышьяк в чистом виде, узнали в начале 17 века. Произошло это, когда Иоганн Шредер, восстанавливая древесным углем оксид, выделил этот элемент. Спустя несколько лет французскому химику Никола Лемери удалось получить вещество путем нагрева его оксида в смеси с мылом и поташом. В следующем веке мышьяк был уже хорошо известен в статусе полуметалла.
В периодической системе Менделеева химический элемент мышьяк расположен в пятой группе и причислен к семейству азота. В естественных условиях он представлен единственным стабильным нуклидом. Искусственным путем получают более десяти радиоактивных изотопов вещества. Диапазон значений периода полураспада у них довольно широкий - от 2-3 минут до нескольких месяцев.
Хоть мышьяк иногда и нарекают металлом, он скорее относится к неметаллам. В соединении с кислотами он не образует солей, однако является сам по себе кислотообразующим веществом. Именно поэтому элемент идентифицируют как полуметалл.
Мышьяк, как и фосфор, может находиться в различных аллотропных конфигурациях. Одна из них - серый мышьяк, представляет собой хрупкое вещество, которое на изломе имеет металлический блеск. Электропроводность данного полуметалла в 17 раз ниже, чем у меди, но в 3,6 выше, чем у ртути. С повышением температуры она уменьшается, что характерно для типичных металлов.
При быстром охлаждении мышьяковых паров до температуры жидкого азота (-196 °С) можно получить мягкое вещество желтоватого цвета, напоминающее желтый фосфор. При нагревании и воздействии ультрафиолета желтый мышьяк моментально превращается в серый. Реакция сопровождается выделением тепла. Когда пары конденсируются в инертной атмосфере, образуется еще одна форма вещества - аморфная. Если осадить пары мышьяка, на стекле появляется зеркальная пленка.
Внешняя электронная оболочка данного вещества имеет такое же строение, как фосфор и азот. Как и фосфор, мышьяк образует три ковалентные связи. При сухом воздухе он имеет устойчивую форму, а с повышением влажности - тускнеет и покрывается черной оксидной пленкой. При воспламенении пары вещества горят голубым пламенем.
Так как мышьяк инертен, на него не воздействуют вода, щелочи и кислоты, которые не обладают окислительными свойствами. При контакте вещества с разбавленной азотной кислотой образуется ортомышьяковистая кислота, а с концентрированной - ортомышьяковая. Также мышьяк реагирует с серой, образуя сульфиды разного состава.
В природных условиях такой химический элемент, как мышьяк, часто встречается в соединениях с медью, никелем, кобальтом и железом.
Состав минералов, которые образует вещество, обусловлен его полуметаллическими свойствами. На сегодняшний день известно более 200 минералов этого элемента. Так как мышьяк может находиться в отрицательной и положительной степенях окисления, он легко взаимодействует со многими другими веществами. При положительном окислении мышьяка он выполняет функции металла (в сульфидах), а при отрицательном - неметалла (в арсенидах). Содержащие этот элемент минералы имеют довольно сложный состав. В кристаллической решетке полуметалл может заменять атомы серы, сурьмы и металлов.
Многие соединения металлов с мышьяком с точки зрения состава скорее относятся не к арсенидам, а к интерметаллическим соединениям. Некоторые из них отличаются переменным содержанием главного элемента. В арсенидах одновременно могут присутствовать сразу несколько металлов, атомы которых при близком радиусе ионов могут замещать друг друга. Все минералы, которые причисляют к арсенидам, наделены металлическим блеском, непрозрачны, тяжелы и прочны. Среди естественных арсенидов (всего их около 25) можно отметить следующие минералы: скуттерудит, раммельсбрергит, никелин, леллингрит, клиносаффлорит и прочие.
Интересными с точки зрения химии являются те минералы, в которых мышьяк присутствует одновременно с серой и играет роль металла. Они имеют очень сложное строение.
Природные соли мышьяковой кислоты (арсенаты) могут иметь разную окраску: эритрит - кобальтовую; симплезит, аннабергит и скорид - зеленую, а рузвельтит, кеттигит и гернесит - бесцветную.
По своим химическим свойствам мышьяк достаточно инертен, поэтому его можно встретить в самородном состоянии в виде сросшихся кубиков и иголочек. Содержание примесей в самородке не превышает 15 %.
В почве содержание мышьяка колеблется в приделах 0,1-40 мг/кг. В районах вулканов и местах, где залегает мышьяковая руда, этот показатель может доходить до 8 г/кг. Растения в таких местах гибнут, а животные болеют. Подобная проблема характерна для степей и пустынь, где не происходит вымывание элемента из почвы. Обогащенными считаются глинистые породы, так как в них содержание мышьяковистых веществ вчетверо больше, чем в обычных.
Когда чистое вещество в процессе биометилирования превращается в летучее соединение, оно может выноситься из почвы не только водой, но и ветром. В обычных районах концентрация мышьяка в воздухе составляет в среднем 0,01 мкг/м 3 . В промышленных же районах, где работают заводы и электростанции, этот показатель может достигать и 1 мкг/м 3 .
Умеренное количество мышьяковистых веществ может содержаться в составе минеральной воды. В лечебных минеральных водах, согласно общепринятым нормативам, концентрация мышьяка не должна превышать 70 мкг/л. Здесь стоит отметить, что даже при более высоких показателях отравление может произойти только при регулярном употреблении такой воды.
В природных водах элемент может находиться в различных формах и соединениях. Трехвалентный мышьяк, к примеру, гораздо токсичнее, чем пятивалентный.
Элемент получают как побочный продукт переработки свинцовых, цинковых, медных и кобальтовых руд, а также во время добывания золота. В составе некоторых полиметаллических руд содержание мышьяка может доходить до 12 %. При их нагревании до 700 °С происходит сублимация - переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Важным условием для осуществления этого процесса является отсутствие воздуха. При нагревании мышьяковых руд на воздухе образуется летучий оксид, получивший название «белый мышьяк». Подвергнув его конденсации с углем, восстанавливают чистый мышьяк.
Формула получения элемента выглядит следующим образом:
Добыча мышьяка относится к опасным производствам. Парадоксальным является тот факт, что наибольшее загрязнение окружающей среды этим элементом происходит не вблизи предприятий, которые его производят, а около электростанций и заводов цветной металлургии.
Еще один парадокс состоит в том, что объемы получения металлического мышьяка превышают потребность в нем. В сфере добывания металлов это очень редкое явление. Излишки мышьяка приходится утилизировать путем захоронения металлических контейнеров в старые шахты.
Наибольшие залежи мышьяковых руд сосредоточены в таких странах:
Лабораторное определение мышьяка производится путем осаждения желтых сульфидов из солянокислых растворов. Следы элемента определяют по методу Гутцейта или с помощью реакции Марша. В последние полвека были созданы всяческие чувствительные методики анализа, которые позволяют выявить даже совсем небольшое количество данного вещества.
Некоторые соединения мышьяка анализируют с помощью селективного гибридного метода. Он предполагает восстановление исследуемого вещества в летучий элемент арсин, который затем вымораживают в емкости, охлажденной с помощью жидкого азота. Впоследствии при медленном подогреве содержимого емкости различные арсины начинают испаряться отдельно друг от друга.
Практически 98% добываемого мышьяка не применяют в чистом виде. Широкое использование в различных отраслях промышленности получили его соединения. Ежегодно идет добыча и переработка сотен тон мышьяка. Его добавляют в подшипниковые сплавы для повышения их качества, применяют для повышения твердости кабелей и свинцовых аккумуляторов, а также используют в производстве полупроводниковых приборов вместе с германием или кремнием. И это лишь самые масштабные направления.
Как легирующая добавка мышьяк придает проводимость некоторым «классическим» полупроводникам. Его добавка к свинцу значительно увеличивает прочность металла, а к меди - текучесть, твердость и коррозионную стойкость. Мышьяк также иногда добавляют в некоторые сорта бронз, латуней, баббитов и типографических сплавов. Однако зачастую металлурги стараются все же избегать использования этого вещества, так как оно небезопасно для здоровья. Для некоторых металлов большие количества мышьяка также вредны, поскольку они ухудшают свойства исходного материала.
Оксид мышьяка нашел применение в стекловарении в качестве осветлителя стекла. В этом направлении его использовали еще древние стеклодувы. Мышьяковистые соединения являются сильным антисептическим средством, поэтому с их помощью консервируют меха, чучела и шкуры, а также создают необрастающие краски для водного транспорта и пропитки для древесины.
Благодаря биологической активности некоторых производных мышьяка, вещество используется в производстве стимуляторов роста растений, а также лекарственных препаратов, в том числе противоглистных средств для скота. Средства, содержащие данный элемент, применяют для борьбы с сорняками, грызунами и насекомых. Раньше, когда люди не задумывались, о том, можно ли мышьяк использовать для производства продуктов питания, в сельском хозяйстве элемент имел более широкое применение. Однако после выявления его ядовитых свойств веществу пришлось искать замену.
Важными областями применения данного элемента являются: производство микросхем, волоконной оптики, полупроводников, пленочной электроники, а также выращивание микрокристаллов для лазеров. Для этих целей используют газообразные арсины. А изготовление лазеров, диодов и транзисторов не обходится без арсенидов галлия и индия.
В тканях и органах человека элемент представлен главным образом в белковой фракции, в меньше мере - в кислоторастворимой. Он участвует в брожении, гликолизе и окислительно-восстановительных реакциях, а также обеспечивает распад сложных углеводов. В биохимии соединения данного вещества используются в качестве специфических ферментных ингибиторов, которые необходимы для изучения метаболических реакций. Мышьяк необходим человеческому организму как микроэлемент.
Применение элемента в медицине менее обширное, нежели в производстве. Его микроскопические дозы используются для диагностики всяческих заболеваний и патологий, а также лечения стоматологических болезней.
В стоматологии мышьяк применяет для удаления пульпы. Небольшая порция пасты содержащей мышьяковистую кислоту, буквально за сутки обеспечивает отмирание зуба. Благодаря ее действию, удаление пульпы проходит безболезненно и беспрепятственно.
Широкое применение мышьяк получил также в лечении легких форм лейкоза. Он позволяет снизить или даже подавить патологическое формирование лейкоцитов, а также простимулировать красное кроветворение и выделение эритроцитов.
Все соединения данного элемента являются ядовитыми. Острое отравление мышьяком приводит к болям в животе, диареи, тошноте и угнетению центральной нервной системы. Симптоматика интоксикации этим веществом напоминает симптоматику холеры. Поэтому ранее в судебной практике часто встречались случаи умышленного отравления мышьяком. В криминальных целях элемент наиболее часто использовался в виде триоксида.
На первых порах отравление мышьяком проявляется металлическим вкусом во рту, рвотой и болями в животе. Если не принять меры, могут начаться судороги и даже паралич. В самом худшем случае отравление может привести к летальному исходу.
Причиной отравления могут стать:
Наиболее общедоступным и известным противоядием в случае интоксикации мышьяком является молоко. Содержащийся в нем белок казеин образует с ядовитым веществом нерастворимые соединения, которые не могут всасываться в кровь.
В случае острого отравления для быстрой помощи пострадавшему ему нужно сделать промывание желудка. В больничных условиях проводят также гемодиализ, нацеленный на очистку почек. Из лекарственных препаратов применяют универсальный антидот - "Унитиол". Дополнительно могут быть использованы вещества-антагонисты: селен, цинк, сера и фосфор. В дальнейшем больному в обязательном порядке назначают комплекс из аминокислот и витаминов.
Отвечая на вопрос: «Что такое мышьяк?», стоит отметить, что в небольших количествах он необходим человеческому организму. Элемент считается иммунотоксичным, условно эссенциальным. Он принимает участие практически во всех важнейших биохимических процессах человеческого организма. На дефицит этого вещества могут указывать такие признаки: снижение в крови концентрации триглицеридов, ухудшения в развитии и росте организма.
Как правило, при отсутствии серьезных проблем со здоровьем о недостатке мышьяка в рационе переживать не приходится, так как элемент содержится едва ли не во всех продуктах растительного и животного происхождения. Этим веществом особенно богаты морепродукты, злаки, виноградное вино, соки, и питьевая вода. В течение суток из организма выводится 34% потребляемого мышьяка.
При анемии вещество принимают для повышения аппетита, а при отравлении селеном он выступает действенным противоядием.
| 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».
