Arsen

Rozbalit box

Obsah boxu

Arsen (chemická značka As, latinsky Arsenicum) je chemický prvek s protonovým číslem 33. Patří mezi polokovy a nachází se v 15. skupině periodické tabulky. Vyskytuje se v několika alotropických modifikacích, z nichž nejběžnější je kovově šedá, křehká forma. Arsen a jeho sloučeniny jsou proslulé svou extrémní toxicitou, díky čemuž se v historii stal jedním z nejznámějších jedů. Navzdory své pověsti má však i důležité průmyslové využití, zejména v elektronice a metalurgii.

⏳ Historie

Arsen byl lidstvu znám již od starověku. Sloučeniny arsenu, jako jsou sulfidy realgar (As₄S₄) a auripigment (As₂S₃), byly využívány pro své výrazné barvy jako pigmenty v malířství a kosmetice ve starověkém Egyptě, Řecku i Římě. Řecký lékař Hippokratés popisoval jejich využití při léčbě kožních vředů. Pro svou toxicitu si arsen brzy získal i temnou pověst. Ve středověku a renesanci byl často zneužíván k travičství, což mu vyneslo přezdívky jako "král jedů" nebo "jed králů". Díky tomu, že příznaky otravy arsenem připomínaly choleru, bylo obtížné jej odhalit.

Formální objev volného prvku je připisován německému alchymistovi a učenci Albertu Velikému kolem roku 1250, kterému se podařilo izolovat arsen zahříváním auripigmentu s mýdlem. V 18. a 19. století se arsen stal součástí některých léků, například Fowlerova roztoku (roztok arsenitanu draselného), který se používal k léčbě syfilidy a leukémie. S rozvojem toxikologie v 19. století, zejména díky práci Jamese Marshe a vývoji Marshovy zkoušky, se detekce arsenu stala spolehlivější, což omezilo jeho používání jako nástroje vraždy.

⚛️ Fyzikální a chemické vlastnosti

Arsen je klasifikován jako polokov, což znamená, že má vlastnosti na pomezí kovů a nekovů. Vyskytuje se ve třech hlavních alotropických modifikacích:

Šedý (kovový) arsen – Nejstabilnější a nejběžnější forma. Je to ocelově šedá, křehká, krystalická látka s kovovým leskem. Vede elektrický proud, ale podstatně hůře než většina kovů.
Žlutý arsen – Měkká, voskovitá a nestabilní forma, podobná bílému fosforu. Je vysoce toxický a reaktivní. Vzniká rychlým ochlazením par arsenu. Na světle přechází zpět na šedou modifikaci.
Černý arsen – Amorfní forma podobná sklu, která má nižší hustotu a je špatným vodičem elektřiny.

Chemicky je arsen reaktivní. Na vzduchu za běžné teploty pomalu oxiduje a ztrácí lesk. Při zahřívání hoří modrým plamenem za vzniku bílého dýmu oxidu arsenitého (As₂O₃), který má charakteristický česnekový zápach. Reaguje s halogeny, sírou a koncentrovanými oxidačními kyselinami, jako je kyselina dusičná. Vytváří sloučeniny v oxidačních stavech od -3 (v arsenidech) po +5 (v arseničnanech). Jeho chemické chování se v mnohém podobá fosforu, který leží ve stejné skupině periodické tabulky.

🌍 Výskyt v přírodě

Arsen je přirozenou součástí zemské kůry, kde je přítomen v průměrné koncentraci asi 1,8 ppm. V přírodě se jen zřídka vyskytuje jako ryzí prvek. Nejčastěji je vázán ve formě sulfidických minerálů. Mezi nejdůležitější arsenové rudy patří:

Arsenopyrit (FeAsS) – Nejběžnější minerál arsenu, často se vyskytující společně s rudami zlata, stříbra, mědi a olova.
Realgar (As₄S₄) – Červenooranžový minerál.
Auripigment (As₂S₃) – Citronově žlutý minerál.

Arsen se do životního prostředí uvolňuje přirozenými procesy, jako je vulkanická činnost a zvětrávání hornin a minerálů. Významným zdrojem je však také lidská činnost, především těžba a tavení rud, spalování fosilních paliv a používání arsenových pesticidů a herbicidů v zemědělství. Komerčně se arsen získává jako vedlejší produkt při zpracování rud mědi, olova, zinku a zlata. Největšími producenty arsenu jsou , , a .

🏭 Průmyslové využití

Navzdory své toxicitě má arsen specifické a důležité průmyslové uplatnění. Jeho nejvýznamnější využití je v polovodičovém průmyslu. Sloučenina gallium-arsenid (GaAs) je klíčovým materiálem pro výrobu vysokofrekvenčních integrovaných obvodů, LED diod a solárních článků s vysokou účinností. Tyto komponenty se používají v mobilních telefonech, satelitní komunikaci a optoelektronice.

V metalurgii se arsen používá jako legovací prvek. Malé přídavky arsenu do slitin olova zvyšují jejich tvrdost a odolnost, což se využívá například při výrobě automobilových baterií a munice. Historicky významné bylo použití sloučenin arsenu jako prostředků pro konzervaci dřeva (např. chromovaný arzeničnan měďnatý, CCA). V mnoha zemích, včetně Evropské unie a USA, však bylo toto použití kvůli ekologickým a zdravotním rizikům výrazně omezeno nebo zcela zakázáno. Dříve se arsen hojně využíval také v pesticidech (např. arseničnan olovnatý) a herbicidech, ale i zde byl nahrazen méně toxickými organickými alternativami.

☣️ Toxicita a vliv na zdraví

Arsen a většina jeho anorganických sloučenin jsou vysoce toxické a klasifikovány jako karcinogeny 1. skupiny Mezinárodní agenturou pro výzkum rakoviny (IARC). Toxicita závisí na formě arsenu – anorganické sloučeniny jsou obecně mnohem nebezpečnější než organické, které se nacházejí například v mořských plodech. Mechanismus toxicity spočívá v narušení buněčného metabolismu, konkrétně v inhibici klíčových enzymů nezbytných pro produkci energie.

Akutní otrava nastává po požití větší dávky (smrtelná dávka oxidu arsenitého pro dospělého člověka je přibližně 70–200 mg). Příznaky se objevují rychle a zahrnují nevolnost, zvracení, bolesti břicha, silné průjmy a svalové křeče. V těžkých případech dochází k selhání oběhového systému, kómatu a smrti.
Chronická otrava (arsenicismus) je důsledkem dlouhodobé expozice nižším dávkám, typicky prostřednictvím kontaminované pitné vody nebo potravin. Projevuje se postupně. Prvními příznaky jsou často kožní změny, jako je ztmavnutí kůže (hyperpigmentace) a ztvrdnutí kůže na dlaních a chodidlech (hyperkeratóza). Dlouhodobá expozice výrazně zvyšuje riziko vzniku rakoviny kůže, plic, močového měchýře a ledvin. Dále může vést k poškození jater, ledvin, nervového systému a kardiovaskulárním onemocněním.

💧 Arsen ve vodě a potravinách

Nejvýznamnějším zdrojem expozice arsenu pro lidskou populaci je kontaminovaná pitná voda. Problém je obzvláště závažný v některých částech světa, kde geologické podloží přirozeně obsahuje vysoké koncentrace arsenu, který se uvolňuje do podzemních vod. Mezi nejvíce postižené oblasti patří , (Západní Bengálsko), a části a . Desítky milionů lidí zde pijí vodu s koncentracemi arsenu dalece přesahujícími limit 10 mikrogramů na litr (10 μg/l), který stanovila Světová zdravotnická organizace (WHO).

Arsen se může hromadit také v potravinách. Obzvláště náchylná k akumulaci arsenu z půdy a závlahové vody je rýže. Rýže pěstovaná na zaplavených polích absorbuje anorganický arsen efektivněji než jiné plodiny. Zvýšené hladiny arsenu byly zjištěny také v některých druzích mořských plodů, ovocných šťáv (zejména jablečné) a v drůbežím mase, kde se organické sloučeniny arsenu dříve používaly jako růstové stimulanty.

⚖️ Regulace a bezpečnostní opatření

Vzhledem k prokázaným zdravotním rizikům je obsah arsenu v pitné vodě, potravinách a životním prostředí přísně regulován. Ve většině vyspělých zemí, včetně členů Evropské unie, platí pro pitnou vodu limit WHO 10 μg/l. V USA je tento limit stanoven Agenturou pro ochranu životního prostředí (EPA). Probíhají také diskuse o stanovení závazných limitů pro obsah anorganického arsenu v potravinách, zejména v rýži a produktech pro kojence a malé děti.

V průmyslu podléhá manipulace s arsenem a jeho sloučeninami přísným bezpečnostním předpisům. Pracovníci musí používat osobní ochranné prostředky, včetně respirátorů a ochranných oděvů, a pracoviště musí být vybavena účinným větráním. Emise arsenu do ovzduší a vody z průmyslových zdrojů jsou rovněž regulovány a monitorovány. V EU je arsen regulován v rámci nařízení REACH jako látka vzbuzující mimořádné obavy.

🔬 Metody detekce a odstraňování

Přesná detekce nízkých koncentrací arsenu vyžaduje sofistikované analytické metody. Mezi nejběžnější patří atomová absorpční spektrometrie (AAS), hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS) a atomová fluorescenční spektrometrie (AFS). Pro terénní testování v postižených oblastech byly vyvinuty i jednodušší a levnější testovací soupravy, které umožňují rychlou orientační analýzu vody.

Existuje několik technologií pro odstraňování arsenu z pitné vody. Jejich výběr závisí na koncentraci arsenu, chemickém složení vody a místních podmínkách. Mezi nejúčinnější metody patří:

Reverzní osmóza – Proces filtrace přes polopropustnou membránu, která zachytí ionty arsenu.
Koagulace a filtrace – Přidání chemikálií (např. solí železa nebo hliníku), které na sebe navážou arsen a vytvoří sraženinu, jež se následně odfiltruje.
Adsorpce – Využití materiálů s velkým povrchem, jako je aktivní uhlí nebo granulovaný oxid železitý, které na sebe arsen navážou.
Iontová výměna – Použití speciálních pryskyřic, které vyměňují své ionty za ionty arseničnanů a arsenitanů ve vodě.

⚛️ Pro laiky

Představte si buňku ve vašem těle jako malou továrnu, která potřebuje spoustu různých strojů (enzymů) k výrobě energie a udržení chodu. Arsen je jako falešný klíč, který se dokáže dostat do zámků těchto strojů. Sice do nich pasuje, ale neotočí s nimi a zasekne se v nich. Tím stroje zablokuje a továrna přestane fungovat, protože nemá energii. Když se to stane v mnoha buňkách najednou, celé tělo začne selhávat.

V malém a přesně kontrolovaném množství může být tento "falešný klíč" užitečný. V elektronice se používá k výrobě speciálních součástek (jako gallium-arsenid), které vedou elektřinu lépe než křemík, a díky tomu máme rychlejší telefony. Problém nastává, když se tento klíč dostane do těla nekontrolovaně, například z pitné vody. I malé množství po dlouhou dobu může postupně zablokovat stroje v buňkách a způsobit vážné nemoci, včetně rakoviny. Proto je tak důležité hlídat, aby se arsen nedostával do našeho jídla a pití.

Zdroje