Arzén

Az arzén az elemek periódusos rendszerének egyik legellentmondásosabb tagja – egyszerre mérgező és gyógyító, pusztító és nélkülözhetetlen. A történelem során hírhedtté vált mint a „mérgek királya”, ugyanakkor bizonyos életformák számára létfontosságú elem. Az arzén felfedezése évezredekre nyúlik vissza, amikor az emberiség először találkozott a természetben előforduló vegyületeivel. Bár sokáig főként mérgező tulajdonságai miatt tartották számon, mára tudjuk, hogy szerepe sokkal összetettebb – a félvezetőipartól kezdve a gyógyászaton át egészen a biológiai rendszerekig. Ismerjük meg közelebbről ezt a kettős természetű elemet, amely a tudomány számos területén kulcsfontosságú szerepet játszik!

Tulajdonság	Jellemző
Vegyjel	As
Rendszám	33
Relatív atomtömeg	74,92 g/mol
Elektronkonfiguráció	[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³
Halmazállapot (szobahőmérsékleten)	Szilárd (szürke arzén)
Olvadáspont	817 °C (szublimál)
Forráspont	614 °C (szublimál 1 atm nyomáson)
Sűrűség	5,727 g/cm³ (szürke arzén)
Oxidációs állapotok	-3, +3, +5
Elektronegativitás	2,18 (Pauling-skála)
Kristályszerkezet	Romboéderes (szürke arzén)

Az arzén felfedezésének története

Az arzén és vegyületei már az ókor óta ismertek, bár maga az elem tiszta formában történő előállítása jóval később történt meg. Az arzén-trioxidot (As₂O₃), más néven fehér arzént vagy arzénikumot már az ókori görögök és rómaiak is ismerték. A középkorban az alkimisták különös figyelmet szenteltek az arzénvegyületeknek, részben azok mérgező hatása, részben pedig a fémekkel alkotott ötvözeteik különleges tulajdonságai miatt.

Az elemet először tiszta formában Albertus Magnus német tudós állította elő a 13. században, amikor arzén-trioxidot szénnel hevített. Az arzén neve az arab „al-zarnikh” vagy a perzsa „zarnikh” szóból származik, amely sárga festéket vagy pigmentet jelent, utalva az arzén-szulfid sárga színére.

„Az arzén története szorosan összefonódik a mérgezések történetével, ugyanakkor a modern tudomány számára nélkülözhetetlen nyomelem és félvezető alapanyag, amely nélkül elektronikai iparunk nem létezhetne mai formájában.”

A 18. században már széles körben ismerték az arzén mérgező hatását, és gyakran használták patkányirtóként, valamint sajnos gyilkosságok elkövetésére is. Az arzénmérgezés felismerésére szolgáló első megbízható kémiai tesztet James Marsh brit vegyész fejlesztette ki 1836-ban, amely forradalmasította a törvényszéki orvostant.

Az arzén előfordulása a természetben

Az arzén a földkéregben viszonylag ritka elem, átlagos koncentrációja mindössze 1,5-2 ppm (parts per million). Ennek ellenére a természetben széles körben elterjedt, több mint 200 különböző ásványban fordul elő. Leggyakrabban szulfidásványokban található meg, mint például:

• Az arzenopirit (FeAsS) – a leggyakoribb arzéntartalmú ásvány
• A realgár (As₄S₄) – jellegzetes narancsvörös színű ásvány
• Az auripigment (As₂S₃) – aranysárga színű ásvány

Az arzén gyakran fordul elő más fémek, különösen réz, ólom, ezüst és arany ércei mellett. Bizonyos geológiai körülmények között az arzén feldúsulhat a felszín alatti vizekben, ami természetes eredetű arzénszennyezést okozhat. Ez különösen problémás Bangladesben, Indiában, Kínában, Argentínában, Chilében és az Amerikai Egyesült Államok egyes részein.

A vulkáni tevékenység során is jelentős mennyiségű arzén kerülhet a környezetbe. A vulkáni gázok és hamu arzéntartalma hozzájárul a légköri arzén mennyiségéhez, amely végül ülepedéssel visszakerül a földfelszínre.

„A természetes eredetű arzénszennyezés világszerte mintegy 140 millió ember ivóvizét érinti, ami az egyik legsúlyosabb globális közegészségügyi kihívást jelenti.”

Az arzén a tengervízben is megtalálható, átlagos koncentrációja 1-2 μg/liter. A tengeri élőlények, különösen a kagylók és rákok, képesek felhalmozni az arzént szervezetükben, bár általában nem mérgező szerves formában.

Az arzén fizikai tulajdonságai

Az arzén a periódusos rendszer 15. csoportjába (nitrogén csoport) tartozó félfém. Három fő allotróp módosulata létezik:

🔹 Szürke vagy metallikus arzén: A legstabilabb és legelterjedtebb forma. Fémes fényű, acélszürke színű, romboéderes kristályszerkezetű anyag. Elektromos vezetőképessége a fémekénél gyengébb, de a szigetelőkénél jobb (félvezető tulajdonságú).

🔹 Sárga arzén: Instabil, nem fémes tulajdonságú allotróp, amely szobahőmérsékleten lassan átalakul szürke arzénné. Molekuláris szerkezetű (As₄), hasonlóan a fehér foszforhoz.

🔹 Fekete arzén: Félvezető tulajdonságú, üvegszerű módosulat, amely szerkezetében a grafithoz hasonló réteges felépítésű.

Az arzén egyik különleges fizikai tulajdonsága, hogy normál légköri nyomáson nem olvad meg, hanem közvetlenül szublimál (szilárd állapotból gáz halmazállapotba megy át) 614 °C-on. Csak magasabb nyomáson, 36 atm felett olvad meg, olvadáspontja ekkor 817 °C.

A szürke arzén sűrűsége 5,727 g/cm³, ami a fémekre jellemző érték, bár kisebb, mint a legtöbb nehézfémé. Hővezetőképessége viszonylag alacsony, ami félfémes jellegére utal.

Az arzén atomsugara 125 pm, ionizációs energiája pedig 947 kJ/mol. Elektronegativitása a Pauling-skálán 2,18, ami a félfémekre jellemző közepes érték.

Az arzén kémiai tulajdonságai

Az arzén kémiai viselkedése összetett és változatos, ami részben magyarázza sokoldalú felhasználását és toxikológiai jelentőségét. Legfontosabb kémiai tulajdonságai:

Oxidációs állapotok

Az arzén leggyakrabban három oxidációs állapotban fordul elő:

• -3: Arzinek és egyes szerves arzénvegyületek (pl. arzin, AsH₃)
• +3: Arzenit vegyületek (pl. arzén-trioxid, As₂O₃)
• +5: Arzenát vegyületek (pl. arzén-pentoxid, As₂O₅)

A +3 oxidációs állapotú vegyületek általában toxikusabbak, mint a +5 oxidációs állapotúak, mivel erősebben kötődnek a fehérjék tiol (-SH) csoportjaihoz.

Reakciókészség

Az arzén közvetlenül reagál számos nemfémes elemmel:

🔹 Oxigénnel: Levegőn hevítve arzén-trioxiddá (As₂O₃) oxidálódik:
4As + 3O₂ → 2As₂O₃

🔹 Halogénekkel: Közvetlenül reagál klórral, brómmal és jóddal, arzén-trihalidokat képezve:
2As + 3Cl₂ → 2AsCl₃

🔹 Kénnel: Különböző arzén-szulfidokat képez, például As₂S₃ (auripigment) és As₄S₄ (realgár)

Az arzén számos fémmel ötvözeteket képez, amelyeket arzenideknek nevezünk. Ezek közül néhány félvezető tulajdonságú, mint például a gallium-arzenid (GaAs), amely az elektronikai iparban jelentős.

„Az arzén kémiai viselkedésének kettőssége – fémes és nemfémes tulajdonságok együttes jelenléte – teszi különlegesen értékessé a modern anyagtudományban és elektronikában.”

Savbázis tulajdonságok

Az arzén oxidjai vízzel reagálva savakat képeznek:

• As₂O₃ + 3H₂O → 2H₃AsO₃ (arzénessav)
• As₂O₅ + 3H₂O → 2H₃AsO₄ (arzénsav)

Ezek a savak különböző sókat képezhetnek, amelyeket arzeniteknek és arzenátoknak nevezünk. Az arzenátok szerkezete és kémiai viselkedése hasonló a foszfátokéhoz, ami magyarázza, hogy az arzén képes helyettesíteni a foszfort bizonyos biokémiai folyamatokban.

Az arzén előállítása és ipari felhasználása

Az arzént ipari méretekben általában arzéntartalmú ércek, főként arzenopirit (FeAsS) pörkölésével állítják elő. A folyamat során arzén-trioxid keletkezik, amelyet szénnel redukálnak elemi arzénné:

As₂O₃ + 3C → 2As + 3CO

Az arzén világtermelése évente körülbelül 50-60 ezer tonna, amelynek nagy részét Kína, Chile és Marokkó adja. Az előállított arzén jelentős része félvezető-gyártásban, ötvözetekben és fakonzerváló szerekben kerül felhasználásra.

Félvezetőipar

Az arzén egyik legfontosabb modern felhasználási területe a félvezetőipar. A gallium-arzenid (GaAs) félvezető különleges tulajdonságokkal rendelkezik:

Tulajdonság	Szilícium (Si)	Gallium-arzenid (GaAs)
Elektronmobilitás	1400 cm²/Vs	8500 cm²/Vs
Tiltott sáv szélessége	1,12 eV	1,43 eV
Hővezetőképesség	150 W/m·K	55 W/m·K
Maximális működési frekvencia	Alacsonyabb	Magasabb
Energiafogyasztás	Magasabb	Alacsonyabb
Fényemisszió	Nem hatékony	Hatékony
Előállítási költség	Alacsony	Magas

A GaAs előnyei miatt széles körben használják:

• Nagy sebességű integrált áramkörökben
• Lézerdióda és LED gyártásban
• Napelemekben (különösen űrjárműveken)
• Mikrohullámú eszközökben és radarokban

Ötvözetek

Az arzént kis mennyiségben adagolva különböző fémötvözetekhez javíthatók azok tulajdonságai:

• Ólom-arzén ötvözetek: megnövelt keménység és korrózióállóság
• Réz-arzén ötvözetek: jobb hőállóság
• Ón-arzén ötvözetek: csapágyakban használatosak

Fakonzerválás

Az arzéntartalmú vegyületek, különösen a réz-króm-arzén (CCA) kombináció, hatékony fakonzerváló szerek. Ezek a vegyületek védelmet nyújtanak a gombák, baktériumok és rovarok ellen. Környezetvédelmi aggályok miatt azonban használatukat sok országban korlátozták vagy betiltották.

„Az arzénvegyületek kettős természete – ami az egyik területen veszélyes méreg, az a másikon hasznos védőanyag lehet – különösen jól megmutatkozik a fakonzerválás területén, ahol hatékony védőszerként szolgálnak, miközben potenciális környezeti kockázatot jelentenek.”

Egyéb felhasználási területek

• Üveggyártás: Az arzén-trioxidot üvegtisztító és színtelenítő anyagként használják
• Pigmentek: Történelmileg az arzén-szulfidokat festékpigmentként alkalmazták
• Pirotechnika: Egyes arzénvegyületek különleges színhatásokat produkálnak tűzijátékokban
• Gyógyászat: Bár toxikus, bizonyos arzénvegyületeket használnak a leukémia egyes típusainak kezelésére

Az arzén biológiai szerepe

Az arzén biológiai szerepe ellentmondásos és összetett. Sokáig kizárólag méregként tartották számon, újabb kutatások azonban rávilágítottak, hogy bizonyos életformák számára nélkülözhetetlen lehet, és kis mennyiségben az emberi szervezetben is előfordul.

Arzén az emberi szervezetben

Az emberi test átlagosan 0,5-2 mg arzént tartalmaz. Ez főként a hajban, körömben, csontokban és bőrben koncentrálódik. A napi arzénbevitel normál körülmények között 10-50 μg között mozog, főként élelmiszerekből és ivóvízből származik.

Bár az arzén esszenciális szerepe emberekben nem bizonyított egyértelműen, egyes kutatások szerint ultra-nyomelem mennyiségben szükséges lehet:

• A metionin metabolizmusában
• A glükóz-anyagcserében
• A fehérjeszintézisben

Arzénrezisztens és arzénfüggő életformák

A tudomány számára forradalmi felfedezés volt, amikor a kaliforniai Mono-tóban olyan baktériumokat találtak (GFAJ-1), amelyek képesek az arzént beépíteni biokémiai folyamataikba, helyettesítve a foszfort. Bár a kezdeti állításokat (miszerint a DNS-ükben is arzén helyettesíti a foszfort) később módosították, ezek a mikroorganizmusok valóban rendkívüli arzénrezisztenciával rendelkeznek.

Számos más mikroorganizmus is képes az arzénvegyületek átalakítására:

• Egyes baktériumok az arzénvegyületeket energiaforrásként használják
• Mások képesek az arzént metilálni, kevésbé toxikus formává alakítani
• Bizonyos algák és gombák képesek az arzént szerves vegyületekké alakítani

„A természet alkalmazkodóképessége lenyűgöző – amit mi méregnek tekintünk, azt egyes élőlények tápanyagként hasznosítják. Az arzénfüggő mikroorganizmusok létezése rávilágít, hogy az élet sokkal változatosabb és rugalmasabb, mint korábban gondoltuk.”

Arzén a táplálékláncban

Az arzén a környezetből bekerül a táplálékláncba, és különböző élőlényekben felhalmozódhat. A tengeri élőlények, különösen a kagylók, rákok és egyes halak jelentős mennyiségű arzént tartalmazhatnak, általában azonban szerves formában (főként arzenobetain formájában), amely kevésbé toxikus.

A szárazföldi növények közül a rizs különösen hajlamos az arzén felvételére és felhalmozására. Ez globális közegészségügyi probléma, különösen Délkelet-Ázsiában, ahol a rizs alapvető élelmiszer, és a talajvíz gyakran arzénnel szennyezett.

Az arzén toxikológiája

Az arzén toxikológiai hatásai régóta ismertek, és rendkívül összetettek. A mérgező hatás nagymértékben függ az arzén kémiai formájától, oxidációs állapotától és a kitettség időtartamától.

Akut arzénmérgezés

Az akut arzénmérgezés tünetei általában az expozíció után 30-60 perccel jelentkeznek:

• Hányinger, hányás, hasmenés
• Izomgörcsök, gyengeség
• Vérkeringési problémák, sokk
• Súlyos esetben kóma és halál

A halálos dózis felnőttek esetében kb. 100-300 mg közötti, az arzén formájától függően. Az arzén-trioxid (As₂O₃) különösen veszélyes, már 5-10 mg/testsúly-kg halálos lehet.

Krónikus arzénmérgezés

A hosszú távú, alacsony dózisú arzénexpozíció számos egészségügyi problémát okozhat:

🔹 Bőrelváltozások: Hiperkeratózis (a bőr megvastagodása), pigmentációs zavarok
🔹 Perifériás neuropátia: Zsibbadás, bizsergés, végtagfájdalom
🔹 Kardiovaszkuláris betegségek: Magas vérnyomás, szívritmuszavarok
🔹 Daganatos megbetegedések: Bőr-, tüdő-, hólyag- és veserák megnövekedett kockázata

„A krónikus arzénmérgezés a világ egyik legsúlyosabb, ember okozta környezeti egészségügyi katasztrófája, amely milliókat érint, különösen a szennyezett talajvizet fogyasztó fejlődő országokban.”

Az arzén hatásmechanizmusa

Az arzén több különböző módon fejti ki toxikus hatását:

1. Enzimgátlás: Az arzenit (As³⁺) erősen kötődik a fehérjék tiol (SH) csoportjaihoz, gátolva számos létfontosságú enzim működését, különösen a piruvát-dehidrogenázt és az alfa-ketoglutarát-dehidrogenázt
2. Oxidatív stressz: Az arzén fokozza a reaktív oxigéngyökök (ROS) termelődését, ami sejtkárosodáshoz, DNS-mutációkhoz vezethet
3. ATP-szintézis gátlása: Az arzén verseng a foszfáttal, és „hamis” ATP-t képezhet (ADP-arzenát), amely instabil és nem képes energiát szolgáltatni a sejtnek
4. Epigenetikai változások: A hosszú távú arzénexpozíció DNS-metilációs mintázatokat változtathat meg, befolyásolva a génexpressziót

Arzénmérgezés kezelése

Az arzénmérgezés kezelésére több módszer létezik:

• Kelátképző ágensek: A dimerkaptopropánszulfonsav (DMPS), dimerkaptoborostyánkősav (DMSA) és a British Anti-Lewisite (BAL) képesek az arzénhez kötődni és elősegíteni annak kiürülését
• Tüneti kezelés: Folyadékpótlás, elektrolitegyensúly helyreállítása
• Hemodialízis: Súlyos esetekben a vér megtisztítása az arzéntől
• Hosszú távú nyomon követés: A krónikus hatások kezelése, rendszeres szűrővizsgálatok

Az arzén a környezetben

Az arzén természetes és antropogén forrásokból egyaránt bekerül a környezetbe, ahol komplex biogeokémiai ciklusban vesz részt.

Természetes források

• Vulkáni tevékenység
• Ásványok mállása, erózió
• Geotermikus források
• Erdőtüzek

Antropogén források

• Bányászat és ércfeldolgozás
• Fosszilis tüzelőanyagok égetése
• Mezőgazdasági vegyszerek (régebben széles körben használt arzéntartalmú növényvédő szerek)
• Fakonzerváló szerek
• Félvezetőgyártás

Arzén a vízben

Az arzénszennyezés egyik legjelentősebb közegészségügyi problémája a szennyezett ivóvíz. Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) által ajánlott határérték 10 μg/l, de sok országban a természetes háttérkoncentráció ezt jelentősen meghaladja.

A világ legnagyobb arzénszennyezési problémája Bangladesben található, ahol a felszín alatti vizek természetes arzéntartalma rendkívül magas. Az 1970-es években a felszíni vizek mikrobiológiai szennyezettsége miatt milliókat érintő kútfúrási program indult, nem tudva, hogy a mélyebb rétegvizek arzénnel szennyezettek. Ennek eredményeként mintegy 35-77 millió ember van kitéve magas arzénkoncentrációnak.

„A bangladesi arzéntragédia rávilágít, hogy a környezeti problémák megoldása során mindig figyelembe kell venni a teljes ökoszisztémát és a lehetséges nem szándékolt következményeket is.”

Arzén a talajban

A talajban az arzén koncentrációja általában 1-40 mg/kg között mozog, de szennyezett területeken ennek többszöröse is lehet. A talajban az arzén mobilitását számos tényező befolyásolja:

• pH-érték
• Redoxpotenciál
• Agyagásványok jelenléte
• Szerves anyag tartalma
• Vas- és alumínium-oxidok mennyisége

Az arzén talajból történő eltávolítására különböző remediációs technikákat fejlesztettek ki:

• Fitoremediáció: Arzénakkumuláló növények (pl. páfrányok) használata
• Stabilizáció: Az arzén oldhatatlan formába alakítása a talajban
• Talajmosás: Az arzén kioldása és eltávolítása
• Elektrokinetikus módszerek: Elektromos áram segítségével történő mobilizálás

Arzén a légkörben

A légköri arzén főként részecskékhez kötődve fordul elő, átlagos koncentrációja vidéki területeken 1-3 ng/m³, városokban 5-10 ng/m³. A légköri arzén ülepedéssel és csapadékkal kerül vissza a felszínre, hozzájárulva a talaj és a víz arzéntartalmához.

Az arzén analitikája

Az arzén pontos kimutatása és mennyiségi meghatározása kulcsfontosságú a környezetvédelem, közegészségügy és igazságügyi orvostan területén. Az arzén analitikája nagy fejlődésen ment keresztül az elmúlt évszázadokban.

Klasszikus módszerek

A legrégebbi ismert arzénkimutatási módszer a Marsh-próba, amelyet James Marsh fejlesztett ki 1836-ban. A módszer lényege, hogy a mintát cinkkel és savval reagáltatják, ami arzénhidrogént (AsH₃) fejleszt, amely hevítve fémarzénné bomlik, és jellegzetes tükröt képez egy hideg felületen.

A Reinsch-próba során a savas oldatba réz lemezt helyeznek, amelyen az arzén fekete bevonatot képez. A Gutzeit-próba az arzénhidrogén és ezüst-nitrát reakcióján alapul.

Modern műszeres analitikai módszerek

A modern arzénanalitika főbb módszerei:

• Atomabszorpciós spektrometria (AAS): Különösen a hidridgenerálásos technikával (HG-AAS) kombinálva érzékeny módszer
• Induktív csatolású plazma tömegspektrometria (ICP-MS): Rendkívül alacsony kimutatási határral rendelkező módszer
• Neutronaktivációs analízis (NAA): Nem destruktív módszer, amely különösen alkalmas történelmi minták vizsgálatára
• Anódos stripping voltammetria (ASV): Elektrokémiai módszer, amely terepi mérésekre is alkalmazható
• HPLC-ICP-MS: Különböző arzénspecieszek (különböző kémiai formák) elkülönítésére és meghatározására szolgáló kombinált technika

„A modern analitikai módszerek fejlődése nemcsak az arzén egyre kisebb mennyiségeinek kimutatását teszi lehetővé, hanem segít megérteni az arzén környezeti és biológiai viselkedését is, ami kulcsfontosságú a hatékony kockázatkezeléshez.”

Speciációs analízis

Az arzén toxicitása nagymértékben függ kémiai formájától, ezért különösen fontos a speciációs analízis, amely képes megkülönböztetni a különböző arzénvegyületeket. A leggyakrabban vizsgált arzénspecieszek:

• Szervetlen arzén: As(III) és As(V)
• Metilált arzénvegyületek: monometil-arzonsav (MMA), dimetil-arzinsav (DMA)
• Komplex szerves arzénvegyületek: arzenobetain, arzenokolin, arzénlipidek

A speciációs analízisben általában elválasztástechnikai módszereket (HPLC, GC) kapcsolnak érzékeny detektorokhoz (ICP-MS, AAS).

Az arzén a kultúrtörténetben

Az arzén évszázadokon át jelentős szerepet játszott a történelemben, a művészetekben és a populáris kultúrában, főként mérgező tulajdonságai miatt.

Arzén a történelemben

Az arzén-trioxid, más néven fehér arzén vagy arzénikum, évszázadokon át a mérgezések kedvelt eszköze volt. Íztelen, vízben jól oldódik, és a mérgezés tünetei hasonlítanak több természetes betegséghez. A középkorban az „öröklési por” néven is ismert anyag számos politikai gyilkosság eszköze volt.

A 19. században az arzéntartalmú zöld pigmentek (pl. Scheele-zöld, párizsi zöld) széles körben elterjedtek voltak tapétákban, ruhákban és más használati tárgyakban. Egyes történészek szerint Napoleon Bonaparte halálát is részben arzénmérgezés okozhatta, mivel Szent Ilona szigetén lévő házának tapétája arzéntartalmú festéket tartalmazott.

Arzén a gyógyászatban

Az arzénvegyületek gyógyászati alkalmazása az ókorig nyúlik vissza. A tradicionális kínai orvoslásban az arzén-trioxidot különböző betegségek kezelésére használták. A 18-19. században az arzénvegyületek népszerű gyógyszerek voltak Európában is, különösen a Fowler-oldat (kálium-arzenit oldat) formájában, amelyet bőrbetegségek, vérszegénység és egyéb állapotok kezelésére alkalmaztak.

Az első hatékony szintetikus kemoterápiás szer, a Salvarsan (arsphenamine) is arzénvegyület volt, amelyet Paul Ehrlich fejlesztett ki a szifilisz kezelésére a 20. század elején.

Napjainkban az arzén-trioxid (Trisenox) FDA által jóváhagyott gyógyszer az akut promielocitás leukémia (APL) kezelésére, különösen olyan esetekben, amelyek nem reagálnak a hagyományos terápiákra.

Arzén a művészetekben

Az arzénmérgezés témája számos irodalmi műben, filmben és színdarabban megjelenik:

• Agatha Christie több detektívregényében is szerepel arzénmérgezés
• A „Levendula és csipke” című vígjáték idős hölgy szereplői arzénnal „segítik” magányos férfi látogatóikat a túlvilágra
• Gustave Flaubert „Bovaryné” című regényében a főszereplő arzénnal vet véget életének

Az arzéntartalmú pigmentek, különösen a smaragdzöld (réz-acetoarzenit) fontos szerepet játszottak a festészetben is, bár toxicitásuk miatt használatuk visszaszorult.

Az arzén tehát nemcsak a kémia és a toxikológia szempontjából jelentős elem, hanem a kultúrtörténet szerves része is, amely évszázadokon át formálta az emberiség történelmét, művészetét és orvostudományát.