«Какой химический элемент состоит из двух животных?» – вам наверняка попадался на глаза такой шуточный вопрос, который любят задавать на химических викторинах и загадывать в кроссвордах. Хотя если учесть, что под последними двумя буквами может скрываться не только название величественного парнокопытного, но и семейство самолётов, разработанных в одном знаменитом конструкторском бюро, то химико-зоологическая шарада приобретёт ещё и немного авиационной романтики. Но говорить сейчас мы будем не о самолётах, тибетских быках и даже не о грызунах, хотя о них всё же замолвим пару слов, а о химическом элементе под красивым номером тридцать три – мышьяке.

Самородный мышьяк с включениями кварца и кальцита. Фото: Aram Dulyan/Wikimedia Commons/PD

Слава у этого элемента, скажем сразу, не очень хорошая – большинству он известен исключительно лишь как эффективный инструмент разрешения придворных интриг и любовных треугольников на протяжении всего Средневековья. Его даже называли «король ядов». Оно и не удивительно: и сам мышьяк, и большинство его соединений - крайне ядовитые вещества, смертельно опасные для человека и для большинства живых организмов. Вдобавок, до изобретения Джеймсом Маршем надёжного метода определения мышьяка в организме, а это случилось только в 1830-х годах, он был одним из любимых веществ у отравителей, желавших остаться неизвестными. Большие дозы мышьяка вызывали острые отравления и убивали «здесь и сейчас», а если нужно было замаскировать отравление под болезнь, то жертве длительное время подмешивали мышьяк в пищу, впрочем, результат был аналогичный – весьма мучительная смерть.

Решение возникших проблем с помощью яда – обычная практика в Средние века. На фото: полотно «Отравление королевы Боны», Ян Матейко (1838–1893) / Wikimedia Commons / PD

Однако современные методы химического анализа дают удивительную возможность определить мышьяк в малых количествах и даже раскрыть преступления, совершённые столетия назад. Например, молодой князь Дмитрий Юрьевич Красный – внук великого князя Дмитрия Донского, скоропостижно скончался в сентябре 1441 года при весьма странных обстоятельствах. Симптомы его болезни вызвали удивление у летописца, о чём он красноречиво написал: «Быть же нечто дивное в болезни его». Жизнь его брата, Дмитрия Шемяки, носившего титул Великого князя Московского, тоже оборвало коварное зелье, о чём уже тогда прямо написали в летописях. 

Удивительно же то, что по прошествии более чем пяти сотен лет, химики-криминалисты смогли установить точную причину смерти Шемяки. Среди останков князя, покоившихся в некрополе Софийского собора в Великом Новгороде, сохранились мумифицированные печень и почка, в которых были обнаружены смертельные дозы мышьяка. Кстати именно из-за отравления мышьяком, вызвавшем сильное обезвоживание организма, тело князя оказалось мумифицировано, что случалось крайне редко. Мышьяк весьма обоснованно подозревают как орудие убийства одного из гениев европейской мысли Нового времени – Рене Декарта. Скоропостижная смерть философа и учёного уже тогда дала повод для мыслей о возможном отравлении, а описание симптомов болезни Декарта, по мнению некоторых современных исследователей, очень похоже на отравление мышьяком.

Аббатство Сен-Жермен-де-Пре в Париже, где покоятся останки Рене Декарта. Фото: kristobalite/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0

Интересно, что в слоях почвы Москвы, относящихся к XV веку, обнаружено повышенное содержание мышьяка. Конечно, не стоит думать, что тогдашние отравители настолько рьяно использовали смертоносное зелье, что буквально пропитали ядом столичную землю. Скорее всего, мышьяк и его соединения использовались в кожевном и меховом производстве, а также в изготовлении красок, что и дало настоящее промышленное загрязнение территории тогдашнего города. К тому же мышьяк долгое время повсеместно использовался как крысиный яд, что также отражается на содержании мышьяка в окружающей среде. 

Любопытно, что в русском языке название мышьяка напрямую связано с его ядовитыми способностями, направленными против мышей. А вот в таблице Менделеева этот элемент имеет символ As, и его название звучит как «арсеникум», которое, в свою очередь, восходит к персидскому слову «жёлтый». Дело в том, что природные минералы, содержащие соединения мышьяка и серы: реальгар и аурипигмент, имеют цвета от жёлтого до красного и с давних времён применялись как красители. Их использовали не только в качестве красок для керамики и росписи, но и в косметических целях, лишний раз подтверждая расхожее выражение, что во все времена красота требовала жертв.

Красные кристаллы реальгара вместе с кальцитом, халькопиритом и галенитом. Фото: Géry Parent/Flickr.com CC BY-ND 2.0

Если уж говорить о ядовитых соединениях мышьяка, то своего смертоносного триумфа они достигли на заре двадцатого века, с началом интенсивной разработки и массового производства боевых отравляющих веществ. Одно из таких ядовитых веществ, в состав молекул которого входит не только мышьяк, но и хлор, получило название люизит. По злой иронии это вещество обладает запахом герани, поэтому запах цветов на полях Первой мировой войны не предвещал абсолютно ничего хорошего. Тем не менее боевые отравляющие вещества по ряду причин не нашли массового применения, превратившись из устрашающего оружия в большую проблему – за время гонки химических вооружений накопилось огромное количество опасных боеприпасов. 

Правильный способ их утилизации состоит в том, чтобы строить специальные заводы, где ядовитые вещества будут химически «разбираться» на безопасные фрагменты, которые можно даже использовать в гражданской химической промышленности. А вот неправильный способ заключается в том, чтобы просто погрузить химические боеприпасы на борт судна, отплыть подальше от берега и затопить опасный груз где-нибудь посередине моря. К сожалению, огромное количество химического оружия было захоронено на дне Балтийского моря, где оно теперь постепенно распадается, и токсичные соединения, в том числе мышьяк, поступают в пищевые цепочки к рыбам, птицам и людям. Кстати, тот самый люизит – одно из немногих отравляющих веществ, из которого при утилизации можно получить ценный компонент, собственно, сам мышьяк, чтобы затем использовать его для производства арсенида галлия – важного полупроводника для электронной промышленности.

Боеприпасы с отравляющими веществами, захороненные на дне моря, представляют большую угрозу для биосистемы Балтийского моря. Фото: Ivan Zanotti Photo/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0

Мышьяк в воде может появиться не только из-за безрассудной деятельности человека. В некоторых регионах нашей планеты естественное содержание мышьяка в грунтовых водах может заметно превышать безопасные нормы. Такая ситуация существует во многих районах Индии и Бангладеш, где длительное употребление водицы из местных колодцев может серьёзно сказаться на здоровье. Постоянное воздействие малых доз мышьяка на организм может привести не только к хроническому отравлению, но ещё и к другим неприятным последствиям. Например, понизить эффективность действия некоторых лекарств. 

Ряд исследований показал, что действие препаратов на основе сурьмы против такого заболевания как лейшманиоз, снижается у пациентов, проживающих в регионах с высоким содержанием мышьяка в питьевой воде. Хотя кроме мышьяка борьбе с лейшманиозом ещё больше мешает бесконтрольное использование лекарств, впрочем, эта проблема касается множества других препаратов во всех странах мира. Кстати, исследователи из той же Индии обнаружили, что у крыс, которым давали экстракт чеснока, практически вдвое падало содержание мышьяка в крови и печени. Так что на любовь жителей Индии к разным специям можно взглянуть немножко под другим углом. Ещё одно растение, которое можно поднять на знамёна мышьякоборцев, это папоротник вида птерис ленточный – он может извлекать из воды почти весь растворённый в ней мышьяк. Такие растения, способные накапливать в себе металлы, называют сверхнакопителями или растениями-гипераккумуляторами.

Папоротник птерис ленточный (Pteris vittata) – природный гипераккумулятор соединений мышьяка. Фото: Bernard DUPONT/Flickr.com CC BY-SA 2.0

Но даже самые ядовитые колодцы в Бангладеш не смогут соперничать с одним калифорнийским водоёмом, где концентрация мышьяка в воде одна из самых высоких на Земле. С озером Моно связано множество удивительных историй, однако одно событие не на шутку взбудоражило весь научный мир, поставив под сомнения основы биохимии. В 2012 году в журнале Science выходит статья, в которой микробиолог из Астробиологического института НАСА Фелиса Вольф-Симон заявила, что в водах озера Моно обнаружена бактерия, способная замещать в своей ДНК атомы фосфора на мышьяк. 

Тот факт, что разные живые существа, и особенно микроорганизмы, могут выживать в самых экстремальных условиях, в принципе, уже давно не новость – чего стоят одни только тихоходки. Однако у всего живого на нашей планете в молекуле ДНК может быть только фосфор, но никак не мышьяк. И даже не смотря на то, что по химическим свойствам мышьяк похож на фосфор, в конце концов, они соседи по периодической таблице, но когда дело касается биохимии, то компромиссы невозможны: фосфор – это жизнь, а мышьяк – смерть, и никак иначе. 

Поэтому заявление о том, что какая-то бактерия из озера, в котором не водятся даже рыбы, вдруг смогла пойти против законов жизни и встроить мышьяк в свою ДНК, стало мировой сенсацией. Впрочем, многие учёные весьма скептически восприняли эту новость и принялись рьяно проверять результаты исследования Фелисы. Спустя год кропотливых исследований выяснилось, что зашатавшиеся было законы биохимии устояли, и бактерия всё-таки не способна строить свою ДНК из мышьяка. Хотя бактерия всё равно по-своему уникальна – она может выживать при очень больших концентрациях мышьяка и даже без особого для себя вреда впускать его внутрь своей клетки. Видимо эти факты вместе с желанием прославиться первооткрывателем мышьяковой жизни толкнули Фелису выдать желаемое за действительное. Увы, не получилось.

Озеро Моно в Калифорнии Фото: tom_stromer/Flickr.com CC BY-NC 2.0

Но что-то мы говорим о мышьяке только с отрицательной стороны, как об элементе, несущем смерть. А может ли мышьяк быть полезен? Конечно да, ведь в химии нет абсолютного зла или добра, и каждый элемент в зависимости от своего химического окружения может проявлять самые разные свойства. Так Пауль Эрлих в 1907 году синтезировал органическое соединение мышьяка, получившее название «сальварсан» и ставшее первым эффективным препаратом для лечения сифилиса. Раньше с этим смертельным заболеванием пытались бороться самыми разными средствами: от ртутных мазей до заражения малярией, однако все эти методы имели невысокую эффективность и большое количество побочных эффектов. И хотя сальварсан тоже не был лишён недостатков, с основной задачей он успешно справлялся. Кстати, другое название сальварсана – «препарат 606», потому что он был 606-м по счёту веществом, действие которого Эрлих испытал против бледной трепонемы – возбудителя сифилиса. А перебрав ещё три сотни вариантов, он смог синтезировать более безопасное лекарство – неосальварсан.

Бледная трепонема плохо переносит высокую температуру, вызванную малярийным плазмодием. И хотя шансы умереть при лечении сифилиса малярией совсем не нулевые, долгое время, такой метод, за неимением лучшего, имел широкое распространение. Фото: Andy Langager/Flickr.com CC BY-NC 2.0

Но пора уже перейти от ядов и лекарств к чему-нибудь другому, например, к драгоценным украшениям. С мышьяком связана одна история, благодаря которой в конце XVIII века прославился парижский ювелир Марк Этьен Жанетти. В то время существовала проблема с плавкой чистой платины, которую удалось решить химику Гитону де Морво. Он разработал мышьяковый способ получения платины, суть которого заключалась в получении сначала сплава платины и мышьяка, а затем его последующим медленным отжигом. В результате мышьяк вместе с примесями улетучивался из сплава, оставляя чистую и ковкую платину, из которой уже можно было изготавливать ювелирные украшения. Однако имя Гитона как изобретателя метода было надолго забыто, поскольку Жанетти выкупил все права на изобретение и с успехом ими торговал, а сам мышьяковый метод получил название «метод Жанетти». Хотя можно представить, насколько ядовитая атмосфера была в лабораториях, где отжигали мышьяк.

Австралийская коллекционная монета с изображением утконоса, выполненная из 99.95% платины. Фото: CoinInvest GmbH/Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Мышьяк издавна применяли в качестве добавки к металлам. Одни из первых известных человечеству бронз – сплавов меди с другими металлами, были именно мышьяковые бронзы. Даже у Этци или ледяного человека, жившего пять тысяч лет назад, мумию которого нашли в 1991 году в Альпах, в волосах обнаружили повышенное содержание мышьяка. А значит, весьма вероятно, что он жил в местах, где добывали медь или уже обрабатывали мышьяковую бронзу. В более позднее время мышьяк добавляли в сплавы не только для того, чтобы получить прочные бронзы, но и с целью изготовить фальшивое золото, потому что добавка мышьяка придаёт некоторым металлам заветный золотистый блеск.

Хотя небольшое количество мышьяка практически всегда присутствует в медных рудах, мышьяковой бронзой называют сплав, полученный целенаправленным добавлением мышьяка к меди. На фото – бронзовый топор из коллекции Музея Лувра, изготовленный приблизительно 4000 лет назад. Фото: Rama/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Если говорить о научном применении мышьяковых бронз, то стоит рассказать о знаменитом 40-футовом телескопе Уильяма Гершеля, который он начал строить в 1785-м и закончил в 1789-м году. Труба телескопа имела длину 12 метров и почти полтора метра в диаметре. Главным элементом телескопа было металлическое зеркало весом около тонны, изготовленное из сплава меди, олова и мышьяка. Чтобы изготовить и отполировать поверхность зеркала потребовался почти целый год. С помощью своего 40-футового телескопа Гершель открыл два спутника Сатурна: Мимас и Энцелад. Кстати последний из них сейчас рассматривают как потенциальный кандидат на наличие жизни в подповерхностном океане. 

Кроме постройки самого большого телескопа, Уильям Гершель прославился открытием инфракрасного излучения – невидимой человеческому глазу части спектра. Исследователь захотел измерить энергию, которую несут солнечные лучи разной длины волны или разного цвета. Для этого он разложил луч солнечного света с помощью стеклянной призмы на компоненты и под лучик каждого цвета положил по термометру. Идея была проста – чем больше энергии несут лучи отдельного цвета, тем больше они будут нагревать термометр. Каково же было удивление Гершеля, когда лежавший рядом контрольный термометр, на который не падал ни один лучик света, вдруг показал самую высокую температуру! Исходя из этого экспериментатор сделал заключение о существовании невидимой части спектра.

Сохранившаяся часть трубы 40-футового телескопа Уильяма Гершеля, установленная на территории Гринвичской королевской обсерватории в Лондоне. Фото: Elliott Brown/Flickr.com CC BY 2.0

И напоследок расскажем, пожалуй, о самом важном на сегодня применении мышьяка, о котором мы вскользь упомянули в начале, – в полупроводниковых устройствах. Соединение мышьяка с галлием, которое называется арсенид галлия, это уникальный полупроводник, который по ряду параметров превосходит кремний. На основе арсенида галлия производят транзисторы и микросхемы, работающие на сверхвысоких частотах, светодиоды и лазеры. Например, солнечные батареи космического зонда Венера-Экспресс, запущенного в 2005 году и проработавшего на орбите Венеры почти десять лет, были изготовлены из арсенида галлия. В сравнении с кремниевыми, солнечные элементы на арсениде галлия получились меньше по размерам и более устойчивыми к космическому излучению. Нельзя не сказать, что за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники, в частности на основе арсенида галлия, выдающийся российский физик Жорес Иванович Алфёров совместно с Гербертом Крёмером и Джеком Килби был удостоен Нобелевской премии по физике в 2000-м году. 

Так что от медных и бронзовых топоров, переступив через тёмное время ядов и отравляющих веществ, мышьяк занял важное место на самом переднем фронте науки и технологий.

Солнечные панели зонда «Рассвет», запущенного в 2007 году для исследования астероида Веста и карликовой планеты Церера, изготовлены из арсенида галлия. Фото: NASA/George Shelton PD

Автор: Максим Абаев