Arsen weint, es ist nicht das "Schwermetall" der Schwermetalle

Wenn von Wasserverschmutzung, Umweltverschmutzung oder sogar Verschmutzung durch Kosmetika die Rede ist[1], denken die Leute oft sofort an Quecksilber, Blei, Arsen, Cadmium usw. Ist Arsen also ein Schwermetall? Was ist die Definition von Schwermetallen? Warum wird Arsen in der Schwermetallbelastung erwähnt?

1. Definition von Schwermetallen

In der Chemie definieren wir Schwermetalle als Metalle mit einer Dichte über 4,5 g/cm3. Wie in Abbildung 1 dargestellt, gibt es insgesamt 60 natürlich vorkommende Metallelemente im Ordnungszahlenbereich von 23 (Vanadium) bis 92 (Uran), wobei die neun nichtmetallischen Elemente Arsen, Selen, Brom, Krypton, Tellur, Iod, Xenon, Astat und Radon sowie das künstliche Element Technetium nicht mitgezählt werden. Unter diesen 60 Elementen liegt die Dichte der übrigen 54 Metalle, mit Ausnahme von Rubidium, Strontium, Yttrium, Cäsium, Barium und Francium, über 4,5 g/cm³ (siehe Tabelle 1). Aus Dichtesicht sind diese 54 Metalle daher allesamt Schwermetalle. Bei der Klassifizierung der Elemente werden einige jedoch als Seltenerdmetalle, andere als Edelmetalle usw. eingestuft (siehe Tabelle 2). Unter den verbleibenden 13 Metallen sind Blei, Quecksilber, Cadmium und Chrom die vier Metalle, die in engem Zusammenhang mit schweren Umweltverschmutzungsvorfällen stehen.

Abbildung 1 Anordnung der natürlichen Metallelemente 23 bis 92 im Periodensystem (wie im Kasten dargestellt)

Tabelle 1 Dichte von 60 natürlichen Metallelementen

Tabelle 2 Klassifizierung von 54 Schwermetallelementen

2. Gefahren und Toxizität von Schwermetallen

Aufgrund mangelnden Umweltbewusstseins werden bei der industriellen und landwirtschaftlichen Produktion, beispielsweise beim Erzabbau, bei der Metallverhüttung, im Maschinenbau und bei der landwirtschaftlichen Bewässerung, unbeabsichtigt große Mengen Schwermetalle in die Umwelt freigesetzt[2]. Dies führt wiederum zu Wasser- und Bodenverschmutzung und somit zu Beeinträchtigungen der menschlichen Gesundheit und Sicherheit. Schwermetallverschmutzung ist gekennzeichnet durch ihre Fähigkeit zur Ansammlung, ihren schwierigen Abbau, ihre hohe Toxizität und ihre schwierige Behandlung. Die meisten Fälle von Schwermetallverschmutzung werden durch orale Aufnahme verursacht [3]. Eine übermäßige Aufnahme von Schwermetallen kann akute Vergiftungssymptome hervorrufen, die sich hauptsächlich in Erbrechen, Bauchschmerzen, Durchfall, Atembeschwerden, Geschwüren usw. äußern. Sobald sie in den Körper aufgenommen werden, können sie die physiologischen Funktionen verschiedener Gewebe schädigen und sogar zum Tod führen. Darüber hinaus sind Schwermetalle, insbesondere Quecksilber, schädlicher für die Entwicklung des Fötus, was durch den Vorfall der „Minamata-Krankheit“ in Japan bestätigt wurde [4]. Nachfolgend finden Sie eine kurze Einführung in die Toxizität mehrerer häufiger Schwermetalle (siehe Tabelle 3).

Tabelle 3 Toxizität häufiger Schwermetalle

3. Arsen

Arsen, allgemein als Arsenik bekannt, befindet sich in der 4. Periode und VA-Gruppe im Periodensystem der chemischen Elemente. Es ist ein nichtmetallisches Element und in der Natur weit verbreitet. Tiere, Pflanzen und Meeresfrüchte können Spuren von Arsen enthalten. In der Natur kommt Arsen hauptsächlich in Form von Sulfiden wie Realgar vor[5]. Arsenverbindungen finden ebenfalls breite Anwendung und werden oft in Herbiziden, Fungiziden sowie im Holzschutz, in der Pharmaindustrie, bei Pigmenten und in anderen Industriezweigen eingesetzt.

3.1 Namensentwicklung

Es gibt viele Arsenverbindungen, die seit der Antike bis heute in verschiedenen Ländern als „traditionelle Arzneimittel“ verwendet wurden, aber dasselbe Mineral kann in verschiedenen Ländern und zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Namen haben. Arsenmineralien sind hauptsächlich Realgar und Auripigment. Bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. gab Aristoteles ihm in seinen Werken den Namen Arsenikon (ursprünglich Auripigment), was so viel wie „mächtig“ bedeutet. Realgar-Auripigment wurde aus Auripigmentum (Goldpigment) des römischen Naturforschers Plony gewonnen. Das englische Wort Realgar bedeutet eher „Hahnenkammstein“. Als „Realgarwein“ wird beispielsweise Realgarwein bezeichnet, der gerne bei der Einführung chinesischer Festbräuche verwendet wird. In China ist die Benennung von Arsenmineralien komplizierter. Um das Geheimnis zu wahren, gaben ihm die alten Alchemisten und Ärzte viele Namen, wie in Tabelle 4 und Abbildung 2 gezeigt.

Tabelle 4 Andere Namen für Arsenmineralien im alten China

Abbildung 2: Auftreten von Arsen und seinen Verbindungen (Bild aus dem Internet)

Arsentrioxid ist der klassischste Name für Arsentrioxid As2O3. Es wird aus Arsenstein verarbeitet und raffiniert. Es hat eine höhere Reinheit und veränderte Eigenschaften. Arsenstein wird häufig zum Abtöten von Bakterien und zur Behandlung von Erkältungsasthma, Malaria, Hämorrhoiden oder Ringelflechte verwendet, während Arsentrioxid Wunden ätzt, Fäulnis entfernt und Insekten tötet und zudem giftiger ist.

3.2 Toxizität von Arsen und seinen Verbindungen

Wenn wir Arsen erwähnen, ist unsere erste Reaktion, dass es giftig ist. Dies ist alles dem klassischsten arsenhaltigen Gift zu verdanken – Arsentrioxid (As2O3), auch bekannt als Arsentrioxid. Tatsächlich ist elementares Arsen grundsätzlich ungiftig und die meisten Arsensulfide sind nicht so giftig. Entsprechend den Eigenschaften der Verbindungen kann man zwischen organischem und anorganischem Arsen unterscheiden. Die Toxizität von anorganischem Arsen ist stärker als die von organischem Arsen. Unter den anorganischen Arsenen sind dreiwertiges und fünfwertiges Arsen häufiger. Dreiwertiges Arsen ist giftiger, etwa 60-mal giftiger als fünfwertiges Arsen.

Nach dem Eindringen in den menschlichen Körper reichert sich Arsen in Knochen, Leber, Nieren, Milz und anderen Körperteilen an und schädigt das Nerven-, Herz-Kreislauf-, Atmungs-, Fortpflanzungssystem, das Blutsystem und andere Systeme. Eine mittelschwere Arsenvergiftung beeinträchtigt im Frühstadium hauptsächlich die Sinnesnerven und äußert sich in Schmerzen, langsamer Reaktion usw.; Eine schwere Arsenvergiftung kann die motorischen Nerven beeinträchtigen und beispielsweise zu Schwäche der Gliedmaßen, Lähmungen oder Hirngewebeschäden führen. Eine chronische Arsenvergiftung kann eine Neuropathie verursachen, die sich hauptsächlich als Neurasthenie-Syndrom, Hautschäden, Mundentzündungen oder Leber- und Nierenschäden äußert. Die Genesungszeit ist extrem lang und kann mehrere Jahre dauern. Die Chance auf eine vollständige Genesung ist sehr gering. Die häufigsten Symptome einer Arsenbelastung sind eine Verdickung der Hornschicht, eine Verdunkelung der Hautfarbe und in schweren Fällen Hautkrebs. Arsen kann auch die Entwicklung des Fötus über die Plazenta beeinträchtigen. Eine akute oder chronische Arsenexposition beeinträchtigt das Blutsystem und führt zu einer Abnahme der Anzahl weißer und roter Blutkörperchen sowie der Blutplättchen und zu einer Zunahme der Anzahl eosinophiler Granulozyten [7].

4. Zusammenhang zwischen Arsen und Schwermetallen

Arsen liegt im Periodensystem an der Grenze zwischen metallischen und nichtmetallischen Elementen und wird daher als Halbmetall bezeichnet. Auch seine physikalischen und chemischen Eigenschaften liegen zwischen denen von Metallen und Nichtmetallen. Es hat einen silbergrauen metallischen Glanz und eine Dichte von 5,72 g/cm3. Es weist außerdem die Eigenschaften der Bioakkumulation und Nichtabbaubarkeit in der Umwelt auf. Seine Toxizität und Behandlungsmethoden ähneln denen von Schwermetallen. Daher gilt Arsen im Bereich der Umweltverschmutzung und Medizin als Schwermetall [8]. Aus diesem Grund wird Arsen in der „Liste der vorrangig kontrollierten Chemikalien (erste Charge)“[9], der „Liste der giftigen und gefährlichen Wasserschadstoffe (erste Charge)“[10] und der „Liste der giftigen und gefährlichen Luftschadstoffe (2018)“[11] meines Landes zusammen mit vier anderen Schwermetallen als Hauptschadstoff geführt: Blei, Quecksilber, Cadmium und Chrom.

5. Fazit

Obwohl Arsen zu den sogenannten „fünf Giften“ der Schwermetallverschmutzung gehört, die wir häufig beobachten, nämlich Quecksilber, Cadmium, Blei, Chrom und Arsen, ist Arsen kein Schwermetall. Es ist ein Nichtmetall. Da es sich an der Grenze zwischen Metall und Nichtmetall befindet, wird es auch Halbmetall genannt. Es weist große Ähnlichkeiten mit Schwermetallen hinsichtlich Umweltverschmutzung und Toxizität auf und wird daher im Umwelt- und Medizinbereich als Schwermetall betrachtet.

Verweise

[1] Zhang Han, Song Hongjie, Lü Yi. „Schwermetallverschmutzungsfall“ in der Kosmetikwelt. Universitätschemie, 2022, 37(9): 264
[2] Dou Hongbin, Guo Wei. Schwermetallverschmutzung und ihre Schädigung von Wasser und Boden. Ökologische Ökonomie, 2022, 38(11): 5
[3] Shinzo Imura, Akira Naganuma, Yaoqun Zhou. Toxizitätsmechanismus der Umweltverschmutzung durch Schwermetalle. Zeitschrift für Agrarumweltwissenschaften, 1982(4):24
[4] Wan Shuangxiu, Wang Jundong. Die Toxizität von Quecksilber für die menschlichen Nerven und seine Schäden. Spurenelemente und Gesundheitsforschung, 2005(2):67
[5] Chen Yang, Wang Chuyin, Yao Ni, et al. Transformation und Ansammlung der Arsenmorphologie und Arsenvalenz in Realgar. Journal of Central South Pharmacy, 2022, 20(6): 1359
[6] Wang Kuike, Zhu Cheng, Zheng Tong et al. Die Geschichte des Arsens in China. Studien zur Geschichte der Naturwissenschaften, 1982(2):21
[7] Wang Fengjuan. Forschung zu Methoden zur Qualitätssicherung beim Nachweis von UV-Absorbern und den Schwermetallen Blei und Arsen in Sonnenschutzkosmetika [Dissertation]. Ostchinesische Universität für Wissenschaft und Technologie, 2014
[8] Xu Ke, Ye Jing, Tian Yi et al. Forschung zur Prävention und Kontrolle der Schwermetallverschmutzung in meinem Land während des 14. Fünfjahresplans. Umfassende Nutzung chinesischer Ressourcen, 2022, 40(9): 127
[9] Ministerium für Umweltschutz. Liste der vorrangig kontrollierten Chemikalien (erste Charge). (2017-12-28) [2023-03-01].
[10] Ministerium für Ökologie und Umwelt der Volksrepublik China. Liste giftiger und wassergefährdender Stoffe (erste Charge). (2019-07-24) [2023-03-01].
[11] Ministerium für Ökologie und Umwelt der Volksrepublik China. Liste giftiger und gefährlicher Luftschadstoffe (2018). (2019-01-25) [2023-03-01].
Autorenprofil: Zhang Weiwei (1986-), weiblich, aus dem Kreis Xiong, Provinz Hebei, leitende Ingenieurin, hauptsächlich in der analytischen Chemie und anorganischen Chemieforschung tätig.