สารหนู

สารหนู () เป็นชื่อธาตุลำดับที่ 33 สัญลักษณ์ As ลักษณะเป็นของแข็ง มีสามอัญรูป คือ สารหนูสีเทา สารหนูสีดำ และสารหนูสีเหลือง สารหนูเป็นพิษทั้งธาตุบริสุทธิ์และสารประกอบ หากร่างกายได้รับในปริมาณมาก

ประวัติ 

คำ "arsenic" ยืมมาจากภาษาเปอร์เซียว่า "zarnik" แปลว่า หรดาลกลีบทอง (yellow orpiment) ชาวกรีกนำคำนี้ไปใช้ว่า "arsenikon"

สารหนูเป็นที่รู้จักกันดีในอิหร่านแต่โบราณครั้งที่ยังใช้ชื่อว่าเปอร์เซีย ในพุทธศตวรรษที่ 10 นักประวัติศาสตร์ชาวกรีกชื่อ "โซซิมัส" (Zosimus) รายงานถึงธาตุนี้เป็นครั้งแรก และยังมีการกล่าวอ้างว่าอัลแบร์ทุส มักนุส (Albertus Magnus) นักปรัชญาชาวเยอรมัน เป็นคนแรกที่ระบุว่าสารหนูเป็นธาตุเมื่อ พ.ศ. 1793 ต่อมาใน พ.ศ. 2193 นักวิทยาศาสตร์โยฮันน์ ชเรอเดอร์ (Johann Schroeder) ได้พิมพ์รายงานการเตรียมสารหนูสองวิธี

เมื่อต้นพุทธศตวรรษที่ 26 ที่ประเทศบังกลาเทศเกิดสถานการณ์วิกฤติ คนจำนวนมากมีอาการได้รับพิษสารหนู ประมาณว่าชาวบังกลาเทศหลายสิบล้านคนดื่มน้ำที่มีสารหนูเจือปนอยู่เกินมาตรฐานองค์การอนามัยโลก คือ 50 ส่วนในพันล้านส่วน (ppm) ทั้งนี้ เป็นเพราะสารหนูในน้ำนั้นมาจากชั้นหินตะกอนโดยเกิดจากเหตุธรรมชาติทางธรณีวิทยาและซึมลงไปในน้ำใต้ดิน ขณะนั้นบังกลาเทศให้ประชาชนดื่มน้ำใต้ดินเพื่อหลีกเลี่ยงน้ำผิวดินที่มีเชื้อโรค ราชบัณฑิตยสถานแห่งประเทศไทยคาดว่า อาจมีประเทศอื่นอีกทางเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ที่มีสิ่งแวดล้อมทางธรณีวิทยาเช่นเดียวกับบังกลาเทศ ทางภาคใต้ของประเทศไทยก็เคยเกิดเหตุการณ์ในทำนองเดียวกันกับข้างต้น แต่มิได้เป็นข่าวแพร่หลาย สาเหตุมาจากน้ำใต้ดินที่มาจากเหมืองดีบุกเก่าปนเปื้อนสารหนู

สภาพ

แหล่ง 

สารหนูเป็นธาตุเสรี ในธรรมชาติมีอยู่เป็นจำนวนน้อย อาจพบได้ในสายแร่เงิน ส่วนใหญ่อยู่ในสารประกอบเป็นแร่หลายชนิดกระจายอยู่ทั่วโลก แร่ที่มีสารหนูเป็นตัวประกอบ เช่น อาร์เซโนไพไรต์ (FeAsS) หรดาลกลีบทองหรือออร์พิเมนต์ (As2S3) หรดาลแดงหรือรีอัลการ์ (As4S4) อาร์เซโนไลต์ (As2O3) เลิลลิงไกต์ (FeAs2) นิกโคโลต์ (NiAs)

นอกจากนี้ สารหนูยังเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการที่ปฏิบัติกับสินแร่เงิน ตะกั่ว ทองแดง นิกเกิล และโคบอลต์ ประเทศรายใหญ่ผู้ผลิตสารหนู ได้แก่ สหรัฐอเมริกา สวีเดน และเม็กซิโก

การเตรียม 

การเตรียมสารหนูในเชิงพาณิชย์มักใช้แร่อาร์เซโนไพไรต์ซึ่งเป็นแร่ธรรมดาสามัญของสารหนู เผาอาร์เซโนไพไรต์ที่ 650-700°ซ. ในที่ไม่มีอากาศ ได้สารหนูระเหิดเป็นไอออกมา คงเหลือ FeS แล้วจึงควบแน่นไอสารหนูเป็นของแข็ง วิธีเตรียมสารหนูอีกวิธีหนึ่งคือรีดิวซ์ออกไซด์ As2O3 ด้วยถ่านที่ 700-800°ซ.

องค์ประกอบ 

สารหนูมีเลขเชิงอะตอม 33 อยู่ในคาบที่ 4 หมู่ VA หรือหมู่ 15 ตามแต่วิธีจัดหมู่ของตารางพีริออดิก และเป็นธาตุกึ่งโลหะ

โครงแบบอิเล็กตรอนเป็นดังนี้ [Ar] 4s2 3d10 4p3 โดย [Ar] คือโครงแบบอิเล็กตรอนแสดงการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่าง ๆ ของธาตุอาร์กอน น้ำหนักเชิงอะตอม 74.9216 สารหนูมีไอโซโทปเสถียรเพียงไอโซโทปเดียว คือ As-75 และมีไอโซโทปกัมมันตรังสีสังเคราะห์อีกยี่สิบสองไอโซโทป

อัญรูป 

สารหนูมีสามอัญรูป ได้แก่

 สารหนูดำ อยู่ในรูปอสัณฐาน ได้จากอาร์ซีน (AsH3) เมื่อสลายตัวด้วยความร้อน
 ถ้าหากทำให้ไอของสารหนูเย็นลงอย่างรวดเร็วจะได้สารหนูเหลือง ประกอบด้วยโมเลกุล As4 โครงผลึกเป็นลูกบาศก์ สารหนูเหลืองระเหยเป็นไอง่ายและว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมีมากกว่าสารหนูที่เป็นโลหะ ความหนาแน่น 1.73 กรัมต่อหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตร
 อัญรูปที่เสถียรอยู่ในอุณหภูมิห้องคือสารหนูเทา เป็นโลหะ เปราะ มีสีเทาซึ่งเปลี่ยนไปเป็นสีเทาแก่และสีดำต่อไปอย่างรวดเร็ว โครงผลึกเป็นรอมโบฮีดรัล ความหนาแน่น 5.73 กรัมต่อหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตร ที่อุณหภูมิห้องเมื่อเผาร้อนจะระเหิด จุดระเหิดเหลว 817.2°ซ. ที่ความดัน 28 บรรยากาศ นำความร้อนและไฟฟ้าได้ดีมาก

สมบัติ 

สถานะออกซิเดชันของสารหนู คือ -3, 0, +3, +5 กล่าวคือเป็นได้ทั้งบวกและลบ สารหนูเป็นธาตุกึ่งโลหะ การมีสมบัติเป็นกึ่งโลหะหมายความว่าสามารถทำปฏิกิริยาได้กับทั้งโลหะและอโลหะ ออกไซด์ของสารหนูเป็นทั้งกรดและเบส ทำปฏิกิริยาได้ดีกับคลอรีนและฟอสฟอรัสซึ่งเป็นอโลหะ และทำปฏิกิริยากับโลหะอื่นจำนวนมากให้อาร์เซไนด์

สารหนูไม่ละลายในกรดไฮโดรคลอริกถ้าไม่มีออกซิเจน และถึงแม้จะมีออกซิเจนอยู่ด้วยก็ละลายได้ช้า ทั้งนี้ ไม่ละลายในกรดซัลฟิวริกเจือจาง แต่จะทำปฏิกิริยากับกรดซัลฟิวริกเข้มข้นร้อนโดยให้ As4O6 และไม่ได้ซัลเฟต กับทั้งยังทำปฏิกิริยากับกรดไนทริกเจือจางร้อนโดยให้กรดอาร์เซเนียส (H3AsO3) และกับกรดไนทริกเข้มข้นโดยให้กรดอาร์เซนิก (H3AsO4)

เมื่อเผาสารหนูจะได้อาร์เซนิกเซสควิออกไซด์ (As4O6) ซึ่งมีกลิ่นกระเทียม มักเรียกกันว่า "สารหนูขาว" ละลายในน้ำได้เล็กน้อย ให้สารละลายกรดอาร์เซเนียส As4O6 เป็นแอมโฟเทอริก แต่ค่อนข้างเป็นกรดมากกว่าเบส ละลายได้ดีในแอลคาไลโดยให้อาร์เซไนต์

สารหนูไม่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนโดยตรงในการให้อาร์เซนิกเพนทอกไซด์ (As2O5) ซึ่งกรณีนี้ไม่เหมือนฟอสฟอรัสที่ให้ฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์ (P2O5) แต่จะเตรียม As2O5 ได้จากการออกซิไดส์สารหนูด้วยกรดไนทริก As2O5 ละลายได้ดีในน้ำโดยให้สารละลายกรดอาร์เซนิก

สารหนูรวมกับแฮโลเจนได้โดยตรงและให้อาร์เซนิกไทรแฮไลด์ หรือจะใช้ปฏิกิริยาระหว่างออกไซด์หรือซัลไฟด์กับแฮโลเจนก็ได้

สารหนูรวมกับกำมะถันให้ซัลไฟด์หลายชนิด เช่น As2S4 (สารหนูแดง) As2S3 (สารหนูเหลือง) และ As2S5 ซัลไฟด์เหล่านี้มีสมบัติเป็นกรดและละลายได้ในเบสแก่

ประโยชน์และโทษ 

ทั้งธาตุและสารประกอบของสารหนูมีพิษมาก เมื่อเข้าไปในร่างกายทั้งโดยการกินและการหายใจจะทำลายระบบทางเดินอาหารและส่วนอื่น ๆ ของร่างกาย และในที่สุดก็ทำให้ถึงแก่ความตาย จึงนิยมใช้เป็นยาเบื่อหนูและเป็นที่มาของชื่อ "สารหนู" ในภาษาไทย นอกจากนี้ยังนิยมใช้ในการฆาตกรรมอีกด้วย สารแก้พิษสารหนูที่ดีคือสารแขวนลอยของแมกนีเซียมหรือเฟร์ริกไฮดรอกไซด์ หรืออาจใช้น้ำปูนใส (แคลเซียมไฮดรอกไซด์) เนื่องจากสารดังกล่าวทำให้อาร์เซไนต์ที่ไม่ละลายเกิดตกตะกอนออกมา

ถึงแม้จะทราบกันมานานแล้วว่าสารหนูเป็นพิษ แต่ผู้คนก็ยังยอมรับว่าสารหนูมีประโยชน์อยู่บ้าง ในสมัยพุทธกาล ฮิปโปคราตีสได้นำสารประกอบของสารหนูมาเป็นองค์ประกอบของยารักษาโรค ชาวกรีกและชาวโรมันใช้สารหนูแดงและสารหนูเหลืองซึ่งเป็นซัลไฟด์ทำสารสีเมื่อต้องการสีแดงและสีเหลือง ใน พ.ศ. 2452 พอล แอร์ลิช (Paul Ehrlich) นักวิทยาแบคทีเรียชาวเยอรมันพบว่า สารอินทรีย์ที่มีสารหนูสามารถใช้รักษาโรคซิฟิลิส การใช้สารหนูเป็นองค์ประกอบของยารักษาโรคซิฟิลิสยังคงดำเนินต่อมาเรื่อย ๆ ในสมัยที่ยังไม่มีแพนนิซิลลิน

สารหนูยังใช้ในการทำทองบรอนซ์และทำดอกไม้ไฟ นอกจากนี้ ในการทำแบตเตอรี่สะสมไฟฟ้าถ้าผสมสารหนูเล็กน้อยในตะกั่วและพลวงจะทำให้ได้โลหะผสมที่มีคุณภาพดีขึ้น

การทดสอบ 

เนื่องจากสารหนูเป็นอันตรายต่อคนอย่างร้ายแรง จึงควรรู้จักวิธีทดสอบสารหนู สารประกอบของสารหนูในสถานะออกซิเดชัน-3 ที่รู้จักกันดีที่สุดคือ อาร์ซีน (AsH3) ซึ่งเป็นแก๊สไร้สีและเป็นพิษมาก อาร์ซีนได้จากการแยกสลายอาร์เซไนต์ด้วยน้ำ หรือการรีดิวซ์สารประกอบของสารหนูด้วยสังกะสีหรือดีบุกในสารละลายกรด ดังนั้น ถ้าสามารถตรวจพิสูจน์ได้ว่ามีอาร์ซีนเกิดขึ้น ย่อมแสดงว่าสารที่สงสัยนั้นมีสารหนู วิธีทดสอบมีสองวิธีซึ่งใช้ได้ดีมีประสิทธิภาพแม้มีสารหนูอยู่เพียงเล็กน้อยก็ตาม ดังนี้

 การทดสอบแบบมาร์ช (Marsh Test) เมื่อได้แก๊สที่สงสัยว่าเป็นอาร์ซีน เผาแก๊สนั้นด้วยความร้อนให้แยกสลายในหลอดทดลอง ถ้าเกิดเงาโลหะบนผนังหลอดทดลองแสดงว่ามีสารหนู
 การทดสอบแบบกุทไซท์ (Gutzeit Test) เอากระดาษทดสอบชุบเมอร์คิวริกคลอไรด์หรือเมอร์คิวริกบรอไมด์สัมผัสแก๊สต้องสงสัย ถ้าเป็นอาร์ซีนกระดาษจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล

อาร์ซีนเป็นแก๊สพิษอย่างแรง ระหว่างทำการทดสอบต้องหลีกเลี่ยงการสูดหายใจเอาอาร์ซีนเข้าไป

อ้างอิง 

 กฤษณา ชุติมา. (2550). "สารหนู". สารานุกรมไทยฉบับราชบัณฑิตยสถาน, (เล่ม 27 : สถานเสาวภา-สาละ, ต้น). กรุงเทพฯ : ด่านสุธาการพิมพ์. หน้า 17605-17609.
 วิริยะ สิริสิงห และคณะ. 110 ธาตุ คุณสมบัติ และการค้นพบ. กรุงเทพฯ : อักษรวัฒนา, พิมพ์ครั้งที่ 3.
 จอห์น เอ็มสเลย์, เขียน. ยุทธนา ตันติรุ่งโรจน์ชัย, แปล. สนุกกับโมเลกุล อัศจรย์เคมีของสสารรอบตัวเรา. กรุงเทพฯ: โครงการจัดพิมพ์คบไฟ มูลนิธิเพื่อการศึกษาประชาธิปไตยและการพัฒนา, พิมพ์ครั้งที่1, เมษายน 2550
 

สารก่อวิรูป
พิษวิทยา
 
ธาตุเคมี
วัสดุศาสตร์
นิกโทเจน