Кіріспе

Талий – химиялық элемент, символы Tl, атомдық нөмірі 81. Бұл көлеңкеден кейінгі сұр металл, табиғатта бос күйде кездеспейді. Оқшауланған кезде талий қалайыға ұқсайды, бірақ ауаға ұшырағанда түсі өзгеріп кетеді. Химиктер Уильям Крукс және Клод Огюст Лами 1861 жылы күкірт қышқылы өндірісінің қалдықтарында талийді тәуелсіз түрде ашты. Екеуі де жаңадан дамытылған жалын спектроскопиясы әдісін қолданды, онда талий ерекше жасыл спектрлік сызық шығарады. Талий, грекше θαλλός (талус), яғни «жасыл бүршік» немесе «бұтақ», деген мағынаны білдіріп, Крукс атайды. Оны 1862 жылы Лами және Крукс оқшаулады; Лами электролиз арқылы, ал Крукс түзілген ұнтақты тұндыру және балқыту арқылы. Крукс оны 1 мамырда ашылған халықаралық көрмеде мырышпен тұндырылған ұнтақ түрінде көрсетті. Талий +3 және +1 тотығу күйлерін қалыптастыруға бейім. +3 күйі 13-топтың басқа элементтеріне (бор, алюминий, галлий, индий) ұқсас. Дегенмен, талийде жоғарыдағы элементтерге қарағанда әлдеқайда басым +1 күйі сілті металдарының химиясын еске салады, ал талий(I) иондары геологиялық жағдайда көбінесе калийге негізделген кендерде кездеседі және (ішке қабылданғанда) тірі жасушалардағы иондық сорғылар арқылы калий иондары (K+) сияқты көптеген жолдармен өңделеді. Коммерциялық тұрғыдан талий калий кендерінен емес, ауыр металл сульфид кендерін тазартудан алынатын қосалқы өнім ретінде өндіріледі. Талий өндірісінің шамамен 65%-ы электроника өнеркәсібінде, ал қалғаны фармацевтика өнеркәсібінде және шыны өндірісінде қолданылады.

Сипаттамалары

Талий атомы 81 электроннан тұрады, олар [Xe]4f145d106s26p1 электрондық конфигурациясында орналасқан; олардың ішінде алтыншы қабықтағы ең сыртқы үш электрон – валентті электрондар. Инерт жұп эффектісінің салдарынан 6s электрон жұбы релятивистік тұрғыдан тұрақтанады және оларды химиялық байланысқа қатыстыру, ауыр элементтерге қарағанда қиынырақ. Осылайша, металдық байланыс үшін қолданылатын электрон саны шектеулі, бұл жағынан талий көршілес элементтер – сынап пен қорғасынға ұқсас. Талий, оның гомологтары сияқты, жұмсақ, жоғары электр өткізгіштігіне ие металл, оның балқу температурасы 304 °C құрайды. Талий үшін зерттелетін реакцияға байланысты бірнеше стандартты электродтық потенциалдар хабарланған, бұл +3 тотығу күйінің айтарлықтай төмендеген тұрақтылығын көрсетеді: Сәйкесінше, талий(I) оксиді мен гидроксиді неғұрлым негізді, ал талий(III) оксиді мен гидроксиді неғұрлым қышқыл, бұл талийдің элементтердің төмен тотығу күйлерінде көбірек электропозитивті болуының жалпы ережесіне сәйкес екенін көрсетеді.

Изотоптар

Талийдің атомдық массасы 176-дан 216-ға дейін болатын 41 изотопы бар. 203Tl және 205Tl – жалғыз тұрақты изотоптар және табиғи талийдың көбісін құрайды. 206Tl-ден 210Tl-ге дейінгі бес қысқа ғұмырлы изотоп табиғатта кездеседі, себебі олар ауыр элементтердің табиғи ыдырау тізбектерінің құрамына кіреді. 204Tl – 3,78 жылдық жартылай ыдырау периодымен ең тұрақты радиоизотоп. Ол ядролық реакторда тұрақты талийды нейтрондық сәулелендіру арқылы жасалады. Ең пайдалы радиоизотоп – 201Tl (жартылай ыдырау периоды 73 сағат), электронды ұстау арқылы ыдырайды, ~70–80 кэВ энергиялы рентген сәулелерін және 135 және 167 кэВ энергиялы фотондарды 10% жалпы мөлшерде шығарады.

Талий (III)

Талийдің (III) қосылыстары сәйкес алюминийдің (III) қосылыстарына ұқсас. Олар орташа күшті тотықтырғыштар және әдетте тұрақсыз, бұл Tl3+/Tl жұбының оң тотығу-тотендеу потенциалымен дәлелденеді. Кейбір аралас валентті қосылыстар да белгілі, мысалы, Tl4O3 және TlCl2, олар талийдің (I) және талийдің (III) түрлерін қамтиды. Талий (III) оксиді, Tl2O3, 800 °C-тан жоғары температурада ыдырайтын қара түсті қатты зат, нәтижесінде талий (I) оксиді мен оттек пайда болады. Трихалидтер көбірек тұрақты, бірақ олар жеңіл 13-топ элементтерінің трихалидтерінен химиялық тұрғыдан ерекшеленеді және бүкіл топтағы ең тұрақсыз қосылыстар болып табылады. Мысалы, талий (III) фториді, TlF3, жеңіл 13-топ трифторидтеріне қарағанда β-BiF3 құрылымын қабылдайды және сулы ерітіндіде күрделі анионды түзбейді. Трихлорид және трибромид бөлме температурасынан сәл жоғарыда диспропорцияланып монохалидтерге айналады, ал талий трийодиді сызықты трийодид анионын (I3-) қамтиды және іс жүзінде талийдің (I) қосылысы болып табылады. Талий (III) сескихалькогенидтері болмайды.

Талий (I)

Талий(I) галоидтары тұрақты. Тл+ катионының үлкен мөлшеріне сәйкес, хлорид пен бромид цезий хлориді құрылымын, ал фторид пен йодид бұрмаланған натрий хлориді құрылымдарын қалыптастырады. Күміс қосылыстары сияқты, TlCl, TlBr және TlI жарыққа сезімтал және суда нашар ериді. Талий(I) қосылыстарының тұрақтылығы, оның топтың қалған элементтерінен өзгеше екенін көрсетеді: тұрақты оксид, гидроксид және карбонат белгілі, сондай-ақ көптеген халькогенидтер де бар. Екі тұздың қатты құрылымында талийдің гидроксил орталықты үшбұрыштары қайта-қайта кездесетіні анықталды. Металл-органикалық қосылыс – талий этиоксиді (TlOEt, TlOC2H5) – ауыр сұйықтық (ρ 3,49, балқу нүктесі −3 °C) және органикалық және металл-органикалық химияда талийдің негізгі және ерігіш көзі ретінде жиі қолданылады.

Органоталлий қосылыстары

Органоталлий қосылыстары 13-топқа қарай жылу тұрақтылығының төмендеуімен сәйкес, жылу тұрақсыз болады. Tl–C байланысының химиялық реактивтілігі де топтағы ең төменгі деңгейде, әсіресе R2TlX типіндегі иондық қосылыстар үшін. Талий сулы ерітіндіде тұрақты [Tl(CH3)2]+ ионын құрайды; Hg(CH3)2 және [Pb(CH3)2]2+ изоэлектронды қосылыстар сияқты, ол сызықтық. Триметилталий және триэтилталий, сәйкес галлий және индий қосылыстары сияқты, төмен балқу температурасы бар, жанғыш сұйықтықтар. Индий сияқты, талий циклопентадиенил қосылыстарында талий(I) болады, ал галлий(III) емес.

Тарих

Талий (гр. θαλλός, thallos, яғни "жасыл сабақ немесе бұтақ") Уильям Крукс және Клод Огюст Лами екеуі де тәуелсіз жұмыс істеп, жалын спектроскопиясын қолдану арқылы ашқан (Крукс өзінің жарияланымдарын алғаш 1861 жылдың 30 наурызында жасаған). Талийдің атауы грекше "талос" – "жасыл бұтақ" деген мағынаны білдіретін сөзден шыққан, ол талийдің жарқын жасыл спектральдық эмиссиялық сызықтарымен байланысты. Роберт Бунсен мен Густав Кирхгоф жалын спектроскопиясының жақсартылған әдісін жариялағаннан кейін, сондай-ақ 1859-1860 жылдары цезий мен рубидийдің ашылуынан соң, жалын спектроскопиясы минералдар мен химиялық өнімдердің құрамын анықтау үшін қабылданған әдіс болды. Крукс пен Лами екеуі де осы жаңа әдісті қолдана бастады. Крукс оны Гарц тауларындағы Тилкероде маңындағы күкірт қышқылы зауытының қорғасын камерасында жиналған селен қосылыстарындағы теллурды спектроскопиялық тұрғыдан анықтау үшін пайдаланды. Ол селен цианидін зерттеу үшін үлгілерді Аугуст Хофманнан бірнеше жыл бұрын алған еді. 1862 жылға қарай Крукс жаңа элементтің шағын мөлшерін бөліп алып, бірнеше қосылыстың қасиеттерін анықтауға қол жеткізді. Клод Огюст Лами пириттен күкірт қышқылын өндіру кезінде пайда болған селенді қамтитын заттың құрамын анықтау үшін Крукске ұқсас спектрометрді қолданды. Ол спектрдегі жаңа жасыл сызықты байқап, жаңа элементтің бар екенін түйіндеді. Лами бұл материалды өзінің досы Фредерик Кульманның күкірт қышқылы зауытынан алған, және ол көп мөлшерде қолжетімді болды. Лами осы көзден жаңа элементті оқшаулауға кірісті. Лами талийдің жеткілікті мөлшерін өңдей білгендіктен, ол бірнеше қосылыстың қасиеттерін анықтай алды, сонымен қатар талий тұздарының электролизі арқылы алынған талийді қайта балқыту арқылы жасалған металл талийдің кішкентай құймасын дайындады. Екі ғалым да талийді тәуелсіз түрде ашқандықтан және жұмыстың көп бөлігін, әсіресе металл талийді оқшаулауды Лами жасағандықтан, Крукс өзінің жұмысына басымдық беруге тырысты. Лами 1862 жылғы Лондон халықаралық көрмесінде медальмен марапатталды: талийдің жаңа және мол көзін ашқаны үшін. Ал Крукс, қатты наразылықтардан кейін, талийды ашқаны үшін де медаль алды. Екі ғалым арасындағы дау 1862 және 1863 жылдары жалғасты. Талқылаудың көп бөлігі Крукс 1863 жылдың маусымында Корольдік қоғамның мүшесі болып сайланғаннан кейін аяқталды. Талийдің негізгі қолданысы – кеміргіштерге қарсы у ретінде пайдалану болды. Бірнеше апаттардан кейін, 1972 жылдың ақпанында АҚШ президентінің 11643 нөмірімен жазылған жарлығымен у ретінде қолдануға тыйым салынды. Кейінгі жылдары көптеген елдер де оны қолдануға тыйым салды.

Өрлеу және өндіріс

Жер қыртысындағы талийдің концентрациясы 0,7 мг/кг шамасында деп есептеледі, көбінесе балшықтарда, топырақтарда және граниттерде кездесетін калийге негізделген минералдармен байланысты. Талийдің практикалық мақсаттар үшін негізгі көзі – мыс, қорғасын, мырыш және басқа ауыр металл сульфидтері рудаларында табиғатта кездесетін шамалы мөлшері. Талий крооксит TlCu7Se4, хатчинсонит TlPbAs5S9 және лорандит TlAsS2 минералдарында табылады. Талий темір пиритінде іздік элемент ретінде де кездеседі, ал талий күкірт қышқылын өндіру үшін осы минералды қуыру нәтижесінде туындайтын қосымша өнім ретінде алынады. Талийді қорғасын мен мырыш кендерін балқыту арқылы да қолға түсіруге болады. Мұхит түбінде табылған марганец түйіндерінде де талий бар. Сонымен қатар, табиғатта 16%-дан 60%-ға дейін талий қамтитын, негізінен антимон, мырыш, мыс, қорғасын және күміс қосылған сульфидтер немесе селенидтер кешендері түрінде кездесетін бірнеше талий минералдары бар. Бұл минералдар сирек кездеседі және талийдің көзі ретінде коммерциялық маңызы жоқ. АҚШ Геологиялық қызметі (USGS) талийдің жылдық әлемдік өндірісі мыс, мырыш және қорғасын кендерін балқытудан алынған 10 тоннаға жетеді деп бағалайды.

Тарихи қолданысы

Дәмсіз және иісі жоқ таллий сульфаты бұрын кеңінен егеуқырларды және құмырсқаларды жою үшін қолданылатын. 1972 жылдан бері АҚШ-та қауіпсіздік алаңдауларына байланысты осы мақсатта қолдануға тыйым салынды.

Оптика

Талий(I) бромиді және талий(I) йодиді кристалдары инфрақызыл оптикалық материалдар ретінде қолданылған, себебі олар басқа кең таралған инфрақызыл оптикалардан мықтырақ және олар айтарлықтай ұзын толқын ұзындықтарында сәуле өткізеді. KRS 5 саудалық атауы осы материалды білдіреді. Талий(I) оксиді жоғары сыну көрсеткішіне ие шыны жасауға пайдаланылған. Талий күкірт немесе селен және мырышпен (арсеникпен) қосылғанда, 125 және 150 °C аралығында төмен балқу температурасы бар жоғары тығыздықты шыны өндірісінде қолданылады. Бұл шынылар бөлме температурасында әдеттегі шыныларға ұқсас қасиеттерге ие, берік, суда ерімейді және ерекше сыну көрсеткіштерімен сипатталады.

Электроника

Талий(I) сульфидінің электр өткізгіштігі инфрақызыл сәулеге ұшырағанда өзгереді, осы қосылысты фоторезисторларда қолдануға мүмкіндік береді. Талий селениді инфрақызыл сәулені анықтау үшін болметрлерде пайдаланылған. Селен жартылай өткізгіштерін талиймен қоспалау олардың қасиеттерін жақсартады, сондықтан ол селен түзеткіштерінде аздаған мөлшерде қолданылады. Ерітілген оттегі анализаторларындағы кейбір электродтарда талий кездеседі. 120 К-ден жоғары өтпел температурасы бар талий купраты суперөткізгіштері ашылған. Қоршаған ортадағы қысымда сынап қоспасы бар талий купраты суперөткізгіштерінің өтпел температурасы 130 К-ден жоғары, бұл әлемдік рекордты ұстап тұрған сынап купраттарымен шамалас.

Ядролық медицина

Техноций-99m ядролық медицинада кеңінен қолданылғанға дейін, 73 сағаттық жартылай ыдырау периоды бар таллий-201 радиоактивті изотопы ядролық кардиография үшін негізгі зат болды. Бұл нуклид коронарлық артерия ауруы (КАА) бар пациенттердегі тәуекелді бағалау үшін стресс-тесттерде әлі де қолданылады. Таллийдің бұл изотопын тасымалдамалы генератор арқылы алуға болады, ол техноций-99m генераторына ұқсас. Генераторда 9,33 сағат жартылай ыдырау периоды бар қорғасын-201 бар, ол электронды тұтқындау арқылы таллий-201-ге ыдырайды. Қорғасын-201 циклотронда таллийді протондармен немесе дейтерондармен (p,3n) және (d,4n) реакциялары арқылы бомбалау арқылы өндірілуі мүмкін.

Таллийге қарсы стресс сынағы

Талий стресс-тесті – сцинтиграфияның бір түрі, онда тіндердегі талий мөлшері тіндердің қанмен қамтамасыз етілу деңгейімен байланысты. Көрерлік жүрек жасушаларында қалыпты Na+/K+ ион алмасу сорғылары болады. Tl+ катионы K+ сорғыларымен байланысып, жасушаларға тасымалданады. Дене шынықтыру немесе дипиридамол денедегі артериялардың кеңеюін (вазодилатациясын) тудырады. Бұл артериялардың ең жоғары кеңейген аймақтарында коронарлық ұрлыққа (coronary steal) әкеледі. Инфаркт немесе ишемиялық тіндердің аймақтары "суық" болып қалады. Стресс алдындағы және кейінгі талий, миокардты қайтақан қанмен қамтамасыз етуге қажетті аймақтарды анықтауға көмектеседі. Таралу (redistribution) коронарлық ұрлықтың болуын және ишемиялық коронарлық артерия ауруының бар екенін көрсетеді.

Басқа қолданыстар

Сынаппен таллий қорытпасы, 8,5% таллиймен эвтектика құрайтын, -60 °C температурада қатаяды, бұл сынаптың қату температурасынан 20 °C төмен. Бұл қорытпа термометрлерде және төмен температурадағы коммутаторларда қолданылады. Таллий магний теңіз суы батареяларының анодтық пластиналарындағы қорытпаның құрамдас бөлігі болып табылады. Талий(I) форматы (Tl(HCO2)) және талий(I) малонаты (Tl(C3H3O4)) тең мөлшердегі ерітіндісі суда Клеричи ерітіндісі деп аталады. Бұл жылдам қозғалатын, иіссіз сұйықтық, талий тұздарының концентрациясы төмендегенде сары түстен түссізге өзгереді. 20 °C температурадағы тығыздығы 4,25 г/см³ болатын Клеричи ерітіндісі белгілі ең ауыр сулы ерітінділердің бірі. Ол 20-шы ғасырда минералдардың тығыздығын флотация әдісімен өлшеу үшін қолданылған, бірақ ерітіндінің жоғары уы және коррозиялық қасиеттеріне байланысты қолдануы тоқтатылды. Талий йодиді металл галоидты шамдарда, көбінесе басқа металдардың бір немесе екі галоидімен бірге қоспа ретінде жиі қолданылады. Ол шамның температурасын және түс беруін оңтайландыруға, сондай-ақ спектрлік шығысты жасыл аймаққа жылжытуға мүмкіндік береді, бұл су астындағы жарықтандыру үшін пайдалы.

Уыттылық

Талий және оның қосылыстары өте улы, талиймен уланудың көптеген өліммен аяқталған жағдайлары тіркелген. Еңбек қауіпсіздігі және денсаулық сақтау басқармасы (OSHA) жұмыс орнында талийға қатысты рұқсат етілген шекті мөлшерді (жол берілетін экспозиция деңгейі) 8 сағаттық жұмыс күні ішінде теріге 0,1 мг/м2 мөлшерінде белгіледі. Ұлттық еңбек қауіпсіздігі және еңбекті қорғау институты (NIOSH) да 8 сағаттық жұмыс күніне арналған ұсынылатын экспозиция деңгейін (REL) теріге 0,1 мг/м2 деп белгіледі. 15 мг/м2 деңгейінде талий адам өміріне және денсаулығына дереу қауіпті. Терімен тікелей жанасу қауіпті, сондықтан осы металлды балқыту кезінде жеткілікті желдету жүргізу қажет. Талий(I) қосылыстары суда жақсы ериді және тері арқылы оңай сіңіріледі, сондықтан осы жолмен әсер етуден сақтану керек, себебі тері арқылы сіңу мөлшері рұқсат етілген экспозиция деңгейінде (PEL) ингаляция арқылы алынған дозадан асып кетуі мүмкін. Ингаляция арқылы әсер ету 8 сағаттық орташа салмақтық көрсеткіште (40 сағаттық жұмыс аптасы) 0,1 мг/м2 аспауы тиіс. Ауруларды бақылау және алдын алу орталықтары (CDC) былай мәлімдейді: "Талий канцероген ретінде жіктелмейді және оның канцерогендік қасиеттері күдік тудырмайды. Талийға созылмалы немесе қайталамалы әсер етудің репродуктивті токсикалық немесе даму токсикалық қауіпті күшейтетіні белгісіз. Талийды ингаляция арқылы ұзақ уақыт бойы жоғары концентрацияда жұтыру жүйке жүйесінің бұзылуына, мысалы, саусақтар мен аяқ саусақтарының сезімталдығының төмендеуіне әкелуі мүмкін." Бұрын талий қосылыстары тышқандарға қарсы у ретінде кеңінен қолданылып келді. Оның суда ерігіштігі және дерлік дәмсіздігі салдарынан жазатайым оқиғалар немесе қылмыстық ниетпен улану жиі кездесетін. Науқасқа тәулігіне 20 грамға дейін пруссия көгі беріледі, ол асқазан-ішек трактісі арқылы өтіп, нәжіспен шығарылады. Талийді қан сарысуынан шығару үшін гемодиализ және гемоперфузия да қолданылады. Емдеудің кейінгі кезеңдерінде талийді тіндерден шығару үшін қосымша калий қолданылады. АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің (EPA) мәліметінше, талийдің жасанды түрде туындаған ластану көздеріне цемент зауыттары, көмірмен жұмыс істейтін электр станциялары және металл кәріздерінен шығатын газдар жатады. Судағы талийдің жоғары концентрациясының басты себебі – кен байыту операцияларынан талийдың сіңуі.