Введение

Таллий — химический элемент с символом Tl и атомным номером 81. Это серый постпереходный металл, который не встречается в природе в свободном состоянии. В изолированном виде таллий напоминает олово, но тускнеет на воздухе. Химики Уильям Крукс и Клод Огюст Лами независимо друг от друга открыли таллий в 1861 году в остатках производства серной кислоты. Оба использовали недавно разработанный метод спектроскопии пламени, при котором таллий образует заметную зелёную спектральную линию. Таллий, названный Крукс от греческого θαλλός (thallos), означающего «зелёный побег» или «веточка». Он был выделен и Лами, и Крукс в 1862 году: Лами — электролизом, а Крукс — осаждением и последующим плавлением полученного порошка. Крукс представил его в виде порошка, осаждённого цинком, на международной выставке, открывшейся 1 мая того же года. Таллий склонен образовывать степени окисления +3 и +1. Степень окисления +3 аналогична таковой у других элементов 13-й группы (бора, алюминия, галлия, индия). Однако степень окисления +1, которая значительно более выражена у таллия, чем у элементов выше него, напоминает химию щелочных металлов, и ионы таллия(I) в геологических условиях в основном содержатся в калийных рудах, а при попадании в организм переносятся и обрабатываются ионными насосами в живых клетках во многом так же, как и ионы калия (K+). В коммерческих целях таллий получают не из калийных руд, а как побочный продукт при переработке сульфидных руд цветных металлов. Около 65% производимого таллия используется в электронной промышленности, а остальное — в фармацевтической промышленности и при производстве стекла.

Характеристики

Атом таллия содержит 81 электрон, расположенный в электронной конфигурации [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s²6p¹; из них три самых внешних электрона в шестой оболочке являются валентными. Вследствие эффекта инертной пары, электронная пара 6s релятивистски стабилизирована, и их труднее вовлечь в химическую связь, чем для более тяжелых элементов. Таким образом, для металлической связи доступно небольшое количество электронов, что аналогично соседним элементам ртути и свинцу. Таллий, подобно своим аналогам, представляет собой мягкий, хорошо проводящий электричество металл с низкой температурой плавления – 304 °C. Для таллия сообщается о нескольких стандартных электродных потенциалов, зависящих от изучаемой реакции, что отражает значительно сниженную стабильность степени окисления +3. Соответственно, оксид и гидроксид таллия(I) проявляют более основные свойства, а оксид и гидроксид таллия(III) – более кислотные, что демонстрирует соответствие таллия общему правилу, согласно которому элементы более электроположительны в более низких степенях окисления.

Изотопы

Таллий имеет 41 изотоп, атомные массы которых варьируются от 176 до 216. 203Tl и 205Tl – единственные стабильные изотопы и составляют почти весь природный таллий. Пять короткоживущих изотопов, от 206Tl до 210Tl включительно, встречаются в природе, поскольку они являются частью естественных цепочек распада более тяжелых элементов. 204Tl является наиболее стабильным радиоизотопом с периодом полураспада 3,78 года. Он образуется при нейтронной активации стабильного таллия в ядерном реакторе. Наиболее полезный радиоизотоп 201Tl (период полураспада 73 часа) распадается путем захвата электрона, испуская рентгеновское излучение (~70–80 кэВ) и фотоны с энергией 135 и 167 кэВ с общей интенсивностью 10%.

Таллий (III)

Соединения таллия(III) напоминают соответствующие соединения алюминия(III). Они являются умеренно сильными окислителями и обычно нестабильны, что подтверждается положительным потенциалом восстановления для пары Tl3+/Tl. Известны также некоторые соединения со смешанной валентностью, такие как Tl4O3 и TlCl2, содержащие как таллий(I), так и таллий(III). Оксид таллия(III), Tl2O3, представляет собой черное твердое вещество, которое разлагается при температуре выше 800 °C с образованием оксида таллия(I) и кислорода. Тригалогениды более стабильны, хотя и химически отличаются от тригалогенидов более легких элементов 13-й группы и остаются наименее стабильными во всей группе. Например, фторид таллия(III), TlF3, имеет структуру β-BiF3, а не структуру трифторидов более легких элементов 13-й группы, и не образует комплексных анионов в водном растворе. Трихлорид и трибромид диспропорционируют чуть выше комнатной температуры с образованием моногалогенидов, а трийодид таллия содержит линейный трийодидный анион (I3–) и фактически является соединением таллия(I). Таллиевые(III) сескихалькогениды не существуют.

Таллий (I)

Галогениды таллия(I) стабильны. В соответствии с большим размером катиона Tl+, хлорид и бромид имеют структуру хлорида цезия, а фторид и йодид – искажённые структуры хлорида натрия. Подобно аналогичным соединениям серебра, TlCl, TlBr и TlI фоточувствительны и обладают низкой растворимостью в воде. Стабильность соединений таллия(I) демонстрирует его отличие от остальных элементов группы: известны стабильные оксид, гидроксид и карбонат, а также многие халькогениды. Было показано, что в двойной соли присутствуют гидроксильно-центрированные треугольники таллия, , которые являются повторяющимся структурным элементом во всей его твёрдой структуре. Металлоорганическое соединение этилат таллия (TlOEt, TlOC2H5) представляет собой тяжёлую жидкость (ρ 3,49, т. пл. −3 °C), часто используемую в качестве основного и растворимого источника таллия в органической и органометаллической химии.

Соединения органоталлия

Органоталлиевые соединения, как правило, термически нестабильны, что соответствует тенденции снижения термической стабильности в группе 13. Химическая реакционная способность связи Tl–C также является наименьшей в группе, особенно для ионных соединений типа R2TlX. Таллий образует стабильный катион [Tl(CH3)2]+ в водном растворе; подобно изоэлектронным Hg(CH3)2 и [Pb(CH3)2]2+, он имеет линейную геометрию. Триметилталий и триэтилталий, как и соответствующие соединения галлия и индия, являются легковоспламеняющимися жидкостями с низкой температурой плавления. Как и соединения индия, таллиевые циклопентадиенилы содержат таллий(I), в отличие от галлия(III).

История

Таллий (греч. θαλλός, thallos, что означает «зелёный побег или веточка») был открыт Уильямом Круксом и Клодом Августом Лами, работавшими независимо друг от друга, оба используя спектроскопию пламени (Крукс первым опубликовал свои результаты 30 марта 1861 года). Название происходит от ярких зелёных спектральных линий излучения таллия, производных от греческого «thallos», означающего зелёную ветвь. После публикации улучшенного метода спектроскопии пламени Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом, а также открытия цезия и рубидия в 1859–1860 годах, спектроскопия пламени стала общепринятым методом определения состава минералов и химических продуктов. Крукс и Лами начали использовать новый метод. Крукс применил его для спектроскопического анализа теллура в соединениях селена, откладывавшихся в свинцовой камере завода по производству серной кислоты близ Тилкероде в горах Гарц. Образцы для его исследований цианида селена он получил от Августа Хофмана несколько лет ранее. К 1862 году Круксу удалось выделить небольшое количество нового элемента и определить свойства нескольких соединений. Клод Огюст Лами использовал спектрометр, аналогичный прибору Крукса, для определения состава вещества, содержащего селен, которое осаждалось при производстве серной кислоты из пирита. Он также заметил новую зелёную линию в спектре и заключил о присутствии нового элемента. Этот материал Лами получил от завода серной кислоты своего друга Фредерика Кульмана, и он был доступен в больших количествах. Лами приступил к выделению нового элемента из этого источника. Тот факт, что Лами имел возможность работать с большими количествами таллия, позволил ему определить свойства нескольких соединений, а также изготовить небольшой слиток металлического таллия, который он получил путём переплавки таллия, выделенного электролизом солей таллия. Поскольку оба учёных открыли таллий независимо, а большая часть работы, особенно выделение металлического таллия, была выполнена Лами, Крукс попытался закрепить за собой приоритет в этом открытии. Лами был награждён медалью на Международной выставке в Лондоне в 1862 году «за открытие нового и обильного источника таллия», а после протестов Крукс также получил медаль «за открытие нового элемента». Споры между учёными продолжались в 1862 и 1863 годах. Большая часть дискуссии завершилась после избрания Крукса членом Королевского общества в июне 1863 года. Основным применением таллия было использование в качестве яда для грызунов. После ряда несчастных случаев его применение в качестве яда было запрещено в Соединённых Штатах президентским указом № 11643 в феврале 1972 года. В последующие годы его использование было запрещено и в других странах.

Возникновение и производство

Концентрация таллия в земной коре оценивается в 0,7 мг/кг, преимущественно в связи с калийсодержащими минералами в глинах, почвах и гранитах. Основным источником таллия для практического использования является его незначительное содержание в медных, свинцовых, цинковых и других сульфидных рудах цветных металлов. Таллий встречается в минералах кроокезит (TlCu7Se4), хатчинсонит (TlPbAs5S9) и лорандит (TlAsS2). Таллий также присутствует в качестве микроэлемента в пирите, и извлекается как побочный продукт при обжиге этого минерала для производства серной кислоты. Таллий также может быть получен при переработке свинцовых и цинковых руд. Мангановые конкреции, обнаруженные на дне океана, содержат некоторое количество таллия. Помимо этого, существует несколько других минералов таллия, содержащих от 16% до 60% таллия, которые в природе встречаются в виде комплексов сульфидов или селенидов, содержащих в основном сурьму, мышьяк, медь, свинец и серебро. Эти минералы редки и не представляют коммерческой ценности как источники таллия. Геологическая служба США (USGS) оценивает ежегодное мировое производство таллия в 10 метрических тонн как побочный продукт переработки медных, цинковых и свинцовых руд.

Историческое использование

Без запаха и вкуса сульфат таллия ранее широко применялся как крысиный яд и средство для уничтожения муравьев. С 1972 года его использование было запрещено в Соединенных Штатах из-за соображений безопасности.

Оптическая

В качестве инфракрасных оптических материалов использовались кристаллы бромида таллия(I) и иодида таллия(I), поскольку они тверже других распространенных инфракрасных материалов и обладают пропусканием на значительно больших длинах волн. Торговое название KRS-5 относится к этому материалу. Оксид таллия(I) использовался для производства стекол с высоким показателем преломления. В сочетании с серой или селеном и мышьяком таллий применялся в производстве высокоплотных стекол с низкой температурой плавления в диапазоне 125–150 °C. Эти стекла обладают свойствами, близкими к свойствам обычных стекол при комнатной температуре, долговечны, нерастворимы в воде и имеют уникальные показатели преломления.

Электроника

Электропроводность сульфида таллия(I) изменяется под воздействием инфракрасного света, что делает это соединение полезным в фоторезисторах. Селенид таллия использовался в болометрах для регистрации инфракрасного излучения. Легирование селеновых полупроводников таллием улучшает их характеристики, поэтому он используется в следовых количествах в селеновых выпрямителях. Некоторые электроды в анализаторах растворенного кислорода содержат таллий. Были открыты сверхпроводники на основе таллиевого купрата с температурой перехода выше 120 К. Некоторые сверхпроводники таллиевого купрата, легированные ртутью, имеют температуру перехода выше 130 К при атмосферном давлении, почти такую же высокую, как у купратов ртути, являющихся мировыми рекордсменами.

Ядерная медицина

До широкого применения технеция-99m в ядерной медицине, радиоактивный изотоп таллия-201, с периодом полураспада 73 часа, был основным веществом для ядерной кардиографии. Этот нуклид до сих пор используется для проведения стресс-тестов для оценки риска у пациентов с ишемической болезнью сердца (ИБС). Этот изотоп таллия может быть получен с помощью переносного генератора, аналогичного генератору технеция-99m. Генератор содержит свинец-201 (период полураспада 9,33 часа), который распадается посредством захвата электрона с образованием таллия-201. Свинец-201 может быть произведен в циклотроне путем бомбардировки таллия протонами или дейтронами посредством реакций (p,3n) и (d,4n).

Стрессовое испытание на таллий

Стресс-тест с таллием – это вид сцинтиграфии, в котором количество таллия в тканях коррелирует с кровоснабжением этих тканей. Жизнеспособные кардиомиоциты обладают нормальными Na+/K+ ионными насосами. Катион Tl+ связывается с K+ насосами и транспортируется внутрь клеток. Физическая нагрузка или дипиридамол вызывают расширение (вазодилатацию) артерий в организме. Это приводит к феномену "коронарного воровства" в областях, где артерии максимально расширены. Области инфаркта или ишемизированной ткани останутся "холодными". Оценка перфузии миокарда таллием до и после нагрузки может выявить участки, которым показана реваскуляризация миокарда. Перераспределение таллия указывает на наличие коронарного воровства и ишемической болезни коронарных артерий.

Другие применения

Сообщается, что сплав ртути и таллия, образующий эвтектику при содержании 8,5% таллия, замерзает при −60 °C, что примерно на 20 °C ниже температуры замерзания ртути. Этот сплав используется в термометрах и низкотемпературных выключателях. Таллий входит в состав сплава анодных пластин магниевых морских батарей. Насыщенный раствор, состоящий из равных частей формиата таллия(I) (Tl(HCO2)) и малоната таллия(I) (Tl(C3H3O4)) в воде, известен как раствор Клеричи. Это подвижная, не имеющая запаха жидкость, которая меняет цвет от желтоватого до бесцветного при уменьшении концентрации солей таллия. Обладая плотностью 4,25 г/см³ при 20 °C, раствор Клеричи является одним из самых плотных известных водных растворов. В XX веке он применялся для измерения плотности минералов методом флотации, однако его использование было прекращено из-за высокой токсичности и коррозионной активности раствора. Йодид таллия часто используется в качестве добавки в металлогалогенных лампах, как правило, вместе с одним или двумя галогенидами других металлов. Он позволяет оптимизировать температуру лампы и цветопередачу, а также смещает спектральный выход в зеленую область, что полезно для подводного освещения.

Токсичность

Таллий и его соединения чрезвычайно токсичны, и зафиксировано множество случаев смертельного отравления таллием. Управление по охране труда и гигиене труда (OSHA) установило предельно допустимую концентрацию (ПДК) воздействия таллия на рабочем месте – 0,1 мг/м² при контакте с кожей в течение восьмичасового рабочего дня. Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) также установил рекомендуемый предел воздействия (REL) в размере 0,1 мг/м² при контакте с кожей в течение восьмичасового рабочего дня. При концентрации 15 мг/м² таллий представляет непосредственную опасность для жизни и здоровья. Контакт с кожей опасен, и при плавлении этого металла необходима достаточная вентиляция. Соединения таллия(I) обладают высокой растворимостью в воде и легко всасываются через кожу, поэтому следует избегать этого пути воздействия, поскольку абсорбция через кожу может превышать дозу, получаемую при вдыхании при ПДК. Воздействие при вдыхании не должно превышать 0,1 мг/м² в среднем за восемь часов (40-часовая рабочая неделя). Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) заявляют: «Таллий не классифицируется как канцероген и не подозревается в канцерогенности. Неизвестно, увеличивает ли хроническое или повторное воздействие таллия риск репродуктивной или тератогенной токсичности. Сообщается, что хроническое воздействие высоких концентраций таллия при вдыхании вызывает неврологические эффекты, такие как онемение пальцев рук и ног». Долгое время соединения таллия были легко доступны в качестве крысиного яда. Этот факт, а также его растворимость в воде и практически отсутствие вкуса приводили к частым отравлениям, вызванным случайностью или преступным умыслом. Пациенту назначают прием внутрь до 20 граммов прусского синего в день, которое проходит через пищеварительную систему и выводится с фекалиями. Гемодиализ и гемоперфузия также используются для удаления таллия из сыворотки крови. На более поздних стадиях лечения дополнительно вводят калий для мобилизации таллия из тканей. По данным Агентства по охране окружающей среды США (EPA), искусственные источники загрязнения таллием включают газообразные выбросы цементных заводов, угольных электростанций и металлургических предприятий. Основным источником повышенных концентраций таллия в воде является выщелачивание таллия при переработке руды.