Tl · Элемент 81 · Постпереходный металл
Бесцветный, безвкусный и смертельный — таллий был элементом отравителей, пока методы обнаружения не догнали его.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение таллий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 170 pm — это 0,17 нм, поэтому около 2,94 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Таллий находится в жидком состоянии в диапазоне 1169 K — от 577 K до 1746 K.
История
Бесцветный, безвкусный и смертельный — таллий был элементом отравителей, пока методы обнаружения не догнали его.
История открытия таллия напоминает детектив, действие которого началось в марте 1861 года в Королевском химическом колледже в Лондоне. Сэр Уильям Крукс, выдающийся химик и физик, исследовал остатки производства серной кислоты, когда сделал наблюдение, навсегда изменившее химию.
С помощью недавно изобретённого спектроскопа — прибора, разделяющего свет на составляющие цвета, — Крукс исследовал образцы из рудника Тилькероде в горах Гарца в Германии. Нагревая образец в пламени спектроскопа, он заметил нечто необычное: яркую зелёную линию на 535 нанометрах, которую прежде никто не видел.
«Красота этой зелёной линии, — позднее писал Крукс, — была настолько поразительной, что сразу привлекла моё внимание». Эта единственная зелёная линия была отпечатком совершенно неизвестного элемента.
Крукс назвал новый «таллий» по греческому слову «thallos», означающему «зелёный побег» или «зелёная ветвь», в честь характерной зелёной спектральной линии, выявившей его присутствие. Это название прекрасно отражало самое характерное свойство элемента — ярко-зелёный цвет пламени.
Интересно, что сначала Крукс считал, будто открыл новый металл, похожий на свинец, и не подозревал, что обнаружил один из самых токсичных элементов на Земле.
Всего через несколько месяцев после открытия Крукса Клод-Огюст Лами во Франции независимо обнаружил таллий с помощью аналогичных спектроскопических методов. Это привело к недолгому научному спору о приоритете, однако в конечном итоге открытие признали заслугой обоих учёных.
Лами фактически первым выделил металлический таллий в 1862 году, получив достаточно чистого металла для изучения его свойств. Он обнаружил, что металл удивительно мягок — мягче свинца, — и отметил его высокую плотность. Ни один из учёных поначалу не понимал, что работает с одним из самых опасных элементов природы.
Первые исследователи столкнулись со значительными трудностями при изучении таллия. Элемент оказалось сложно выделить в чистом виде, а его соединения демонстрировали загадочное химическое поведение — иногда проявляли свойства щелочных металлов, а иногда — тяжёлых металлов.
Дмитрий Менделеев поначалу испытывал трудности с размещением таллия в своей периодической таблице, поскольку его свойства не вписывались точно в существующие закономерности. Казалось, элемент соединяет щелочные и тяжёлые металлы; теперь мы понимаем, что это обусловлено релятивистскими эффектами, влияющими на его электроны.
Истинная природа токсичности таллия была обнаружена лишь в 1890-х годах, когда несколько исследователей столкнулись с загадочными заболеваниями после работы с элементом. Выпадение волос, повреждение нервов и желудочно-кишечные расстройства преследовали первых исследователей таллия.
Самый трагический случай произошёл с ассистентом доктора Марии Кюри, который в 1904 году получил тяжёлое отравление таллием при попытке очистить соединения таллия. Этот случай привёл к созданию первых правил безопасности при работе с таллием, хотя до полного понимания его чрезвычайной токсичности оставались десятилетия.
К 1920-м годам репутация таллия полностью изменилась: от «прекрасного зелёного элемента Крукса» он превратился в «яд отравителей», получив такие прозвища, как «порошок наследства», из-за использования в преступных отравлениях.
Сегодня Крукса помнят не только как первооткрывателя таллия, но и как одного из основоположников спектроскопического анализа в химии. Его работа с таллием продемонстрировала возможности спектроскопии в обнаружении скрытых элементов — метода, с помощью которого впоследствии были открыты гелий, цезий, рубидий и многие другие элементы.
Открытие таллия также способствовало пониманию строения атома и релятивистских эффектов в тяжёлых атомах, сделав его важным элементом теоретической химии, несмотря на ограниченное практическое применение.
Применение
Уникальные электронные свойства таллия делают его ценным в специализированных полупроводниках. Кристаллы бромида-иодида таллия (TlBr-TlI) используются в инфракрасных детекторах и гамма-спектрометрах. В отличие от многих альтернатив, требующих охлаждения, эти детекторы работают при комнатной температуре, что делает их идеальными для переносного оборудования радиационного контроля, используемого службами ядерной безопасности.
Кристаллы иодида натрия, легированного таллием, служат сцинтилляторами в медицинском оборудовании для визуализации, с исключительно высокой эффективностью преобразуя гамма-лучи в видимый свет. Добавление таллия значительно повышает светоотдачу по сравнению с чистым иодидом натрия.
Окна из бромоиодида таллия (KRS-5) являются важными компонентами инфракрасной спектроскопии. Эти кристаллы пропускают инфракрасное излучение в диапазоне от 0.5 до 40 микрометров, что делает их незаменимыми для ИК-Фурье-спектроскопии, экологического мониторинга и химического анализа. Несмотря на токсичность, для многих применений подходящей замены не существует.
Таллиевое стекло с высоким показателем преломления используется в специализированных оптических компонентах, где требуются чрезвычайно сильные свойства преломления света, хотя соображения безопасности ограничили его широкое применение.
В исследованиях сверхпроводимости соединения оксида таллия, бария, кальция и меди удерживают рекорды высокотемпературной сверхпроводимости. Tl-2223 (Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀) сохраняет сверхпроводимость при температурах до 125 K (-148°C), что делает его ценным для исследований сверхпроводников, работающих при комнатной температуре.
Радиоизотоп таллий-201 получают в циклотронах для ядерной медицины, особенно для визуализации сердца. Его период полураспада, составляющий 72 часа, и свойства гамма-излучения делают его идеальным для нагрузочных тестов и визуализации сердечной мышцы.
Исторически соединения таллия использовались как родентициды и инсектициды из-за их чрезвычайной токсичности. Сульфат таллия продавался под названием «Zellio» и другими торговыми названиями, пока многочисленные случаи отравления не привели к запретам в большинстве стран в 1970-х годах.
Когда-то таллий добавляли в оптическое стекло для увеличения показателя преломления, но соображения безопасности положили конец этой практике. Некоторые старые объективы фотоаппаратов всё ещё содержат таллиевое стекло, поэтому при ремонте требуется осторожность.
Любое применение таллия требует чрезвычайно строгих мер безопасности. Даже микроскопические количества могут вызвать тяжёлое отравление. Современное применение ограничено специализированными задачами, где альтернативы отсутствуют и возможно строгое изолирование.
Сканирование сердца с таллием-201 остаётся золотым стандартом выявления ишемической болезни сердца. Пациенту вводят небольшое количество Tl-201, который накапливается в здоровой сердечной мышце. Участки с плохим кровотоком выглядят как «холодные зоны» на снимках гамма-камеры, помогая врачам обнаруживать закупорки до возникновения сердечного приступа.
Детекторы излучения с кристаллами, активированными таллием, используются в ядерной безопасности, экологическом мониторинге и космических исследованиях. Эти детекторы способны идентифицировать конкретные радиоактивные материалы, что делает их крайне важными для предотвращения ядерного терроризма и контроля безопасности реакторов.
Инфракрасные окна из соединений таллия необходимы для приборов анализа газов, применяемых при мониторинге загрязнения, контроле промышленных процессов и исследовании атмосферы.
С 1920 по 1970 год сульфат таллия широко использовался как «крысиный яд» под такими названиями, как Zellio, Ratox и Thall-rat. Его эффективность была обусловлена отсутствием цвета, запаха и вкуса — теми же свойствами, которые делали его опасным для людей. Случайные отравления и преступное использование привели к всемирным запретам.
Как ни удивительно, в начале 1900-х годов таллий когда-то использовали для лечения стригущего лишая и других грибковых инфекций. Лечение вызывало выпадение волос (что до сих пор наблюдается в некоторых исследованиях химиотерапии), но часто приводило к тяжёлому отравлению. К 1930-м годам от этой практики отказались, поскольку появились более безопасные альтернативы.
Теперь таллий строго регулируется во всём мире. В США Агентство по охране окружающей среды относит его к чрезвычайно опасным веществам. Большинство стран запрещает его продажу частным лицам. Даже научным учреждениям требуются специальные лицензии и протоколы утилизации.
Оставшиеся области применения ограничены:
⚠️ Предупреждение для населения: Никогда не пытайтесь приобрести или взять в руки соединения таллия. Даже прикосновение к загрязнённым поверхностям может вызвать тяжёлое отравление. Если вы подозреваете воздействие таллия, немедленно обратитесь за медицинской помощью.
Откуда он происходит
0,85 мг/кг земной коры · более распространён, чем 50% элементов
Таллий — один из редчайших стабильных элементов в земной коре; его средняя распространённость составляет всего 0.7 частей на миллион. В природе он не встречается в виде чистого металла из-за высокой реакционной способности и не образует собственных крупных рудных минералов.
Вместо этого таллий встречается как примесь в сульфидных минералах, особенно:
Казахстан производит около 60% мировых запасов таллия, главным образом как побочный продукт выплавки цинка на Балхашском комплексе. Таллий извлекают из пылеуноса и остатков в процессе очистки цинка.
Китай — второй по величине производитель; он извлекает таллий из свинцово-цинковых руд в провинциях Юньнань и Хунань. Производство в Китае значительно выросло из-за увеличения спроса на применение в электронике.
Меньшие количества производятся в:
Таллий концентрируется в месторождениях угля; в некоторых видах угля его содержание достигает 15 ppm. Сжигание угля выбрасывает таллий в атмосферу, превращая его в глобальный загрязнитель окружающей среды. Поэтому уровень таллия в окружающей среде повысился после промышленной революции.
Вулканическая активность естественным образом выбрасывает соединения таллия в атмосферу. В некоторых вулканических районах отмечается повышенное содержание таллия в почве и грунтовых водах, хотя обычно оно всё ещё находится на следовом уровне.
В морской среде концентрации таллия чрезвычайно низки (около 10–15 нанограммов на литр), однако некоторые глубоководные организмы способны биоконцентрировать его, что вызывает опасения относительно безопасности морепродуктов в загрязнённых районах.
Большая часть товарного таллия получается из пылеуноса, собираемого при выплавке цинковых, свинцовых и медных руд. Пыль перерабатывают с помощью сложных гидрометаллургических процедур для извлечения и очистки соединений таллия.
Процесс включает:
Из-за чрезвычайной токсичности вся переработка выполняется в герметичных системах с обширными протоколами безопасности и сооружениями для обработки отходов.
Чтобы оценить редкость таллия: в земной коре его примерно в три раза меньше, чем золота. Ежегодное мировое производство составляет всего около 10–15 тонн по сравнению с тысячами тонн для большинства промышленных металлов. Эта исключительная редкость в сочетании с токсичностью поддерживает высокие цены и ограничивает применение.
Обращение
Таллий — один из самых токсичных элементов, известных науке. Даже микроскопическое воздействие может вызвать тяжёлое отравление и смерть.
Смертельная доза: всего 0.5–1.0 грамма может убить взрослого человека. Для сравнения, это примерно масса канцелярской скрепки. Дети ещё более восприимчивы: смертельная доза может составлять всего 8–10 мг/кг массы тела.
Пути проникновения: соединения таллия быстро всасываются через кожу, лёгкие и пищеварительную систему. Даже кратковременный контакт с загрязнёнными поверхностями может вызвать отравление.
Симптомы появляются медленно: в отличие от многих ядов, отравление таллием развивается в течение нескольких дней или недель, что затрудняет раннее обнаружение. Первоначальные симптомы напоминают грипп или пищевое отравление.
Ранние симптомы (1–3 дня): тошнота, рвота, диарея, боль в животе, усталость. Часто ошибочно диагностируется как гастроэнтерит.
Прогрессирующие симптомы (1–2 недели): полное выпадение волос (алопеция), периферическая нейропатия, вызывающая сильную боль и онемение кистей и стоп, спутанность сознания, проблемы с памятью.
Тяжёлое отравление: дыхательная недостаточность, сердечные аритмии, почечная недостаточность, кома, смерть. У выживших часто остаются необратимые неврологические повреждения.
Диагностический признак: полное выпадение волос является патогномоничным (характерным) признаком отравления таллием и появляется через 2–3 недели после воздействия.
При подозрении на воздействие: немедленно обратитесь за медицинской помощью. Не ждите появления симптомов. Свяжитесь с токсикологической службой: 1-800-222-1222 (США).
Дезактивация: осторожно снимите загрязнённую одежду. Мойте кожу водой с мылом не менее 15 минут. При проглатывании не вызывайте рвоту.
Медицинское лечение: берлинская лазурь (ферроцианид железа) является специфическим антидотом при отравлении таллием. Раннее введение имеет решающее значение для выживания.
Не используйте активированный уголь — он неэффективен против таллия и может задержать правильное лечение.
Индивидуальная защита: полная защита тела, включая респиратор с подачей воздуха, химически стойкие перчатки и защитную одежду. Никогда не работайте в одиночку.
Изолирование: все работы должны проводиться в изолированной зоне с отрицательным давлением и НЕРА-фильтрацией. В рабочих зонах запрещены еда, напитки и курение.
Утилизация отходов: все потенциально загрязнённые материалы необходимо рассматривать как опасные отходы. Требуются специальные протоколы утилизации, установленные природоохранными органами.
Контроль: регулярное медицинское наблюдение, включая анализ мочи для работников с возможным воздействием.
Таллий строго регулируется во всём мире. В США он включён в список чрезвычайно опасных веществ согласно RCRA. Большинство стран ограничивает продажу только лицензированным учреждениям. За несанкционированное хранение или использование предусмотрены уголовные наказания.
Краткие ответы
Таллий (символ Tl) — элемент 81 в периодической таблице, представитель семейства Постпереходный металл в 6 периоде, 13 группе. Бесцветный, безвкусный и смертельный — таллий был элементом отравителей, пока методы обнаружения не догнали его. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p¹; она включает 6 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 18, 3. На внешней оболочке находится 3 электрона, что определяет характер химических связей.Таллий плавится при 577 K (303.9 °C) и кипит при 1746 K (1472.9 °C).
Стандартная атомная масса Таллий составляет 204.38 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Таллий составляет 11.85 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Таллий примерно в 11.9× тяжелее.
Электроотрицательность Таллий по шкале Полинга составляет 1.62. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Таллий был открыт в 1861 году William Crookes. Назван в честь греческое thallos, «зелёный побег» — по его спектральной линии.
На долю Таллий приходится около 0.85 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.