Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место таллий занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 170 pm — that is 0.17 nm, so about 2941 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Таллий is liquid over a 1169 K window, from 577 K to 1746 K.
История
Colourless, tasteless and lethal — thallium was the poisoner's element until detection caught up.
История открытия таллия напоминает детектив, начавшийся 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. Когда он нагревал образец в пламени спектроскопа, то заметил нечто удивительное: яркую зелёную линию на 535 нанометрах, которую прежде никто не видел.
«Красота этой зелёной линии, — писал позднее Крукс, — была настолько необычной, что сразу привлекла моё внимание». Эта единственная зелёная линия была спектральным отпечатком совершенно неизвестного элемента.
Крукс назвал новый «таллий» от греческого слова «thallos», означающего «зелёный побег» или «зелёная ветвь», в честь характерной зелёной спектральной линии, свидетельствовавшей о его присутствии. Это название идеально отражало наиболее характерное свойство элемента — ярко-зелёный цвет пламени.
Интересно, что сначала Крукс считал, будто открыл новый металл, похожий на свинец, и не представлял, 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 краткому научному спору о приоритете, но в итоге обоим учёным приписали открытие.
Лами первым сумел выделить 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 осознавал, что работает с одним из самых опасных элементов природы.
Первые исследователи столкнулись со значительными трудностями при изучении таллия. Элемент было сложно выделить в чистом виде, а его соединения демонстрировали загадочное химическое поведение — иногда вели себя как щелочные металлы, а иногда как тяжёлые металлы.
Дмитрию Менделееву сначала было трудно определить место таллия в своей периодической таблице, поскольку его свойства не укладывались в существующие закономерности. Казалось, элемент соединяет щелочные металлы и тяжёлые металлы; теперь мы понимаем, что это связано с релятивистскими эффектами, воздействующими на его электроны.
Истинную природу токсичности таллия обнаружили только в 1890-х годах, когда несколько исследователей столкнулись с загадочными заболеваниями после работы с этим элементом. Выпадение волос, повреждение нервов и желудочно-кишечные расстройства преследовали первых исследователей таллия.
Самый трагический случай произошёл с ассистентом доктора Марии Кюри, который получил тяжёлое отравление таллием в 1904 году при попытке очистить соединения таллия. Этот случай привёл к появлению 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 пионера спектроскопического анализа в химии. Его работа с таллием продемонстрировала способность спектроскопии выявлять скрытые элементы — метод, с помощью которого позднее были открыты гелий, цезий, рубидий и многие другие элементы.
Открытие таллия также способствовало пониманию строения атома и релятивистских эффектов в тяжёлых атомах, что сделало его важным элементом теоретической химии, несмотря на ограниченное практическое применение.
Применение
Уникальные электронные свойства таллия делают его ценным компонентом специализированных полупроводников. Кристаллы бромида-иодида таллия (TlBr-TlI) применяются 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 органами ядерной безопасности.
Кристаллы иодида натрия, легированного таллием, служат сцинтилляторами в медицинском оборудовании для визуализации, с исключительно высокой эффективностью преобразуя гамма-излучение в видимый свет. Добавление таллия значительно повышает светоотдачу по сравнению с чистым иодидом натрия.
Окна из бромоиодида таллия (KRS-5) — важные компоненты инфракрасной спектроскопии. Эти кристаллы пропускают инфракрасное излучение 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.
Таллийсодержащее стекло с высоким показателем преломления используется в специализированных оптических компонентах, где требуются исключительные свойства преломления света, хотя опасения по поводу безопасности ограничили его широкое применение.
В исследованиях сверхпроводимости соединения оксида таллия, бария, кальция и меди обладают рекордными показателями 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 проб 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 запрету в большинстве стран к 1970-м годам.
Ранее таллий добавляли в оптическое стекло для увеличения показателя преломления, но из-за проблем с безопасностью от этой практики отказались. Некоторые старые объективы фотоаппаратов всё ещё содержат таллийсодержащее стекло, поэтому при ремонте требуется осторожность.
Все области применения таллия требуют чрезвычайно строгих мер безопасности. Даже микроскопические количества могут вызвать тяжёлое отравление. Современное применение ограничено специализированными областями, где не существует альтернатив и возможно строгое изолирование.
Исследования сердца с таллием-201 остаются золотым стандартом выявления ишемической болезни сердца. Пациентам 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 выявлять закупорки до возникновения инфаркта.
Детекторы излучения с кристаллами, активированными таллием, применяются в ядерной безопасности, экологическом мониторинге и космических исследованиях. Эти детекторы могут идентифицировать конкретные радиоактивные материалы, поэтому они крайне важны для предотвращения ядерного терроризма и контроля безопасности реакторов.
Инфракрасные окна из соединений таллия необходимы для приборов анализа газов, используемых при контроле загрязнения, управлении промышленными процессами и исследовании атмосферы.
С 1920 по 1970 год сульфат таллия широко применялся как «крысиный яд» под такими названиями, как Zellio, Ratox и Thall-rat. Его эффективность была связана с отсутствием цвета, запаха и вкуса — именно эти свойства делали его опасным для людей. Случайные отравления и преступное использование привели к всемирному запрету.
Трудно поверить, но в начале 1900-х годов таллий применяли для лечения стригущего лишая и других грибковых инфекций. Лечение вызывало выпадение волос, которое 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.
В настоящее время таллий строго регулируется во всём мире. В США он контролируется Агентством по охране окружающей среды как чрезвычайно опасное вещество. Большинство стран запрещает его продажу частным лицам. Даже исследовательским учреждениям требуются специальные лицензии и протоколы утилизации.
Немногочисленные сохранившиеся 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. При подозрении на воздействие таллия немедленно обратитесь за медицинской помощью.
Откуда он берётся
0.85 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 50% of elements
Таллий — один из редчайших стабильных элементов в земной коре; его средняя распространённость составляет всего 0.7 частей на миллион. В природе он никогда не встречается как чистый металл из-за высокой реакционной способности и не образует собственных крупных рудных минералов.
Вместо этого таллий присутствует как примесный компонент в сульфидных минералах, особенно в следующих:
Казахстан производит около 60% мировых поставок таллия, главным образом как побочный продукт выплавки цинка на Балхашском комплексе. Таллий извлекают из пылеуноса и остатков при очистке цинка.
Китай — второй по величине производитель; он извлекает таллий из свинцово-цинковых руд в провинциях Юньнань и Хунань. Китайское производство значительно выросло из-за увеличения спроса на применение в электронике.
Меньшие количества производят:
Таллий концентрируется в угольных месторождениях; некоторые виды угля содержат до 15 ppm. Сжигание угля выбрасывает таллий в атмосферу, превращая его в глобальный загрязнитель окружающей среды. Поэтому содержание таллия в окружающей среде выросло после промышленной революции.
Вулканическая активность естественным образом выбрасывает соединения таллия в атмосферу. В некоторых вулканических районах содержание таллия в почве и грунтовых водах повышено, хотя обычно остаётся на следовом уровне.
В морской среде концентрации таллия чрезвычайно низки — около 10-15 нанограммов на литр, однако некоторые глубоководные организмы способны накапливать его, что вызывает опасения по поводу безопасности морепродуктов в загрязнённых районах.
Большая часть товарного таллия получается из пылеуноса, собираемого при выплавке цинковых, свинцовых и медных руд. Этот пылеунос перерабатывают с помощью сложных гидрометаллургических процедур для извлечения и очистки соединений таллия.
Процесс включает:
Из-за чрезвычайной токсичности вся переработка проводится в герметичных системах с обширными протоколами безопасности и установками обработки отходов.
Чтобы представить редкость таллия в перспективе: в земной коре он примерно в три раза встречается реже золота. Ежегодное мировое производство составляет всего около 10-15 тонн, тогда как для большинства промышленных металлов оно достигает тысяч тонн. 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 всасывания: 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, поэтому раннее выявление затруднено. Начальные симптомы напоминают грипп или пищевое отравление.
Ранние симптомы (1-3 дня): Тошнота, рвота, диарея, боль в животе, усталость. Часто ошибочно принимаются за 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 токсикологическим центром: 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 отсрочить надлежащее лечение.
Индивидуальная защита: Полная защита тела, включая изолирующий дыхательный аппарат, химически стойкие перчатки и защитную одежду. Никогда не работайте в одиночку.
Изолирование: Все работы должны выполняться в изолированной зоне с отрицательным давлением и HEPA-фильтрацией. В рабочих зонах запрещены еда, напитки и курение.
Утилизация отходов: Все потенциально загрязнённые материалы необходимо считать опасными отходами. Требуются специальные протоколы утилизации, установленные природоохранными органами.
Мониторинг: Регулярное медицинское наблюдение, включая анализ мочи для работников с возможным воздействием.
Таллий строго регулируется во всём мире. В США он включён в перечень чрезвычайно опасных веществ согласно RCRA. Большинство стран разрешает продажу только лицензированным учреждениям. За несанкционированное хранение или использование предусмотрены уголовные наказания.
Краткие ответы
Таллий (symbol Tl) is element 81 on the periodic table, a постпереходный металл in period 6, group 13. Colourless, tasteless and lethal — thallium was the poisoner's element until detection caught up. At room temperature it is a solid.
[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p¹, giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 18, 3 electrons respectively. Its outer shell holds 3 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Таллий melts at 577 K (303.9 °C) and boils at 1746 K (1472.9 °C).
The standard atomic weight of Таллий is 204.38 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Таллий has a density of 11.85 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of таллий is about 11.9× heavier.
Таллий has a Pauling electronegativity of 1.62. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Таллий was discovered in 1861 by William Crookes. It is named after greek thallos, "green shoot" — its spectral line.
Таллий makes up about 0.85 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.