(лат. Thallium, символ Tl) элемент 13-й (IIIa) группы периодической системы, атомный номер 81, относительная атомная масса 204,38. Природный таллий состоит из двух стабильных изотопов: 203 Tl (29,524 ат.%) и 205 Tl (70,476 ат.%), а всего известно 35 изотопов с массовыми числами от 176 до 210. В химических соединениях таллий проявляет степени окисления +1 и +3, в природе встречается в основном в степени окисления +1, трехвалентный таллий распространен гораздо меньше.
В начале 1850-х молодой английский химик Уильям Крукс (William Crookes, 18321919) занимался проблемами выделения селена из пыли, которую улавливали на сернокислотном производстве в Тилькероде (Северная Германия). Он предполагал, что в отходах, остававшихся после извлечения селена, есть теллур, но, проведя химический анализ, не смог его обнаружить. Тем не менее, Крукс решил сохранить изученные образцы в своей лаборатории. В 1861 у Крукса появилась возможность проводить спектральный анализ и в марте того же года он решил воспользоваться спектроскопом, чтобы установить, содержится ли в отходах теллур. Внеся отходы в пламя горелки, Крукс с изумлением обнаружил ярко-зеленую быстроисчезающую линию. Повторив опыт несколько раз и исследовав спектры элементов, которые содержались в образцах (сурьмы, мышьяка, осмия, селена и теллура) он убедился, что зеленая линия принадлежит неизвестному элементу. Из остававшихся у него небольших количеств отходов Крукс смог даже выделить очень незначительное количество обнаруженного элемента, который он предложил назвать таллием от греческого слова qall óV , означающего «молодая зеленая ветвь».
Примерно в то же время, что и Крукс, новый элемент независимо обнаружил французский химик Клод Лями (Claude Auguste Lamy, 18001884), изучая шлам сернокислотного производства в Лоосе. Присутствие в образцах таллия было зафиксировано им также с помощью спектроскопа. Располагая большими количествами шлама, Лями удалось выделить 14 грамм таллия и подробно описать его свойства. Лями показал, что таллий является металлом, а не аналогом селена, как полагал Крукс (статья Крукса называлась О существовании нового элемента, принадлежащего к группе серы ).Сообщение Лями появилось в 1862 на несколько месяцев позже, чем у первооткрывателя (30 марта 1861).
Таллий в природе. Кларк таллия в земной коре составляет около 7·10 5 %, что более чем в 100 раз превышает содержание золота и в 10 раз серебра. В отличие от них, таллий является рассеянным элементом собственные минералы таллия встречаются очень редко, однако он входит в состав большого количества других минералов в качестве изоморфной примеси, замещая медь, серебро и мышьяк в сульфидных рудах, а калий, рубидий и, реже, другие щелочные металлы в алюмосиликатах и хлоридах.
Возможность изоморфного замещения обеспечивается близостью радиуса иона одновалентного таллия (1,49Å) и ионных радиусов калия (1,33Å) и рубидия (1,49Å). В первые годы после открытия таллия изоморфизм его галогенидов и галогенидов калия и рубидия привел к тому, что таллий считали щелочным металлом. Вследствие равенства ионных радиусов таллия и рубидия хлорид таллия часто кристаллизуется совместно с хлоридом рубидия, поэтому таллий является обычным спутником рубидия в соляных месторождениях и минеральных водах. Таллий часто обнаруживается в лейците KAlSi 2 O 6 , ортоклазе KAlSi 3 O 8 . В лепидолите K 2 Li 1,5 Al 1,5 2 и циннвальдите KLiFeAl 2 содержание таллия составляет 10 3 10 1 %. Относительно высокое содержание таллия 10 2 % обнаружено в поллуците (Cs, Na).
В состав различных сульфидных минералов таллий чаще всего входит в концентрациях порядка 10 3 %. Таллий был найден во многих месторождениях цинковой обманки (сфалерита), галенита (свинцового блеска). В гидротермальных колчеданных, полиметаллических и свинцово-цинковых рудах может превышать 0,1%. Особенно благоприятны для накопления таллия низкотемпературные гидротермальные марказитовые и пиритовые месторождения. Именно в них в незначительном количестве обнаруживаются собственные минералы таллия. Крукесит Cu 15 Tl 2 Se 9 найден в 1860-х в Швеции и назван в честь первооткрывателя таллия. Позднее крукесит обнаружен в Башкирии и на Урале; врбаит Tl(As, Sb) 3 S 5 , лорандит TlAsS 2 и хатчинсонит (Cu, Ag, Tl)PbAs 4 S 8 присутствуют в некоторых мышьяковистых рудах. В 1956 в Узбекистане был найден новый минерал таллия авиценнит, представляющий собой оксид трёхвалентного таллия Tl 2 O 3 .
В почвах среднее содержание таллия составляет 10 5 %, в морской воде 10 9 %, в организмах животных 4·10 5 %. Многие живые организмы: свекла, виноград, дуб, бук, морские животные и растения способны накапливать таллий из окружающей среды. С этим связано повышенное содержание таллия в золе каменных углей 10 3 10 2 %.
Мировые ресурсы таллия, содержащиеся в цинковых месторождениях, по данным United States Geological Surveys на конец 2004 составляют 17 тысяч тонн, большинство из них расположено в Канаде, Европе и США. Кроме того, запасы таллия в мировых ресурсах угля 630 тысяч тонн.
Производство и рынок. Промышленное производство таллия началось только в 1920-х и сейчас источником таллия являются сульфидные металлические руды. При обогащении таких руд таллий переходит в медные, цинковые и, особенно, свинцовые, концентраты. Таллий способен изоморфно входить в состав как сульфидных руд, так и силикатных минералов, поэтому степень извлечения таллия в концентраты колеблется от 10 до 80%, часть таллия всегда остается в пустой силикатной породе. Содержание таллия в обогащенных продуктах составляет около 10 3 %, поэтому такие концентраты не могут служить непосредственным сырьем для его промышленного получения. Источником таллия являются отходы медного цинкового, свинцового и сернокислотного производства колошниковая пыль, образующаяся при обжиге сульфидных руд, и шлаки, собираемые при выплавке металлов.
В связи с тем, что таллий из перерабатываемых продуктов извлекается обычно в комплексе с рядом других элементов, действующие схемы комплексной переработки металлических руд включают в себя большое количество пиро- и гидрометаллургических операций, являются достаточно сложными и постоянно видоизменяются на предприятиях в зависимости от изменения состава перерабатываемого сырья.
Для получения богатых таллием концентратов пользуются методом возгонки. Таллий может улетучиваться при обжиге как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере. Это дает возможность сочетать получение обогащённых таллием возгонов с процессами извлечения других ценных элементов. Особенно высокое обогащение таллием получается при применении хлорирующего обжига с добавкой хлористого натрия или сильвинита. Равновесие обменной реакции 2NaCl + Tl 2 SO 4 = 2TlCl + Na 2 SO 4 сдвинуто в сторону образования хлорида таллия, который при температуре свыше 600° C обладает хорошей летучестью и почти полностью возгоняется. При окислительном обжиге концентратов, кроме хлорида, возгоняется оксид таллия Tl 2 O и механически захватывается потоком газа пылевидные частицы сульфата, сульфида и силиката таллия. В пыли и возгонах, получаемых при восстановительных процессах, часть таллия может находиться в виде металла.
Следующей стадией выделения таллия является цикличное выщелачивание возгонов водой, которое нужно проводить при нагревании, так как растворимость таллия сильно зависит от температуры. Иногда вместо водного выщелачивания применяют выщелачивание слабыми содовыми растворами. Это предотвращает переход в раствор хлоридов других металлов, например кадмия. Если основная часть таллия присутствует в виде труднорастворимых соединений, то применяется выщелачивание разбавленной серной кислотой.
Из водных растворов от выщелачивания таллий по разным технологическим схемам выделяют в виде хлорида, сульфида, иодида, хромата, гидроксида трёхвалентного таллия или в виде металлического таллия цементацией осаждением цинковой пылью или амальгамой.
При осаждении таллия в виде сульфида (горячим раствором сульфида натрия) достигается полное извлечение металла из раствора, но этот способ осаждения не является селективным, так как все металлы-спутники таллия также образуют нерастворимые сульфиды, поэтому этот способ применяют только к растворам с низким содержанием примесей. Сульфидный таллиевый концентрат выщелачивают раствором сульфата цинка, при этом в раствор переходит сульфат таллия: Tl 2 S + ZnSO 4 = Tl 2 SO 4 + ZnS. Из полученного раствора металлический таллий выделяют цементацией.
Сейчас время для очистки таллия используют экстракцию из сульфатсодержащих растворов раствором иода в смеси 50% трибутилфосфата и 50% керосина. После этого таллий экстрагируют из органической фазы серной кислотой (300г/л) с добавкой перекиси водорода.
Окончательное выделение таллия из очищенных растворов чаще всего производится путем цементации на цинковых пластинах, при этом получается губчатый металл, который прессуют в брикеты и переплавляют под слоем щелочи при температуре 350400° C. Реже для получения таллия используют электролиз растворов сульфата таллия на алюминиевом катоде. Получаемый этими способами технический таллий содержит 0,05% процента примесей: свинца, меди, кадмия, цинка и железа. Для получения металла высокой чистоты проводят электролитическое рафинирование с растворимым анодом из чернового таллия и катодом из очищенного таллия, электролитами служат соли таллия: сульфат или перхлорат. Таким путем получают таллий с суммарным содержанием примесей меньше 10 4 %. Наиболее чистый металл (99,9999%), который требуется для полупроводниковой техники, получают очисткой кристаллофизическими методами: зонной плавкой или методом Чохральского. Мировая добыча таллия практически не изменяется со временем (начиная с 1990) и составляет 15 тонн в год. Поставщиками таллия на мировой рынок являются Бельгия, Канада, Франция, Германия, Россия, Великобритания. Изменения стоимости металлического таллия с течением времени могут служить иллюстрацией зависимости цены продукта от потребительского спроса: c 1950-х в структуре потребления таллия происходили сдвиги, связанные с появлением новых областей использования элемента № 81 и его соединений. В соответствии с этим, увеличивалась и цена металлического таллия (Табл. 1).
| Таблица 1. СРЕДНЯЯ ЦЕНА ТАЛЛИЯ . | |
| Год | Цена, $ США/кг |
| 1960–1980 | 20 |
| 1981 | 90 |
| 1986 | 90 |
| 1987 | 130 |
| 1988 | 180 |
| 1991 | 620 |
| 1992 | 750 |
| 1994 | 950 |
| 1997–2004 | 1300 |
Фигуровский Н.А. Открытие элементов и происхождение их названий
. М., Наука, 1970
Химия и технология редких и рассеянных элементов
, т. 1. Под. ред. К.А.Большакова. М., 1976
Федоров П.А., Мохосоев М.В., Алексеев Ф.П. Химия галлия, индия и таллия
. Новосибирск, Наука, 1977
Популярная библиотека химических элементов
. М., Наука, 1983
U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries
, January 2005
Найти "ТАЛЛИЙ " на
Физико-химические свойства таллия и его соединений
Таллий представляет собой серебристо—белый мягкий металл, который был открыт спектроскопическим методом в 1861 г. W.Grookes и независимо от него A.. Lamy в 1862 г. по характерной зеленой пинии в спектре (tallos - зеленая почка). Химические свойства таллия определяются его принадлежностью к побочной группе a-переходных металлов III группы элементов таблицы Менделеева.
Атомный вес таллия 204,39, атомный номер 81, плотность 11,85 г/см°. Температура плавления 303 С, температура кипения 1460°С. Упругость паров таллия при температуре 825°С - 1, при 983 С - 10, при 1040°С - 20. при 1457°С - 760 мм-рт. ст. В химических соединениях он выступает как одновалентный или трехвалентный металл, образуя два рода соединений - закисные и окисные. На воздухе таллий покрывается пленкой закиси; при 100°С быстро окисляется с образованием TI2O и Tl2O3. С хлором, бромом и йодом реагирует при комнатной температуре. При взаимодействии со спиртами образует алкоголяты. Легко растворяется в HNO3, Существуют соли и одно- и трехвалентного таллия (В.К. Григорович, 1970). Таллий является редким рассеянным элементом. Характер распределения его в природе определяется близостью по химическим свойствам и размерам ионных радиусов к щелочным металлам, а также к калькофильным элементам.
Промышленное значение как источники сырья для получения таллия имеют товарные концентраты сульфидов (сфалерит, галенит, пирит и марксцит). Таллий не извлекается непосредственно из руд и концентратов, содержащих его в количествах не выше тысячных долей процента. Сырьем для промышленного его получения служат отходы и полупродукты производства цветных металлов. Содержание таллия в этих материалах колеблется в значительных пределах (от сотых допей процента до целых) и зависит не только от содержания таппия в исходном сырье, но и от характера производства и принятой технологии получения основного металла. Таким образом, извлечение таллия связано с комплексной переработкой сырья и осуществляется попутно с получением других металлов. При низкой концентрации таллия в перерабатываемом cырье технология его производства на первой стадии сводится обычно к получению концентрата таппия, который затем перерабатывается на технический металл или его сопи.
В Советском Союзе производство таллия организовано на ряде свинцовых и цинковых заводов (Т.И. Дарвойд с соавт., 1968).
Окислы таллия
Известны 3 соединения таллия с кислородом: закись - Tl2O, охись - Tlg2O3 и перекись -Tl2O3 (мало изучена).Таблица 1
Захись и окись таллия при повышенных температурах возгоняются. Окись в воде не растворяется, при нагревании диссоциирует; закись легко растворяется в воде с образованием сильной щелочи - Tl(OH), с этиловым спиртом образует алкоголят (C2H5)TlO.
ТlO взаимодействует с Si02, разъедая стекло и фарфор. Гидроокись — Тl(OН)3 - осаждается щелочами из растворов солей трехвалентного таллия, в воде она не растворяется и медленно растворяется в минеральных кислотах.
Соли таллия
Галоидные соединения. Таллий образует с хлором, бромом и йодом одновалентные и трехвалентные соединения, но применяются пока в основном одновалентные.Таблица 2
Характерными свойствами этих соединений являются низкая растворимость в воде, значительная упругость паров, повышенная светочувствительность.
Галоидные соли таллия обычно получают осаждением из водных растворов его солей. В качестве осадите лей используют галоидные соли калия и натрия. Сухой хлорид таллия представляет собой порошок белого цвета, бромид имеет светло-желтый, а йодид ярко-желтый цвет; плавленый же хлорид таллия бесцветен, а бромид и йодид окрашены в те же цвета, что и порошки.
Галоидные соли таллия мало растворимы в спирте, ацетоне и бензине; кислоты (азотная и серная) растворяют галоидные соли, особенно при нагревании, с частичным разложением их.
Сульфат таллия. TI2SO4-белое кристаллическое вещество, растворимое в воде (при 20 С-48,7 г/л), с сульфитами других металлов образует двойные соли, температура плавления 645°С.
Карбонат таллия - углекислый закисный таллий - TI2CO3 - кристаллический порошок белого цвета. Молекулярный вес 468,75; мало растворим в холодной воде и хорошо растворяется в кипящей.
Водный раствор имеет сильно щелочную реакцию, температура плавления 272-273°С, при плавлении образуется красно-коричневая масса, которая после охлаждения приобретает желтый цвет.
Жидкость Клеричи - муравьино-малоновокислый таллий 2Т1(НСОО) Tl2(HC-COO-COO), светло-янтарного цвета, без запаха, удельный вес 4,25 г/см, при комнатной температуре на свету легко разлагается, поэтому хранят жидкость в темной посуде. Молекулярный вес безводного препарата 1009,56 (по международным атомным весам 1961 г.).
Таллий и его соединения используются в различных областях науки и техники. Ценность этого металла определяется рядом полезных свойств, которые делают его незаменимым во многих процессах и приборах. В настоящее время существуют (Т.Н. Дарвойд с соавт., 1968) две наиболее перспективные в отношении масштабов потребления области использования таллия: производство тяжелых жидкостей и производство оптических стекол. Из наиболее часто применяемых в промышленности соединений таллия можно назвать следующие.
1. Монокристаллы КРС-5 и КРС-6 - это уникальные оптические материалы, обладают высокой прозрачностью в далекой инфракрасной области спектра, сочетающейся с влагостойкостью. Эти кристаллы широко используются в приборах инфракрасной техники, в том числе в приборах, работающих в атмосферных условиях, где применение других известных кристаллов (NaCl, Csl и др.) невозможно.
2. Закись таллия - компонент для выработки некоторых марок оптических стекол с необычными оптическими постоянными.
3. Тяжелая жидкость Клеричи — водный раствор смеси солей таллия, по сравнению с другими тяжелыми жидкостями имеет самый высокий удельный вес (4,25), большую подвижность и способность смешиваться с водой в любых пропорциях. Жид-, кость Клеричи уже несколько десятилетий широко используется при минералогических анализах и геопого-минерапогических исследованиях горных пород и руд.
4. Из всех металлических сплавов амальгама таллия (8,35% Tl) обладает самой низкой температурой затвердевания -59°С, а с небольшими добавками индия -63,3°С. Это свойство амальгамы таллия используется в низкотемпературных термометрах и для других цепей, когда требуется жидкий металл при низких температурах.
5. Монокристаллы Т1С1 - используются в качестве радиаторов спектрофотометрических счетчиков Черенкова, применяющихся для регистрации частиц высоких энергий.
6. Сульфиды, селениды и теллуриды таллия - компоненты многих сложных полупроводников (цитопроводникн, термоматериалы, стеклообразные полупроводники). Некоторые из них используются при изготовлении полупроводниковых приборов (полупроводниковые выпрямители, фотосопротивления, видиконы).
7. Ацетат и сульфат таллия - в отдельных случаях применяют в производстве отрав для грызунов (целиопаст и др.), инсектицидов и пестицидов.
8. Карбонат таллия - применяется для изготовления стекол, искусственных драгоценных камней и в пиротехнике; нитрат - в производстве светящихся красок.
В связи с тем, что работники ряда производств имеют контакт с таллием, безусловный интерес представляют вопросы биологического и токсического действия таллия и его соединений на людей.
Таллий (Tl) Гарантированное облысение
Суточная потребность организма человека точно не определена. Предполагается, что оптимальное суточное поступление таллия – около 2 мкг.
Суточное поступление таллия с питанием незначительное, однако таллий очень хорошо абсорбируется в кишечнике. Так же, как и калий, таллий в организме аккумулируется внутри клеток . Как в норме, так и при интоксикации таллием, этот элемент в основном сконцентрирован в почках (в медуллярном слое), печени, мышцах, органах эндокринной системы, щитовидной железе и в яичках. В основном таллий выводится с калом путем секреции из внутренней среды организма в кишечник. Сопровождается этот процесс конкуренцией калий/таллий. Выделение таллия через почки в целом незначительное, даже на фоне отравления.
Биологическая роль в организме человека . Таллий имеет выраженную токсичность , обусловленную нарушением ионного баланса главных катионов организма – натрия и калия.
Ион таллия склонен образовывать прочные соединения с серосодержащими лигандами и, таким образом, подавлять активность ферментов, содержащих тиогрупы. Таллий нарушает функционирование различных ферментных систем, ингибирует их, препятствуя тем самым синтезу белков .
Поскольку ионные радиусы калия и таллия близки, они имеют схожие свойства и способны замещать друг друга в ферментах . Катион таллия имеет большую по сравнению с калием способность проникать через клеточную мембрану внутрь клетки. При этом скорость проникновения таллия в 100 раз выше, чем у щелочных металлов. Это вызывает резкое смещение равновесия Na/K, что приводит к функциональным нарушениям нервной системы .
Именно тот факт, что таллий является изоморфным «микроаналогом» калия, свидетельствует о том, что токсичность его соединений для человека существенно выше, чем у свинца и ртути.
Синергисты и антагонисты таллия
. Антагонистами таллия являются вещества, содержащие серу .
Таллий подавляет усвоение железа и способен вытеснять калий из организма.
Признаки недостаточности таллия : научные данные отсутствуют.
Повышенное содержание таллия
. Таллий имеет выраженную токсичность. Летальная доза для человека – 600 мг.
Источниками отравления таллием могут служить бытовые средства: химикаты, предназначенные для борьбы с грызунами, – родентициды (сульфаты таллия).
Риск хронического отравления таллием присутствует у рабочих, занятых на таких производствах, как обжиг пирита, плавление руд (сульфидные руды, богатые калием минералы), сжигание угля, получение полупроводников, цемента, специального стекла с добавками таллия. Попадать в организм таллий может также через загрязненные пищевые продукты или с пылью.
В криминалистике описаны случаи использования солей таллия с целью убийства или самоубийства .
При остром отравлении таллием в первую очередь поражается периферическая нервная система, центральная нервная система, сердце, гладкая мускулатура, печень, почки, кожа и волосы. Таллий вызывает диффузное поражение нейронов центральной нервной системы.
Основные проявления избытка таллия : сильные боли по типу невралгии; гиперестезия в конечностях (примерно с 4–го дня после перорального поступления таллия), позже возможно наступление паралича, бессонница; истерия; расстройства зрения; спутанность сознания, тахикардия (резистентная к терапии обычными средствами); поражения потовых и сальных желез кожи; выпадение волос из–за нарушения синтеза кератина (на 10–13 день после отравления или несколько позже).
Таллий необходим : соединения таллия применяются для удаления волос при стригущем лишае – соли таллия в соответствующих дозах приводят ко временному облысению . Широкому применению солей таллия в медицине препятствует то обстоятельство, что разница между терапевтическими и токсическими дозами этих солей невелика .
Некоторые силикаты и фосфаты щелочноземельных металлов, активированные таллием, применяются в физиотерапии.
Пищевые источники таллия :
Таллий (лат. Thallium), Tl, химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 81, атомная масса 204,37; на свежем разрезе серый блестящий металл; относится к редким рассеянным элементам. В природе элемент представлен двумя стабильными изотопами 203 Tl (29,5%) и 205 Tl (70,5%) и радиоактивными изотопами 207 Tl - 210 Tl - членами радиоактивных рядов. Искусственно получены радиоактивные изотопы 202 Tl (Т ½ = 12,5 сут), 204 Tl (T ½ = 4,26 года), 206 Tl (Т ½ = 4,19 мин) и другие. Таллий открыт в 1861году У. Круксом в шламе сернокислотного производства спектроскопическим методом по характерной зеленой линии в спектре (отсюда название: от греч. thallos - молодая, зеленая ветка). В 1862 году французский химик К. О. Лами впервые выделил Таллий и установил его металлическую природу.
Распространение Таллия в природе. Среднее содержание Таллия в земной коре (кларк) 4,5·10 -5 % по массе, но благодаря крайнему рассеянию его роль в природных процессах невелика. В природе встречаются преимущественно соединения одновалентного и реже трехвалентного Таллия. Как и щелочные металлы, Таллий концентрируется в верхней части земной коры - в гранитном слое (среднее содержание 1,5·10 -4 %), в основные породах его меньше (2·10 -5 %), а в ультраосновных лишь 1·10 -6 %. Известно лишь семь минералов Таллия (например, круксит, лорандит, врбаит и другие), все они крайне редкие. Наибольшее геохимическое сходство Таллий имеет с К, Rb, Cs, а также с Pb, Ag, Cu, Bi. Таллий легко мигрирует в биосфере. Из природных вод он сорбируется углями, глинами, гидрооксидами марганца, накапливается при испарении воды (например, в озере Сиваш до 5·10 -8 г/л).
Физические свойства Таллия. Таллий мягкий металл, на воздухе легко окисляется и быстро тускнеет. Таллий при давлении 0,1 Мн/м 2 (1 кгс/см 2) и температуре ниже 233 °С имеет гексагональную плотноупакованную решетку (а=3,4496Å; с = 5,5137Å), выше 233 °С - объемноцентрированную кубическую (а = 4,841Å), при высоких давлениях 3,9 Гн/м 2 (39000 кгс/см 2) - гранецентрированную кубическую; плотность 11,85г/см 3 ; атомный радиус 1,71Å, ионные радиусы: Tl + 1,49 Å, Tl 3+ 1,05 Å; Т пл 303,6 °С; Т кип 1457 °С, удельная теплоемкость 0,130 кдж/(кг·К) при 20-100 °С; температурный коэффициент линейного расширения 28·10 -6 при 20 °С и 41,5·10 -6 при 240-280 °С; теплопроводность 38,94 вт/(м -К) . Удельное электросопротивление при 0 °С (18·10 -6 ом -см); температурный коэффициент электросопротивления 5,177·10 -3 - 3,98·10 -3 (0-100 °С). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 2,39 К. Таллий диамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость -0,249·10 -6 (30 °С).
Химические свойства Таллия. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Tl 6s 2 6р 1 ; в соединениях имеет степень окисления +1 и +3 . Таллий взаимодействует с кислородом и галогенами уже при комнатной температуре, с серой и фосфором при нагревании. Хорошо растворяется в азотной, хуже в серной кислотах, не растворяется в галогенводородных, муравьиной, щавелевой и уксусной кислотах. Не взаимодействует с растворами щелочей; свежеперегнанная вода, не содержащая кислорода, не действует на Таллий. Основные соединения с кислородом: оксид (I) Tl 2 О и оксид (III) Tl 2 О 3 . Оксид Таллия (I) и соли Tl (I) нитрат, сульфат, карбонат - растворимы; хромат, бихромат, галогениды (за исключением фторида), а также оксид Таллия (III) - малорастворимы в воде. Tl (Ш) образует большое число комплексных соединений с неорганических и органических лигандами. Галогениды Tl (Ш) хорошо растворимы в воде. Наибольшее практическое значение имеют соединения Tl (I).
Получение Таллия. В промышленного масштабах технический Таллий получают попутно при переработке сульфидных руд цветных металлов и железа. Его извлекают из полупродуктов свинцового, цинкового и медного производств. Выбор способа переработки сырья зависит от его состава. Например, для извлечения Таллия и других ценных компонентов из пылей свинцового производства проводится сульфатизация материала в кипящем слое при 300-350 °С. Полученную сульфатную массу выщелачивают водой, и из раствора экстрагируют Таллий 50%-ным раствором трибутилфосфата в керосине, содержащим иод, а затем реэкстрагируют серной кислотой (300 г/л) с добавкой 3%-ной перекиси водорода. Из реэкстрактов металл выделяют цементацией на цинковых листах. После переплавки под слоем едкого натра получают Таллий чистотой 99,99%. Для более глубокой очистки металла применяют электролитическое рафинирование и кристаллизационную очистку.
Применение Таллия. В технике Таллий применяется главным образом в виде соединений. Монокристаллы твердых растворов галогенидов TlBr - TlI и TlCl - TlBr (известные в технике как КРС-5 и КРС-6) используют для изготовления оптических деталей в приборах инфракрасной техники; кристаллы TlCl и TlCl-TlBr- в качестве радиаторов счетчиков Черенкова. Tl 2 О входит в состав некоторых оптических стекол; сульфиды, оксисульфиды, селениды, теллуриды - компоненты полупроводниковых материалов, использующихся при изготовлении фотосопротивлений, полупроводниковых выпрямителей, видиконов. Водный раствор смеси муравьино- и малоновокислого Таллия (тяжелая жидкость Клеричи) широко применяют для разделения минералов по плотности. Амальгама Таллия, затвердевающая при -59°С, применяется в низкотемпературных термометрах. Металлический Таллий используют для получения подшипниковых и легкоплавких сплавов, а также в кислородомерах для определения кислорода в воде. 204 Tl в качестве источника β-излучений применяют в радиоизотопных приборах.
Таллий в организме. Таллий постоянно присутствует в тканях растений и животных. В почвах его среднее содержание составляет 10 -5 %, в морской воде 10 -9 в организмах животных 4·10 -5 %. У млекопитающих Таллий хорошо всасывается из желудочно-кишечного тракта, накапливаясь главным образом в селезенке и мышцах. У человека ежесуточное поступление Таллия с продуктами питания и водой составляет около 1,6 мкг, с воздухом -0,05 мкг. Умеренно токсичен для растений и высоко токсичен для млекопитающих и человека.
Отравления Таллием и его соединениями возможны при их получении и практическое использовании. Таллий проникает в организм через органы дыхания, неповрежденную кожу и пищеварительный тракт. Выводится из организма в течение длительного времени, преимущественно с мочой и калом. Острые, подострые и хронические отравления имеют сходную клиническую картину, различаясь выраженностью и быстротой возникновения симптомов. В острых случаях через 1-2 суток появляются признаки поражения желудочно-кишечного тракта (тошнота, рвота, боли в животе, понос, запор) и дыхательных путей. Через 2-3 недели наблюдаются выпадение волос, явления авитаминоза (сглаживание слизистой оболочки языка, трещины в углах рта и т. д.). В тяжелых случаях могут развиться полиневриты, психические расстройства, поражения зрения и другие.
В истории открытия химических элементов немало парадоксов. Случалось, что поисками еще неизвестного элемента занимался один исследователь, а находил его другой. Иногда несколько ученых «шли параллельным курсом», и тогда после открытия (а к нему всегда кто-то приходит чуть раньше других) возникали приоритетные споры. Иногда же случалось, что новый элемент давал знать о себе вдруг, неожиданно. Именно так был открыт элемент №81 – таллий. В марте 1861 г. английский ученый Уильям Крукс исследовал пыль, которую улавливали на одном из сернокислотных производств. Крукс полагал, что эта пыль должна содержать селен и теллур – аналоги серы. Селен он нашел, а вот теллура обычными химическими методами обнаружить не смог. Тогда Крукс решил воспользоваться новым для того времени и очень чувствительным методом спектрального анализа. В спектре он неожиданно для себя обнаружил новую линию светло-зеленого цвета, которую нельзя было приписать ни одному из известных элементов. Эта яркая линия была первой «весточкой» нового элемента. Благодаря ей он был обнаружен и благодаря ей назван по-латыни thallus – «распускающаяся ветка». Спектральная линия цвета молодой листвы оказалась «визитной карточкой» таллия.
В греческом языке (а большинство названий элементов берут начало в латыни или в греческом) почти так же звучит слово, которое на русский переводится как «выскочка». Таллий действительно оказался выскочкой – его не искали, а он нашелся...
Элемент со странностями
Больше 30 лет прошло после открытия Крукса, а таллий все еще оставался одним из наименее изученных элементов. Его искали в природе и находили, но, как правило, в минимальных концентрациях. Лишь в 1896 г. русский ученый И.А. Антипов обнаружил повышенное содержание таллия в силезских марказитах.
О таллии в то время говорили как об элементе редком, рассеянном и еще – как об элементе со странностями. Почти все это справедливо и в наши дни. Только таллий не так уж редок – содержание его в земной коре 0,0003% – намного больше, чем, например, золота, серебра или ртути. Найдены и собственные минералы этого элемента – очень редкие минералы лорандит TlAsS 2 , врбаит Tl(As, Sb) 3 S 5 и другие. Но ни одно месторождение минералов таллия на Земле не представляет интереса для промышленности. Получают этот элемент при переработке различных веществ и руд – как побочный продукт. Таллий действительно оказался очень рассеян.
И странностей в его свойствах, как говорится, хоть отбавляй. С одной стороны, таллий сходен со щелочными металлами. И в то же время он чем-то похож на серебро, а чем-то на свинец и олово. Судите сами: подобно калию и натрию, таллий обычно проявляет валентность 1+, гидроокись одновалентного таллия TlOH – сильное основание, хорошо растворимое в воде. Как и щелочные металлы, таллий способен образовывать полииодиды, полисульфиды, алкоголяты... Зато слабая растворимость в воде хлорида, бромида и иодида одновалентного таллия роднит этот элемент с серебром. А по внешнему виду, плотности, твердости, температуре плавления – по всему комплексу физических свойств – таллий больше всего напоминает свинец.
И при этом он занимает место в III группе периодической системы, в одной подгруппе с галлием и индием, и свойства элементов этой подгруппы изменяются вполне закономерно.
Помимо валентности 1+, таллий может проявлять и естественную для элемента III группы валентность 34-. Как правило, соли трехвалентного таллия труднее растворить, чем аналогичные соли таллия одновалентного. Последние, кстати, изучены лучше и имеют большее практическое значение.
Но есть соединения, в состав которых входит и тот и другой таллий. Например, способны реагировать между собой галогениды одно- и трехвалентного таллия. И тогда возникают любопытные комплексные соединения, в частности Tl 1+ – . В нем одновалентный таллий выступает в качестве катиона, а трехвалентный входит в состав комплексного аниона.
Подчеркивая сочетание различных свойств в этом элементе, французский химик Дюма писал: «Не будет преувеличением, если с точки зрения общепринятой классификации металлов мы скажем, что таллий объединяет в себе противоположные свойства, которые позволяют называть его парадоксальным металлом». Далее Дюма утверждает, что среди металлов противоречивый таллий занимает такое же место, какое занимает утконос среди животных. И в то же время Дюма (а он был одним из первых исследователей элемента №81) верил, что «таллию суждено сделать эпоху в истории химии».
Эпохи таллий пока не сделал и не сделает, наверное. Но практическое применение он нашел (хотя и не сразу). Для некоторых отраслей промышленности и науки этот элемент по-настоящему важен.
Применение таллия
Таллий оставался «безработным» в течение 60 лет после открытия Крукса. Но к началу 20-х годов нашего столетия были открыты специфические свойства таллиевых препаратов, и сразу же появился спрос на них.
В 1920 г. в Германии был получен патентованный яд против грызунов, в состав которого входил сульфат таллия Tl 2 SO 4 . Это вещество без вкуса и запаха иногда входит в состав инсектицидов и зооцидов и в наши дни.
В том же 1920 г. в журнале «Physical Review» появилась статья Кейса, который обнаружил, что электропроводность одного из соединений таллия (его оксисульфида) изменяется под действием света. Вскоре были изготовлены первые фотоэлементы, рабочим телом которых было именно это вещество. Особо чувствительными они оказались к инфракрасным лучам.
Другие соединения элемента №81, в частности смешанные кристаллы бромида и иодида одновалентного таллия, хороша пропускают инфракрасные лучи. Такие кристаллы впервые получили в годы второй мировой войны. Их выращивали в платиновых тиглях при 470°C и использовали в приборах инфракрасной сигнализации, а также для обнаружения снайперов противника. Позже TlBr и TlI применяли в сцинтилляционных счетчиках для регистрации альфа- и бета-излучения...
Общеизвестно, что загар на нашей коже появляется главным образом благодаря ультрафиолетовым лучам и что эти лучи обладают к тому же бактерицидным действием. Однако, как установлено, не все лучи ультрафиолетовой части спектра одинаково эффективны. Медики выделяют излучения эритемального, или эритемного (от латинского aeritema – «покраснение»), действия – подлинные «лучи загара». И, конечно, материалы, способные преобразовывать первичное ультрафиолетовое излучение в лучи эритемального действия, очень важны для физиотерапии. Такими материалами оказались некоторые силикаты и фосфаты щелочноземельных металлов, активированные таллием.
Медицина использует и другие соединения элемента №81. Их применяют, в частности, для удаления волос при стригущем лишае – соли таллия в соответствующих дозах приводят к временному облысению. Широкому применению солей таллия в медицине препятствует то обстоятельство, что разница между терапевтическими и токсичными дозами этих солей невелика. Токсичность же таллия и его солей требует, чтобы с ними обращались внимательно и осторожно.
До сих пор, рассказывая о практической пользе таллия, мы касались лишь его соединений. Можно добавить, что карбонат таллия Tl2CO3 используют для получения стекла с большим коэффициентом преломления световых лучей. А что же сам таллий? Его тоже применяют, хотя, может быть, не так широко, как соли. Металлический таллий входит в состав некоторых сплавов, придавая им кислотостойкость, прочность, износоустойчивость. Чаще всего таллий вводят в сплавы на основе родственного ему свинца. Подшипниковый сплав – 72% Pb, 15% Sb, 5% Sn и 8% Tl превосходит лучшие оловянные подшипниковые сплавы. Сплав 70% Pb, 20% Sn и 10% Tl устойчив к действию азотной и соляной кислот.
Несколько особняком стоит сплав таллия с ртутью – амальгама таллия, содержащая примерно 8,5% элемента №81. В обычных условиях она жидкая и, в отличие от чистой ртути, остается в жидком состоянии при температуре до –60°C. Сплав используют в жидкостных затворах, переключателях, термометрах, работающих в условиях Крайнего Севера, в опытах с низкими температурами.
В химической промышленности металлический таллий, как и некоторые его соединения, используют в качестве катализатора, в частности при восстановлении нитробензола водородом.
Не остались без работы и радиоизотопы таллия. Таллий-204 (период полураспада 3,56 года) – чистый бета-излучатель. Его используют в контрольно-измерительной аппаратуре, предназначенной для измерения толщины покрытий и тонкостенных изделий. Подобными установками с радиоактивным таллием снимают заряды статического электричества с готовой продукции в бумажной и текстильной промышленности.
Думаем, что уже приведенных примеров вполне достаточно, чтобы считать безусловно доказанной полезность элемента №81. А о том, что таллий сделает эпоху в химии, мы не говорили – это все Дюма. Не Александр Дюма, правда (что при его фантазии было бы вполне объяснимо), а Жан Батист Андрэ Дюма – однофамилец писателя, вполне серьезный химик.
Но, заметим, что и химикам фантазия приносит больше пользы, чем вреда...
Еще немного истории
Французский химик Лами открыл таллий независимо от Крукса. Он обнаружил зеленую спектральную линию, исследуя шламы другого сернокислотного завода. Он же первым получил немного элементарного таллия, установил его металлическую природу и изучил некоторые свойства. Крукс опередил Лами всего на несколько месяцев.
О минералах таллия
В некоторых редких минералах – лорандите, врбаите, гутчинсоните, крукезите – содержание элемента №81 очень велико – от 16 до 80%. Жаль только, что все эти минералы очень редки. Последний минерал таллия, представляющий почти чистую окись трехвалентного таллия Tl 2 O 3 (79,52% Tl), найден в 1956 г. на территории Узбекской ССР. Этот минерал назвал авиценнитом – в честь мудреца, врача и философа Авиценны , или правильнее Абу Али ибн Сины.
Таллий в живой природе
Таллий обнаружен в растительных и животных организмах. Он содержится в табаке, корнях цикория, шпинате, древесине бука, в винограде, свекле и других растениях. Из животных больше всего таллия содержат медузы, актинии, морские звезды и другие обитатели морей. Некоторые растения аккумулируют таллий в процессе жизнедеятельности. Таллий был обнаружен в свекле, произраставшей на почве, в которой самыми тонкими аналитическими методами не удавалось обнаружить элемент №81. Позже было установлено, что даже при минимальной концентрации таллия в почве свекла способна концентрировать и накапливать его.
Не только из дымоходов
Первооткрыватель таллия нашел его в летучей пыли сернокислотного завода. Сейчас кажется естественным, что таллий, по существу, нашли в дымоходе – ведь при температуре плавки руд соединения таллия становятся летучими. В пыли, уносимой в дымоход, они конденсируются, как правило, в виде окиси и сульфата. Извлечь таллий из смеси (а, пыль – это смесь многих веществ) помогает хорошая растворимость большинства соединений одновалентного таллия. Их извлекают из пыли подкисленной горячей водой. Повышенная растворимость помогает успешно очищать таллий от многочисленных примесей. После этого получают металлический таллий. Способ получения металлического таллия зависит от того, какое его соединение было конечным продуктом предыдущей производственной стадии. Если был получен карбонат, сульфат или перхлорат таллия, то из них элемент №81 извлекают электролизом; если же был получен хлорид или оксалат, то прибегают к обычному восстановлению. Наиболее технологичен растворимый в воде сульфат таллия Tl 2 SO 4 . Он сам служит электролитом, При электролизе которого на катодах из алюминия оседает губчатый таллий. Эту губку затем прессуют, плавят и отливают в форму. Следует помнить, что таллий всегда получают попутно: попутно со свинцом, цинком, кадмием и некоторыми другими элементами. Таков удел рассеянных...
Самый легкий изотоп таллия
У элемента №81 два стабильных и 19 радиоактивных изотопов (с массовыми числами от 189 до 210). Последним в 1972 г. в Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне получен самый легкий изотоп этого элемента – таллий-189. Его получили, облучая мишень из дифторида свинца ускоренными протонами с энергией 660 МэВ с последующим разделением продуктов ядерных реакций на масс-сепараторе. Период полураспада самого легкого изотопа таллия оказался примерно таким же, как у самого тяжелого, он равен 1,4±0,4 минуты (у 210 Tl – 1,32 минуты).