Таллий

Таллий — это химический элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы III группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 81. Обозначается символом Tl (от лат. Thallium). Простое вещество таллий — мягкий, легкоплавкий металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком, обладающий высокой токсичностью. Относится к группе тяжёлых металлов.

История открытия

Таллий был открыт в 1861 году английским химиком и физиком сэром Уильямом Круксом. Используя метод спектрального анализа, он исследовал остатки, образующиеся при производстве серной кислоты из пирита на одном из заводов в Тироле. В спектре Крукс обнаружил яркую зелёную линию, не совпадающую с линиями известных элементов. По этой характерной зелёной окраске пламени (от греч. θαλλός — «зелёная ветвь», «росток») новый элемент и получил своё название.

Почти одновременно с Круксом, в 1862 году, французский химик Клод-Огюст Лами независимо выделил таллий в чистом виде и подробно описал его физические и химические свойства, доказав, что это металл.

Нахождение в природе

Таллий относится к рассеянным элементам. Его содержание в земной коре оценивается в 0,7—1 мг/кг (0,7—1·10⁻⁴ %). В природе встречается в виде изоморфных примесей в минералах других металлов, так как его ионный радиус близок к радиусам калия, рубидия, цезия и серебра.

Собственные минералы таллия редки. К ним относятся:

• Лорандит (TlAsS₂) — один из наиболее известных;
• Гутчинсонит (PbTlAs₂S₅);
• Крукесит (Cu₇TlSe₄);
• Врбаит (Tl₄Hg₃Sb₂As₈S₂₀).

Основные промышленные источники таллия — это колчеданные руды, полиметаллические сульфидные руды, а также руды, содержащие уран. Значительные количества таллия извлекаются попутно при переработке свинцово-цинковых и медных концентратов, а также при производстве серной кислоты.

Физические свойства

Таллий — мягкий, пластичный металл серебристо-белого цвета с голубоватым отливом. Его основные физические характеристики:

• Атомная масса: 204,38 а. е. м.
• Температура плавления: 304 °C.
• Температура кипения: 1473 °C.
• Плотность: 11,85 г/см³ (при 20 °C).
• Твёрдость по шкале Мооса: 1,2 (очень мягкий, режется ножом).
• Электропроводность: низкая по сравнению с другими металлами.

На воздухе таллий быстро окисляется, покрываясь тёмной плёнкой оксида. Свежий срез имеет металлический блеск, который быстро тускнеет.

Химические свойства

Таллий проявляет степени окисления +1 и +3. Соединения таллия(I) более устойчивы и напоминают соединения щелочных металлов (калия, рубидия), а также серебра. Соединения таллия(III) являются сильными окислителями и менее стабильны.

Основные химические реакции:

• С кислородом: при комнатной температуре образуется оксид таллия(I) (Tl₂O), при нагревании — оксид таллия(III) (Tl₂O₃).
• С галогенами: реагирует энергично, образуя галогениды (например, TlCl, TlBr, TlI).
• С водой: реагирует медленно, растворяясь с образованием гидроксида таллия(I) (TlOH) — сильного основания.
• С кислотами: легко растворяется в азотной и серной кислотах, медленнее — в соляной (из-за образования малорастворимого хлорида таллия).
• С щелочами: не реагирует.

Получение

Таллий получают попутно при переработке руд цветных металлов, в основном свинца, цинка и меди. Технологический процесс включает несколько стадий:

1. Концентрирование: таллий накапливается в пылях, шламах и возгонах при обжиге и плавке руд.
2. Выщелачивание: полученные концентраты обрабатывают кислотами (серной или соляной) для перевода таллия в раствор.
3. Очистка: из растворов таллий осаждают в виде хлорида, йодида или сульфида, либо извлекают методами цементации (например, цинком) или экстракции.
4. Восстановление: из очищенных соединений металлический таллий получают электролизом или восстановлением цинком.

Мировое производство таллия невелико и составляет порядка 10 тонн в год. Крупнейшими производителями являются Китай, Казахстан и Россия.

Применение

Несмотря на высокую токсичность, таллий и его соединения находят применение в ряде областей:

Электроника и оптика

• Инфракрасная оптика: кристаллы бромида и йодида таллия (KRS-5) используются для изготовления линз, призм и окон, прозрачных в широком диапазоне инфракрасного излучения.
• Сцинтилляционные детекторы: йодид таллия, активированный натрием (NaI(Tl)), является одним из самых распространённых материалов для регистрации гамма-излучения и рентгеновских лучей.
• Полупроводники: соединения таллия (теллуриды, селениды) применяются в некоторых полупроводниковых приборах, термоэлектрических генераторах и фотоэлементах.

Медицина (историческое и ограниченное)

• Радиоактивный изотоп таллий-201 (²⁰¹Tl) ранее применялся в ядерной медицине для диагностики ишемической болезни сердца (сцинтиграфия миокарда). В настоящее время его использование в значительной степени вытеснено более современными препаратами (например, на основе технеция-99m).
• Соли таллия (например, сульфат таллия) в прошлом использовались как депиляторы (средства для удаления волос) при лечении стригущего лишая, однако из-за высокой токсичности от этой практики отказались.

Прочие области

• Сплавы: таллий добавляют к некоторым сплавам (например, со свинцом, оловом, кадмием) для придания им особых свойств — низкой температуры плавления, устойчивости к коррозии, повышенной твёрдости.
• Химическая промышленность: соли таллия используются в качестве катализаторов в некоторых органических синтезах (например, в производстве анилина).
• Стекольная промышленность: оксид таллия(I) применяется для производства стекла с высоким показателем преломления (тяжёлый флинтглас).

Токсичность и биологическая роль

Таллий и все его соединения чрезвычайно токсичны. Он относится к I классу опасности (чрезвычайно опасные вещества). Токсичность таллия обусловлена его способностью замещать калий в биохимических процессах, нарушая работу ферментов, нервной системы, сердечно-сосудистой системы и желудочно-кишечного тракта.

Симптомы отравления:

• Острое отравление: тошнота, рвота, диарея, боли в животе, судороги, поражение нервной системы (полиневрит), выпадение волос (алопеция), поражение почек и печени. Смертельная доза для человека составляет около 1 г.
• Хроническое отравление: слабость, утомляемость, потеря аппетита, выпадение волос, нарушение зрения, поражение периферических нервов.

Биологическая роль: таллий не является жизненно важным элементом для человека и животных. Он не выполняет никаких известных биологических функций.

Меры безопасности: работа с таллием и его соединениями требует строгого соблюдения мер предосторожности, использования средств индивидуальной защиты (респираторы, перчатки, защитные очки) и работы в хорошо вентилируемых помещениях.

Интересные факты

• Таллий получил известность благодаря своему использованию в качестве яда в детективной литературе (например, в романе Агаты Кристи «Бледный конь») и в реальных криминальных делах. Отсутствие вкуса и запаха делало его «идеальным» орудием убийства.
• В 1990-х годах таллий был использован для отравления нескольких человек в ходе громких политических и экономических разбирательств (например, дело о покушении на российского предпринимателя).
• Из-за высокой токсичности и возможности использования в качестве отравляющего вещества, оборот таллия и его соединений во многих странах, в том числе в России, строго контролируется и лицензируется.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4 (Пол-Три).
• Популярная библиотека химических элементов. Книга вторая. — М.: Наука, 1983.
• Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — Т. 1.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия, 1994.
• Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I—IV групп: Справочное издание / Под ред. В. А. Филова. — Л.: Химия, 1988.
• Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. — М.: Мир, 1972. — Т. 2.