Свойства, применение и технология получения таллия

 

Таблица 1. Средняя цена таллия

 

Год	Цена, $ США/кг
1960–1986	90
1987-1997	650
1997–2004	1300
2004-2012	1600

 

3 Области применения таллия

 

В течение почти половины века после  открытия Крукса таллий не находил  практического применения. Лишь в 1907г. Клеричи предложил использовать водный раствор хорошо растворимых органических солей таллия для разделения минералов по плотности. Известно, что больше половины всех минералов, в том числе все породообразующие, имеют плотность от 2 до 4 г/см³, а многие промышленно важные металлические руды (галенит, пирит, циркон, золото) – более высокую. При использовании тяжелых жидкостей для их сепарации от пустой породы специальная аппаратура не требуется, что особенно важно в полевых условиях. В геолого-минералогических исследованиях и сейчас используется жидкость Клеричи – насыщенный раствор смеси равных по массе количеств формиата HCOOTl и малоната CH₂(COOTl)₂ таллия, имеющий плотность 4,32 г/см³, которую упариванием в вакууме при 80°C можно повысить до 5,09 г/см³. Достоинствами этой жидкости являются прозрачность, хорошая текучесть, химическая инертность по отношению к разделяемым минералам, легкость приготовления и регенерации, а основным недостатком – высокая токсичность соединений таллия.

В 1920г. в Германии был запатентован родентицид (ядовитое вещество, используемое для борьбы с грызунами), содержащий сульфат таллия. Это вещество входило в состав ядов до 1965г., когда американское правительство запретило его использование вследствие чрезвычайно высокой токсичности для людей и домашних животных.

В том же 1920г. было обнаружено, что электропроводность оксисульфида таллия (таллофида) изменяется под действием инфракрасного излучения. Это свойство таллофида вскоре нашло применение в фотоэлементах, используемых в приемных устройствах систем сигнализации в темноте и тумане, инфракрасных локаторов, радиометрах, и фотоэкспонометрах для съемки в инфракрасных лучах. Во время Второй мировой войны таллофидные фотоэлементы использовались для обнаружения снайперов противника [3].

С инфракрасными (ИК) лучами связано практическое использование  и некоторых других соединений таллия: кристаллы бромида и иодида таллия прозрачны в этой области спектра. Поэтому важнейшая область применения галогенидов таллия – оптические среды. Впервые монокристаллы твердых растворов галогенидов таллия TlBr-TlJ (KPC-5) TlCl-TlBr (KPC-6) и были выращены для изготовления оптических деталей знаменитой немецкой фирмой Цейсс в 1941г., они получили фирменное название «кристаллы из расплава» (Kristalle aus Schmelzfluss). Высокое и равномерное спектральное пропускание в широком диапазоне длин волн от видимой до далекой инфракрасной областей спектра, повышенная устойчивость во влажной атмосфере, большая фотоупругость, малое поглощение лазерного излучения, акустооптическая добротность и другие свойства кристаллов KPC-5 и KPC-6 предопределили их широкое использование в оптическом приборостроении. Приборы с оптическими элементами из кристаллов галогенидов таллия предназначены для обнаружения и измерения энергии электромагнитного излучения (они установлены, например, на метеорологических спутниках для измерения теплового излучения земной атмосферы). Способность кристаллов галогенидов таллия к пластическим деформациям позволила разработать поликристаллические световоды для ИК-диапазона. Новые возможности применения открылись перед галогенидами таллия с появлением инфракрасного CO₂-лазера, оптические элементы которого сейчас изготовляются из кристаллов KPC-5 и KPC-6.

В современной технике  широко применяются приборы для  обнаружения и измерения радиоактивных  излучений – сцинтилляционные счетчики. Такой счетчик состоит из двух основных частей: люминесцентного кристалла-сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя. Когда на кристалл попадают кванты g-излучения или ионизирущие частицы, в этом месте возникает вспышка света, которая в фотоумножителе преобразуется в электрический ток, его сила служит характеристикой интенсивности падающего на кристалл излучения. В качестве материалов для сцинтиллятора наиболее широко применяются монокристаллы иодидов щелочных металлов (натрия, калия, цезия), активированные таллием. Именно примеси таллия создают в кристаллах центры люминесценции. В качестве сцинтиллятора можно использовать и монокристалл хлорида таллия, активированный йодом и бериллием. Этот сцинтиллятор отличается меньшим, чем у активированного таллием иодида натрия, световым выходом, и быстрым затуханием люминесценции, что позволяет использовать его для регистрации формы импульса радиоактивного излучения. По сходным принципам устроены и детекторы заряженных частиц, в которых для регистрации используется излучение Вавилова – Черенкова. В качестве детекторов этого излучения используются свинцовые стекла или монокристаллы хлорида таллия.

Применение элемента № 81 в оптических устройствах не ограничивается инфракрасным диапазоном. Аргоном и парами таллия заполняют  зелёные газоразрядные лампы. Таллиевые  лампы широко применяются в световых рекламах, а также для градуировки спектральных приборов. Иодид таллия вводят во ртутные газоразрядные лампы высокого давления для улучшения их световых параметров и срока службы. Соли таллия входят в состав некоторых типов зеленых сигнальных ракет [4].

Традиционной областью применения таллия является и производство полупроводников. Таллий входит в состав материалов на основе селена, из которых  изготовляют полупроводниковые  выпрямителя тока. Современные полупроводники не обязательно являются кристаллическими веществами. Известны аморфные и стеклообразные полупроводники, которые характеризуются наличием ближнего порядка в расположении атомов и отсутствием дальнего. Такая частично разупорядоченная структура приводит к тому, что вместо четкой границы запрещенной зоны, которая характерна для кристаллических полупроводников, появляются дополнительные разрешенные электронные состояния – «хвосты», размывающие границу и проникающие в глубину запрещенной зоны. Для многих аморфных полупроводников характерны эффекты быстрого переключения из низкоомного в высокоомное состояние под действием сильного электрического поля и фотопроводимости – изменения сопротивления под действием электромагнитного излучения. В состав стеклообразных полупроводников наряду с селеном, теллуром и мышьяком входит таллий (пример химического состава – TlAsSe₂). Полупроводники этого типа используются преимущественно в оптических устройствах: электрофотографии, телевизионных передающих трубках, светорегистрирующих средах для голографии, фоторезистивных материалах и фотошаблонах. Эффект быстрого переключения позволяет использовать их для создания переключателей и матриц памяти.

Практическое применение находят не только соединения таллия, но и сам металл. Таллий вводят в  состав сплавов (чаще всего на основе свинца) для придания им кислотоупорных свойств, повышения прочности и износостойкости. Сплав 70% свинца, 20% олова и 10% таллия устойчив к действию азотной и соляной кислот. В подшипниках используется сплав 72% свинца, 15% сурьмы, 5% олова и 8% таллия. В процессе их работы таллий, плавясь, образует смазку, увеличивающую срок службы подшипников. Как и сам таллий, многие его сплавы имеют низкую температуру плавления. Амальгама таллия (сплав со ртутью), содержащая 8,5% таллия затвердевает только при –59°C, поэтому ее используют в низкотемпературных термометрах, жидкостных затворах и переключателях, работающих в условиях Крайнего Севера, Антарктиды или стратосферных исследований.

Долгую историю имеет  применение таллия в медицине. С 1912г. по 1930г. соединения таллия широко использовались для терапии туберкулеза и дизентерии, но из-за их высокой токсичности и небольшой разницы между терапевтической и токсической дозами постепенно круг использования таллия ограничился удалением волос при лечении стригущего лишая – соли таллия в небольших дозах приводят к временному облысению.

В промышленности используется другой радиоизотоп таллия - β-излучатель ²⁰⁴Tl (период полураспада 3,78 года). Его применяют в контрольно-измерительной аппаратуре для слежения за толщиной различных материалов. Для этого регистрируют ослабление β-лучей, прошедших через движущуюся тканевую или бумажную ленту, которое зависит от её толщины. При изменении интенсивности излучения аппаратура корректирует технологический режим производства по принципу обратной связи. β-Лучи таллия-204 используют также для снятия заряда статического электричества с готовой бумажной, текстильной и киноплёночной продукции.

В химической промышленности оксиды и сульфиды таллия входят в  состав некоторых катализаторов синтеза органических соединений [4].

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Металлический таллий и  его соединения являются высокотоксичными веществами и требуют строгого контроля над их применением и утилизацией  отходов. Соединения таллия умеренно токсичны для растений и высоко токсичны для млекопитающих и человека. Токсичность таллия связана с нарушением баланса ионов натрия и калия. Одновалентный таллий образует прочные соединения с серосодержащими белками и подавляет активность ферментов, содержащих тиольные группы. Таллий нарушает функционирование различных ферментных систем, ингибирует их и препятствует синтезу белков, токсичность его соединений для человека выше, чем свинца и ртути.

Среднее поступление  таллия в организм человека с пищей  и водой составляет 1,6 мкг/сутки, с воздухом – 0,5 мкг/сутки. Таллий проникает даже через неповрежденную кожу, всасывается в желудочно-кишечном тракте и накапливается в селезенке и мышцах. Смертельная доза таллия в зависимости от индивидуальной чувствительности колеблется от 6 до 40 мг/кг веса. Острые и хронические отравления таллием имеют сходную клиническую картину и отличаются степенью выраженности и быстротой проявления симптомов: поражения желудочно-кишечного тракта (тошнота, боли в животе) и дыхательных путей, выпадения волос, поражения зрения и психических расстройств. При отравлении таллием часто ставятся неправильные первичные диагнозы: грипп или желудочно-кишечная инфекция [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1 Фигуровский Н.А. Открытие элементов и происхождение их названий. -М.: Наука, 1970.

2 3еликман А. Н., Меерсон Г. А. Металлургия редких металлов. - М.: Металлургия, 1973.

3  Большаков К.А. Химия и технология редких и рассеянных элементов. - М.: Металлургия, 1969.

4 Федоров П.А., Мохосоев М.В., Алексеев Ф.П. Химия галлия, индия и таллия. - Н.: Наука, 1977.