Thallium: Element Eigenschaften und Verwendungen

Einführung in Thallium

Thallium ist ein selten vorkommendes und hochgiftiges Element mit einer Ordnungszahl von 81 und dem Symbol Tl. Obwohl es in der Erdkruste mit einer relativen Häufigkeit von etwa 0,7 Teilen pro Million relativ selten vorkommt, hat es aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften in spezialisierten industriellen Anwendungen breite Verwendung gefunden. Seine Dichte von 11,85 g/cm³ und sein relativ niedriger Schmelzpunkt von 304 °C machen es für niedrigschmelzende Legierungen, Speziallinsen und Elektronik nützlich.

Entdeckung und Benennung

Der britische Wissenschaftler William Crookes entdeckte Thallium im Jahr 1861 bei der Analyse von Schwefelsäureablagerungen von Eisenkies. Bei der Flammenspektroskopie bemerkte Crookes eine grüne Spektrallinie und reinigte daraufhin das neue Element. Das neue Element erhielt den Namen "Thallium" in Anlehnung an das griechische Wort "thallos", das "grüner Trieb" oder "Zweig" bedeutet, da es bei der Betrachtung unter dem Spektroskop eine grüne Emissionslinie aufweist.

Die moderne Spektralanalyse ermöglichte es Crookes, Thallium zu identifizieren, bevor es durch chemische Prozesse aufgetrennt wurde. Dies ist ein Beweis für die Wirksamkeit der Spektroskopie bei der Entdeckung von Elementen, ein Verfahren, das in der modernen analytischen Chemie noch immer alltäglich ist.

Chemische Eigenschaften Beschreibung

Thallium existiert auch in den Oxidationsstufen +1 und +3, die beide bei +1 stabilisiert sind. Seine Chemie ähnelt der der Alkalimetalle, und seine +3-Verbindungen verhalten sich ähnlich wie die von Aluminium und Indium. Die wichtigsten chemischen Eigenschaften sind:

-Verbrennung von Wasserstoff zu Thallium(I)-oxid (Tl₂O) und Thallium(III)-oxid (Tl₂O₃).

-Halogenidbildung, z. B. Thallium(I)-chlorid (TlCl) und Thallium(III)-bromid (TlBr₃).

-Geringes elektrochemisches Potenzial, das in bestimmten elektronischen Geräten verwendet wird.

Diese chemischen Eigenschaften haben dazu geführt, dass Thallium Nischenanwendungen in der Elektronik, Optik und bei fortschrittlichen Materialien gefunden hat.

Physikalische Eigenschaften Datentabelle

Weitere Informationen finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Produktion und Aufbereitungstechniken

Thallium wird nicht als solches abgebaut. Es wird als Nebenprodukt bei der Verhüttung von Zink-, Blei- und Kupfersulfiderzen sowie von selenhaltigen Erzen wie Crookesit (Cu₇(Tl,Ag)Se₄) und Lorandit (TlAsS₂) gewonnen.

Herstellungsverfahren:

1. Anreicherung des Erzes: Zur Aufkonzentrierung der thalliumhaltigen Mineralien werden Flotations- und Schwerkrafttrennverfahren eingesetzt.

2. Chemische Abtrennung: Die Konzentrate werden mit Salzsäure oder Schwefelsäure behandelt, um die Thalliumverbindungen zu extrahieren.

3. Reduktion: Die Reduktion von Thallium zu Metall erfolgt mit Reduktionsmitteln wie Natrium oder Zink.

4. Raffination: Die weitere Reinigung erfolgt durch Destillation oder Zonenraffination zur Herstellung von hochreinem Thallium, das in der Elektronik und Optik verwendet wird.

Die weltweite Thalliumproduktion ist begrenzt, sie beträgt etwa 50-60 Tonnen pro Jahr, und die Hauptproduzenten sind Russland, China und Kasachstan.

Allgemeine Anwendungen und industrielle Verwendungen

Obwohl es giftig ist, wird Thallium aufgrund seiner Eigenschaften für spezielle Anwendungen genutzt:

1.Elektronik:

Verwendung in Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt für Schalter und Sicherungen.

Es wird in bestimmten Halbleitern verwendet, wo seine Oxidationsstufe +1 für eine kontrollierte elektrische Leitfähigkeit sorgt.

2.Optik:

Es sind klare Thalliumbromid-Iodid-Kristalle (KRS-5) erhältlich, die sich für den Einsatz in IR-Detektoren und für die Wärmebildtechnik im gesamten Infrarotbereich (0,6-40 μm) eignen.

Die in militärischen Standardmodellen verkauften Infrarot-Nachtsichtkameras verwenden KRS-5-Objektive, von denen bereits Hunderte weltweit ausgeliefert wurden.

3. neue Materialien:

Thalliumverbindungen finden Anwendung bei der Veränderung von Supraleitern und Hochtemperatur-Oxidkeramiken, wobei der Zusatz von Thallium in geringer Konzentration die kritische Temperatur (Tc) erhöht. Thallium-dotierte Bismut-Cuprate weisen zum Beispiel eine Tc von ~125 K auf, was eine nützliche supraleitende Anwendung ermöglicht.

Thalliumverbindungen wurden bisher als Rodentizide und Insektizide verwendet, die jedoch aufgrund der Gefahr schwerer Vergiftungen in den meisten Ländern verboten oder streng reguliert sind.

Umwelt- und Gesundheitsprobleme

Thallium ist giftig und beeinträchtigt das Nervensystem, die Leber, die Nieren und das Herz-Kreislauf-System. Eine kurzzeitige Exposition gegenüber Thallium kann bei einer Dosis von 10-15 mg/kg Körpergewicht zu Haarausfall, neurologischen Störungen und sogar zum Tod führen. Langfristige Exposition, meist durch vergiftetes Wasser oder am Arbeitsplatz, kann sich über Jahrzehnte aufbauen.

Die gesetzlichen Beschränkungen sind streng: Die EPA hat den Thalliumgehalt in Trinkwasser auf 2 ppb (μg/L) begrenzt, und die OSHA hat einen sicheren Arbeitsplatzgrenzwert von 0,1 mg/m³ für einen 8-Stunden-TWA festgelegt.

Industrielle Verwendung: Im Jahr 2000 kam es in Südamerika zu einer Thalliumvergiftung, bei der mehrere hundert Menschen medizinisch betreut werden mussten, nachdem sie Rückständen aus dem Bergbau ausgesetzt waren. Dies verdeutlicht die Gefährlichkeit des Elements und die Notwendigkeit strenger Sicherheitsvorkehrungen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Thallium?

Ein hochgiftiges, seltenes Element (Nr. 81), das in der Elektronik, Optik und in neuen Materialien verwendet wird.

Wie wird Thallium hergestellt?

Es wird als Nebenprodukt von Zink-, Kupfer- und Bleierzen durch physikalische Konzentration, Säureauslaugung und Reduktionsverfahren gewonnen.

Was sind die wichtigsten industriellen Verwendungszwecke von Thallium?

Niedrigschmelzende Legierungen, Halbleiter, IR-Optik (KRS-5) und supraleitende Keramiken.

Warum ist Thallium chemisch gesehen einzigartig?

Seine Neutralität in den Oxidationsstufen +1 und +3 sowie seine niedrige Dichte und sein niedriger Schmelzpunkt ermöglichen spezielle Anwendungen in Hochtechnologie-Materialien.

Wie werden Thalliumvergiftungen in der Industrie kontrolliert?

Sorgfältige Handhabungspraktiken, persönliche Schutzausrüstung (PSA) und Umweltkontrollen begrenzen die Exposition bei der Herstellung und in der Forschung.