الثاليوم خصائص العنصر واستخداماته

مقدمة عن الثاليوم

الثاليوم هو عنصر نادر الوجود وشديد السمية عدده الذري 81 ورمزه Tl. وعلى الرغم من أنه غير شائع إلى حد ما في القشرة الأرضية، حيث تبلغ الوفرة النسبية له حوالي 0.7 جزء في المليون، إلا أنه يستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية المتخصصة بسبب خصائصه الفيزيائية والكيميائية. إن كثافته التي تبلغ 11.85 جم/سم مكعب ودرجة انصهاره المنخفضة نسبياً التي تبلغ 304 درجة مئوية تجعله مفيداً للاستخدام في السبائك منخفضة الانصهار والعدسات المتخصصة والإلكترونيات.

الاكتشاف والتسمية

اكتشف العالم البريطاني ويليام كروكس الثاليوم في عام 1861 أثناء تحليل رواسب حمض الكبريتيك من بريتات الحديد. وأثناء قيامه بالتحليل الطيفي باللهب، لاحظ كروكس وجود خط طيفي أخضر، ومن ثم قام بتنقية العنصر الجديد. وأطلق على العنصر الجديد اسم "الثاليوم" استنادًا إلى الكلمة اليونانية "ثالوس" التي تشير إلى "النبتة الخضراء" أو "الغصن" لأنه يظهر خط انبعاث أخضر عند ملاحظته تحت جهاز التحليل الطيفي.

وعلى وجه الخصوص، سمح التحليل الطيفي الحديث لكروكس بالتعرف على الثاليوم قبل أن يتم فصله عن طريق العمليات الكيميائية، وهو دليل على فعالية التحليل الطيفي في اكتشاف العناصر، وهو إجراء لا يزال متبعًا في الممارسة اليومية في الكيمياء التحليلية الحديثة.

وصف الخواص الكيميائية

يوجد الثاليوم أيضاً في حالتي أكسدة +1 و+3، وكلاهما مستقر عند +1. وتتشابه كيميائيته قليلاً مع كيمياء الفلزات القلوية، وتظهر مركباته +3 سلوكاً مشابهاً إلى حد ما لسلوك الألومنيوم والإنديوم. الخصائص الكيميائية الرئيسية هي:

-احتراق الهيدروجين ليعطي أكسيد الثاليوم (I) (Tl₂O) وأكسيد الثاليوم (III) (Tl₂O₃).

-تكوين الهاليد، على سبيل المثال، كلوريد الثاليوم (I) كلوريد (TlCl) وبروميد الثاليوم (III) (TlBr₃).

-إمكانيات كهروكيميائية منخفضة، وتستخدم في بعض الإلكترونيات.

قادت هذه الخواص الكيميائية الثاليوم إلى إيجاد تطبيقات متخصصة في الإلكترونيات والبصريات والمواد المتقدمة.

جدول بيانات الخواص الفيزيائية

لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

تقنيات الإنتاج والتحضير

لا يتم تعدين الثاليوم على هذا النحو. يتم استعادته كمنتج ثانوي من صهر خامات الزنك والرصاص وكبريتيد النحاس، وكذلك من الخامات التي تحتوي على السيلينيوم مثل الكروكسيت (Cu₇(Tl,Ag)Se₄) واللورانديت (TlAs₂).

عملية الإنتاج:

1. تركيز الخام: تُستخدم طرق التعويم والفصل بالجاذبية لتركيز المعادن الحاملة للثاليوم.

2. الفصل الكيميائي: تتم معالجة المركزات بأحماض الهيدروكلوريك أو الكبريتيك لاستخلاص مركبات الثاليوم.

3. الاختزال: يتم اختزال الثاليوم إلى معدن باستخدام عوامل الاختزال مثل الصوديوم أو الزنك.

4. التكرير: تتم عملية التنقية الإضافية من خلال التقطير أو التكرير المنطقي لإنتاج ثاليوم عالي النقاء يستخدم في الإلكترونيات والبصريات.

إن الإنتاج العالمي من الثاليوم محدود، حوالي 50-60 طن متري سنوياً، والمنتجون الرئيسيون هم روسيا والصين وكازاخستان.

التطبيقات العامة والاستخدامات الصناعية

على الرغم من سميته، إلا أن خصائص الثاليوم تجعله ذا قيمة في الاستخدامات المتخصصة:

1- الإلكترونيات:

يستخدم في السبائك ذات درجة الانصهار المنخفضة المستخدمة في المفاتيح والصمامات.

يُستخدم في بعض أشباه الموصلات، حيث تُستخدم حالة الأكسدة +1 للتوصيل الكهربائي المتحكم فيه.

2- البصريات:

تتوفر بلورات أيوديد بروميد الثاليوم-بروميد الثاليوم الشفافة (KRS-5) المناسبة للتطبيق في كاشفات الأشعة تحت الحمراء والتصوير الحراري عبر نطاق الأشعة تحت الحمراء (0.6- 40 ميكرومتر).

وتستخدم كاميرات الرؤية الليلية بالأشعة تحت الحمراء التي تباع في النماذج العسكرية القياسية عدسات KRS-5، وقد تم بالفعل شحن المئات منها في جميع أنحاء العالم.

3- مواد جديدة:

تجد مركبات الثاليوم تطبيقاً في تغيير الموصلات الفائقة وسيراميك الأكسيد عالي الحرارة، حيث تؤدي إضافة الثاليوم بتركيز منخفض إلى زيادة درجة الحرارة الحرجة (Tc). فعلى سبيل المثال، تُظهر الكوبريتات المخدرة بالثاليوم المطعمة بالثاليوم درجة حرارة حرجة تبلغ 125 كلفن تقريبًا، مما يجعل التطبيق المفيد فائق التوصيل ممكنًا.

وقد استُخدمت مركبات الثاليوم تقليدياً كمبيدات للقوارض ومبيدات حشرية، ولكن نظراً لخطر التسمم الحاد، فقد تم حظرها أو تنظيمها بشكل صارم في معظم البلدان.

المخاوف البيئية والصحية

الثاليوم مادة سامة وتؤثر على الجهاز العصبي والكبد والكلى والجهاز القلبي الوعائي. يمكن أن يؤدي التعرض لفترة قصيرة للثاليوم إلى تساقط الشعر والأمراض العصبية وحتى الوفاة عند مستوى جرعة يتراوح بين 10-15 ملغم/كغم من وزن الجسم. يتراكم التعرض طويل الأمد، وغالباً ما يكون ذلك من المياه المسممة أو في الأماكن المهنية، على مدى عقود.

القيود التنظيمية صارمة: الثاليوم في مياه الشرب مقيد بـ 2 جزء في البليون (ميكروغرام/لتر) من قبل وكالة حماية البيئة الأمريكية، والتعرض الآمن للعمل في إدارة السلامة والصحة المهنية هو 0.1 ملغم/م³ لمدة 8 ساعات TWA.

الاستخدام الصناعي: شملت حالات التسمم بالثاليوم في أمريكا الجنوبية عام 2000 عدة مئات من الأشخاص الذين احتاجوا إلى مراقبة طبية بعد تعرضهم للمخلفات المرتبطة بالتعدين. وهذا يشير إلى مخاطر العنصر والحاجة إلى احتياطات السلامة الصارمة.

الأسئلة المتداولة

ما هو الثاليوم؟

عنصر نادر شديد السمية (رقم 81) يستخدم في الإلكترونيات والبصريات والمواد الجديدة.

كيف يتم إنتاج الثاليوم؟

يتم إنتاجه كمنتج ثانوي لخامات الزنك والنحاس والرصاص من خلال عمليات التركيز الفيزيائي والنض الحمضي والاختزال.

ما الاستخدامات الصناعية الرئيسية للثاليوم اليوم؟

السبائك منخفضة الانصهار، وأشباه الموصلات، والبصريات بالأشعة تحت الحمراء (KRS-5)، والسيراميك فائق التوصيل.

لماذا الثاليوم فريد من نوعه كيميائياً؟

إن حياده في حالتي الأكسدة +1 و+3 وكثافته المنخفضة ونقاط انصهاره المنخفضة تمنحه تطبيقات متخصصة في المواد عالية التقنية.

كيف يتم التحكم في التسمم بالثاليوم في الصناعة؟

تحد ممارسات المناولة الدقيقة ومعدات الحماية الشخصية والتحكم البيئي من التعرض له في أماكن التصنيع والأبحاث.