Таллий: факты и фактики
Почему французский химик Жан Дюма прозвал таллий утконосом? Потому, что этот элемент обладает свойствами, которые кажутся такими же несовместимыми, как птичий клюв и четыре лапы. По своей плотности, твердости, да и по внешнему виду таллий похож на свинец. Однако он, как правило, одновалентен, подобно щелочным калию и натрию, а его гидроксид — сильное основание, хорошо растворимое в воде. Зато его соли с галогенами слаборастворимы, что роднит таллий с серебром. А по своему положению в третьей группе Периодической таблицы он родствен галлию и индию. Бывают еще странные соединения таллия, где он одновременно и трех-, и одновалентен, входя в состав и катиона, и аниона.
Как был открыт таллий? Случайно. В 1861 году британец Уильям Крукс, исследуя пыль, которую улавливали на производстве серной кислоты, проводил спектральный анализ и обнаружил в спектре светло-зеленую линию, каковой там быть не должно. Эту линию и давал таллий; его название можно перевести с латыни как «распускающаяся ветка» — thallus, хотя на самом деле это серебристый металл. А если попытаться прочитать это слово по-гречески, то получится «выскочка». Подержать в руках чистый таллий первому выпало бельгийскому химику Клоду Лами. Он изучал спектры веществ, входящих в шламы сернокислотного производства, и там увидел заветную светло-зеленую линию. От открытия Крукса его отделило лишь несколько месяцев.
Между прочим, Уильям Крукс был удивительной личностью. Он проявил себя не только как ученый и организатор науки (в 1913—1915 годы был президентом Королевского общества). Его интересы как предпринимателя простирались от анализа воды и устройства канализации до добычи золота и производства электроламп. Крукс приложил руку и к научной журналистике — редактировал журнал «Химические новости», послужившего моделью для «Nature». А еще он увлекался спиритизмом и общался с ведущими медиумами своего времени.
Как добывают таллий? Это рассеянный элемент, потому его извлекают из отходов других металлургических производств, причем по довольно сложной многостадийной схеме. Он всегда присутствует в минералах меди и свинца, поэтому пыль этих производств — источник таллия. Кроме того, он сопутствует кадмию и извлекается вместе с ним. Есть и некоторые другие его источники.
Извлекать таллий из отходов в любом случае полезно: концентрируясь вместе с основными элементами производства, он повышает степень ядовитости отходов. Проблема с ним та же, что и с кадмием: элемент лучше извлекать, нежели выбрасывать, а потом приходится выдумывать, где его использовать, чтобы окупить затраты. Всего в год добывают полтора десятка тонн таллия.
Каким было первое применение таллия? Крысиный яд — сульфат таллия, вещество без вкуса и запаха, способное обмануть даже самых умных грызунов. Такой яд впервые сделали в Германии в 20-х годах, а до этого таллий не был никому нужен. Видимо, тогда же он появился и в детективных романах, и в полицейских сводках, поскольку крысиным ядом по сей день пользуются не только для борьбы с грызунами. Отравление человека таллием — довольно редкое событие, и медики далеко не сразу могут понять причину болезни. В самом деле, покраснение кожи, зуд, жгучие боли в конечностях — не самые яркие симптомы, а до выпадения волос (характерный признак отравления таллием) должно пройти время. Лекарством же служит берлинская лазурь – синий пигмент, смесь гексацианоферратов. Это вещество бывает растворимым и нерастворимым. Так вот, именно растворимая берлинская лазурь лучше многих других препаратов связывает таллий и препятствует его всасыванию. К тому же препарат из берлинской лазури может храниться и десять лет, почти не утрачивая своих свойств.
Поскольку таллий весьма ядовит, голыми руками его касаться не рекомендуют, а хранят под слоем дистиллированной воды, под парафином либо покрывают лаком. Говорят, что, когда началось массовое производство таллия в середине XX века, о его ядовитости не подозревали, и создатели технологии сильно отравились. Также ходят слухи, что, не особо задумываясь о последствиях, из первого советского таллия отлили бюстик в подарок И.В.Сталину, который теперь хранится в плотно закрытой шкатулке.
Как ни странно, таллий, а также другие ядовитые элементы вроде мышьяка, находят в таблетках, рекомендуемых традиционной индийской, так называемой аюрведической медициной. Случаев отравления именно таллием при приеме таких таблеток замечено не было, а вот свинцом пациенты травились. Почему отравления случаются отнюдь не всегда — неясно. Можно предположить, что аюрведические методы детоксикации препаратов (вроде кипячения в масле, коровьей моче, масле сизаля) действительно работают, отравления же связаны с нарушением методик. Правда, непонятно, чем такая детоксикация может помочь, если препарат на 86% состоит из тяжелых металлов («International Journal of Environment and Health»).
В каких растениях накаливается таллий? Из съедобных —в шпинате, табаке, корнях цикория, винограде. Свекла, например, может добыть таллий из почвы даже там, где аналитические приборы его не могут зафиксировать. Рекордсменом же считается плещатка гладкая, онаже очи гладкие или кулачная горчица (Biscutella laevigata), которая растет в Татрах и Карпатах. Плещатка вытягивает из почвы не только таллий, но и свинец, и кадмий. Те растения, что живут на загрязненных почвах в районе металлургического производства, сильно отличаются от произрастающих в чистых местах —у первых гораздо тоньше листья, и они плотно усеяны ворсинками. Есть надежда использовать плещатку для очистки почв от ядовитых металлов.
Каково основное применение таллия? Больше всего его идет на приготовление подшипниковых сплавов на основе свинца и олова: в них содержание таллия достигает 8%. Таллий и повышает прочность сплава, и благодаря низкой температуре плавления облегчает заживление дефектов, возникающих во время работы детали. Добавка таллия к системе из свинца, олова и сурьмы приводит к получению кислотостойкого сплава, его применяют для облицовки трубопроводов на соответствующих заводах. Амальгама из таллия и ртути замерзает при охлаждении до –60°С — такой сплав прекрасно работает в низкотемпературных термометрах, применяемых полярными исследователями. Кроме того, таллий может играть роль катализатора. Так, трехвалентный таллий неплохо окисляет метан, этан и пропан в соответствующие эфиры («Science»), что обычно делают ионы переходных металлов.
Чем замечательны соединения таллия? У них есть несколько интересных свойств. Так, хлорид и бромид таллия прозрачны для инфракрасного света. Поскольку они весьма химически стойки, пластинки из этих соединений служат прекрасными защитными окнами для инфракрасной оптики. А оксисульфид таллия, наоборот, весьма чувствителен к инфракрасным лучам, то есть из него получается неплохой фотоэлемент. В годы Второй мировой войны пытались разрабатывать приборы ночного видения с использованием соединений таллия, а после войны с их помощью делали прицелы и системы наведения бомб и снарядов на всякие «теплые» объекты вроде бронетехники или самолетов. Есть мнение, что именно такие системы вызвали интерес к таллию и подтолкнули к созданию технологии его производства. Из соединений таллия делают не только инфракрасные детекторы и фотоэлементы. С их помощью, например, ловят черенковское излучение в соответствующих приборах. Добавляют таллий в качестве активатора и к другим веществам, применяющимся в качестве детекторов излучения.
Каковы перспективные применения таллия? Исследователи пытаются использовать таллий для разработки новых материалов с необычными электронными свойствами. Например, известно, что этот тяжелый атом препятствует движению фононов — колебаний кристаллической решетки, переносящих тепло. А значит, его добавка в решетку некого вещества должна понижать теплопроводность материала. Но при этом таллий не мешает течению электрического тока, хотя обычно электрическое сопротивление растет с уменьшением теплопроводности. Разрушение связи между этими свойствами нужно для создания термоэлектрических материалов, способных превращать бросовое тепло в электроэнергию. С использованием таллия удалось достигнуть рекордных значений температуры сверхпроводящего перехода в высокотемпературных сверхпроводниках на основе барий-купратной керамики — выше 110К. Больше только у сверхпроводников с ртутью. Правда, этот рекорд достигнут уже давно, других сверхпроводников с таллием более не создано, и до заветной комнатной температуры или хотя бы температуры сухого льда очень далеко. Пытаются создавать на основе таллия и халькогенидные стекла с высокой ионной проводимостью — такие материалы нужны для перспективных источников тока.
Как таллий применяют в медицине? При всей своей ядовитости таллий очень нужен кардиологам. Но не как лекарство: изотоп таллий-201 необходим для быстро развивающегося метода исследования, так называемой однофотонной эмиссионной компьютерной томографии, точнее, для одного из ее важнейших направлений изучения состояния сосудов в сердечной мышце (SPECT-MPI). Метод этот придумали давно, в 60-х годах. Суть его в том, что агент, распределенный по кровеносной системе, излучает гамма-кванты, а их ловит расположенный снаружи детекториз кристалла иодида натрия, который, перемещаясь вдоль тела, формирует картину объемного распределения этого агента. В современной версии детектор состоит из матрицы маленьких кристаллов-пикселей, то есть ловит излучение сразу от нескольких точек, — это резко ускоряет съемку томограммы.
Исследуя таким способом сердечную мышцу, можно узнать, где именно в ней нарушено кровоснабжение и принять меры, например, вшить в артерию стент. Этот метод очень быстро приобретает популярность: так, в США подобные томографы есть чуть ли не в каждой клинике, а число пациентов, прошедших такое обследование, за десять лет, с 1998 по 2008 год, удвоилось, достигнув 8 млн. человек. Съемку проводят в два этапа: в состоянии покоя и после физического упражнения или вызванного каким-либо способом стресса.
Порой исследование сердца методом SPECT-MPI превращается в настоящий медицинский детектив. Пример такой истории можно найти в «Journal of Cardiology Cases». Медики из Мемориального госпиталя Мацуситы (Япония) во главе с Канеко Нозому пытались понять, отчего у пациента болит в груди. Дело было так. Шестидесятилетнему пациенту за семь лет до обращения в госпиталь сделали стентирование — заменили заросший участок сосуда, снабжающего сердце кровью. А спустя два года он пристрастился к пиву и стал выпивать каждый вечер одну баночку перед ужином, сам же ужин закачивался спустя четверть часа. И вот он заметил, что еще через пятнадцать минут в груди возникает боль, которая продолжается десять минут, а затем пропадает. Медики провели тщательнейшее обследование и ничего не нашли. Ни шумов в сердце, ни особенностей на кардиограмме, ни отклонений в составе крови, ни проблем с печенью или почками. Эхокардиограмма показала, что с сердцем все в порядке. В чем же дело?
Пациенту дали портативный кардиограф, чтобы он снимал кардиограмму сразу после ужина. Кардиограмма подтвердила: в этот ограниченный промежуток времени в сердце что-то происходит, боли пациенту не мерещатся. Вот тут-то и пригодилась томография с использованием таллия-201. Препарат ввели пациенту спустя 15 минут после ужина, когда должна была появиться неуловимая боль, и стали смотреть на сердечные сосуды. Действительно, кровь в один из участков не поступала. А спустя три часа все пришло в норму. Естественно, стали грешить на заросший стент. Провели ангиографию и увидели, что угадали: стент зарос на 75%. Но это было еще не все: на другом участке артерии возникло сужение сосудистого пространства, причем очень сильное, на 90%. Спирт, как известно, повышает тонус сосудов — они сжимаются тем сильнее, чем выше его содержание в крови. А вот ацетальдегид, продукт разложения спирта, наоборот, расслабляет сосуды. Видимо, боль в груди у пациента и возникала в момент наибольшей концентрации спирта в крови, когда артерия в тонком месте совсем сужалась. Ему провели новую операцию, и через полгода он без всяких последствий снова потреблял свою вечернюю баночку пива.
Альтернативой таллию служит технеций — энергия его гамма-квантов в два раз больше, а период полураспада — 6 часов против 27 у таллия. Поэтому доза облучения от препарата технеция в два раза меньше, чем от препарата таллия, а контрастность изображений выше. Впрочем, сегодня применяют и тот, и другой элемент, а иногда их смесь.
У таллия обнаружено еще одно поле деятельности — есть подозрения, что он избирательно накапливается в некоторых опухолях мозга. Тогда томография с использованием этого элемента позволяет не только находить опухоли, но и различать их по контрасту изображения.
 |
|
Спустя пятнадцать минут после ужина сердце пациента не полностью снабжается кровью (вверху), таллий распределен неравномерно, а через три часа все приходит в норму (Nozomu Kaneko e. a. «Journal of Cardiology Cases» 2013, 8) |