Кузьмин В.А.химия · биология
Все статьи

Таллий и его соединения: строение, свойства и реакции

Таллий открыли по одной-единственной ярко-зелёной линии в спектре и назвали «зелёной веточкой». Это мягкий тяжёлый металл, похожий на свинец, но по химии он удивительно двуличен. Ион таллия(I) ведёт себя то как ион калия — его гидроксид растворим и является сильным основанием, — то как ион серебра — его галогениды выпадают в осадок. Эта «маскировка» под калий делает таллий одним из самых коварных ядов: клетки принимают его за калий и впускают внутрь. И тот же таллий в виде изотопа таллий-201 помогает врачам увидеть, как кровь снабжает сердечную мышцу.

В статье химия таллия изложена системно: строение атома и место в 13-й группе, история открытия, получение, свойства металла, соединения таллия(I) и таллия(III), переходы между ними, токсичность и антидот, применение. Таллий не входит в перечень элементов ЕГЭ, но на нём особенно наглядно видны закономерности периодической системы — эффект инертной пары и сходство элементов разных групп; в статье около семидесяти уравнений реакций. Последний раздел и задания 9–14 — для подготовки к олимпиадам.

1. Положение в периодической системе и строение атома

Определение. Таллий Tl — химический элемент IIIA-группы (13-й группы) шестого периода периодической системы, порядковый номер 81, относительная атомная масса 204,38. Простое вещество таллий — мягкий тяжёлый серебристо-серый металл.

Электронная конфигурация атома таллия [Xe]4f145d106s26p1. Таллий — p-элемент: на внешнем электронном слое у него три электрона, поэтому высшая степень окисления +3, равная номеру группы. Но устойчивее степень окисления +1: атом отдаёт единственный 6p-электрон, а пара 6s-электронов остаётся. Ион Tl+ имеет конфигурацию [Xe]4f145d106s2, ион Tl3+ — [Xe]4f145d10.

Электроотрицательность таллия 1,44 по шкале Оллреда — Рохова, металлический радиус 170 пм. Природный таллий состоит из двух устойчивых изотопов: 205Tl (70,5 %) и 203Tl (29,5 %).

В 13-й группе вместе с таллием стоят бор, алюминий, галлий и индий. Сверху вниз по группе металлические свойства усиливаются, а устойчивость высшей степени окисления падает:

ЭлементУстойчивая степень окисленияСоединения +1Соединения +3
Бор, алюминий+3практически не существуют в раствореB2O3, Al2O3 — устойчивы
Галлий, индий+3неустойчивы, восстановителиGa2O3, In2O3 — устойчивы
Таллий+1Tl2O, TlOH, TlCl — устойчивыTl2O3, TlCl3 — окислители

Это тот же эффект инертной пары, что у свинца в 14-й группе и висмута в 15-й: у тяжёлых p-элементов шестого периода пара 6s-электронов удерживается особенно прочно (подробнее — в статье «Свинец и его соединения»).

2. История открытия

В 1861 году английский химик У. Крукс исследовал спектроскопом остатки сернокислотного производства и увидел незнакомую ярко-зелёную линию (длина волны 535 нм). Он назвал новый элемент таллием — от греческого thallos, «зелёная ветвь, молодой побег». Через год француз К.-О. Лами независимо открыл таллий в шламе того же производства, выделил его в виде слитка металла и первым описал ядовитость его соединений. Таллий стал одним из первых элементов, открытых методом спектрального анализа, предложенным Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом всего на год раньше.

В первой половине XX века сульфат таллия широко применяли как яд для крыс и муравьёв и даже как средство для удаления волос: таллий вызывает облысение. Из-за многочисленных отравлений, в том числе случайных и преднамеренных, в большинстве стран эти применения запретили к 1970-м годам. Отравление таллием стало сюжетом детектива А. Кристи «Бледный конь» (1961); говорят, внимательный читатель-медсестра благодаря книге распознала настоящее отравление.

3. Нахождение в природе и получение

Таллий — редкий и рассеянный элемент: в земной коре его около 0,00007 % по массе. Собственные минералы таллия — крукезит (Cu,Tl,Ag)2Se, лорандит TlAsS2, авиценнит Tl2O3 — очень редки. Основная масса таллия рассеяна в сульфидных рудах цинка, свинца и меди и в калиевых минералах: ион Tl+ по размеру близок к K+ и замещает его в слюдах и полевых шпатах.

1. Пыль и шламыталлий накапливается в пыли при обжиге сульфидных руд цинка, свинца и меди и в шламах производства серной кислоты
2. Выщелачиваниепыль обрабатывают водой или разбавленной кислотой; таллий(I) переходит в раствор
3. Осаждениеталлий осаждают в виде малорастворимого TlCl или TlI, отделяя от цинка и кадмия
4. Металлосадок переводят в сульфат и восстанавливают цинком или электролизом

Мировое производство таллия — около десяти тонн в год.

Как получают таллий.

Таллий получают как побочный продукт при обжиге сульфидных руд и производстве серной кислоты: он накапливается в пыли и шламах. Пыль выщелачивают водой или разбавленной кислотой; таллий(I) осаждают в виде малорастворимого хлорида или иодида, затем переводят в сульфат и восстанавливают цинком или электролизом:

Tl2SO4 + 2NaCl = 2TlCl↓ + Na2SO4

Tl2SO4 + Zn = 2Tl + ZnSO4

2Tl2SO4 + 2H2O электролиз 4Tl + O2↑ + 2H2SO4

Мировое производство таллия — около десяти тонн в год; основные производители — Китай, Казахстан и Россия.

4. Физические свойства металла

Таллий — серебристо-серый металл с голубоватым оттенком, очень мягкий (твёрдость по Моосу 1,2 — режется ножом) и тяжёлый: плотность 11,85 г/см3, больше, чем у свинца. Температура плавления 304 °C, кипения 1473 °C. Ниже 230 °C устойчива гексагональная плотнейшая упаковка (α-таллий), выше — объёмноцентрированная кубическая решётка (β-таллий). Свежий срез быстро тускнеет на воздухе, покрываясь плёнкой оксида таллия(I); поэтому таллий хранят под слоем масла или в запаянных ампулах. Соединения таллия окрашивают пламя в зелёный цвет.

5. Химические свойства металла

Стандартный потенциал пары Tl+/Tl равен −0,34 В: таллий — металл средней активности, в ряду активности он стоит между кадмием и кобальтом. Почти во всех реакциях он окисляется до таллия(I).

С кислородом таллий реагирует уже при обычных условиях, при нагревании — быстро:

4Tl + O2 t° 2Tl2O

С галогенами он образует галогениды таллия(I); только при избытке хлора получается хлорид таллия(III):

2Tl + Cl2 = 2TlCl

2Tl + 3Cl2 = 2TlCl3

2Tl + Br2 = 2TlBr

2Tl + I2 = 2TlI

С серой при нагревании образуется чёрный сульфид таллия(I):

2Tl + S t° Tl2S

С водой в присутствии растворённого кислорода таллий медленно реагирует, образуя растворимый гидроксид — сильное основание:

4Tl + O2 + 2H2O = 4TlOH

С кислотами. С разбавленной серной кислотой таллий вытесняет водород; с соляной реакция быстро останавливается, потому что поверхность покрывается нерастворимым хлоридом таллия(I). С азотной кислотой образуется растворимый нитрат, с горячей концентрированной серной кислотой — сульфат и сернистый газ:

2Tl + H2SO4 = Tl2SO4 + H2↑

3Tl + 4HNO3 = 3TlNO3 + NO↑ + 2H2O

Tl + 2HNO3(конц.) = TlNO3 + NO2↑ + H2O

2Tl + 2HCl = 2TlCl↓ + H2↑

2Tl + 2H2SO4(конц.) t° Tl2SO4 + SO2↑ + 2H2O

Даже сильные кислоты-окислители переводят таллий только в степень окисления +1. Со щелочами таллий не реагирует. Из растворов солей он вытесняет медь и сам вытесняется цинком:

2Tl + CuSO4 = Tl2SO4 + Cu

Zn + 2TlNO3 = Zn(NO3)2 + 2Tl

В присутствии кислорода таллий растворяется даже в этаноле, образуя этилат таллия(I) — тяжёлую жидкость, которую применяют в органическом синтезе как основание:

4Tl + 4C2H5OH + O2 = 4TlOC2H5 + 2H2O

6. Две степени окисления: таллий(I) — двойник калия и серебра

Ион Tl+ по размеру почти совпадает с ионами калия и рубидия (радиусы 150, 138 и 152 пм), но в отличие от них его внешняя оболочка содержит неподелённую пару 6s2 и легко поляризуется, как у иона серебра. Поэтому соединения таллия(I) одни свойства берут у калия, другие — у серебра:

Как калий (заряд и размер иона)
  • гидроксидTlOH растворим, сильное основание
  • солиTl2CO3, Tl2SO4, TlNO3 растворимы; квасцы как у калия
  • в организмепроходит через калиевые каналы и натрий-калиевый насос
Как серебро (поляризуемая оболочка)
  • галогенидыTlCl, TlBr, TlI — осадки, темнеют на свету; TlF растворим
  • сульфидTl2S — чёрный осадок
  • в организмесвязывается с серой тиоловых групп белков

Но аммиачных комплексов, как серебро, таллий(I) не образует, и его хлорид не растворяется в растворе аммиака.

Таллий(I) похож и на калий, и на серебро.

Таллий(III), напротив, похож на своих соседей по группе — индий и алюминий: его гидроксид нерастворим, соли сильно гидролизуются. Но в отличие от них соединения таллия(III) — окислители: стандартный потенциал пары Tl3+/Tl+ равен +1,25 В.

7. Соединения таллия(I)

7.1. Оксид и гидроксид — как у калия

Оксид таллия(I) Tl2O — чёрный порошок. С водой он образует растворимый гидроксид TlOH — жёлтые кристаллы, раствор которых — сильное основание, как раствор щёлочи. Гидроксид таллия(I) поглощает углекислый газ, нейтрализуется кислотами, а при нагревании теряет воду:

Tl2O + H2O = 2TlOH

TlOH + HNO3 = TlNO3 + H2O

2TlOH + CO2 = Tl2CO3 + H2O

2TlOH t° Tl2O + H2O

Tl2O + 2HCl = 2TlCl↓ + H2O

Tl2O + H2SO4 = Tl2SO4 + H2O

Раствор гидроксида таллия(I) удобно получить из сульфата и гидроксида бария — сульфат бария выпадает в осадок:

Tl2SO4 + Ba(OH)2 = BaSO4↓ + 2TlOH

Если же взять хлорид бария, в осадок выпадут сразу два вещества — сульфат бария и хлорид таллия(I):

Tl2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2TlCl↓

Карбонат таллия(I) Tl2CO3 растворим в воде — единственный растворимый карбонат тяжёлого металла, — и его раствор щелочной, как раствор соды. Сульфат, нитрат, фторид и ацетат таллия(I) тоже растворимы. Сульфат таллия образует квасцы TlAl(SO4)2·12H2O, точно такие же по строению, как алюмокалиевые.

Карбонат таллия при нагревании разлагается, а с плавиковой кислотой даёт растворимый фторид:

Tl2CO3 t° Tl2O + CO2↑

Tl2CO3 + 2HF = 2TlF + CO2↑ + H2O

7.2. Галогениды и сульфид — как у серебра

  • TlClхлорид таллия(I)белый
  • TlBrбромид таллия(I)бледно-жёлтый
  • TlIиодид таллия(I)жёлтый
  • Tl2Sсульфид таллия(I)чёрный
  • Tl2CrO4хромат таллия(I)жёлтый
  • Tl2O3оксид таллия(III)тёмно-бурый
Малорастворимые соединения таллия.

Хлорид, бромид и иодид таллия(I) малорастворимы, как галогениды серебра: TlCl — белый, TlBr — бледно-жёлтый, TlI — жёлтый. На свету они темнеют, как фотографические соли серебра. Но, в отличие от галогенидов серебра, они не растворяются в растворе аммиака: таллий(I) не образует аммиачных комплексов.

TlNO3 + KCl = TlCl↓ + KNO3

TlNO3 + KBr = TlBr↓ + KNO3

TlNO3 + KI = TlI↓ + KNO3

Tl2CO3 + 2HCl = 2TlCl↓ + CO2↑ + H2O

TlOH + HCl = TlCl↓ + H2O

Сульфид таллия(I) — чёрный осадок, хромат — жёлтый:

Tl2SO4 + Na2S = Tl2S↓ + Na2SO4

Tl2SO4 + K2CrO4 = Tl2CrO4↓ + K2SO4

В отличие от сульфида серебра, сульфид таллия(I) растворяется в разбавленных кислотах-неокислителях:

Tl2S + H2SO4 = Tl2SO4 + H2S↑

Иодид таллия(I) — одна из самых чувствительных качественных реакций на таллий; зелёное окрашивание пламени её подтверждает.

8. Соединения таллия(III)

8.1. Оксид и гидроксид

Оксид таллия(III) Tl2O3 — тёмно-коричневый, почти чёрный порошок, нерастворимый в воде. Гидроксид таллия(III) неустойчив и при осаждении сразу теряет воду, поэтому из растворов солей таллия(III) щёлочь осаждает гидратированный оксид. Это основный оксид: со щелочами он не реагирует, с кислотами образует соли таллия(III), а при нагревании теряет кислород:

2TlCl3 + 6KOH = Tl2O3↓ + 6KCl + 3H2O

Tl2O3 + 3H2SO4 = Tl2(SO4)3 + 3H2O

Tl2O3 + 6HNO3 = 2Tl(NO3)3 + 3H2O

Tl2O3 t° Tl2O + O2↑

8.2. Галогениды и хлорокомплексы

Хлорид таллия(III) TlCl3 получают действием хлора на таллий или на хлорид таллия(I). Уже около 40 °C он теряет хлор. Зато в избытке хлорид-ионов таллий(III) прочно связан в тетраэдрический комплекс [TlCl4]−, и в таком виде он устойчив: с концентрированной соляной кислотой оксид таллия(III) не выделяет хлор, а растворяется, образуя тетрахлороталлиевую кислоту.

TlCl + Cl2 = TlCl3

TlCl3 t° TlCl + Cl2↑

TlCl3 + KCl = K[TlCl4]

Tl2O3 + 8HCl = 2H[TlCl4] + 3H2O

[тетрахлороталлат(III)-ион]−тетрахлороталлат(III)-ион
[катион диметилталлия]+катион диметилталлия

В ионе [TlCl₄]⁻ таллий(III) окружён четырьмя хлорид-лигандами по вершинам тетраэдра — так он устойчив в солянокислом растворе. Катион [(CH₃)₂Tl]⁺ линейный, как молекула диметилртути.

Структурные формулы соединений таллия(III).

Соль таллия(III) с таллием(I) — «дихлорид таллия» TlCl2 — на самом деле не содержит таллия(II): это тетрахлороталлат(III) таллия(I) Tl[TlCl4].

TlCl3 + TlCl = Tl[TlCl4]

8.3. Таллийорганические соединения

Таллий(III) образует прочные связи с углеродом. Катион диметилталлия [(CH3)2Tl]+ устойчив даже в воде; он линейный и изоэлектронен диметилртути (CH3)2Hg. Тринитрат таллия(III) — сильный и избирательный окислитель органических соединений: он присоединяется к двойной связи алкенов (окситаллирование) и перестраивает углеродный скелет. Такие реагенты в 1970-х годах ввели в органический синтез Э. Тейлор и А. Маккиллоп, но из-за ядовитости таллия сейчас их применяют редко.

9. Переходы между таллием(I) и таллием(III)

Окисление таллия(I). В кислой среде таллий(I) окисляется только сильными окислителями, например перманганатом. В щелочной среде он окисляется гораздо легче — хлором, пероксидом водорода — и выпадает тёмно-коричневый оксид таллия(III). Причина та же, что у марганца(II) и хрома(III): в щелочной среде гидроксид-ионы связывают ионы водорода, которые выделяются при окислении.

5Tl2SO4 + 4KMnO4 + 16H2SO4 = 5Tl2(SO4)3 + 4MnSO4 + 2K2SO4 + 16H2O

2Tl+1 − 4ē → 2Tl+35окислениеMn+7 + 5ē → Mn+24восстановление

2TlNO3 + 2Cl2 + 6KOH = Tl2O3↓ + 4KCl + 2KNO3 + 3H2O

2TlOH + 2H2O2 = Tl2O3↓ + 3H2O

Таллий(III) — окислитель. Он окисляет иодиды, соли железа(II), сернистый газ, восстанавливаясь до таллия(I):

Tl2(SO4)3 + 6KI = 2TlI↓ + 2I2 + 3K2SO4

Tl2(SO4)3 + 4FeSO4 = Tl2SO4 + 2Fe2(SO4)3

Tl2(SO4)3 + 2SO2 + 4H2O = Tl2SO4 + 4H2SO4

Tl2(SO4)3 + 2H2S = Tl2SO4 + 2S↓ + 2H2SO4

Пероксид водорода в кислой среде восстанавливает таллий(III), а в щелочной, как мы видели, окисляет таллий(I): от среды зависит, какую роль он сыграет (подробнее — в статье «Пероксид водорода»).

Tl(NO3)3 + H2O2 = TlNO3 + O2↑ + 2HNO3

С металлическим таллием соли таллия(III) конпропорционируют — образуется таллий(I):

Tl(NO3)3 + 2Tl = 3TlNO3

Обратная реакция — диспропорционирование таллия(I) — не идёт: потенциал справа от Tl+ на диаграмме Латимера меньше, чем слева (раздел 13).

10. Токсичность и антидот

Таллий — один из самых ядовитых элементов: смертельной для взрослого человека может быть доза его солей около одного грамма. Соли таллия(I) не имеют вкуса и запаха и хорошо растворимы, что сделало их «ядом отравителей». Механизм отравления — прямое следствие сходства Tl+ с K+:

  • клетки впускают Tl+ через калиевые каналы и натрий-калиевый насос, причём насос связывает его даже прочнее, чем калий; таллий накапливается в нервных клетках, мышцах, коже и волосяных луковицах;
  • как и серебро, Tl+ связывается с серой тиоловых групп белков и нарушает работу ферментов, в том числе митохондриальных;
  • характерные признаки — мучительная боль в ногах, поражение нервов и выпадение волос через две-три недели после отравления.

Антидот — берлинская лазурь (гексацианоферрат(II) железа(III)), которую дают внутрь. Таллий выводится из организма в кишечник с желчью и снова всасывается; в кишечнике берлинская лазурь обменивает ионы калия своей кристаллической решётки на ионы Tl+ и связывает их, так что таллий уходит с калом. Тот же препарат применяют при заражении радиоактивным цезием, ион которого тоже похож на калий.

11. Применение

  • Медицина. Радиоактивный изотоп таллий-201 (период полураспада 73 ч) вводят в кровь при обследовании сердца: как «калий», он поглощается живой сердечной мышцей пропорционально её кровоснабжению. На снимке гамма-камеры участки с плохим кровотоком выглядят «пустыми».
  • Детекторы излучения. Кристаллы иодида натрия с примесью таллия NaI(Tl) — сцинтилляторы: поглощая гамма-квант, они вспыхивают светом, который регистрирует фотоумножитель.
  • Инфракрасная оптика. Кристаллы смешанного бромида-иодида таллия(I) (КРС-5) прозрачны для инфракрасного излучения в широком диапазоне и служат окнами и линзами в ИК-спектрометрах.
  • Сверхпроводники. Купрат таллия, бария и кальция Tl2Ba2Ca2Cu3O10, открытый в 1988 году, переходит в сверхпроводящее состояние при 125 K — несколько лет это был рекорд.
  • Стекло и электроника. Добавка оксида таллия повышает показатель преломления стекла; соединения таллия применяют в фотоэлементах и полупроводниковых материалах.
  • Минералогия. Водный раствор формиата и малоната таллия (жидкость Клеричи) имеет плотность около 4,2 г/см3 — в нём тонут тяжёлые минералы и всплывают лёгкие, что позволяет их разделять.

12. Таллий и ЕГЭ

Таллия нет в кодификаторе ЕГЭ, но знание его химии помогает в заданиях на закономерности периодической системы и в задачах с «незнакомым» элементом:

  • по положению в группе и периоде можно предсказать конфигурацию [Xe]4f145d106s26p1 и высшую степень окисления +3;
  • таллий — пример того, что высшая степень окисления не всегда самая устойчивая: в 13-й группе сверху вниз устойчивость +3 падает, а +1 растёт;
  • сходство ионов разных групп по размеру и строению оболочки (Tl+ с K+ и Ag+) объясняет свойства соединений.

Главные превращения соединений таллия:

TlO2, t°Tl2OH2OTlOHHNO3TlNO3KITlI

Ловушки. 1) Таллий — элемент 13-й группы, но его устойчивая степень окисления +1, а не +3. 2) TlOH — растворимое сильное основание, а не амфотерный гидроксид, как Al(OH)3. 3) Tl2CO3 и Tl2SO4 растворимы, а TlCl, TlBr, TlI — нет. 4) Таллий даже с азотной и концентрированной серной кислотами даёт соли таллия(I). 5) «TlCl2» и «TlI3» не содержат таллия(II) и таллия(III): это Tl[TlCl4] и Tl[I3] (раздел 13).

О решении заданий 29 — «Задание 29»; о похожей химии свинца — «Свинец и его соединения».

13. Для олимпиад

13.1. Потенциалы и диаграмма Латимера

Tl3++3+1,25 В→Tl++1−0,34 В→Tl0

Кислая среда, pH 0. Таллий(I) не диспропорционирует (−0,34 < 1,25): это самая устойчивая форма. Таллий(III) — сильный окислитель, почти как хлор.

Диаграмма Латимера для таллия в кислой среде.

Потенциал пары Tl3+/Tl (три электрона): E° = (2 · 1,25 + 1 · (−0,34)) / 3 ≈ 0,72 В. Таллий(I) устойчив к диспропорционированию (−0,34 < 1,25), таллий(III) — сильный окислитель, почти как хлор (1,36 В). В солянокислом растворе таллий(III) связан в [TlCl4]−, и его окислительная способность заметно ниже — поэтому Tl2O3 с соляной кислотой не выделяет хлор.

13.2. TlI3 — иодид таллия(III)?

Иодид таллия(I) присоединяет иод, образуя чёрные кристаллы состава TlI3. Формально это был бы иодид таллия(III), но рентгеноструктурный анализ показывает в нём линейные трииодид-ионы I3− и ионы Tl+: это трииодид таллия(I) Tl[I3]. Причина — в потенциалах: таллий(III) (1,25 В) должен был бы окислить иодид-ионы (I2/I− 0,54 В), так что пара «Tl3+ + 3I−» неустойчива и превращается в «Tl+ + I3−». Похожий трииодид цезия CsI3 подтверждает аналогию таллия(I) с ионами щелочных металлов.

TlI + I2 = TlI3

13.3. Релятивистские эффекты и «пустой» катион

Как и у свинца, 6s-электроны таллия удерживаются прочно из-за релятивистского сжатия 6s-орбитали и плохого экранирования 4f- и 5d-электронами: сумма второй и третьей энергий ионизации у таллия (20,4 + 29,8 = 50,2 эВ) больше, чем у индия (18,9 + 28,0 = 46,9 эВ). Катион Tl+ с пассивной парой 6s2 — «псевдощелочной»: в кристаллах он часто занимает места калия и рубидия. Но неподелённая пара может становиться стереохимически активной, и тогда окружение таллия(I) несимметрично, как у свинца(II).

Почему Tl+ похож одновременно на K+ и на Ag+. Растворимость гидроксида и карбоната определяется прежде всего зарядом и размером катиона: у Tl+ они как у K+ и Rb+, поэтому TlOH и Tl2CO3 растворимы. Растворимость галогенидов определяется ещё и ковалентностью связи: большая, легко деформируемая (поляризуемая) электронная оболочка Tl+ с парой 6s2 и заполненным 5d-подуровнем образует с крупными, легко поляризуемыми анионами Cl−, Br−, I− частично ковалентные связи, как Ag+. Поэтому TlCl, TlBr, TlI малорастворимы, а TlF — растворим: маленький фторид-ион поляризуется плохо, и так же растворим AgF.

Задания с разбором

Задания 1–8 — уровня ЕГЭ (по аналогии с заданиями о других металлах), 9–14 — олимпиадные.

Задание 1

Запишите сокращённые электронные конфигурации атома таллия и ионов Tl+ и Tl3+. Сколько неспаренных электронов у атома таллия?

Разбор

Tl: [Xe]4f145d106s26p1 — один неспаренный электрон. Tl+: [Xe]4f145d106s2; Tl3+: [Xe]4f145d10.

Задание 2

Из перечня выберите два вещества, водные растворы которых имеют щелочную среду: 1) TlOH; 2) TlNO3; 3) Tl2CO3; 4) Tl2SO4; 5) TlCl3.

Разбор

Ответ: 13. TlOH — сильное основание; Tl2CO3 гидролизуется по аниону, как сода. TlNO3 и Tl2SO4 — соли сильного основания и сильных кислот (среда нейтральная), TlCl3 гидролизуется по катиону (среда кислая).

Задание 3

Установите соответствие между реагентом, добавленным к раствору нитрата таллия(I), и признаком реакции. А) хлорид натрия; Б) иодид калия; В) сульфид натрия; Г) гидроксид натрия. Признак: 1) белый осадок; 2) жёлтый осадок; 3) чёрный осадок; 4) видимых изменений нет.

Разбор

Ответ: 1234. TlCl — белый, TlI — жёлтый, Tl2S — чёрный; TlOH растворим, поэтому со щёлочью осадка нет.

Задание 4

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения:

TlH2SO4(разб.)X1Ba(OH)2X2CO2X3HClX4

Разбор

X1 — Tl2SO4, X2 — TlOH, X3 — Tl2CO3, X4 — TlCl.

2Tl + H2SO4 = Tl2SO4 + H2↑

Tl2SO4 + Ba(OH)2 = BaSO4↓ + 2TlOH

2TlOH + CO2 = Tl2CO3 + H2O

Tl2CO3 + 2HCl = 2TlCl↓ + CO2↑ + H2O

Задание 5

Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции: Tl2(SO4)3 + KI → TlI + I2 + … Определите окислитель и восстановитель.

Разбор
Tl+3 + 2ē → Tl+12восстановление2I−1 − 2ē → I202окисление

Tl2(SO4)3 + 6KI = 2TlI↓ + 2I2 + 3K2SO4

Окислитель — Tl2(SO4)3 (таллий +3), восстановитель — KI (иод −1). Из шести иодид-ионов четыре окисляются до иода, а два связываются в осадок TlI.

Задание 6

Таллий растворили в разбавленной азотной кислоте. К полученному раствору добавили гидроксид калия и пропустили хлор — выпал тёмно-коричневый осадок. Осадок растворили в концентрированной соляной кислоте. Напишите уравнения трёх реакций.

Разбор

3Tl + 4HNO3 = 3TlNO3 + NO↑ + 2H2O

2TlNO3 + 2Cl2 + 6KOH = Tl2O3↓ + 4KCl + 2KNO3 + 3H2O

Tl2O3 + 8HCl = 2H[TlCl4] + 3H2O

Задание 7

Какой объём водорода (н. у.) выделится при растворении 4,088 г таллия в избытке разбавленной серной кислоты?

Разбор

2Tl + H2SO4 = Tl2SO4 + H2↑

n(Tl) = 4,088 / 204,38 = 0,0200 моль; n(H2) = 0,0100 моль; V = 0,224 л.

Ответ: 0,224 л.

Задание 8

Соль таллия содержит 76,7 % таллия по массе и при нагревании выделяет бурый газ. Установите её формулу.

Разбор

Если соль — нитрат таллия(I) TlNO3: M = 204,38 + 62,00 = 266,38 г/моль, ω(Tl) = 204,38 / 266,38 = 76,7 % — совпадает. Нитрат таллия(III) Tl(NO3)3 дал бы 52,4 %. Ответ: TlNO3.

Задание 9 (олимпиадное)

E°(Tl3+/Tl+) = +1,25 В, E°(Tl+/Tl) = −0,34 В. 1) Вычислите E°(Tl3+/Tl). 2) Может ли таллий(I) диспропорционировать? 3) Почему при смешении растворов соли таллия(III) и иодида калия выпадает TlI, а не TlI3 (E°(I2/I−) = 0,54 В)?

Разбор

1) E° = (2 · 1,25 + 1 · (−0,34)) / 3 ≈ 0,72 В. 2) Нет: для реакции 3Tl+ → 2Tl + Tl3+ ЭДС = −0,34 − 1,25 < 0. 3) Таллий(III) окисляет иодид-ионы (1,25 > 0,54) и сам восстанавливается до таллия(I), который осаждается как TlI: Tl3+ + 3I− = TlI↓ + I2.

Задание 10 (олимпиадное)

Произведение растворимости TlCl при 25 °C равно 1,9 · 10−4. Вычислите растворимость TlCl в г/л. Сравните её с растворимостью AgCl (ПР = 1,8 · 10−10) и объясните, почему разделение ионов Tl+ и Ag+ осаждением хлоридом неполное.

Разбор

s = √(1,9 · 10−4) ≈ 1,38 · 10−2 моль/л; M(TlCl) = 239,83 г/моль; s ≈ 3,3 г/л. У AgCl s = √(1,8 · 10−10) ≈ 1,34 · 10−5 моль/л — в тысячу раз меньше. Хлорид таллия осаждается лишь частично, заметная часть таллия остаётся в растворе; поэтому таллий надёжнее осаждать иодидом или хроматом.

Задание 11 (олимпиадное)

Для обследования сердца пациенту ввели препарат таллия-201 (период полураспада 73 ч). Какая доля исходной активности останется через 6 суток? Почему таллий накапливается в сердечной мышце?

Разбор

6 суток = 144 ч = 144 / 73 ≈ 1,97 периода полураспада; доля = (1/2)1,97 ≈ 0,255, то есть около 25 %. Ион Tl+ клетки принимают за K+ и закачивают натрий-калиевым насосом; поглощение пропорционально кровотоку, поэтому плохо снабжаемые кровью участки на снимке «пустые».

Задание 12 (олимпиадное)

Чёрное вещество А содержит 34,9 % таллия и 65,1 % иода. Установите его формулу. Можно ли считать его иодидом таллия(III)? Как доказать строение?

Разбор

Tl : I = 34,9 / 204,38 : 65,1 / 126,90 = 0,171 : 0,513 = 1 : 3 — TlI3. Но это трииодид таллия(I) Tl[I3]: таллий(III) окислил бы иодид-ионы. Строение доказывает рентгеноструктурный анализ (линейные ионы I3−) и сходство с CsI3; химически — тем, что при растворении в воде вещество распадается на TlI и иод.

TlI + I2 = TlI3

Задание 13 (олимпиадное)

Объясните, почему сверху вниз в 13-й группе устойчивость степени окисления +3 падает, хотя радиусы атомов растут, а энергии ионизации обычно уменьшаются. Сравните суммы второй и третьей энергий ионизации индия (18,9 и 28,0 эВ) и таллия (20,4 и 29,8 эВ).

Разбор

Сумма у индия 46,9 эВ, у таллия 50,2 эВ — у таллия больше, хотя атом крупнее. Это следствие плохого экранирования 6s-электронов заполненными 4f- и 5d-подуровнями и релятивистского сжатия 6s-орбитали. Одновременно связи таллия с лигандами слабее, чем у индия, и выигрыш от двух дополнительных связей не окупает затрат на отрыв 6s-пары. Поэтому для таллия выгоднее +1.

Задание 14 (олимпиадное)

Объясните действие берлинской лазури как антидота при отравлении таллием. Напишите упрощённое уравнение обмена, если берлинскую лазурь записать как KFe[Fe(CN)6].

Разбор

KFe[Fe(CN)6] + TlNO3 = TlFe[Fe(CN)6] + KNO3

Таллий, выводимый с желчью в кишечник, обычно снова всасывается. Нерастворимая берлинская лазурь обменивает свои ионы K+ на ионы Tl+, близкие по размеру, и связывает таллий в нерастворимой решётке; он выводится с калом, а не возвращается в кровь.

Литература

  • ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения единого государственного экзамена по химии, 2027 г.
  • Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. 2nd ed. Butterworth-Heinemann, 1997. Ch. 7: Aluminium, Gallium, Indium and Thallium.
  • Housecroft C. E., Sharpe A. G. Inorganic Chemistry. 5th ed. Pearson, 2018.
  • Holleman A. F., Wiberg E., Wiberg N. Inorganic Chemistry. Academic Press, 2001.
  • Bard A. J., Parsons R., Jordan J. (eds.) Standard Potentials in Aqueous Solution. Marcel Dekker, 1985.
  • Crookes W. On the existence of a new element, probably of the sulphur group // Chemical News. 1861. Vol. 3. P. 193–194.
  • Pyykkö P. Relativistic effects in structural chemistry // Chemical Reviews. 1988. Vol. 88. P. 563–594.
  • Taylor E. C., McKillop A. Thallium in organic synthesis // Accounts of Chemical Research. 1970. Vol. 3. P. 338–346.
  • Sheng Z. Z., Hermann A. M. Bulk superconductivity at 120 K in the Tl–Ca/Ba–Cu–O system // Nature. 1988. Vol. 332. P. 138–139.
  • Galván-Arzate S., Santamaría A. Thallium toxicity // Toxicology Letters. 1998. Vol. 99. P. 1–13.
  • Hoffman R. S. Thallium toxicity and the role of Prussian blue in therapy // Toxicological Reviews. 2003. Vol. 22. P. 29–40.
  • U.S. Geological Survey. Mineral Commodity Summaries 2025: Thallium.

Обсуждение

Загружаем обсуждение…

Читайте также

Все статьи

Свинец и его соединения: строение, свойства и реакции

Свинец целиком: эффект инертной пары, изотопы и возраст Земли, получение из галенита, свойства металла, оксиды и сурик, соли и качественные реакции, соединения свинца(IV), свинцовый аккумулятор, токсичность; релятивистские эффекты; около ста уравнений реакций; 15 заданий.

Пероксид водорода: получение и свойства

Строение молекулы, получение от пероксида бария до антрахинонового процесса, разложение и катализ, окислитель и восстановитель, пероксокислоты, оксо- и пероксо-лиганды, пероксид в клетке; 15 заданий.

Щелочные металлы: строение, свойства, соединения и реакции

Щелочные металлы целиком: закономерности в группе, получение, реакции с кислородом, водой, кислотами и солями, пероксиды и надпероксиды, щёлочи, соли, особенности лития, потенциалы и энергия решётки; 15 заданий.

Пробный урок — бесплатно

Собеседование и тестирование помогут понять уровень и подобрать программу.

Записаться на пробный урок