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铊

Wikipedia · 2026-06-27 维基百科 👁 1 阅读

鉈（；；源于，轉寫为thallos，直譯为綠芽）是一種化學元素，其化學符號为**'，原子序數为81，原子量為。鉈是質軟的灰色貧金屬，在自然界並不以單質存在。鉈金屬外表和錫相似，但會在空氣中失去光澤。兩位化學家威廉·克魯克斯和克洛德-奧古斯特·拉米在1861年獨立發現這一元素。他們都是在硫酸反應殘留物中發現了鉈，並運用當時新發明的火焰光譜法對其鑑定，觀測到鉈會產生明顯的綠色譜線。其名稱「Thallium」由克魯克斯提出，來自希臘文中的「」（thallos），即「綠芽」之意。翌年，拉米用電解法成功分離出鉈金屬。

鉈在氧化後，一般擁有+3或+1氧化態，形成離子鹽。其中+3態與同樣屬於硼族的硼、鋁、鎵和銦相似；但是鉈的+1態則比其他同族元素顯著得多，而且和鹼金屬的+1態相近。鉈(I)離子在自然界中大部份出現在含鉀礦石中。生物細胞的離子泵處理鉈(I)離子的方式也和鉀類似。

在商業開採方面，鉈是硫化重金屬礦提煉過程的副產品之一。總產量的60-70%應用在電子工業，其餘則用於製藥工業和玻璃產業。

性質
鉈金屬非常軟，可延展性很高，在室溫下可以用刀切割。它具有金屬光澤，但在接觸空氣之後，會變為藍灰色，與鉛相似。長期置於空氣中的鉈會形成厚厚的氧化表層。要保存它的光澤，可以將其浸泡在油裡。當接觸水後，會形成氫氧化鉈。硫酸和硝酸能快速溶解鉈，分別形成硫酸亞鉈和硝酸亞鉈，而盐酸則會使鉈表面形成一層不可溶的氯化鉈。Tl+/Tl的標準電極電勢為−0.34V，比鐵的−0.44V稍低。

同位素
鉈共有41種同位素，質量數介乎176和216之間，其中203Tl和205Tl是稳定同位素。205Tl是自然界中錼衰變鏈的最終產物，不過其母同位素209Bi的半衰期極長，超過宇宙年齡的十億倍。

204Tl（半衰期3.78年）是鉈最長壽的放射性同位素，可以在核反應爐中對鉈的穩定同位素中子活化製成。

202Tl（半衰期12.23天）可以在迴旋加速器中合成。

201Tl（半衰期73小時）會以電子捕獲的方式衰變，並釋放X射線（能量約为70至80 keV）以及總豐度為10%、能量分別為135和167 keV的光子。

208Tl（半衰期3.05分鐘）是釷衰變鏈的自然產物之一。它所釋放的2615 keV伽馬射線是自然背景輻射中的一大主要高能特徵。

化學性質
鉈的兩個主要氧化態為+1和+3。當處於+1態時，鉈化合物和鉀或銀的化合物十分相近，因此在元素剛被發現後不久，一些歐洲化學家（英國除外）曾把它當做鹼金屬。

氧化態為+3的化合物與相對應的鋁(III)化合物相似。Tl(III)具有較高的氧化性，如Tl3+ + 3 e– → Tl(s)反應的還原電勢為+0.72 V。氧化鉈是一種黑色固體，在800 °C以上溫度會分解，形成氧化亞鉈和氧氣。鉈的三鹵化物更穩定，然而它们的化學性質不同於其餘較輕的13族元素，且在13族中是最不穩定的。举个例子，氟化鉈（TlF3），具有β-BiF3（與三氟化釔相同）結構而不是13族較輕元素的三氟化物結構，且不會在水溶液中形成氟化鉈複合陰離子（TlF4−）。鉈的三氯化物和三溴化物在室溫時能自身氧化還原得到單鹵化物，三碘化鉈（TlI3）含有線形的三碘陰離子（I3−）並且是一價鉈的化合物。三價鉈的硫屬化物並不存在。

鉈(I)
鹵化鉈(I)穩定的。由于Tl+陽離子较大，它的氯化物和溴化物具有氯化銫結構，而氟化物和碘化物则是變形的氯化鈉結構。類似对应的銀化合物，氯化鉈、溴化鉈和碘化鉈有感光性。

鉈(I)化合物的穩定性與13族其他化合物的差別在於：它有穩定的氧化物、氫氧化物和碳酸鹽，也有許多硫屬化合物存在。

複鹽 Tl4(OH)2CO3顯示其具有以羥基為中心的鉈三角形，在[Tl3(OH)]2+的固態結構中反覆出現。

有機鉈化合物
鉈的有機化合物傾向變成熱不穩定的，與第13族熱穩定性降低的趨勢一致。鉈在水溶液中形成穩定的[Tl(CH3)2]+離子。和等電子体二甲基汞和二甲基鉛離子类似，它具有直線型的結構。三甲基鉈和三乙基鉈與鎵、銦的化合物一樣，都是低熔點的易燃液體。铊能形成茂基配合物环戊二烯基铊，这点和铟相似。

歷史
1861年，威廉·克魯克斯和克洛德-奧古斯特·拉米（Claude-Auguste Lamy）利用火焰光譜法，分別獨自發現了鉈元素。由於在火焰中發出綠光，所以克魯克斯提議把它命名為「Thallium」，源自希臘文中的「」（thallos），即「綠芽」之意。

在羅伯特·威廉·本生和古斯塔夫·基爾霍夫發表有關改進火焰光譜法的論文，以及在1859至1860年發現銫和銣元素之後，科學家開始廣泛使用火焰光譜法來鑑定礦物和化學物的成份。克魯克斯用這種新方法判斷硒化合物中是否含有碲，樣本由奧古斯特·霍夫曼數年前交給克魯克斯，是德國哈茨山上的一座硫酸工廠進行鉛室法過程後的產物。到了1862年，克魯克斯能夠分離出小部份的新元素，並且對它的一些化合物進行化學分析。拉米所用的光譜儀與克魯克斯的相似。以黃鐵礦作為原料的硫酸生產過程會產生含硒物質，拉米對這一物質進行了光譜分析，同樣觀察到了綠色譜線，因此推斷當中含有新元素。他友人弗雷德·庫爾曼（Fréd Kuhlmann）的硫酸工廠能夠提供大量的副產品，這為拉米的研究帶來了化學樣本上的幫助。他判斷了多種鉈化合物的性質，並通過電解法從鉈鹽產生了鉈金屬，再經熔鑄後製成了一小塊鉈金屬。

拉米在1862年倫敦國際博覽會上「為發現新的、充裕的鉈來源」而獲得一枚獎章。克魯克斯在抗議之後，也「為發現新元素鉈」而獲得獎章。兩人之間有關發現新元素的榮譽之爭議持續到1862至1863年。爭議在1863年6月克魯克斯獲選為英國皇家學會院士之後逐漸消退。

鉈一開始的最大用途是殺鼠劑。在多次意外之後，美國於1972年2月經第11643號行政命令禁止使用鉈殺鼠劑。其他國家也接連實施禁令。

存量及生產
鉈在地球地殼中并不屬於稀有的物質，含量約為0.7 mg/kg，主要存在於黏土、土壤和花崗岩中的鉀基礦物內。然而在商業上從這些礦物開採鉈卻並不容易。銅、鉛、錫等重金屬硫化礦中含有微量的鉈元素，這才是其最大的實際來源。

晶體（TlPbAs5S9）]]
含有鉈的礦物包括硒鉈銀銅礦（TlCu7Se4）、硫砷鉈鉛礦（TlPbAs5S9，亦稱紅鉈鉛礦）以及紅鉈礦（TlAsS2）等。黃鐵礦中也含有微量的鉈，鉈是黃鐵礦加工生產硫酸過程中的一種副產品。

鉈也可以從鉛和錫礦的冶煉過程中取得。海床上所發現的錳結核含有鉈，但如此的開採成本高昂，不切實際。開採過程還可能對生態環境造成破壞。另外，以銻、砷、銅、鉛或銀為主要成份的一些礦物可以含有16%至60%的鉈，但這類礦物極為罕見，所以並未成為商業開採的主要來源。

鉈是銅、錫和鉛冶煉過程的副產品，

應用
已淘汰的用途
硫酸亞鉈無臭無味，曾被廣泛用作殺鼠劑和殺蟲劑。自1972年起，美國已禁止硫酸亞鉈的使用，

光學
溴化亚铊和碘化亚铊晶體硬度較高，而且能夠透射波長極長的光線，所以是良好的紅外線光學材料，商品名為KRS-5和KRS-6。氧化亞鉈可用來製造高折射率玻璃，而與硫或硒和砷結合後，可以製成高密度、低熔點（125至150 °C）玻璃。這種玻璃在室溫下特性和普通玻璃相似，耐用、不溶於水，且具有特殊的折射率。

電子
硫化亞鉈的電導率會隨紅外線的照射而變化，所以能應用於光敏電阻。硒化鉈被用於輻射熱測量計中，以探測紅外線。在硒半導體中摻入鉈，可以提高其效能，所以一些硒整流器中含有這種含鉈半導體。氧分析儀中的一些電極也含有鉈元素。銅酸鉈超導體的臨界溫度超過120 K。一些摻汞的銅酸鉈超導體在常壓下的臨界溫度甚至超過130 K，幾乎達到已知臨界溫度最高的銅酸汞超導體。

醫學
在核醫學廣泛使用鎝-99m之前，半衰期為73小時的鉈-201曾經是核心動描記所使用的主要放射性同位素。今天，鉈-201也被用於針對冠心病危險分層的負荷測試當中。這一同位素的產生器與用來生成鎝-99m的類似。產生器中的鉛-201（半衰期9.33小時）會經電子捕獲衰變成鉈-201。鉛-201則是在迴旋加速器中通過(p,3n)或(d,4n)反應分別用質子或氘核撞擊铊而產生的。

鉈負荷測試
鉈負荷測試是閃爍掃描法的一種，它通過測量鉈的含量來推算組織血液供應量。活心肌細胞擁有正常的鈉鉀離子交換泵。Tl+離子會與K+泵結合，進入細胞內。運動以及腺苷、雙嘧達莫等血管擴張劑都可以造成冠狀動脈竊流。擴張了的正常動脈血液量和流速都會增加，梗死或缺血的組織則會呈現較小的變化。這種血液重組現象是缺血性冠心病的徵兆。通過比對負荷前後的鉈分佈情況，可以判斷需要進行心肌血管重建術的組織部份。鉈是鎂海水電池陽極板的合金材料成份之一。

甲酸鉈(I)（Tl(CHO2)）和丙二酸鉈(I)（Tl(C3H3O4)）的等量混合水溶液稱為克列里奇溶液（Clerici solution，亦稱輕重礦分離液）。它是一種無臭液體，顏色會隨鉈鹽濃度的降低而從黃色變為清澈。溶液在20 °C密度為4.25 g/cm3，是已知最重的水溶液之一。人們利用礦物在克列里奇溶液上漂浮的原理，測量各種礦物的密度。然而由於鉈的毒性和溶液的腐蝕性，這種方法逐漸被淘汰了。

碘化鉈可以添加在金屬鹵化物燈中，優化燈的溫度和顏色。它可以使燈光靠近綠色，這對水底照明非常有用。

毒性及污染
鉈及其化合物毒性極高，在處理時的安全措施需格外嚴格。迄今已有多件因鉈中毒而死亡的案例。 中国大陆最著名的铊中毒为朱令案。鉈需避免與皮膚接觸，而在熔化鉈金屬時，也需保證充分的通風。鉈(I)化合物的水溶性高，可以輕易透過皮膚吸收。根據美國勞工部，鉈的允許暴露限值為，平均8小時內每平方米不超過0.1毫克。經皮膚進入體內的鉈可以超過經呼吸吸收的量。鉈對於人類是一種懷疑致癌物。由於毒性高、幾乎無味、可溶於水，所以歷史上因意外或犯罪導致鉈中毒死傷的案例並不鮮見。病人每天需口服最多20克普魯士藍，藥物通過消化系統後經糞便排出體外。血液透析和血液灌流方法也可以把鉈從血液中移除。在治療的後期階段，病人需服用額外的鉀，把鉈從組織中帶出來。

根據美國國家環境保護局，鉈的人為污染源包括水泥工廠所排放的氣體、發電廠所燃燒的煤以及金屬下水道。礦物加工時對鉈淋溶的過程是造成水源中鉈含量增高的主要原因。

參考資料
延伸阅读
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外部連結

#化学元素 #硼族元素 #第6周期元素 #铊

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