Dieser Spitzname spiegelt die dreifache Natur des Thalliums wider: spektroskopisch im Schatten industrieller Rückstände entdeckt (seine grüne Spektrallinie taucht aus Abfällen auf); als biologische Schatten wirkend, indem es den Platz von Kalium in Zellen usurpiert, mit heimtückischer, verzögert wirkender Toxizität; und historisch als "perfektes" Verbrechergift verwendet, das im Schatten wirkt, weil es geruchlos, geschmacklos ist und verzögerte Symptome verursacht.
Thallium ist ein schweres Element, das hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) erzeugt wird. Es weist auch einen signifikanten Beitrag des r-Prozesses (schneller Einfang) während Supernovae und Neutronensternverschmelzungen auf. Seine relativ niedrige Ordnungszahl (Z=81) und Position im Periodensystem machen seine Synthese relativ effizient, aber seine kosmische Häufigkeit bleibt bescheiden. Es gehört zu den "schweren" Elementen, deren Anwesenheit in einem Stern oder einer Galaxie aufeinanderfolgende Generationen der Nukleosynthese verrät.
Die kosmische Häufigkeit von Thallium beträgt etwa 1,0×10⁻¹² der von Wasserstoff (Atomzahl), was es so selten macht wie Gold oder Platin. Seine Anwesenheit in Sternspektren ist schwer nachweisbar, da seine Linien schwach sind. Auf der Erde ist es stark verteilt und bildet praktisch nie eigene Minerale. Es kommt in Spuren in den Sulfiden vieler Metalle (Pyrit, Blende, Bleiglanz) vor, weshalb es oft ein Nebenprodukt der Zink-, Blei- und Kupfermetallurgie ist.
Thallium besitzt zwei stabile Isotope, \(^{203}\mathrm{Tl}\) und \(^{205}\mathrm{Tl}\). Variationen im Verhältnis \(^{205}\mathrm{Tl}/^{203}\mathrm{Tl}\) werden in der Isotopengeochemie untersucht. Thallium zeigt ein starkes inkompatibles lithophiles Verhalten in magmatischen Prozessen und konzentriert sich in Flüssigkeiten und Gesteinen der oberen Kruste. Seine Isotope können durch Redox- und Adsorptionsprozesse fraktioniert werden und bieten ein neues Werkzeug, um den Kreislauf der Elemente in Ozeanen, Sedimenten und hydrothermalen Systemen nachzuverfolgen. Thallium wird so zur Untersuchung der Entwicklung der Sauerstoffanreicherung der Ozeane in der geologischen Vergangenheit verwendet.
Wie viele flüchtige Elemente weist Thallium ein Defizit in chondritischen Meteoriten und erdähnlichen Planeten im Vergleich zur solaren Häufigkeit auf. Dies erklärt sich durch seinen mäßig flüchtigen Charakter: Es kondensierte nicht vollständig in den inneren Regionen der protoplanetaren Scheibe, in denen sich die Gesteinsplaneten bildeten. Die Untersuchung der Thallium-Isotopenverhältnisse in Meteoriten hilft, die Temperatur- und Druckbedingungen während der Entstehung des Sonnensystems zu verstehen.
Der Name "Thallium" stammt vom griechischen θαλλός (thallós), was "junger Zweig" oder "grüner Spross" bedeutet. Dieser Name wurde von seinem Entdecker, Sir William Crookes, im Jahr 1861 vergeben, aufgrund der intensiven, hellgrünen Spektrallinie, die er im Emissionsspektrum von Staub aus einer Schwefelsäureproduktionskammer beobachtete. Diese Spektrallinie (bei 535 nm) ist so charakteristisch, dass sie das Spektrum dominierte und an die Farbe eines neuen Triebs erinnerte.
Thallium wurde 1861 unabhängig von zwei Wissenschaftlern entdeckt:
Es folgte ein Prioritätsstreit, aber heute werden beide Männer als Entdecker anerkannt.
Crookes stellte 1862 die erste Probe von metallischem Thallium durch Elektrolyse einer Thalliumsalzlösung her. Lamy produzierte genug, um mehrere physikalische Eigenschaften zu bestimmen. Die extreme Toxizität von Thallium und seinen Verbindungen wurde schnell offensichtlich, was seine Erforschung einschränkte und zu mehreren tödlichen Unfällen unter Pionierchemikern führte.
Es gibt keine primären Thalliumminen. Thallium wird immer als Nebenprodukt der Metallurgie anderer Metalle gewonnen:
Die Hauptproduzentenländer sind China, Russland und Kasachstan. Die weltweite Jahresproduktion ist sehr gering, in der Größenordnung von 10 bis 15 Tonnen, was seine Seltenheit und die begrenzte (und streng kontrollierte) Nachfrage nach diesem gefährlichen Element widerspiegelt. Sein Preis ist aufgrund der Rückgewinnungs- und Reinigungskosten hoch.
Thallium (Symbol Tl, Ordnungszahl 81) ist ein unedles Metall des p-Blocks, das in Gruppe 13 des Periodensystems mit Bor, Aluminium, Gallium und Indium steht. Es ist das schwerste stabile Element dieser Gruppe. Sein Atom hat 81 Protonen, in der Regel 123 oder 124 Neutronen (für die Isotope \(^{203}\mathrm{Tl}\) und \(^{205}\mathrm{Tl}\)) und 81 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p¹. Es besitzt also drei Valenzelektronen (6s² 6p¹).
Thallium ist ein bläulich-graues, weiches, formbares Metall, das an der Luft schnell anläuft und eine graue Tönung annimmt. Es ist so weich, dass es mit dem Fingernagel geritzt werden kann.
Thallium schmilzt bei 304 °C (577 K) und siedet bei 1473 °C (1746 K). Sein mäßiger Schmelzpunkt erleichterte seine historische metallurgische Verarbeitung.
Thallium ist ein ziemlich reaktives Metall. Es läuft an der Luft an und bildet eine Mischung aus Oxid (Tl₂O) und Nitrid. Es reagiert langsam mit Wasser (insbesondere wenn das Wasser gelösten Sauerstoff enthält) unter Bildung von Thalliumhydroxid (TlOH), einer starken und löslichen Base. Es löst sich leicht in Mineralsäuren (Schwefel- und Salpetersäure) unter Bildung der entsprechenden Tl(I)- oder Tl(III)-Salze. Es bildet Amalgame mit Quecksilber.
Dichte: 11,85 g/cm³.
Schmelzpunkt: 577 K (304 °C).
Siedepunkt: 1746 K (1473 °C).
Kristallstruktur: Hexagonal dichteste Kugelpackung (HD).
Elektronenkonfiguration: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p¹.
Hauptoxidationsstufen: +1 und +3.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Thallium-203 — \(^{203}\mathrm{Tl}\) | 81 | 122 | 202,972344 u | ≈ 29,52 % | Stabil | Stabiles Isotop. Wird als Ziel zur Herstellung von Blei-203 (für die Nuklearmedizin) oder als Tracer in der Forschung verwendet. |
| Thallium-205 — \(^{205}\mathrm{Tl}\) | 81 | 124 | 204,974427 u | ≈ 70,48 % | Stabil | Hauptisotop. Referenzisotop für geochemische Messungen. |
| Thallium-204 (künstlich/natürlich) | 81 | 123 | 203,97386 u | Spur | 3,78 Jahre | Radioaktiv β⁻ (97%) und Elektroneneinfang (3%). Wird als Betastrahlungsquelle in Dickenmessgeräten und Detektoren verwendet. Kommt in Spuren in der Umwelt vor (Produkt des Uranzerfalls). |
| Thallium-201 (künstlich) | 81 | 120 | 200,9708 u | 0 % | 73,1 Stunden | Radioaktiv durch Elektroneneinfang. Wichtiges medizinisches Isotop, das in der Myokardszintigraphie (Herzbildgebung) verwendet wird. Emittiert Gammastrahlen von 135 und 167 keV. Wird durch Bestrahlung von Thallium-203 in einem Zyklotron hergestellt. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie die Elektronen um den Kern angeordnet sind.
Thallium hat 81 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p¹ weist eine 6p-Unterschale mit nur einem Elektron auf. Dies kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(3), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p¹.
K-Schale (n=1): 2 Elektronen (1s²).
L-Schale (n=2): 8 Elektronen (2s² 2p⁶).
M-Schale (n=3): 18 Elektronen (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N-Schale (n=4): 32 Elektronen (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
O-Schale (n=5): 18 Elektronen (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
P-Schale (n=6): 3 Elektronen (6s² 6p¹).
Thallium hat 3 Valenzelektronen (6s² 6p¹). Es zeigt eine faszinierende chemische Dualität mit zwei stabilen Oxidationsstufen: +1 (Thallium(I) oder Thallos) und +3 (Thallium(III) oder Thallik).
Diese Dualität (+1 stabil) ist überraschend für ein schweres Element der Gruppe 13 (wo Al, Ga, In den +3-Zustand bevorzugen). Sie erklärt sich durch den Inert-Paar-Effekt: Das 6s²-Elektronenpaar ist sehr stabil und widersteht der Bindungsbildung, sodass die Chemie des 6p¹-Elektrons dominiert.
Metallisches Thallium läuft an feuchter Luft langsam an und bildet eine Mischung aus grau-schwarzem Thallium(I)-oxid (Tl₂O) und Hydroxid (TlOH). Beim Erhitzen an der Luft verbrennt es mit einer smaragdgrünen Flamme (charakteristisch für Tl⁺-Ionen) und bildet hauptsächlich Tl₂O sowie einige gemischte Oxide und Thallium(III)-oxid (Tl₂O₃) an der Oberfläche.
Thallium reagiert direkt mit Halogenen unter Bildung von Halogeniden. Mit Chlor bildet es TlCl (unlöslich, weiß) oder, bei Chlorüberschuss, Tl(III)-Komplexe. Mit Schwefel bildet es schwarzes Thallium(I)-sulfid (Tl₂S).
Die extreme Toxizität von Thallium(I) erklärt sich hauptsächlich durch seine ionische Mimikry mit Kalium (K⁺). Beide Ionen haben ähnliche Ionenradien (Tl⁺: 164 pm, K⁺: 152 pm). Thallium kann daher Kalium in vielen essentiellen biologischen Prozessen ersetzen:
Sobald Thallium in die Zelle gelangt, kann es nicht effizient entfernt werden und reichert sich an, was zu irreversiblen Schäden führt.
Die Vergiftung kann akut (einmalige hohe Dosis) oder chronisch (wiederholte niedrige Dosen) sein. Die Symptome treten in der Regel 12 bis 48 Stunden nach der Einnahme auf.
Die Vergiftung ist oft tödlich, wenn sie nicht behandelt wird. Neurologische Spätfolgen (Neuropathie, chronische Schmerzen) sind bei Überlebenden häufig.
Die Behandlung ist ein medizinischer Notfall und basiert auf:
Aufgrund seiner Löslichkeit, Geruchs- und Geschmacklosigkeit sowie der verzögerten Symptomentwicklung wurde Thalliumsulfat als "Erbschaftspulver" bezeichnet und im 20. Jahrhundert für zahlreiche kriminelle Vergiftungen verwendet. Industrielle Unfälle (z. B. Zementfabriken, die kontaminierte Erze verwendeten) und versehentliche Lebensmittelvergiftungen (behandelte Samen) führten ebenfalls zu Todesfällen.
Die Hauptquellen von Thallium in der Umwelt sind:
Thallium ist in der Umwelt relativ mobil. Als Tl⁺ ist es wasserlöslich und kann das Grundwasser verunreinigen. Es ist kaum biologisch abbaubar. Einige Pflanzen (wie Kohl) können Thallium aus dem Boden aufnehmen. Die Bioakkumulation in der Nahrungskette ist weniger ausgeprägt als bei Quecksilber, aber das Risiko für Ökosysteme und den Menschen durch kontaminiertes Trinkwasser und Lebensmittel ist real.
Aufgrund seiner hohen Toxizität ist Thallium streng reguliert:
Jeder Abfall, der Thallium enthält, muss als gefährlich und giftig behandelt werden. Industrielle Prozesse, die Thallium erzeugen, müssen dieses Element auffangen und recyceln, um seine Verbreitung zu verhindern.
Die Forschung konzentriert sich auf:
Thallium bleibt ein symbolträchtiges Element für die Gefahren, die von toxischen Schwermetallen ausgehen, und erinnert an die Notwendigkeit ständiger Wachsamkeit bei der Verwaltung dieser Stoffe während ihres gesamten Lebenszyklus, von der Gewinnung bis zur Entsorgung.
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