Thallium : Propriétés et utilisations des éléments

Introduction au thallium

Le thallium est un élément rare et hautement toxique dont le numéro atomique est 81 et le symbole Tl. Bien qu'il soit relativement rare dans la croûte terrestre, avec une abondance relative d'environ 0,7 partie par million, il a été largement utilisé dans des applications industrielles spécialisées en raison de ses propriétés physiques et chimiques. Sa densité de 11,85 g/cm³ et son point de fusion relativement bas de 304°C le rendent utile dans les alliages à bas point de fusion, les verres spéciaux et l'électronique.

Découverte et dénomination

Le scientifique britannique William Crookes a découvert le thallium en 1861 en analysant des dépôts d'acide sulfurique de pyrites de fer. En effectuant une spectroscopie de flamme, Crookes a remarqué une ligne spectrale verte et a donc purifié le nouvel élément. Le nouvel élément a été baptisé "thallium" d'après le mot grec "thallos", qui signifie "pousse verte" ou "brindille", car il présente une raie d'émission verte lorsqu'il est observé au spectroscope.

L'analyse spectrale moderne a notamment permis à Crookes d'identifier le thallium avant qu'il ne soit séparé par des procédés chimiques, ce qui témoigne de l'efficacité de la spectroscopie dans la découverte d'éléments, une procédure encore utilisée quotidiennement en chimie analytique moderne.

Propriétés chimiques Description

Le thallium existe également dans les états d'oxydation +1 et +3, tous deux stabilisés à +1. Sa chimie est légèrement similaire à celle des métaux alcalins, et ses composés +3 présentent un comportement similaire à celui de l'aluminium et de l'indium. Ses principales propriétés chimiques sont les suivantes :

-Combustion de l'hydrogène pour donner de l'oxyde de thallium(I) (Tl₂O) et de l'oxyde de thallium(III) (Tl₂O₃).

-Formation d'halogénures, par exemple chlorure de thallium(I) (TlCl) et bromure de thallium(III) (TlBr₃).

-Faible potentiel électrochimique, utilisé dans certains appareils électroniques.

Ces propriétés chimiques ont permis au thallium de trouver des applications de niche dans l'électronique, l'optique et les matériaux avancés.

Tableau de données sur les propriétés physiques

Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Techniques de production et de préparation

Le thallium n'est pas extrait en tant que tel. Il est récupéré comme sous-produit de la fusion des minerais sulfurés de zinc, de plomb et de cuivre, ainsi que des minerais contenant du sélénium tels que la crookesite (Cu₇(Tl,Ag)Se₄) et la lorandite (TlAsS₂).

Processus de production :

1. Concentration du minerai : Les méthodes de flottation et de séparation par gravité sont utilisées pour la concentration des minéraux contenant du thallium.

2. Séparation chimique : Les concentrés sont traités avec des acides chlorhydrique ou sulfurique pour extraire les composés de thallium.

3. Réduction : La réduction du thallium en métal s'effectue à l'aide d'agents réducteurs tels que le sodium ou le zinc.

4. Affinage : La purification supplémentaire est réalisée par distillation ou raffinage par zone pour produire du thallium très pur utilisé dans l'électronique et l'optique.

La production mondiale de thallium est limitée, environ 50-60 tonnes métriques par an, et les principaux producteurs sont la Russie, la Chine et le Kazakhstan.

Applications générales et utilisations industrielles

Bien que toxique, le thallium possède des propriétés qui lui permettent d'être utilisé par des spécialistes :

1.Électronique :

Utilisé dans les alliages à bas point de fusion utilisés dans les interrupteurs et les fusibles.

Il est utilisé dans certains semi-conducteurs, où son état d'oxydation +1 permet de contrôler la conduction électrique.

2. optique :

Il existe des cristaux de bromure-iodure de thallium transparents (KRS-5) adaptés aux détecteurs IR et à l'imagerie thermique dans la gamme infrarouge (0,6-40 μm).

Les caméras infrarouges de vision nocturne vendues dans les modèles militaires standard utilisent des lentilles KRS-5, et des centaines d'entre elles ont déjà été expédiées dans le monde entier.

3. nouveaux matériaux :

Les composés de thallium trouvent une application dans la modification des supraconducteurs et des céramiques d'oxyde à haute température, où l'ajout de thallium à faible concentration augmente la température critique (Tc). Les cuprates de bismuth dopés au thallium, par exemple, ont une Tc de ~125 K, ce qui rend possible une application supraconductrice utile.

Les composés de thallium ont été traditionnellement utilisés comme rodenticides et insecticides, mais en raison du risque d'empoisonnement grave, ils ont été interdits ou strictement réglementés dans la majorité des pays.

Préoccupations environnementales et sanitaires

Le thallium est toxique et affecte le système nerveux, le foie, les reins et le système cardiovasculaire. Une brève exposition au thallium peut entraîner la perte de cheveux, des troubles neurologiques et même la mort à une dose de 10 à 15 mg/kg de poids corporel. L'exposition à long terme, le plus souvent à partir d'eau empoisonnée ou en milieu professionnel, s'accumule sur des dizaines d'années.

Les restrictions réglementaires sont sévères : l'EPA limite le thallium dans l'eau potable à 2 ppb (μg/L), et l'OSHA fixe l'exposition professionnelle sûre à 0,1 mg/m³ pour un TWA de 8 heures.

Utilisation industrielle : En 2000, une intoxication au thallium en Amérique du Sud a touché plusieurs centaines de personnes qui ont dû être suivies médicalement après avoir été exposées à des résidus associés à l'exploitation minière. Cela montre les dangers de cet élément et la nécessité de prendre des mesures de sécurité rigoureuses.

Questions fréquemment posées

Qu'est-ce que le thallium ?

Il s'agit d'un élément rare très toxique (n° 81) utilisé dans l'électronique, l'optique et les nouveaux matériaux.

Comment le thallium est-il produit ?

Il s'agit d'un sous-produit des minerais de zinc, de cuivre et de plomb, produit par concentration physique, lixiviation acide et processus de réduction.

Quelles sont les principales utilisations industrielles du thallium aujourd'hui ?

Alliages à bas point de fusion, semi-conducteurs, optique IR (KRS-5) et céramiques supraconductrices.

Pourquoi le thallium est-il chimiquement unique ?

Sa neutralité dans les états d'oxydation +1 et +3, sa faible densité et son point de fusion lui confèrent des applications spécialisées dans les matériaux de haute technologie.

Comment l'empoisonnement au thallium est-il contrôlé dans l'industrie ?

Des pratiques de manipulation rigoureuses, des équipements de protection individuelle (EPI) et le contrôle de l'environnement limitent l'exposition dans les secteurs de la fabrication et de la recherche.