탈륨

3. 특성

탈륨은 실온에서 가위로 자를 수 있을 정도로 아주 무르고 연성이 뛰어난 금속이다. 회색의 금속성 광택을 띠지만, 공기 중에 노출되면 산화물이 형성되면서 급격히 청회색으로 변색되어 납과 비슷한 색을 띤다.^[9] 물 속에서는 수산화 탈륨을 형성하고, 황산과 질산에는 빠르게 녹아 각각 황산염과 질산염을 형성하며, 염산에는 불용성 탈륨(I) 염화물 층을 형성한다.^[9]

주 산화 상태는 +1과 +3이다. +1 산화 상태에서는 칼륨이나 은과 비슷한 성질을 나타내어 발견 직후 몇 년간 알칼리 금속으로 잘못 분류되기도 하였다. +3 산화 상태에서는 알루미늄과 비슷한 성질을 띠며, 강력한 산화제이다. 산화 탈륨(III)(Tl₂O₃)은 흑색 고체로, 800도 이상의 고온에서 산화 탈륨(I)(Tl₂O)과 산소로 분해된다.

최근에는 고온 초전도체로 사용할 수 있는 특징이 발견되어 연구 중에 있다.

3. 1. 전자 구조 및 화학적 성질

탈륨은 13족 원소 중 표준 조건에서 +3 산화 상태가 +1 산화 상태로 환원되는 것이 자발적인 첫 번째 원소이다.^[6] 결합 에너지는 주기율표에서 아래로 내려갈수록 감소하므로, 탈륨의 경우 두 개의 추가 결합을 형성하고 +3 상태에 도달하는 데 방출되는 에너지가 항상 6s 전자를 포함하는 데 필요한 에너지를 상쇄하기에 충분하지 않다.^[8] 따라서 탈륨(I) 산화물과 수산화물은 더 염기성이고, 탈륨(III) 산화물과 수산화물은 더 산성이다. 이는 탈륨이 낮은 산화 상태에서 더 전기 양성인 원소의 일반적인 규칙을 따른다는 것을 보여준다.^[8]

탈륨은 상온에서 칼로 절단할 수 있을 만큼 전성이 있고 인성이 있다. 금속 광택을 가지고 있으며, 공기에 노출되면 납과 비슷한 푸른빛이 도는 회색으로 빠르게 변색된다. 기름에 담가 보관할 수 있다. 공기 중에 방치하면 탈륨에 두꺼운 산화물 층이 형성된다. 물이 있으면 탈륨 수산화물이 생성된다. 황산과 질산은 탈륨을 빠르게 용해시켜 황산염과 질산염 염을 생성하고, 염산은 불용성 탈륨(I) 염화물 층을 형성한다.^[9] 이름의 유래는 그리스어의 "녹색의 작은 가지"를 의미하는 ''thallos''이며, 이는 원자 스펙트럼이 녹색이기 때문이다.

단체는 상온에서는 은백색의 무른 금속으로 존재하며, 육방최밀충진구조(α탈륨)가 가장 안정적이지만, 약 230 ℃ 이상에서는 체심입방구조(β탈륨)가 가장 안정적이 된다. 비중 11.85, 녹는점 302.5 ℃, 끓는점 1473 ℃이다. 13족 원소이지만 이온은 1가(Tl⁺)가 안정적이다. 물과 반응하여 강염기인 수산화탈륨을 만들고, 체내에 들어가면 칼륨 이온과 치환됨으로써 독성을 나타내는 등, 화학적 거동은 다른 13족 원소보다 칼륨에 가깝다. 이 때문에 금속 탈륨은 석유 속에 보관해야 한다.

4. 동위 원소

탈륨은 원자량 184에서 210 사이에 25가지의 동위 원소가 존재한다. 이들 중 ²⁰³Tl과 ²⁰⁵Tl만이 안정 동위 원소이며, 탈륨의 방사성 동위 원소 중 가장 안정한 것은 ²⁰⁴Tl으로 반감기가 약 3.78년이다.^[10]203Tl과 ²⁰⁵Tl은 천연 탈륨의 거의 대부분을 차지한다. ²⁰⁶Tl부터 ²¹⁰Tl까지 다섯 가지의 수명이 짧은 동위원소는 무거운 원소들의 자연적인 붕괴 사슬의 일부이기 때문에 자연에서 발견된다. ²⁰⁴Tl은 반감기가 3.78년인 가장 안정적인 방사성 동위원소로, 핵 반응로에서 안정적인 탈륨의 중성자 활성화에 의해 생성된다.^[10][11] 가장 유용한 방사성 동위원소인 ²⁰¹Tl(반감기 73시간)은 전자 포획에 의해 붕괴되어 X선(약 70–80 keV)과 135 및 167 keV의 광자를 총 10%의 풍부도로 방출한다.^[10] 따라서 과도한 환자 방사선량 없이 우수한 영상 특성을 가지며, 탈륨 핵 심장 스트레스 검사에 가장 많이 사용되는 동위원소이다.^[12]

5. 존재

탈륨은 지각에 약 0.7ppm 정도 포함되어 있으며, 칼륨을 포함한 광물에 많이 포함되어 있으나 실용적인 목적으로는 사용하지 못한다. 대부분 구리, 납, 아연이나 기타 중금속을 제련하는 과정에서 얻거나 탈륨 화합물을 포함한 광석에서 황산을 제조하기 위해 처리할 때 부산물로서 얻는 경우가 대부분이다.^[34] 가끔씩 안티모니, 비소, 구리, 납, 은 등의 황화물을 포함한 광석에도 들어 있으나 이들은 자연에서 쉽게 발견되지 않으며, 현재까지도 이러한 광물을 채굴하는 곳은 남부 마케도니아의 일부 광산뿐이다.

탈륨의 지각 내 농도는 약 0.7 mg/kg으로 추정되며,^[34] 대부분 점토, 토양, 화강암 등에 존재하는 칼륨 기반 광물과 관련이 있다. 실용적인 목적으로 탈륨의 주요 공급원은 구리, 납, 아연 및 기타 중금속 황화물 광석에 미량으로 존재하는 것이다.^[35][36]

6. 화합물

탈륨(III) 화합물은 해당 알루미늄(III) 화합물과 유사하며, 중간 정도의 강한 산화제이다. 탈륨(III) 산화물(Tl₂O₃)는 검은색 고체이며 800 °C 이상에서 분해되어 탈륨(I) 산화물과 산소를 형성한다.^[9] 가장 간단한 탈륨 화합물인 탈란(TlH₃)은 불안정하여 대량으로 존재하기 어렵다.^[13] 삼할로겐화물은 더 안정적이지만, 가벼운 13족 원소의 삼할로겐화물과는 화학적으로 구별되며 여전히 전체 그룹에서 가장 불안정하다. 예를 들어, 탈륨(III) 플루오라이드(TlF₃)는 β-BiF₃ 구조를 가지며, 수용액에서 복합 음이온을 형성하지 않는다. 삼염화물과 삼브롬화물은 실온보다 약간 높은 온도에서 일할로겐화물을 생성하도록 불균등화되며, 탈륨 삼요오다이드는 삼요오다이드 음이온을 포함하며 실제로는 탈륨(I) 화합물이다.^[14]

탈륨(I) 화합물은 안정적이며, 탈륨(I) 할로겐화물은 감광성을 나타내며 물에 대한 용해도가 낮다. 산화물, 수산화물, 탄산염 등도 안정적으로 알려져 있다.^[16]

유기 탈륨 화합물은 13족 원소의 열적 안정성 감소 경향에 따라 열적으로 불안정한 경향이 있다. Tl–C 결합의 화학적 반응성 또한, 특히 이온 화합물에서, 이 족 원소 중 가장 낮다. 탈륨은 수용액에서 안정적인 [Tl(CH₃)₂]⁺ 이온을 형성하며, Hg(CH₃)₂ 및 [Pb(CH₃)₂]²⁺과 마찬가지로 선형 구조를 갖는다. 트리메틸탈륨과 트리에틸탈륨은 해당 갈륨 및 인듐 화합물과 마찬가지로 낮은 녹는점을 갖는 가연성 액체이다. 인듐과 마찬가지로, 탈륨 사이클로펜타디에닐 화합물은 갈륨(III)과는 대조적으로 탈륨(I)을 포함한다.^[21]

6. 1. 주요 화합물

• 황산탈륨(I)(Tl₂SO₄) - 과거 살서제(쥐약)의 원료로 사용되었다.^[80]
• 초산탈륨(I)(CH₃COOTl) - 과거 살서제(쥐약)의 원료로 사용되었다.^[80]
• 질산탈륨(I)(TlNO₃) - 광학 유리 첨가제 등으로 사용된다.^[80]
• 요오드화탈륨(I)(TlI)^[80]
• 염화탈륨(I)(TlCl)^[80]
• 수소화탈륨(III)(TlH₃)^[80]
• 클레리치 용액: 포름산탈륨과 말론산탈륨의 혼합 수용액으로, 과거 비중선광법(중액선광)에 사용되었다.^[80]

7. 용도

탈륨은 과거에 다양한 용도로 사용되었으나, 현재는 독성 때문에 대부분 사용이 제한되거나 금지되었다. 하지만 여전히 여러 분야에서 중요한 역할을 하고 있다.

브롬화 탈륨이나 아이오딘화 탈륨 결정은 적외선 광학계에 사용된다. 이들은 다른 광학 기구에 비해 단단하고 아주 긴 파장의 빛을 통과시킬 수 있어서 많이 사용된다. 산화 탈륨(I)은 굴절률이 큰 유리를 만드는 데 사용된다.^[45]

황화 탈륨(I)은 적외선의 양에 따라 전기 저항이 달라지는 특성이 있어 광저항으로 사용되며, 셀레늄화 탈륨은 적외선 감지기에 쓰인다.^[47]

1988년 탈륨 바륨 칼슘 구리 산화물 초전도체가 발견되면서부터 탈륨을 포함하는 고온 초전도체 물질이 연구되기 시작하였다.^[50] 이러한 고온 초전도체는 MRI, 자기력 저장, 전기력의 생산과 전송 등에 이용될 수 있다.

Thallium^영어의 동위 원소 중 하나인 ²⁰¹Tl은 핵의학에서 심장 질환 여부를 판단하는 데 사용된다.^[10]

7. 1. 과거의 용도

7. 2. 광학 분야

7. 3. 전자 제품 분야

7. 4. 고온 초전도체 분야

7. 5. 의료 분야

8. 주의사항

탈륨과 그 화합물은 독성이 매우 강하므로 취급에 각별한 주의가 필요하다. 1960년대 영국의 토머스 영 연쇄 살인 사건과 같이 탈륨 중독 사례가 다수 존재한다. 탈륨의 1가 양이온(Tl⁺)은 체내에서 칼륨 이온(K⁺)과 비슷한 역할을 하면서도 세포를 구성하는 단백질 분자를 파괴하기 때문이다. 탈륨 화합물에 노출될 경우 눈, 피부, 폐, 간, 신장, 머리카락, 중추 신경계, 소화계통 등에 영향을 미칠 수 있다.^[84]

많은 수용성 탈륨 화합물은 무색무취에 가까워 오랫동안 쥐약, 살충제, 독약 등으로 사용되었으나, 현재는 모두 금지되어 있다. 대한민국에서는 독극물 및 맹독물 관리법에 따라 황산탈륨, 아세트산탈륨 및 질산탈륨을 맹독물로 지정하고 있다.

미국 직업안전보건청(OSHA)은 작업장에서 탈륨 노출에 대한 법적 한계를 8시간 근무일 동안 피부 노출 기준 0.1 mg/m²로 설정했다. 미국 국립 직업안전보건연구소(NIOSH)도 같은 기준의 권장 노출 한계(REL)를 설정했다. 15 mg/m² 수준에서는 탈륨이 즉시 생명 및 건강에 위험한 수준(IDLH)이다.^[69] 피부 접촉은 위험하며, 탈륨을 녹일 때는 충분한 환기가 필요하다. 탈륨(I) 화합물은 수용성이 높아 피부를 통해 쉽게 흡수되므로, 이러한 노출을 피해야 한다.^[70] 흡입 노출은 8시간 평균 0.1 mg/m²를 초과할 수 없다.^[71]

미국 환경보호청(EPA)에 따르면, 인공적인 탈륨 오염원에는 시멘트 공장의 가스 배출, 석탄 연소 발전소 및 금속 하수도가 포함된다. 물에서 탈륨 농도가 높아지는 주요 원인은 광석 처리 과정에서 탈륨이 용출되는 것이다.^[36][76]

8. 1. 중독 증상 및 치료

• 주요 증상

확진은 뇨 배설량을 측정하여 이루어진다.

• 24시간 소변 내 탈륨 농도
• 정상 - 5 ng/mL 이하 (원자흡광 분석에 의함)
• 전혈 중 농도
• 정상치 - 2 µg/L 이하
• 중독 농도 - 100 µg/L 이상
• 200 µg/L 이상

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