Le thallium, de symbole Tl, est l'élément chimique de numéro atomique 81. Il appartient au groupe 13 du tableau périodique ainsi qu'à la famille des métaux pauvres. Son corps simple est un métal gris argenté, assez mou pour être coupé au couteau.
Le thallium est un élément « non essentiel » (il n'a aucune utilité biologique connue), en revanche il est hautement toxique, plus même que le mercure, le plomb et le cadmium. Dans la nature, il est surtout présent sous la forme de sulfures et de silicates, dans certaines roches volcaniques et minerais sulfurés d'autres métaux (fer, plomb, zinc). Après altération des roches-mères en contenant, il devient assez mobile et très biodisponible dans l'eau, les sols, les sédiments et les argiles souterraines.. Autrefois, essentiellement piégé dans les roches profondes, il était rare dans la biosphère. Mais depuis le début de l'ère industrielle, il est largement répandu dans l'environnement par l'Homme, via l'industrie métallurgique et la combustion du charbon notamment. , il est depuis quelques décennies classé parmi les polluants émergents, persistants, devenu préoccupant à échelle mondiale dans l'eau, l'air, les sols, les écosystèmes et dans nos aliments (fruits, légumes et produits d'origine animale)...
Le thallium est principalement présent aux nombres d'oxydation I et III. Plusieurs de ses sels (acétates et nitrates, notamment) sont très solubles dans l'eau et bioaccumulables. Ils sont également très réactifs lorsqu'ils sont exposés à l'humidité de l’air ou du sol, libérant alors deux sortes d'ions thallium : l'ion thalleux monovalent (thallium(I), Tl, Tl), hautement toxique, et l'ion thallique trivalent (thallium(III), Tl, Tl), moins toxique mais pouvant être réduit en thallium(I).
Le thallium est désormais classé « polluant prioritaire » dans un nombre croissant de pays, notamment par l'Environmental Protection Agency américaine et par la directive-cadre européenne sur l'eau.. En raison de la toxicité de ce métal, ainsi que de son augmentation dans l'environnement et les aliments, des scientifiques appellent à renforcer urgemment la surveillance de ce métal, dans l'environnement et dans la chaîne alimentaire.
Histoire thumb|left|William Crookes, qui a découvert l'existence du thallium (ici photographié en 1906). thumb|left|Claude-Auguste Lamy, le chimiste qui a le premier isolé le thallium.
Le thallium a été découvert par le chimiste anglais William Crookes en mars 1861 en Angleterre. Celui-ci recherchait, au moyen de la spectroscopie, du tellure dans des dépôts prélevés dans les conduits d'évacuation des fumées d'un four où du minerai de sélénium (pyrite sélinifère) avait été grillé.. Le spectroscope de Crookes révèle alors une ligne verte jusque-là inconnue (de longueur d'onde = ), que le chimiste a attribué à un nouvel élément.. Cette couleur évoquant celle d'une jeune végétation, il nomme cet élément « thallium » (qui en latin scientifique, provient du grec , « jeune pousse, jeune branche » ou « branche d'olivier ».. ; le même étymon ayant donné en français le mot thalle) et le classe d'abord dans le groupe du soufre 3.
En 1862 et 1863, les propriétés physicochimiques de ce thallium sont étudiées par Crookes... ainsi que par un autre chimiste : Claude-Auguste Lamy.... Ce dernier est le premier à isoler, en 1862 à Lille, de thallium métallique., à partir de boues de chambres de plomb d'une usine belge produisant de l'acide sulfurique. Lamy prouve aussi qu'il s'agit d'un métal.
En étudiant ce produit, Lamy ressent une faiblesse et des douleurs dans les jambes. Ceci le conduit à tester la toxicité du sulfate de thallium. Pour cela, il en fait ingérer par des chiens, des canards et des poules. Tous en meurent en quelques jours, après des troubles intestinaux et respiratoires, une paralysie périphérique et une faiblesse générale. De son côté, Crookes met en doute la toxicité du thallium. Il affirme avoir ingéré plusieurs grains d'un composé de thallium (quel composé ?) sans en souffrir. Mais en France, deux autres chercheurs, Paulet, en 1863., puis Louis Grandeau, l'année suivanteGrandeau, L.: Jahresber, Chem., 1863: 256.., confirmeront la haute toxicité du thallium, toxicité qui s'est révélée dans leurs expériences plus élevée que celle du plomb.
Au , le thallium ne prend de la valeur qu'à partir des années 1920, quand on commence à en faire des poisons et pesticides largement commercialisés. Ces derniers seront ensuite progressivement abandonnés, mais le thallium trouve alors de nouveaux usages dans le secteur des techniques de pointe.
Le thallium est depuis des décennies identifié par les chercheurs comme le plus toxique des métaux lourds, mais, durant plus d'un siècle, il a été peu recherché dans l'environnement (ni dans les boissons et les aliments), et il n'a suscité que peu d'intérêt dans les priorités liées à l'eau potable., à l'agriculture et à l'alimentation.
Il faut attendre 2014, pour qu'en République tchèque une étude révèle que les légumes de la famille des crucifères ( chou frisé, brocoli, chou-fleur) tendent à bioaccumuler des niveaux élevés de thallium1. Puis en 2019, d'autres chercheurs dosent le thallium dans 107 vinaigres balsamiques vendus dans trois pays (Italie, Espagne et Japon), pour constater que 32 % des échantillons contenaient plus de de thallium (limite de détection de l'étude), avec des taux préoccupants trouvés dans les vinaigres balsamiques de Modène, qui en contenaient en moyenne , soit plus de 10 fois le seuil de sécurité recommandée par l'Organisation mondiale de la santé. Ce thallium pourrait naturellement provenir du sol via le vin transformé en vinaigre ou provenir de l'extraction minière, et/ou de l'utilisation de pesticides en contenant des traces, ou du bois utilisé pour les tonneaux.
En France, concernant l'eau, il faut attendre le PNSE III (2018-2019) et l'interpellation par un rapport, pour que des analyses soient faites sur les captages des départements de la Manche, de l’Orne et du Calvados. Elles ont montré qu’une vingtaine de captages d'eau potable de l’Orne et du Calvados produisaient une eau contenant plus de de thallium par litre. Les nappes concernées sont dans une zone de contact entre les strates géologiques du Bajocien-bathonien et le socle dans les départements du Calvados et de l’Orne, une zone naturellement riche en thallium. Souvent, l'opérateur du captage ne peut que mélanger l'eau contaminée avec une eau propre en proportions, afin de descendre sous les seuils réglementaires ( pour l'eau potable). Dans les réseaux d'eau, le thallium peut s'oxyder, être fixé sur les parois de réservoirs et/ou de conduites d'eau, dont sous forme colloïdale et de biofilm bactérien ; il peut aussi décanter sous forme de particules, ou encore interagir avec le chlore utilisé pour la potabilisation. De plus, des changements de débits d’exhaure, des accidents ou des travaux sur le réseau, des opérations de purges de réseau incendie peuvent rehausser le niveau de thallium dans les réseaux pour des semaines voire des mois..
thumb|left|upright=2|Raie verte correspondant au spectre du thallium (longueur d'onde : ), découverte par William Crookes en 1861.
Caractéristiques notables vignette|Morceaux de thallium dans une ampoule.
C'est un métal gris, malléable, très tendre (il se coupe au couteau), qui ressemble à l'étain et au plomb et se ternit comme eux lorsqu'il est exposé à l'air.
Classification thumb|Diagramme des couches électroniques du thallium ( élément du tableau périodique des éléments). Après sa découverte, le thallium a été difficile à classer . Dans la classification périodique des éléments, le thallium élémentaire a des caractéristiques physiques ( apparence, poids spécifique, dureté, point de fusion ou encore conductivité électrique) similaires à celles du plomb, mais si la plupart des sels de Tl(I) ont des propriétés chimiques évoquant celles du plomb, leur valence et d'autres caractéristiques les en distinguent bien. En outre, Tl(I) ressemble aux métaux alcalins dans les spectres de flamme, en termes de solubilité de l'hydroxyde et du sulfate et du carbonate dans l'eau ; ou encore car il s'oxyde aisément dans l'air ; et enfin car il peut former des « aluns de thallium » ; on observe d'ailleurs un isomorphisme de certains de ses sels avec ceux du potassium, du césium et du rubidium. Cependant, ..
Caractéristiques physiques La corrélation pour la masse volumique du liquide est donnée dans la référence. ; Des équations d'état relatives aux propriétés sur la courbe de pression de vapeur saturante sont données dans la référence ; Des équations d'état décrivant la viscosité dynamique du liquide et du gaz sont données dans la référence ; L'équation d'état décrivant le coefficient d'auto-diffusion du liquide le long de l'isobare atmosphérique est donnée dans la référence.
Le potentiel d’oxydation pour la réaction Tl(I) à Tl(III) est très faible (), et les halogénures Tl(I) ont une énergie de réseau beaucoup plus élevée que les halogénures Tl(III) (Lin et Nriagu 2011).
En raison d'un grand rayon ionique et un nombre de coordination élevé, pour le géologue, c'est un élément incompatible..
Solubilité : elle varie selon ses sels : l'acétate de thallium (jaune clair à blanc) est très soluble dans l'eau, même froide, alors que le chlorure ou d'iodure ou d'hydroxyde est peu ou pas soluble.
Isotopes
Le thallium a 37 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 176 et 212, et 42 isomères nucléaires. Parmi eux, seuls deux, 203Tl et 205Tl, sont stables et constituent la totalité du thallium naturel (si l'on excepte les traces de radioisotopes naturels à faible durée de vie, issus des chaînes de désintégration des isotopes de l'uranium et des isotopes du thorium), dans un ratio 30/70. La masse atomique standard attribuée au thallium est de .
Le rapport entre les isotopes stables du thallium (rapport 205Tl / 203Tl) est utilisé pour identifier ou confirmer/infirmer l'origine d'une pollution ; tout en sachant que la composition isotopique du thallium (son « empreinte digitale ») dépend aussi des processus du sol ( les oxydes de Mn(III,IV) spécifiques (principalement la birnessite), en raison de leur capacité potentielle de sorption oxydative de thallium, c'est-à-dire, indiquant que les réactions redox Tl sont un facteur de contrôle critique du fractionnement des isotopes stables de thallium dans les sols et sédiments).. Certaines plantes (de la famille Brassica notamment) sont hyperaccumulatrices de thallium. On constate chez elle un fractionnement isotopique de thallium tout au long de la voie de translocation du sol vers le haut de la plante. De nombreuses plantes cultivées peuvent ainsi se contaminer à partir des sols, de l'eau et de l'air. ; .
Dérivés organométalliques Il en existe beaucoup.
Par exemple, uniquement en condition anaérobie (dans le sédiment en général), certaines bactéries transforment le thallium en diméthylthallium. Avec le développement des zones marines mortes, et l'importance des bouchons vaseux estuariens, l'anaérobiose semble plus fréquente sur les plateaux continentaux.. En 2006, on lisait encore dans Van Nostrand's Scientific Encyclopedia que . ; pourtant, en 2000, des analyses d'eau de mer de surface et celles d'un profil de colonne d'eau effectué jusqu'à , ont dosé 0,5 à 3,2 ng L−1 de diméthylthallium (pour une limite de détection de 0,4 ng L−1) dans environ 20 % des échantillons, et 3 à 48 % du thallium total y était du diméthylthallium ((CH3)2Tl+,). En surface, ce diméthylthallium était corrélé à des taux plutôt élevés de chlorophylle a (indicateur de la bioactivité) et souvent à des pics d'autres composés biométhylés (triméthylplomb, le monométhylcadmium et sulfure de diméthyle). En profondeur, il était plus concentré entre 40 et (segment de bioactivité). Enfin, de , on en trouvait encore des quantités importantes..