Теллур является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 52 и условным обозначением Te. В свободном виде теллур представляет собой серебристо-белый токсичный, мягкий, хрупкий металлоид, который по внешнему виду напоминающий олово и сурьму.
Открытие
После тщательного исследования, длившегося три года и включавшего более пятидесяти анализов, Мюллер определил удельный вес минерала и отметил, что при нагревании новый металл выделяет белый дым с запахом, похожим на запах редиса. Так же стало известно, что он придает красный цвет серной кислоте и при разбавлении этого раствора водой образуется черный осадок. Тем не менее, он не смог идентифицировать этот металл и дал ему названия aurum paradoxum (парадоксальное золото) и metallum problematicum (проблемный металл), поскольку он не проявлял свойств, предсказанных для сурьмы.
В 1789 году венгерский учёный Пал Китаибель независимо обнаружил этот элемент в руде из Дойч-Пильзена, которая ранее считалась серебросодержащим молибденитом, но позже он приписал это открытие Мюллеру. В 1798 году его назвал Мартин Генрих Клапрот, который ранее выделил его из минерала калаверита. В начале 1920-х годов Томас Миджли-младший обнаружил, что теллур предотвращает детонацию двигателя при добавлении в топливо, но исключил его из-за трудноустранимого запаха. Миджли продолжил открытие и популяризацию использования тетраэтилсвинца. В 1960-х годах наблюдался рост термоэлектрических применений теллура (в виде теллурида висмута) и в легкообрабатываемых стальных сплавах, которые стали доминирующим материалом. Эти применения были вытеснены растущей важностью CdTe в тонкопленочных солнечных элементах в 2000-х годах.
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 449,51 ° С |
| Точка кипения | 988 °С |
| Плотность при Н.У. | 6,24 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 2,25 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 17,91 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 49,8 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 25,8 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 20,5 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 52 |
| Атомная масса | 127,6 |
| Электронная конфигурация | 4d105s25p4 |
| Радиус атома | 160 пм |
| Ковалентный радиус | 136 пм |
| Степени окисления | -2, +2, +4, +6 |
| Радиус иона | 56 пм |
| Электроотрицательность | 2,1 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 869 кДж/моль |
| Изотопы | ¹²⁰Te; ¹²¹Te; ¹²²Te; ¹²³Te; ¹²⁴Te; ¹²⁵Te; ¹²⁶Te; ¹²⁷Te; ¹²⁸Te; ¹²⁹Te; ¹³⁰Te |
Добыча и производство
Теллур является редким химическим элементом, содержание которого в земной коре составляет приблизительно 0,01 частей на миллион. В природе он встречается в своей самородной элементарной форме наряду с золотом, а в меньшей степени с серебром, медью, свинцом, висмутом и металлами платиновой группы.
Основными теллурсодержащими минералами являются калаверит (AuTe2), надьагит (AuPb[Pb,Sb,Bi]Te2–3S6), теллурит (TeO2), сильванит ([Au,Ag]Te2), тетрадимит (Bi2Te2S) и земаннит (Mg0,5ZnFe[TeO3]3•4,5H2O). Природный теллур как минерал относится к группе полуметаллов и включен в классификацию минералов по Штрунцу под номером I/B.03-40 или 1.CC.10, а также по Дане под номером 1.3.4.2.
Большая часть теллура добывается из порфировых меднорудных месторождений, где он встречается в следовых количествах. Этот элемент извлекается из анодных шламов электролитической рафинировки блистерной меди. Он является компонентом пыли от доменной рафинировки свинца. Обработка 1000 тонн медной руды дает приблизительно один килограмм теллура. Анодные шламы содержат селениды и теллуриды благородных металлов в соединениях с формулой M₂Se или M₂Te ( M = Cu, Ag, Au). При температуре 500 °C анодные шламы обжигаются с карбонатом натрия на воздухе. Ионы металлов восстанавливаются до металлов, а теллурид превращается в теллурит натрия.
М2Те + О2 + Na2CO3 → Na2TeO3 + 2М + CO2
Металл получают из восстановленного оксида либо путем электролиза, либо путем реакции диоксида теллура с диоксидом серы в серной кислоте.
TeO2 + 2SO2 + 2H2O → Te + 2SO4 + 4H
Теллур промышленного качества обычно продается в виде порошка с размером частиц 200 меш, но также доступен в виде плит, слитков, брусков или кусков. Цена на теллур на конец 2000 года составляла 30 долларов США за килограмм. В последние годы цена на теллур выросла из-за увеличения спроса и ограниченного предложения, достигнув в 2006 году 220 долларов США за фунт. Крупнейшими поставщиками Te по объемам является Китай (340 тонн), Россия (80 тонн), Япония (70 тонн), Канада (50 тонн), Узбекистан (50 тонн), Швеция (40 тонн) и США, но по последним официальных данных нет.
Применение
Основными областями применения теллура были тонкопленочные солнечные элементы (40%), термоэлектрические материалы (30%), металлургия (15%) и резина (5%), причем первые две области применения быстро росли благодаря общемировой «зеленой» тенденции. В металлургии теллур добавляют в сплавы железа, нержавеющей стали, меди и свинца. Он улучшает обрабатываемость меди, не снижая ее высокой электропроводности. Он повышает устойчивость свинца к вибрации и усталости, а также стабилизирует различные карбиды в ковком железе.
Солнечные панели из теллурида кадмия (CdTe) демонстрируют одни из самых высоких показателей эффективности для генераторов электроэнергии на основе солнечных элементов. Элементарный теллур используется в металлургической промышленности, в частности, в качестве добавки (< 1 %) для стали, чугуна, сплавов меди и свинца, а также нержавеющих сталей. Он повышает коррозионную стойкость и улучшает механические свойства и обрабатываемость. Чистый теллур до сих пор использовался в качестве полупроводника в малых количествах. Теллур в основном используется в полупроводниках на основе соединений с валентностью II-VI. Теллурид кадмия (CdTe), например, используется в фотодиодах и тонкопленочных солнечных элементах для генерации электроэнергии из света.
Теллурид висмута Bi2Te3 используется в термопарах для выработки энергии в термоэлектрических генераторах или в элементах Пельтье для охлаждения. Комбинации германия (GeTe) и теллуридов сурьмы (Sb
Стекла на основе диоксида теллура (TeO2) используются в оптических волокнах вместо кварцевого стекла (SiO2) из-за их высоких показателей преломления. Теллур встречается в ряде фотокатодов, используемых в фотоумножителях, нечувствительных к солнечному свету, и в фотоинжекторах высокой яркости, приводящих в действие современные ускорители частиц. Фотокатод Cs-Te, который преимущественно состоит из Cs2Te, имеет порог фотоэмиссии 3,5 эВ и демонстрирует необычное сочетание высокой квантовой эффективности (>10%) и высокой долговечности в условиях плохого вакуума (сохраняет работоспособность в течение нескольких месяцев при использовании в ВЧ электронных пушках). Это сделало его предпочтительным выбором для фотоэмиссионных электронных пушек, используемых в лазерах на свободных электронах. В этом применении он обычно работает на длине волны 267 нм, которая является третьей гармоникой широко используемых титан-сапфировых лазеров. Были выращены и другие фотокатоды, содержащие теллур, с использованием других щелочных металлов, таких как рубидий, калий и натрий, но они не получили такой же популярности как цезий-теллур.
Безопасность
Теллур в растворимой форме является токсичным элементом для человеческого организма и поэтому ранее классифицировался как токсичный. Поскольку элементарный теллур очень плохо растворим в воде и биологических кислотах, его классификация была понижена до уровня вредного вещества. Исследования, проведенные Нидерландской организацией прикладных научных исследований (TNO), показали, что значение LD50 (50% вероятность смерти) при пероральном приеме для крыс составляет > 5000 мг/кг. Значение 83 мг/кг, указанное во многих паспортах безопасности и взятое из книги «Токсикометрические параметры промышленных токсичных химических веществ при однократном воздействии» Н.Ф. Исмерова (1982), относится только к легкорастворимым соединениям теллура. Тем не менее, несколько производителей элементарного теллура (порошка) продолжают использовать старое значение LD50 и токсичную классификацию в сочетании с заявлением H301 («Токсично при проглатывании»).
Теллур не так токсичен, как селен. Это аналогично соседним элементам 15-й группы, где сурьма также менее токсична, чем мышьяк. Если теллур попадает в организм, в основном в виде легкорастворимых соединений теллура, таких как теллураты щелочных металлов (например, Na2TeO3) при пероральном приеме, в результате восстановления образуется токсичный диметилтеллурид. Это может повредить кровь, печень, сердце и почки. Поскольку легкорастворимые соединения теллура выделяют гораздо больше теллура, они также считаются более опасными. Отравление теллуром проявляется сильным чесночным запахом изо рта, впервые описанным в 1824 году Кристианом Готтлобом Гмелином (во время его первых исследований воздействия теллура на живые организмы), который вызывается диметилтеллуридом. Этот запах исчезает лишь через несколько недель и появляется даже в очень малых количествах, которые еще не вызывают серьезного отравления. В отличие от настоящего чеснока, этот чесночный запах нельзя удалить чисткой зубов. Он также сохраняется в помещении и рассеивается лишь через несколько часов. Кроме того, он очень медленно выводится через кожу.
Теллуровая пыль может самопроизвольно воспламеняться на воздухе и, будучи мелкодисперсной, может также взрывообразно реагировать при достаточных концентрациях, образуя диоксид теллура (TeO2). Как и другая металлическая пыль, порошок теллура также может взрывообразно реагировать с межгалогенными соединениями, такими как пентафторид брома (BrF5) . Максимальная допустимая концентрация теллура на рабочем месте (МДК) не установлена.