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tellurium
简介
元素周期表第五周期Ⅵ A族元素，属稀散金属。元素符号Te，原子序数52，元素的相对原子质量127.60，为半金属。
1782年罗马尼亚科学家赖成斯坦(F. M. Von Re-ichenstein)在金矿中发现一种新元素。1798年德国人克拉普罗特(M. H. Klapworth)证实了这种发现，并测定了新元素的特性，以拉丁文Tellus(地球)命名为Tellurium。
性质 碲的金属性质比硫和硒强。碲有晶体和非晶体两种同素异形体。非晶体碲为黑色粉末，加热时转变为晶体。晶体碲呈银白色，为六方晶体，有α和β两种变体，相变温度为627K。碲在常温下性脆，加热后可挤压加工。碲晶体的许多物理性质，如压缩性、强度、热膨胀、光吸收、电导率和电磁性等都具有各向异性。碲及其许多合金和金属间化合物都具有半导体和温差电性能。碲的薄膜呈红棕色到紫色，能透过红外线而不透过可见光。碲的光电效应微弱，一般为灰硒的0.01%。碲的主要物理性质列于表1。碲的一些蒸气压数据列于表2。
表1 碲的主要物理性质
| 性 质 | 数 据 | 性 质 | 数 据 |
| 半径r/pm |
原子143.2;Te4+97，Te6+56，Te2-211; 共价137 |
热导率λ/W·m-1·K-1 电阻率ρ/Ω·m |
2.35(300K) 4.36×105(298K) |
|
熔点T/K 沸点T/K 熔化热Q/kJ·mol-1 气化热Q/kJ·mol-1 密度ρ/kg·m-3 |
722.7 1263.0 13.5 104.6 6.240×103(293K) |
摩尔体积Vm/cm3 线胀系数αl/K-1 热中子吸收截面σ/b 电子亲和势(Me→Me-)A/kJ·mol-1 比热容C/J·kg-1·K-1 |
20.45 16.75×10-6 4.7±0.1 190.2 196(293K) |
表2 碲的一些蒸气压数据
| 蒸气压p/Pa | 133.3 | 666.5 | 1333.0 | 2666.0 | 5332.0 | 7800.0 | 13330.0 | 26660.0 |
| 温度T/K | 793 | 878 | 923 | 970 | 1026 | 1062 | 1081 | 1183 |
碲原子的外电子层构型为〔Kr〕 4d105s25p4。碲有-2、0、+2、+4及+6多种价态。碲在常温下的空气中较稳定;在氧气中加热时，燃烧生成氧化碲(TeO)或二氧化碲(TeO2)，后者更为稳定。碲不溶于盐酸，可溶于热浓硫酸、硝酸和苛性碱中。碲几乎能与所有的金属反应生成碲化物并放出大量的热。碱金属的碲化物可溶于水，重金属的碲化物不溶于水。碲可与卤素反应生成卤化物，但不与氢、碳及氮等作用。碲与硫在熔融状态下可以互溶，但碲的硫化物很不稳定，加热离解为碲和硫。
毒性 碲是人体非必需的、有隐毒性的微量元素。碲的微粉、蒸气被人体吸入后造成出汗障碍，导致中毒者有怠倦和呕吐感，并持续数周口臭，这是碲中毒的明显症状。汗、尿、呼气的恶臭是碲中毒的特征。作业区空气中碲的最高允许浓度0.1～0.05mg/m3。
化合物 所有碲的化合物几乎都有毒，具有工业价值的碲的化合物有氧化物、硫化物、碲酸和亚碲酸及卤化物等。
(1)氧化物。在碲的氧化物中，最重要的是TeO2，其次是TeO3。TeO2为白色晶体，密度6020kg/m3，在723K左右开始挥发，熔点1006K，熔体呈暗黄色。TeO2是两性氧化物，虽是酸酐但在水中溶解度极小，约为6×10-4%，易溶于浓酸和碱中，并能被氢、亚硫酸钠等还原剂还原析出元素碲。TeO3有α、β两种变体，α-TeO3呈棕黄色，密度5070kg/m3;β-TeO3呈灰色，密度6210kg/m3。两者都是吸湿性物质，均不溶于水、弱酸或碱中，但可为KOH的溶液溶解生成碲酸盐：
TeO3+2KOH
K2TeO4+H2O
TeO3在高于773K的温度下发生离解生成TeO2和O2：
2TeO3
2TeO2+O2
TeO为黑色无定形物质，易被空气中的氧氧化，在真空中加热发生歧化反应：
2TeO
TeO2+Te
(2)碲酸和亚碲酸。碲酸 (H2TeO4·2H2O)为无色晶体物质，有单斜与立方两种晶形，前者密度3070kg/m3，熔点393K; 后者密度3170kg/m3，熔点409K。碲酸在空气中稳定，易溶于水呈弱酸性，但难溶于硝酸。碲酸在高于433K温度时脱水转变成粒状的H2TeO4，高于673K温度离解为TeO2。碲酸具有氧化性，可被SO2、联胺、甚至氯化氢还原为元素碲。亚碲酸 (H2TeO3)为白色粉末，是一种两性物质。其碱性较弱，高于室温时脱水转为TeO2。它难溶于水，在溶液中稳定，能被SO2还原成元素碲。碱金属的亚碲酸盐易溶于水，而重金属的亚碲酸盐则难溶于水。
(3)硫化物。碲的硫化物很不稳定，加热即离解为碲和硫。TeS2为棕色物质，易分解也易溶于 (NH4)2S中，但不溶于盐酸。
(4)卤化物。碲的卤化物是 一类重要的化合物，它们的主要性质列于表3中。
表3 卤化碲的主要性质
| 名 称 | 化学式 | 存在形态 | 密度ρ/kg·m-3 | 熔点T/K | 沸点T/K |
|
六氟化碲 四氟化碲 |
TeF6 TeF4 |
无色气体 无色固体 |
3020～3760 |
235.2 402.6 |
234.1(升华) 466.8 |
|
四氯化碲 二氯化碲 |
TeCl4 TeCl2 |
鲜黄色晶体，栗色液体 灰色粉末，紫色气体 |
2950～3010 |
497～500 448 |
661～663 597 |
|
四溴化碲 二溴化碲 |
TeBr4 TeBr2 |
橙红色晶体 棕褐色晶体 |
4310 |
636～653 513 |
693～694 612 |
|
四碘化碲 二碘化碲 |
TeI4 TeI2 |
灰色晶体 黑色晶体 |
5140 |
532 481 |
553.3 593 |
用途 二次大战时碲还未获广泛应用，至80年代世界碲的消耗量每年在220t左右。碲用得最多的是冶金工业，约占55%。碲在冶金中作合金添加剂起使钢、铜和铜合金的机械加工性能变好及使铅的抗震抗疲劳性增强的作用。其次是化学玻璃和制药工业，约占25%。碲在化学工业中作橡胶硫化过程加速剂、化工过程催化剂;在玻璃工业中用作玻璃和陶瓷的着色剂、脱色剂及用于制造特殊光学玻璃; 在制药工业中用作消毒剂、杀虫剂、灭菌剂和抗氧化剂。碲在电子工业中的用量约占15%。碲用作复印机和印刷机的光感受器材料的合金成分，碲的作用是可以扩大复印机的光谱范围。CdTe、PbTe、(PbSn) Te和(HgCd) Te等，是制造太阳能电池、辐射探测器和红外探测器的材料。辐射探测器和红外探测器可进行黑夜监视、地面资源勘探及武器探测等。1958年利用PbTe、Pb-SnTe、(Bi1-xSbx)2Te3、Bi2(Te1-xSex)等的热电转换特性，制成了热电转换器件。这些热电转换器件用于宇航动力系统的热发电机、军用器件动力、电话微波装置、单体飞行衣冷却器、水底导弹特殊冷却装置、潜艇空气调节和清除CO2用的分子筛联合装置。碲的其他用途占5%，如制造雷管、密封剂及半导体掺杂剂等。
资源和提碲原料 碲的地壳丰度为1×10-7%。全世界碲的远景储量约为16万t，主要分布在美国、加拿大、中国、智利和前苏联等国家。除在中欧和玻利维亚等地区曾发现少量单质碲外，碲主要与黄铁矿、黄铜矿和闪锌矿等共生。碲在这些矿中的含量仅为0.001%～0.1%。重要的碲矿物有十多种，其中有碲金矿AuTe2、碲金银矿(AgAu)2Te、辉碲铋矿Bi2TeS2、碲铜矿Cu5Te3及针碲矿(AuAg) Te2等，但均无工业价值。工业上提取碲的主要原料是铜电解阳极泥，生产1t电解铜约可回收50g碲。其次为有色金属冶炼厂的烟尘，硫酸厂酸泥。此外，碲材加工后的边角料是重要的碲二次资源。
提取冶金 主要涉及碲回收和碲提纯两大环节。碲回收 碲的综合回收方法，因所用原料不同而异，一般分为粗TeO2制备、TeO2精制、元素碲生产三个阶段，产出的是粗元素碲。从含碲物料回收碲的主要方法，有硫酸化法提硒碲、氯化法提硒碲、苏打法提硒碲以及萃取法提硒碲等。1975年，斐济发明了帝国碲化物浸出回收碲的方法，实现了从碲金矿中直接回收碲。该法先将浮选获得碲金精矿进行苏打氧化焙烧，氧化焙烧所得的焙砂用氰化法提金，氰化法提金后渣用Na2S溶出碲，过滤后向滤液中加入Na2SO3以还原沉淀出TeO2，进而生产元素碲。碲的回收率达88%。碲提纯 从碲回收环节中产出的工业级碲纯度一般为99%左右。但近年来对碲纯度要求越来越高，如复印机用的是99.999%的高纯碲，半导体用的是99.9999%以上的超高纯碲。从工业级碲提纯成高纯碲或超高纯碲是在化学提纯的基础上，再采用真空蒸馏(见真空精炼)和区域熔炼精制相结合的提纯方法，也可根据原料碲的纯度，单独使用其中一种方法。