Теллур. Описание теллура
Открыт Ф.Мюллером в 1782 г. Название элемента происходит от латинского tellus, родительный падеж telluris, Земля (название предложил М.Г. Клапрот, который выделил элемент в виде простого вещества и определил его важнейшие свойства).
Получение:
В природе существует как смесь 8 стабильных изотопов (120, 122-126, 128, 130). Содержание в земной коре 10 -7 %. Основные минералы - алтаит (PbTe), теллуровисмутит (Bi 2 Te 3), тетрадимит (Bi 2 Te 2 S), содержится во многих сульфидных рудах.
Получают из шламов производства меди выщелачиванием раствором NaOH в виде Na 2 TeO 3 , откуда теллур выделяется электролитически. Дальнейшая очистка - сублимацией и зонной плавкой.
Физические свойства:
Компактный теллур серебристо-серое вещество с металлическим блеском, имеющее гексагональную кристаллическую решетку (плотность 6,24 г/см 3 , температура плавления - 450°С, кипения - 990°С). Из растворов осаждается в виде коричневого порошка, в парах состоит из молекул Te 2 .
Химические свойства:
На воздухе при комнатной температуре теллур устойчив, при нагревании реагирует с кислородом. Взаимодействует с галогенами, со могими металлами вступает в реакцию при нагревании.
При нагревании теллур окисляется водяным паром с образованием оксида теллура(II), взаимодействует с концентрированными серной и азотной кислотами. При кипячении в водных растворах щелочей диспропорционирует аналогично сере:
8 Te + 6NаОН = Na 2 TeO 3 + 2Na 2 Te + 3H 2 O
В соединениях проявляет степени окисления -2, +4, +6, реже +2.
Важнейшие соединения:
Оксид теллура(IV),
диоксид теллура, TeO 2 , плохо растворим в воде, кислотный оксид, реагирует со щелочами, образуя соли теллуристой кислоты. Применяется в лазерной технике, компонент оптических стекол.
Оксид теллура(VI)
, триоксид теллура, TeO 3 , желтое или серое вещество, в воде практически не растворимо, при нагревании разлагается образуя диоксид, реагирует со щелочами.
Получают разложением теллуровой кислоты.
Теллуристая кислота
, H 2 TeO 3 , малорастворима, склонна к полимеризации, поэтому обычно представляет собой осадок с переменым содержанием воды
TeO 2 *nH 2 O. Соли - теллуриты
(M 2 TeO 3) и полителлуриты (M 2 Te 2 O 5 и др.), обычно получают спеканием карбонатов с TeO 2 , применяются как компоненты оптических стекол.
Теллуровая кислота
, H 6 TeO 6 , белые кристаллы, хорошо растворима в горячей воде. Очень слабая кислота, в растворе образует соли состава MH 5 TeO 6 и M 2 H 4 TeO 6 . При нагревании в запаянной ампуле была получена также метателлуровая кислота H 2 TeO 4 , которая в растворе постепенно превращается в теллуровую.
Соли - теллураты
. Получают также сплавлением оксида теллура(IV) со щелочами в присутствии окислителей, сплавлением теллуровой кислоты с карбонатом или оксидом металла. Теллураты щелочных металлов растворимы. Применяются как сегнетоэлектрики, ионообменники, компоненты люминисцирующих составов.
Теллуроводород
, H 2 Te - ядовитый газ с неприятным запахом, получают гидролизом теллурида алюминия. Сильный восстановитель, в растворе быстро окисляется кислородом до теллура. В водном растворе кислота, более сильная чем серо- и селеноводородная. Соли - теллуриды
, получают обычно взаимодействием простых веществ, теллуриды щелочных металлов растворимы. Многие теллуриды p- и d- элементов - полупроводники.
Галогениды
. Известны галогениды теллура(II), например TeCl 2 , солеподобные, при нагревании и в растворе диспропорционируют на Te и соединения Te(IV). Тетрагалогениды теллура - твердые вещества, в растворе гидролизуются с образованием теллуристой кислоты, легко образуют комплексные галогениды (например K 2 ).
Гексафторид TeF 6 , бесцветный газ, в отличие от гексафторида серы легко гидролизуется, образуя теллуровую кислоту.
Применение:
Компонент полупроводниковых материалов; легирующая добавка к чугуну, сталям, сплавам свинца.
Мировое производство (без СССР) - около 216 т/год (1976).
Теллур и его соединения токсичны. ПДК около 0,01 мг/м 3 .
См. также:
Теллур // Википедия. . Дата обновления: 20.12.2017. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=89757888 (дата обращения: 25.12.2017).
Открытие элементов и происхождение их названий. Теллур //
URL: http://www.chem.msu.su/rus/history/element/Te.html
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Теллур расположен в пятом периоде VI группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы.
Относится к элементам p -семейства. Металлоид. Обозначение - Te. Порядковый номер - 52. Относительная атомная масса - 127,60 а.е.м.
Электронное строение атома теллура
Атом теллура состоит из положительно заряженного ядра (+52), внутри которого есть 52 протона и 76 нейтронов, а вокруг, по пяти орбитам движутся 52 электрона.
Рис.1. Схематическое строение атома теллура.
Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:
52Te) 2) 8) 18) 18) 6 ;
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 4 .
Внешний энергетический уровень атома теллура содержит 6 электронов, которые являются валентными. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:
Валентные электроны атома теллура можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):
|
Подуровень |
||||
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Таким образом, для частиц S +6 , S 0 , S +4 и S -2 общее количество электронов в электронных оболочках будет равно 10, 16, 12 и 18, соответственно. Тогда, таблица примет следующий вид:
ПРИМЕР 2
Таким образом, для частиц C +4 , Al +3 , F и C 0 общее количество электронов в электронных оболочках будет равно 2, 10, 10 и 6, соответственно. Тогда, таблица примет следующий вид:
Те - хим. элемент VI группы периодической системы элементов; ат. н. 52, ат. м. 127,60. Блестящее серебристо-серое хрупкое вещество с металлическим блеском. В соединениях проявляет степени окисления -2, +4 и +6. Природный В состоит из восьми стабильных изотопов с массовыми числами 120,122-126, 128 и 130. Известны 16 радиоактивных изотопов с периодом полу-распада от 2 до 154 дней. Наиболее распространены тяжелые с массовыми числами 128 и 130. Т. открыл (1782) венг. исследователь Ф. Мюллер фон Рейхенштейн. Теллур относится к рассеянным редким элементам, его содержание в земной коре 10-7%. Содержится во многих минералах с золотом, серебром, платиной, медью, железом, свинцом, висмутом, в сульфидных минералах. Кристаллическая решетка Т. гексагональная с периодами а - 4,4570 А и с = 5,9290 А. Плотность (т-pa 20р С) 6,22 г/см3; /пл 449,5° С; tкип 990±2° С.
Известна «аморфная» модификация Теллура (порошок темно-коричневого цвета), необратимо переходящая в кристаллическую при нагревании. Температурный коэфф. линейного расширения поликристаллического Т. (16-17) 10-6 град-1,у коэфф. теплопроводности (т-ра 20° С) 0,014 кал/см X X сек х град; удельная теплоемкость (т-ра 25° С) 0,048 кал/г х град. Т.- полупроводник с шириной запрещенной зоны 0,34 эв. Электропровод-ность Т. зависит от чистоты и степени совершенства кристалла. В наиболее чистых образцах она равна ~0,02 ом-1 х см-1 . Подвижность электронов 1700, подвижность дырок 1200 см2/в х сек. При плавлении Теллур переходит в металлическое состояние. Теллур диамагнитен, удельная магнитная восприимчивость - 0,3 10-6 см3/г (при комнатной т-ре). Твердость по шкале Мооса 2,0-2,5; ср. микротвердость 58 кгс/мм2 , модуль норм, упругости 4200 кгс/мм2, коэфф. сжимаемости (т-ра 30° С) 1,5-10 6 см2/кгс. Монокристаллы Теллура с ориентацией по (0001) хрупко разрушаются при напряжении 14 кгс/мм2.
По хим. св-вам Т. напоминает серу я. , но менее активен. При комнатной т-ре не окисляется на воздухе, при нагревании сгорает с образованием двуокиси Те02 - белого кристаллического , мало растворимого в воде. Известны также ТеО и Те03, менее устойчивые, чем Те02. При обычных условиях Теллур очень медленно взаимодействует с водой с выделением водорода и образованием ной серной к-те с образованием раствора TeS03 красного цвета; при разбавлении водой протекает обратная реакция с выделением теллура. Т. растворяется в азотной к-те с образованием теллуристой к-ты Н2Те03, в разбавленной соляной к-те растворяется слабо.
В щелочах теллур растворяется медленно. С водородом образует теллуристый Н2Те - бесцветный газ с неприятным запахом, конденсирующийся при т-ре -2° С и затвердевающий при т-ре -51,2° С, нестойкое соединение, легко разлагающееся под действием даже слабых окислителей. Стабильных при обычных условиях сульфидов Теллур не образует, соединение TeS2 устойчиво при т-ре до -20° С. С селеном Т. образует непрерывные твердые растворы. Известны состава ТеХв (только фторид), ТеХ4 и ТеХ2, к-рые получают непосредственным взаимодействием элементов. При комнатной т-ре все - твердые , частично разлагающиеся водой; только TeFe - бесцветный газ с неприятным запахом. При нагревании Т. реагирует со многими металлами, образуя .
Сырьем для получения Теллура служат шламы медноникелевого и сернокислотного произ-ва, а также продукты, получаемые при рафинировании свинца. Анодные шламы перерабатывают кислотным или щелочным способом, переводя Т. в четырехвалентное состояние и затем восстанавливая его сернистым газом из растворов в концеитриров. соляной к-те либо электролитически. Кроме того, материалы, содержащие Т., можно перерабатывать хлорным методом. Теллур высокой чистоты получают сублимацией и зонной перекристаллизацией (наиболее эффективный способ глубокой очистки, позволяющий получать вещество чистотой 99,9999%).
Соединения Теллура токсичны, их действие на организм человека подобно действию соединений селена и мышьяка. Наиболее сильным ядом является теллуристый . Предельно допустимая концентрация Т. в воздухе 0,01 мг/мв, Т. применяют при вулканизации каучука, в произ-ве свинцовых кабелей (добавка до 0,1% Те улучшает мех. св-ва свинца). Соединения Т. используют в стекольной пром-сти (для окраски стекла и фарфора) и в фотографии. Широкое применение получил Теллур в синтезе полупроводниковых соединений. Соединения Т.- основной материал для произ-ва термоэлементов.
Теллур относится к рассеянным элементам (содержание их в земной коре составляет 1 ⋅ 10 ⁻ ⁷ % . Теллур редко образует самостоятельные . Обычно он встречается в природе в виде примесей к сульфидам, а также в самородной сере. Основными источниками теллура и селена служат отходы сернокислого производства, накапливающиеся в пылевых камерах, а также осадки (шламы) , образующиеся при электролитической очистке меди. В шламе, в числе других примесей, содержится также селенид серебра Ag 2 Se и некоторые . При обжиге шлама образуются оксид теллура TeO 2 , а также оксиды тяжёлых металлов. Теллур восстанавливается из оксидов TeO 2 при действии на них сернистого газа в водной среде:
TeO 2 + H 2 O = H 2 TeO 3
H 2 SeO 3 + 2SO 2 + H 2 O = Se + 2H 2 SO 4
Теллур, как и , образует аллотропические модификации — кристаллический и аморфный. Кристаллический теллур — серебристо — серого цвета, хрупок, легко растирается в порошок. Его электропроводность незначительна, но при освещении увеличивается. Аморфный теллур — коричневого цвета, менее устойчив, чем аморфный и при 25 град. переходит в кристаллический.
По химическим свойствам теллур имеет значительное сходство с серой. Он горит на воздухе (зеленовато — синим) , образуя соответствующие оксиды TeO 2 . В отличие от SO 2 оксид теллура является кристаллическим веществом и плохо растворим в воде.
Теллур непосредственно с водородом не соединяется. При нагревании взаимодействует с многими металлами, образуя соответствующие соли () , например K 2 Te . Теллур даже при обычных условиях реагирует с водой:
Te + 2H 2 O = TeO 2 + 2H 2
Как и селен, теллур окисляется до соответствующих кислот H 2 TeO 4 , но при более жёських условиях и действии других окислителей:
Te + 3H 2 O 2 (30%) = H 6 TeO 6
В кипящих водных растворах щелочей теллур, подобно сере, медленно растворяется:
3Te + 6KOH = 6K 2 Te + K 2 TeO 3 + 3H 2 O
Теллур употребляется главным образом, как полупроводниковый материал.
Свойства теллура
Теллуроводород может быть получен действием на теллуриды разбавленными кислотами:
Na 2 Te + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 Te
Теллуроводород при нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерными неприятными запахами (более неприятный чем запах H 2 S , но более ядовит, а теллуроводород менее ядовит) . Гидриды теллура проявляют восстановительные свойства в большей степени, чем , а H 2 Te в воде примерно такая же как и у сероводорода. Водные растворы гидридов обнаруживают явно выраженную кислую реакцию вследствие диссоциации их в водных растворах по схеме:
H 2 Te ↔ H + HTe ⁺
↓
H + Te ² ⁺
В ряду O — S — Se — Te радиусы их ионов Э ² ⁺ удерживать ион водорода. Это подтверждается опытными данными, что подтвердило теллуроводородная кислота является более сильной чем сероводородная кислота.
В ряду O — S — Se — Te способность к термической диссоциации гидридов увеличивается: труднее всего разложить воду при нагревании, а гидриды теллура неустойчивы и разлагается даже при слабом нагревании.
Соль теллуроводородной кислоты (теллуриды) по своим свойствам близки к сульфидам. Их получают подобно сульфидам, действием теллурводорода на растворимые соли металлов.
Теллуриды сходен с сульфидами в отношении растворимости в воде и в кислотах. Например, при пропускании теллурводорода через водный раствор Cu 2 SO 4 получается теллурид меди:
H 2 Te + CuSO 4 = H 2 SO 4 + CuTe
С кислородом Te образует соединения TeO 2 и TeO 3 они образуются при сгорании теллура на воздухе, при обжиге теллуридов, также при сжигании гидридов теллура:
Te + O 2 = TeO 2
2ZnTe + 3O 2 = 2ZnO + 2TeO 2
2H 2 Te + 3O 2 = 2H 2 O + 2TeO 2
TeO 2 — кислотные оксиды (ангидриды) . При растворении в воде образуют, соответственно, теллуристую кислоту:
TeO 2 + H 2 O = H 2 TeO 3
Эта кислота диссоциирует в водном растворе несколько слабее, чем сернистая кислота. Теллуристая кислота в свободном виде не получена и существует только в водных растворах.
В время как соединения серы со степенью окисления 4+ в химических реакциях преимущественно выступают в качестве восстановителей, с повышением степени окисления серы до 6 + , TeO 2 и соответствующие им кислоты проявляют главным образом окислительные свойства, восстанавливаясь соответственно до Te . Эти способом на практике получают теллур в свободном виде:
H 2 TeO 3 + 2SO 2 + H 2 O = 2H 2 SO 4 + Te
Восстановительные свойства теллуристая кислота проявляет лишь при взаимодействии с сильными окислителями:
3H 2 TeO 3 + HClO 3 = 3H 2 TeO 4 + HCl
Свободная теллуровая кислота H 2 TeO 4 — обычно выделяется в виде кристаллогидрата H 2 TeO 4 2H 2 O которую записывают как H 6 TeO 6 . В ортотеллурной кислоте H 6 TeO 6 атомы водорода способны частично или полностью замещаться атомами металлов, образуя соли Na6TeO6 .
Физические свойстваТеллур существует в двух модификациях - кристаллической и аморфной.
Кристаллический теллур получается охлаждением паров теллура, а аморфный - при восстановлении теллуровой кислоты сернистым газом или другим подобным реагентом:
Аморфный теллур - это тонкий черный порошок, который при нагревании переходит в металлический теллур. Плотность аморфного теллура 5,85-5,1 г/см3.
Для кристаллического теллура известны две полиморфные разновидности: α-Te и β-Те. Переход α→β происходит при 354° С. Кристаллический теллур имеет бело-серебряный цвет. Плотность его 6,25 г/см2. Твердость кристаллического теллура 2,3; при обыкновенной температуре он хрупок, легко разбивается в порошок, а при более высокой температуре становится настолько пластичным, что может быть подвергнут прессованию.
Температура плавления теллура 438-452° С, а температура кипения 1390° С. Теллур характеризуется высокой упругостью пара, которая в зависимости от температуры выражается следующими цифрами:
Теллур имеет полупроводниковый характер проводимости. Электросопротивление поликристаллического теллура при 0° C составляет 0,102 ом*см. С повышением температуры удельное электрическое сопротивление теллура уменьшается:
В противоположность селену электросопротивление теллура мало чувствительно к освещению. Однако при низких температурах влияние освещения все же сказывается; так, при -180° С электросопротивление теллура под влиянием освещения снижается на 70%.
Химические свойства
По своим химическим свойствам теллур похож на селен, но имеет более резко выраженный металлический характер. При комнатной температуре компактный теллур устойчив к воздуху и кислороду, при нагревании же окисляется и горит синим пламенем с зеленой каймой, образуя TeO2.
В дисперсном состоянии и в присутствии влаги теллур окисляется при обыкновенной температуре. Теллур при комнатной температуре реагирует с галогенами и образует химически более прочные галогениды (TeCl4; TeBr4), чем селен.
С водородом теллур непосредственно в обычных условиях не соединяется, но при нагревании образует H2Te. При нагревании со многими металлами теллур образует теллуриды: K2Te, Ag2Te, MgTe, Al2Te и др.
Металлический теллур реагирует с водой при 100-160° С, а свежеосажденный (аморфный теллур) - при комнатной температуре:
Te + 2Н2О → TeO2 + 2Н2.
Теллур не растворяется в CS2; в разбавленной HCl растворяется очень медленно. В концентрированной и разбавленной HNO3 теллур окисляется с образованием H2TeO3:
3Те + 4HNО3 + H2O = 3Н2ТеО3 + 4NO.
Теллуристая кислота легко разлагается сернистым газом с выделением теллура:
H2TeO3 + 2SО2 + H2O → Te + 2H2SО4.
Эта реакция используется при получении чистого теллура.
Теллур является почти постоянным спутником тяжелых цветных металлов в сульфидах (железный и медный колчедан, свинцовый блеск), но встречается и в виде минералов сильванита, калаверита (Au, Ag)Te2 и др.
Основным источником получения промышленного теллура служат отходы переработки сульфидных руд меди и свинца - пыли, в которых теллур присутствует в виде TeO2, получаемые при обжиге сульфидных руд; а также анодный шлам, получаемый при электролитическом рафинировании меди и свинца.
15.08.2019
Арматура – строительный металлопрокат, профиль которого может быть гладким (класс А1) или периодическим. Арматура применяется для усиления и повышения прочности...
15.08.2019
Открыт метод плазменной резки был относительно недавно, однако в промышленности он используется весьма активно, так как изучен хорошо....
15.08.2019
Развитие технологий позволяет совершенствовать пневмоинструменты. Для их питания используется сжатый воздух. Такой инструмент активно используют в промышленности, на...
15.08.2019
Начало учебного года – это серьезное испытание для малыша, так как ломается его привычный уклад жизни. Родители должны помочь ему пережить эту перемену. Очень важную...
14.08.2019
Арматура – комплекс элементов, придающих дополнительную прочность в различных железобетонных конструкциях. Используется она обычно с бетоном. Внутри материала она...
14.08.2019
Все водители могут столкнуться во время путешествия с непредвиденными ситуациями. Можно попасть в дорожно-транспортное происшествие, системы и узлы авто могут неожиданно...
14.08.2019
Профлист – металлический гофрированный жесткий лист, имеющий цинковое или полимерное покрытие. Этот вариант кровельного материала весьма распространен и востребован....
14.08.2019
Квартиры на часы в Минске являются востребованной услугой. Проживанию в гостинице они могут стать отличной альтернативной. Краткосрочную аренду чаще всего выбирают люди,...
14.08.2019
Во многих сферах деятельности людей широкое распространение получили стеллажи из металла. Они применяются даже в качестве элементов интерьера дома или офиса, а не только...
Вряд ли кто-либо поверит рассказу о капитане дальнего плавания, который, кроме того, профессиональный цирковой борец, известный металлург и врач-консультант хирургической клиники. В мире же химических элементов подобное разнообразие профессий – явление весьма распространенное, и к ним неприменимо выражение Козьмы Пруткова: «Специалист подобен флюсу: полнота его односторонняя». Вспомним (еще до разговора о главном объекте нашего рассказа) железо в машинах и железо в крови, железо – концентратор магнитного поля и железо – составную часть охры... Правда, на «профессиональную выучку» элементов порой уходило намного больше времени, чем на подготовку йога средней квалификации. Так и элемент №52, о котором предстоит нам рассказать, долгие годы применяли лишь для того, чтобы продемонстрировать, каков он в действительности, этот элемент, названный в честь нашей планеты: «теллур» – от tellus, что по-латыни значит «Земля».
Открыт этот элемент почти два века назад. В 1782 г. горный инспектор Франц Иозеф Мюллер (впоследствии барон фон Рейхенштейн) исследовал золотоносную руду, найденную в Семигорье, на территории тогдашней Австро-Венгрии. Расшифровать состав руды оказалось настолько сложно, что ее назвали Aurum problematicum – «золото сомнительное». Именно из этого «золота» Мюллер выделил новый металл, но полной уверенности в том, что он действительно новый, не было. (Впоследствии оказалось, что Мюллер ошибался в другом: открытый им элемент был новым, но к числу металлов отнести его можно лишь с большой натяжкой.)
Чтобы рассеять сомнения, Мюллер обратился за помощью к видному специалисту, шведскому минералогу и химику-аналитику Бергману.
К сожалению, ученый умер, не успев закончить анализ присланного вещества – в те годы аналитические методы были уже достаточно точными, но анализ занимал очень много времени.
Элемент, открытый Мюллером, пытались изучать и другие ученые, однако лишь через 16 лет после его открытия Мартин Генрих Клапрот – один из крупнейших химиков того времени – неопровержимо доказал, что этот элемент на самом деле новый, и предложил для него название «теллур».
Как и всегда, вслед за открытием элемента начались поиски его применений. Видимо, исходя из старого, еще времен иатрохимии принципа – мир это аптека, француз Фурнье пробовал лечить теллуром некоторые тяжелые заболевания, в частности проказу. Но без успеха – лишь спустя много лет теллур смог оказать медикам некоторые «мелкие услуги». Точнее, не сам теллур, а соли теллуристой кислоты К 2 TeO 3 и Na 2 TeO 3 , которые стали использовать в микробиологии как красители, придающие определенную окраску изучаемым бактериям. Так, с помощью соединений теллура надежно выделяют из массы бактерий дифтерийную палочку. Если не в лечении, так хоть в диагностике элемент №52 оказался полезен врачам.
Но иногда этот элемент, а в еще большей мере некоторые его соединения прибавляют врачам хлопот. Теллур достаточно токсичен. В нашей стране предельно допустимой концентрацией теллура в воздухе считается 0,01 мг/м 3 . Из соединений теллура самое опасное – теллуроводород Н 2 Te, бесцветный ядовитый газ с неприятным запахом. Последнее вполне естественно: теллур – аналог серы, значит, Н 2 Te должен быть подобен сероводороду. Он раздражает бронхи, вредно влияет на нервную систему.
Эти неприятные свойства не помешали теллуру выйти в технику, приобрести множество «профессий».
Металлурги интересуются теллуром потому, что уже небольшие его добавки к свинцу сильно повышают прочность и химическую стойкость этого важного металла. Свинец, легированный теллуром, применяют в кабельной и химической промышленности. Так, срок службы аппаратов сернокислотного производства, покрытых изнутри свинцово-теллуровым сплавом (до 0,5% Te), вдвое больше, чем у таких же аппаратов, облицованных просто свинцом. Присадка теллура к меди и стали облегчает их механическую обработку.
В стекольном производстве теллуром пользуются, чтобы придать стеклу коричневую окраску и больший коэффициент лучепреломления. В резиновой промышленности его, как аналог серы, иногда применяют для вулканизации каучуков.
Теллур – полупроводник
Однако не эти отрасли были виновниками скачка в ценах и спросе на элемент №52. Произошел этот скачок в начале 60-х годов нашего века. Теллур – типичный полупроводник, и полупроводник технологичный. В отличие от германия и кремния, он сравнительно легко плавится (температура плавления 449,8°C) и испаряется (закипает при температуре чуть ниже 1000°C). Из него, следовательно, легко получать тонкие полупроводниковые пленки, которыми особенно интересуется современная микроэлектроника.
Однако чистый теллур как полупроводник применяют ограниченно – для изготовления полевых транзисторов некоторых типов и в приборах, которыми меряют интенсивность гамма-излучения. Да еще примесь теллура умышленно вводят в арсенид галлия (третий по значению после кремния и германия полупроводник), чтобы создать в нем проводимость электронного типа*.
* О двух типах проводимости, присущих полупроводникам, подробно рассказано в статье «Германий» .
Намного обширнее область применения некоторых теллуридов – соединений теллура с металлами. Теллуриды висмута Bi 2 Te 3 и сурьмы Sb 2 Te 3 стали самыми важными материалами для термоэлектрических генераторов. Чтобы объяснить, почему это произошло, сделаем небольшое отступление в область физики и истории.
Еще полтора века назад (в 1821 г.) немецкий физик Зеебек обнаружил, что в замкнутой электрической цепи, состоящей из разных материалов, контакты между которыми находятся при разной температуре, создается электродвижущая сила (ее называют термо-ЭДС). Через 12 лет швейцарец Пельтье обнаружил эффект, обратный эффекту Зеебека: когда электрический ток течет по цепи, составленной из разных материалов, в местах контактов, кроме обычной джоулевой теплоты, выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) некоторое количество тепла.
Примерно 100 лет эти открытия оставались «вещью в себе», любопытными фактами, не более. И не будет преувеличением утверждать, что новая жизнь обоих этих эффектов началась после того, как Герой Социалистического Труда академик А.Ф. Иоффе с сотрудниками разработал теорию применения полупроводниковых материалов для изготовления термоэлементов. А вскоре эта теория воплотилась в реальные термоэлектрогенераторы и термоэлектрохолодильники различного назначения.
В частности, термоэлектрогенераторы, в которых использованы теллуриды висмута, свинца и сурьмы, дают энергию искусственным спутникам Земли, навигационно-метеорологическим установкам, устройствам катодной защиты магистральных трубопроводов. Те же материалы помогают поддержать нужную температуру во многих электронных и микроэлектронных устройствах.
В последние годы большой интерес вызывает еще одно химическое соединение теллура, обладающее полупроводниковыми свойствами, – теллурид кадмия CdTe. Этот материал используют для изготовления солнечных батарей, лазеров, фотосопротивлений, счетчиков радиоактивных излучений. Теллурид кадмия знаменит и тем, что это один из немногих полупроводников, в которых заметно проявляется эффект Гана.
Суть последнего заключается в том, что уже само введение маленькой пластинки соответствующего полупроводника в достаточно сильное электрическое поле приводит к генерации высокочастотного радиоизлучения. Эффект Гана уже нашел применение в радиолокационной технике.
Заключая, можно сказать, что количественно главная «профессия» теллура – легирование свинца и других металлов. Качественно же главное, безусловно, это работа теллура и теллуридов как полупроводников.
Полезная примесь
В таблице Менделеева место теллура находится в главной подгруппе VI группы рядом с серой и селеном. Эти три элемента сходны по химическим свойствам и часто сопутствуют друг другу в природе. Но доля серы в земной коре – 0,03%, селена всего – 10 –5 %, теллура же еще на порядок меньше – 10 –6 %. Естественно, что теллур, как и селен, чаще всего встречается в природных соединениях серы – как примесь. Бывает, правда (вспомните о минерале, в котором открыли теллур), что он контактирует с золотом, серебром, медью и другими элементами. На нашей планете открыто более 110 месторождений сорока минералов теллура. Но добывают его всегда заодно или с селеном, или с золотом, или с другими металлами.
В СССР известны медно-никелевые теллурсодержащие руды Печенги и Мончегорска, теллурсодержащие свинцово-цинковые руды Алтая и еще ряд месторождений.
Из медной руды теллур выделяют на стадии очистки черновой меди электролизом. На дно электролизера выпадает осадок – шлам. Это очень дорогой полупродукт. Приведем для иллюстрации состав шлама одного из канадских заводов: 49,8% меди, 1,976% золота, 10,52% серебра, 28,42% селена и 3,83% теллура. Все эти ценнейшие компоненты шлама надо разделить, и для этого существует несколько способов. Вот один из них.
Шлам расплавляют в печи, и через расплав пропускают воздух. Металлы, кроме золота и серебра, окисляются, переходят в шлак. Селен и теллур тоже окисляются, но – в летучие окислы, которые улавливают в специальных аппаратах (скрубберах), затем растворяют и превращают в кислоты – селенистую H 2 SeO 3 и теллуристую H 2 TeO 3 . Если через этот раствор пропустить сернистый газ SO 2 , произойдут реакции:
H 2 SeO 3 + 2SO 2 + H 2 O → Se ↓ + 2H 2 SO 4 ,
H 2 TeO 3 + 2SO 2 + H 2 O → Te ↓ + 2H 2 SO 4 .
Теллур и селен выпадают одновременно, что весьма нежелательно – они нужны нам порознь. Поэтому условия процесса подбирают таким образом, чтобы в соответствии с законами химической термодинамики сначала восстанавливался преимущественно селен. Этому помогает подбор оптимальной концентрации добавляемой в раствор соляной кислоты.
Затем осаждают теллур. Выпавший серый порошок, разумеется, содержит некоторое количество селена и, кроме того, серу, свинец, медь, натрий, кремний, алюминий, железо, олово, сурьму, висмут, серебро, магний, золото, мышьяк, хлор. От всех этих элементов теллур приходится очищать сначала химическими методами, затем перегонкой или зонной плавкой. Естественно, что из разных руд теллур извлекают по-разному.
Теллур вреден
Теллур применяют все шире и, значит, все возрастает число работающих с ним. В первой части рассказа об элементе №52 мы уже упоминали о токсичности теллура и его соединений. Расскажем об этом подробней – именно потому, что с теллуром приходится работать все большему числу людей. Вот цитата из диссертации, посвященной теллуру как промышленному яду: белые крысы, которым ввели аэрозоль теллура, «проявляли беспокойство, чихали, терли мордочки, делались вялыми и сонливыми». Подобным образом действует теллур и на людей.
И сам теллур и его соединения могут приносить беды разных «калибров». Они, например, вызывают облысение, влияют на состав крови, могут блокировать различные ферментные системы. Симптомы хронического отравления элементарным теллуром – тошнота, сонливость, исхудание; выдыхаемый воздух приобретает скверный чесночный запах алкилтеллуридов.
При острых отравлениях теллуром вводят внутривенно сыворотку с глюкозой, а иногда даже морфий. Как профилактическое средство употребляют аскорбиновую кислоту. Но главная профилактика – это падежная герметизация аппаратов, автоматизация процессов, в которых участвуют теллур и его соединения.
Элемент №52 приносит много пользы и уже потому заслуживает внимания. Но работа с ним требует осторожности, четкости и опять-таки – сосредоточенного внимания.
Внешний вид теллура
Кристаллический теллур больше всего похож на сурьму. Цвет его – серебристо-белый. Кристаллы – гексагональные, атомы в них образуют спиральные цепи и связаны ковалентными связями с ближайшими соседями. Поэтому элементарный теллур можно считать неорганическим полимером. Кристаллическому теллуру свойствен металлический блеск, хотя по комплексу химических свойств его скорее можно отнести к неметаллам. Теллур хрупок, его довольно просто превратить в порошок. Вопрос о существовании аморфной модификации теллура однозначно не решен. При восстановлении теллура из теллуристой или теллуровой кислот выпадает осадок, однако до сих пор не ясно, являются ли эти частички истинно аморфными или это просто очень мелкие кристаллы.
Двухцветный ангидрид
Как и положено аналогу серы, теллур проявляет валентности 2–, 4+ и 6+ и значительно реже 2+. Моноокись теллура TeO может существовать лишь в газообразном виде и легко окисляется до TeO 2 . Это белое негигроскопичное, вполне устойчивое кристаллическое вещество, плавящееся без разложения при 733°C; оно имеет полимерное строение, молекулы которого построены так:
В воде двуокись теллура почти не растворяется – в раствор переходит лишь одна часть TeO 2 на 1,5 млн частей воды и образуется раствор слабой теллуристой кислоты H 2 TeO 3 ничтожной концентрации. Так же слабо выражены кислотные свойства и у теллуровой кислоты H 6 TeO 6 . Эту формулу (а не H 2 TeO 4) ей присвоили после того, как были получены соли состава Ag 6 TeO 6 и Hg 3 TeO 6 , хорошо растворяющиеся в воде. Образующий теллуровую кислоту ангидрид TeO 3 в воде практически не растворяется. Это вещество существует в двух модификациях – желтого и серого цвета: α-TeO 3 и β-TeO 3 . Серый теллуровый ангидрид очень устойчив: даже при нагревании на него не действуют кислоты и концентрированные щелочи. От желтой разновидности его очищают, кипятя смесь в концентрированном едком кали.
Второе исключение
При создании периодической таблицы Менделеев поставил теллур и соседний с ним иод (так же, как аргон и калий) в VI и VII группы не в соответствии, а вопреки их атомным весам. Действительно, атомная масса теллура – 127,61, а иода – 126,91. Значит, иод должен был бы стоять не за теллуром, а впереди него. Менделеев, однако, не сомневался в правильности своих рассуждений, так как считал, что атомные веса этих элементов определены недостаточно точно. Близкий друг Менделеева чешский химик Богуслав Браунер тщательно проверил атомные веса теллура и иода, но его данные совпали с прежними. Правомерность исключений, подтверждающих правило, была установлена лишь тогда, когда в основу периодической системы легли не атомные веса, а заряды ядер, когда стал известен изотопный состав обоих элементов. У теллура, в отличие от иода, преобладают тяжелые изотопы.
Кстати, об изотопах. Сейчас известно 22 изотопа элемента №52. Восемь из них – с массовыми числами 120, 122, 123, 124, 125, 126, 128 и 130 – стабильны. Последние два изотопа – самые распространенные: 31,79 и 34,48% соответственно.
Минералы теллура
Хотя теллура на Земле значительно меньше, чем селена, известно больше минералов элемента №52, чем минералов его аналога. По своему составу минералы теллура двояки: или теллуриды, или продукты окисления теллуридов в земной коре. В числе первых калаверит AuTe 2 и креннерит (Au, Ag) Te 2 , входящие в число немногих природных соединений золота. Известны также природные теллуриды висмута, свинца, ртути. Очень редко в природе встречается самородный теллур. Еще до открытия этого элемента его иногда находили в сульфидных рудах, но не могли правильно идентифицировать. Практического значения минералы теллура не имеют – весь промышленный теллур является попутным продуктом переработки руд других металлов.
