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碲
原子序數為52的化學元素 来自维基百科，自由的百科全书
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碲化物礦物於1782年首次在特蘭西瓦尼亞的Kleinschlatten（今羅馬尼亞的茲拉特納）的一個金礦中由奧地利礦物學家弗朗茨-約瑟夫·米勒·馮·賴興施泰因發現的，儘管是馬丁·克拉普羅特在1798年以拉丁語"tellus"（意為地球）命名了這個新元素。碲化金礦物是最顯著的天然金化合物。然而，它們本身並不是碲的重要商業來源，它通常是作為銅和鉛生產的副產品提取的。
在商業上，碲的主要用途是製造銅（碲銅）和鋼合金，可以提高機械加工性。碲化鎘太陽能板和碲化鎘半導體中的應用也消耗了相當一部分碲生產。碲被認為是技術關鍵元素。
碲沒有生物學功能，儘管真菌可以用它代替胺基酸中的硫和硒，例如碲半胱氨酸和碲甲硫氨酸。[6]在人體中，碲會部分代謝為二甲基碲（(CH3)2Te），一種具有大蒜味的氣體，存在於暴露於碲或碲中毒患者的呼吸中。
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性質
碲有兩種同素異形體，晶體和無定形體。碲晶體是銀白色的，有金屬光澤。這些晶體是三方晶系的，具有手性（空間群為152或154），這點類似灰硒。它是一種脆且容易粉碎的類金屬。無定形碲是從亞碲酸或碲酸（Te(OH)6）溶液中沉澱出來的黑褐色粉末。[7]碲是一種半導體，根據原子的排列，它在某些方向上會顯示出更大的導電性。當暴露在光線下時，碲的電導率略有增加（光電導效應）。[8]熔化的碲對銅、鐵和不鏽鋼具有腐蝕性。在氧族元素中，碲有最高的熔點和沸點，分別為722.66 K（449.51 °C） 和1,261 K（988 °C）。[9]
碲不溶於水和鹽酸，可以和硝酸或硫酸反應。和金反應產生碲化金。碲和同族的硫、硒一樣，在空氣中燃燒的產物是二氧化物——TeO2。[10]
碲有八種存在於自然界的同位素，其中六種（120Te、122Te、123Te、124Te、125Te、126Te）穩定，剩下的兩種（128Te、130Te）則有微弱的放射性。[11][12][13]它們半衰期極長，130Te的半衰期長達7.91×1020年，128Te的半衰期則是所有放射性同位素中最長的[a]，長達2.25×1024年（約為宇宙年齡的1.6×1014倍）。[11][15]穩定同位素只占了天然碲的33.2%。
除了這些同位素，碲還有31種放射性同位素，原子量在104至142之間，半衰期都短於19天。碲還有17種同核異構體，其中半衰期最長的是121mTe，半衰期164.7天。除了鈹-8和一些較輕的核素中的β延遲α衰變分支，碲（104Te至109Te）是會α衰變的最輕元素。[11]
碲的原子量（127.60 g·mol−1）比下一個元素碘（126.90 g·mol−1）還高。[16]
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在地球地殼中，碲是最稀有的固體元素之一，和鉑相當（約 1 µg/kg）。[17]而即使是穩定稀土元素中豐度最低的銩也有 500 µg/kg的豐度。[18]
碲在地殼中的稀有性並不能反映在其宇宙豐度上。在宇宙中碲比銣常見，儘管在地殼中銣的豐度是碲的10000倍。地球上碲如此稀有的原因被認為是由太陽星雲中吸積前分選過程中的條件引起的。當時某些元素的穩定形式在沒有氧氣和水的情況下，由還原性的自由氫控制。在這種情況下，會形成揮發性氫化物的某些元素，例如碲，會通過這些氫化物的蒸發而嚴重散逸至太空中。碲和硒是在這個過程中消耗最嚴重的重元素。[5]
碲有時以單質存在，但更常見的是作為金的碲化物，例如碲金礦和白碲金銀礦（AuTe2的兩種不同同質異形體）、碲金銀礦（Ag3AuTe2）和針碲金銀礦（AgAuTe4）。特柳賴德鎮的命名是希望這裡有金的碲化物礦物（儘管在那裡發現了金礦石，但這個願望從未實現）。金本身通常以單質存在，但當作為化合物發現時，它最常與碲結合。
儘管碲與金的結合形式比未結合的單質形式更常見，但它更常以更常見金屬的碲化物出現（例如melonite NiTe2）。天然亞碲酸鹽和碲酸鹽礦物也是存在的，由地球表面附近的碲化物礦物氧化形成。與硒相反，碲通常不會取代礦物中的硫，因為它們的離子半徑差異很大。因此，許多常見的硫化物礦物中含有大量的硒，但碲很少。[19]
在1893年的淘金熱中，卡爾古利的礦工在尋找純金時丟棄了一種類似黃鐵礦的材料，用於填補坑窪和修建人行道。1896年，這種材料被發現是碲金礦，其成分為金的碲化物，並引發了第二次淘金熱，包括在街道上採礦。[20]
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歷史
碲（名稱來自拉丁文 tellus，意為地球）於18世紀在羅馬尼亞，靠近今天的阿爾巴縣市的Kleinschlatten（今茲拉特納）附近的金礦中發現。1782年，當時擔任奧地利特蘭西瓦尼亞礦山首席檢查員的弗朗茨-約瑟夫·米勒·馮·賴興施泰因得出結論，認為該礦石不含銻，但含有硫化鉍。[21]第二年，他報告說這是錯誤的，礦石中主要含有金和一種與銻非常相似的未知金屬。經過三年的徹底調查和五十多次測試，米勒確定了礦物的比重，並指出當加熱時，這種新金屬會散發出白煙和類似蘿蔔的氣味。它的硫酸溶液是紅色的，並且當該溶液用水稀釋時，會產生黑色沉澱物。儘管如此，他還是無法識別出這種金屬，並命名為aurum paradoxum（矛盾的金）和metallum Problemum（問題金屬），因為它沒有表現出和銻一樣的特性。[22][23][24]
1789年，匈牙利科學家Pál Kitaibel在來自瑙吉伯爾熱尼的礦石中獨立發現了這種元素。該元素曾被認為是含銀的輝鉬礦，但後來他將其歸功於米勒。1798年，早先將碲從礦物碲金礦中分離出來馬丁·克拉普羅特命名了這個元素。[25][23][24][26]
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生產
大多數的碲和硒是從斑岩銅礦中獲得的。[28]該元素是從陽極污泥中回收的，這些元素來自氣泡銅的電解精煉。它也是高爐精煉鉛產生的粉塵的成分。1000噸的銅礦中，可以提取到一千克的碲。
陽極污泥中包含抗腐蝕金屬的硒化物和碲化物，化學式 M2Se 或M2Te（M = Cu、Ag、Au）。在500°C的溫度下，陽極污泥在空氣中與碳酸鈉一起焙燒。金屬離子被還原為金屬，而碲化物則轉化為亞碲酸鈉。[29]
亞碲酸鹽可以與水從混合物中浸出，通常以亞碲酸氫鹽 HTeO3-的形式存在於溶液中。亞硒酸鹽在此過程中也會形成，但可以通過添加硫酸將它們分開。亞碲酸氫鹽會轉化成不溶的二氧化碲，而亞硒酸鹽則留在溶液中。[29]
通過電解或與二氧化硫在硫酸中反應，可以把氧化物還原成碲單質。[29]
商業級碲通常以200篩目的粉末的形式銷售，但板狀、錠狀、棒狀或塊狀的碲也是可商購的。2000年，碲的價格為每磅14美元。近年來，碲的價格因需求增加和有限的供應而上漲，使得2006年的碲價高達每磅100美元。[30][31]儘管期望改進的生產方法將使碲產量翻倍，美國能源部仍預計到了2025年，碲的供應將會短缺。[32]
碲主要產於美國、秘魯、日本和加拿大。[33]英國地質調查局給出了2009年的碲產量數據：美國50噸，秘魯7噸，日本40噸，加拿大16噸。[34]
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化合物
在元素週期表中，碲屬於氧族元素。碲化合物和對應的硒化合物類似。碲表現出氧化態−2、+2、+4、+6，其中+4氧化態最常見。[7]
還原金屬碲會產生碲化物和多碲化物 Ten2−。碲的-2價態存在於和許多金屬形成的二元化合物中，例如碲化鋅（ZnTe），由碲和鋅直接加熱反應而成。[35]ZnTe和鹽酸反應，生成碲化氫（H
2Te），一種和其它氧族元素氫化物如H
2O、H
2S和H
2Se相比非常不穩定的同類物。
H
2Te不穩定，但它的共軛鹼[TeH]−形成的鹽穩定。
碲的+2氧化態存在於二鹵化物TeCl
2、TeBr
2和TeI
2中。它們都還沒得到純品，[36]:274儘管它們已知在有機溶劑中會分解成四鹵化物，而相關的四鹵合碲(II)酸鹽已獲得表徵：
（X = Cl、Br、I）
這些離子都是平面正方形分子構型的。[36]:281碲的多核陰離子也是已知的，例如深棕色的 Te
2I2−
6[36]:283 和黑色的 Te
4I2−
14。[36]:285
碲的氟化物有混合價態化合物Te
2F
4和TeF
6。+6氧化態的–OTeF
5基團存在於許多化合物中，如HOTeF
5、B(OTeF
5)
3、Xe(OTeF
5)
2、Te(OTeF
5)
4 和Te(OTeF
5)
6。[37]四角反稜柱形的陰離子 TeF2−
8 也是存在的。[29]其它鹵素形成不了+6氧化態，只能形成+4氧化態的四鹵化物（TeCl
4、TeBr
4和TeI
4）和低鹵化物（Te
3Cl
2、Te
2Cl
2、Te
2Br
2、Te
2I和兩種 TeI）。在+4氧化態中，鹵碲酸根是已知的，如TeCl2−
6和Te
2Cl2−
10。含鹵碲陽離子也是已知的，包括存在於TeI
3AsF
6的 TeI+
3。[38]
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一氧化碲於1883年首次報道為黑色無定形固體，由 TeSO
3 在真空中熱分解形成，加熱歧化成碲單質和二氧化碲 TeO
2。[39][40]然而，從那時起，固相一氧化碲的存在就受到懷疑和爭議，儘管它的蒸氣分子是已知的。這種黑色固體可能只是元素碲和二氧化碲的等摩爾混合物。[41]
在空氣中加熱碲會產生藍色火焰，並形成二氧化碲。[35]三氧化碲的一種結構 β-TeO
3是由 Te(OH)
6熱分解而成的。另外兩種結構——α-相和γ- 相併不是真正的氧化碲(VI)，而是 Te4+
、OH−
和O−
2的混合物。[42]碲也有各種混合氧化物，如Te
2O
5 和Te
4O
9。[42]
碲的氧化物和水合氧化物會產生一系列的酸，包括亞碲酸（H
2TeO
3）、原碲酸（Te(OH)
6）和偏碲酸（(H
2TeO
4)
n）。[41]偏碲酸和原碲酸會分別形成含有TeO2–
4和TeO6−
6陰離子的碲酸鹽，而亞碲酸則形成含TeO2−
3陰離子的亞碲酸鹽。
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當碲用濃硫酸處理時，會得到碲的Zintl離子 Te2+
4的紅色溶液。[43]
碲在液態SO
2中被AsF
5氧化會產生正方形的Te2+
4和黃橙色、三角柱形的 Te4+
6：[29]
其它碲的Zintl陽離子包括聚合物 Te2+
7，以及由兩個五元碲環組成、藍黑色的 Te2+
8。後者可以通過碲和六氯化鎢反應而成：[29]
含有其它氧族元素的離子也是已知的，例如Te
2Se2+
6（扭曲立方體結構）和Te
2Se2+
8。它們都是由AsF
5或SbF
5氧化硒和碲的混合物而成的。[29]
碲不易形成醇和硫醇的類似物——碲醇，即具有-TeH基團的有機化合物。[44]與H2Te類似，這些物種不穩定，易失氫或消除碲單質，如甲碲醇常溫即可分解。[45]碲醚（R–Te–R）和碲代亞碸都比較穩定。
應用
碲的最大消費者是鐵、不鏽鋼、銅和鉛合金的冶金業。碲添加到鋼和銅中產生的合金會比其他合金更易加工。為了光譜學研究，碲被加入到鑄鐵中以促進冷卻，因為其中導電的游離石墨存在往往會干擾火花發射測試的結果。碲添加到鉛中可以提高強度和耐久性，並降低了硫酸的腐蝕作用。[27][46]
碲的氧化物是商業氧化催化劑的成分。含碲催化劑可用於氨氧化製備丙烯腈（CH2=CH–C≡N）的催化劑：[47]
碲也是用於丙烷選擇性氧化為丙烯酸的高性能混合氧化物催化劑的關鍵重要成分[48][49]。 在水蒸氣存在的情況下，催化劑表面富含碲和釩，從而提高丙烯酸產量[50][51].
相關催化劑也用於製備1,4-丁二醇：
由於其低電負性，碲可以形成多種帶隙較小的材料，可通過波長相對長的光。這一特性是光電導材料、太陽能電池和紅外探測器潛在應用的基礎。阻礙這些應用的主要問題是這些材料的穩定性和對環境影響的擔憂。
有機碲化合物主要在研究中受到關注。人們已經檢查了多種用於有機金屬化學氣相沉積法生長 II-VI 半導體材料的前體。這些前體包括二甲基碲、二乙基碲、二異丙基碲、二烯丙基碲和甲基烯丙基碲。[62]二異丙基碲（DIPTe）是通過有機金屬化學氣相沉積法低溫生長CdHgTe的首選前體。[63]在這些過程中會使用最高純度的有機硒化合物和有機碲化合物，這些用於半導體工業的化合物是通過加合物純化製備的。[64][65]
低氧化碲用於可重寫光碟的媒體層，包括可重複刻錄光碟（CD-RW）、可重寫數字視頻光碟（DVD-RW）和可重寫藍光光碟。[66][67]
二氧化碲用於製造共聚焦顯微鏡的聲光調製器（AOTF和AOBS）。
碲也用於英特爾開發[68]的相變化存儲器晶片。[69]碲化鉍（Bi2Te3）和碲化鉛都是熱電設備的工作元件材料。碲化鉛在遠紅外線探測器中有前景。
碲出現在許多用於光電倍增管的光陰極中[70]和用於驅動現代粒子加速器的高亮度光噴射器。主要是 Cs2Te組成的Cs-Te光電陰極具有 3.5 eV 的光電發射閾值，並表現出高量子效率 (>10%) 和在惡劣真空環境中的高耐久性（可使用數月）。[71]這使其成為用於驅動自由電子雷射器的光發射電子槍的首選。[72]在此應用中，它通常用267 nm的波長驅動，這是常用鈦藍寶石雷射器的三次諧波。人們已經使用其他鹼金屬（例如銣、鉀和鈉）製造了更多含碲的光電陰極，但它們沒有像 Cs-Te光電陰極那樣受歡迎。[73][74]
生物作用
碲沒有已知的生物作用，儘管真菌可以將它替代硫和硒摻入胺基酸中，例如碲半胱氨酸和碲甲硫氨酸。[6][75]生物體對碲化合物表現出高度可變的耐受性。很多細菌，例如Pseudomonas aeruginosa會吸收亞碲酸鹽並將其還原為元素碲，而元素碲會積累並導致細胞顯著變暗。[76]在酵母中，這種還原是由硫酸鹽途徑介導的。[77]碲的積累似乎是其毒性作用的主要部分。許多生物也會部分代謝碲以形成二甲基碲，儘管某些物種形成的是二甲基二碲。在溫泉中有濃度非常低的二甲基碲。[78][79]
亞碲酸鹽瓊脂用於鑑定棒狀桿菌屬的成員，例如導致白喉的病原體Corynebacterium diphtheriae。[80]
危害
碲和碲化合物被認為有輕度毒性，需要小心處理，儘管急性碲中毒很少見。[83]碲中毒非常難以治療，因為在治療金屬中毒時使用的許多螯合劑都會增加碲的毒性。碲沒有致癌的報道。[83]
人類暴露於含碲低至0.01mg/m3或更少的空氣中就會散發出類似大蒜的惡臭，稱為「碲口氣」。[53][84] 這是由於身體將碲從任何氧化態轉化為二甲基碲（(CH3)2Te）導致的。二甲基碲是一種揮發性的化合物，具有刺鼻的大蒜味。儘管碲的代謝途徑未知，但通常認為它類似於研究更廣泛的硒，因為這兩種元素的最終甲基化代謝產物相似。[85][86][87]
人們可以通過吸入、攝入、皮膚接觸和眼睛接觸在工作場所接觸碲。職業安全與健康管理局 (OSHA) 將工作場所中的碲暴露量限制（允許暴露極限）為八小時工作日裡 0.1 mg/m3。美國國家職業安全衛生研究所 (NIOSH) 將八小時工作日的推薦暴露限值 (REL) 設為 0.1 mg/m3。在25 mg/m3的濃度下，碲就會立即危及生命或健康。[88]
注釋
參考文獻
外部連結
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