теллурий из чего состоит

Теллурий — химический элемент, металоид VI группы (16 по IUPAC) с символом Te и атомным номером 52. Отвечая на вопрос «из чего состоит»: на атомном уровне каждый атом теллура состоит из ядра с 52 протонами и электронами на оболочках (в сумме тоже 52), а число нейтронов зависит от изотопа; на уровне природного вещества теллурий — это смесь нескольких стабильных и сверхдолгоживущих изотопов; на уровне твердого тела кристаллический теллурий состоит из спиральных цепочек атомов, объединённых слабым межцепочечным взаимодействием.

Атомное строение и электронная конфигурация 🧬

Электронная конфигурация теллура: [Kr] 4d10 5s2 5p4. Это означает, что валентная оболочка содержит шесть электронов (s2p4), что обеспечивает типичные степени окисления −2, +2, +4 и +6. Теллурий — халькоген, химически близок к сере и селenu, но проявляет более выраженные металлические свойства (полуметалл).

• Число протонов Z = 52; число электронов в нейтральном атоме = 52.
• Число нейтронов N = A − 52 (A — массовое число изотопа); в природе встречаются изотопы с A = 120–130.
• Валентные электроны: 5s2 5p4; общее число валентных электронов — 6.
• Типы связи: ковалентная в цепях Te–Te; слабые ван-дер-ваальсовы контакты между цепями.
• Ключевые окислительные состояния в соединениях: −2 (теллуриды), +4 (TeO2, TeCl4), +6 (теллуровая кислота).

Сводка оболочек (Te, Z=52):
K: 2  | L: 8  | M: 18 | N: 18 | O: 6
Конфигурация: [Kr] 4d10 5s2 5p4
Ионные формы: Te2−, Te2+, Te4+, Te6+

Природный изотопный состав теллура 📊

Природный теллурий — это смесь восьми стабильных и сверхдолгоживущих нуклидов. Два наиболее тяжёлых (128Te и 130Te) формально нестабильны по отношению к двойному β-распаду, однако их период полураспада настолько велик (порядка 10^20–10^24 лет), что в геологических масштабах они практически стабильны. Следовательно, «из чего состоит теллурий» в природе — из набора изотопов с разной распространённостью.

Изотоп	Число нейтронов (N)	Содержание в природе, %	Спин	Стабильность	Краткая характеристика
120Te	68	≈ 0,09	0+	Стабильный	Самый редкий природный изотоп теллура.
122Te	70	≈ 2,55	0+	Стабильный	Образуется в s-процессе звездной нуклеосинтезы.
123Te	71	≈ 0,89	1/2+	Стабильный	Имеет ядерный спин, используется в ЯМР-исследованиях.
124Te	72	≈ 4,74	0+	Стабильный	Один из шести основных стабильных нуклидов Te.
125Te	73	≈ 7,07	1/2+	Стабильный	Является удобной мишенью для ядерной спектроскопии.
126Te	74	≈ 18,84	0+	Стабильный	Существенная доля природного теллура.
128Te	76	≈ 31,74	0+	2β-распад, T1/2 ~ 10^24 лет	Один из самых долгоживущих нуклидов во вселенной.
130Te	78	≈ 34,08	0+	2β-распад, T1/2 ~ 10^20–10^21 лет	Часто используется в экспериментах по двойному β-распаду.

Аллотропия и внутренняя организация кристалла 🔬

Кристаллический теллурий — серебристо-серый, хрупкий полуметалл с тригональной решёткой. Его «скелет» — бесконечные спиральные цепочки —Te–Te–Te—, ориентированные вдоль оси c; соседние цепочки связаны слабее (ван-дер-ваальсовы контакты), что объясняет лёгкую расщепляемость и анизотропию свойств. Аморфный теллурий — бурый или чёрный порошок/стекло, образующийся при быстром охлаждении расплава; он менее упорядочен, но локально сохраняет мотивы цепочек.

Минеральные формы и геохимическая ассоциация 🌍

В свободном виде теллурий встречается крайне редко. Чаще он входит в состав минералов-теллуридов и оксо-соединений: золото- и серебросодержащих теллуридов, свинцово-, висмут- и медьсодержащих фаз. Извлекается в основном как побочный продукт рафинирования меди и свинца (анодные шламы).

• Калаверит AuTe2 и сильванит (Ag,Au)Te2 — источники благородных металлов и теллура.
• Теллуровисмутит Bi2Te3 и штютцит Ag5−xTe3 — важны для минералогии теллурида серебра/висмута.
• Гессит Ag2Te, алтаит PbTe, колорадоит HgTe — типичные теллуриды металлов.
• Оксо-соли: теллуриты (TeO3^2−) и теллураты (TeO4^2−), встречаются в окислительных зонах.

Средняя концентрация теллура в земной коре очень мала (порядка микрограммов на килограмм), что делает его относительно редким элементом по сравнению с многими металлами платиновой группы.

Промышленные марки и примеси ⚙️

Коммерческий теллурий выпускают в слитках и гранулах, обычно марок 4N–6N (99,99–99,9999%). Содержание примесей контролируется по каталогу ICP-MS/GDMS; типичны следы Se, S, As, Sb, Bi, Pb, Ag, Cu, Fe. Для опто- и термоэлектроники применяют высокочистый Te (5N/6N), поскольку даже десятки ppm примесей меняют носители заряда и дефектную структуру.

Паспорт анализа (пример, Te 5N):
- Чистота: ≥ 99.999 %
- Se: ≤ 2 ppm; S: ≤ 1 ppm; As: ≤ 0.5 ppm; Sb: ≤ 0.5 ppm
- Bi: ≤ 1 ppm; Pb: ≤ 1 ppm; Ag: ≤ 0.2 ppm; Cu: ≤ 0.2 ppm
Метод: GDMS, протокол № ХХХ/ГХ-2024

Соединения теллура и типы химической связи 🧪

Теллур образует богатое семейство соединений. В гидридах (H2Te) и металлотеллуридах (Me–Te) преобладает ионно-ковалентная связь и степень окисления −2; в галогенидах (TeCl4, TeBr4) — формально +4; в оксокислотах и их солях — +6. Оксид TeO2 — важный стеклообразователь и пьезоматериал; в растворе теллур проявляет склонность к образованию полиядерных анионов.

• Оксиды и кислоты: TeO2, TeO3 (в газовой фазе), H2Te, H6TeO6 (теллуровая кислота).
• Галогениды: TeCl2/TeCl4, TeBr2/TeBr4, TeI2/TeI4; многие — молекулярные и летучие.
• Теллуриды металлов: PbTe, CdTe, ZnTe, HgTe, Cu2Te, Ag2Te — от полупроводников до полуметаллов.
• Термоэлектрики: Bi2Te3 и Sb2Te3 — классические материалы для холодильных элементов и генераторов.

Теллурий в термоэлектрике и сплавах 🔧

Термоэлектрические материалы на основе теллура (Bi2Te3, PbTe, (Bi,Sb)2Te3, PbTe–Se) «состоят» из ковалентно-ионных слоистых/кубических решёток с тяжелыми атомами, обеспечивающих низкую теплопроводность решётки и высокую подвижность носителей. Дефектная химия (вакансии теллура, замещения Se/Sb) тонко настраивает концентрацию носителей. В сплавах теллур применяется как модификатор резьбообрабатываемости (например, резьбонарезаемые стали с Te) и как компонент фаз PbTe, Cu2−xTe и др.

Как это отражается на свойствах и аналитике 📐

Смесь изотопов определяет среднюю атомную массу (≈127,60 а.е.м.) и изотопные эффекты в спектроскопии; кристаллические цепочки объясняют анизотропную электропроводность и фотосенситивность теллура. С точки зрения аналитики, состав теллура контролируют по полному профилю примесей и изотопному распределению (MC-ICP-MS), что важно для трассировки происхождения сырья и для фундаментальных ядерных экспериментов (двойной β-распад 130Te и 128Te).

Справочные источники (снипы)

IUPAC. Standard Atomic Weights and Isotopic Compositions (последние обновления по Te).
CRC Handbook of Chemistry and Physics, 102nd ed., раздел Te: свойства, изотопы, термоданные.
Greenwood & Earnshaw. Chemistry of the Elements, гл. по халькогенам.
USGS Commodity Summaries: Tellurium — добыча, сырьевая база, сопутствующее извлечение.
NIST Atomic Spectra Database — уровни и конфигурации Te.

Ключевые тезисы 🧠

• Теллурий — смесь восьми природных изотопов; два тяжёлых нуклида сверхдолгоживущие, но практически стабильные.
• Строение кристаллического теллура — спиральные цепочки Te–Te с межцепочечными слабосвязями, что задаёт анизотропию свойств.
• В промышленной практике критична сверхчистота (5N–6N), поскольку ppm-уровни примесей существенно влияют на электрические характеристики.

FAQ по смежным темам

Чем теллурий отличается от селена и серы по строению и «составу»?

Все три — халькогены с шестью валентными электронами. Однако теллурий тяжелее, проявляет более металлический характер и образует устойчивые спиральные кристаллические цепочки; в природе он редок и чаще связан с благородными металлами. Селен чаще образует стеклообразные аморфные формы, сера — молекулы S8.

Почему Bi2Te3 — один из лучших низкотемпературных термоэлектриков?

Его состав (тяжёлые Bi и Te) и слоистая кристаллография обеспечивают низкую теплопроводность и благоприятную электронную структуру (узкая щель, высокая подвижность). Лёгкое легирование (Sb, Se) позволяет оптимизировать концентрацию носителей для максимума ZT при 300–500 K.

Насколько опасен гидрид теллура (H2Te)?

H2Te чрезвычайно токсичен и нестабилен, обладает резким запахом «чеснока/металла», легко окисляется. Работы с ним проводят исключительно в вытяжных шкафах с детекцией утечек; ПДК — крайне низкие, сопоставимы с другими тяжелыми халькоген-гидридами.

Как проверяют чистоту теллура для электроники?

Используют GDMS или ICP-MS для многокомпонентного анализа примесей до ppb, а также O/N/H анализаторы. Для материалов CdTe/Bi2Te3 дополнительно контролируют дефектные центры и легирующие добавки методом SIMS и электроизмерениями (Hall).

Где применяют кадмий теллурид (CdTe)?

CdTe — ключевой полупроводник для тонкопленочных фотопреобразователей (солнечные элементы), дозиметрии и детекторов ИК/рентгеновского излучения. Его эффективность обусловлена подходящей шириной запрещенной зоны и высоким коэффициентом поглощения.

Можно ли заменить теллурий в термоэлектриках?

Частично — да: существуют теллурид-селенидные твердые растворы (PbTe–PbSe) и «теллурий-свободные» системы (Mg3Sb2, SnSe). Однако сочетание свойств Te-материалов по-прежнему эталонно при комнатных и умеренно повышенных температурах.

Почему теллурий так редок в земной коре?

Из-за халькофильного/сидерофильного поведения в ранней истории Земли значительная его доля могла уйти в металлическое ядро или быть унесена при высокотемпературных процессах. В коре он концентрируется в теллуридах, часто вместе с Au, Ag, Bi.