最終更新日：2025年12月27日

テルル (52)：再生可能エネルギーの希少な半金属

テルルの発見の歴史

テルルは1782年、オーストリアの鉱物学者 フランツ・ヨーゼフ・ミュラー・フォン・ライヒェンシュタイン (1740-1825) によって、トランシルバニアの金鉱石から発見されました。ミュラーはオーストリア政府の鉱山監督官として働いていた際、ルーマニアのズラトナ（現在のルーマニア）の鉱山から採掘された特定の鉱石を分析し、完全に分類できない不思議な金属物質を特定しました。彼は新しい元素を発見したと確信していました。

1798年、ドイツの化学者 マルティン・ハインリヒ・クラプロート (1743-1817) が彼の研究を確認し発展させ、最終的にこの元素を分離し、ラテン語の「地球」を意味する tellus から tellurium と命名しました。この名前は地球にちなんで選ばれ、クラプロート自身が数年前に発見したウラン（天王星にちなんで命名）との類似性を示しています。化学記号 Te は当初から採用されました。

テルルが半金属として分類されたのは19世紀で、化学者たちが金属と非金属の中間的な性質を認識したときです。テルルは周期表の16族に属し、酸素、硫黄、セレンと多くの化学的類似性を共有していますが、より強い金属的性質を示します。

注記：
テルルは地殻中で極めて希少で、平均濃度は約0.001 ppm（10億分の1）であり、プラチナと同程度の希少性で、金の約8倍希少です。この極端な希少性は、現代技術における重要性の増大と対照的です。

テルルはほとんど天然の状態では見つかりません。主に銅の電解精製の副産物として得られ、陽極泥に金、銀、セレンとともに蓄積します。主なテルル鉱石には、カラベライト（AuTe₂）、シルバナイト（(Au,Ag)₂Te₄）、テトラディマイト（Bi₂Te₂S）、テルライト（TeO₂）があります。

世界のテルル生産量は年間約450～550トンで、ほとんどが銅と鉛の冶金の副産物として得られます。中国、日本、カナダ、ロシア、アメリカが主な生産国です。この非常に限られた生産量と銅生産への依存性により、テルルは新興技術、特に薄膜太陽電池にとって最も重要な材料の一つとなっています。

構造と基本的な性質

テルル（記号 Te、原子番号 52）は、周期表の16族に属する半金属で、酸素、硫黄、セレン、ポロニウムとともに分類されます。その原子は52個の陽子、通常78個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{130}\mathrm{Te}\)）、および52個の電子を持ち、電子配置は [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁴ です。

テルルは銀灰色の結晶性固体で、金属光沢があり、セレンよりも金属的です。密度は6.24 g/cm³で、中程度の重さです。テルルは六方晶系の三方晶構造で結晶し、セレンと同様にらせん状の原子鎖を形成します。脆く、圧力をかけると容易に粉末化します。

テルルの融点は 449.51 °C（722.66 K）、沸点は 988 °C（1261 K）です。電気伝導率は温度とともに増加し、光にさらされるとさらに増加します。これは半導体の特性である光伝導性です。テルルは半金属の中で最も優れた熱伝導体の一つです。

テルルは室温での電気伝導率が低く、銅の約100万分の1ですが、温度が上昇すると伝導率が大幅に増加します。これは半導体の典型的な挙動です。純粋なテルルは明るい金属光沢を持ち、空気中で徐々に曇ります。

テルルの融点：722.66 K（449.51 °C）。
テルルの沸点：1261 K（988 °C）。
テルルは光伝導性を示し、照射下で抵抗率が低下します。

テルルの同位体表

テルルの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
テルル-120 — \(\,^{120}\mathrm{Te}\,\)	52	68	119.904020 u	≈ 0.09%	安定	テルルの最も軽い安定同位体で、極めて希少です。
テルル-122 — \(\,^{122}\mathrm{Te}\,\)	52	70	121.903044 u	≈ 2.55%	安定	天然テルルの少数安定同位体です。
テルル-123 — \(\,^{123}\mathrm{Te}\,\)	52	71	122.904270 u	≈ 0.89%	安定	奇数の中性子を持つ唯一の安定同位体です。
テルル-124 — \(\,^{124}\mathrm{Te}\,\)	52	72	123.902818 u	≈ 4.74%	安定	天然テルルの一般的な安定同位体です。
テルル-125 — \(\,^{125}\mathrm{Te}\,\)	52	73	124.904431 u	≈ 7.07%	安定	天然テルルの約7%を占める安定同位体です。
テルル-126 — \(\,^{126}\mathrm{Te}\,\)	52	74	125.903312 u	≈ 18.84%	安定	天然テルルの2番目に豊富な同位体です。
テルル-128 — \(\,^{128}\mathrm{Te}\,\)	52	76	127.904463 u	≈ 31.74%	≈ 2.2×10²⁴ 年	放射性（β⁻β⁻）、最も長い半減期を持つ。実用上は安定とみなされます。
テルル-130 — \(\,^{130}\mathrm{Te}\,\)	52	78	129.906224 u	≈ 34.08%	≈ 8×10²⁰ 年	放射性（β⁻β⁻）、理論上の放射能を持つにもかかわらず最も豊富な同位体です。

テルルの電子配置と電子殻

注記：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

テルルは52個の電子を持ち、5つの電子殻に分布しています。完全な電子配置は： 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁴、または簡略化して：[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁴。この配置は K(2) L(8) M(18) N(18) O(6) と書くこともできます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含みます。この内殻は完全で非常に安定です。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が分布しています。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布しています。この完全な殻は電子遮蔽に寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d¹⁰に18個の電子が分布しています。4d軌道は特に安定です。
O殻 (n=5)：5s² 5p⁴に6個の電子が分布しています。これらの6個の電子はテルルの価電子です。

価電子と酸化状態

テルルは6個の価電子を持ちます：2個の5s²電子と4個の5p⁴電子です。主な酸化状態は-2、+4、+6です。 -2の状態はテルル化物（CdTe、ZnTe、Bi₂Te₃など）で見られ、テルルは電子受容体として働き、Te²⁻イオンを形成します。

+4の状態は酸化物中で最も一般的で、二酸化テルル（TeO₂）や亜テルル酸（H₂TeO₃）に現れます。 +6の状態は三酸化テルル（TeO₃）やテルル酸（H₆TeO₆）などのより酸化された化合物に存在し、テルルはすべての価電子を使用します。金属テルルは酸化状態0に相当します。

化学的反応性

テルルは室温で空気中で中程度の安定性を示し、ゆっくりと酸化して表面に二酸化物の薄い層を形成します。高温（450 °C以上）では、テルルは空気中で青緑色の炎を上げて燃焼し、二酸化テルル（TeO₂）を生成し、白い煙として放出されます：Te + O₂ → TeO₂。この燃焼は特徴的な不快な臭いを生じます。

テルルはハロゲンと反応して四ハロゲン化物を形成します：Te + 2Cl₂ → TeCl₄（四塩化物）または制御された条件下で二ハロゲン化物を形成します。テルルは希薄な非酸化性酸には耐性がありますが、濃硝酸や熱硫酸には溶けて亜テルル酸を形成します。

水素と反応してテルル化水素（H₂Te）を形成します。これは極めて悪臭のある有毒ガスで、硫化水素（H₂S）よりもはるかに不安定です。テルルは高温で多くの金属と直接反応して金属テルル化物を形成します。これは半導体技術で重要な化合物です。

テルルの産業および技術的応用

薄膜太陽電池（CdTe）用の太陽電池パネル — 需要の40-50%；
熱電合金（Bi₂Te₃）用のペルチェ冷却装置および発電；
ゴムの耐熱性を向上させる加硫添加剤；
銅および鋼の合金で被削性を向上（快削鋼）；
電子機器用の相変化メモリ（PCRAM）；
有機化学合成の触媒；
赤外線およびガンマ線検出器（CdZnTe）；
屈折率を変化させる光学コーティングおよび特殊ガラス；
セラミックおよびエナメル用の着色剤（金赤色から茶色）；
長距離通信用の光ファイバー；
GeSbTeを使用した書き換え可能な光ディスク（CD-RW、DVD-RW）；
繊維および製紙産業用の漂白剤。

太陽電池：主要な新興応用

テルルの最も重要で急速に成長している応用は、テルル化カドミウム（CdTe）薄膜太陽電池の生産です。この技術は現在、世界のテルル需要の40-50%を占め、太陽エネルギーの拡大に伴い、この割合は急速に増加しています。

CdTe太陽電池パネルは、結晶シリコンパネルよりも低い生産コスト、高温および低照度条件下での優れた性能、エネルギー集約度の低い製造プロセス、および有利な温度係数など、いくつかの重要な利点を提供します。 First Solarなどの主要メーカーは、この技術の大規模な商業的実現可能性を実証しています。

商用CdTeセルの変換効率は16-19%で、研究室での記録は22%を超えています。典型的な100ワットのCdTe太陽電池パネルには約6-10グラムのテルルが含まれています。世界的なエネルギー転換の目標に伴い、太陽光発電用のテルル需要は数桁増加し、長期的な供給可能性に関する懸念が生じています。

熱電材料

テルルの2番目の主要な技術的応用は熱電材料、特にビスマステルライド（Bi₂Te₃）およびその合金です。これらの材料は熱を直接電気に変換（ゼーベック効果）したり、電気を温度差に変換（ペルチェ効果）したりします。

ビスマステルライドベースのペルチェ装置は、電子部品の冷却、ポータブル冷蔵庫、自動車シートのエアコン、科学機器の温度制御などに広く使用されています。熱電発電機はBi₂Te₃を使用して、自動車、航空宇宙、宇宙応用における廃熱を電気に変換します。

ビスマステルライドは室温で最も高い熱電性能指数（ZT）を持ち、これらの応用に理想的です。先進的な熱電材料に関する継続的な研究は、今後数十年にわたりテルルの需要を大幅に増加させる可能性があり、特に車両や産業における熱エネルギー回収に重要です。

毒性と環境への懸念

テルルおよびその化合物は中程度の毒性を示します。セレンやヒ素ほど毒性は強くありませんが、テルルは体内に蓄積し、特徴的な影響を引き起こす可能性があります。テルル曝露の最も顕著な影響は、ジメチルテルルの生成による強烈で持続的なニンニクのような口臭です。これは肺から呼出されるため、非常に低用量でも発生します。

テルルへの職業曝露は主に銅精製、電子機器製造、太陽電池生産の産業で発生します。中毒の症状には、疲労、眠気、口渇、食欲不振、金属の味、および特徴的な口臭が含まれます。慢性的な影響には、神経学的および血液学的障害が含まれる可能性があります。

太陽電池に使用されるテルル化カドミウム（CdTe）は、高毒性の重金属であるカドミウムの存在により環境への懸念を引き起こします。しかし、テルル化カドミウムは極めて安定で不溶性であるため、カドミウムの溶出リスクは最小限に抑えられます。メーカーはパネルの寿命終了時にテルルとカドミウムを回収するためのリサイクルプログラムを開発しています。

極端な希少性と重要な供給

テルルは地殻中で最も希少な元素の一つで、平均的な存在量は約0.001 ppm（10億分の1）です。この極端な希少性はプラチナと同程度で、金の約8倍希少です。これはクリーンテクノロジーへの需要増大に対する供給の課題を引き起こしています。

世界のテルル生産量は年間約450～550トンで、ほとんどが銅の電解精製の副産物として得られます。この依存性はテルルの供給がテルル自体の需要ではなく銅の生産に結びついていることを意味し、構造的な供給制約を生み出しています。

CdTe太陽電池の大規模な採用は、利用可能なテルルの埋蔵量を迅速に枯渇させる可能性があります。テラワット規模の太陽エネルギー展開シナリオでは、数万トンのテルルが必要となり、現在の生産量を大幅に上回ります。この制限はCdTe技術の拡大を阻害する可能性があり、材料のリサイクルと利用効率の向上に関する革新が必要となるでしょう。

テルルは、その技術的重要性、極端な希少性、および生産の地理的集中のため、欧州連合、米国、日本によって重要な材料として分類されています。代替技術の開発とリサイクルの改善は、長期的な供給の安全性に不可欠と考えられています。