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最后更新:2025年12月27日

碲(Te,原子序数52):可再生能源中的稀有类金属

碲原子模型
Image description: Simplified atomic model of the tellurium atom. The most abundant isotope is \(\,^{130}\mathrm{Te}\,\) with its 52 protons, 52 electrons, and 78 neutrons.
Image source: astronoo.com

碲的发现历史

Tellurium was discovered in 1782 by the Austrian mineralogist 弗朗茨-约瑟夫·穆勒·冯·赖兴施泰因 (1740-1825) in gold ores from Transylvania. Müller worked as a mine inspector for the Austrian government when he analyzed a particular ore extracted from the mines of Zlatna (present-day Romania). He identified an unusual metallic substance that he could not fully classify, although he was convinced he had discovered a new element.

His work was confirmed and expanded by the German chemist 马丁·海因里希·克拉普罗特 (1743-1817) in 1798, who definitively isolated the element and named it , from the Latin tellus meaning "earth." This name was chosen in reference to the planet Earth, creating a parallel with uranium (named after Uranus) discovered a few years earlier by Klaproth himself. The chemical symbol Te was adopted from the outset.

碲被归类为类金属是在19世纪确立的,当时化学家认识到其性质介于金属和非金属之间。碲与同属元素周期表第16族的相邻元素硒和硫有许多化学相似性,但表现出更明显的金属特性。

注意::
Tellurium is extremely rare in the Earth's crust, with an average concentration of about 0.001 ppm (one part per billion), making it one of the rarest elements, comparable in rarity to platinum and about eight times rarer than gold. This extraordinary rarity contrasts with its growing importance in modern technologies.

碲几乎不以自然状态存在。它主要作为电解铜精炼的副产品获得,在此过程中与金、银和硒一起积聚在阳极泥中。主要的碲矿石包括碲金矿(AuTe₂)、针碲金银矿((Au,Ag)₂Te₄)、辉碲铋矿(Bi₂Te₂S)和碲华(TeO₂)。

全球碲年产量约为450至550吨,几乎全部是铜和铅冶炼的副产品。中国、日本、加拿大、俄罗斯和美国是主要生产国。这种极为有限的产量以及对铜生产的依赖性,使碲成为新兴技术(尤其是薄膜太阳能电池板)中最关键的材料之一。

结构与基本性质

碲(符号Te,原子序数52)是元素周期表第16族的类金属元素,同族元素包括氧、硫、硒和钋。其原子含有52个质子,通常有78个中子(对应最丰同位素\(\,^{130}\mathrm{Te}\)),以及52个电子,电子排布为[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁴。

碲是一种银灰色结晶固体,具有明显的金属光泽,比硒更具金属性,但仍保留准金属特性。其密度为6.24克/立方厘米,属于中等重量的物质。碲以三角六方结构结晶,形成螺旋状原子链,与硒的结构相似。它质地脆硬,受压时易粉碎。

Tellurium melts at 449.51 °C (722.66 K) and boils at 988 °C (1261 K). Its electrical conductivity increases with temperature and under light exposure, a characteristic photoconductivity property of semiconductors. Tellurium is one of the best thermal conductors among metalloids.

碲在室温下导电性较低,约为铜的百万分之一,但其导电性随温度升高而显著增加,这是半导体的典型特性。纯碲具有明亮的金属光泽,在空气中会缓慢变暗。

Melting point of tellurium: 722.66 K (449.51 °C).
Boiling point of tellurium: 1261 K (988 °C).
Tellurium exhibits photoconductive properties, its resistivity decreasing under illumination.

碲同位素表

碲同位素(基本物理性质)
同位素 / 符号质子(Z)中子(N)原子质量(u)天然丰度半衰期 / 稳定性衰变 / 备注
碲-120 — \(\,^{120}\mathrm{Te}\,\)5268119.904020 u≈ 0.09%稳定最轻的稳定碲同位素,极为稀有。
碲-122 — \(\,^{122}\mathrm{Te}\,\)5270121.903044 u≈ 2.55%稳定天然碲的微量稳定同位素。
碲-123 — \(\,^{123}\mathrm{Te}\,\)5271122.904270 u≈ 0.89%稳定的唯一具有奇数中子数的稳定同位素。
碲-124 — \(\,^{124}\mathrm{Te}\,\)5272123.902818 u≈ 4.74%稳定天然碲的常见稳定同位素。
碲-125 — \(\,^{125}\mathrm{Te}\,\)5273124.904431 u≈ 7.07%稳定稳定同位素,约占天然碲的7%。
碲-126 — \(\,^{126}\mathrm{Te}\,\)5274125.903312 u≈ 18.84%稳定的天然碲中第二丰富的同位素。
碲-128 — \(\,^{128}\mathrm{Te}\,\)5276127.904463 u≈ 31.74%≈ 2.2×10²⁴ 年放射性(β⁻β⁻),已测量的最长半衰期。实际中被视为稳定。
碲-130 — \(\,^{130}\mathrm{Te}\,\)5278129.906224 u≈ 34.08%≈ 8×10²⁰ 年放射性(β⁻β⁻),尽管理论上具有放射性,但却是最丰富的同位素。

碲的电子排布与电子壳层

注意::
Electron shells: 电子如何围绕原子核组织.

碲有52个电子,分布在五个电子壳层中。其完整电子排布为: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁴,简写为:[Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁴。该排布也可写作:K(2) L(8) M(18) N(18) O(6)。

壳层的详细结构

K壳层 (n=1): contains 2 electrons in the 1s subshell. This inner shell is complete and very stable.
L壳层(n=2): contains 8 electrons distributed as 2s² 2p⁶. This shell is also complete, forming a noble gas configuration (neon).
M壳层(n=3): contains 18 electrons distributed as 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. This complete shell contributes to the electronic screen.
N壳层(n=4): contains 18 electrons distributed as 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. The complete 4d subshell is particularly stable.
O壳层(n=5): contains 6 electrons distributed as 5s² 5p⁴. These six electrons are the valence electrons of tellurium.

价电子与氧化态

Tellurium has 6 价电子: two 5s² electrons and four 5p⁴ electrons. The main oxidation states are -2, +4, and +6. The -2 state appears in metallic tellurides (such as CdTe, ZnTe, Bi₂Te₃) where tellurium acts as an electron acceptor, forming the Te²⁻ ion.

+4价态在含氧化合物中最常见,出现在二氧化碲(TeO₂)和亚碲酸(H₂TeO₃)中。 +6价态存在于更高氧化态的化合物中,例如三氧化碲(TeO₃)和碲酸(H₆TeO₆),此时碲 使用了其全部价电子。金属碲对应0氧化态。

化学反应活性

碲在室温下于空气中较为稳定,会缓慢氧化形成一层薄薄的二氧化物表面层。 在高温(超过450°C)时,碲在空气中燃烧,产生蓝绿色火焰,生成二氧化碲(TeO₂)并以白烟形式释放:Te + O₂ → TeO₂。该燃烧过程会散发出特有的难闻气味。

碲与卤素反应生成四卤化物:Te + 2Cl₂ → TeCl₄(四氯化碲),或在受控条件下生成二卤化物。 碲能抵抗稀的非氧化性酸,但可溶于浓硝酸和热硫酸,生成亚碲酸。

氢与碲反应生成碲化氢(H₂Te),这是一种气味极其难闻的有毒气体,其稳定性远低于硫化氢(H₂S)。 碲在高温下能与多种金属直接反应,生成金属碲化物——这类化合物在半导体技术中具有重要意义。

碲的工业与技术应用

太阳能电池板:新兴主导应用

碲最重要且增长最快的应用是生产碲化镉(CdTe)薄膜光伏电池。该技术目前占全球碲需求的40-50%,且随着太阳能产业的扩张,这一比例正在迅速增长。

碲化镉太阳能电池板具有多项显著优势:生产成本低于晶体硅电池板,在高温和弱光条件下性能更优,制造过程能耗较低,且温度系数表现良好。以第一太阳能为首的主要制造商已在大规模应用中证明了该技术的商业可行性。

商用碲化镉电池的转换效率达到16-19%,实验室记录已超过22%。一块典型的100瓦碲化镉太阳能电池板约含6-10克碲。随着全球能源转型目标的推进,光伏领域对碲的需求可能增加数个数量级,这引发了对其长期供应能力的担忧。

热电材料

碲的第二大技术应用是在热电材料领域,特别是碲化铋(Bi₂Te₃)及其合金。这些材料无需运动部件,即可直接将热能转化为电能(塞贝克效应),或将电能转化为温差(珀耳帖效应)。

基于碲化铋的珀尔帖器件广泛应用于冷却敏感电子元件、便携式冰箱、汽车座椅空调以及科学仪器中的温度控制。采用Bi₂Te₃的热电发电机在汽车、航空航天及太空应用中,将废热转化为电能。

碲化铋在室温下具有最高的热电优值(ZT)之一,使其成为这些应用的理想材料。 对先进热电材料的持续研究可能在未来几十年显著增加对碲的需求, 特别是在车辆和工业热能回收领域。

毒性与环境问题

碲及其化合物表现出中等毒性。尽管毒性低于硒或砷,但碲可在体内蓄积并引发特征性效应。碲暴露最显著的影响是产生强烈且持久的蒜味呼吸,这是由于肺部呼出的二甲基碲所致,即使极低剂量也会出现此现象。

职业性碲暴露主要发生在铜冶炼、电子制造和太阳能电池板生产行业中。 中毒症状包括疲劳、嗜睡、口干、食欲不振和金属味,此外还有特征性呼吸气味。 慢性影响可能包括神经和血液系统疾病。

碲化镉(CdTe)用于太阳能电池板时,因含有剧毒重金属镉而引发环境担忧。但碲化镉性质极为稳定且不溶于水,可最大限度降低镉析出的风险。制造商已开发出回收方案,在电池板寿命终结时回收碲和镉。

极度稀有与关键供应

碲是地壳中最稀有的元素之一,平均丰度约为0.001 ppm(十亿分之一)。这种与铂相当、比金稀有八倍的极端稀缺性,在清洁技术需求日益增长的背景下,给供应带来了重大挑战。

全球碲年产量有限,约为450至550吨,几乎全部作为电解铜精炼的副产品获得。这种依赖性意味着碲的供应与铜产量挂钩,而非碲本身的需求,从而形成了结构性的供应限制。

预测显示,大规模采用碲化镉太阳能电池板可能会迅速耗尽可获取的碲储量。太瓦级太阳能部署方案需要数万吨碲,远超当前产量。这一限制可能阻碍碲化镉技术的推广,或要求回收利用和材料使用效率方面的创新。

碲被欧盟、美国和日本列为关键材料,因其在技术上的重要性,加之其极度稀有性和生产地域的高度集中。开发替代技术及改进回收方法被视为保障长期供应安全的关键。

在天体物理学和宇宙学中的作用

Tellurium is synthesized in stars mainly through the s-过程 (slow neutron capture) in asymptotic giant branch (AGB) stars, with significant contributions from the r-process (rapid neutron capture) during supernovae and neutron star mergers. The eight stable isotopes of tellurium have diverse nucleosynthetic origins.

碲在宇宙中的丰度极低,其原子数量约为氢的5×10⁻¹¹倍,属于宇宙中最稀有的元素之一。这种稀有性源于碲在核稳定性曲线中处于不利区域,以及恒星核合成过程中的生成障碍。

中性碲(Te I)和电离碲(Te II)的光谱线在恒星光谱中很少被观测到,原因是该元素的宇宙丰度极低。然而,在某些富含重元素的化学特殊恒星中已检测到碲的痕迹,这使得研究核合成过程及银河系化学演化成为可能。

同位素¹²⁸Te是所有放射性同位素中测量半衰期最长的,约为2.2×10²⁴年,超过宇宙年龄的一万亿倍。这种极其缓慢的双β衰变使¹²⁸Te成为研究基本核过程和检验核物理预测的理想体系。

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