Zusammenfassung

Tellur (Te, Ordnungszahl 52) ist ein sprödes, leicht toxisches, seltenes silberweißes Metalloid aus der Chalkogengruppe des Periodensystems. Mit einer Erdkrustenhäufigkeit vergleichbar mit Platin (~1 μg/kg) weist Tellur einzigartige Halbleitereigenschaften auf und bildet vielfältige Verbindungen in Oxidationsstufen von -2 bis +6. Das Element zeigt eine trigonale Kristallstruktur, einen Schmelzpunkt von 722,66 K (449,51°C) und einen Siedepunkt von 1261 K (987,85°C). Hauptindustrielle Anwendungen umfassen Cadmiumtellurid-Solarzellen, thermoelektrische Geräte und metallurgische Legierungen zur Verbesserung der Zerspanbarkeit. Die extreme Seltenheit von Tellur auf der Erde resultiert aus der Bildung flüchtiger Hydride während der Planetenakkretion, was durch atmosphärische Entweichungsmechanismen zu einer Verarmung führte.

Einführung

Tellur nimmt im Periodensystem die Position 52 als vorletztes Mitglied der Gruppe 16 (Chalkogene) ein und liegt zwischen Selen und Polonium. Das Element zeigt intermediäre Metalloideigenschaften mit der Elektronenkonfiguration [Kr]4d¹⁰5s²5p⁴ und verfügt über vier Valenzelektronen im äußersten p-Orbital. Diese Konfiguration ermöglicht Tellur, diverse Oxidationsstufen zu manifestieren und umfangreiche Serien binärer und ternärer Verbindungen zu bilden. Die Entdeckung erfolgte 1782 durch Franz-Joseph Müller von Reichenstein in transsilvanischem Golderz, obwohl die systematische Identifizierung und Benennung erst 1798 durch Martin Heinrich Klaproth abgeschlossen wurde. Der Name des Elements leitet sich vom lateinischen "tellus" (Erde) ab und spiegelt den terrestrischen Entdeckungskontext wider, trotz einer kosmischen Häufigkeit, die Rubidium übertrifft. Die heutige Bedeutung konzentriert sich auf photovoltaische Anwendungen, thermoelektrische Umwandlung und spezialisierte Halbleitertechnologien, in denen die einzigartigen elektronischen Eigenschaften von Tellur eine unersetzliche Funktionalität bieten.

Physikalische Eigenschaften und atomare Struktur

Fundamentale atomare Parameter

Tellur weist die Ordnungszahl 52 mit einer Standardatommasse von 127,60 g·mol^-1 auf, die trotz niedrigerer Ordnungszahl die von Iod (126,90 g·mol^-1) übersteigt. Die Elektronenkonfiguration [Kr]4d¹⁰5s²5p⁴ zeigt gefüllte d-Unterschalen mit Abschirmeffekten, die zu einem Atomradius von 140 pm und einem kovalenten Radius von 138 pm beitragen. Berechnungen der effektiven Kernladung zeigen eine moderate Abschirmung durch innere Elektronen, was zu einer ersten Ionisierungsenergie von 869,3 kJ·mol^-1 und einer Elektronenaffinität von 190,2 kJ·mol^-1 führt. Elektronegativitätswerte umfassen die Pauling-Skala (2,1), die Mulliken-Skala (2,01) und die Allred-Rochow-Skala (2,01), was eine moderate Elektronenanziehfähigkeit zwischen Selen (2,55) und Polonium (2,0) anzeigt. Aufeinanderfolgende Ionisierungsenergien zeigen einen charakteristischen p-Block-Verlauf: zweite Ionisierung 1790 kJ·mol^-1, dritte Ionisierung 2698 kJ·mol^-1, was den progressiven Elektronenentzug aus gefüllten Unterschalen widerspiegelt.

makroskopische physikalische Eigenschaften

Kristallines Tellur zeigt silbrig-weißes metallisches Glänzen im trigonalen Kristallsystem (Raumgruppe P3₁21 oder P3₂21 je nach Chiralität), strukturell analog zu grauem Selen. Die Kristallstruktur besteht aus parallelen helikalen Ketten mit drei Telluratomen pro Umdrehung und interatomaren Abständen von 2,835 Å innerhalb der Ketten und 3,49 Å zwischen den Ketten. Die Dichte unter Standardbedingungen beträgt 6,24 g·cm^-3, was einer relativ kompakten Packung trotz der molekularen Kettenstruktur entspricht. Thermische Eigenschaften umfassen einen Schmelzpunkt von 722,66 K (449,51°C), einen Siedepunkt von 1261 K (987,85°C), eine Schmelzwärme von 17,49 kJ·mol^-1 und eine Verdampfungswärme von 114,1 kJ·mol^-1. Die spezifische Wärmekapazität bei 298 K beträgt 25,73 J·mol^-1·K^-1. Das Element zeigt Halbleiterverhalten mit einer Bandlücke von etwa 0,35 eV und demonstriert anisotrope elektrische Leitfähigkeit aufgrund der kettenartigen Kristallstruktur. Bei Bestrahlung tritt Photoleitfähigkeit auf, was auf elektronische Anregung über die bescheidene Bandlücke hinweist.

Chemische Eigenschaften und Reaktivität

Elektronische Struktur und Bindungsverhalten

Tellurs chemische Reaktivität resultiert aus vier Valenzelektronen im 5p-Orbital, die die Bildung zweier kovalenter Bindungen unter Beibehaltung von zwei freien Elektronenpaaren in den meisten Verbindungen ermöglichen. Häufige Oxidationsstufen sind -2 in Telluriden, +2 in Dihaliden, +4 in Tetrahaliden und Dioxid sowie +6 in Hexafluorid und Tellursäurederivaten. Die Oxidationsstufe +4 dominiert in terrestrischen Verbindungen aufgrund thermodynamischer Stabilitätsüberlegungen. Die Bindungsbildung erfolgt typischerweise über sp³-Hybridisierung mit winkligen Molekülgeometrien, während höhere Oxidationsstufen oktaedrische Koordination aufweisen können, wie in TeF₆. Tellur-Oxygen-Bindungslängen reichen von 1,88 Å in TeO₃²⁻ bis 2,12 Å in TeO₄²⁻, was variable Bindungsordnung und Koordinationsumgebung widerspiegelt. Kovalente Radien nehmen mit steigender Oxidationsstufe zu: Te⁻² (221 pm), Te⁰ (138 pm), Te⁴⁺ (97 pm), Te⁶⁺ (56 pm), was einen systematischen elektronischen Kontraktion bei der Oxidation demonstriert.

Elektrochemische und thermodynamische Eigenschaften

Standardreduktionspotentiale zeigen Tellurs intermediäre Position innerhalb der Chalkogenserie. Das Te/Te²⁻-Paar weist E° = -1,143 V auf, während das TeO₂/Te-Paar in saurer Lösung E° = +0,593 V zeigt. Das TeO₄²⁻/TeO₃²⁻-Paar zeigt E° = +1,02 V, was den stark oxidierenden Charakter von Tellurat-Spezies anzeigt. Der Elektronegativitätsverlauf (O > S > Se > Te > Po) spiegelt die abnehmende Kernanziehung mit zunehmendem Atomradius wider. Ionisierungsenergietrends folgen ähnlichen Mustern, wobei Tellur moderate Werte zwischen Selen und Polonium zeigt. Thermodynamische Daten für Tellurverbindungen deuten allgemein auf negative Bildungsenthalpien für Oxide und positive Werte für Telluride elektropositiver Metalle hin. Die Standardentropie von elementarem Tellur beträgt bei 298 K 49,71 J·mol⁻¹·K⁻¹, konsistent mit einer geordneten kristallinen Struktur. Bindungsdissociationsenergien nehmen in der Serie ab: H₂O (463 kJ·mol⁻¹) > H₂S (347 kJ·mol⁻¹) > H₂Se (276 kJ·mol⁻¹) > H₂Te (238 kJ·mol⁻¹), was zunehmende Bindungslänge und abnehmende Orbitalsymmetrie widerspiegelt.

Chemische Verbindungen und Komplexbildung

Binäre und ternäre Verbindungen

Tellurdioxid (TeO₂) stellt das thermodynamisch stabilste Oxid dar und kristallisiert in zwei polymorphen Formen: tetragonalem Paratellurit und orthorhombischem Tellurit. Die Bildung erfolgt durch atmosphärische Oxidation bei erhöhten Temperaturen unter charakteristischer blauer Flammenfärbung. Das Dioxid zeigt amphoteres Verhalten, löst sich in starken Säuren zu Tellurylverbindungen und in Basen zu Telluriten. Tellurtrioxid (β-TeO₃) bildet sich durch thermische Zersetzung von Orthotellursäure Te(OH)₆, obwohl α- und γ-Formen, die früher berichtet wurden, gemischtwertige Hydroxidspezies statt echter +6-Oxide darstellen. Die Halogenidchemie umfasst die vollständige Serie von Fluoriden bis Iodiden. Tellurhexafluorid (TeF₆) nimmt eine oktaedrische Geometrie mit Te-F-Bindungslänge von 1,815 Å ein und demonstriert erhebliche d-Orbitalbeteiligung an der Bindung. Tetrahalogenide TeCl₄, TeBr₄ und TeI₄ zeigen quadratisch-pyramidale Strukturen mit stereochemisch aktiven freien Elektronenpaaren. Binäre Telluride mit Metallen umfassen einen breiten Zusammensetzungsbereich, von einfacher 1:1-Stöchiometrie (ZnTe, CdTe) bis zu komplexen ternären Phasen mit zusätzlichen Chalkogenen oder Kationen.

Koordinationschemie und metallorganische Verbindungen

Tellur bildet umfangreiche Koordinationskomplexe durch Nutzung leerer d-Orbitale und freier Elektronenpaare. Quadratisch-planare Geometrie charakterisiert Tetrahalotellurat-Anionen TeX₄²⁻ (X = Cl, Br, I) mit typischen Te-X-Bindungslängen von 2,5-2,7 Å. Polynukleare Spezies umfassen Te₂I₆²⁻ und Te₄I₁₄²⁻, was Tellurs Fähigkeit zu Brückenbindungsmodi demonstriert. Zintl-Kationen stellen einzigartige Oxidationsprodukte dar, die in Supersäuremedien gebildet werden: Te₄²⁺ (quadratisch-planar), Te₆⁴⁺ (trigon prismatisch) und Te₈²⁺ (bicyclische Struktur). Diese Spezies zeigen charakteristische elektronische Spektren und magnetische Eigenschaften, die delokalisierte Bindung innerhalb der Tellurgerüste widerspiegeln. Die metallorganische Chemie bleibt im Vergleich zu leichteren Chalkogenen begrenzt aufgrund erhöhter Te-C-Bindungslabilisierung. Tellurols (R-TeH) zeigen extreme Instabilität gegenüber Wasserstoffeliminierung, während Telluraether (R-Te-R') durch Koordinationssättigung erhöhte Stabilität aufweisen. Tellur-Suboxid findet spezialisierte Anwendung in phasenwechselnden optischen Speichermedien, indem reversible kristallin-amorphe Übergänge unter Laserbestrahlung ausgenutzt werden.

Natürliches Vorkommen und isotopische Analyse

Geochemische Verteilung und Häufigkeit

Tellur weist eine Erdkrustenhäufigkeit von etwa 1 μg·kg⁻¹ auf, vergleichbar mit Platin und stellt eines der seltensten stabilen Elemente in der Erdkruste dar. Diese extreme Seltenheit steht im starken Kontrast zur kosmischen Häufigkeit, wo Tellur Rubidium übertrifft, obwohl letzteres eine 10.000-fach höhere terrestrische Konzentration aufweist. Die Häufigkeitsdiskrepanz resultiert aus der Bildung flüchtiger Hydride während der frühen Planetenakkretion. Unter reduzierenden Bedingungen des primitiven Sonnennebels bildete Tellur leicht Wasserstofftellurid (H₂Te), das anschließend als Gasphase in den Weltraum entwich. Selen erlebte eine ähnliche, aber weniger ausgeprägte Verarmung durch analoge Mechanismen. Das gegenwärtige geochemische Verhalten zeigt chalcophile und siderophile Tendenzen mit bevorzugter Konzentration in Sulfidphasen und nativen Metallassoziationen. Der Großteil des Tellurs kommt in Goldtellurid-Mineralien vor, einschließlich Calaverit und Krennerit (AuTe₂), Petzit (Ag₃AuTe₂) und Sylvanit (AgAuTe₄). Native Tellurkristalle kommen gelegentlich vor, sind aber geologisch ungewöhnlich. Die industrielle Gewinnung stützt sich hauptsächlich auf Anodenschlämme aus Kupfer- und Bleirefinerien, in denen sich Tellur während elektrolytischer Reinigungsprozesse anreichert.

Kernphysikalische Eigenschaften und isotopische Zusammensetzung

Natürliches Tellur besteht aus acht Isotopen mit den Massenzahlen 120, 122, 123, 124, 125, 126, 128 und 130. Sechs Isotope (¹²⁰Te bis ¹²⁶Te) zeigen stabile Kernkonfigurationen, während ¹²⁸Te und ¹³⁰Te extrem langsame radioaktive Zerfälle durch Doppelbetazerfall bzw. Einzelbetazerfall durchlaufen. Isotopenhäufigkeiten betragen: ¹²⁰Te (0,09%), ¹²²Te (2,55%), ¹²³Te (0,89%), ¹²⁴Te (4,74%), ¹²⁵Te (7,07%), ¹²⁶Te (18,84%), ¹²⁸Te (31,74%) und ¹³⁰Te (34,08%). Das Isotop ¹²⁸Te weist die längste gemessene Halbwertszeit aller Radionuklide mit 2,2 × 10²⁴ Jahren auf, was das Alter des Universums um etwa 160 Billionen Mal übertrifft. Kernmagnetische Momente reichen von -0,8885 Kernmagnetonen (¹²³Te) bis -0,7369 Kernmagnetonen (¹²⁵Te) für Isotope mit ungerader Masse. Es existieren 31 künstliche Radioisotope mit Massen 104-142 und Halbwertszeiten von Mikrosekunden bis 19 Tagen. Bemerkenswerte synthetische Isotope umfassen ¹³¹Te (Halbwertszeit 25 Minuten), wichtig als Vorläufer für die medizinische Jod-131-Produktion durch Neutronenbestrahlung. Wirkungsquerschnitte für thermische Neutroneneinfang variieren erheblich: ¹²³Te (418 Barn) >> ¹²⁵Te (1,55 Barn), was selektive isotopische Aktivierung ermöglicht.

Industrielle Produktion und technologische Anwendungen

Gewinnungs- und Reinigungsverfahren

Die kommerzielle Tellurgewinnung erfolgt als Nebenprodukt von Kupfer- und Bleirefinierungsprozessen, bei denen sich Tellur in Anodenschlämmen zusammen mit Selen und Edelmetallen anreichert. Die typische Kupfererzaufbereitung liefert etwa 1 kg Tellur pro 1000 Tonnen verarbeitetem Erz, was inhärente Versorgungsbeschränkungen festlegt. Die Schlämme werden bei 773 K mit Natriumcarbonat unter oxidierender Atmosphäre geröstet, wodurch Metalltelluride zu Natriumtellurit umgesetzt werden, während Edelmetalle zu elementarer Form reduziert werden: M₂Te + O₂ + Na₂CO₃ → Na₂TeO₃ + 2M + CO₂. Die Auslaugung mit Wasser löst Hydrotellurite (HTeO₃⁻) auf, die durch selektive Fällung mit Schwefelsäure von unlöslichen Seleniten getrennt werden. Der gefällte Tellurdioxid-Niederschlag wird entweder elektrochemisch oder durch Reaktion mit Schwefeldioxid reduziert: TeO₂ + 2SO₂ + 2H₂O → Te + 2SO₄²⁻ + 4H⁺. Die Reinigung erfolgt durch Zonenschmelzen oder Vakuumdestillation und liefert technisches Material mit 99,5-99,99% Reinheit. Die globale Produktion erreichte 2022 etwa 630 Tonnen, wobei China mit ~54% sowohl durch Primärgewinnung als auch Sekundärrückgewinnung beitrug. Versorgungsengpässe und steigende Nachfrage nach photovoltaischen Anwendungen treiben die Preisschwankungen an, mit Werten zwischen 30 und 220 US-Dollar pro Kilogramm je nach Reinheit und Marktbedingungen.

Technologische Anwendungen und zukünftige Perspektiven

Cadmiumtellurid-Photovoltaikzellen stellen die dominierende Anwendung dar und machen etwa 40% des Tellurverbrauchs aus. Diese Dünnfilmgeräte erreichen kommerzielle Wirkungsgrade von über 22% mit überlegenen Temperaturkoeffizienten und niedrigen Herstellungskosten im Vergleich zu Silizium-Alternativen. Die Halbleitereigenschaften von CdTe (Bandlücke 1,45 eV) bieten optimale Absorption des Sonnenspektrums mit minimalen thermischen Verlusten. Thermoelektrische Anwendungen verbrauchen ~30% der Produktion durch Wismuttellurid (Bi₂Te₃)-Zusammensetzungen, die Figure-of-Merit-Werte (zT) nahe 1,0 bei Raumtemperatur aufweisen. Diese Materialien ermöglichen Festkörperkühlung und Abwärmenutzung in Automobil- und Industrieanwendungen. Metallurgische Anwendungen umfassen tellurhaltiges Kupfer und spannfähige Stahllegierungen, bei denen geringe Zusätze (0,04-0,08%) die Zerspanbarkeit dramatisch verbessern, ohne elektrische Leitfähigkeit oder mechanische Eigenschaften zu beeinträchtigen. Aufkommende Anwendungen umfassen Cadmium-Zink-Tellurid ((Cd,Zn)Te)-Gammastrahldetektoren für medizinische Bildgebung und astrophysikalische Beobachtungen. Phasenwechselspeichertechnologie nutzt schnelle kristallin-amorphe Übergänge in Tellur-Germanium-Antimon-Zusammensetzungen für nichtflüchtige Datenspeicherung. Forschungsfronten erkunden Selten-Erd-Trittelluride (RTe₃), die Ladungsdichtewellen, Supraleitung und topologische elektronische Zustände mit potenziellen Quantencomputeranwendungen aufweisen.

Geschichtliche Entwicklung und Entdeckung

Tellurentdeckung ging auf Untersuchungen ungewöhnlichen Golddores aus der Mariahilf-Mine bei Zlatna, Transsilvanien (heutiges Rumänien), im späten 18. Jahrhundert zurück. Das Material, ursprünglich als "antimonalischer Goldkies" bezeichnet, verwirrte Mineralogen aufgrund von Eigenschaften, die mit bekannten Antimonverbindungen nicht übereinstimmten. Franz-Joseph Müller von Reichenstein, österreichischer Berginspektor, initiierte 1782 systematische Analysen und schlussfolgerte, dass das Erz weder Antimon noch Wismut, sondern eine unbekannte metallische Substanz enthielt. Durch umfangreiche chemische Untersuchungen mit über fünfzig Tests über drei Jahre charakterisierte Müller die einzigartigen Eigenschaften des Elements: spezifische Gewichtsbestimmungen, Entwicklung weißer Rauch mit rettichartigem Geruch beim Erhitzen, Rötung von Schwefelsäurelösungen und Bildung schwarzer Niederschläge bei Verdünnung. Trotz umfassender Charakterisierung konnte Müller die Substanz nicht definitiv identifizieren und bezeichnete sie als "aurum paradoxum" und "metallum problematicum". Eine unabhängige Wiederentdeckung erfolgte 1789 durch Pál Kitaibel bei der Untersuchung ähnlichen Ores aus Deutsch-Pilsen, obwohl die Anerkennung Müller gebührend zugesprochen wurde. Die definitive Identifizierung und Benennung wurden 1798 durch Martin Heinrich Klaproth nach der Isolierung aus Calaverit-Mineral abgeschlossen. Der Name "Tellur" leitet sich vom lateinischen "tellus" (Erde) ab und spiegelt den terrestrischen Entdeckungskontext wider. Frühe Anwendungen umfassten Thomas Midgleys Untersuchungen der antiknock-Eigenschaften in Automobilkraftstoffen in den 1920er Jahren, obwohl die Implementierung aufgrund persistenter Geruchseffekte zugunsten von Tetraethylblei abgelehnt wurde.

Schlussfolgerung

Tellur nimmt eine einzigartige Position als seltenstes stabiles Element in der Erdkruste ein, während es gleichzeitig entscheidende technologische Bedeutung in modernen Energie- und Elektronikanwendungen zeigt. Seine intermediären Metalloideigenschaften ermöglichen vielfältige Oxidationschemie in Stufen von -2 bis +6 und die Bildung komplexer molekularer Architekturen einschließlich Zintl-Kationen und Interchalkogen-Spezies. Die industrielle Bedeutung konzentriert sich auf photovoltaische Energieumwandlung durch Cadmiumtellurid-Solarzellen und thermoelektrische Abwärmenutzungssysteme mit Wismuttellurid-Zusammensetzungen. Versorgungsbeschränkungen durch Nebenproduktgewinnungsmethoden und extreme geochemische Seltenheit stellen kontinuierliche Herausforderungen für die Ausweitung technologischer Einsatzmöglichkeiten dar. Zukünftige Forschungsrichtungen umfassen Selten-Erd-Trittellurid-Quantenmaterialien, fortschrittliche thermoelektrische Komposite und Phasenwechselspeicherarchitekturen, die Tellurs einzigartige elektronische Schaltfähigkeiten nutzen. Das Verständnis der Grundchemie von Tellur und die Entwicklung nachhaltiger Versorgungsketten bleiben entscheidend für die Weiterentwicklung der nächsten Generation von Energiespeicher- und Umwandlungstechnologien.