碲(拼音:dì,注音:ㄉㄧˋ,粤拼:dai3;英语:Tellurium),是一种化学元素,其化学符号为Te,原子序数为52,原子量为127.6 u,是银白色的类金属。碲的化学性质与硒及硫类似,它们都是氧族元素。它偶尔会以天然的元素晶体被发现。碲在整个宇宙中比在地球上常见得多。它在地壳中极端稀有,可与铂相比,部分原因是因为它会形成挥发性氢化物,导致碲在地球热星云形成过程中就流失到太空,[3]而且碲对氧的亲和力低,这导致它优先与沉入核心的致密矿物中的其他亲硫元素结合。
碲有两种同素异形体,晶体和无定形体。碲晶体是银白色的,有金属光泽。这些晶体是三方晶系的,具有手性(空间群为152或154),这点类似灰硒。它是一种脆且容易粉碎的类金属。无定形碲是从亚碲酸或碲酸(Te(OH)6)溶液中沉淀出来的黑褐色粉末。[5] 碲是一种半导体,根据原子的排列,它在某些方向上会显示出更大的导电性。当暴露在光线下时,碲的电导率略有增加(光电导效应)。[6]熔化的碲对铜、铁和不锈钢具有腐蚀性。在氧族元素中,碲有最高的熔点和沸点,分别为722.66 K(449.51 °C) 和1,261 K(988 °C)。[7]
有八种碲的同位素在自然界中存在。其中六种——120Te、122Te、123Te、124Te、125Te和126Te是稳定的。剩下的两种——128Te 和130Te有微弱的放射性,[9][10][11]半衰期极长,其中128Te的半衰期为2.2 × 1024年,为所有放射性同位素中最长的。[12]这约为宇宙年龄的160 兆 (1012) 倍。稳定同位素只占了天然碲的33.2%。
除了这些同位素,碲还有31种放射性同位素,原子量在104至142之间,半衰期都在19天以下。此外,碲也有17种同核异构体,半衰期可达154天。除了铍-8和一些较轻的核素中的β延迟α衰变分支,碲(104Te 至109Te)是会进行α衰变的最轻元素。[9]
碲的原子量 (127.60 g·mol−1) 比下一个元素碘 (126.90 g·mol−1)还高。[13]
地壳中碲的这种稀有性并不是其宇宙丰度的反映。在宇宙中碲比铷常见,尽管在地壳中铷的丰度是碲的10000倍。地球上碲很稀有的原因被认为是由太阳星云中吸积前分选过程中的条件引起的。当时某些元素的稳定形式在没有氧气和水的情况下,由还原性的自由氢控制。在这种情况下,会形成挥发性氢化物的某些元素,例如碲,会通过这些氢化物的蒸发而严重耗尽。碲和硒是在这个过程中消耗最严重的重元素。[3]
碲有时以单质存在,但更常见的是作为金的碲化物,例如碲金矿和白碲金银矿(AuTe2的两种不同同质异形体)、碲金银矿 Ag3AuTe2 和针碲金银矿 AgAuTe4。特柳赖德镇的命名是希望这里有金的碲化物矿物(尽管在那里发现了金矿石,但这个愿望从未实现)。金本身通常以单质存在,但当作为化合物发现时,它最常与碲结合。
碲(名称来自拉丁文 tellus,意为地球)于18世纪在罗马尼亚,靠近今天的阿尔巴县市的Kleinschlatten(今兹拉特纳)附近的金矿中发现。1782年,当时担任奥地利特兰西瓦尼亚矿山首席检查员的弗朗茨-约瑟夫·米勒·冯·赖兴施泰因得出结论,认为该矿石不含锑,但含有硫化铋。[18]第二年,他报告说这是错误的,矿石中主要含有金和一种与锑非常相似的未知金属。经过三年的彻底调查和五十多次测试,米勒确定了矿物的比重,并指出当加热时,这种新金属会散发出白烟和类似萝卜的气味。它的硫酸溶液是红色的,并且当该溶液用水稀释时,会产生黑色沉淀物。尽管如此,他还是无法识别出这种金属,并给它起了名字aurum paradoxum(矛盾的金)和metallum Problemum(问题金属),因为它没有表现出和锑一样的特性。[19][20][21]
阳极污泥中包含抗腐蚀金属的硒化物和碲化物,化学式 M2Se 或M2Te (M = Cu、Ag、Au)。在500°C的温度下,阳极污泥在空气中与碳酸钠一起焙烧。金属离子被还原为金属,而碲化物则转化为亚碲酸钠。[26]
亚碲酸盐可以与水从混合物中浸出,通常以亚碲酸氢盐 HTeO3- 的形式存在于溶液中。亚硒酸盐在此过程中也会形成,但可以通过添加硫酸将它们分开。亚碲酸氢盐会转化成不溶的二氧化碲,而亚硒酸盐则留在溶液中。[26]
通过电解或与二氧化硫在硫酸中反应,可以把氧化物还原成碲单质。[26]
还原金属碲会产生碲化物和多碲化物 Ten2−。碲的-2价态存在于和许多金属形成的二元化合物中,例如碲化锌 ZnTe,由碲和锌直接加热反应而成。[32]ZnTe 和盐酸反应,生成碲化氢(H2Te),一种和其它氧族元素氢化物如H2O、H2S 和H2Se相比非常不稳定的同类物。
H2Te 不稳定,但它的共轭碱 [TeH]− 形成的盐稳定。
碲的+2氧化态存在于二卤化物 TeCl2、TeBr2 和TeI2中。它们都还没得到纯品,[33]:274尽管它们已知在有机溶剂中会分解成四卤化物,而相关的四卤合碲(II)酸盐已获得表征:
(X = Cl、Br、I)
碲的氟化物有混合价态化合物 Te2F4 和TeF6。+6氧化态的–OTeF5 基团存在于许多化合物中,如HOTeF5、B(OTeF5)3、Xe(OTeF5)2、Te(OTeF5)4 和Te(OTeF5)6。[34]四角反棱柱形的阴离子 TeF2−8 也是存在的。[26]其它卤素形成不了+6氧化态,只能形成+4氧化态的四卤化物(TeCl4、TeBr4 和TeI4)和低卤化物(Te3Cl2、Te2Cl2、Te2Br2、Te2I 和两种 TeI)。在 +4 氧化态中,卤碲酸根是已知的,如TeCl2−6 和Te2Cl2−10。含卤碲阳离子也是已知的,包括存在于TeI3AsF6的 TeI+3。[35]
一氧化碲于1883年首次报道为黑色无定形固体,由 TeSO3 在真空中热分解形成,加热歧化成碲单质和二氧化碲 TeO2。[36][37]然而,从那时起,固相一氧化碲的存在就受到怀疑和争议,尽管它的蒸气分子是已知的。这种黑色固体可能只是元素碲和二氧化碲的等摩尔混合物。[38]
在空气中加热碲会产生蓝色火焰,并形成二氧化碲。[32]三氧化碲的一种结构 β-TeO3是由 Te(OH)6热分解而成的。另外两种结构——α-相和γ- 相并不是真正的氧化碲(VI),而是 Te4+、OH− 和O−2的混合物。[39] 碲也有各种混合氧化物,如Te2O5 和Te4O9。[39]
碲的氧化物和水合氧化物会产生一系列的酸,包括亚碲酸 (H2TeO3)、原碲酸 (Te(OH)6) 和偏碲酸 ((H2TeO4)n)。[38]偏碲酸和原碲酸会分别形成含有 TeO2–4 和TeO6−6 阴离子的碲酸盐,而亚碲酸则形成含 TeO2−3阴离子的亚碲酸盐。
碲的最大消费者是铁、不锈钢、铜和铅合金的冶金业。碲添加到钢和铜中产生的合金会比其他合金更易加工。为了光谱学研究,碲被加入到铸铁中以促进冷却,因为其中导电的游离石墨存在往往会干扰火花发射测试的结果。碲添加到铅中可以提高强度和耐久性,并降低了硫酸的腐蚀作用。[24][42]
相关催化剂也用于制备1,4-丁二醇:
由于其低电负性,碲可以形成多种带隙较小的材料,可通过波长相对长的光。这一特性是光电导材料、太阳能电池和红外探测器潜在应用的基础。阻碍这些应用的主要问题是这些材料的稳定性和对环境影响的担忧。
有机碲化合物主要在研究中受到关注。人们已经检查了多种用于有机金属化学气相沉积法生长 II-VI 半导体材料的前体。这些前体包括二甲基碲、二乙基碲、二异丙基碲、二烯丙基碲和甲基烯丙基碲。[53]二异丙基碲 (DIPTe) 是通过有机金属化学气相沉积法低温生长 CdHgTe 的首选前体。[54]在这些过程中会使用最高纯度的有机硒化合物和有机碲化合物,这些用于半导体工业的化合物是通过加合物纯化制备的。[55][56]
碲没有已知的生物作用,尽管真菌可以将它替代硫和硒掺入氨基酸中,例如碲半胱氨酸和碲甲硫氨酸。[4][66]生物体对碲化合物表现出高度可变的耐受性。很多细菌,例如Pseudomonas aeruginosa会吸收亚碲酸盐并将其还原为元素碲,而元素碲会积累并导致细胞显着变暗。[67]在酵母中,这种还原是由硫酸盐途径介导的。[68]碲的积累似乎是其毒性作用的主要部分。许多生物也会部分代谢碲以形成二甲基碲,尽管某些物种形成的是二甲基二碲。在温泉中有浓度非常低的二甲基碲。[69][70]
亚碲酸盐琼脂用于鉴定棒状杆菌属的成员,例如Corynebacterium diphtheriae——导致白喉的病原体。[71]
人类暴露含碲低至 0.01mg/m3 或更少的空气中会散发出类似大蒜的恶臭,称为“碲口气”。[45][75] 这是由于身体将碲从任何氧化态转化为二甲基碲 (CH3)2Te导致的。二甲基碲是一种挥发性的化合物,具有刺鼻的大蒜味。尽管碲的代谢途径未知,但通常认为它类似于研究更广泛的硒,因为这两种元素的最终甲基化代谢产物相似。[76][77][78]
人们可以通过吸入、摄入、皮肤接触和眼睛接触在工作场所接触碲。职业安全与健康管理局 (OSHA) 将工作场所中的碲暴露量限制(允许暴露极限)为八小时工作日里 0.1 mg/m3。美国国家职业安全卫生研究所 (NIOSH) 将八小时工作日的推荐暴露限值 (REL) 设为 0.1 mg/m3。在25 mg/m3的浓度下,碲就会立即危及生命或健康。[79]