Samenvatting

Tellurium (Te, atoomnummer 52) is een brosse, licht giftige, zeldzame zilverwitte metalloïde die behoort tot de chalcogenen van het periodiek systeem. Met een voorkomen in de aardkorst vergelijkbaar met platina (~1 μg/kg) toont tellurium unieke halfgeleidereigenschappen en vormt het diverse verbindingen in oxidatietoestanden variërend van -2 tot +6. Het element toont een trigonale kristallijne structuur, smeltpunt van 722,66 K (449,51°C) en kookpunt van 1261 K (987,85°C). Belangrijkste industriële toepassingen zijn cadmiumtelluride-zonnecellen, thermoelektrische apparaten en metallurgische legeringen voor verbeterde bewerkbaarheid. De extreme aardse zeldzaamheid van tellurium resulteert uit de vorming van vluchtige hydriden tijdens planetaire accretie, wat leidt tot uitputting via atmosferische ontsnappingsmechanismen.

Inleiding

Tellurium neemt positie 52 in op het periodiek systeem als penultime lid van groep 16 (chalcogenen), tussen selenium en polonium geplaatst. Het element toont intermediaire metalloïde kenmerken met elektronenconfiguratie [Kr]4d¹⁰5s²5p⁴, waarbij vier valentie-elektronen in het buitenste p-orbitaal vierkomen. Deze configuratie maakt tellurium in staat diverse oxidatietoestanden aan te nemen en uitgebreide reeksen binaire en ternaire verbindingen te vormen. De ontdekking gebeurde in 1782 door Franz-Joseph Müller von Reichenstein in Transylvanisch gouderts, hoewel systematische identificatie en naamgeving pas in 1798 door Martin Heinrich Klaproth werden voltooid. De elementnaam is afgeleid van het Latijnse "tellus" (aarde), wat verwijst naar de terrestrische ontdekking, ondanks een kosmische abundantie hoger dan rubidium. Moderne relevantie ligt in fotovoltaïsche toepassingen, thermoelektrische conversie en gespecialiseerde halfgeleidertechnologieën waar tellurium's unieke elektronische eigenschappen onvervangbare functies bieden.

Fysische eigenschappen en atoomstructuur

Fundamentele atoomparameters

Tellurium heeft atoomnummer 52 en standaard atoommassa 127,60 g·mol^-1, opmerkelijk hoger dan jood (126,90 g·mol^-1) ondanks lager atoomnummer. De elektronenconfiguratie [Kr]4d¹⁰5s²5p⁴ toont volledig gevulde d-subschillen met afschermingseffecten die bijdragen aan een atoomstraal van 140 pm en covalente straal van 138 pm. Berekeningen van effectieve kernlading tonen matige afscherming door binnenste elektronen, resulterend in een eerste ionisatie-energie van 869,3 kJ·mol^-1 en elektronaffiniteit van 190,2 kJ·mol^-1. Elektronegativiteitwaarden variëren tussen Paulingschaal 2,1, Mullikenschaal 2,01 en Allred-Rochowschaal 2,01, wat een matige elektronen-aantrekkingskracht aangeeft tussen selenium (2,55) en polonium (2,0). Opvolgende ionisatie-energieën tonen het p-blokverloop: tweede ionisatie 1790 kJ·mol^-1, derde ionisatie 2698 kJ·mol^-1, wat verwijst naar progressieve verwijdering uit volledige subschillen.

Macroscopische fysische kenmerken

Kristallijn tellurium toont een zilverwit metallisch glans in het trigonale kristalstelsel (ruimtegroep P3₁21 of P3₂21 afhankelijk van chiraliteit), structuurvergelijkbaar met grijs selenium. De kristalstructuur bestaat uit parallelle helixketens met drie telluriumatomen per winding en interatomaire afstanden van 2,835 Å binnen ketens en 3,49 Å tussen ketens. De dichtheid bij standaardomstandigheden bedraagt 6,24 g·cm^-3, wat relatief compacte verpakking weerspiegelt ondanks moleculaire ketenstructuur. Thermische eigenschappen omvatten smeltpunt 722,66 K (449,51°C), kookpunt 1261 K (987,85°C), smeltwarmte 17,49 kJ·mol^-1 en verdampingswarmte 114,1 kJ·mol^-1. De soortelijke warmtecapaciteit bij 298 K is 25,73 J·mol^-1·K^-1. Het element toont halfgeleidergedrag met een bandopening van circa 0,35 eV en anisotrope elektrische geleidbaarheid door de ketenachtige kristalstructuur. Fotoconductiviteit treedt op bij belichting, wat elektronische excitatie over de matige bandopening aantoont.

Chemische eigenschappen en reactiviteit

Elektronische structuur en bindingsgedrag

Tellurium's chemische reactiviteit komt voort uit vier valentie-elektronen in het 5p-orbitaal, wat vorming van twee covalente bindingen mogelijk maakt met behoud van twee vrije elektronenparen in de meeste verbindingen. Algemene oxidatietoestanden zijn -2 in telluriden, +2 in dihalogeniden, +4 in tetrahalogeniden en dioxide, en +6 in hexafluoride en telluurzuurderivaten. De +4 oxidatietoestand overheerst in terrestrische verbindingen vanwege thermodynamische stabiliteit. Bindingvorming betreft meestal sp³-hybridisatie die hoekige moleculaire geometrieën produceert, hoewel hogere oxidatietoestanden octaëdrische coördinatie kunnen tonen zoals in TeF₆. Tellurium-zuurstof bindingslengten variëren van 1,88 Å in TeO₃²⁻ tot 2,12 Å in TeO₄²⁻, wat variabele bindingsorde en coördinatieomgevingen weerspiegelt. Covalente stralen nemen toe met oxidatietoestand: Te⁻² (221 pm), Te⁰ (138 pm), Te⁴⁺ (97 pm), Te⁶⁺ (56 pm), wat systematische elektronische contractie bij oxidatie demonstreert.

Elektrochemische en thermodynamische eigenschappen

Standaard reductiepotentialen tonen tellurium's intermediaire positie in de chalcogenenreeks. Het Te/Te²⁻ koppel heeft E° = -1,143 V, terwijl het TeO₂/Te koppel E° = +0,593 V toont in zure oplossing. Het TeO₄²⁻/TeO₃²⁻ koppel heeft E° = +1,02 V, wat de sterke oxidatieneigenschappen van telluraatsoorten aantoont. Elektronegativiteitsverloop (O > S > Se > Te > Po) weerspiegelt afnemende kernattractie bij toenemende atoomstraal. Ionisatie-energietrends volgen vergelijkbare patronen, met tellurium matige waarden tussen selenium en polonium. Thermodynamische gegevens over telluriumverbindingen tonen over het algemeen negatieve vormingsenthalpieën voor oxiden en positieve waarden voor telluriden van elektropositieve metalen. De standaard entropie van elementair tellurium is 49,71 J·mol⁻¹·K⁻¹ bij 298 K, consistent met een geordende kristallijne structuur. Bindingsplitsingsenergieën nemen af in de reeks: H₂O (463 kJ·mol⁻¹) > H₂S (347 kJ·mol⁻¹) > H₂Se (276 kJ·mol⁻¹) > H₂Te (238 kJ·mol⁻¹), wat toename van bindingslengte en afname van orbitaaloverlappen weerspiegelt.

Chemische verbindingen en complexvorming

Binair en tertiair

Telluriumdioxide (TeO₂) is de meest thermodynamisch stabiele oxide, kristalliserend in twee polymorfe vormen: tetragonale paratelluriet en orthorombische telluriet. Vorming gebeurt via atmosferische oxidatie bij hoge temperaturen, met karakteristieke blauwe vlamkleur. De oxide toont amfotere eigenschappen, oplosbaar in sterke zuren voor tellurylverbindingen en in basen voor tellurieten. Telluriumtrioxide (β-TeO₃) ontstaat via thermische decompositie van orthotellurzuur Te(OH)₆, hoewel α- en γ-vormen eerder gemeld werden als gemengde valentiehydroxiden dan echte +6 oxides. Halogenidechemie omvat de volledige reeks van fluoriden tot jodiden. Telluriumhexafluoride (TeF₆) heeft octaëdrische geometrie met Te-F bindingslengte 1,815 Å, wat d-orbitaaldeelname in bindingen toont. Tetrahalogeniden TeCl₄, TeBr₄ en TeI₄ hebben vierkante piramidale structuren met stereochemisch actieve vrije elektronenparen. Binaire telluriden met metalen variëren van eenvoudige 1:1-stoichiometrie (ZnTe, CdTe) tot complexe tertiaire fasen met extra chalcogenen of kationen.

Coördinatiechemie en organometalliek

Tellurium vormt uitgebreide coördinatiecomplexen door gebruik van lege d-orbitalen en vrije elektronenparen. Vierkante planaire geometrie karakteriseert tetrahalotelluraat-anionen TeX₄²⁻ (X = Cl, Br, I) met typische Te-X bindingslengten van 2,5-2,7 Å. Polynucleaire soorten omvatten Te₂I₆²⁻ en Te₄I₁₄²⁻, wat tellurium's capaciteit voor brugcoördinatie demonstreert. Zintl-kationen zijn unieke oxidatieproducten gevormd in superzuren: Te₄²⁺ (vierkant planair), Te₆⁴⁺ (trigonale prisma's) en Te₈²⁺ (bicyclische structuur). Deze soorten tonen karakteristieke elektronische spectra en magnetische eigenschappen die delokaliseerde bindingen in telluriumstructuren weerspiegelen. Organometallische chemie blijft beperkt vergeleken met lichtere chalcogenen door toegenomen Te-C bindingslabiliteit. Tellurolen (R-TeH) zijn extreem instabiel bij waterstofeliminatie, terwijl telluraethers (R-Te-R') verbeterde stabiliteit tonen door coördinatiesaturatie. Telluriumsuboxide vindt toepassing in faseringsveranderingen voor optische opslagmedia, gebruik makend van reversibele kristallijn-amorfe transitie onder laserbestraling.

Natuurlijk voorkomen en isotopenanalyse

Geochemische distributie en abundantie

Tellurium heeft een aardkorst-abundantie van circa 1 μg·kg⁻¹, vergelijkbaar met platina en een van de zeldzaamste stabiele elementen in de aardkorst. Deze extreme schaarste contrasteert scherp met de kosmische abundantie, waar tellurium rubidium overtreft ondanks dat laatste 10.000 keer hoger in aardse concentratie is. Het abundantieverschil ontstaat door vluchtige hydridevorming tijdens vroege planetaire accretie. Onder reducerende omstandigheden in de primitieve zonnenevel vormde tellurium gemakkelijk waterstoftelluride (H₂Te), dat vervolgens via gasfase ontsnapte naar de ruimte. Selenium kende vergelijkbare maar minder extreme uitputting. Hedendaagse geochemische eigenschappen tonen chalcophile en siderophile neigingen met concentratie in sulfidefasen en metalassociaties. De meeste tellurium komt voor in goudtellurietmineralen zoals calaveriet en krenneriet (AuTe₂), petziet (Ag₃AuTe₂) en sylvaniet (AgAuTe₄). Natuurlijke telluriumkristallen komen zelden voor. Industriële extractie vertrouwt op koper- en loodraffinage anodeslibben waar tellurium zich concentreert tijdens elektrolytische zuiveringsprocessen.

Kern-eigenschappen en isotopencompositie

Natuurlijk tellurium bestaat uit acht isotopen met massagetallen 120, 122, 123, 124, 125, 126, 128 en 130. Zes isotopen (¹²⁰Te tot ¹²⁶Te) hebben stabiele kernen, terwijl ¹²⁸Te en ¹³⁰Te zeer langzame radioactieve verval vertonen via dubbele bètavervalrespectievelijk enkel bètaverval. Isotopenabundanties zijn: ¹²⁰Te (0,09%), ¹²²Te (2,55%), ¹²³Te (0,89%), ¹²⁴Te (4,74%), ¹²⁵Te (7,07%), ¹²⁶Te (18,84%), ¹²⁸Te (31,74%) en ¹³⁰Te (34,08%). De ¹²⁸Te isotoop heeft de langste gemeten halfwaardetijd onder alle radionucliden van 2,2 × 10²⁴ jaar, meer dan 160.000 miljard keer ouder dan het universum. Kernenmagnetische momenten variëren van -0,8885 kernmagnetonen (¹²³Te) tot -0,7369 kernmagnetonen (¹²⁵Te) voor oneven-massaisotopen. Er bestaan 31 kunstmatige radio-isotopen met massagetallen 104-142 en halfwaardetijden variërend van microseconden tot 19 dagen. Opmerkelijke synthetische isotopen zijn ¹³¹Te (halfwaardetijd 25 minuten), belangrijk als precursor voor medische jood-131 productie via neutronenbestraling. Werkzame doorsneden voor thermische neutronenvangst variëren sterk: ¹²³Te (418 barn) >> ¹²⁵Te (1,55 barn), wat selectieve isotopenactivering mogelijk maakt.

Industriële productie en technologische toepassingen

Extractie en zuiveringsmethoden

Commerciële telluriumherwinning gebeurt als bijproduct van koper- en loodelektrolytische raffinageprocessen, waar tellurium zich concentreert in anodeslibben samen met selenium en edelmetalen. Typische koperertsverwerking levert circa 1 kg tellurium per 1000 ton erts op, wat inherente aanbodbeperkingen creëert. De slibben worden geroost bij 773 K met natriumcarbonaat onder oxidatiemiddelen, waarbij metallische telluriden omgezet worden naar natriumtelluriet terwijl edelmetalen metallisch worden gereduceerd: M₂Te + O₂ + Na₂CO₃ → Na₂TeO₃ + 2M + CO₂. Waterlaag lost hydrotellurieten (HTeO₃⁻) op, die van onoplosbare selenieten worden gescheiden via selectieve neerslag met zwavelzuur. Het telluriumdioxide-neerslag wordt verder gereduceerd via elektrochemische weg of reactie met zwaveldioxide: TeO₂ + 2SO₂ + 2H₂O → Te + 2SO₄²⁻ + 4H⁺. Zonerefinering of vacuümdestillatie levert technische kwaliteit materiaal met 99,5-99,99% puurteit. Wereldproductie bereikte in 2022 circa 630 ton, waarbij China ~54% leverde via zowel primaire winning als secundaire herwinning. Aanbodbeperkingen en stijgende vraag voor fotovoltaïsche toepassingen veroorzaken prijsschommelingen tussen $30-220 per kg afhankelijk van puurteit en marktcondities.

Technologische toepassingen en toekomstige perspectieven

Cadmiumtelluride fotovoltaïsche cellen zijn de belangrijkste toepassing, verantwoordelijk voor circa 40% telluriumverbruik. Deze dunne filmapparaten bereiken commerciële efficiënties boven 22% met uitstekende temperatuurcoëfficiënten en lage productiekosten vergeleken met siliciumalternatieven. De halfgeleidereigenschappen van CdTe (bandopening 1,45 eV) bieden optimale zonnespectrumabsorptie met minimale thermalisatieverliezen. Thermoelektrische toepassingen verbruiken ~30% van de productie via bismuttelluride (Bi₂Te₃) samenstellingen met kwaliteitsfactoren (zT) tot 1,0 bij kamertemperatuur. Deze materialen maken vastestofkoeling en restwarmte-herwinning mogelijk in automobiel- en industriële toepassingen. Metallurgische toepassingen omvatten telluriumkoper en automatenstaallegeringen waar kleine toevoegingen (0,04-0,08%) de bewerkbaarheid sterk verbeteren zonder elektrische geleidbaarheid of mechanische eigenschappen te verlagen. Nieuwe toepassingen zijn cadmiumzinktelluride ((Cd,Zn)Te) gammastraldetectoren voor medische beeldvorming en astrofysische waarnemingen. Faseringsveranderinggeheugen technologie benut snelle kristallijn-amorfe transitie in tellurium-germanium-antimoonsamenstellingen voor niet-vluchtige gegevensopslag. Onderzoek richt zich op zeldzame aardtritelluriden (RTe₃) met ladingsdichtheidgolven, supergeleiding en topologische elektronische toestanden voor toekomstige kwantumcomputertoepassingen.

Geschiedenis en ontdekking

Tellurium's ontdekking begon met onderzoek naar ongebruikelijke gouderts uit de Mariahilf mijns nabij Zlatna, Transsylvanië (huidige Roemenië) in de late 18e eeuw. Het materiaal, oorspronkelijk aangeduid als "antimonalischer Goldkies" (antimonisch goudpyriet), verwarde mineralogen door eigenschappen die niet strookten met bekende antimoonverbindingen. Franz-Joseph Müller von Reichenstein, Oostenrijks mijnwezeninspecteur, startte systematische analyses in 1782 en concludeerde dat het erts noch antimoon noch bismut bevatte, maar een onbekende metalische substantie. Na uitgebreide chemische tests (meer dan 50 gedurende drie jaar) karakteriseerde Müller de elementaire eigenschappen: bepaling van soortelijke massa, witte rookontwikkeling met radijsgeur bij verhitting, rode kleur van zwavelzuuroplossingen en zwarte neerslag bij verdunning. Ondanks uitgebreide karakterisering kon Müller het element niet definitief identificeren en noemde het "aurum paradoxum" en "metallum problematicum". Onafhankelijke herontdekking gebeurde in 1789 door Pál Kitaibel bij onderzoek naar vergelijkbaar erts uit Deutsch-Pilsen, hoewel eerherkenning terecht naar Müller ging. Definitieve identificatie en naamgeving werden in 1798 door Martin Heinrich Klaproth vastgesteld na isolatie uit calaveriet. De naam "tellurium" komt van het Latijnse "tellus" (aarde), wat de terrestrische ontdekking benadrukt. Vroege toepassingen omvatten Thomas Midgley's onderzoek naar antiklop-eigenschappen in automobiele brandstoffen in de jaren 1920, hoewel implementatie werd verworpen vanwege aanhoudende geurproblemen ten gunste van tetra-ethyllood.

Conclusie

Tellurium neemt een unieke positie in als zeldzaamste stabiele element in de aardkorst, terwijl het cruciale technologische toepassingen heeft in moderne energie- en elektronica-technologieën. Zijn intermediaire metalloïde eigenschappen maken diverse oxidatiechemie mogelijk van -2 tot +6 oxidatietoestanden en vorming van complexe moleculaire structuren zoals Zintl-kationen en interchalcogenen. Industriële relevantie ligt in fotovoltaïsche energieconversie via cadmiumtelluride-zonnecellen en thermoelektrische restwarmteherwinning met bismuttelluride. Aanbodbeperkingen door bijproductwinning en extreme geochemische schaarste vormen blijvende uitdagingen voor technologische uitbreiding. Toekomstig onderzoek richt zich op zeldzame aardtritelluride kwantummaterialen, geavanceerde thermoelektrische composites en faseringsveranderinggeheugenarchitecturen die tellurium's unieke elektronische schakelcapaciteiten benutten. Begrip van tellurium's fundamentele chemie en ontwikkeling van duurzame leveringsketens zijn essentieel voor verdere vooruitgang in energieopslag- en conversietechnologieën van de volgende generatie.