Tellur

Es ist ein wunderschönes Wort, vielleicht das Schönste, welches man einem Element geben kann: Tellur, abgeleitet vom lateinischen «Erde». Und so schön es klingt, so selten ist es auch: Nur neun andere Elemente sind ähnlich selten wie das silbrig-weiße, metallisch glänzende Halbmetall. Tellur ist einerseits weich, andererseits ausgesprochen spröde; es lässt sich somit perfekt zu Pulver verarbeiten.

Entdeckt wurde es 1782 von dem österreichischen Chemiker und Mineralogen Franz Joseph Müller von Reichenstein, der es zuerst für «geschwefelten Wismut» hielt.

Erst 1797 konnte der Berliner Chemiker Martin Heinrich Klaproth die Entdeckung verifizieren. Klaproth war eine ausgewiesene Koryphäe, ein Mann, der auch Uran, Zirkonium und Cer entdeckte und für den von Müller von Reichenstein entdeckten Rohstoff den Namen Tellur vergab. Er schrieb «Zur Ausfüllung dieser bisherigen Lücke in der chemischen Mineralogie lege ich hier meine mit diesen kostbaren Erzen angestellten Versuche und Erfahrungen dar, deren Hauptresultat in der Auffindung und Bestätigung eines neuen eigenthümlichen Metalls besteht, welchem ich den von der alten Mutter Erde entlehnten Nahmen Tellurium beylege.»

Bis heute haben sich vier wichtige Produktionsstätten für Tellur herausgebildet, die gemeinsam zwei Drittel des Marktes bedienen: Die USA, Kanada, Japan und Peru. Geschätzt liegt die weltweite Produktion insgesamt bei 180 Tonnen pro Jahr.

Doch wofür benötigt man Tellur überhaupt? Traditionell wichtig ist es als Legierungselement für die Kabelindustrie und die Stahlherstellung. Es kommt in Beschichtungen für DVDs und Blu-ray-Disks ebenso vor wie in Halbleitern; hier bevorzugt im Bereich der Photovoltaik, also in der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom: Solaranlagen. Und sogar in manchen Feuerwerken kann man es bestaunen, wenn die Salze des Tellurs für eine grasgrüne Farbgebung sorgen.

Doch so zukunftssicher die Anwendungsmethoden auch sein mögen, so prächtig ein Feuerwerk auf seine Betrachter auch wirken mag: Alleine schon wegen seines wunderschönen Namens „Tellur“ hat das Element 1782 die Entdeckung verdient.

Spezifikationen:

Schmelzpunkt:                     449,5 °C
Spezifisches Gewicht:          6,25 g/cm3
Farbe:                                   Silberweiss
Siedepunkt:                          989,8 °C
Weltjahresproduktion ca.:    180 Tonnen
Massenanteil / Erdhülle:      0,001 ppm

Wertentwicklung:

Im Jahr 2021:                        +18,18%
Im Jahr 2022:                        +10,77%

Verwendung:

  • Sprengkapseln
  • Peltier-Elemente
  • Thermoelemente
  • Lichtwellenleiter
  • Verbindungshalbleiter
  • Färben von Glas und Keramik
  • Optischer Speicher (CD-RW, usw.)
  • Fotodioden und Dünnschicht-Solarzellen
  • Legierungsbestandteil für rostfreie Edelstahle
  • Speichermaterialien wie Phase Change Random Access Memory

Die Geschichte von Tellur

Tellur, ein seltenes chemisches Element mit der Abkürzung Te, hat eine bemerkenswerte Entdeckungsgeschichte, die bis ins 18. Jahrhundert zurückreicht. Der österreichische Chemiker und Mineraloge Franz Joseph Müller von Reichenstein war der erste, der 1782 Tellur in Gold-Erzen aus der Grube Mariahilf bei Zlatna in Rumänien entdeckte. Die Erze hatten eine geringere Goldausbeute als erwartet, und durch Untersuchungen wurde Müller von Reichenstein auf das unbekannte Metall aufmerksam. Ursprünglich hielt er es für „geschwefeltes Wismuth“ oder Antimon, aber seine weiteren Untersuchungen zeigten, dass es sich um ein neues Element handelte. Er nannte es „metallum problematicum“ oder „aurum problematicum“.

Die Entdeckung von Tellur wurde jedoch erst zwölf Jahre später von Martin Heinrich Klaproth aus Berlin anerkannt. Klaproth erhielt 1797 Proben der Erze von Müller von Reichenstein und bestätigte die Entdeckung des neuen Elements. In einem Vortrag im Januar 1798 würdigte Klaproth die Leistungen von Müller von Reichenstein und gab dem Element den Namen „Tellurium“, abgeleitet vom lateinischen Wort „tellus“ für „Erde“. Die Entdeckung von Tellur wurde Müller von Reichenstein zugeschrieben, und das Elementsymbol Te wurde 1814 von Jöns Jakob Berzelius vorgeschlagen.

Unabhängig von Müller von Reichenstein und Klaproth entdeckte der ungarische Chemiker und Botaniker Paul Kitaibel 1789 Tellur bei Untersuchungen von Golderzen in Ungarn. Obwohl Klaproth von Kitaibels Entdeckung wusste, erwähnte er ihn in seinem Vortrag nicht und behauptete, dass die Entdeckung allein Müller von Reichenstein zuzuschreiben sei.

Tellur zeichnet sich durch einige einzigartige Eigenschaften aus. Es ist dunkelgrau, schwer und weich und lässt sich mechanisch leicht bearbeiten. Ein bemerkenswertes Merkmal von Tellur ist sein außergewöhnlich hoher Schmelzpunkt, der nur von Wolfram und Rhenium übertroffen wird. Es leitet Wärme und Strom mäßig gut und ist unterhalb von 150 °C gegenüber den meisten Säuren beständig, mit Ausnahme von Flusssäure, sauren Fluoridlösungen und freiem Schwefeltrioxid. Tellur bildet auch keine Legierungen mit Kupfer, aber es lässt sich sehr gut mit Wolfram und anderen hochschmelzenden Metallen legieren.

Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften findet Tellur eine breite Palette von Anwendungen. Es wird hauptsächlich für sehr kleine Kondensatoren mit hoher Kapazität in der Mikroelektronik verwendet, beispielsweise in Mobiltelefonen. Darüber hinaus wird es in hochschmelzenden, hochfesten Legierungen eingesetzt, wie zum Beispiel als Legierungszusatz für Werkzeug- und Schneidstähle. In Gasturbinen, Nuklearreaktoren, Raketenteilen und der chemischen Prozessindustrie findet es ebenfalls Verwendung.

Tellur wird auch in der Medizin für Implantate und Instrumente eingesetzt, da es neutral gegenüber dem Immunsystem ist und nicht-reizende Eigenschaften gegenüber Körpergeweben aufweist. Spezialgläser mit hoher Brechzahl, wie Kameralinsen, enthalten häufig Tantaloxid. In der Hochvakuumtechnik und im Vakuumofenbau ist Tellur aufgrund seiner Duktilität von Nutzen. Darüber hinaus dient es als Strahlenschutzmaterial vor ionisierender Strahlung.

Vorkommen und Gewinnung

Tellur ist ein selten vorkommendes Element in der Erdkruste, mit einem Anteil von nur ca. 0,01 ppm (g/t). Es tritt selten in gediegener Form in der Natur auf, meistens in Verbindung mit Gold, Silber, Kupfer, Blei, Wismut und den Platinmetallen. Gediegenes Tellur gehört zur Gruppe der Elemente und wird als Mineral nach Strunz unter der Nummer I/B.03-40 geführt. Obwohl Tellur selten ist, gibt es eine relativ große Anzahl von Tellurmineralen, da es eher selten in Verbindungen mit Sulfiden oder Seleniden eingebaut wird. Stattdessen bildet es eigene Minerale, da es für die Kristallgitter der leichteren Homologen zu groß ist.

In der Natur tritt Tellur häufig in Form von Gold-Telluriden auf, die Tellurid- oder Ditellurid-Anionen enthalten und eine hohe Affinität zu Gold zeigen.

Die Gewinnung von Tellur erfolgt industriell zusammen mit Selen ausschließlich aus Nebenprodukten der großtechnischen elektrolytischen Kupfer- und Nickel-Herstellung. In den Anodenschlämmen fallen wasserunlösliche Edelmetall-Telluride und -Selenide (z.B. Cu2Te, Ag2Te, Au2Te) an, die bei Temperaturen oberhalb von 500 °C unter Luftsauerstoff mit Soda (Natriumcarbonat Na2CO3) reagieren. Dabei werden die Edelmetall-Kationen zu elementarem Metall reduziert und die Tellurid-Anionen zu Oxotelluraten(IV) (TeO32−) oxidiert.

Eine alternative Methode ist die Umsetzung mit Salpeter (Natriumnitrat NaNO3) unter Luftausschluss und Bildung von Stickoxiden (NO und NO2). Das entstandene Natriumtellurat(IV) Na2TeO3 wird dann in Wasser gelöst und reagiert basisch zu Hydrogentellurat(IV)-Ionen HTeO3−. Durch Zugabe von Schwefelsäure werden die Tellurate(IV) von den ebenfalls entstandenen Selenaten(IV) getrennt, und Tellurdioxid TeO2 fällt aus.

Das Tellurdioxid kann durch Elektrolyse in Laugen oder durch Reduktion mit Schwefeldioxid SO2 in konzentrierten Mineralsäuren zu elementarem Tellur reduziert werden. Für die Gewinnung von hochreinem Tellur (> 99,9 %) wird das Zonenschmelzverfahren angewendet.

Die Weltjahresproduktion von Tellur betrug im Jahr 2005 etwa 134 Tonnen, mit den USA, Peru, Kanada und Japan als führende Produzenten. Weitere Industrienationen wie Deutschland und Russland produzieren wahrscheinlich ebenfalls Tellur, jedoch liegen keine genauen Zahlen vor.

Die Gewinnung von Tellur ist eng mit der Kupfer- und Nickel-Herstellung verbunden, und die industriellen Verfahren ermöglichen die Gewinnung dieses seltenen Elements in wirtschaftlich sinnvollem Maße. Tellur wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt und bleibt aufgrund seiner Seltenheit und seiner nützlichen Eigenschaften von großer Bedeutung für die Industrie.

Eigenschaften

Tellur besitzt faszinierende physikalische und chemische Eigenschaften, die es zu einem interessanten Element machen.

Physikalische Eigenschaften:
– Kristallines Tellur ist ein intrinsischer direkter Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,334 eV. Das bedeutet, dass es in der Lage ist, Elektrizität zu leiten, jedoch nur in begrenztem Maße.
– Im Vergleich zu anderen Halbleitern zeigt Tellur bei Temperaturerhöhung oder Belichtung nur einen geringen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit.
– Die elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit von Tellur sind richtungsabhängig, was bedeutet, dass es anisotrop ist.
– Kristallines Tellur ist weich und spröde, mit einer Mohshärte von 2,25. Dadurch lässt es sich leicht zu Pulver verarbeiten.
– Unter Druck wandelt sich Tellur in weitere kristalline Modifikationen um.
– Bei Temperaturen über 450 °C schmilzt Tellur und bildet eine rote Schmelze.
– Ab 990 °C liegt Tellur als gelbes, diamagnetisches Gas aus Te2-Molekülen vor.
– Bei extrem hohen Temperaturen über 2000 °C zerfallen die Te2-Moleküle in einzelne Atome.

Chemische Eigenschaften:
– Kristallines Tellur ist unlöslich in Wasser und nur schlecht löslich in Mineralsäuren wie Salzsäure und Schwefelsäure sowie in Laugen.
– Allerdings löst es sich gut in Salpetersäure, da diese ein starkes Oxidationsmittel ist und elementares Tellur zu stabilen Telluraten mit der Oxidationsstufe +IV oxidiert.
– Tellurschmelzen greifen Kupfer, Eisen und rostfreien Edelstahl an, was auf seine chemische Reaktivität hinweist.
– In Verbindungen mit Nichtmetallen zeigt Tellur ähnliches Verhalten wie sein leichteres Gruppenmitglied Selen.
– An der Luft verbrennt Tellur mit einer grün gesäumten, blauen Flamme zu Tellurdioxid.

Diese einzigartigen Eigenschaften machen Tellur zu einem wertvollen Element in verschiedenen Anwendungen. Seine speziellen Halbleitereigenschaften finden Verwendung in der Elektronikindustrie, während seine chemische Reaktivität es in der Analyse und Forschung unentbehrlich macht. Die vielseitigen Eigenschaften von Tellur machen es zu einem spannenden Element mit interessanten Anwendungsmöglichkeiten in der Technologie und Wissenschaft.

Verwendung

Tellur ist ein Element mit Eigenschaften, die es für verschiedene Anwendungen in der Industrie und Forschung interessant machen. Obwohl es teuer in der Herstellung ist und in einigen Fällen durch andere Elemente oder Verbindungen ersetzt werden kann, findet es dennoch in mehreren Bereichen Verwendung.

1. Metallindustrie:
Elementares Tellur wird in der Metallindustrie als Zusatz (<1 %) für Stahl, Gusseisen, Kupfer- und Blei-Legierungen sowie in rostfreien Edelstählen verwendet. Durch diese Beimischung fördert Tellur die Korrosionsbeständigkeit und verbessert die mechanischen Eigenschaften sowie die Bearbeitbarkeit der Metalle.

2. Halbleiterindustrie:
Reines Tellur wird in der Halbleiterindustrie zwar nur begrenzt eingesetzt, jedoch findet es häufig Verwendung in II-VI-Verbindungshalbleitern. Ein Beispiel hierfür ist Cadmiumtellurid (CdTe), das in Fotodioden und Dünnschicht-Solarzellen zur Stromerzeugung aus Licht verwendet wird.

3. Thermoelemente und Peltier-Elemente:
Bismuttellurid (Bi2Te3) kommt in Thermoelementen zur Stromerzeugung in thermoelektrischen Generatoren zum Einsatz. Ebenso wird es in Peltier-Elementen verwendet, die für die Kühlung von elektronischen Bauteilen verwendet werden, wie zum Beispiel in Radioisotopengeneratoren.

4. Phasenwechselmaterialien:
Die Kombination aus Germanium-Tellur (GeTe) und Antimon-Telluriden (Sb2Te3) wird in Phasenwechselmaterialien verwendet, die Bestandteil optischer Speicherplatten wie CD-RWs sind oder in neuartigen Speichermaterialien wie Phase Change Random Access Memory (PCRAM).

5. Lichtwellenleiter:
Gläser aus Tellurdioxid (TeO2) mit hoher Brechzahl werden anstelle von Kieselglas (SiO2) in Lichtwellenleitern eingesetzt. Diese Glasfasern ermöglichen eine effiziente Übertragung von Lichtsignalen in Kommunikationssystemen.

6. Mikrobiologie:
In der Mikrobiologie wird mit farblosem Kaliumtellurat(IV) K2TeO3 versetzter Agar als selektives Nährmedium zum Nachweis von Staphylokokken verwendet. Dabei erscheinen die Bakterienkolonien als kleine schwarze Kugeln, da sie die Te4+-Kationen zu elementarem Tellur reduzieren und in ihre Zellen einlagern.

Weiterhin findet Tellur auch Anwendung bei der Vulkanisierung von Gummi, in Sprengkapseln und wird zur Färbung von Glas und Keramik verwendet.

Biologische Bedeutung:
Im Gegensatz zu Selen wird Tellur als nicht-essentielles Spurenelement betrachtet, das heißt, es wird vermutet, dass es eine biologische Funktion haben könnte, aber bisher konnte diese nicht eindeutig nachgewiesen werden.

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