Tellur (Te) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Tellur ist ein chemisches Element mit dem Symbol Te und der Ordnungszahl 52. Es gehört zur Sauerstoffgruppe im Periodensystem und zählt zu den Halbmetallen. Obwohl Tellur im Alltag kaum bekannt ist, spielt es eine bemerkenswerte Rolle in der modernen Technik: in Dünnschicht-Solarzellen, Infrarotdetektoren, thermoelektrischen Materialien und speziellen Metalllegierungen. Seine Geschichte beginnt dagegen in den Golderzen Siebenbürgens – und führt zu einer spannenden Frage: Wie konnte ein Element, das man zunächst für eine ungewöhnliche Form von Antimon hielt, zu einem wichtigen Werkstoff der Halbleitertechnik werden?

Tellur im Periodensystem – die wichtigsten Daten

Tellur steht in der fünften Periode zwischen Antimon (Sb) und Iod (I). Innerhalb der Gruppe 16 befindet es sich unter Sauerstoff, Schwefel und Selen. Seine Position macht deutlich, dass die Eigenschaften chemischer Elemente innerhalb einer Gruppe zwar verwandt sind, sich mit zunehmender Ordnungszahl aber erheblich verändern können.

Die Stellung von Tellur und seiner Nachbarelemente lässt sich im interaktiven Online-Periodensystem von blume nachvollziehen.

Entdeckung von Tellur – ein unbekanntes Element im Golderz

Die Geschichte des Tellurs beginnt im 18. Jahrhundert in Siebenbürgen, das damals zur Habsburgermonarchie gehörte und heute Teil Rumäniens ist. Dort untersuchte der österreichische Mineraloge und Bergbauexperte Franz Joseph Müller von Reichenstein ungewöhnliche goldhaltige Erze. Bei seinen Analysen um 1782 erkannte er, dass sie einen Bestandteil enthielten, der sich nicht überzeugend einem bereits bekannten Element zuordnen ließ.

Zunächst vermutete man, es könne sich um eine besondere Form von Antimon handeln. Die chemischen Eigenschaften des untersuchten Materials passten jedoch nicht vollständig zu dieser Erklärung. Müller von Reichenstein vermutete deshalb, dass er ein bislang unbekanntes Element vor sich hatte.

Die endgültige Identifizierung erfolgte 1798 durch den deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth. Er bestätigte den eigenständigen Charakter des Elements und gab ihm den Namen Tellurium, abgeleitet vom lateinischen Wort tellus für Erde. Daraus entstand die deutsche Bezeichnung Tellur.

Diese Entdeckungsgeschichte zeigt, wie schwierig die Identifizierung chemischer Elemente vor der Entwicklung moderner spektroskopischer Verfahren war. Wissenschaftler mussten sich auf chemische Reaktionen, Fällungen, Schmelzversuche und sorgfältige Vergleiche bekannter Stoffeigenschaften verlassen.

Bemerkenswert ist außerdem, dass Tellur aus goldhaltigen Mineralen bekannt wurde. Noch heute treten Tellur und Gold in bestimmten Lagerstätten gemeinsam auf, beispielsweise in Form von Goldtelluriden.

Warum Tellur ein Halbmetall ist

Auf den ersten Blick könnte man Tellur für ein gewöhnliches Metall halten. Es besitzt eine silbrig-weiße Farbe und einen ausgeprägten metallischen Glanz. Anders als typische Gebrauchsmetalle ist es jedoch spröde: Ein Stück kristallines Tellur lässt sich nicht wie Kupfer zu einem Draht ziehen oder wie Gold zu dünnen Blechen schlagen. Bei mechanischer Belastung kann es vielmehr brechen.

Chemisch und physikalisch steht Tellur zwischen Metallen und Nichtmetallen. Deshalb wird es üblicherweise als Halbmetall eingeordnet. Diese Stoffklasse ist besonders interessant, weil ihre Vertreter Eigenschaften aufweisen können, die für die Halbleitertechnik wertvoll sind.

Ein entscheidender Unterschied zu einem guten metallischen Leiter ist die elektrische Leitfähigkeit. Bei Tellur hängt sie unter anderem von der Temperatur, der Kristallstruktur, der Reinheit und der Orientierung des Kristalls ab. Tellur zeigt halbleitende Eigenschaften, während seine Leitfähigkeit deutlich geringer ist als die von klassischen Metallen wie Kupfer oder Silber.

Die Einordnung als Halbmetall ist dabei keine scharf abgegrenzte naturwissenschaftliche Kategorie. Sie beschreibt eine Kombination charakteristischer Eigenschaften, die zwischen dem typischen Verhalten von Metallen und Nichtmetallen liegt.

Kristallstruktur – warum die Anordnung der Atome entscheidend ist

Die Eigenschaften eines Elements werden nicht allein durch seine Atomsorte bestimmt. Ebenso wichtig ist, wie die Atome im festen Stoff miteinander verbunden und räumlich angeordnet sind.

Kristallines Tellur besitzt eine trigonale Kristallstruktur, in der die Telluratome schraubenförmige Ketten bilden. Innerhalb dieser Ketten bestehen vergleichsweise starke Bindungen. Die Wechselwirkungen zwischen den Ketten sind schwächer.

Diese besondere Struktur beeinflusst die mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften des Elements. Sie trägt unter anderem dazu bei, dass Tellur spröde ist und bestimmte physikalische Eigenschaften richtungsabhängig ausfallen können. Eine solche Richtungsabhängigkeit bezeichnet man als Anisotropie.

Für den Chemieunterricht ist Tellur deshalb ein anschauliches Beispiel für den Zusammenhang zwischen Teilchenstruktur und Stoffeigenschaften. Zwei Stoffe können aus ähnlichen Atomen bestehen und sich dennoch deutlich unterscheiden, wenn ihre Bindungen und Kristallstrukturen verschieden sind.

Tellur und die Sauerstoffgruppe – verwandte Elemente mit unterschiedlichen Eigenschaften

Tellur gehört gemeinsam mit Sauerstoff (O), Schwefel (S), Selen (Se), Polonium (Po) und Livermorium (Lv) zur Gruppe 16 des Periodensystems. Die Elemente dieser Gruppe werden als Chalkogene bezeichnet.

Sie besitzen sechs Elektronen in ihrer äußersten besetzten Schale. Diese Gemeinsamkeit erklärt bestimmte chemische Verwandtschaften. Dennoch sind ihre Eigenschaften keineswegs identisch.

Sauerstoff ist unter normalen Bedingungen ein Gas und ein typisches Nichtmetall. Schwefel ist ein gelber, spröder Feststoff mit nichtmetallischem Charakter. Selen zeigt bereits ausgeprägte halbleitende Eigenschaften. Tellur besitzt einen deutlich stärkeren metallischen Charakter als seine leichteren Gruppennachbarn.

Innerhalb der Gruppe nimmt der Atomradius im Allgemeinen zu, während die Elektronegativität tendenziell abnimmt. Die Elektronen der äußeren Schale werden dadurch weniger stark vom Atomkern angezogen. Das trägt dazu bei, dass der metallische Charakter innerhalb der Gruppe nach unten zunimmt.

Tellur macht somit deutlich, warum das Periodensystem weit mehr ist als eine Tabelle mit Elementsymbolen: Es hilft, chemische und physikalische Eigenschaften aus der Stellung eines Elements abzuleiten und Unterschiede zwischen verwandten Stoffen zu verstehen.

Chemische Eigenschaften – Tellur zwischen Oxidation und Reduktion

Tellur kann in Verbindungen unterschiedliche Oxidationszahlen annehmen. Besonders wichtig sind −II, +IV und +VI. Welche Oxidationszahl vorliegt, hängt von den jeweiligen Bindungspartnern und den Reaktionsbedingungen ab.

Mit Metallen kann Tellur sogenannte Telluride bilden. In vielen einfachen Metalltelluriden wird Tellur formal die Oxidationszahl −II zugeordnet. Beispiele sind Cadmiumtellurid (CdTe) und Bleitellurid (PbTe). Beide Stoffe sind technologisch bedeutend, besitzen jedoch unterschiedliche physikalische Eigenschaften und Einsatzgebiete.

Bei Reaktionen mit Sauerstoff entstehen Telluroxide. Besonders bekannt ist Tellurdioxid (TeO₂), in dem Tellur die Oxidationszahl +IV besitzt. Tellurdioxid ist ein wichtiger Ausgangsstoff für weitere Tellurverbindungen und wird auch in speziellen optischen Materialien eingesetzt.

Verbindungen mit Tellur in der Oxidationszahl +VI werden beispielsweise durch Tellurate repräsentiert. Die Chemie dieser Verbindungen unterscheidet sich in mehreren Punkten von derjenigen der leichteren Chalkogene.

Ein weiterer interessanter Stoff ist Tellurwasserstoff (H₂Te). Er ist ein sehr giftiges, instabiles Gas. Seine Eigenschaften zeigen, dass eine chemische Verwandtschaft innerhalb der Sauerstoffgruppe keineswegs bedeutet, dass sich die jeweiligen Wasserstoffverbindungen gleich verhalten.

Vorkommen – ein seltenes Element der Erdkruste

Tellur ist in der Erdkruste ein seltenes Element. Seine durchschnittliche Häufigkeit liegt nur in der Größenordnung weniger Tausendstel Milligramm pro Kilogramm Gestein, wobei die angegebenen Schätzwerte je nach Quelle und untersuchtem Material variieren.

In der Natur kann Tellur gediegen vorkommen, also in elementarer Form. Häufiger findet man es jedoch chemisch gebunden in Mineralen. Dazu gehören verschiedene Telluride, beispielsweise Calaverit (AuTe₂), ein Goldtellurid, und Sylvanit, ein gold- und silberhaltiges Tellurid.

Die Verbindung mit Gold ist geologisch besonders interessant. In bestimmten Erzsystemen kann Tellur zur Bildung eigenständiger Edelmetallminerale beitragen. Die Zusammensetzung dieser Lagerstätten liefert Hinweise auf die chemischen Bedingungen während ihrer Entstehung.

Wirtschaftlich wird Tellur überwiegend nicht aus eigens dafür betriebenen Tellurminen gewonnen. Es fällt hauptsächlich als Nebenprodukt der Kupferraffination an. Diese Besonderheit beeinflusst die Verfügbarkeit des Elements erheblich: Die gewinnbare Tellurmenge hängt unter anderem davon ab, wie viel geeignete Kupfererze verarbeitet werden und welche Raffinationsverfahren eingesetzt werden.

Gewinnung von Tellur – ein Nebenprodukt der Kupferindustrie

Bei der elektrolytischen Raffination von Kupfer werden unedlere und edlere Begleitbestandteile auf unterschiedliche Weise vom Kupfer getrennt. Einige Stoffe sammeln sich in sogenannten Anodenschlämmen an.

Diese Schlämme können neben Edelmetallen auch Selen und Tellur enthalten. Ihre genaue Zusammensetzung hängt vom eingesetzten Kupferrohstoff ab. Durch geeignete chemische und metallurgische Verfahren lassen sich die einzelnen Bestandteile weiter voneinander trennen.

Zur Tellurgewinnung können tellurhaltige Zwischenprodukte oxidativ behandelt, gelöst, gefällt und anschließend reduziert werden. Welche Verfahrensschritte tatsächlich eingesetzt werden, richtet sich nach der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials und den technischen Bedingungen der jeweiligen Anlage.

Für besonders anspruchsvolle Anwendungen wird das gewonnene Tellur zusätzlich gereinigt. In der Halbleitertechnik können bereits geringe Verunreinigungen die elektrischen Eigenschaften eines Materials beeinflussen. Deshalb ist die Reinheit des Ausgangsstoffs dort besonders wichtig.

Verwendung von Tellur – von der Metallurgie zur modernen Elektronik

Tellur in Metalllegierungen

Kleine Mengen Tellur können die Eigenschaften bestimmter Metalllegierungen verändern. In ausgewählten Kupferlegierungen verbessert Tellur beispielsweise die Zerspanbarkeit. Das bedeutet, dass sich das Material leichter durch Drehen, Bohren oder Fräsen bearbeiten lässt.

Auch in speziellen Stahl- und Bleilegierungen kann Tellur als Legierungszusatz eingesetzt werden. Die gewünschte Wirkung hängt jedoch stark von der Zusammensetzung und der Verarbeitung des jeweiligen Werkstoffs ab. Tellur ist deshalb kein universeller Zusatz zur Verbesserung sämtlicher Metalleigenschaften.

Cadmiumtellurid – Solarzellen aus einer dünnen Halbleiterschicht

Eine der wichtigsten modernen Anwendungen von Tellur ist die Herstellung von Cadmiumtellurid-Solarzellen, kurz CdTe-Solarzellen.

Cadmiumtellurid ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von ungefähr 1,45 Elektronenvolt bei Raumtemperatur. Diese Bandlücke liegt in einem Bereich, der für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie besonders geeignet ist.

In einer CdTe-Dünnschicht-Solarzelle absorbiert eine relativ dünne Halbleiterschicht einen großen Teil des nutzbaren Sonnenlichts. Die Lichtenergie kann Elektronen in energetisch höhere Zustände anregen. Durch die geeignete Anordnung verschiedener Materialschichten und elektrischer Kontakte lassen sich die erzeugten Ladungsträger trennen und als elektrischer Strom nutzen.

Ein Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass die lichtabsorbierende Schicht wesentlich dünner sein kann als bei vielen klassischen kristallinen Silizium-Solarzellen. Allerdings unterscheiden sich die beiden Technologien auch in ihren Herstellungsverfahren, Materialanforderungen und Umweltaspekten.

Da Cadmiumverbindungen gesundheitlich und ökologisch problematisch sein können, sind sichere Herstellungsprozesse, die dauerhafte Einkapselung der Module und geeignete Rücknahme- und Recyclingverfahren besonders wichtig.

Tellur in Infrarotdetektoren und Wärmebildkameras

Tellurhaltige Halbleiter spielen auch in der Infrarottechnik eine wichtige Rolle. Besonders bekannt ist Quecksilber-Cadmium-Tellurid, häufig als HgCdTe oder MCT bezeichnet.

Durch die Veränderung des Mischungsverhältnisses lässt sich die Bandlücke dieses Halbleitermaterials in einem weiten Bereich einstellen. Dadurch können Detektoren hergestellt werden, die auf bestimmte Bereiche der Infrarotstrahlung reagieren.

Solche Materialien werden unter anderem in wissenschaftlichen Messgeräten, astronomischen Instrumenten und hochwertigen Wärmebildsystemen verwendet. Je nach gewünschtem Spektralbereich und Detektortyp ist eine Kühlung erforderlich, um störende thermische Signale zu reduzieren.

Hier zeigt sich eine grundlegende Stärke der Halbleiterchemie: Nicht nur das Element selbst, sondern vor allem die gezielte Kombination verschiedener Elemente ermöglicht Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Thermoelektrische Materialien – Wärme wird zu Strom

Eine weitere interessante Anwendung ist die Thermoelektrik. Dabei wird ein Temperaturunterschied genutzt, um eine elektrische Spannung zu erzeugen. Die zugrunde liegende Erscheinung heißt Seebeck-Effekt.

Besonders bekannt ist Bismuttellurid (Bi₂Te₃). Materialien auf seiner Grundlage gehören zu den wichtigen thermoelektrischen Werkstoffen für Anwendungen in der Nähe der Raumtemperatur.

Thermoelektrische Bauelemente können auch umgekehrt arbeiten: Fließt elektrischer Strom durch eine geeignete Anordnung, kann Wärme von einer Seite zur anderen transportiert werden. Dieses Prinzip wird in sogenannten Peltier-Elementen genutzt, beispielsweise zur kompakten Kühlung elektronischer Komponenten.

Die Wirkungsgrade und Einsatzmöglichkeiten hängen von den Materialeigenschaften und den Temperaturbedingungen ab. Thermoelektrische Technik ersetzt deshalb nicht grundsätzlich klassische Kühl- oder Stromerzeugungsverfahren, ist aber für spezielle Anwendungen besonders interessant.

Optische Speichermedien und Phasenwechselmaterialien

Tellur ist außerdem Bestandteil bestimmter Phasenwechselmaterialien. Solche Stoffe können zwischen unterschiedlichen strukturellen Zuständen wechseln, die verschiedene optische oder elektrische Eigenschaften besitzen.

In wiederbeschreibbaren optischen Datenträgern wurden unter anderem tellurhaltige Legierungen eingesetzt. Durch gezielte Wärmeeinwirkung lassen sich lokal kristalline und amorphe Bereiche erzeugen. Diese Bereiche reflektieren Licht unterschiedlich stark und können deshalb zur Speicherung digitaler Informationen dienen.

Ähnliche physikalische Prinzipien werden auch bei der Erforschung und Entwicklung elektronischer Phasenwechselspeicher genutzt.

Die historische Bedeutung dieser Anwendung ist bemerkenswert: Tellur verbindet damit die klassische Chemie des 18. Jahrhunderts mit der Entwicklung moderner Informationstechnologie.

Tellur in der Biologie – notwendig oder giftig?

Für den Menschen ist keine gesicherte essenzielle biologische Funktion von Tellur bekannt. Es zählt daher nicht zu den allgemein anerkannten lebensnotwendigen Spurenelementen des Menschen.

Tellur und seine Verbindungen können jedoch mit biologischen Systemen wechselwirken. Die Wirkungen hängen von der chemischen Verbindung, der aufgenommenen Menge und dem Expositionsweg ab.

Ein ungewöhnliches Phänomen ist der sogenannte Telluratem: Nach der Aufnahme bestimmter Tellurverbindungen kann der Körper flüchtige organische Tellurverbindungen bilden, darunter Dimethyltellurid. Diese können einen intensiven, häufig als knoblauchartig beschriebenen Geruch verursachen.

Der Geruch ist kein harmloser Nachweisversuch. Tellurverbindungen können gesundheitsschädlich sein, und bereits die Möglichkeit einer solchen Stoffwechselreaktion ist kein Grund, mit ihnen außerhalb geeigneter Laborbedingungen zu experimentieren.

Bei der Arbeit mit Tellur und insbesondere mit seinen Verbindungen sind deshalb die jeweiligen Sicherheitsdatenblätter, Gefahrstoffkennzeichnungen und geltenden Schutzmaßnahmen zu beachten.

Isotope des Tellurs – stabile und extrem langlebige Atomkerne

Tellur besitzt mehrere natürlich vorkommende Isotope. Isotope sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl.

Besonders bemerkenswert ist, dass Tellur sowohl stabile als auch extrem langlebige radioaktive Isotope besitzt. Die natürlich vorkommenden Isotope ¹²⁸Te und ¹³⁰Te können durch einen sogenannten doppelten Betazerfall zerfallen. Dieser Vorgang ist jedoch außerordentlich selten.

Die Halbwertszeiten sind so groß, dass die entsprechenden Isotope im gewöhnlichen chemischen Umgang praktisch als beständig erscheinen. Für die Kernphysik sind sie dennoch hochinteressant, weil Untersuchungen solcher Zerfälle helfen, grundlegende Eigenschaften von Atomkernen und Neutrinos zu erforschen.

Tellur ist damit nicht nur für die Werkstoffwissenschaft, sondern auch für die moderne Grundlagenforschung von Bedeutung.

Fünf bemerkenswerte Fakten über Tellur

1. Tellur wurde in goldhaltigen Erzen entdeckt. Seine Entdeckungsgeschichte ist eng mit der Bergbaugeschichte Siebenbürgens verbunden.

2. Sein Name bedeutet sinngemäß „Erde“. Martin Heinrich Klaproth leitete die Bezeichnung vom lateinischen tellus ab.

3. Tellur sieht metallisch aus, ist aber spröde. Seine Kristallstruktur erklärt einen Teil dieses ungewöhnlichen Eigenschaftsprofils.

4. Tellurhaltige Halbleiter können Sonnenlicht und Infrarotstrahlung nutzbar machen. Entscheidend sind dabei die gezielt eingestellten elektronischen Eigenschaften ihrer Verbindungen.

5. Einige Tellurverbindungen können einen auffälligen Körpergeruch hervorrufen. Ursache sind flüchtige Stoffwechselprodukte, nicht etwa ein typischer Geruch des festen, reinen Elements.

Tellur im Chemieunterricht – was lässt sich daran erklären?

Tellur eignet sich besonders gut, um mehrere zentrale Themen der Chemie miteinander zu verbinden. An seiner Stellung im Periodensystem lässt sich zeigen, wie sich die Eigenschaften innerhalb einer Elementgruppe verändern. Seine trigonale Kristallstruktur veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Bindungen, räumlichem Aufbau und Materialeigenschaften.

Die Tellurchemie bietet außerdem einen Einstieg in das Verständnis unterschiedlicher Oxidationszahlen und chemischer Verbindungen. Die Anwendungen von Cadmiumtellurid und Bismuttellurid ermöglichen einen Bezug zu Halbleitern, erneuerbaren Energien und der Umwandlung von Energie.

Für weiterführende Unterrichtseinheiten lässt sich Tellur mit Silizium (Si), Schwefel (S) und anderen Elementen vergleichen. Die jeweilige Stellung im Periodensystem der Elemente hilft dabei, Gemeinsamkeiten und Unterschiede systematisch zu erkennen.

Fazit – ein seltenes Halbmetall mit großer technologischer Bedeutung

Tellur ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, dass die Bedeutung eines chemischen Elements nicht von seiner Bekanntheit abhängt. Das silbrig glänzende Halbmetall ist selten, spröde und für sich genommen kein typischer Gebrauchsmetallwerkstoff. In geeigneten chemischen Verbindungen entwickelt es jedoch Eigenschaften, die für Solarzellen, Infrarotdetektoren, thermoelektrische Bauelemente und spezielle Datenspeicher wertvoll sind.

Von seiner Entdeckung in den Golderzen Siebenbürgens bis zu den Halbleitermaterialien der Gegenwart zeigt Tellur, wie eng Grundlagenchemie, Materialforschung und technische Innovation miteinander verbunden sind.

Literatur und wissenschaftliche Quellen

Buchquellen

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5. Abschnitt über Tellur, S. 121.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Abschnitt über Tellur, S. 56.

Ergänzende wissenschaftliche Nachschlagewerke und Fachinformationen

• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements. https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/

• Royal Society of Chemistry: Tellurium – Element Information, Properties and Uses. https://www.rsc.org/periodic-table/element/52/tellurium

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Spectra Database. https://physics.nist.gov/asd

• U.S. Geological Survey (USGS): Mineral Commodity Summaries – Selenium and Tellurium. https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center

• International Atomic Energy Agency (IAEA): LiveChart of Nuclides, für nuklidbezogene Daten. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html