要旨

テルル（Te、原子番号52）はもろく、軽度に毒性があり、周期表のカルコゲン族に属する希少な銀白色半金属元素です。地殻存在度は白金（～1 μg/kg）と同等レベルで、-2から+6までの酸化状態で多様な化合物を形成します。元素は三方晶構造を持ち、融点722.66 K（449.51°C）、沸点1261 K（987.85°C）です。主要な産業用途はカドミウムテルル太陽電池、熱電変換デバイス、切削加工性向上合金に使われています。地球での極端な希少性は、惑星形成時の揮発性水素化物形成による大気逸散メカニズムに起因します。

はじめに

テルルは原子番号52で周期表第16族（カルコゲン）の最後から2番目の元素としてセレンとポロニウムの間に位置します。電子配置[Kr]4d¹⁰5s²5p⁴により、最外殻p軌道に4つの価電子を持ち、多様な酸化状態を示して二元・三元化合物を形成します。1782年にトランシルバニア産金鉱石でフランツ＝ヨーゼフ・ミュラー・フォン・ライヒェンシュタインが発見しましたが、1798年にマルティン・ハインリヒ・クラプロートが体系的な同定と命名を完成させました。ラテン語の"tellus"（地球）に由来する名称は、ルビジウムより宇宙存在度が高いにもかかわらず地球起源の発見を反映しています。現代では太陽光発電、熱電変換、特殊半導体技術で不可欠な電子特性を発揮しています。

物理的性質と原子構造

基礎原子定数

テルルは原子番号52、標準原子量127.60 g·mol^-1で、原子番号が低いにもかかわらずヨウ素（126.90 g·mol^-1）より重い特徴があります。電子配置[Kr]4d¹⁰5s²5p⁴では充填d軌道による遮蔽効果で原子半径140 pm、共有結合半径138 pmを示します。有効核電荷計算では内殻電子による中程度の遮蔽により、第一イオン化エネルギー869.3 kJ·mol^-1、電子親和力190.2 kJ·mol^-1です。電気陰性度はパウリング尺度2.1、ミューレン尺度2.01、オールレッド＝ロチョウ尺度2.01で、セレン（2.55）とポロニウム（2.0）の中間レベルです。第二イオン化エネルギー1790 kJ·mol^-1、第三イオン化エネルギー2698 kJ·mol^-1は充填部分殻からの電子放出の難易度を反映しています。

マクロな物理特性

結晶性テルルは三方晶系（P3₁21またはP3₂21空間群）で銀白色金属光沢を持ち、灰セレンと構造が類似します。結晶構造は3原子/回転の螺旋鎖が平行配置し、鎖内原子間距離2.835 Å、鎖間3.49 Åです。標準状態での密度は6.24 g·cm^-3で、分子鎖構造ながら比較的緻密な配列を示します。熱的特性は融点722.66 K（449.51°C）、沸点1261 K（987.85°C）、融解熱17.49 kJ·mol^-1、蒸発熱114.1 kJ·mol^-1、298 Kでの比熱容量25.73 J·mol^-1·K^-1です。バンドギャップ約0.35 eVの半導体特性と鎖状結晶構造による異方性電気伝導性を示し、照射時に光電導性を発現します。

化学的性質と反応性

電子構造と結合挙動

5p軌道の4価電子に由来する化学反応性では、多くの化合物で2つの共有結合を形成し2つの孤立電子対を保持します。主要な酸化状態はテルリドで-2、二ハロゲン化物で+2、四ハロゲン化物と二酸化物で+4、六フッ化物とテルル酸誘導体で+6です。地球化学では熱力学的安定性から+4状態が優勢です。結合はsp³混成による角形分子構造が典型ですが、TeF₆のように高酸化状態では八面体配位を示します。テルル-酸素結合距離はテルル酸イオンTeO₃²⁻で1.88 Å、TeO₄²⁻で2.12 Åと酸化状態に応じて変化し、共有半径はTe⁻²（221 pm）、Te⁰（138 pm）、Te⁴⁺（97 pm）、Te⁶⁺（56 pm）と酸化で縮小します。

電気化学的・熱力学的性質

標準還元電位はカルコゲン系列の中間位置を示します。Te/Te²⁻カップルはE° = -1.143 V、TeO₂/Teカップルは酸性溶液でE° = +0.593 V、テルル酸イオン/テルリド酸イオンTeO₄²⁻/TeO₃²⁻カップルはE° = +1.02 Vで、テルル酸種の強い酸化性を示します。電気陰性度の系列（O > S > Se > Te > Po）は原子半径増加に伴う核引力低下を反映し、イオン化エネルギーもセレンとポロニウムの中間値を示します。テルル化合物の熱力学データでは酸化物が負の生成エンタルピー、電気陽性金属テルリドが正値を示します。元素テルルの標準エントロピーは298 Kで49.71 J·mol⁻¹·K⁻¹で、整った結晶構造と一致します。結合解離エネルギーはH₂O（463 kJ·mol⁻¹） > H₂S（347 kJ·mol⁻¹） > H₂Se（276 kJ·mol⁻¹） > H₂Te（238 kJ·mol⁻¹）と減少し、結合長と軌道重なりの低下を示します。

化学化合物と錯形成

二元および三元化合物

TeO₂は最も熱力学的に安定な酸化物で、四方晶パラテルライトと正方晶テルライトの二つの多形を示します。高温下での大気酸化で青白色炎を発生します。両性挙動により強酸でテルリル化合物、強塩基でテルリットを生成します。β-TeO₃はortho-Te(OH)₆の熱分解で生成されますが、α・γ形態は混合価数水酸化物種です。ハロゲン化物はフッ化物からヨウ化物まで全系列を含み、TeF₆は1.815 ÅのTe-F結合で八面体型構造を採用します。テトラハロゲン化物TeCl₄・TeBr₄・TeI₄は孤立電子対による平方錐構造を示します。金属テルリドはZnTe・CdTeの1:1化学量論から複雑な三元相まで幅広く存在します。

配位化学と有機金属化合物

空d軌道と孤立電子対を活用して広範な配位化合物を形成します。四ハロゲノテルル酸イオンTeX₄²⁻（X = Cl, Br, I）は平方平面構造でTe-X結合距離2.5-2.7 Åです。多核種にはTe₂I₆²⁻・Te₄I₁₄²⁻があり、テルルの橋様配位能力を示します。超酸中で形成されるジンテルカチオンはTe₄²⁺（平方平面）、Te₆⁴⁺（三方柱）、Te₈²⁺（二環式構造）で、電子移動と磁気特性に特徴があります。有機金属化学は軽カルコゲンより制限され、Te-C結合不安定性が顕著です。テルロール（R-TeH）は水素放出に極めて不安定ですが、テルラエーテル（R-Te-R'）は配位飽和で安定性が増します。テルル亜酸化物はレーザー照射による可逆的晶質-非晶質転移を応用した光学記録媒体に使われています。

天然存在と同位体分析

地球化学的分布と存在度

テルルの地殻存在度は約1 μg·kg⁻¹で白金と同等、地球地殻で最も希少な安定元素の一つです。この希少性は宇宙存在度との対比で顕著で、ルビジウムの10,000倍の地殻濃度にもかかわらずテルルの方が宇宙では多いです。この乖離は惑星形成初期の揮発性水素化物形成による大気逸散によるものです。原始太陽ネビュラの還元条件ではテルルは水素テルル化物H₂Teを形成し、気相として宇宙空間に逃げました。セレンも類似の脱離を起こしましたが程度は軽微です。現代の地球化学では硫化相と金属鉱物に濃縮されるカルコフィル・シデロフィル性を示します。主な鉱物は金テルル化物で、カランベライト・クレンナーライトAuTe₂、ペッツァイトAg₃AuTe₂、シルバナイトAgAuTe₄が含まれます。天然テルル結晶も稀に存在しますが、工業生産は銅・鉛精錬過程の陽極泥から行われます。

核的性質と同位体組成

天然テルルは質量数120, 122, 123, 124, 125, 126, 128, 130の8同位体からなります。¹²⁰Te～¹²⁶Teの6同位体は安定ですが、¹²⁸Teと¹³⁰Teは非常に遅い二重β崩壊と単β崩壊で放射性を示します。同位体存在度は¹²⁰Te（0.09%）、¹²²Te（2.55%）、¹²³Te（0.89%）、¹²⁴Te（4.74%）、¹²⁵Te（7.07%）、¹²⁶Te（18.84%）、¹²⁸Te（31.74%）、¹³⁰Te（34.08%）です。¹²⁸Teの半減期は2.2×10²⁴年で、宇宙年齢の約160兆倍に当たります。奇質量同位体の核磁気モーメントは¹²³Teで-0.8885核磁子、¹²⁵Teで-0.7369核磁子です。人工放射性同位体は質量数104-142の31種が存在し、半減期はマイクロ秒から19日までです。¹³¹Te（半減期25分）は中性子照射による医療用¹³¹I生成前駆体として重要です。熱中性子捕獲断面積は¹²³Te（418バーン）＞¹²⁵Te（1.55バーン）で、選択的同位体活性化が可能です。

工業生産と技術応用

抽出と精製方法

商業的なテルル回収は銅・鉛の電気精製副産物として行われ、陽極泥にセレンと貴金属と共存します。典型的な銅鉱石処理では1,000トン当たり約1 kgの回収量で、供給制約が生じます。陽極泥は773 Kで炭酸ナトリウムと酸化焼成され、金属テルリドがテルリットに変換されます：M₂Te + O₂ + Na₂CO₃ → Na₂TeO₃ + 2M + CO₂。水溶出でHTeO₃⁻が溶け、硫酸での選択的沈殿でセレニット不純物を除去します。TeO₂沈殿は亜硫酸ガス還元または電気化学的に精製され、99.5-99.99%純度の技術グレード材料を得ます。2022年の世界生産量は約630トンで、中国が主成分掘と副産回収で54%を供給します。供給制約と太陽電池需要増加により、純度と市場条件で$30-220/kgと価格変動が顕著です。

技術応用と将来展望

カドミウムテルル太陽電池が最大用途で、40%の消費を占めます。この薄膜デバイスは22%以上の変換効率を達成し、シリコン系より温度係数が優れ製造コストが低コストです。CdTe（バンドギャップ1.45 eV）の半導体特性により、太陽スペクトル吸収効率が高く熱損失が最小限です。熱電応用ではビスマステルル化物（Bi₂Te₃）が室温近傍でzT値1.0に達し、自動車・産業廃熱回収に使われます。冶金用途では切削加工性銅合金・鋼に0.04-0.08%添加で機械加工性が大幅向上し、電気伝導性を維持します。新興用途には医療・天文用カドミウム亜鉛テルル（(Cd,Zn)Te）ガンマ線検出器、テルル-ゲルマニウム-アンチモン系の相変化記憶技術があります。研究最前線では、電荷密度波・超伝導・トポロジカル電子状態を示す希土類トリテルル化物（RTe₃）が量子コンピュータ応用で注目されています。

歴史的発展と発見

テルル発見の起源は18世紀末、トランシルバニア（現ルーマニア）のマリアヒルフ鉱山の金鉱石にあります。当初「antimonalischer Goldkies（アンチモン含有金鉱）」とされた鉱石は既知のアンチモン化合物と矛盾し、鉱物学者を困惑させました。オーストリア鉱山検査官フランツ＝ヨーゼフ・ミュラー・フォン・ライヒェンシュタインは1782年に体系的分析を開始し、アンチモン・ビスマスではなく未知金属を含むことを確認しました。50以上の化学試験を3年間かけて実施し、特徴的な性質を記述：比重測定、加熱時の大根のような臭気を伴う白煙発生、硫酸溶液の赤変、希釈時の黒色沈殿生成。完全な同定はできず、「aurum paradoxum（矛盾した金）」、「metallum problematicum（問題金属）」と命名しました。1789年にパール・キタイベルが同様の鉱石を再発見しましたが、ミュラーの業績が適切に評価されました。1798年、マルティン・ハインリヒ・クラプロートがカランベライトから分離同定し、「tellus（地球）」に由来する"tellurium"と命名しました。初期応用では1920年代にトーマス・ミドグレーが自動車燃料のノッキング防止特性を調査しましたが、臭気問題で四エチル鉛が採用されました。

結論

テルルは地球地殻で最も希少な安定元素ながら、現代エネルギー・電子技術に不可欠な役割を果たしています。-2から+6の酸化状態を示す中間半金属特性により、ジンテルカチオンやカルコゲン間化合物の形成が可能です。産業応用はカドミウムテルル太陽電池とビスマステルル化物熱電デバイスが中心です。副産物抽出法と地球化学的希少性が技術展開に課題を与えています。今後の研究は希土類トリテルル化物量子材料、先進熱電複合体、テルルの電子スイッチング特性を活用する相変化記憶装置に焦点を当てています。次世代エネルギー貯蔵・変換技術の発展には、テルルの基礎化学理解と持続可能な供給網構築が不可欠です。