Metaloidy – definicja, właściwości i zastosowania

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

Czym są metaloidy?

Metaloidy to charakterystyczne pierwiastki, które posiadają właściwości pośrednie między metalami i niemetalami. Te pośrednie właściwości obejmują elektroujemność, gęstość, energię jonizacji, wytrzymałość, przewodność cieplną, temperaturę topnienia i przewodność elektryczną.

Specyficzny zestaw właściwości fizycznych, chemicznych i mechanicznych metaloidów sprawia, że są one idealne do specjalistycznych zastosowań, takich jak półprzewodniki i wytwarzanie energii słonecznej. Ponadto są one szeroko wykorzystywane w różnych ogólnych zastosowaniach, w tym w lekach, herbicydach i środkach owadobójczych.

Jednym z powodów pośrednich właściwości metaloidów jest liczba elektronów walencyjnych w ich zewnętrznej powłoce. Metale zazwyczaj posiadają od jednego do trzech elektronów w swojej zewnętrznej powłoce, podczas gdy niemetale mają od czterech do siedmiu. Metaloidy zawierają od trzech do sześciu elektronów w swojej powłoce walencyjnej, co umożliwia im tworzenie związków międzymetalicznych z metalami (wiązania jonowe) i wiązań kowalencyjnych z niemetalami.

Niektóre źródła identyfikują sześć pierwiastków metaloidalnych, podczas gdy inne rozpoznają nawet osiem. Powszechnie uznawane pierwiastki w grupie metaloidów obejmują bor (B), arsen (As), krzem (Si), antymon (Sb), polon (Po), tellur (Te), german (Ge) i astat (At)..

Metaloidy w układzie okresowym

Metaloidy tworzą linię zygzakowatą w bloku p układu okresowego, który jest podniesioną sekcją po prawej stronie tabeli. Ta zygzakowata linia zaczyna się od boru w grupie 13, przesuwa się po przekątnej do krzemu, a następnie kontynuuje w sposób podobny do kroku do astatyny w grupie 17. Grupy odnoszą się do numeracji kolumn w układzie okresowym.

Po lewej stronie zygzakowatej linii metaloidów znajdują się metale (z wyjątkiem wodoru). Po prawej stronie mamy niemetale. W związku z tym metaloidy tworzą linię podziału między metalami i niemetalami w układzie okresowym.

Ogólne właściwości metaloidów

Metaloidy wykazują unikalną kombinację właściwości, które nie występują w innych pierwiastkach. Niektóre z tych właściwości obejmują:

Zmienna przewodność elektryczna

Przewodnictwo elektryczne metaloidów jest pośrednie, mieszcząc się pomiędzy przewodnictwem metali i niemetali. Przypisuje się to ich elektronowym strukturom pasmowym, które przypominają struktury półmetali lub półprzewodników.

Możemy jednak zwiększyć ich przewodność poprzez domieszkowanie. Proces ten umożliwia tworzenie podstawowych komponentów elektronicznych, takich jak diody, tranzystory i układy scalone, które mają fundamentalne znaczenie dla nowoczesnych komputerów.

Wygląd

Metaloidy mają metaliczny wygląd i są stałe w temperaturze pokojowej. Ich błyszczące, odblaskowe powierzchnie często prowadzą do ich błędnej identyfikacji jako metali. Ten metaliczny połysk jest również przyczyną pochodzenia ich nazwy; metaloid oznacza metalopodobny w języku łacińskim/greckim.

Przewodność cieplna

Metaloidy wykazują umiarkowaną przewodność cieplną, która jest wyższa niż w przypadku niemetali, ale niższa niż w przypadku metali. Nawet wśród ośmiu metaloidów przewodnictwo cieplne znacznie się różni. Niektóre metaloidy są skutecznymi przewodnikami ciepła, podczas gdy inne funkcjonują jako niemal doskonałe izolatory. Ta właściwość pozwala na wykorzystanie niektórych metaloidów w urządzeniach termoelektrycznych.

Kruchość

W przeciwieństwie do metali, metaloidy nie mają fizycznych właściwości plastyczności i ciągliwości. Łatwo się łamią i nie mają wytrzymałości wymaganej do zastosowań konstrukcyjnych.

Reaktywność chemiczna

Metaloidy są dość reaktywne z metalami i niemetalami. Są to powszechne w stopach metali jako dodatki do poprawić właściwości metali przejściowych, zapewniając korzyści, takie jak zwiększona wytrzymałość i lepsza odporność na korozję.

Z niemetalami metaloidy tworzą wiązania kowalencyjne poprzez wymianę elektronów. Ich reakcje z halogenami tworzą związki takie jak trójfluorek boru, trójtlenek antymonu i tetrahalogenek krzemu.

Popularne metaloidy i ich zastosowania

Wszystkie metaloidy mają pewne wspólne właściwości; jednak w przeciwieństwie do innych grup pierwiastków, takich jak halogeny, metale alkaliczne lub metale ziem alkalicznych, każdy metaloid ma również unikalne cechy. Ta różnorodność pozwala na wykorzystanie metaloidów w szerokim zakresie zastosowań.

Bor (B)

Bor jest czarnym, błyszczącym metaloidem, który stanowi około 0,001% masy skorupy ziemskiej. Jest to najtwardszym ze wszystkich metaloidów i wykazuje doskonała odporność na ciepło. Jego twardość w skali Mohsa wynosi 9,3, w porównaniu do 10 dla diamentu, który jest najtwardszym znanym materiałem.

Bor jest wszechstronnym pierwiastkiem o wielu zastosowaniach. Jednym z nich jest produkcja szkła borokrzemowego, specjalnego szkła o wysokiej odporności termicznej i chemicznej. Jest on również wykorzystywany do produkcji środków zmniejszających palność, kosmetyków, środków owadobójczych i detergentów.

Stopy niklowo-borowe są wykorzystywane jako stopy wzorcowe do tworzenia stopów, takich jak nadstopy na bazie niklu, stale specjalne i stopy spawalnicze.

Bor odgrywa również kluczową rolę w domieszkowaniu krzemu. Domieszkowanie umożliwia nam produkcję półprzewodników na bazie krzemu, które są niezbędne w nowoczesnych komputerach.

Krzem (Si)

Krzem jest najbardziej znanym metaloidem oraz drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemizaraz po tlenie. Stanowi on około 27% masy skorupy ziemskiej.

Jest generalnie obojętny w temperaturze otoczenia, jednak jego reaktywność wzrasta wraz z temperaturą. Łączy się z tlenem, tworząc krzemionkę (dwutlenek krzemu), która znajduje się w większości glin, skał, piasków i gleb. Łączy się z większością metali i stopów metali, nadając im takie właściwości jak płynność, odporność na korozję, wytrzymałość i odporność na ciepło.

Krzemionka i czysty krzem są niezbędnymi materiałami w nowoczesnej informatyce. Krzemionka jest wykorzystywana do produkcji kondensatorów przechowujących energię elektryczną w obwodach. Krzem, który jest używany do produkcji krytycznych elementów układów elektronicznychpozwala nam tworzyć mniejsze, szybsze i bardziej wydajne urządzenia elektroniczne.

German (Ge)

Bezpośrednio pod krzemem w układzie okresowym mamy metaloid german o liczbie atomowej 32.

German występuje w większej ilości niż inne metaloidy, takie jak arsen i antymon. Jednak jego wysoka reaktywność z innymi pierwiastkami oznacza, że nie występuje on w naturze w postaci elementarnej. W temperaturze pokojowej german ma twardą i kruchą strukturę i nie reaguje z powietrzem. Jednak wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również jego reaktywność, co prowadzi do powstawania tlenków w temperaturze około 600-700 stopni Celsjusza (1000-1100 stopni Fahrenheita).

German jest również wykorzystywany w zastosowaniach półprzewodnikowych, choć w mniejszym stopniu niż krzem. Ponadto, znajduje on zastosowanie w medycynie i produkcji monet.

Arsen (As)

Pierwiastek chemiczny arsen, należący do grupy 15 i posiadający liczbę atomową 33, jest metaloidem znanym ze swoich właściwości. toksycznego charakteru. W temperaturze pokojowej arsen jest stabilny i nie reaguje z powietrzem. Jednak w obecności wilgoci utlenia się, tworząc złoto-brązowy nalot, który ostatecznie zmienia kolor na czarny.

Długotrwała ekspozycja na arsen poprzez żywność i wodę może prowadzić do poważnych chorób, w tym raka. Warto jednak zauważyć, że arsen jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym dla niektórych organizmów. Odgrywa on bezpośrednią i pośrednią rolę w produkcji zarówno korzystnych, jak i szkodliwych czynników biologicznych.

Arsen jest również wykorzystywany w innych sektorach, takich jak produkcja szkła, produkcja półprzewodników, chemikalia rolnicze i górnictwo.

Antymon (Sb)

Antymon, o liczbie atomowej 51, znajduje się w grupie 15 układu okresowego, bezpośrednio pod arsenem. Posiada on twardą i kruchą strukturę, charakteryzująca się srebrzystym wyglądem.

Większość antymonu jest wydobywana z minerału siarczkowego, stibnitu, a Chiny, Rosja, Boliwia i Kirgistan posiadają większość rezerw antymonu. Ponadto Chiny są największym producentem antymonu na świecie.

Antymon był tradycyjnie stosowany w medycynie i kosmetyce. Z czasem stał się również cenny w produkcji materiałów ognioodpornych, farb, baterii, szkła, ceramiki, optycznych nośników danych i urządzeń półprzewodnikowych, takich jak diody i detektory podczerwieni.

Dla Europy i Stanów Zjednoczonych antymon jest pierwiastkiem krytycznym, ponieważ 100% z niego pochodzi z importu. Zakłócenia w dostawach mogą mieć poważny wpływ na kluczowe branże, takie jak motoryzacja, budownictwo i obronność.

Tellurium (Te)

Tellur jest rzadkim, srebrzystobiałym metaloidem, który został po raz pierwszy odkryty w kopalniach złota jako tellurek złota (inaczej kalaweryt). Występując w ilości 1 części na miliard (1 mikrogram na kilogram), tellur jest rzadkim metaloidem. tak rzadki jak platyna.

Do tej pory nie zidentyfikowano żadnych zastosowań telluru na dużą skalę. W przemyśle tellur wykorzystywany jest głównie jako pierwiastek stopowy oraz w produkcji paneli słonecznych i urządzeń termoelektrycznych.

Polon (Po)

Polon jest radioaktywny metal który jest czasami klasyfikowany jako metaloid. Posiada 42 izotopy, z których żaden nie jest stabilny, a wszystkie są radioaktywne. Okres połowicznego rozpadu izotopów polonu wynosi od 115 nanosekund (miliardowa część sekundy) dla Po-205m4 do 124 lat dla Po-209.

Polon ma kilka zastosowań, z których wszystkie wykorzystują jego właściwości radioaktywne. Niektóre z nich to:

1. Jako generator termoelektryczny do lotów kosmicznych
2. Jako urządzenie antystatyczne do eliminacji ładunków elektrostatycznych
3. Jako źródło neutronów w połączeniu z berylem

Astatyna (At)

Astatyna jest jednak ogólnie klasyfikowana jako metaloid, niektóre klasyfikacje zaliczają go do niemetali. Jest to przedostatni pierwiastek w grupie halogenów, poprzedzony fluorem, chlorem, bromem i jodem, i wykazuje kilka wspólnych właściwości z tymi pierwiastkami.

Astat jest wysoce radioaktywna, a jego właściwości nie zostały jeszcze szczegółowo zbadane, ponieważ nigdy nie został zsyntetyzowany w ilościach wystarczających do dokładnej analizy. Poza tym sublimuje tak szybko, że w ciągu godziny można stracić jego połowę.

Astatine ma ograniczone zastosowania ze względu na jego radioaktywność i krótki okres półtrwania. Niemniej jednak był on wykorzystywany w badaniach, głównie jako radioaktywny znacznik i w leczeniu raka tarczycy.

Wnioski

Metaloidy są ważną grupą pierwiastków, które wypełniają lukę między metalami i niemetalami. Połączenie właściwości metali i niemetali umożliwia ich wykorzystanie w bardzo różnych gałęziach przemysłu, od rolnictwa po pamięć optyczną i optoelektronikę.

W szczególności ich właściwości półprzewodnikowe znacząco przyczyniły się do rozwoju technologii i nowoczesnych komputerów. Niektóre metaloidy, takie jak arsen, są toksyczne, jednak ich kontrolowane wykorzystanie oferuje niezrównane korzyści w różnych sektorach.

Z powyższych powodów oczekuje się, że popyt na metaloidy będzie rósł. Jednakże, niedobór niektórych metaloidów sprawił, że stały się one krytycznymi elementami. Na przykład produkcja antymonu spada, ponieważ istniejące źródła szybko się wyczerpują, a nowe substytuty nie są odkrywane.

To sprawia, że coraz ważniejsze staje się zidentyfikowanie zrównoważonych źródeł metaloidów. Podejmowane są wysiłki w celu badania, ochrony i recyklingu metaloidów.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.