Металлоиды — определение, свойства и применение

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.

Что такое металлоиды?

Металлоиды — это отличительные элементы, которые обладают свойствами, промежуточными между металлами и неметаллами. К таким промежуточным свойствам относятся электроотрицательность, плотность, энергия ионизации, прочность, теплопроводность, температура плавления и электропроводность.

Особый набор физических, химических и механических свойств металлоидов делает их идеальными для специализированных применений, таких как полупроводники и производство солнечной энергии. Кроме того, они широко используются в различных областях общего применения, включая лекарства, гербициды и инсектициды.

Одной из причин промежуточных свойств металлоидов является количество валентных электронов в их внешней оболочке. Металлы обычно имеют от одного до трех электронов во внешней оболочке, в то время как неметаллы — от четырех до семи. Металлоиды содержат от трех до шести электронов в своей валентной оболочке, что позволяет им образовывать интерметаллические соединения с металлами (ионные связи) и ковалентные связи с неметаллами.

В одних источниках указывается шесть металлоидных элементов, в других — до восьми. К общепризнанным элементам группы металлоидов относятся бор (B), мышьяк (As), кремний (Si), сурьма (Sb), полоний (Po), теллур (Te), германий (Ge) и астат (At).

Металлоиды в периодической таблице

Металлоиды образуют зигзагообразную линию в p-блоке периодической таблицы, который представляет собой приподнятую секцию в правой части таблицы. Эта зигзагообразная линия начинается с бора в группе 13, движется по диагонали к кремнию, а затем ступенчато продолжается к астатину в группе 17. Группы соответствуют нумерации столбцов в периодической таблице.

В левой части зигзагообразной линии металлоидов находятся металлы (за исключением водорода). На правой стороне — неметаллы. Поэтому металлоиды создают разделительную линию между металлами и неметаллами в периодической таблице.

Общие свойства металлоидов

Металлоиды обладают уникальной комбинацией свойств, которые отсутствуют у других элементов. Некоторые из этих свойств включают:

Переменная электропроводность

Электропроводность металлоидов является промежуточной и находится между электропроводностью металлов и неметаллов. Это объясняется их структурой электронных полос, которая напоминает структуру полуметаллов или полупроводников.

Однако мы можем повысить их проводимость путем легирования. Этот процесс позволяет создавать важнейшие электронные компоненты, такие как диоды, транзисторы и интегральные схемы, которые имеют фундаментальное значение для современных вычислительных систем.

Внешний вид

Металлоиды имеют металлический вид и тверды при комнатной температуре. Их блестящие, отражающие поверхности часто приводят к тому, что их ошибочно относят к металлам. Этот металлический блеск также является причиной происхождения их названия; Металлоид в переводе с латинского/греческого означает «подобный металлу».

Теплопроводность

Металлоиды обладают умеренной теплопроводностью, которая выше, чем у неметаллов, но ниже, чем у металлов. Даже среди восьми металлоидов теплопроводность значительно различается. Некоторые металлоиды являются эффективными проводниками тепла, в то время как другие — почти идеальными изоляторами. Это свойство позволяет использовать некоторые металлоиды в термоэлектрических устройствах.

Хрупкость

В отличие от металлов, металлоиды не обладают такими физическими свойствами, как пластичность и ковкость. Они легко ломаются и не обладают прочностью, необходимой для структурного применения.

Химическая реактивность

Металлоиды достаточно реакционноспособны с металлами и неметаллами. Они часто встречаются в металлических сплавах в качестве добавок на улучшают свойства переходных металлов, обеспечивая такие преимущества, как повышенная прочность и улучшенная коррозионная стойкость.

С неметаллами металлоиды образуют ковалентные связи, обмениваясь электронами. В результате их реакций с галогенами образуются такие соединения, как трифторид бора, триоксид сурьмы и тетрагалогенид кремния.

Распространенные металлоиды и их применение

Все металлоиды обладают некоторыми общими свойствами, однако, в отличие от других групп элементов, таких как галогены, щелочные и щелочноземельные металлы, каждый металлоид обладает и уникальными характеристиками. Это разнообразие позволяет использовать металлоиды в широком спектре применений.

Бор (B)

Бор — это черный блестящий металлоид, составляющий примерно 0,001 % земной коры по весу. Он является самый твердый из всех металлоидов. и демонстрирует отличная термостойкость. Его твердость по шкале Мооса составляет 9,3 по сравнению с 10 для алмаза, который является самым твердым из известных материалов.

Бор — универсальный элемент с широким спектром применений. Одно из них — производство боросиликатного стекла, особого стекла с высокой термо- и химической стойкостью. Он также используется для производства антипиренов, косметики, инсектицидов и моющих средств.

Никель-борные сплавы используются в качестве основных сплавов для получения таких сплавов, как суперсплавы на основе никеля, специальные стали и сварочные сплавы.

Бор также играет важную роль в легировании кремния. Легирование позволяет получать полупроводники на основе кремния, которые необходимы для современных вычислений.

Кремний (Si)

Кремний — самый известный металлоид и второй по распространенности элемент на Земле, после кислорода. По весу он составляет около 27 % земной коры.

При температуре окружающей среды он обычно инертен, однако его реакционная способность возрастает с повышением температуры. Соединяясь с кислородом, он образует кремнезем (диоксид кремния), который содержится в большинстве глин, горных пород, песков и почв. Он соединяется с большинством металлов и металлических сплавов, придавая им такие свойства, как текучесть, коррозионная стойкость, прочность и термостойкость.

Кремнезем и чистый кремний являются важнейшими материалами в современной вычислительной технике. Кремний используется для производства конденсаторов, хранящих электрическую энергию в электрических цепях. Кремний, который используется для производства важнейших компонентов электронных микросхем, позволяет создавать более компактные, быстрые и мощные электронные устройства.

Германий (Ge)

Непосредственно под кремнием в периодической таблице находится металлоид германий с атомным номером 32.

Германий более распространен, чем другие металлоиды, такие как мышьяк и сурьма. Однако его высокая реакционная способность с другими элементами означает, что в природе он не встречается в своей элементарной форме. При комнатной температуре германий имеет твердую и хрупкую структуру и не вступает в реакцию с воздухом. Однако с повышением температуры его реакционная способность также возрастает, что приводит к образованию оксидов при температуре около 600-700 градусов Цельсия (1000-1100 градусов по Фаренгейту).

Германий также используется в полупроводниковой промышленности, хотя и в меньшей степени, чем кремний. Кроме того, он находит применение в медицине и производстве монет.

Мышьяк (As)

Химический элемент мышьяк, относящийся к группе 15 и имеющий атомный номер 33, является металлоидом, известным своими токсичностью. При комнатной температуре мышьяк стабилен и не вступает в реакцию с воздухом. Однако в присутствии влаги он окисляется, образуя золотисто-бронзовый налет, который со временем чернеет.

Длительное воздействие мышьяка через пищу и воду может привести к серьезным заболеваниям, включая рак. Однако стоит отметить, что мышьяк является важным микроэлементом для некоторых организмов. Он играет прямую и косвенную роль в производстве как полезных, так и вредных биологических агентов.

Мышьяк также используется в других отраслях, таких как производство стекла, полупроводников, сельскохозяйственных химикатов и горнодобывающая промышленность.

Сурьма (Sb)

Сурьма, имеющая атомный номер 51, находится в 15-й группе периодической таблицы, непосредственно под мышьяком. Она обладает твердой и хрупкой структурой, характеризуется серебристым цветом.

Большая часть сурьмы извлекается из сульфидного минерала — стибнита, причем большинство запасов сурьмы находится в Китае, России, Боливии и Кыргызстане. Кроме того, Китай является крупнейшим производителем сурьмы в мире.

Сурьма традиционно использовалась в медицине и косметике. Со временем она также стала использоваться в производстве огнезащитных материалов, красок, аккумуляторов, стекла, керамики, оптических носителей информации и полупроводниковых приборов, таких как диоды и инфракрасные детекторы.

Для Европы и США сурьма является критически важным элементом, поскольку 100 % ее импортируется. Перебои в поставках могут серьезно повлиять на такие важные отрасли промышленности, как автомобилестроение, строительство и оборона.

Теллур (Te)

Теллур — редкий серебристо-белый металлоид, который впервые был обнаружен в золотых рудниках в виде теллурида золота (он же калаверит). При содержании 1 часть на миллиард (1 микрограмм на килограмм) теллур является такой же редкий, как платина.

На сегодняшний день не выявлено ни одного крупномасштабного применения теллура. В промышленности теллур используется в основном как легирующий элемент, а также в производстве солнечных батарей и термоэлектрических устройств.

Полоний (Po)

Полоний — это радиоактивный металл , который иногда классифицируют как металлоид. Он имеет 42 изотопа, ни один из которых не является стабильным, и все они радиоактивны. Период полураспада изотопов полония варьируется от 115 наносекунд (миллиардных долей секунды) для Po-205m4 до 124 лет для Po-209.

Полоний имеет несколько применений, в каждом из которых используются его радиоактивные свойства. Вот некоторые из них:

1. В качестве термоэлектрического генератора для космических полетов
2. В качестве антистатического устройства для снятия статического заряда
3. В качестве источника нейтронов в сочетании с бериллием

Астатин (At)

Астатин, однако, обычно классифицируется как металлоид, некоторые классификации относят его к неметаллам. Это предпоследний элемент в группе галогенов, которому предшествуют фтор, хлор, бром и йод, и он проявляет ряд общих свойств с этими элементами.

Астат является высокорадиоактивный, и его свойства еще не изучены досконально, поскольку он никогда не был синтезирован в достаточном количестве для тщательного анализа. Кроме того, он так быстро сублимируется, что половину его можно потерять в течение часа.

Астатин имеет ограниченное применение из-за его радиоактивности и короткого периода полураспада. Тем не менее, он используется в научных исследованиях, в основном в качестве радиоактивного трассера и при лечении рака щитовидной железы.

Заключение

Металлоиды — важная группа элементов, занимающих промежуточное положение между металлами и неметаллами. Сочетание свойств металлов и неметаллов позволяет использовать их в самых разных отраслях — от сельского хозяйства до оптических накопителей и оптоэлектроники.

Их полупроводниковые свойства, в частности, значительно продвинули вперед технологии и современные вычисления. Некоторые металлоиды, например мышьяк, токсичны, однако их контролируемое использование дает беспрецедентные преимущества в различных отраслях.

В связи с вышеуказанными причинами ожидается рост спроса на металлоиды. Однако, дефицит некоторых металлоидов сделал их критическими элементами. Например, производство сурьмы сокращается, поскольку существующие источники быстро истощаются, а новые заменители не открываются.

В связи с этим все большее значение приобретает поиск устойчивых источников металлоидов. В настоящее время ведутся работы по изучению, сохранению и переработке металлоидов.

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.