Металлоид

Металлоида представляет собой тип химического элемента , который имеет преобладание свойств между ними, или представляют собой смесь, те из металлов и неметаллов . Не существует стандартного определения металлоида и полного согласия относительно того, какие элементы являются металлоидами. Несмотря на отсутствие специфики, этот термин все еще используется в химической литературе .

Шесть общепризнанных металлоидов - это бор , кремний , германий , мышьяк , сурьма и теллур . Реже так классифицируются пять элементов: углерод , алюминий , селен , полоний и астатин . В стандартной периодической таблице все одиннадцать элементов находятся в диагональной области p-блока, простирающейся от бора вверху слева до астата внизу справа. В некоторых периодических таблицах есть разделительная линия между металлами и неметаллами , и металлоиды могут быть найдены рядом с этой линией.

Типичные металлоиды имеют металлический вид, но они хрупкие и хорошо проводят электричество . В химическом отношении они ведут себя в основном как неметаллы. Они могут образовывать сплавы с металлами. Большинство других их физических и химических свойств имеют промежуточный характер. Металлоиды обычно слишком хрупкие, чтобы их можно было использовать в конструкции. Они и их соединения используются в сплавах, биологических агентах, катализаторах , антипиренах , стеклах , оптических накопителях и оптоэлектронике , пиротехнике , полупроводниках и электронике.

Электрические свойства кремния и германия позволили создать полупроводниковую промышленность в 1950-х годах и разработать твердотельную электронику с начала 1960-х годов. ^[1]

Термин « металлоид» первоначально относился к неметаллам. Его более новое значение, как категория элементов с промежуточными или гибридными свойствами, получило широкое распространение в 1940–1960 годах. Металлоиды иногда называют полуметаллами, но эта практика не приветствуется ^[2], поскольку термин « полуметалл» имеет иное значение в физике, чем в химии. В физике это относится к определенному типу электронной зонной структуры вещества. В этом контексте только мышьяк и сурьма являются полуметаллами и обычно считаются металлоидами.

Определения [ править ]

На основе суждения [ править ]

Металлоид - это элемент, который обладает преобладанием промежуточных свойств или представляет собой смесь свойств металлов и неметаллов, и поэтому его трудно классифицировать как металл или неметалл. Это общее определение, основанное на атрибутах металлоидов, постоянно цитируемых в литературе. ^{[n 2]} Сложность категоризации - ключевой атрибут. Большинство элементов имеют смесь металлических и неметаллических свойств ^[9] и могут быть классифицированы в зависимости от того, какой набор свойств более выражен. ^{[10] [n 3]} Только элементы на краях или рядом с ними, не имеющие достаточно четкого преобладания металлических или неметаллических свойств, классифицируются как металлоиды. ^[14]

Бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур обычно считаются металлоидами. ^{[15] [n 4]} В зависимости от автора, в список иногда добавляются один или несколько элементов из селена , полония или астата . ^[17] Иногда бор исключается сам по себе или вместе с кремнием. ^[18] Иногда теллур не считается металлоидом. ^[19] Включение сурьмы , полония и астата в качестве металлоидов подвергалось сомнению. ^[20]

Другие элементы иногда классифицируются как металлоиды. Эти элементы включают ^[21] водород, ^[22] бериллий , ^[23] азот , ^[24] фосфор , ^[25] серу , ^[26] цинк , ^[27] галлий , ^[28] олово , йод , ^[29] свинец , ^[30] висмут , ^[19] и радон. ^[31] Термин металлоид также использовался для элементов, которые проявляют металлический блеск и электропроводность, и которые являются амфотерными., такие как мышьяк, сурьма, ванадий , хром , молибден , вольфрам , олово, свинец и алюминий. ^[32] В р-блок металлы , ^[33] и неметаллы (такие как углерод или азот) , которые могут образовывать сплавы с металлами ^[34] или изменять их свойства ^[35] также иногда рассматривается как металлоидов.

На основе критериев [ править ]

Не существует ни общепринятого определения металлоида, ни разделения периодической таблицы на металлы, металлоиды и неметаллы; ^[38] Хоукс ^[39] поставил под сомнение возможность установления конкретного определения, отметив, что аномалии могут быть обнаружены в нескольких попытках построения. Классификация элемента как металлоида была описана Шарпом ^[40] как «произвольная».

Количество и идентичность металлоидов зависит от используемых критериев классификации. Эмсли ^[41] выделил четыре металлоида (германий, мышьяк, сурьму и теллур); Джеймс и др. ^[42] перечислил двенадцать (Эмсли плюс бор, углерод, кремний, селен, висмут, полоний, московий и ливерморий ). В среднем такие списки включают семь элементов ; индивидуальные схемы классификации, как правило, имеют общие основания и различаются нечетко ^[43] полями. ^{[n 5] [n 6]}

Один количественного критерий , такие как электроотрицательность обычно используются, ^[46] металлоиды , имеющие значения электроотрицательности от 1,8 или 1,9 до 2,2. ^[47] Дополнительные примеры включают эффективность упаковки (долю объема в кристаллической структуре, занятую атомами) и соотношение критериев Голдхаммера-Герцфельда. ^[48] Общепризнанные металлоиды имеют эффективность упаковки от 34% до 41%. ^{[n 7]} Отношение Голдхаммера-Герцфельда, примерно равное кубу атомного радиуса, деленного на молярный объем , ^{[56] [n 8]}является простой мерой того, насколько металлическим является элемент, признанные металлоиды имеют отношения от 0,85 до 1,1 и в среднем 1,0. ^{[58] [n 9]} Другие авторы полагались, например, на атомную проводимость ^{[n 10] [62]} или координационное число в объеме . ^[63]

Джонс, писавший о роли классификации в науке, заметил, что «[классы] обычно определяются более чем двумя атрибутами». ^[64] Мастертон и Словински ^[65] использовали три критерия для описания шести элементов, обычно называемых металлоидами: металлоиды имеют энергию ионизации около 200 ккал / моль (837 кДж / моль) и значения электроотрицательности, близкие к 2,0. Они также сказали, что металлоиды обычно являются полупроводниками, хотя сурьма и мышьяк (полуметаллы с точки зрения физики) имеют электрическую проводимость, приближающуюся к проводимости металлов. Предполагается, что селен и полоний не входят в эту схему, в то время как статус астата остается неопределенным. ^{[n 11]}

В этом контексте Вернон предположил, что металлоид - это химический элемент, который в своем стандартном состоянии имеет (а) зонную структуру электронной зонной структуры полупроводника или полуметалла; и (b) промежуточный первый потенциал ионизации «(скажем, 750-1000 кДж / моль)»; и (c) промежуточная электроотрицательность (1,9–2,2). ^[68]

Территория периодической таблицы [ править ]

Местоположение [ править ]

Металлоиды находятся по обе стороны от разделительной линии между металлами и неметаллами . Его можно найти в различных конфигурациях в некоторых периодических таблицах . Элементы в нижнем левом углу линии обычно демонстрируют усиление металлического поведения; элементы в правом верхнем углу отображают усиление неметаллического поведения. ^[69] При представлении в виде обычной ступеньки элементы с наивысшей критической температурой для своих групп (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) лежат чуть ниже линии. ^[70]

Диагональное расположение металлоидов представляет собой исключение из наблюдения, что элементы с аналогичными свойствами имеют тенденцию располагаться в вертикальных группах . ^[71] Связанный эффект можно увидеть в других диагональных сходствах между некоторыми элементами и их нижними правыми соседями, в частности, литий-магний, бериллий-алюминий и бор-кремний. Рейнер-Кэнхэм ^[72] утверждал, что это сходство распространяется на углерод-фосфор, азот-сера и на три серии d-блоков .

Это исключение возникает из-за конкурирующих горизонтальных и вертикальных тенденций в ядерном заряде . Переход вдоль периода , то заряда ядра возрастает с увеличением атомного номера , как это делают число электронов. Дополнительное притяжение внешних электронов при увеличении заряда ядра обычно перевешивает экранирующий эффект наличия большего количества электронов. Таким образом, с некоторыми неоднородностями атомы становятся меньше, энергия ионизации увеличивается, и в течение периода наблюдается постепенное изменение характера от сильно металлического к слабо металлическому, от слабо неметаллического к сильно неметаллическим элементам. ^[73] Спуск по основной группе, эффект увеличения заряда ядра обычно перевешивается влиянием дополнительных электронов, находящихся дальше от ядра. Обычно атомы становятся крупнее, энергия ионизации падает, а металлический характер возрастает. ^[74] Конечный эффект состоит в том, что расположение переходной зоны металл-неметалл смещается вправо при движении вниз по группе ^[71], и аналогичные диагональные сходства наблюдаются в других частях периодической таблицы, как уже отмечалось. ^[75]

Альтернативные методы лечения [ править ]

Элементы, граничащие с разделительной линией металл-неметалл, не всегда классифицируются как металлоиды, поскольку бинарная классификация может облегчить установление правил для определения типов связей между металлами и неметаллами. ^[76] В таких случаях заинтересованные авторы сосредотачиваются на одном или нескольких представляющих интерес атрибутах при принятии решений о классификации, а не озабочены маргинальным характером рассматриваемых элементов. Их соображения могут быть явными или нет, а иногда могут казаться произвольными. ^{[40] [n 12]} Металлоиды могут быть сгруппированы с металлами; ^[77] или считаются неметаллами; ^[78] или рассматривается как подкатегория неметаллов. ^{[79] [n 13]}Другие авторы предложили классифицировать некоторые элементы как металлоиды, «подчеркивает, что свойства меняются постепенно, а не скачкообразно по мере того, как человек перемещается по периодической таблице или вниз по ней». ^{[81] В} некоторых периодических таблицах выделяются элементы, являющиеся металлоидами, и нет формальной границы между металлами и неметаллами. Металлоиды вместо этого показаны как находящиеся в диагональной полосе ^[82] или диффузной области. ^[83] Ключевым моментом является объяснение контекста используемой таксономии.

Свойства [ править ]

Металлоиды обычно выглядят как металлы, но ведут себя в основном как неметаллы. Физически они представляют собой блестящие, хрупкие твердые тела с промежуточной или относительно хорошей электропроводностью и электронной зонной структурой полуметалла или полупроводника. В химическом отношении они в основном ведут себя как (слабые) неметаллы, имеют промежуточные значения энергии ионизации и электроотрицательности, а также амфотерные или слабокислые оксиды . Они могут образовывать сплавы с металлами. Большинство других их физических и химических свойств имеют промежуточный характер .

По сравнению с металлами и неметаллами [ править ]

Характерные свойства металлов, металлоидов и неметаллов приведены в таблице. ^[84] Физические свойства перечислены в порядке простоты определения; химические свойства варьируются от общих к конкретным, а затем к описательным.

Приведенная выше таблица отражает гибридную природу металлоидов. Свойства формы, внешнего вида и поведения при смешивании с металлами больше похожи на металлы. Эластичность и общее химическое поведение больше похожи на неметаллы. Электропроводность, зонная структура, энергия ионизации, электроотрицательность и оксиды занимают промежуточное положение между ними.

Общие приложения [ править ]

Основное внимание в этом разделе уделяется признанным металлоидам. Элементы, реже относящиеся к металлоидам, обычно классифицируются как металлы или неметаллы; некоторые из них включены сюда для сравнения.

Металлоиды слишком хрупкие, чтобы иметь какое-либо структурное применение в чистом виде. ^[105] Они и их соединения используются в качестве (или в) легирующих компонентов, биологических агентов (токсикологических, пищевых и медицинских), катализаторов, антипиренов, стекол (оксидных и металлических), оптических носителей информации и оптоэлектроники, пиротехники, полупроводников, и электроника. ^{[n 19]}

Сплавы [ править ]

В начале истории интерметаллических соединений британский металлург Сесил Деш заметил, что «некоторые неметаллические элементы способны образовывать соединения с металлами отчетливо металлического характера, и поэтому эти элементы могут входить в состав сплавов». Он связал кремний, мышьяк и теллур, в частности, с легирующими элементами. ^[108] Филлипс и Уильямс ^[109] предположили, что соединения кремния, германия, мышьяка и сурьмы с металлами B , «вероятно, лучше всего классифицировать как сплавы».

Среди более легких металлоидов хорошо представлены сплавы с переходными металлами . Бор может образовывать интерметаллические соединения и сплавы с такими металлами состава M _n B, если n > 2. ^[110] Ферробор (15% бора) используется для введения бора в сталь ; Никель-борные сплавы входят в состав сварочных сплавов и цементирующих композиций для машиностроительной промышленности. Сплавы кремния с железом и алюминием широко используются в сталелитейной и автомобильной промышленности соответственно. Германий образует множество сплавов, в первую очередь с металлами чеканки . ^[111]

Более тяжелые металлоиды продолжают тему. Мышьяк может образовывать сплавы с металлами, включая платину и медь ; ^[112] его также добавляют в медь и ее сплавы для улучшения коррозионной стойкости ^[113] и, по-видимому, дает те же преимущества при добавлении к магнию. ^[114] Сурьма хорошо известна как сплав, в том числе и при чеканке монет. Его сплавы включают олово (сплав олова с содержанием сурьмы до 20%) и металл (сплав свинца с содержанием сурьмы до 25%). ^[115] Теллур легко сплавляется с железом в виде ферротеллура (50–58% теллура) и с медью в виде теллура меди (40–50% теллура).^[116] Ферротеллур используется в качестве стабилизатора углерода в стальных отливках. ^[117] Из неметаллических элементов, которые реже называют металлоидами, селен - в форме ферроселена (50–58% селена) - используется для улучшения обрабатываемости нержавеющих сталей. ^[118]

Биологические агенты [ править ]

Все шесть элементов, обычно называемых металлоидами, обладают токсичными, диетическими или лечебными свойствами. ^[120] Особенно токсичны соединения мышьяка и сурьмы; бор, кремний и, возможно, мышьяк являются важными микроэлементами. Бор, кремний, мышьяк и сурьма находят применение в медицине, и считается, что германий и теллур имеют потенциал.

Бор используется в инсектицидах ^[121] и гербицидах. ^[122] Это важный микроэлемент. ^[123] Как борная кислота , она обладает антисептическими, противогрибковыми и противовирусными свойствами. ^[124]

Кремний присутствует в силатране , высокотоксичном родентициде. ^[125] Длительное вдыхание кремнеземной пыли вызывает силикоз - смертельное заболевание легких. Кремний - важный микроэлемент. ^[123] Силиконовый гель можно наносить на сильно обгоревших пациентов, чтобы уменьшить рубцевание. ^[126]

Соли германия потенциально опасны для людей и животных при длительном проглатывании. ^[127] Существует интерес к фармакологическому действию соединений германия, но пока нет лицензированных лекарств. ^[128]

Мышьяк, как известно, ядовит, а также может быть важным элементом в сверхследных количествах. ^[129] Во время Первой мировой войны обе стороны использовали « средства для чихания и рвоты на основе мышьяка ... чтобы заставить вражеских солдат снять противогазы, прежде чем стрелять в них горчицей или фосгеном во втором залпе ». ^[130] Он использовался в качестве фармацевтического агента с древних времен, в том числе для лечения сифилиса до разработки антибиотиков . ^[131] Мышьяк также входит в состав меларсопрола., лекарственное средство, используемое для лечения африканского трипаносомоза человека или сонной болезни. В 2003 году триоксид мышьяка (под торговым названием Trisenox ) был повторно введен в употребление для лечения острого промиелоцитарного лейкоза , рака крови и костного мозга. ^[131] Содержащийся в питьевой воде мышьяк, вызывающий рак легких и мочевого пузыря, был связан со снижением смертности от рака груди. ^[132]

Металлическая сурьма относительно нетоксична, но большинство соединений сурьмы ядовиты. ^[133] Два соединения сурьмы, стибоглюконат натрия и стибофен , используются в качестве противопаразитарных препаратов . ^[134]

Элементарный теллур не считается особо токсичным; два грамма теллурата натрия при введении могут быть смертельными. ^[135] Люди, подвергшиеся воздействию небольшого количества переносимого по воздуху теллура, источают неприятный и стойкий запах чеснока. ^[136] Двуокись теллура использовалась для лечения себорейного дерматита ; другие соединения теллура использовались в качестве противомикробных агентов до разработки антибиотиков. ^[137] В будущем, возможно, потребуется заменить такие соединения на антибиотики, которые стали неэффективными из-за устойчивости бактерий. ^[138]

Из элементов, менее известных как металлоиды, бериллий и свинец известны своей токсичностью; арсенат свинца широко используется в качестве инсектицида. ^[139] Сера - один из старейших фунгицидов и пестицидов. Важными питательными веществами являются фосфор, сера, цинк, селен и йод, а также алюминий, олово и свинец. ^[129] Сера, галлий, селен, йод и висмут используются в медицине. Сера входит в состав сульфонамидных препаратов , которые до сих пор широко используются при таких состояниях, как акне и инфекции мочевыводящих путей. ^[140] Нитрат галлия используется для лечения побочных эффектов рака; ^[141] цитрат галлия, радиофармацевтический препарат, облегчает визуализацию воспаленных участков тела. ^[142] Сульфид селена используется в лечебных шампунях и для лечения кожных инфекций, таких как разноцветный лишай . ^[143] Йод используется в качестве дезинфицирующего средства в различных формах. Висмут входит в состав некоторых антибактериальных средств . ^[144]

Катализаторы [ править ]

Трифторид и трихлорид бора используются в качестве катализаторов в органическом синтезе и электронике; трибромид используется в производстве диборана . ^[145] Нетоксичные борные лиганды могут заменить токсичные фосфорные лиганды в некоторых катализаторах переходных металлов. ^[146] Кремнеземная серная кислота (SiO ₂ OSO ₃ H) используется в органических реакциях. ^[147] диоксид германия иногда используется в качестве катализатора в производстве ПЭТ пластика для контейнеров; ^[148] более дешевые соединения сурьмы, такие как триоксид или триацетат, чаще используются для той же цели ^[149], несмотря на опасения по поводу загрязнения продуктов питания и напитков сурьмой. ^[150] Триоксид мышьяка использовался в производстве природного газа для ускорения удаления диоксида углерода , также как и селеновая кислота и теллуровая кислота . ^[151] Селен действует как катализатор у некоторых микроорганизмов. ^[152] Теллур, его диоксид и его тетрахлорид являются сильными катализаторами окисления углерода воздухом при температуре выше 500 ° C. ^[153] Оксид графита может быть использован в качестве катализатора при синтезе иминов и их производных.^[154] Активированный уголь и оксид алюминия использовались в качестве катализаторов для удаления примесей серы из природного газа. ^[155] Алюминий, легированный титаном , был признан заменителем дорогихкатализаторов из благородных металлов, используемых в производстве промышленных химикатов. ^[156]

Антипирены [ править ]

Соединения бора, кремния, мышьяка и сурьмы использовались в качестве антипиренов . Бор в форме буры использовался в качестве антипирена для текстиля, по крайней мере, с 18 века. ^[157] Кремниевые соединения, такие как силиконы, силаны , силсесквиоксан , диоксид кремния и силикаты , некоторые из которых были разработаны как альтернативы более токсичным галогенированным продуктам, могут значительно улучшить огнестойкость пластмассовых материалов. ^[158] Соединения мышьяка, такие как арсенит натрия или арсенат натрия.являются эффективными антипиренами для древесины, но используются реже из-за их токсичности. ^[159] Триоксид сурьмы является антипиреном. ^[160] Гидроксид алюминия используется в качестве антипирена для древесного волокна, резины, пластика и текстиля с 1890-х годов. ^[161] Помимо гидроксида алюминия, использование антипиренов на основе фосфора - в форме, например, органофосфатов - теперь превосходит любые другие основные типы антипиренов. В них используются соединения бора, сурьмы или галогенированных углеводородов . ^[162]

Формирование стекла [ править ]

Оксиды B 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , As 2 O 3 и Sb 2 O 3 легко образуют стекла . TeO 2 образует стекло, но для этого требуется «героическая скорость закалки» ^[163] или добавление примеси; в противном случае получается кристаллическая форма. ^[163] Эти соединения используются в химической, бытовой и промышленной стеклянной посуде ^[164] и в оптике. ^[165] Триоксид бора используется в качестве добавки к стекловолокну , ^[166]а также является компонентом боросиликатного стекла , широко используемого для изготовления лабораторной посуды и домашней посуды из-за его низкого теплового расширения. ^[167] Самая обычная посуда сделана из диоксида кремния. ^[168] Диоксид германия используется в качестве добавки к стекловолокну, а также в инфракрасных оптических системах. ^[169] Триоксид мышьяка используется в стекольной промышленности в качестве обесцвечивающего и осветляющего агента (для удаления пузырьков) ^[170], как и триоксид сурьмы. ^[171] Диоксид теллура находит применение в лазерной и нелинейной оптике . ^[172]

Аморфные металлические стекла обычно легче всего получить, если один из компонентов представляет собой металлоид или «почти металлоид», такой как бор, углерод, кремний, фосфор или германий. ^{[173] [n 20]} Помимо тонких пленок, осажденных при очень низких температурах, первым известным металлическим стеклом был сплав состава Au ₇₅ Si _25, о котором было сообщено в 1960 году. ^[175] Металлическое стекло, обладающее прочностью и ударной вязкостью, ранее не замеченными, состава Pd _82,5 P ₆ Si _9,5 Ge ₂ , сообщалось в 2011 году ^[176]

В стеклах также используются фосфор, селен и свинец, которые реже называют металлоидами. Фосфатное стекло имеет подложку из пятиокиси фосфора (P ₂ O ₅ ), а не кремнезема (SiO ₂ ) обычных силикатных стекол. Его используют, например, для изготовления натриевых ламп . ^[177] Соединения селена можно использовать как в качестве обесцвечивающих агентов, так и для придания стеклу красного цвета. ^[178] Декоративная посуда из традиционного свинцового стекла содержит не менее 30% оксида свинца (II) (PbO); Свинцовое стекло, используемое для защиты от излучения, может содержать до 65% PbO. ^[179]Стекла на основе свинца также широко используются в электронных компонентах, материалах для эмалирования, герметизации и остекления, а также в солнечных элементах. Оксидные стекла на основе висмута стали менее токсичной заменой свинцу во многих из этих областей применения. ^[180]

Оптические накопители и оптоэлектроника [ править ]

Различные составы GeSbTe («сплавы GST») и Sb 2 Te, легированные Ag и In («сплавы AIST»), являющиеся примерами материалов с фазовым переходом , широко используются в перезаписываемых оптических дисках и устройствах памяти с фазовым переходом . Под воздействием тепла они могут переключаться между аморфным (стеклообразным) и кристаллическим состояниями. Изменение оптических и электрических свойств может быть использовано для хранения информации. ^[181] Будущие приложения для GeSbTe могут включать «сверхбыстрые, полностью твердотельные дисплеи с пикселями нанометрового масштаба, полупрозрачные« умные »очки,« умные »контактные линзы и устройства с искусственной сетчаткой». ^[182]

Пиротехника [ править ]

Признанные металлоиды имеют либо пиротехническое применение, либо связанные с ними свойства. Обычно встречаются бор и кремний; ^[184] они действуют как металлическое топливо. ^[185] Бор используется в композициях пиротехнических инициаторов (для воспламенения других трудно запускаемых композиций) и в композициях замедленного действия, которые горят с постоянной скоростью. ^[186] Карбид бора был определен как возможная замена более токсичным смесям бария или гексахлорэтана в дымовых боеприпасах, сигнальных ракетах и ​​фейерверках. ^[187] Кремний, как и бор, является компонентом смесей инициатора и замедлителя. ^[186]Легированный германий может действовать как термитное топливо с регулируемой скоростью . ^{[n 21]} Трисульфид мышьяка As ₂ S ₃ использовался в старых военно-морских сигнальных огнях ; в салют, чтобы сделать белые звезды; ^[189] в смесях с желтой дымовой завесой ; и в композициях инициатора. ^[190] Трисульфид сурьмы Sb ₂ S ₃ содержится в белых фейерверках, а также в смесях вспышек и звуков . ^[191] Теллур использовался в смесях замедленного действия и в композициях инициатора капсюля- детектора. ^[192]

Углерод, алюминий, фосфор и селен продолжают тему. Углерод в дымном порохе входит в состав ракетного топлива для фейерверков, разрывных зарядов и смесей эффектов, а также во взрывателях замедленного действия и воспламенителях. ^{[193] [n 22]} Алюминий является обычным пиротехническим ингредиентом ^[184] и широко используется из-за его способности генерировать свет и тепло ^{[195], в} том числе в термитных смесях. ^[196] Фосфор можно найти в дыму и зажигательных боеприпасах, в бумажных колпачках, используемых в игрушечных пистолетах , и в хлопушках для вечеринок . ^[197] Селен использовался так же, как теллур. ^[192]

Полупроводники и электроника [ править ]

Все элементы, обычно называемые металлоидами (или их соединениями), используются в промышленности полупроводников или твердотельной электроники. ^[198]

Некоторые свойства бора ограничивают его использование в качестве полупроводника. Он имеет высокую температуру плавления, монокристаллы относительно трудно получить, а введение и удержание контролируемых примесей затруднено. ^[199]

Кремний - ведущий коммерческий полупроводник; он составляет основу современной электроники (включая стандартные солнечные элементы) ^[200] и информационных и коммуникационных технологий. ^[201] Это произошло несмотря на то, что исследования полупроводников в начале 20 века считались «физикой грязи» и не заслуживали пристального внимания. ^[202]

Германий в полупроводниковых устройствах в значительной степени заменен кремнием, поскольку он дешевле, более эластичен при более высоких рабочих температурах и легче работает в процессе изготовления микроэлектроники. ^[107] Германий по-прежнему входит в состав полупроводниковых кремний-германиевых «сплавов», и они все чаще используются, особенно в устройствах беспроводной связи; в таких сплавах используется более высокая подвижность носителей германия. ^[107] В 2013 году сообщалось о синтезе полупроводникового германана в количестве граммов . Он состоит из листов толщиной в один атом из атомов германия с концевыми водородными группами , аналогичных графану.. Он проводит электроны более чем в десять раз быстрее, чем кремний, и в пять раз быстрее, чем германий, и, как считается, имеет потенциал для оптоэлектронных и измерительных приложений. ^[203] О разработке анода на основе германиевой проволоки, который более чем вдвое увеличивает емкость литий-ионных батарей, было сообщено в 2014 году. ^[204] В том же году Ли и др. сообщили, что бездефектные кристаллы графена, достаточно большие для использования в электронике, могут быть выращены на германиевой подложке и удалены с нее. ^[205]

Мышьяк и сурьма не являются полупроводниками в своем стандартном состоянии . Оба образуют полупроводники типа III-V (такие как GaAs, AlSb или GaInAsSb), в которых среднее количество валентных электронов на атом такое же, как у элементов группы 14 . Эти соединения предпочтительны для некоторых специальных применений. ^[206] Нанокристаллы сурьмы могут позволить заменить литий-ионные батареи более мощными ионно-натриевыми батареями . ^[207]

Теллур, который в своем стандартном состоянии является полупроводником, используется в основном как компонент в полупроводниковых халькогенидах типа II / VI ; у них есть приложения в электрооптике и электронике. ^[208] Теллурид кадмия (CdTe) используется в солнечных модулях из-за его высокой эффективности преобразования, низких производственных затрат и большой ширины запрещенной зоны 1,44 эВ, что позволяет ему поглощать волны в широком диапазоне длин волн. ^[200] Теллурид висмута (Bi ₂ Te ₃ ), легированный селеном и сурьмой, является компонентом термоэлектрических устройств, используемых для охлаждения или портативной энергетики. ^[209]

Пять металлоидов - бор, кремний, германий, мышьяк и сурьма - можно найти в сотовых телефонах (наряду с как минимум 39 другими металлами и неметаллами). ^[210] Ожидается, что теллур найдет такое применение. ^[211] Из менее часто известных металлоидов фосфор, галлий (в частности) и селен находят применение в полупроводниках. Фосфор используется в следовых количествах как легирующая добавка для полупроводников n-типа . ^[212] В коммерческом использовании соединений галлия преобладают полупроводники - в интегральных схемах, сотовых телефонах, лазерных диодах , светодиодах , фотодетекторах и солнечных элементах . ^[213]Селен используется в производстве солнечных элементов ^[214] и в высокоэнергетических устройствах защиты от перенапряжения . ^[215]

В топологических изоляторах можно найти бор, кремний, германий, сурьму и теллур ^[216], а также более тяжелые металлы и металлоиды, такие как Sm, Hg, Tl, Pb, Bi и Se ^[217] . Это сплавы ^[218] или соединения, которые при ультрахолодных температурах или комнатной температуре (в зависимости от их состава) являются металлическими проводниками на своей поверхности, но изоляторами внутри. ^[219] Арсенид кадмия Cd ₃ As ₂ при температуре около 1 К представляет собой дираковский полуметалл - объемный электронный аналог графена - в котором электроны эффективно перемещаются как безмассовые частицы. ^[220] Считается, что эти два класса материалов имеют потенциал приложения для квантовых вычислений . ^[221]

Номенклатура и история [ править ]

Производные и другие имена [ править ]

Слово металлоид происходит от латинского Metallum («металл») и греческого oeides («сходный по форме или внешнему виду»). ^[222] Некоторые имена иногда используются как синонимы, хотя некоторые из них имеют другие значения, которые не обязательно взаимозаменяемы: амфотерный элемент, ^[223] граничный элемент, ^[224] полуметалл, ^[225] элемент на полпути, ^[226] рядом металл, ^[227] метаметалл, ^[228] полупроводник, ^[229] полуметалл ^[230] и субметалл . ^[231]«Амфотерный элемент» иногда используется в более широком смысле, включая переходные металлы, способные образовывать оксианионы , такие как хром и марганец . ^[232] « Полуметалл » используется в физике для обозначения соединения (такого как диоксид хрома ) или сплава, который может действовать как проводник и изолятор . «Мета-металл» иногда используется вместо обозначения некоторых металлов ( Be , Zn , Cd , Hg , In , Tl , β-Sn , Pb ), расположенных слева от металлоидов в стандартных периодических таблицах. ^[225]Эти металлы в основном диамагнитны ^[233] и имеют тенденцию к искаженной кристаллической структуре, значениям электропроводности на более низком уровне, чем у металлов, и амфотерным (слабоосновным) оксидам. ^[234] Термин «полуметалл» иногда свободно или явно относится к металлам с неполным металлическим характером кристаллической структуры, электропроводности или электронной структуры. Примеры включают галлий, ^[235] иттербий , ^[236] висмут ^[237] и нептуний . ^[238] Названия амфотерного элемента и полупроводника.являются проблематичными, поскольку некоторые элементы, называемые металлоидами, не проявляют заметных амфотерных свойств (например, висмут) ^[239] или полупроводимости (полоний) ^[240] в их наиболее стабильных формах.

Происхождение и использование [ править ]

Происхождение и использование термина « металлоид» запутано. Его происхождение лежит в древних попытках описать металлы и различать типичные и менее типичные формы. Впервые он был применен в начале 19 века к металлам, плавающим в воде (натрий и калий), а затем, более популярно, к неметаллам. Более раннее использование в минералогии для описания минерала, имеющего металлический внешний вид, можно найти еще в 1800 году. ^[241] С середины 20 века он использовался для обозначения промежуточных или пограничных химических элементов. ^{[242] [п 23]} Международный союз теоретической и прикладной химии(IUPAC) ранее рекомендовал отказаться от термина «металлоид» и предложил вместо этого использовать термин « полуметалл» . ^[244] Использование этого последнего термина совсем недавно не одобрялось Аткинсом и др. ^[2], поскольку он имеет другое значение в физике - тот, который более конкретно относится к электронной зонной структуре вещества, а не к общей классификации элемента. Самые последние публикации IUPAC по номенклатуре и терминологии не содержат никаких рекомендаций по использованию терминов «металлоид» или «полуметалл». ^[245]

Элементы, обычно называемые металлоидами [ править ]

Свойства, указанные в этом разделе, относятся к элементам в их наиболее термодинамически стабильных формах в условиях окружающей среды.

Бор [ править ]

Чистый бор представляет собой блестящее серебристо-серое кристаллическое вещество. ^[247] Он менее плотный, чем алюминий (2,34 против 2,70 г / см ³ ), а также твердый и хрупкий. Это едва ли реактивным при нормальных условиях, для атаки , кроме фтора , ^[248] и имеет температуру плавления 2076 ° C (см стали ~ 1370 ° C). ^[249] Бор - полупроводник; ^[250] его электропроводность при комнатной температуре составляет 1,5 × 10 ^-6 См • см ^{-1 [251]} (примерно в 200 раз меньше, чем у водопроводной воды) ^[252], а ширина запрещенной зоны составляет около 1,56 эВ. ^{[253] [n 24]}Менделеев заметил, что «бор находится в свободном состоянии в нескольких формах, которые занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами». ^[255]

В структурной химии бора преобладают его небольшой размер атома и относительно высокая энергия ионизации. При наличии только трех валентных электронов на атом бора простая ковалентная связь не может соответствовать правилу октетов. ^[256] Металлическое связывание является обычным результатом среди более тяжелых конгенеров бора, но для этого обычно требуются низкие энергии ионизации. ^[257] Вместо этого, из-за его небольшого размера и высокой энергии ионизации, основной структурной единицей бора (и почти всех его аллотропов) ^{[n 25]} является икосаэдрический кластер B ₁₂ . Из 36 электронов, связанных с 12 атомами бора, 26 находятся на 13 делокализованных молекулярных орбиталях; остальные 10 электронов используются для образования двух- и трехцентровых ковалентных связей между икосаэдрами. ^[259]Тот же самый мотив, как и дельтаэдрические варианты или фрагменты, можно увидеть в боридах и гидридных производных металлов и в некоторых галогенидах. ^[260]

Связывание в боре описывается как характеристика промежуточного поведения между металлами и неметаллическими твердыми веществами с ковалентной сеткой (такими как алмаз ). ^[261] Энергия, необходимая для преобразования B, C, N, Si и P из неметаллического в металлическое состояние, была оценена как 30, 100, 240, 33 и 50 кДж / моль соответственно. Это указывает на близость бора к границе металл-неметалл. ^[262]

Большая часть химического состава бора имеет неметаллическую природу. ^[262] В отличие от более тяжелых конгенеров, он не может образовывать простой катион B ³⁺ или гидратированный [B (H ₂ O) ₄ ] ³⁺ . ^[263] Небольшой размер атома бора обеспечивает получение многих интерстициальных боридов сплава типа. ^[264] Аналогия между бором и переходными металлами были отмечена в образовании комплексов , ^[265] и аддукты (например, ВН ₃ + CO → ВН ₃ СО и, аналогичным образом , Fe (CO) ₄ + CO → Fe (CO )₅ ), ^{[n 26],} а также в геометрических и электронных структурах кластеров, таких как [B ₆ H ₆ ] ^2- и [Ru ₆ (CO) ₁₈ ] ^2- . ^{[267] [n 27]} Водный химический состав бора характеризуется образованием множества различных полиборатных анионов . ^[269] Учитывая высокое отношение заряда к размеру, бор ковалентно связывается почти во всех своих соединениях; ^[270] исключением являются бориды, поскольку они включают, в зависимости от их состава, ковалентные, ионные и металлические связывающие компоненты. ^{[271][n 28]} Простые бинарные соединения, такие как трихлорид бора, являются кислотами Льюиса, так как образование трех ковалентных связей оставляет дыру в октете, которая может быть заполнена электронной парой, предоставленной основанием Льюиса . ^[256] Бор имеет сильное сродство к кислороду и достаточно обширныйхимический состав бората . ^[264] Оксид B ₂ O ₃ является полимерным по структуре, ^[274] слабокислотным, ^{[275] [n 29]} и стеклообразователем. ^[281] Металлоорганические соединения бора ^{[n 30]}были известны с 19 века (см. борорганические соединения ). ^[283]

Кремний [ править ]

Кремний представляет собой твердое кристаллическое вещество с сине-серым металлическим блеском. ^[284] Как и бор, он менее плотный (2,33 г / см ³ ), чем алюминий, а также твердый и хрупкий. ^[285] Это относительно инертный элемент. ^[284] Согласно Рохову, ^[286] массивная кристаллическая форма (особенно в чистом виде) «чрезвычайно инертна по отношению ко всем кислотам, включая фтористоводородную ». ^{[n 31]} Менее чистый кремний и его порошкообразная форма по-разному подвержены воздействию сильных или горячих кислот, а также пара и фтора. ^[290] Кремний растворяется в горячих водных щелочах с выделением водорода , как и металлы.^[291], например бериллий, алюминий, цинк, галлий или индий. ^[292] Плавится при 1414 ° C. Кремний - это полупроводник с электропроводностью 10 ^-4  См • см ^{-1 [293]} и шириной запрещенной зоны около 1,11 эВ. ^[287] Когда он плавится, кремний становится разумным металлом ^[294] с электропроводностью 1,0–1,3 × 10 ⁴  См • см ^-1 , аналогичной проводимости жидкой ртути. ^[295]

Химический состав кремния обычно неметаллический (ковалентный) по своей природе. ^[296] Об образовании катиона неизвестно. ^{[297] [n 32]} Кремний может образовывать сплавы с такими металлами, как железо и медь. ^[298] Он показывает меньше склонностей к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[299] Его химический состав раствора характеризуется образованием оксианионов. ^[300] Высокая прочность кремний-кислородной связи определяет химическое поведение кремния. ^[301] Полимерные силикаты, состоящие из тетраэдрических единиц SiO _4, разделяющих их атомы кислорода, являются наиболее распространенными и важными соединениями кремния. ^[302]Полимерные бораты, содержащие связанные тригональные и тетраэдрические звенья BO ₃ или BO ₄ , построены на аналогичных структурных принципах. ^[303] Оксид SiO ₂ является полимерным по структуре, ^[274] слабокислотным, ^{[304] [n 33]} и стеклообразующим. ^[281] Традиционная металлоорганическая химия включает углеродные соединения кремния (см. Кремнийорганический ). ^[308]

Германий [ править ]

Германий - блестящее серо-белое твердое вещество. ^[309] Он имеет плотность 5,323 г / см ^3, твердый и хрупкий. ^[310] Он в основном не реагирует при комнатной температуре ^{[n 34],} но медленно разрушается горячей концентрированной серной или азотной кислотой . ^[312] Германий также реагирует с расплавом каустической соды с образованием германата натрия Na ₂ GeO ₃ и газообразного водорода. ^[313] Плавится при 938 ° C. Германий - полупроводник с электропроводностью около 2 × 10 ^-2  См • см ^{-1 [312]} и шириной запрещенной зоны 0,67 эВ. ^[314]Жидкий германий - это металлический проводник с электропроводностью, подобной проводимости жидкой ртути. ^[315]

Большая часть химии германия характерна для неметаллов. ^[316] Образует ли германий катион, неясно, за исключением сообщений о существовании иона Ge ²⁺ в нескольких эзотерических соединениях. ^{[n 35]} Он может образовывать сплавы с такими металлами, как алюминий и золото . ^[329] Он показывает меньше склонностей к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[299] Его химический состав раствора характеризуется образованием оксианионов. ^[300] Германий обычно образует четырехвалентные (IV) соединения, а также может образовывать менее стабильные двухвалентные (II) соединения, в которых он ведет себя больше как металл. ^[330]Получены германиевые аналоги всех основных типов силикатов. ^[331] Металлический характер германия также подтверждается образованием различных солей оксокислот . Описаны фосфат [(HPO ₄ ) ₂ Ge · H ₂ O] и высокостабильный трифторацетат Ge (OCOCF ₃ ) ₄ , а также Ge ₂ (SO ₄ ) ₂ , Ge (ClO ₄ ) ₄ и GeH ₂ (C ₂ О ₄ ) ₃ . ^[332] Оксид GeO ₂ является полимерным, ^[274]амфотерный, ^[333] и стеклообразователь. ^[281] Диоксид растворим в кислых растворах (монооксид GeO, тем более), и это иногда используется для классификации германия как металла. ^[334] Вплоть до 1930-х годов германий считался плохо проводящим металлом; ^[335] Поздние авторы иногда относили его к металлу. ^[336] Как и все элементы, обычно известные как металлоиды, германий имеет установленную металлоорганическую химию (см. Химия органогермания ). ^[337]

Мышьяк [ править ]

Мышьяк - твердое вещество серого цвета с металлическим оттенком. Он имеет плотность 5,727 г / см ^3, является хрупким и умеренно твердым (больше, чем у алюминия; меньше, чем у железа ). ^[338] Он устойчив на сухом воздухе, но на влажном воздухе образует золотисто-бронзовую патину, которая чернеет при дальнейшем воздействии. Мышьяк поражается азотной кислотой и концентрированной серной кислотой. Он реагирует с плавленым едким натром с образованием арсената Na ₃ AsO ₃ и газообразного водорода. ^[339] Мышьяк возгоняется при 615 ° C. Пар имеет лимонно-желтый цвет и пахнет чесноком. ^[340] Мышьяк плавится только под давлением 38,6 атм при 817 ° C. ^[341]Это полуметалл с электропроводностью около 3,9 × 10 ⁴  См • см ^{-1 [342]} и перекрытием полос 0,5 эВ. ^{[343] [n 36]} Жидкий мышьяк - это полупроводник с шириной запрещенной зоны 0,15 эВ. ^[345]

По химическому составу мышьяк преимущественно неметаллический. ^[346] Неясно, образует ли мышьяк катион. ^{[n 37]} Его многие металлические сплавы в основном хрупкие. ^[354] Он показывает меньше склонностей к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[299] Его химический состав раствора характеризуется образованием оксианионов. ^[300] Мышьяк обычно образует соединения, в которых он имеет степень окисления +3 или +5. ^[355] Галогениды, оксиды и их производные являются иллюстративными примерами. ^[302] В трехвалентном состоянии мышьяк проявляет некоторые металлические свойства. ^[356] Галогениды гидролизуютсяводой, но эти реакции, особенно реакции хлорида, обратимы при добавлении галогенводородной кислоты . ^[357] Оксид является кислым, но, как указано ниже, (слабо) амфотерным. Более высокое, менее стабильное пятивалентное состояние обладает сильнокислотными (неметаллическими) свойствами. ^[358] По сравнению с фосфором, на более сильный металлический характер мышьяка указывает образование солей оксокислот, таких как AsPO ₄ , As ₂ (SO ₄ ) ₃ ^{[n 38]} и ацетат мышьяка As (CH ₃ COO) ₃ . ^[361] Оксид As ₂ O ₃ является полимерным, ^[274]амфотерный, ^{[362] [n 39]} и стеклообразователь. ^[281] Мышьяк имеет обширную металлоорганическую химию (см. Химию органо-мышьяка ). ^[365]

Сурьма [ править ]

Сурьма - это серебристо-белое твердое вещество с голубым оттенком и блестящим блеском. ^[339] Он имеет плотность 6,697 г / см ^3, является хрупким и умеренно твердым (больше, чем мышьяк; меньше, чем железо; примерно так же, как медь). ^[338] Устойчив на воздухе и влаге при комнатной температуре. Он подвергается воздействию концентрированной азотной кислоты, в результате чего образуется гидратированный пентоксид Sb ₂ O ₅ . Царская водка дает пентахлорид SbCl _5, а горячая концентрированная серная кислота дает сульфат Sb ₂ (SO ₄ ) ₃ . ^[366] Он не подвержен действию расплавленной щелочи. ^[367]Сурьма способна вытеснять водород из воды при нагревании: 2 Sb + 3 H ₂ O → Sb ₂ O ₃ + 3 H ₂ . ^[368] Плавится при 631 ° C. Сурьма представляет собой полуметалл с электропроводностью около 3,1 × 10 ⁴  См • см ^{-1 [369]} и перекрытием полос 0,16 эВ. ^{[343] [n 40]} Жидкая сурьма - это металлический проводник с электропроводностью около 5,3 × 10 ⁴  См • см ^-1 . ^[371]

Большая часть химического состава сурьмы характерна для неметалла. ^[372] Сурьма имеет определенную катионную химию, ^[373] SbO ⁺ и Sb (OH) ₂ ⁺ присутствуют в кислом водном растворе; ^{[374] [n 41]} соединение Sb ₈ (GaCl ₄ ) ₂ , которое содержит гомополикатион Sb ₈ ²⁺ , было получено в 2004 году. ^[376] Оно может образовывать сплавы с одним или несколькими металлами, такими как алюминий, ^{[377 ]} железо, никель , медь, цинк, олово, свинец и висмут. ^[378]Сурьма менее склонна к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[299] Его химический состав раствора характеризуется образованием оксианионов. ^[300] Как и мышьяк, сурьма обычно образует соединения, в которых она имеет степень окисления +3 или +5. ^[355] Галогениды, оксиды и их производные являются иллюстративными примерами. ^[302] Состояние +5 менее стабильно, чем +3, но относительно легче достижимо, чем с мышьяком. Это объясняется плохой защитой, которую обеспечивает ядро ​​мышьяка его 3d 10 электронами . Для сравнения, тенденция сурьмы (как более тяжелого атома) к более легкому окислению частично компенсирует эффект ее 4d ¹⁰ракушка. ^[379] Трипозитивная сурьма - амфотерная; пентапозитная сурьма (преимущественно) кислая. ^{[380] В} соответствии с увеличением металлического характера в группе 15 сурьма образует соли или солеподобные соединения, включая нитрат Sb (NO ₃ ) ₃ , фосфат SbPO ₄ , сульфат Sb ₂ (SO ₄ ) ₃ и перхлорат Sb (ClO ₄ ) ₃ . ^[381] Другой кислый пентоксид Sb ₂ O ₅проявляет некоторое основное (металлическое) поведение, поскольку может растворяться в очень кислых растворах с образованием оксикатиона SbO⁺
₂. ^[382] Оксид Sb ₂ O ₃ является полимерным, ^[274] амфотерным, ^[383] и стеклообразующим. ^[281] Сурьма имеет обширный химический состав металлоорганических соединений (см. Химия сурьмыорганических соединений ). ^[384]

Теллур [ править ]

Теллур - это серебристо-белое блестящее твердое вещество. ^[386] Он имеет плотность 6,24 г / см ³ , является хрупким и самым мягким из общепризнанных металлоидов, немного тверже серы. ^[338] Большие куски теллура устойчивы на воздухе. Тонкоизмельченная форма окисляется воздухом в присутствии влаги. Теллур реагирует с кипящей водой или когда он только что осажден даже при 50 ° C, с образованием диоксида и водорода: Te + 2 H ₂ O → TeO ₂ + 2 H ₂ . ^[387] Он реагирует (в различной степени) с азотной, серной и соляной кислотами с образованием таких соединений, как сульфоксид TeSO ₃ или теллуристая кислота.H ₂ TeO ₃ , ^[388] основной нитрат (Te ₂ O ₄ H) ⁺ (NO ₃ ) ^- , ^[389] или оксид сульфат Te ₂ O ₃ (SO ₄ ). ^[390] Он растворяется в кипящих щелочах с образованием теллурита и теллурида : 3 Te + 6 KOH = K ₂ TeO ₃ + 2 K ₂ Te + 3 H ₂ O, реакция, которая протекает или является обратимой при повышении или понижении температуры. ^[391]

При более высоких температурах теллур достаточно пластичен для экструзии. ^[392] Он плавится при 449,51 ° C. Кристаллический теллур имеет структуру, состоящую из параллельных бесконечных спиральных цепочек. Связь между соседними атомами в цепочке ковалентна, но есть свидетельства слабого металлического взаимодействия между соседними атомами разных цепочек. ^[393] Теллур - это полупроводник с электропроводностью около 1,0 См • см ^{-1 [394]} и шириной запрещенной зоны от 0,32 до 0,38 эВ. ^[395] Жидкий теллур - это полупроводник с электропроводностью при плавлении около 1,9 × 10 ³  См • см ^-1 . ^[395] Перегретыйжидкий теллур - металлический проводник. ^[396]

Большая часть химии теллура характерна для неметаллов. ^[397] Он показывает некоторое катионное поведение. Диоксид растворяется в кислоте с образованием иона тригидроксотеллура (IV) Те (ОН) ₃ ⁺ ; ^{[398] [n 42]} красные ионы Te ₄ ²⁺ и желто-оранжевые ионы Te ₆ ²⁺ образуются, когда теллур окисляется фтористоводородной кислотой (HSO ₃ F) или жидким диоксидом серы (SO ₂ ), соответственно. ^[401] Он может образовывать сплавы с алюминием, серебром и оловом. ^[402]Теллур проявляет меньшую тенденцию к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[299] Его химический состав раствора характеризуется образованием оксианионов. ^[300] Теллур обычно образует соединения, в которых он имеет степень окисления -2, +4 или +6. Состояние +4 - самое стабильное. ^[387] Теллуриды состава X _x Te _y легко образуются с большинством других элементов и представляют собой наиболее распространенные минералы теллура. Нестехиометрия широко распространена, особенно с переходными металлами. Многие теллуриды можно рассматривать как металлические сплавы. ^[403] Увеличение металлического характера, очевидное для теллура, по сравнению с более легкими халькогенами., далее отражается в сообщениях об образовании различных других солей оксикислот, таких как основной селенат 2TeO ₂ · SeO ₃ и аналогичные перхлорат и периодат 2TeO ₂ · HXO ₄ . ^[404] Теллур образует полимерный, ^[274] амфотерный, ^[383] стеклообразующий оксид ^[281] TeO ₂ . Это «условный» стеклообразующий оксид - он образует стекло с очень небольшим количеством добавки. ^[281] Теллур имеет обширную металлоорганическую химию (см. Химия теллура ). ^[405]

Элементы, менее известные как металлоиды [ править ]

Углерод [ править ]

Углерод обычно классифицируется как неметалл ^[407], но имеет некоторые металлические свойства и иногда классифицируется как металлоид. ^[408] Гексагональный графитовый углерод (графит) является наиболее термодинамически стабильным аллотропом углерода в условиях окружающей среды. ^[409] Он имеет блестящий вид ^[410] и является довольно хорошим проводником электричества. ^[411] Графит имеет слоистую структуру. Каждый слой состоит из атомов углерода, связанных с тремя другими атомами углерода в гексагональной решетке . Слои сложены вместе и свободно удерживаются силами Ван-дер-Ваальса и делокализованными валентными электронами .^[412]

Подобно металлу, проводимость графита в направлении его плоскостей уменьшается с повышением температуры; ^{[413] [n 43]} он имеет электронную зонную структуру полуметалла. ^[413] Аллотропы углерода, включая графит, могут принимать посторонние атомы или соединения в свои структуры посредством замещения, интеркаляции или легирования . Полученные материалы называются «углеродными сплавами». ^[417] Углерод может образовывать ионные соли, включая гидросульфат, перхлорат и нитрат (C⁺
₂₄X ^- .2HX, где X = HSO ₄ , ClO ₄ ; и C⁺
₂₄НЕТ^-
₃.3HNO ₃ ). ^{[418] [n 44]} В органической химии углерод может образовывать сложные катионы, называемые карбокатионами, в которых положительный заряд находится на атоме углерода; примеры: CH+ 3и CH+ 5, и их производные. ^[419]

Углерод хрупкий ^[420] и ведет себя как полупроводник в направлении, перпендикулярном его плоскостям. ^[413] Большая часть его химического состава неметаллическая; ^[421] он имеет относительно высокую энергию ионизации ^[422] и, по сравнению с большинством металлов, относительно высокую электроотрицательность. ^[423] Углерод может образовывать анионы, такие как C ^4- ( метанид ), C^2-
₂( ацетилид ) и C^3-
₄( сесквикарбид или аллиленид ), в соединениях с металлами основных групп 1–3, а также с лантаноидами и актинидами . ^[424] Его оксид CO 2 образует угольную кислоту H ₂ CO ₃ . ^{[425] [n 45]}

Алюминий [ править ]

Алюминий обычно классифицируется как металл. ^[428] Он блестящий, податливый и пластичный, а также обладает высокой электрической и теплопроводностью. Как и большинство металлов, он имеет плотноупакованную кристаллическую структуру ^[429] и образует катион в водном растворе. ^[430]

Обладает некоторыми необычными для металла свойствами; взятые вместе ^[431] они иногда используются в качестве основы для классификации алюминия как металлоида. ^[432] Его кристаллическая структура показывает некоторые свидетельства направленной связи . ^[433] Алюминий ковалентно связывается в большинстве соединений. ^[434] Оксид Al 2 O 3 является амфотерным ^[435] и условным стеклообразователем. ^[281] Алюминий может образовывать анионные алюминаты , ^[431] такое поведение считается неметаллическим по своему характеру. ^[69]

Классификация алюминия как металлоида вызывает споры ^[436], учитывая его многочисленные металлические свойства. Следовательно, возможно, является исключением из мнемоники, что элементы, прилегающие к разделительной линии металл-неметалл, являются металлоидами. ^{[437] [n 46]}

Стотт ^[439] называет алюминий слабым металлом. Он имеет физические свойства металла, но некоторые химические свойства неметалла. Стил ^[440] отмечает парадоксальное химическое поведение алюминия: «Он напоминает слабый металл своим амфотерным оксидом и ковалентным характером многих его соединений ... Тем не менее, это очень электроположительный металл ... [с] высоким потенциал отрицательного электрода ». Moody ^[441] говорит, что «алюминий находится на« диагональной границе »между металлами и неметаллами в химическом смысле».

Селен [ править ]

Селен показывает пограничное поведение металлоидов или неметаллов. ^{[443] [n 47]}

Его наиболее стабильная форма, серый тригональный аллотроп, иногда называют «металлическим» селеном, потому что его электрическая проводимость на несколько порядков больше, чем у красной моноклинной формы. ^[446] Металлический характер селена дополнительно подтверждается его блеском ^[447] и его кристаллической структурой, которая, как считается, включает слабые «металлические» межцепочечные связи. ^[448] Селен может превращаться в тонкие нити в расплавленном и вязком состоянии. ^[449] Это демонстрирует нежелание приобретать «высокие положительные степени окисления, характерные для неметаллов». ^[450] Он может образовывать циклические поликатионы (такие как Se²⁺
₈) при растворении в олеумах ^[451] (свойство, которое он разделяет с серой и теллуром), и гидролизованной катионной соли в виде перхлората тригидроксоселена (IV) [Se (OH) ₃ ] ⁺ · ClO^-
₄. ^[452]

Неметаллический характер селена проявляется в его хрупкости ^[447] и низкой электропроводности (от ~ 10 ^-9 до 10 ^-12  См • см ^-1 ) его высокоочищенной формы. ^[93] Это сопоставимо или меньше, чем у брома (7,95 × 10 ^–12  См • см ^-1 ), ^[453] неметалла. Селен имеет электронную зонную структуру полупроводника ^[454] и сохраняет свои полупроводниковые свойства в жидкой форме. ^[454] Он имеет относительно высокий ^[455]электроотрицательность (пересмотренная шкала Полинга 2,55). Его химический состав в основном состоит из неметаллических анионных форм Se ^2- , SeO^2-
₃ и SeO^2-
₄. ^[456]

Селен обычно описывается как металлоид в литературе по химии окружающей среды . ^[457] Он перемещается в водной среде подобно мышьяку и сурьме; ^[458] его водорастворимые соли в более высоких концентрациях имеют токсикологический профиль, аналогичный профилю мышьяка. ^[459]

Полоний [ править ]

Полоний в некотором смысле «отчетливо металлический». ^[240] Обе его аллотропные формы являются металлическими проводниками. ^[240] Он растворим в кислотах, образуя катион Po ²⁺ розового цвета и вытесняя водород: Po + 2 H ⁺ → Po ²⁺ + H ₂ . ^[460] Известно много солей полония. ^[461] Оксид PoO 2 имеет преимущественно основную природу. ^[462] Полоний является противодействующим окислителем, в отличие от его самого легкого родственного кислорода: для образования аниона Po ^2- в водном растворе требуются сильно восстановительные условия . ^[463]

Неясно, является ли полоний пластичным или хрупким. Предполагается, что он будет пластичным на основе расчетных упругих постоянных . ^[464] Он имеет простую кубическую кристаллическую структуру . Такая структура имеет несколько систем скольжения и «приводит к очень низкой пластичности и, следовательно, к низкому сопротивлению разрушению». ^[465]

Полоний проявляет неметаллический характер в своих галогенидах и из-за наличия полонидов . Галогениды обладают свойствами, обычно характерными для галогенидов неметаллов (летучие, легко гидролизуемые и растворимые в органических растворителях ). ^{[466] Также известны} многие полониды металлов, полученные нагреванием элементов вместе при 500–1000 ° C и содержащие анион Po ^2– . ^[467]

Астатин [ править ]

Как галоген , астат обычно классифицируется как неметалл. ^[468] Он обладает некоторыми заметными металлическими свойствами ^[469] и иногда вместо этого классифицируется как металлоид ^[470] или (реже) как металл. ^{[n 48]} Сразу после его производства в 1940 году ранние исследователи сочли его металлом. ^[472] В 1949 году он был назван самым благородным (трудно восстанавливаемым ) неметаллом, а также относительно благородным (трудно окисляемым) металлом. ^[473] В 1950 году астатин был описан как галоген и (следовательно) реактивный неметалл. ^[474] В 2013 г. на основе релятивистскойПри моделировании астатин был предсказан как одноатомный металл с гранецентрированной кубической кристаллической структурой . ^[475]

Несколько авторов прокомментировали металлическую природу некоторых свойств астата. Поскольку йод является полупроводником в направлении своих плоскостей, и поскольку галогены становятся более металлическими с увеличением атомного номера, предполагалось, что астатин был бы металлом, если бы мог образовывать конденсированную фазу. ^{[476] [n 49]} Астатин может быть металлическим в жидком состоянии на основании того, что элементы с энтальпией испарения (∆H _vap ) более ~ 42 кДж / моль являются металлическими в жидком состоянии. ^[478] К таким элементам относятся бор, ^{[n 50]} кремний, германий, сурьма, селен и теллур. Расчетные значения ; H _VAP из двухатомныхастатин 50 кДж / моль или выше; ^[482] двухатомный йод с ∆H _{vap, равным} 41,71, ^[483] не дотягивает до порогового значения.

«Подобно обычным металлам, он [астат] осаждается сероводородом даже из сильнокислых растворов и вытесняется в свободной форме из сульфатных растворов; он осаждается на катоде при электролизе ». ^{[484] [n 51]} Дальнейшими указаниями на склонность астата к поведению (тяжелого) металла являются: «... образование псевдогалогенидных соединений ... комплексов катионов астата ... комплексных анионов трехвалентного астатина .. ... а также комплексы с различными органическими растворителями ». ^[486] Также утверждалось, что астатин демонстрирует катионное поведение посредством стабильных At ⁺ и AtO ⁺формы, в сильнокислых водных растворах. ^[487]

Некоторые из отмеченных свойств астата неметаллические. Было экстраполировано, чтобы иметь узкий диапазон жидкостей, обычно связанный с неметаллами (т.пл. 302 ° C; т.кип. 337 ° C), ^[488] хотя экспериментальные данные предполагают более низкую температуру кипения около 230 ± 3 ° C. Бацанов приводит расчетную ширину запрещенной зоны астата 0,7 эВ; ^[489] это согласуется с тем, что неметаллы (в физике) имеют разделенные валентную зону и зону проводимости и, таким образом, являются либо полупроводниками, либо изоляторами. ^[490] Химия астата в водном растворе в основном характеризуется образованием различных анионных частиц. ^[491] Большинство его известных соединений напоминают йод, ^[492]который является галогеном и неметаллом. ^[493] Такие соединения включают астатиды (XAt), астататы (XAtO ₃ ) и одновалентные межгалогенные соединения . ^[494]

Рестрепо и др. ^[495] сообщили, что астат больше похож на полоний, чем на галоген. Они сделали это на основе подробных сравнительных исследований известных и интерполированных свойств 72 элементов.

Понятия, связанные с данным [ править ]

Около металлоидов [ править ]

В периодической таблице некоторые из элементов, смежных с общепризнанными металлоидами, хотя обычно классифицируются как металлы или неметаллы, иногда называются почти металлоидами ^[499] или отмечаются их металлоидным характером. Слева от разделительной линии металл – неметалл к таким элементам относятся галлий, ^[500] олово ^[501] и висмут. ^[502] Они показывают необычные структуры упаковки, ^[503] заметную ковалентную химию (молекулярную или полимерную) ^[504] и амфотерию. ^[505] Справа от разделительной линии расположены углерод, ^[506] фосфор, ^[507] селен ^[508] и йод.^[509] Они проявляют металлический блеск, полупроводниковые свойства ^{[n 53]} и связывающие или валентные зоны с делокализованным характером. Это относится к их наиболее термодинамически стабильным формам в условиях окружающей среды: углерод в виде графита; фосфор как черный фосфор; ^{[n 54]} и селен в виде серого селена.

Аллотропы [ править ]

Различные кристаллические формы элемента называются аллотропами . Некоторые аллотропы, особенно элементы, расположенные (в терминах периодической таблицы) рядом или рядом с условной разделительной линией между металлами и неметаллами, демонстрируют более выраженное металлическое, металлоидное или неметаллическое поведение, чем другие. ^[515] Существование таких аллотропов может усложнить классификацию вовлеченных элементов. ^[516]

Олово, например, имеет два аллотропа: тетрагональное «белое» β-олово и кубическое «серое» α-олово. Белое олово - очень блестящий, пластичный и ковкий металл. Это стабильная форма при комнатной температуре или выше и имеет электропроводность 9,17 × 10 ⁴  См · см ^-1 (~ 1/6 от меди). ^[517] Серое олово обычно имеет вид серого микрокристаллического порошка, а также может быть получено в хрупких полублестящих кристаллических или поликристаллических формах. Это стабильная форма при температуре ниже 13,2 ° C и имеет электрическую проводимость между (2–5) × 10 ²  См · см ^-1 (~ 1/250 от белого олова). ^[518]Серое олово имеет такую ​​же кристаллическую структуру, что и алмаз. Он ведет себя как полупроводник (как если бы он имел ширину запрещенной зоны 0,08 эВ), но имеет электронную зонную структуру полуметалла. ^[519] Его называют либо очень плохим металлом, ^[520] металлоидом, ^[521] неметаллом ^[522] или почти металлоидом. ^[502]

Алмазный аллотроп углерода явно неметаллический, полупрозрачный и имеет низкую электропроводность от 10 ^-14 до 10 ^-16  См · см ^-1 . ^[523] Графит имеет электропроводность 3 × 10 ⁴  См · см ^-1 , ^[524] показатель, более характерный для металла. Фосфор, сера, мышьяк, селен, сурьма и висмут также имеют менее стабильные аллотропы, которые демонстрируют различное поведение. ^[525]

Изобилие, добыча и стоимость [ править ]

Изобилие [ править ]

В таблице приведены содержания элементов в земной коре, которые обычно редко распознаются как металлоиды. ^[526] Некоторые другие элементы включены для сравнения: кислород и ксенон (наиболее и наименее распространенные элементы со стабильными изотопами); железо и чеканные металлы медь, серебро и золото; и рений, наименее распространенный стабильный металл (обычно наиболее распространенным металлом является алюминий). Были опубликованы различные оценки численности; они часто в некоторой степени расходятся во мнениях. ^[527]

Извлечение [ править ]

Признанные металлоиды могут быть получены химическим восстановлением их оксидов или сульфидов . В зависимости от исходной формы и экономических факторов могут использоваться более простые или более сложные методы экстракции. ^[528] Бор обычно получают восстановлением триоксида магнием: B ₂ O ₃ + 3 Mg → 2 B + 3MgO; после вторичной обработки полученный коричневый порошок имеет чистоту до 97%. ^[529] Бор более высокой чистоты (> 99%) получают нагреванием летучих соединений бора, таких как BCl ₃ или BBr ₃ , либо в атмосфере водорода (2 BX ₃ + 3 H ₂ → 2 B + 6 HX), либо до точкатермическое разложение . Кремний и германий получают из их оксидов путем нагревания оксида углеродом или водородом: SiO ₂ + C → Si + CO ₂ ; GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O. Мышьяк выделяется из пирита (FeAsS) или мышьякового пирита (FeAs ₂ ) путем нагревания; в качестве альтернативы его можно получить из его оксида восстановлением углеродом: 2 As ₂ O ₃ + 3 C → 2 As + 3 CO ₂ . ^[530] Сурьма получается из ее сульфида восстановлением железом: Sb ₂ S ₃→ 2 Sb + 3 FeS. Теллур получают из его оксида, растворяя его в водном растворе NaOH с получением теллурита, а затем электролитическим восстановлением : TeO ₂ + 2 NaOH → Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O; ^[531] Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O → Te + 2 NaOH + O ₂ . ^[532] Другой вариант - восстановление оксида обжигом с углеродом: TeO ₂ + C → Te + CO ₂ . ^[533]

Способы производства элементов, реже относящихся к металлоидам, включают естественную обработку, электролитическое или химическое восстановление или облучение. Углерод (как графит) встречается в природе и извлекается путем дробления материнской породы и всплытия более легкого графита на поверхность. Алюминий извлекается путем растворения его оксида Al ₂ O ₃ в расплавленном криолите Na ₃ AlF _6, а затем путем высокотемпературного электролитического восстановления. Селен получают путем обжига селенидов монетного металла X ₂ Se (X = Cu, Ag, Au) с кальцинированной содой с получением селенита: X ₂ Se + O ₂ + Na ₂ CO _3.→ Na ₂ SeO ₃ + 2 X + CO ₂ ; селенид нейтрализуется серной кислотой H ₂ SO ₄ с получением селеновой кислоты H ₂ SeO ₃ ; это уменьшается барботированием SO 2 с образованием элементарного селена. Полоний и астатин производятся в ничтожных количествах при облучении висмута. ^[534]

Стоимость [ править ]

Признанные металлоиды и их ближайшие соседи в большинстве своем стоят меньше серебра; только полоний и астатин дороже золота из-за их значительной радиоактивности. По состоянию на 5 апреля 2014 года цены на небольшие образцы (до 100 г) кремния, сурьмы и теллура, а также графита, алюминия и селена в среднем составляют около одной трети стоимости серебра (1,5 доллара США за грамм или около 45 долларов США за унцию). Образцы бора, германия и мышьяка в среднем примерно в три с половиной раза дороже серебра. ^{[n 55]} Полоний доступен по цене около 100 долларов за микрограмм . ^[535] Залуцкий и Прушинский ^[536]оцените аналогичную стоимость производства астата. Цены на соответствующие элементы, продаваемые как товары, обычно в диапазоне от двух до трех раз дешевле, чем цена образца (Ge), до почти в три тысячи раз дешевле (As). ^{[n 56]}

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Bibliography[edit]

Further reading[edit]

• Brady JE, Humiston GE & Heikkinen H 1980, 'Chemistry of the Representative Elements: Part II, The Metalloids and Nonmetals', in General Chemistry: Principles and Structure, 2nd ed., SI version, John Wiley & Sons, New York, pp. 537–591, ISBN 0-471-06315-0
• Chedd G 1969, Half-way Elements: The Technology of Metalloids, Doubleday, New York
• Choppin GR & Johnsen RH 1972, 'Group IV and the Metalloids,' in Introductory Chemistry, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, pp. 341–357
• Dunstan S 1968, 'The Metalloids', in Principles of Chemistry, D. Van Nostrand Company, London, pp. 407–39
• Goldsmith RH 1982, 'Metalloids', Journal of Chemical Education, vol. 59, no. 6, pp. 526–527, doi:10.1021/ed059p526
• Hawkes SJ 2001, 'Semimetallicity', Journal of Chemical Education, vol. 78, no. 12, pp. 1686–7, doi:10.1021/ed078p1686
• Metcalfe HC, Williams JE & Castka JF 1974, 'Aluminum and the Metalloids', in Modern Chemistry, Holt, Rinehart and Winston, New York, pp. 538–57, ISBN 0-03-089450-6
• Miller JS 2019, 'Viewpoint: Metalloids—An Electronic Band Structure Perspective', Chemistry–A European Perspective, preprint version, doi:10.1002/chem.201903167
• Moeller T, Bailar JC, Kleinberg J, Guss CO, Castellion ME & Metz C 1989, 'Carbon and the Semiconducting Elements', in Chemistry, with Inorganic Qualitative Analysis, 3rd ed., Harcourt Brace Jovanovich, San Diego, pp. 742–75, ISBN 0-15-506492-4
• Parveen N et al. 2020, 'Metalloids in plants: A systematic discussion beyond description', Annals of Applied Biology, doi:10.1111/aab.12666of
• Rieske M 1998, 'Metalloids', in Encyclopedia of Earth and Physical Sciences, Marshall Cavendish, New York, vol. 6, pp. 758–9, ISBN 0-7614-0551-8 (set)
• Rochow EG 1966, The Metalloids, DC Heath and Company, Boston
• Vernon RE 2013, 'Which Elements are Metalloids?', Journal of Chemical Education, vol. 90, no. 12, pp. 1703–7, doi:10.1021/ed3008457
• —— 2020, 'Organising the Metals and Nonmetals', Foundations of chemistry, (open access)