Metalloid - Metalloid

Ein Metalloid ist eine Art chemisches Element, das ein Übergewicht an Eigenschaften aufweist, die zwischen denen von Metallen und Nichtmetallen liegen oder eine Mischung daraus sind . Es gibt keine Standarddefinition eines Halbmetalls und keine vollständige Übereinstimmung darüber, welche Elemente Halbmetalle sind. Trotz fehlender Spezifität wird der Begriff in der Literatur der Chemie weiterhin verwendet .

Die sechs allgemein anerkannten Metalloide sind Bor , Silizium , Germanium , Arsen , Antimon und Tellur . Fünf Elemente werden weniger häufig so klassifiziert: Kohlenstoff , Aluminium , Selen , Polonium und Astat . Auf einem Standard-Periodensystem befinden sich alle elf Elemente in einem diagonalen Bereich des p-Blocks, der sich von Bor oben links bis Astat unten rechts erstreckt. Einige Periodensysteme enthalten eine Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen , und die Halbmetalle können in der Nähe dieser Linie gefunden werden.

Typische Halbmetalle haben ein metallisches Aussehen, sind aber spröde und nur gute Stromleiter . Chemisch verhalten sie sich meist wie Nichtmetalle. Sie können mit Metallen Legierungen bilden. Die meisten ihrer anderen physikalischen Eigenschaften und chemischen Eigenschaften sind mittlerer Natur. Metalloide sind normalerweise zu spröde, um irgendwelche strukturellen Anwendungen zu haben. Sie und ihre Verbindungen werden in Legierungen, biologischen Mitteln, Katalysatoren , Flammschutzmitteln , Gläsern , optischen Speichern und Optoelektronik , Pyrotechnik , Halbleitern und Elektronik verwendet.

Die elektrischen Eigenschaften von Silizium und Germanium ermöglichten in den 1950er Jahren die Etablierung der Halbleiterindustrie und ab den frühen 1960er Jahren die Entwicklung der Festkörperelektronik .

Der Begriff Metalloid bezog sich ursprünglich auf Nichtmetalle. Seine neuere Bedeutung als Kategorie von Elementen mit intermediären oder hybriden Eigenschaften wurde 1940–1960 weit verbreitet. Metalloide werden manchmal Halbmetalle genannt, eine Praxis, von der abgeraten wurde, da der Begriff Halbmetall in der Physik eine andere Bedeutung hat als in der Chemie. In der Physik bezieht es sich auf eine bestimmte Art von elektronischer Bandstruktur einer Substanz. In diesem Zusammenhang sind nur Arsen und Antimon Halbmetalle und allgemein als Halbmetalle bekannt.

Definitionen

Urteilsbasiert

Ein Metalloid ist ein Element, das ein Übergewicht an Eigenschaften zwischen Metallen und Nichtmetallen besitzt oder die eine Mischung aus denen von Metallen und Nichtmetallen sind und die daher schwer als Metall oder Nichtmetall zu klassifizieren sind. Dies ist eine generische Definition, die sich auf metalloide Eigenschaften stützt, die durchweg in der Literatur zitiert werden. Die Schwierigkeit der Kategorisierung ist ein Schlüsselmerkmal. Die meisten Elemente haben eine Mischung aus metallischen und nichtmetallischen Eigenschaften und können danach klassifiziert werden, welcher Eigenschaftssatz ausgeprägter ist. Nur die Elemente an oder nahe den Rändern, denen ein ausreichend klares Überwiegen von entweder metallischen oder nichtmetallischen Eigenschaften fehlt, werden als Halbmetalle klassifiziert.

Bor, Silizium, Germanium, Arsen, Antimon und Tellur werden allgemein als Halbmetalle erkannt. Je nach Autor werden manchmal ein oder mehrere aus Selen , Polonium oder Astat in die Liste aufgenommen. Bor wird manchmal allein oder mit Silizium ausgeschlossen. Manchmal wird Tellur nicht als Metalloid angesehen. Die Aufnahme von Antimon , Polonium und Astat als Halbmetalle wurde in Frage gestellt.

Andere Elemente werden gelegentlich als Halbmetalle klassifiziert. Diese Elemente umfassen Wasserstoff, Beryllium , Stickstoff , Phosphor , Schwefel , Zink , Gallium , Zinn , Jod , Blei , Wismut und Radon. Der Begriff Metalloid wurde auch für Elemente verwendet, die metallischen Glanz und elektrische Leitfähigkeit aufweisen und amphoter sind , wie beispielsweise Arsen, Antimon, Vanadium , Chrom , Molybdän , Wolfram , Zinn, Blei und Aluminium. Auch die p-Block-Metalle und Nichtmetalle (wie Kohlenstoff oder Stickstoff), die mit Metallen Legierungen bilden oder deren Eigenschaften verändern können, wurden gelegentlich als Halbmetalle betrachtet.

Kriterienbasiert

Es existiert weder eine allgemein akzeptierte Definition eines Halbmetalls noch eine Unterteilung des Periodensystems in Metalle, Halbmetalle und Nichtmetalle; Hawkes stellte die Durchführbarkeit einer bestimmten Definition in Frage und stellte fest, dass in mehreren versuchten Konstrukten Anomalien gefunden werden können. Die Klassifizierung eines Elements als Halbmetall wurde von Sharp als "willkürlich" beschrieben.

Die Anzahl und Identitäten von Metalloiden hängen davon ab, welche Klassifizierungskriterien verwendet werden. Emsley erkannte vier Metalloide (Germanium, Arsen, Antimon und Tellur); Jameset al. zwölf aufgeführt (Emsley plus Bor, Kohlenstoff, Silizium, Selen, Wismut, Polonium, Moscovium und Lebermorium ). Im Durchschnitt sind sieben Elemente in solchen Listen enthalten ; individuelle Klassifikationsvereinbarungen haben in der Regel eine gemeinsame Basis und unterscheiden sich in den nicht genau definierten Spielräumen.

Üblicherweise wird ein einziges quantitatives Kriterium wie die Elektronegativität verwendet, wobei Metalloide Elektronegativitätswerte von 1,8 oder 1,9 bis 2,2 aufweisen. Weitere Beispiele sind die Packungseffizienz (der von Atomen besetzte Volumenanteil in einer Kristallstruktur ) und das Goldhammer-Herzfeld-Kriteriumsverhältnis. Die allgemein anerkannten Halbmetalle haben Packungswirkungsgrade zwischen 34 % und 41 %. Das Goldhammer-Herzfeld-Verhältnis, ungefähr gleich der Kubik des Atomradius dividiert durch das Molvolumen , ist ein einfaches Maß dafür, wie metallisch ein Element ist, wobei die anerkannten Halbmetalle Verhältnisse von etwa 0,85 bis 1,1 und durchschnittlich 1,0 aufweisen. Andere Autoren haben sich beispielsweise auf die atomare Leitfähigkeit oder die Volumenkoordinationszahl verlassen .

Jones, der über die Rolle der Klassifikation in der Wissenschaft schrieb, stellte fest, dass „[Klassen] normalerweise durch mehr als zwei Attribute definiert werden“. Masterton und Slowinski verwendeten drei Kriterien, um die sechs allgemein als Metalloide anerkannten Elemente zu beschreiben: Metalloide haben Ionisierungsenergien um 200 kcal/mol (837 kJ/mol) und Elektronegativitätswerte nahe 2,0. Sie sagten auch, dass Metalloide typischerweise Halbleiter sind, obwohl Antimon und Arsen (Halbmetalle aus physikalischer Sicht) elektrische Leitfähigkeiten haben, die denen von Metallen nahe kommen. Selen und Polonium werden vermutet, dass sie nicht in diesem Schema enthalten sind, während der Status von Astat ungewiss ist.

In diesem Zusammenhang schlug Vernon vor, dass ein Metalloid ein chemisches Element ist, das in seinem Standardzustand (a) die elektronische Bandstruktur eines Halbleiters oder eines Halbmetalls aufweist; und (b) ein intermediäres erstes Ionisationspotential "(sagen wir 750-1.000 kJ/mol)"; und (c) eine mittlere Elektronegativität (1.9–2.2).

Gebiet des Periodensystems

Standort

Metalloide liegen auf beiden Seiten der Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen . Dies kann in verschiedenen Konfigurationen in einigen Periodensystemen gefunden werden . Elemente links unten von der Linie zeigen generell zunehmendes metallisches Verhalten; Elemente oben rechts zeigen zunehmendes nichtmetallisches Verhalten. Als regelmäßige Treppe dargestellt, liegen Elemente mit der höchsten kritischen Temperatur für ihre Gruppen (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) knapp unterhalb der Linie.

Die diagonale Anordnung der Halbmetalle stellt eine Ausnahme von der Beobachtung dar, dass Elemente mit ähnlichen Eigenschaften eher in vertikalen Gruppen vorkommen . Ein ähnlicher Effekt kann in anderen diagonalen Ähnlichkeiten zwischen einigen Elementen und ihren unteren rechten Nachbarn gesehen werden, insbesondere Lithium-Magnesium, Beryllium-Aluminium und Bor-Silizium. Rayner-Canham hat argumentiert, dass sich diese Ähnlichkeiten auf Kohlenstoff-Phosphor, Stickstoff-Schwefel und in drei d-Block- Reihen erstrecken.

Diese Ausnahme ergibt sich aufgrund konkurrierender horizontaler und vertikaler Trends bei der Kernladung . Entlang einer Periode nimmt die Kernladung mit der Ordnungszahl zu, ebenso wie die Zahl der Elektronen. Die zusätzliche Anziehungskraft auf äußere Elektronen, wenn die Kernladung zunimmt, überwiegt im Allgemeinen den Abschirmeffekt, mehr Elektronen zu haben. Bei einigen Unregelmäßigkeiten werden die Atome daher kleiner, die Ionisationsenergie nimmt zu und es kommt zu einer allmählichen Charakteränderung über einen Zeitraum von stark metallischen zu schwach metallischen, zu schwach nichtmetallischen zu stark nichtmetallischen Elementen. In einer Hauptgruppe wird die Wirkung der zunehmenden Kernladung im Allgemeinen durch die Wirkung zusätzlicher Elektronen aufgewogen, die weiter vom Kern entfernt sind. Atome werden im Allgemeinen größer, die Ionisierungsenergie sinkt und der metallische Charakter nimmt zu. Der Nettoeffekt besteht darin, dass sich die Lage der Metall-Nichtmetall-Übergangszone beim Herunterfahren einer Gruppe nach rechts verschiebt und analoge diagonale Ähnlichkeiten an anderer Stelle im Periodensystem wie erwähnt zu sehen sind.

Alternative Behandlungen

Elemente, die an die Metall-Nichtmetall-Trennlinie grenzen, werden nicht immer als Halbmetalle klassifiziert, eine binäre Klassifizierung kann die Aufstellung von Regeln zur Bestimmung der Bindungstypen zwischen Metallen und Nichtmetallen erleichtern. In solchen Fällen konzentrieren sich die betroffenen Autoren bei ihren Klassifikationsentscheidungen auf ein oder mehrere interessierende Attribute, anstatt sich über die Randbeschaffenheit der fraglichen Elemente zu sorgen. Ihre Überlegungen können explizit sein oder nicht und können manchmal willkürlich erscheinen. Metalloide können mit Metallen gruppiert werden; oder als Nichtmetalle angesehen werden; oder als Unterkategorie von Nichtmetallen behandelt. Andere Autoren haben vorgeschlagen, einige Elemente als Metalloide zu klassifizieren, „was betont, dass sich die Eigenschaften allmählich und nicht abrupt ändern, wenn man sich über oder nach dem Periodensystem bewegt“. Einige Periodensysteme unterscheiden Elemente, die Halbmetalle sind und keine formale Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen aufweisen. Metalloide werden stattdessen als in einem diagonalen Band oder einem diffusen Bereich auftretend gezeigt. Die Hauptüberlegung besteht darin, den Kontext für die verwendete Taxonomie zu erklären.

Eigenschaften

Metalloide sehen normalerweise aus wie Metalle, verhalten sich aber weitgehend wie Nichtmetalle. Physikalisch sind sie glänzende, spröde Festkörper mit mittlerer bis relativ guter elektrischer Leitfähigkeit und der elektronischen Bandstruktur eines Halbmetalls oder Halbleiters. Chemisch verhalten sie sich meist wie (schwache) Nichtmetalle, haben mittlere Ionisationsenergien und Elektronegativitätswerte sowie amphotere oder schwach saure Oxide . Sie können mit Metallen Legierungen bilden. Die meisten ihrer anderen physikalischen und chemischen Eigenschaften sind intermediärer Natur .

Im Vergleich zu Metallen und Nichtmetallen

Charakteristische Eigenschaften von Metallen, Halbmetallen und Nichtmetallen sind in der Tabelle zusammengefasst. Physikalische Eigenschaften sind in der Reihenfolge der einfachen Bestimmung aufgelistet; chemische Eigenschaften reichen von allgemein zu spezifisch und dann zu beschreibend.

Die obige Tabelle spiegelt die Hybridnatur von Halbmetallen wider. Die Eigenschaften von Form, Aussehen und Verhalten beim Mischen mit Metallen ähneln eher Metallen. Elastizität und allgemeines chemisches Verhalten ähneln eher Nichtmetallen. Elektrische Leitfähigkeit, Bandstruktur, Ionisierungsenergie, Elektronegativität und Oxide liegen dazwischen.

Häufige Anwendungen

Der Schwerpunkt dieses Abschnitts liegt auf den anerkannten Halbmetallen. Elemente, die weniger oft als Halbmetalle erkannt werden, werden normalerweise entweder als Metalle oder Nichtmetalle klassifiziert; einige davon sind hier zu Vergleichszwecken aufgeführt.

Metalloide sind zu spröde, um in ihrer reinen Form irgendwelche strukturellen Verwendungen zu haben. Sie und ihre Verbindungen werden als (oder in) Legierungskomponenten, biologischen Wirkstoffen (toxikologisch, ernährungsphysiologisch und medizinisch), Katalysatoren, Flammschutzmitteln, Gläsern (oxidisch und metallisch), optischen Speichermedien und Optoelektronik, Pyrotechnik, Halbleitern und Elektronik verwendet.

Legierungen

Pellets aus Kupfer-Germanium-Legierung , wahrscheinlich ~84 % Cu; 16% Ge. In Kombination mit Silber ergibt sich ein anlaufbeständiges Sterlingsilber . Ebenfalls abgebildet sind zwei Silberpellets.

Der britische Metallurg Cecil Desch schrieb früh in der Geschichte der intermetallischen Verbindungen , dass "bestimmte nichtmetallische Elemente in der Lage sind, mit Metallen Verbindungen mit deutlich metallischem Charakter zu bilden, und diese Elemente können daher in die Zusammensetzung von Legierungen eingehen". Mit den legierungsbildenden Elementen verband er insbesondere Silizium, Arsen und Tellur. Phillips und Williams schlugen vor, dass Verbindungen von Silizium, Germanium, Arsen und Antimon mit B-Metallen „wahrscheinlich am besten als Legierungen klassifiziert werden“.

Unter den leichteren Halbmetallen sind Legierungen mit Übergangsmetallen gut vertreten. Bor kann mit solchen Metallen der Zusammensetzung M _n B intermetallische Verbindungen und Legierungen bilden , wenn n > 2. Ferrobor (15% Bor) wird verwendet, um Bor in Stahl einzubringen ; Nickel-Bor-Legierungen sind Bestandteile von Schweißlegierungen und Einsatzhärtezusammensetzungen für den Maschinenbau. Legierungen von Silizium mit Eisen und mit Aluminium werden in großem Umfang von der Stahl- bzw. Automobilindustrie verwendet. Germanium bildet viele Legierungen, vor allem mit den Münzmetallen .

Die schwereren Halbmetalle setzen das Thema fort. Arsen kann mit Metallen, einschließlich Platin und Kupfer , Legierungen bilden ; es wird auch Kupfer und seinen Legierungen zugesetzt, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, und scheint den gleichen Vorteil zu verleihen, wenn es Magnesium hinzugefügt wird. Antimon ist als Legierungsbildner auch bei den Münzmetallen bekannt. Zu den Legierungen gehören Zinn (eine Zinnlegierung mit bis zu 20 % Antimon) und Typmetall (eine Bleilegierung mit bis zu 25 % Antimon). Tellur lässt sich leicht mit Eisen als Ferrotellur (50–58 % Tellur) und mit Kupfer in Form von Kupfer-Tellur (40–50 % Tellur) legieren . Ferrotellur wird als Stabilisator für Kohlenstoff im Stahlguss verwendet. Von den weniger häufig als Halbmetalle anerkannten nichtmetallischen Elementen wird Selen – in Form von Ferroselen (50–58 % Selen) – verwendet, um die Bearbeitbarkeit von Edelstählen zu verbessern .

Biologische Mittel

Arsentrioxid oder weißes Arsen , eine der giftigsten und am häufigsten vorkommenden Formen von Arsen . Die antileukämischen Eigenschaften von weißem Arsen wurden erstmals 1878 beschrieben.

Alle sechs allgemein als Metalloide anerkannten Elemente haben toxische, diätetische oder medizinische Eigenschaften. Arsen- und Antimonverbindungen sind besonders giftig; Bor, Silizium und möglicherweise Arsen sind essentielle Spurenelemente. Bor, Silizium, Arsen und Antimon haben medizinische Anwendungen, und Germanium und Tellur sollen Potenzial haben.

Bor wird in Insektiziden und Herbiziden verwendet. Es ist ein essentielles Spurenelement. Als Borsäure hat es antiseptische, antimykotische und antivirale Eigenschaften.

Silizium ist in Silatran enthalten , einem hochgiftigen Rodentizid. Langfristiges Einatmen von Quarzstaub verursacht Silikose , eine tödliche Lungenerkrankung. Silizium ist ein essentielles Spurenelement. Bei Patienten mit starken Verbrennungen kann Silikongel aufgetragen werden, um die Narbenbildung zu reduzieren.

Salze von Germanium sind potenziell schädlich für Mensch und Tier , wenn auf einer verlängerten Basis eingenommen. Es besteht Interesse an der pharmakologischen Wirkung von Germaniumverbindungen, jedoch noch kein zugelassenes Arzneimittel.

Arsen ist bekanntlich giftig und kann auch in kleinsten Mengen ein essentielles Element sein. Während Weltkrieg , verwendeten beide Seiten „Arsen-basierte Niesen und Erbrechen Mittel ... zur Kraft feindlicher Soldaten ihrer entfernen Gasmasken vor dem Brennen Senf oder Phosgen in einer Sekunde bei ihnen Salvo .“ Es wird seit der Antike als Arzneimittel verwendet, unter anderem zur Behandlung von Syphilis vor der Entwicklung von Antibiotika . Arsen ist auch ein Bestandteil von Melarsoprol , einem Arzneimittel, das zur Behandlung der menschlichen afrikanischen Trypanosomiasis oder Schlafkrankheit verwendet wird. Im Jahr 2003 wurde Arsentrioxid (unter dem Handelsnamen Trisenox ) zur Behandlung der akuten Promyelozytenleukämie , einer Krebserkrankung des Blutes und des Knochenmarks, wieder eingeführt. Arsen im Trinkwasser, das Lungen- und Blasenkrebs verursacht, wurde mit einer Verringerung der Sterblichkeitsrate bei Brustkrebs in Verbindung gebracht.

Metallisches Antimon ist relativ ungiftig, aber die meisten Antimonverbindungen sind giftig. Als antiparasitäre Medikamente werden zwei Antimonverbindungen, Natriumstibogluconat und Stibophen , verwendet .

Elementares Tellur gilt nicht als besonders giftig; zwei Gramm Natriumtellurat, wenn verabreicht, können tödlich sein. Menschen, die geringen Mengen von Tellur in der Luft ausgesetzt sind, verströmen einen fauligen und anhaltenden Knoblauchgeruch. Tellurdioxid wurde zur Behandlung von seborrhoischer Dermatitis verwendet ; andere Tellurverbindungen wurden vor der Entwicklung von Antibiotika als antimikrobielle Wirkstoffe verwendet . In Zukunft müssen möglicherweise Antibiotika, die aufgrund von Bakterienresistenz unwirksam geworden sind, durch solche Verbindungen ersetzt werden.

Von den Elementen, die weniger häufig als Halbmetalle erkannt werden, sind Beryllium und Blei für ihre Toxizität bekannt; Bleiarsenat wird häufig als Insektizid verwendet. Schwefel ist eines der ältesten Fungizide und Pestizide. Phosphor, Schwefel, Zink, Selen und Jod sind essentielle Nährstoffe, und Aluminium, Zinn und Blei können es sein. Schwefel, Gallium, Selen, Jod und Wismut haben medizinische Anwendungen. Schwefel ist ein Bestandteil von Sulfonamid-Medikamenten und wird immer noch häufig bei Erkrankungen wie Akne und Harnwegsinfektionen eingesetzt. Galliumnitrat wird verwendet, um die Nebenwirkungen von Krebs zu behandeln; Galliumcitrat, ein Radiopharmakon , erleichtert die Bildgebung entzündeter Körperbereiche. Selensulfid wird in medizinischen Shampoos und zur Behandlung von Hautinfektionen wie Tinea versicolor verwendet . Jod wird in verschiedenen Formen als Desinfektionsmittel verwendet. Wismut ist ein Bestandteil einiger antibakterieller Mittel .

Katalysatoren

Bortrifluorid und -trichlorid werden als Katalysatoren in der organischen Synthese und Elektronik verwendet; das Tribromid wird bei der Herstellung von Diboran verwendet . Nicht-toxische Borliganden könnten toxische Phosphorliganden in einigen Übergangsmetallkatalysatoren ersetzen. Kieselsäure (SiO ₂ OSO ₃ H) wird in organischen Reaktionen verwendet. Germaniumdioxid wird manchmal als Katalysator bei der Herstellung von PET- Kunststoff für Behälter verwendet; billigere Antimonverbindungen, wie das Trioxid oder Triacetat , werden trotz Bedenken hinsichtlich einer Antimonkontamination von Nahrungsmitteln und Getränken häufiger für denselben Zweck verwendet. Arsentrioxid wird bei der Gewinnung von Erdgas verwendet , um die Entfernung von Kohlendioxid zu fördern , ebenso wie Selensäure und Tellursäure . Selen wirkt in einigen Mikroorganismen als Katalysator. Tellur, sein Dioxid und sein Tetrachlorid sind starke Katalysatoren für die Luftoxidation von Kohlenstoff über 500 °C. Graphitoxid kann als Katalysator bei der Synthese von Iminen und deren Derivaten verwendet werden. Aktivkohle und Aluminiumoxid wurden als Katalysatoren zur Entfernung von Schwefelverunreinigungen aus Erdgas verwendet. Titandotiertes Aluminium wurde als Ersatz für teure Edelmetallkatalysatoren identifiziert, die bei der Herstellung von Industriechemikalien verwendet werden.

Flammschutzmittel

Als Flammschutzmittel wurden Verbindungen von Bor, Silizium, Arsen und Antimon verwendet . Bor, in Form von Borax , wird mindestens seit dem 18. Jahrhundert als textiles Flammschutzmittel verwendet. Siliziumverbindungen wie Silikone, Silane , Silsesquioxane , Kieselsäure und Silikate , die teilweise als Alternativen zu giftigeren halogenierten Produkten entwickelt wurden, können die Flammwidrigkeit von Kunststoffen erheblich verbessern. Arsenverbindungen wie Natriumarsenit oder Natriumarsenat sind wirksame Flammschutzmittel für Holz, wurden jedoch aufgrund ihrer Toxizität weniger häufig verwendet. Antimontrioxid ist ein Flammschutzmittel. Aluminiumhydroxid wird seit den 1890er Jahren als Holzfaser-, Gummi-, Kunststoff- und Textilflammschutzmittel verwendet. Abgesehen von Aluminiumhydroxid übertrifft der Einsatz von Flammschutzmitteln auf Phosphorbasis – beispielsweise in Form von Organophosphaten – inzwischen alle anderen Hauptschutzmitteltypen. Diese verwenden Bor, Antimon oder halogenierte Kohlenwasserstoffverbindungen .

Glasbildung

Optische Fasern , meist aus reinem Siliziumdioxidglas , mit Zusätzen wie Bortrioxid oder Germaniumdioxid für erhöhte Empfindlichkeit

Die Oxide B ₂ O ₃ , SiO ₂ , GeO ₂ , As ₂ O ₃ und Sb ₂ O ₃ bilden leicht Gläser . TeO ₂ bildet ein Glas, aber dies erfordert eine "heroische Abschreckrate" oder die Zugabe einer Verunreinigung; ansonsten entsteht die kristalline Form. Diese Verbindungen werden in chemischen, häuslichen und industriellen Glaswaren und Optiken verwendet. Bortrioxid wird als Glasfaserzusatz verwendet und ist auch ein Bestandteil von Borosilikatglas , das wegen seiner geringen Wärmeausdehnung häufig für Laborglas und Haushaltsgeschirr verwendet wird. Die meisten gewöhnlichen Glaswaren werden aus Siliziumdioxid hergestellt. Germaniumdioxid wird als Glasfaseradditiv sowie in infrarotoptischen Systemen verwendet. Arsentrioxid wird in der Glasindustrie als Entfärbungs- und Schönungsmittel (zum Entfernen von Blasen) ebenso wie Antimontrioxid verwendet. Tellurdioxid findet Anwendung in der Laser- und nichtlinearen Optik .

Amorphe metallische Gläser werden im Allgemeinen am einfachsten hergestellt, wenn eine der Komponenten ein Halbmetall oder "nahes Halbmetall" wie Bor, Kohlenstoff, Silizium, Phosphor oder Germanium ist. Abgesehen von dünnen Filmen, die bei sehr niedrigen Temperaturen abgeschieden wurden, war das erste bekannte metallische Glas eine Legierung der Zusammensetzung Au ₇₅ Si _25, über die 1960 berichtet wurde. Ein metallisches Glas mit einer bisher nicht gesehenen Festigkeit und Zähigkeit der Zusammensetzung Pd _82,5 P ₆ Si _9,5 Ge ₂ , wurde 2011 gemeldet.

Phosphor, Selen und Blei, die weniger oft als Halbmetalle erkannt werden, werden auch in Gläsern verwendet. Phosphatglas hat ein Substrat aus Phosphorpentoxid (P ₂ O ₅ ) anstelle des Siliziumdioxids (SiO ₂ ) herkömmlicher Silikatgläser. Es wird beispielsweise zur Herstellung von Natriumdampflampen verwendet . Selenverbindungen können sowohl als Entfärbungsmittel als auch zur Rotfärbung von Glas verwendet werden. Dekoratives Glas aus traditionellem Bleiglas enthält mindestens 30 % Blei(II)-oxid (PbO); Bleiglas, das zur Strahlenabschirmung verwendet wird, kann bis zu 65 % PbO enthalten. Bleibasierte Gläser werden auch in großem Umfang in elektronischen Bauteilen, Emaillier-, Dichtungs- und Verglasungsmaterialien sowie Solarzellen verwendet. In vielen dieser Anwendungen haben sich Oxidgläser auf Wismutbasis als weniger toxischer Ersatz für Blei herausgestellt.

Optischer Speicher und Optoelektronik

Unterschiedliche Zusammensetzungen von GeSbTe ("GST-Legierungen") und Ag- und indotiertem Sb ₂ Te ("AIST-Legierungen"), die Beispiele für Phasenwechselmaterialien sind , werden weithin in wiederbeschreibbaren optischen Platten und Phasenwechselspeichervorrichtungen verwendet. Durch Wärmezufuhr können sie zwischen amorphen (glasartigen) und kristallinen Zuständen umgeschaltet werden. Die Änderung der optischen und elektrischen Eigenschaften kann zur Informationsspeicherung genutzt werden. Zukünftige Anwendungen für GeSbTe könnten "ultraschnelle, vollständig Festkörperdisplays mit Pixeln im Nanometerbereich, halbtransparente "intelligente" Brillen, "intelligente" Kontaktlinsen und künstliche Netzhautgeräte" umfassen.

Pyrotechnik

Archaisches blaues Lichtsignal , angetrieben von einer Mischung aus Natriumnitrat , Schwefel und (rotem) Arsentrisulfid

Die anerkannten Halbmetalle haben entweder pyrotechnische Anwendungen oder damit verbundene Eigenschaften. Bor und Silizium sind häufig anzutreffen; sie wirken wie Metallbrennstoffe. Bor wird in pyrotechnischen Initiatorzusammensetzungen (zum Zünden anderer schwer zu startender Zusammensetzungen) und in Verzögerungszusammensetzungen verwendet , die mit einer konstanten Geschwindigkeit brennen. Borcarbid wurde als möglicher Ersatz für giftigere Barium- oder Hexachlorethan- Gemische in Rauchmunition, Signalfackeln und Feuerwerkskörpern identifiziert . Silizium ist wie Bor Bestandteil von Initiator- und Verzögerungsgemischen. Dotiertes Germanium kann als Thermit- Brennstoff mit variabler Geschwindigkeit wirken . Arsentrisulfid As ₂ S ₃ wurde in alten Marinesignalleuchten verwendet ; in Feuerwerkskörpern, um weiße Sterne zu machen; in gelben Nebelmischungen; und in Initiatorzusammensetzungen. Antimontrisulfid Sb ₂ S ₃ kommt in Weißlichtfeuerwerkskörpern sowie in Blitz- und Tonmischungen vor . Tellur wurde in Verzögerungsmischungen und in Sprengkapsel- Initiatorzusammensetzungen verwendet.

Kohlenstoff, Aluminium, Phosphor und Selen setzen das Thema fort. Kohlenstoff, in Schwarzpulver , ist ein Bestandteil von Feuerwerksraketentreibmitteln, Sprengladungen und Effektmischungen sowie militärischen Verzögerungszündern und Zündern. Aluminium ist ein üblicher pyrotechnischer Bestandteil und wird wegen seiner Fähigkeit, Licht und Wärme zu erzeugen, auch in Thermitmischungen, häufig verwendet. Phosphor findet sich in Rauch- und Brandmunition, Papierkappen, die in Spielzeugwaffen verwendet werden , und Partyknallern . Selen wurde wie Tellur verwendet.

Halbleiter und Elektronik

Halbleiterbasierte elektronische Komponenten. Von links nach rechts: ein Transistor , ein integrierter Schaltkreis und eine LED . Die allgemein als Metalloide anerkannten Elemente finden in solchen Vorrichtungen weit verbreitete Verwendung, als elementare oder zusammengesetzte Halbleiterbestandteile (beispielsweise Si , Ge oder GaAs ) oder als Dotierungsmittel (beispielsweise B , Sb , Te ).

Alle üblicherweise als Metalloide (oder deren Verbindungen) anerkannten Elemente wurden in der Halbleiter- oder Festkörperelektronikindustrie verwendet.

Einige Eigenschaften von Bor haben seine Verwendung als Halbleiter eingeschränkt. Es hat einen hohen Schmelzpunkt, Einkristalle sind relativ schwer zu erhalten und das Einführen und Zurückhalten kontrollierter Verunreinigungen ist schwierig.

Silizium ist der führende kommerzielle Halbleiter; es bildet die Basis moderner Elektronik (inklusive Standard-Solarzellen) sowie Informations- und Kommunikationstechnologien. Dies, obwohl das Studium der Halbleiter zu Beginn des 20. Jahrhunderts als "Physik des Schmutzes" galt und keine besondere Aufmerksamkeit verdiente.

Germanium wurde in Halbleiterbauelementen weitgehend durch Silizium ersetzt, da es billiger, bei höheren Betriebstemperaturen widerstandsfähiger und während des mikroelektronischen Herstellungsprozesses einfacher zu verarbeiten ist. Germanium ist immer noch ein Bestandteil von halbleitenden Silizium-Germanium- "Legierungen" und diese werden immer häufiger verwendet, insbesondere für drahtlose Kommunikationsgeräte; solche Legierungen nutzen die höhere Trägerbeweglichkeit von Germanium aus. Im Jahr 2013 wurde über die Synthese von Mengen von halbleitendem Germanan im Grammmaßstab berichtet. Dieses besteht aus ein Atom dicken Schichten von Wasserstoff-terminierten Germaniumatomen, analog zu Graphan . Es leitet Elektronen mehr als zehnmal schneller als Silizium und fünfmal schneller als Germanium und hat Potenzial für optoelektronische und Sensoranwendungen. 2014 wurde über die Entwicklung einer auf Germaniumdraht basierenden Anode berichtet, die die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien mehr als verdoppelt . Im selben Jahr haben Lee et al. berichteten, dass defektfreie Graphenkristalle, die groß genug für elektronische Anwendungen sind, auf einem Germaniumsubstrat gezüchtet und von diesem entfernt werden können.

Arsen und Antimon sind in ihren Standardzuständen keine Halbleiter . Beide bilden Halbleiter des Typs III-V (wie GaAs, AlSb oder GaInAsSb), in denen die durchschnittliche Anzahl von Valenzelektronen pro Atom die gleiche wie bei Elementen der Gruppe 14 ist . Diese Verbindungen werden für einige spezielle Anwendungen bevorzugt. Antimon-Nanokristalle könnten es ermöglichen, Lithium-Ionen-Batterien durch leistungsfähigere Natrium -Ionen-Batterien zu ersetzen .

Tellur, das im Normalzustand ein Halbleiter ist, wird hauptsächlich als Komponente in halbleitenden Chalkogeniden vom Typ II/VI verwendet ; diese haben Anwendungen in der Elektrooptik und Elektronik. Cadmiumtellurid (CdTe) wird in Solarmodulen wegen seiner hohen Umwandlungseffizienz, niedrigen Herstellungskosten und der großen Bandlücke von 1,44 eV verwendet, wodurch es einen weiten Wellenlängenbereich absorbieren kann. Wismuttellurid (Bi ₂ Te ₃ ), legiert mit Selen und Antimon, ist ein Bestandteil thermoelektrischer Geräte zur Kühlung oder tragbaren Stromerzeugung.

Fünf Metalloide – Bor, Silizium, Germanium, Arsen und Antimon – finden sich in Mobiltelefonen (zusammen mit mindestens 39 anderen Metallen und Nichtmetallen). Tellur wird voraussichtlich eine solche Verwendung finden. Von den weniger häufig anerkannten Halbmetallen haben Phosphor, Gallium (insbesondere) und Selen Halbleiteranwendungen. Phosphor wird in Spurenmengen als Dotierstoff für Halbleiter vom n-Typ verwendet . Die kommerzielle Nutzung von Galliumverbindungen wird von Halbleiteranwendungen dominiert – in integrierten Schaltkreisen, Mobiltelefonen, Laserdioden , Leuchtdioden , Fotodetektoren und Solarzellen . Selen wird bei der Herstellung von Solarzellen und in Hochenergie- Überspannungsschutzgeräten verwendet .

Bor, Silizium, Germanium, Antimon und Tellur sowie schwerere Metalle und Metalloide wie Sm, Hg, Tl, Pb, Bi und Se finden sich in topologischen Isolatoren . Dies sind Legierungen oder Verbindungen, die bei ultrakalten Temperaturen oder Raumtemperatur (je nach Zusammensetzung) an ihrer Oberfläche metallische Leiter, aber im Inneren Isolatoren sind. Cadmiumarsenid Cd ₃ As ₂ ist bei etwa 1 K ein Dirac-Halbmetall – ein elektronisches Volumenanalogon von Graphen – in dem sich Elektronen effektiv als masselose Teilchen fortbewegen. Es wird angenommen, dass diese beiden Materialklassen potenzielle Quantencomputeranwendungen haben .

Nomenklatur und Geschichte

Ableitung und andere Namen

Das Wort Metalloid kommt vom lateinischen metallum ("Metall") und dem griechischen oeides ("ähnlich in Form oder Aussehen"). Mehrere Namen synonym manchmal verwendet werden , obwohl einige von ihnen andere Bedeutungen haben , die nicht unbedingt austauschbar sind: amphoteren Element, Randelemente, Halbmetall, auf halben Weg Element, in der Nähe von Metall, Meta-Metall, Halbleiter, Halbmetall und submetal . "Amphoteres Element" wird manchmal allgemeiner verwendet, um Übergangsmetalle einzuschließen , die Oxyanionen bilden können , wie Chrom und Mangan . " Halbmetall " wird in der Physik verwendet, um sich auf eine Verbindung (wie Chromdioxid ) oder eine Legierung zu beziehen, die als Leiter und Isolator fungieren kann . "Meta-Metall" wird manchmal stattdessen verwendet, um sich auf bestimmte Metalle ( Be , Zn , Cd , Hg , In , T1 , β-Sn , Pb ) zu beziehen, die sich im Standard-Periodensystem direkt links von den Metalloiden befinden. Diese Metalle sind meist diamagnetisch und neigen dazu, verzerrte kristalline Strukturen, elektrische Leitfähigkeitswerte am unteren Ende derjenigen von Metallen und amphotere (schwach basische) Oxide aufzuweisen. "Halbmetall" bezieht sich manchmal lose oder explizit auf Metalle mit unvollständigem metallischen Charakter in kristalliner Struktur, elektrischer Leitfähigkeit oder elektronischer Struktur. Beispiele umfassen Gallium, Ytterbium , Wismut und Neptunium . Die Namen amphoteres Element und Halbleiter sind problematisch, da einige als Metalloide bezeichnete Elemente kein ausgeprägtes amphoteres Verhalten (z. B. Wismut) oder Halbleiter (Polonium) in ihrer stabilsten Form zeigen.

Herkunft und Verwendung

Der Ursprung und die Verwendung des Begriffs Halbmetall sind verworren. Sein Ursprung liegt in antikisierenden Versuchen, Metalle zu beschreiben und zwischen typischen und weniger typischen Formen zu unterscheiden. Es wurde erstmals im frühen 19. Die frühere Verwendung in der Mineralogie , um ein Mineral mit metallischem Aussehen zu beschreiben, kann bereits um 1800 zurückgeführt werden. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts wird es verwendet, um sich auf chemische Zwischen- oder Grenzelemente zu beziehen. Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) hat zuvor empfohlen, den Begriff Metalloid aufzugeben und stattdessen den Begriff Halbmetall zu verwenden. Die Verwendung dieses letzteren Begriffs wurde in jüngerer Zeit von Atkins et al. da es in der Physik eine andere Bedeutung hat – eine, die sich genauer auf die elektronische Bandstruktur einer Substanz bezieht und nicht auf die Gesamtklassifizierung eines Elements. Die neuesten IUPAC-Publikationen zur Nomenklatur und Terminologie enthalten keine Empfehlungen zur Verwendung der Begriffe Halbmetall oder Halbmetall.

Elemente, die allgemein als Halbmetalle erkannt werden

Die in diesem Abschnitt aufgeführten Eigenschaften beziehen sich auf die Elemente in ihrer thermodynamisch stabilsten Form unter Umgebungsbedingungen.

Bor

Bor, hier in Form seiner β- rhomboedrischen Phase (seinem thermodynamisch stabilsten Allotrop )

Reines Bor ist ein glänzender, silbergrauer kristalliner Feststoff. Es ist weniger dicht als Aluminium (2,34 gegenüber 2,70 g/cm ³ ) und ist hart und spröde. Es ist unter normalen Bedingungen kaum reaktiv, außer beim Angriff durch Fluor , und hat einen Schmelzpunkt von 2076 °C (vgl. Stahl ~1370 °C). Bor ist ein Halbleiter; seine elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur beträgt 1,5 × 10 ^-6 S •cm ^-1 (etwa 200 mal weniger als die von Leitungswasser) und es hat eine Bandlücke von etwa 1,56 eV. Mendelejew kommentierte, dass "Bor in einem freien Zustand in verschiedenen Formen vorkommt, die zwischen den Metallen und den Nichtmetallen liegen."

Die Strukturchemie des Bors wird durch seine kleine Atomgröße und die relativ hohe Ionisierungsenergie dominiert. Mit nur drei Valenzelektronen pro Boratom kann eine einfache kovalente Bindung die Oktettregel nicht erfüllen. Metallische Bindungen sind das übliche Ergebnis bei den schwereren Verwandten des Bors, dies erfordert jedoch im Allgemeinen niedrige Ionisierungsenergien. Stattdessen ist die grundlegende Struktureinheit des Bors (und fast aller seiner Allotrope) wegen seiner geringen Größe und hohen Ionisierungsenergien der ikosaedrische B ₁₂ -Cluster. Von den 36 Elektronen, die mit 12 Boratomen assoziiert sind, befinden sich 26 in 13 delokalisierten Molekülorbitalen; die anderen 10 Elektronen werden verwendet, um kovalente Zwei- und Drei-Zentren-Bindungen zwischen Ikosaedern zu bilden. Das gleiche Motiv findet sich, ebenso wie deltaedrische Varianten oder Fragmente, in Metallboriden und Hydridderivaten sowie in einigen Halogeniden.

Die Bindung in Bor wurde als charakteristisch für das Verhalten zwischen Metallen und nichtmetallischen kovalenten Netzwerkfestkörpern (wie Diamant ) beschrieben. Die Energie, die erforderlich ist, um B, C, N, Si und P vom nichtmetallischen in den metallischen Zustand zu überführen, wurde auf 30, 100, 240, 33 bzw. 50 kJ/mol geschätzt. Dies zeigt die Nähe von Bor an der Metall-Nichtmetall-Grenzlinie an.

Der Großteil der Chemie von Bor ist nichtmetallischer Natur. Im Gegensatz zu seinen schwereren Verwandten ist nicht bekannt, dass es ein einfaches B ³⁺ oder hydratisiertes [B(H ₂ O) ₄ ] ³⁺ -Kation bildet. Die geringe Größe des Boratoms ermöglicht die Herstellung vieler Boride vom interstitiellen Legierungstyp. Analogien zwischen Bor und Übergangsmetallen wurden bei der Bildung von Komplexen und Addukten (z. B. BH ₃ + CO →BH ₃ CO und ähnlich Fe(CO) ₄ + CO →Fe(CO) ₅ ) festgestellt B. in den geometrischen und elektronischen Strukturen von Clusterspezies wie [B ₆ H ₆ ] ²⁻ und [Ru ₆ (CO) ₁₈ ] ²⁻ . Die wässrige Chemie des Bors ist durch die Bildung vieler verschiedener Polyboratanionen gekennzeichnet . Aufgrund seines hohen Ladungs-Größen-Verhältnisses bindet Bor in fast allen seinen Verbindungen kovalent; Ausnahmen bilden die Boride, da diese je nach Zusammensetzung kovalente, ionische und metallische Bindungskomponenten enthalten. Einfache binäre Verbindungen wie Bortrichlorid sind Lewis-Säuren, da die Bildung von drei kovalenten Bindungen ein Loch im Oktett hinterlässt , das durch ein von einer Lewis-Base gespendetes Elektronenpaar gefüllt werden kann . Bor hat eine starke Affinität zu Sauerstoff und eine entsprechend umfangreiche Boratchemie . Das Oxid B ₂ O ₃ hat eine polymere Struktur, ist schwach sauer und ein Glasbildner. Organometallische Verbindungen des Bors sind seit dem 19. Jahrhundert bekannt (siehe Organoborchemie ).

Silizium

Silizium hat einen blaugrauen metallischen Glanz .

Silizium ist ein kristalliner Feststoff mit einem blaugrauen metallischen Glanz. Wie Bor hat es eine geringere Dichte (2,33 g/cm ³ ) als Aluminium und ist hart und spröde. Es ist ein relativ unreaktives Element. Laut Rochow ist die massive kristalline Form (insbesondere in reiner Form) „bemerkenswert inert gegenüber allen Säuren, einschließlich Flusssäure “. Weniger reines Silizium und die pulverförmige Form sind unterschiedlich anfällig für Angriffe durch starke oder erhitzte Säuren sowie durch Dampf und Fluor. Silizium löst sich in heißen wässrigen Alkalien unter Wasserstoffentwicklung , ebenso Metalle wie Beryllium, Aluminium, Zink, Gallium oder Indium. Es schmilzt bei 1414 °C. Silizium ist ein Halbleiter mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 10 ^–4  S•cm ^–1 und einer Bandlücke von ca. 1,11 eV. Wenn es schmilzt, wird Silizium zu einem vernünftigen Metall mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 1,0–1,3 × 10 ⁴  S•cm ⁻¹ , ähnlich der von flüssigem Quecksilber.

Die Chemie von Silizium ist im Allgemeinen nichtmetallischer (kovalenter) Natur. Es ist nicht bekannt, ein Kation zu bilden. Silizium kann mit Metallen wie Eisen und Kupfer Legierungen bilden. Es zeigt weniger Tendenzen zu anionischem Verhalten als gewöhnliche Nichtmetalle. Seine Lösungschemie ist durch die Bildung von Oxyanionen gekennzeichnet. Die hohe Festigkeit der Silizium-Sauerstoff-Bindung dominiert das chemische Verhalten von Silizium. Polymere Silikate, die aus tetraedrischen SiO ₄ -Einheiten aufgebaut sind, die ihre Sauerstoffatome teilen, sind die häufigsten und wichtigsten Verbindungen des Siliziums. Die polymeren Borate, bestehend aus verknüpften trigonalen und tetraedrischen BO ₃ oder BO ₄ -Einheiten, sind auf ähnlichen Strukturprinzipien aufgebaut. Das Oxid SiO ₂ hat eine polymere Struktur, ist schwach sauer und ein Glasbildner. Die traditionelle metallorganische Chemie umfasst die Kohlenstoffverbindungen des Siliziums (siehe Organosilizium ).

Germanium

Germanium wird manchmal als Metall beschrieben

Germanium ist ein glänzend grauweißer Feststoff. Es hat eine Dichte von 5,323 g/cm ³ und ist hart und spröde. Es ist bei Raumtemperatur meist unreaktiv, wird aber langsam von heißer konzentrierter Schwefel- oder Salpetersäure angegriffen . Germanium reagiert auch mit geschmolzenem Ätznatron , um Natriumgermanat Na ₂ GeO ₃ und Wasserstoffgas zu ergeben. Es schmilzt bei 938 °C. Germanium ist ein Halbleiter mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 2 × 10 ⁻²  S•cm ⁻¹ und einer Bandlücke von 0,67 eV. Flüssiges Germanium ist ein metallischer Leiter mit einer elektrischen Leitfähigkeit ähnlich der von flüssigem Quecksilber.

Der größte Teil der Chemie von Germanium ist charakteristisch für ein Nichtmetall. Ob Germanium ein Kation bildet oder nicht, ist unklar, abgesehen von der berichteten Existenz des Ge ²⁺ -Ions in einigen esoterischen Verbindungen. Es kann Legierungen mit Metallen wie Aluminium und Gold bilden . Es zeigt weniger Tendenzen zu anionischem Verhalten als gewöhnliche Nichtmetalle. Seine Lösungschemie ist durch die Bildung von Oxyanionen gekennzeichnet. Germanium bildet im Allgemeinen vierwertige (IV) Verbindungen und kann auch weniger stabile zweiwertige (II) Verbindungen bilden, in denen es sich eher wie ein Metall verhält. Germanium-Analoga aller Haupttypen von Silikaten wurden hergestellt. Der metallische Charakter von Germanium wird auch durch die Bildung verschiedener Oxosäuresalze nahegelegt . Ein Phosphat [(HPO ₄ ) ₂ Ge·H ₂ O] und das hochstabile Trifluoracetat Ge(OCOCF ₃ ) ₄ wurden ebenso beschrieben wie Ge ₂ (SO ₄ ) ₂ , Ge(ClO ₄ ) ₄ und GeH ₂ (C ₂ O ₄ ) ₃ . Das Oxid GeO ₂ ist polymer , amphoter und ein Glasbildner. Das Dioxid ist in sauren Lösungen löslich (das Monoxid GeO ist noch stärker), und dies wird manchmal verwendet, um Germanium als Metall zu klassifizieren. Bis in die 1930er Jahre galt Germanium als schlecht leitendes Metall; es wurde gelegentlich von späteren Autoren als Metall klassifiziert. Wie alle allgemein als Metalloide anerkannten Elemente hat Germanium eine etablierte metallorganische Chemie (siehe Organogermanium-Chemie ).

Arsen

Arsen , in einem Behälter versiegelt, um ein Anlaufen zu verhindern

Arsen ist ein grauer, metallisch aussehender Feststoff. Es hat eine Dichte von 5,727 g/cm ³ und ist spröde und mäßig hart (mehr als Aluminium; weniger als Eisen ). Es ist an trockener Luft stabil, entwickelt aber an feuchter Luft eine gold-bronzefarbene Patina, die bei weiterer Einwirkung schwarz wird. Arsen wird von Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure angegriffen. Es reagiert mit geschmolzener Natronlauge zum Arsenat Na ₃ AsO ₃ und Wasserstoffgas. Arsen sublimiert bei 615 °C. Der Dampf ist zitronengelb und riecht nach Knoblauch. Arsen schmilzt erst bei einem Druck von 38,6 atm bei 817 °C. Es ist ein Halbmetall mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 3,9 × 10 ⁴  S•cm ⁻¹ und einer Bandüberlappung von 0,5 eV. Flüssiges Arsen ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,15 eV.

Die Chemie von Arsen ist überwiegend nichtmetallisch. Ob Arsen ein Kation bildet, ist unklar. Seine vielen Metalllegierungen sind meist spröde. Es zeigt weniger Tendenzen zu anionischem Verhalten als gewöhnliche Nichtmetalle. Seine Lösungschemie ist durch die Bildung von Oxyanionen gekennzeichnet. Arsen bildet im Allgemeinen Verbindungen, in denen es eine Oxidationsstufe von +3 oder +5 aufweist. Die Halogenide und die Oxide und ihre Derivate sind veranschaulichende Beispiele. Im dreiwertigen Zustand zeigt Arsen einige beginnende metallische Eigenschaften. Die Halogenide werden durch Wasser hydrolysiert, aber diese Reaktionen, insbesondere die des Chlorids, sind bei Zugabe einer Halogenwasserstoffsäure reversibel . Das Oxid ist sauer, aber, wie unten erwähnt, (schwach) amphoter. Der höhere, weniger stabile fünfwertige Zustand hat stark saure (nichtmetallische) Eigenschaften. Im Vergleich zu Phosphor zeigt sich der stärkere metallische Charakter von Arsen durch die Bildung von Oxosäuresalzen wie AsPO ₄ , As ₂ (SO ₄ ) ₃ und Arsenacetat As(CH ₃ COO) ₃ . Das Oxid As ₂ O ₃ ist polymer, amphoter und ein Glasbildner. Arsen hat eine umfangreiche metallorganische Chemie (siehe Organoarsenchemie ).

Antimon

Antimon zeigt seinen brillanten Glanz

Antimon ist ein silberweißer Feststoff mit blauem Farbton und brillantem Glanz. Es hat eine Dichte von 6,697 g/cm ³ und ist spröde und mäßig hart (mehr als Arsen; weniger als Eisen; ungefähr gleich wie Kupfer). Es ist bei Raumtemperatur luft- und feuchtigkeitsstabil. Es wird von konzentrierter Salpetersäure angegriffen, wodurch das hydratisierte Pentoxid Sb ₂ O _{5 erhalten wird} . Königswasser ergibt das Pentachlorid SbCl ₅ und heiße konzentrierte Schwefelsäure das Sulfat Sb ₂ (SO ₄ ) ₃ . Es wird nicht durch geschmolzenes Alkali beeinflusst. Antimon kann beim Erhitzen Wasserstoff aus Wasser verdrängen: 2 Sb + 3 H ₂ O → Sb ₂ O ₃ + 3 H ₂ . Es schmilzt bei 631 °C. Antimon ist ein Halbmetall mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 3,1 × 10 ⁴  S•cm ⁻¹ und einer Bandüberlappung von 0,16 eV. Flüssiges Antimon ist ein metallischer Leiter mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5,3 × 10 ⁴  S•cm ⁻¹ .

Der größte Teil der Chemie von Antimon ist charakteristisch für ein Nichtmetall. Antimon hat eine bestimmte kationische Chemie, wobei SbO ⁺ und Sb(OH) ₂ ⁺ in saurer wässriger Lösung vorhanden sind; die Verbindung Sb ₈ (GaCl ₄ ) ₂ , die das Homopolykation Sb ₈ ^{2+ enthält} , wurde 2004 hergestellt. Sie kann mit einem oder mehreren Metallen wie Aluminium, Eisen, Nickel , Kupfer, Zink, Zinn, Blei, und Wismut. Antimon neigt weniger zu anionischem Verhalten als gewöhnliche Nichtmetalle. Seine Lösungschemie ist durch die Bildung von Oxyanionen gekennzeichnet. Antimon bildet wie Arsen im Allgemeinen Verbindungen, in denen es eine Oxidationsstufe von +3 oder +5 aufweist. Die Halogenide und die Oxide und ihre Derivate sind veranschaulichende Beispiele. Der +5-Zustand ist weniger stabil als der +3, aber relativ leichter zu erreichen als mit Arsen. Dies erklärt sich durch die schlechte Abschirmung des Arsenkerns durch seine 3d ¹⁰ -Elektronen . Im Vergleich dazu gleicht die Tendenz von Antimon (das ein schwereres Atom ist) leichter zu oxidieren die Wirkung seiner 4d ¹⁰ -Schale teilweise aus. Tripositives Antimon ist amphoter; Pentapositives Antimon ist (überwiegend) sauer. In Übereinstimmung mit einer Zunahme des metallischen Charakters ab Gruppe 15 bildet Antimon Salze oder salzähnliche Verbindungen, einschließlich eines Nitrats Sb(NO ₃ ) ₃ , Phosphat SbPO ₄ , Sulfat Sb ₂ (SO ₄ ) ₃ und Perchlorat Sb(ClO ₄ ) ₃ . Das ansonsten saure Pentoxid Sb ₂ O ₅ zeigt ein gewisses basisches (metallisches) Verhalten, indem es in sehr sauren Lösungen unter Bildung des Oxykations SbO . gelöst werden kann⁺
₂. Das Oxid Sb ₂ O ₃ ist polymer, amphoter und ein Glasbildner. Antimon hat eine umfangreiche metallorganische Chemie (siehe Organoantimon-Chemie ).

Tellur

Tellur , beschrieben von Dmitri Mendeleev als einen Übergang zwischen Metallen und Nichtmetallen bildend

Tellur ist ein silbrig-weiß glänzender Feststoff. Es hat eine Dichte von 6,24 g/cm ³ , ist spröde und ist das weichste der allgemein anerkannten Halbmetalle, da es geringfügig härter als Schwefel ist. Große Tellurstücke sind an der Luft stabil. Die fein pulverisierte Form wird in Gegenwart von Feuchtigkeit durch Luft oxidiert. Tellur reagiert mit kochendem Wasser oder frisch ausgefällt sogar bei 50 °C zu Dioxid und Wasserstoff: Te + 2 H ₂ O → TeO ₂ + 2 H ₂ . Es reagiert (in unterschiedlichem Maße) mit Salpeter-, Schwefel- und Salzsäure zu Verbindungen wie dem Sulfoxid TeSO ₃ oder der Tellursäure H ₂ TeO ₃ , dem basischen Nitrat (Te ₂ O ₄ H) ⁺ (NO ₃ ) ⁻ , oder das Oxidsulfat Te ₂ O ₃ (SO ₄ ). Es löst sich in siedenden Alkalien zu Tellurit und Tellurid auf : 3 Te + 6 KOH = K ₂ TeO ₃ + 2 K ₂ Te + 3 H ₂ O, eine Reaktion, die mit steigender oder sinkender Temperatur abläuft oder reversibel ist.

Bei höheren Temperaturen ist Tellur ausreichend plastisch, um zu extrudieren. Es schmilzt bei 449,51 °C. Kristallines Tellur hat eine Struktur, die aus parallelen unendlichen Spiralketten besteht. Die Bindung zwischen benachbarten Atomen einer Kette ist kovalent, aber es gibt Hinweise auf eine schwache metallische Wechselwirkung zwischen den benachbarten Atomen verschiedener Ketten. Tellur ist ein Halbleiter mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 1,0 S•cm ⁻¹ und einer Bandlücke von 0,32 bis 0,38 eV. Flüssiges Tellur ist ein Halbleiter mit einer elektrischen Leitfähigkeit beim Schmelzen von etwa 1,9 × 10 ³  S•cm ⁻¹ . Überhitztes flüssiges Tellur ist ein metallischer Leiter.

Der Großteil der Chemie von Tellur ist charakteristisch für ein Nichtmetall. Es zeigt ein gewisses kationisches Verhalten. Das Dioxid löst sich in Säure, um das Trihydroxotellurium(IV)-Te(OH) ₃ ⁺ -Ion zu ergeben; die roten Te ₄ ²⁺ und gelb-orange Te ₆ ²⁺ Ionen entstehen, wenn Tellur in Fluorschwefelsäure (HSO ₃ F) bzw. flüssigem Schwefeldioxid (SO ₂ ) oxidiert wird . Es kann mit Aluminium, Silber und Zinn Legierungen bilden . Tellur zeigt weniger Tendenzen zu anionischem Verhalten als gewöhnliche Nichtmetalle. Seine Lösungschemie ist durch die Bildung von Oxyanionen gekennzeichnet. Tellur bildet im Allgemeinen Verbindungen, in denen es eine Oxidationsstufe von –2, +4 oder +6 aufweist. Der +4 Zustand ist der stabilste. Telluride der Zusammensetzung X _x Te _y werden leicht mit den meisten anderen Elementen gebildet und stellen die häufigsten Tellurminerale dar. Nichtstöchiometrie ist allgegenwärtig, insbesondere bei Übergangsmetallen. Viele Telluride können als metallische Legierungen angesehen werden. Die Zunahme des metallischen Charakters, die bei Tellur im Vergleich zu den leichteren Chalkogenen erkennbar ist, spiegelt sich weiter in der berichteten Bildung verschiedener anderer Oxysäuresalze wider, wie eines basischen Selenats 2TeO ₂ ·SeO ₃ und eines analogen Perchlorats und Periodats 2TeO ₂ ·HXO ₄ . Tellur bildet ein polymeres, amphoteres, glasbildendes Oxid TeO ₂ . Es ist ein „bedingtes“ glasbildendes Oxid – es bildet ein Glas mit einer sehr geringen Menge an Additiv. Tellur hat eine umfangreiche metallorganische Chemie (siehe Organotellurium-Chemie ).

Elemente, die weniger häufig als Halbmetalle erkannt werden

Kohlenstoff

Kohlenstoff (als Graphit ). Delokalisierte Valenzelektronen innerhalb der Graphitschichten verleihen ihm ein metallisches Aussehen.

Kohlenstoff wird normalerweise als Nichtmetall klassifiziert, weist jedoch einige metallische Eigenschaften auf und wird gelegentlich als Halbmetall klassifiziert. Hexagonaler graphitischer Kohlenstoff (Graphit) ist das thermodynamisch stabilste Allotrop von Kohlenstoff unter Umgebungsbedingungen. Es hat ein glänzendes Aussehen und ist ein ziemlich guter elektrischer Leiter. Graphit hat eine Schichtstruktur. Jede Schicht besteht aus Kohlenstoffatomen, die in einer hexagonalen Gitteranordnung an drei andere Kohlenstoffatome gebunden sind . Die Schichten werden übereinander gestapelt und durch Van-der-Waals-Kräfte und delokalisierte Valenzelektronen lose gehalten .

Wie bei einem Metall nimmt die Leitfähigkeit von Graphit in Richtung seiner Ebenen mit steigender Temperatur ab; es hat die elektronische Bandstruktur eines Halbmetalls. Die Allotrope des Kohlenstoffs, einschließlich Graphit, können durch Substitution, Interkalation oder Dotierung Fremdatome oder Verbindungen in ihre Strukturen aufnehmen . Die resultierenden Materialien werden als "Kohlenstofflegierungen" bezeichnet. Kohlenstoff kann ionische Salze bilden, einschließlich Hydrogensulfat, Perchlorat und Nitrat (C⁺
₂₄X ⁻ .2HX, wobei X = HSO ₄ , ClO ₄ ; und C⁺
₂₄NEIN^–
₃.3HNO ₃ ). In der organischen Chemie kann Kohlenstoff komplexe Kationen – sogenannte Carbokationen  – bilden, bei denen die positive Ladung am Kohlenstoffatom liegt; Beispiele sind CH⁺
₃und CH⁺
₅, und deren Derivate.

Kohlenstoff ist spröde und verhält sich wie ein Halbleiter in einer Richtung senkrecht zu seinen Ebenen. Der Großteil seiner Chemie ist nichtmetallisch; es hat eine relativ hohe Ionisierungsenergie und im Vergleich zu den meisten Metallen eine relativ hohe Elektronegativität. Kohlenstoff kann Anionen wie C ⁴⁻ ( Methanid ), C^2–
₂( Acetylid ) und C^3–
₄( Sesquicarbid oder Allylenid ), in Verbindungen mit Metallen der 1–3 Hauptgruppe sowie mit den Lanthaniden und Actiniden . Sein Oxid CO ₂ bildet Kohlensäure H ₂ CO ₃ .

Aluminium

Hochreines Aluminium ist viel weicher als seine bekannten Legierungen . Leute, die zum ersten Mal damit umgehen, fragen oft, ob es das echte Ding ist.

Aluminium wird normalerweise als Metall klassifiziert. Es ist glänzend, formbar und duktil und hat eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Wie die meisten Metalle hat es eine dicht gepackte kristalline Struktur und bildet in wässriger Lösung ein Kation.

Es hat einige Eigenschaften, die für ein Metall ungewöhnlich sind; zusammengenommen werden diese manchmal als Grundlage verwendet, um Aluminium als Halbmetall zu klassifizieren. Seine kristalline Struktur weist einige Hinweise auf eine gerichtete Bindung auf . Aluminium bindet in den meisten Verbindungen kovalent. Das Oxid Al ₂ O ₃ ist amphoter und ein bedingter Glasbildner. Aluminium kann anionische Aluminate bilden , wobei ein solches Verhalten als nichtmetallisch angesehen wird.

Die Einstufung von Aluminium als Halbmetall ist aufgrund seiner vielen metallischen Eigenschaften umstritten. Es ist daher wohl eine Ausnahme von der Mnemonik, dass Elemente, die an die Metall-Nichtmetall-Trennlinie angrenzen, Halbmetalle sind.

Stott bezeichnet Aluminium als schwaches Metall. Es hat die physikalischen Eigenschaften eines Metalls, aber einige der chemischen Eigenschaften eines Nichtmetalls. Steele weist auf das paradoxe chemische Verhalten von Aluminium hin: „Es ähnelt in seinem amphoteren Oxid und im kovalenten Charakter vieler seiner Verbindungen einem schwachen Metall ... Dennoch ist es ein stark elektropositives Metall ... [mit] einem hohen negativen Elektrodenpotential ". Moody sagt, dass "Aluminium im chemischen Sinne auf der 'diagonalen Grenze' zwischen Metallen und Nichtmetallen liegt."

Selen

Graues Selen leitet als Photoleiter Elektrizität rund 1.000 Mal besser, wenn Licht darauf fällt, eine Eigenschaft, die seit Mitte der 1870er Jahre in verschiedenen Lichtsensoranwendungen verwendet wird

Selen zeigt grenzwertiges metalloides oder nichtmetallisches Verhalten.

Seine stabilste Form, das graue trigonale Allotrop, wird manchmal als "metallisches" Selen bezeichnet, da seine elektrische Leitfähigkeit um mehrere Größenordnungen höher ist als die der roten monoklinen Form. Der metallische Charakter von Selen wird ferner durch seinen Glanz und seine kristalline Struktur gezeigt, von der angenommen wird, dass sie schwach "metallische" Bindungen zwischen den Ketten einschließt. Selen kann in geschmolzenem und viskosem Zustand zu dünnen Fäden gezogen werden. Es zeigt Zurückhaltung, "die für Nichtmetalle charakteristischen hohen positiven Oxidationszahlen" zu erwerben. Es kann zyklische Polykationen bilden (wie Se²⁺
₈) beim Auflösen in Oleum (eine Eigenschaft, die es mit Schwefel und Tellur teilt) und ein hydrolysiertes kationisches Salz in Form von Trihydroxoselenium(IV)perchlorat [Se(OH) ₃ ] ⁺ ·ClO^–
₄.

Der nichtmetallische Charakter von Selen zeigt sich in seiner Sprödigkeit und der geringen elektrischen Leitfähigkeit (~10 ⁻⁹ bis 10 ⁻¹²  S•cm ⁻¹ ) seiner hochreinen Form. Dies ist vergleichbar oder kleiner als das von Brom (7,95 × 10 ^–12  S•cm ^–1 ), einem Nichtmetall. Selen hat die elektronische Bandstruktur eines Halbleiters und behält seine halbleitenden Eigenschaften in flüssiger Form. Es hat eine relativ hohe Elektronegativität (2,55 revidierte Pauling-Skala). Seine Reaktionschemie ist hauptsächlich die seiner nichtmetallischen anionischen Formen Se ²⁻ , SeO²⁻
₃ und SeO²⁻
₄.

Selen wird in der Literatur zur Umweltchemie allgemein als Halbmetall beschrieben . Es bewegt sich ähnlich wie Arsen und Antimon durch die aquatische Umwelt; seine wasserlöslichen Salze haben in höheren Konzentrationen ein ähnliches toxikologisches Profil wie Arsen.

Polonium

Polonium ist in gewisser Weise "ausgesprochen metallisch". Beide allotropen Formen sind metallische Leiter. Es ist in Säuren löslich, bildet das rosafarbene Kation Po ²⁺ und verdrängt Wasserstoff: Po + 2 H ⁺ → Po ²⁺ + H ₂ . Viele Poloniumsalze sind bekannt. Das Oxid PoO ₂ ist überwiegend basisch. Polonium ist im Gegensatz zu seinem leichtesten Kongener Sauerstoff ein zögerliches Oxidationsmittel: Für die Bildung des Po ²⁻ -Anions in wässriger Lösung sind stark reduzierende Bedingungen erforderlich .

Ob Polonium duktil oder spröde ist, ist unklar. Es wird aufgrund seiner berechneten elastischen Konstanten als duktil vorhergesagt . Es hat eine einfache kubische Kristallstruktur . Eine solche Struktur weist wenige Gleitsysteme auf und "führt zu einer sehr geringen Duktilität und damit zu einer geringen Bruchfestigkeit".

Polonium zeigt nichtmetallischen Charakter in seinen Halogeniden und durch die Existenz von Poloniden . Die Halogenide haben Eigenschaften, die allgemein für Nichtmetallhalogenide charakteristisch sind (sie sind flüchtig, leicht hydrolysierbar und in organischen Lösungsmitteln löslich ). Viele Metallpolonide, die durch gemeinsames Erhitzen der Elemente auf 500–1000 °C erhalten werden und das Po ²⁻ -Anion enthalten, sind ebenfalls bekannt.

Astatin

Als Halogen wird Astat eher als Nichtmetall eingestuft. Es hat einige ausgeprägte metallische Eigenschaften und wird manchmal stattdessen entweder als Halbmetall oder (seltener) als Metall klassifiziert. Unmittelbar nach seiner Herstellung im Jahr 1940 betrachteten frühe Ermittler es als Metall. 1949 wurde es als edelstes (schwer zu reduzierendes ) Nichtmetall sowie als relativ edelstes (schwer zu oxidierendes) Metall bezeichnet. 1950 wurde Astat als Halogen und (daher) als reaktives Nichtmetall beschrieben. Im Jahr 2013 wurde auf der Grundlage relativistischer Modellierungen vorhergesagt, dass Astat ein einatomiges Metall mit einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur ist .

Mehrere Autoren haben die metallische Natur einiger Eigenschaften von Astat kommentiert. Da Jod in Richtung seiner Ebenen ein Halbleiter ist und die Halogene mit zunehmender Ordnungszahl metallischer werden, wurde vermutet, dass Astat ein Metall wäre, wenn es eine kondensierte Phase bilden könnte. Astatin kann im flüssigen Zustand metallisch sein, da Elemente mit einer Verdampfungsenthalpie (∆H _vap ) von mehr als ~42 kJ/mol im flüssigen Zustand metallisch sind. Solche Elemente umfassen Bor, Silizium, Germanium, Antimon, Selen und Tellur. Geschätzte Werte für ∆H _vap von zweiatomigem Astat sind 50 kJ/mol oder höher; zweiatomiges Jod liegt mit einem ∆H _vap von 41,71 knapp unter dem Schwellenwert.

"Wie typische Metalle wird es [Astatin] auch aus stark sauren Lösungen durch Schwefelwasserstoff ausgefällt und aus Sulfatlösungen in freier Form verdrängt; es lagert sich bei der Elektrolyse an der Kathode ab ." Weitere Hinweise auf einer Tendenz für Astat wie ein zu verhalten (Schwer-) Metall sind:“... die Bildung von Pseudohalogenid - Verbindungen ... Komplexe von Astat Kationen ... komplex Anionen des dreiwertigen Astat ... sowie Komplexe mit a Vielzahl organischer Lösungsmittel". Es wurde auch argumentiert, dass Astat in stark sauren wässrigen Lösungen über stabile At ^{+ -} und AtO ⁺ -Formen ein kationisches Verhalten zeigt .

Einige der berichteten Eigenschaften von Astat sind nichtmetallisch. Es wurde extrapoliert, um den engen Flüssigkeitsbereich zu haben, der normalerweise mit Nichtmetallen assoziiert wird (Fp. 302 °C; Siedepunkt 337 °C), obwohl experimentelle Hinweise einen niedrigeren Siedepunkt von etwa 230 ± 3 °C nahelegen. Batsanov gibt eine berechnete Bandlückenenergie für Astat von 0,7 eV an; dies stimmt damit überein, dass Nichtmetalle (in der Physik) getrennte Valenz- und Leitungsbänder aufweisen und dadurch entweder Halbleiter oder Isolatoren sind. Die Chemie von Astatin in wässriger Lösung ist hauptsächlich durch die Bildung verschiedener anionischer Spezies gekennzeichnet. Die meisten seiner bekannten Verbindungen ähneln denen von Jod, einem Halogen und einem Nichtmetall. Solche Verbindungen umfassen Astatide (XAt), Astatate (XAtO ₃ ) und einwertige Interhalogenverbindungen .

Restrepoet al. berichteten, dass Astat eher Polonium-ähnlich als Halogen-ähnlich zu sein schien. Sie taten dies auf der Grundlage detaillierter vergleichender Studien der bekannten und interpolierten Eigenschaften von 72 Elementen.

Verwandte konzepte

In der Nähe von Halbmetallen

Jodkristalle , die einen metallischen Glanz zeigen . Jod ist in Richtung seiner Ebenen ein Halbleiter mit einer Bandlücke von ~1.3 eV. Es hat eine elektrische Leitfähigkeit von 1,7 × 10 ^–8  S•cm ^–1 bei Raumtemperatur . Dies ist höher als Selen, aber niedriger als Bor, das am wenigsten elektrisch leitende der anerkannten Metalloide.

Im Periodensystem werden einige der Elemente neben den allgemein anerkannten Metalloiden, obwohl sie normalerweise entweder als Metalle oder Nichtmetalle klassifiziert werden, gelegentlich als nahe Metalloide bezeichnet oder wegen ihres metalloiden Charakters erwähnt. Links von der Metall-Nichtmetall-Trennlinie sind solche Elemente Gallium, Zinn und Wismut. Sie zeigen ungewöhnliche Packungsstrukturen, ausgeprägte kovalente Chemie (molekular oder polymer) und Amphoterismus. Rechts von der Trennlinie befinden sich Kohlenstoff, Phosphor, Selen und Jod. Sie zeigen metallischen Glanz, halbleitende Eigenschaften und Bindungs- oder Valenzbänder mit delokalisiertem Charakter. Dies gilt für ihre thermodynamisch stabilsten Formen unter Umgebungsbedingungen: Kohlenstoff als Graphit; Phosphor als schwarzer Phosphor; und Selen als graues Selen.

Allotrope

Weißes Zinn (links) und graues Zinn (rechts). Beide Formen haben ein metallisches Aussehen.

Verschiedene kristalline Formen eines Elements werden Allotrope genannt . Einige Allotrope, insbesondere solche von Elementen, die sich (im Periodensystem) entlang oder nahe der fiktiven Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen befinden, zeigen ein stärker ausgeprägtes metallisches, metalloides oder nichtmetallisches Verhalten als andere. Die Existenz solcher Allotrope kann die Klassifizierung der beteiligten Elemente erschweren.

Zinn hat zum Beispiel zwei Allotrope: tetragonales "weißes" β-Zinn und kubisches "graues" α-Zinn. Weißes Zinn ist ein sehr glänzendes, duktiles und formbares Metall. Es ist die stabile Form bei oder über Raumtemperatur und hat eine elektrische Leitfähigkeit von 9,17 × 10 ⁴  S·cm ⁻¹ (~1/6 der von Kupfer). Graues Zinn hat normalerweise das Aussehen eines grauen mikrokristallinen Pulvers und kann auch in spröder halbglänzender kristalliner oder polykristalliner Form hergestellt werden. Es ist die stabile Form unter 13,2 °C und hat eine elektrische Leitfähigkeit zwischen (2–5) × 10 ²  S·cm ⁻¹ (~1/250 der von Weißzinn). Graues Zinn hat die gleiche Kristallstruktur wie Diamant. Es verhält sich wie ein Halbleiter (als hätte es eine Bandlücke von 0,08 eV), hat aber die elektronische Bandstruktur eines Halbmetalls. Es wurde entweder als ein sehr schlechtes Metall, ein Halbmetall, ein Nichtmetall oder ein nahes Halbmetall bezeichnet.

Das Diamantallotrop von Kohlenstoff ist eindeutig nichtmetallisch, durchscheinend und hat eine geringe elektrische Leitfähigkeit von 10 ^–14 bis 10 ^–16  S·cm ^–1 . Graphit hat eine elektrische Leitfähigkeit von 3 × 10 ⁴  S·cm ^–1 , eine für Metall charakteristischere Zahl. Phosphor, Schwefel, Arsen, Selen, Antimon und Wismut weisen ebenfalls weniger stabile Allotrope auf, die unterschiedliche Verhaltensweisen zeigen.

Fülle, Gewinnung und Kosten

Fülle

Die Tabelle gibt die Krustenhäufigkeit der Elemente an, die gewöhnlich bis selten als Halbmetalle erkannt werden. Zum Vergleich sind einige andere Elemente enthalten: Sauerstoff und Xenon (die am häufigsten und am wenigsten vorkommenden Elemente mit stabilen Isotopen); Eisen und die Münzmetalle Kupfer, Silber und Gold; und Rhenium, das am wenigsten häufig vorkommende stabile Metall (Aluminium ist normalerweise das am häufigsten vorkommende Metall). Es wurden verschiedene Häufigkeitsschätzungen veröffentlicht; diese stimmen oft bis zu einem gewissen Grad nicht überein.

Extraktion

Die anerkannten Metalloide können durch chemische Reduktion entweder ihrer Oxide oder ihrer Sulfide erhalten werden . Je nach Ausgangsform und wirtschaftlichen Faktoren können einfachere oder aufwendigere Extraktionsverfahren eingesetzt werden. Bor wird routinemäßig durch Reduktion des Trioxids mit Magnesium erhalten: B ₂ O ₃ + 3 Mg → 2 B + 3 MgO; nach der sekundärverarbeitung hat das resultierende braune pulver eine reinheit von bis zu 97%. Bor mit höherer Reinheit (> 99%) wird durch Erhitzen flüchtiger Borverbindungen wie BCl ₃ oder BBr ₃ entweder in einer Wasserstoffatmosphäre (2 BX ₃ + 3 H ₂ → 2 B + 6 HX) oder bis zum Punkt thermische Zersetzung . Silizium und Germanium werden aus ihren Oxiden durch Erhitzen des Oxids mit Kohlenstoff oder Wasserstoff gewonnen: SiO ₂ + C → Si + CO ₂ ; GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O. Arsen wird durch Erhitzen aus seinem Pyrit (FeAsS) oder Arsenpyrit (FeAs ₂ ) isoliert ; alternativ kann es aus seinem Oxid durch Reduktion mit Kohlenstoff gewonnen werden: 2 As ₂ O ₃ + 3 C → 2 As + 3 CO ₂ . Antimon wird aus seinem Sulfid durch Reduktion mit Eisen gewonnen: Sb ₂ S ₃ → 2 Sb + 3 FeS. Tellur wird aus seinem Oxid durch Auflösen in wässrigem NaOH hergestellt, wodurch Tellurit erhalten wird, dann durch elektrolytische Reduktion : TeO ₂ + 2 NaOH → Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O; Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O → Te + 2 NaOH + O ₂ . Eine andere Möglichkeit ist die Reduktion des Oxids durch Rösten mit Kohlenstoff: TeO ₂ + C → Te + CO ₂ .

Herstellungsverfahren für die weniger häufig als Halbmetalle erkannten Elemente umfassen natürliche Verarbeitung, elektrolytische oder chemische Reduktion oder Bestrahlung. Kohlenstoff (als Graphit) kommt natürlich vor und wird gewonnen, indem das Muttergestein zerkleinert und der leichtere Graphit an die Oberfläche getrieben wird. Aluminium wird durch Auflösen seines Oxids Al ₂ O ₃ in geschmolzenem Kryolith Na ₃ AlF ₆ und dann durch elektrolytische Hochtemperaturreduktion extrahiert . Selen wird durch Rösten der Münzmetallselenide X ₂ Se (X = Cu, Ag, Au) mit Soda zu dem Selenit hergestellt: X ₂ Se + O ₂ + Na ₂ CO ₃ → Na ₂ SeO ₃ + 2 X + CO ₂ ; das Selenid wird durch Schwefelsäure H ₂ SO ₄ neutralisiert , um selenige Säure H ₂ SeO _{3 zu ergeben} ; dies wird durch Durchperlen von SO ₂ reduziert , um elementares Selen zu erhalten. Polonium und Astatin werden in winzigen Mengen durch Bestrahlung von Wismut hergestellt.

Kosten

Die anerkannten Halbmetalle und ihre näheren Nachbarn kosten meist weniger als Silber; nur Polonium und Astat sind wegen ihrer hohen Radioaktivität teurer als Gold. Am 5. April 2014 lagen die Preise für kleine Proben (bis 100 g) von Silizium, Antimon und Tellur sowie Graphit, Aluminium und Selen im Durchschnitt bei etwa einem Drittel der Kosten für Silber (1,5 US-Dollar pro Gramm oder etwa 45 US-Dollar pro Unze). Bor-, Germanium- und Arsenproben sind durchschnittlich etwa das Dreieinhalbfache der Kosten von Silber. Polonium ist für etwa 100 US-Dollar pro Mikrogramm erhältlich . Zalutsky und Pruszynski schätzen ähnliche Kosten für die Herstellung von Astat. Die Preise für die entsprechenden Elemente, die als Rohstoffe gehandelt werden, liegen in der Regel zwischen zwei- bis dreimal billiger als der Beispielpreis (Ge) bis fast dreitausend Mal billiger (As).

Anmerkungen

Verweise

Quellen

Weiterlesen

• Brady JE, Humiston GE & Heikkinen H (1980), "Chemistry of the Representative Elements: Part II, The Metalloids and Nonmetals", in General Chemistry: Principles and Structure, 2. Aufl., SI-Version, John Wiley & Sons, New York , S. 537–91, 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, S. 341–57
• Dunstan S. (1968), "The Metalloids", in Principles of Chemistry, D. Van Nostrand Company, London, S. 407–39
• Goldsmith RH (1982), "Metalloids", Journal of Chemical Education , vol. 59, Nr. 6, S. 526527, doi : 10.1021/ed059p526
• Hawkes SJ (2001), "Semimetallicity", Journal of Chemical Education, vol. 78, nein. 12, S. 1686–87, doi : 10.1021/ed078p1686
• Metcalfe HC, Williams JE & Castka JF (1974), "Aluminum and the Metalloids", in Modern Chemistry, Holt, Rinehart and Winston, New York, S. 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 Semiconductor Elements", in Chemistry, with Inorganic Qualitative Analysis, 3. Aufl., Harcourt Brace Jovanovich, San Diego, pp. 742–75, ISBN  0-15-506492-4
• Parveen N et al. (2020), "Metalloide in Pflanzen: Eine systematische Diskussion ohne Beschreibung", 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, S. 758–59, ISBN  0-7614-0551-8 (Satz)
• Rochow EG (1966), The Metalloids, DC Heath and Company, Boston
• Vernon RE (2013), "Welche Elemente sind Metalloide?", Journal of Chemical Education, vol. 90, nein. 12, S. 1703–07, doi : 10.1021/ed3008457
• —— (2020,) "Organising the Metals and Nonmetals" , Foundations of Chemistry, (open access)