Półmetale (metaloidy): definicja, właściwości i przykłady

Właściwości charakterystyczne

• Przewodnictwo elektryczne: metaloidy przewodzą prąd słabiej niż typowe metale, ale lepiej niż niemetale — dlatego wiele z nich wykazuje własności półprzewodnikowe.
• Wygląd i mechanika: część metaloidów ma metaliczny połysk, ale są zwykle kruche i łamliwe (niekowalne).
• Chemia: metaloidy tworzą wiązania zarówno kowalencyjne, jak i częściowo jonowe; ich tlenki mogą mieć charakter kwasowy, zasadowy lub amfoteryczny w zależności od pierwiastka i stopnia utlenienia.
• Występowanie stanów półprzewodnikowych: niektóre metaloidy (zwłaszcza krzem i german) są podstawą technologii półprzewodnikowej — ich przewodnictwo można regulować domieszkowaniem i warunkami zewnętrznymi.

Najbardziej rozpowszechnionym półmetalem jest krzem. Krzem posiada przewodnictwo elektryczne pomiędzy metalami i niemetalami. Jest to półprzewodnik. Dzięki temu krzem jest podstawowym materiałem w elektronice — stosuje się go w układach scalonych, komórkach słonecznych i czujnikach. Inne metaloidy, takie jak german i arsen, również mają ważne zastosowania w przemyśle elektronicznym i optoelektronicznym.

Rozmieszczenie w układzie okresowym i typowe przykłady

Zazwyczaj metaloidy znajdują się wzdłuż tzw. „schodkowej” lub ukośnej linii rozdzielającej metale i niemetale w układzie okresowym. Zobacz podwójną linię ukośną: u góry po lewej Bor i Aluminium, na dole po prawej Polon i Astat. Te przekątne to właśnie metaloidy. W praktyce za metaloidy najczęściej uznaje się grupę obejmującą: bor, krzem, german, arsen, antymon, tellur i czasami polon. Astat i niektóre inne pozycje bywają traktowane ambiwalentnie ze względu na rzadkość i niestabilność.

Przykłady i zastosowania

• Bor — stosowany w stopach, szkłach borokrzemianowych, detergentach i półprzewodnikach mocy; ma szczególne własności w chemii koordynacyjnej.
• Krzem — najważniejszy materiał półprzewodnikowy; wykorzystywany w układach scalonych, fotowoltaice, jako składnik szkła i ceramiki.
• German — półprzewodnik używany dawniej w diodach i tranzystorach oraz w detektorach podczerwieni.
• Arsen — stosowany w stopach, półprzewodnikach III–V (np. arsenek galu); toksyczny w postaci związków nieorganicznych.
• Antymon — używany w stopach ołowiu, ogniwach akumulatorowych i półprzewodnikach.
• Tellur — przydatny w termoparach i materiałach termoelektrycznych; występuje w stopach i związkach półprzewodnikowych.
• Polon — pierwiastek radioaktywny o ograniczonym zastosowaniu (m.in. źródła jonizujące w przeszłości); klasyfikacja jako metaloid bywa dyskutowana ze względu na jego właściwości i radioaktywność.

Uwaga o klasyfikacji i terminologii

Klasyfikacja metaloidów nie jest absolutnie sztywna — zależy od przyjętych kryteriów (właściwości fizyczne, chemiczne czy elektronowe). W literaturze występuje też niejednoznaczność terminologiczna: słowo „półmetal” bywa używane zamiennie z „metaloid”, ale w fizyce „semimetal” (półmetal w sensie pasmowym) oznacza specyficzny układ pasm energetycznych, co nie zawsze pokrywa się z klasyfikacją chemiczną. W efekcie niektóre pierwiastki są klasyfikowane różnie w różnych źródłach.

Podsumowując: metaloidy to grupa pierwiastków o cechach pośrednich między metalami a niemetalami; są istotne zarówno w chemii, jak i w technologii (szczególnie elektronice i materiałoznawstwie), a ich dokładne przypisanie do tej kategorii zależy od przyjętych kryteriów.