Metaloid

From Wikipedia, the free encyclopedia

Metaloid je hemijski element koji ima prevagu svojstva između, ili koja su mešavina, svojstva metala i nemetala. Reč metaloid potiče od latinskog metallum („metal“) i grčkog oeides („sličan po obliku ili izgledu“).[1] Ne postoji standardna definicija metaloida i ne postoji potpuna saglasnost o tome koji su elementi metaloidi. Uprkos nedostatku specifičnosti, termin ostaje u upotrebi u literaturi.

Elementi prepoznati kao metaloidi
  13 14 15 16 17
2 B
Bor		 C
Ugljenik		 N
Azot		 O
Kiseonik		 F
Fluor
3 Al
Aluminijum		 Si
Silicijum		 P
Fosfor		 S
Sumpor		 Cl
Hlor
4 Ga
Galijum		 Ge
Germanijum		 As
Arsen		 Se
Selenijum		 Br
Brom
5 In
Indijum		 Sn
Kalaj		 Sb
Antimon		 Te
Telur		 I
Jod
6 Tl
Talijum		 Pb
Olovo		 Bi
Bizmut		 Po
Polonijum		 At
Astat
 
  Opštepriznati (86–99%): B, Si, Ge, As, Sb, Te
  Nepravilno priznati (40–49%): Po, At
  Manje uobičajeno priznati (24%): Se
  Retko priznati (8–10%): C, Al
  (Svi ostali elementi su citirani u manje od 6% izvora)
  Proizvoljna linija razdvajanja metal-nemetal: između Be i B, Al i Si, Ge i As, Sb i Te, Po i At

Status prepoznavanja, kao metaloida, nekih elemenata u p-bloku periodnog sistema. Procenti su srednje učestalosti pojavljivanja na listama metaloida.[n 1] Linija u obliku stepeništa je tipičan primer proizvoljne linije razdvajanja metal-nemetal koja se nalazi na nekim periodnim tablicama.

Šest uobičajeno priznatih metaloida su bor, silicijum, germanijum, arsen, antimon i telur. Pet elemenata se ređe tako klasifikuju: ugljenik, aluminijum, selen, polonijum i astat. Na standardnom periodičnom sistemu, svih jedanaest elemenata nalazi se u dijagonalnom regionu p-bloka koji se proteže od bora u gornjem levom uglu do astata u donjem desnom uglu. Neki periodični sistemi uključuju liniju razdvajanja između metala i nemetala, a metaloidi se mogu naći blizu ove linije.

Tipični metaloidi imaju metalni izgled, mogu biti krti i samo su umereni provodnici električne energije. Oni mogu da formiraju legure sa metalima, a mnoga njihova druga fizička i hemijska svojstva su srednja između onih metalnih i nemetalnih elemenata. Oni i njihova jedinjenja se koriste u legurama, biološkim agensima, katalizatorima, usporivačima plamena, staklu, optičkim skladištima i optoelektronici, pirotehnici, poluprovodnicima i elektronici.

Termin metaloid se prvobitno odnosio na nemetale. Njegovo novije značenje, kao kategorije elemenata sa srednjim ili hibridnim svojstvima, postalo je široko rasprostranjeno tokom 1940–1960. Metaloidi se ponekad nazivaju polumetalima, što je praksa koja je obeshrabrena,[2] pošto se termin polumetal češće koristi kao specifična vrsta elektronske trakaste strukture supstance. U ovom kontekstu, samo arsen i antimon su polumetali i obično se prepoznaju kao metaloidi.

Definicije

Види још: Spiskovi metaloida

Na bazi rasuđivanja

Metaloid je element čija su preovlađujuća svojstva negde između, ili koja su mešavina svojstava metala i nemetala, i koji je stoga teško klasifikovati kao metal ili nemetal. Ovo je generička definicija koja se oslanja na metaloidne atribute koji se dosledno citiraju u literaturi.[n 2] Teškoća kategorizacije je ključni atribut. Većina elemenata ima mešavinu metalnih i nemetalnih svojstava,[9] i mogu se klasifikovati prema tome koji skup svojstava je izraženiji.[10][n 3] Samo elementi na ili blizu margina, kojima nedostaje dovoljno jasna prevlast bilo metalnih ili nemetalnih svojstva, klasifikuju se kao metaloidi.[15]

Bor, silicijum, germanijum, arsen, antimon i telur se obično prepoznaju kao metaloidi.[16][n 4] U zavisnosti od autora, jedan ili više elemenata od selena, polonijuma ili astata se ponekad dodaju na listu.[18] Bor je ponekad isključen, sam po sebi, ili sa silicijumom.[19] Ponekad se telur ne smatra metaloidom.[20] Dovedeno je u pitanje i uključivanje antimona, polonijuma i astata kao metaloida.[21]

Ostali elementi se povremeno klasifikuju kao metaloidi. Ovi elementi uključuju[22] vodonik,[23] berilijum,[24] azot,[25] fosfor,[26] sumpor,[27] cink,[28] galijum,[29] kalaj, jod,[30] olovo,[31] bizmut,[20] i radon.[32] Termin metaloid se takođe koristi za elemente koji pokazuju metalni sjaj i električnu provodljivost, i koji su amfoterni, kao što su arsen, antimon, vanadijum, hrom, molibden, volfram, kalaj, olovo i aluminijum.[33] Metali p-bloka,[34] i nemetali (kao što su ugljenik ili azot) koji mogu da formiraju legure sa metalima[35] ili modifikuju njihova svojstva[36] takođe se povremeno smatraju metaloidima.

Na osnovu kriterijuma

Више информација Element, IE (kcal/mol) ...
Element IE
(kcal/mol)		 IE
(kJ/mol)		 EN Napomena
Bor 191 801 2,04 poluprovodnik
Silicijum 188 787 1,90 poluprovodnik
Germanijum 182 762 2,01 poluprovodnik
Arsen 226 944 2,18 polumetal
Antimon 199 831 2,05 polumetal
Telur 208 869 2,10 poluprovodnik
prosek 199 832 2,05
Elementi koji se obično prepoznaju kao metaloidi, i njihove energije jonizacije (IE);[37] elektronegativnosti (EN, revidirana Paulingova skala); i elektronske trakaste strukture[38] (termodinamički najstabilniji oblici u uslovima ambijenta).
Затвори

Ne postoji široko prihvaćena definicija metaloida, niti bilo kakva podela periodnog sistema na metale, metaloide i nemetale;[39] Hoks[40] je doveo u pitanje izvodljivost uspostavljanja specifične definicije, napominjući da se anomalije mogu naći u nekoliko pokušaja definisanja. Šarp je klasifikaciju elementa kao metaloida opisao kao „proizvoljnu”.[41]

Broj i identitet metaloida zavisi od toga koji se kriterijumi klasifikacije koriste. Emsli[42] je prepoznao četiri metaloida (germanijum, arsen, antimon i telur); Džejms et al.[43] navode dvanaest (Emslijevi plus bor, ugljenik, silicijum, selen, bizmut, polonijum, moskovijum i livermorijum). U proseku, sedam elemenata je uključeno u takve spiskove; pojedinačni aranžmani klasifikacije imaju tendenciju da dele zajedničke osnove i variraju u loše definisanim[44] marginama.[n 5][n 6]

Obično se koristi samo jedan kvantitativni kriterijum kao što je elektronegativnost.[47] Metaloidi imaju vrednosti elektronegativnosti od 1,8 ili 1,9 do 2,2.[48] Dalji primeri uključuju efikasnost pakovanja (deo zapremine u kristalnoj strukturi koji zauzimaju atomi) i odnos kriterijuma Goldhamer–Hercfelda.[49] Uobičajeno priznati metaloidi imaju efikasnost pakovanja između 34% i 41%.[n 7] Goldhamer–Hercfeldov odnos, otprilike jednak kocki atomskog radijusa podeljenom sa molarnom zapreminom,[57][n 8] je jednostavna mera koliko je element metalan. Prepoznati metaloidi imaju odnos od oko 0,85 do 1,1 i u proseku 1,0.[59][n 9] Drugi autori su se oslanjali na, na primer, atomsku provodljivost[n 10][63] ili zapreminski koordinacioni broj.[64]

Džouns, pišući o ulozi klasifikacije u nauci, primetio je da se „[klase] obično definišu sa više od dva atributa“.[65] Masterton i Slovinski[66] su koristili tri kriterijuma da opišu šest elemenata koji se obično prepoznaju kao metaloidi: metaloidi imaju energiju jonizacije oko 200 kcal/mol (837 kJ/mol) i vrednosti elektronegativnosti blizu 2,0. Takođe su rekli da su metaloidi tipično poluprovodnici, iako antimon i arsen (polumetali iz perspektive fizike) imaju električnu provodljivost približnu provodljivosti metala. Sumnja se da selen i polonijum nisu u ovoj šemi, dok je status astata neizvesna.[n 11]

U tom kontekstu, Vernon je predložio da je metaloid hemijski element koji, u svom standardnom stanju, ima (a) elektronsku trakastu strukturu poluprovodnika ili polumetala; i (b) srednji prvi jonizacioni potencijal "(recimo 750-1.000 kJ/mol)"; i (c) srednju elektronegativnost (1,9–2,2).[69]

Teritorija periodnog sistema

Више информација Status distribucije i priznavanja elemenata klasifikovanih kao metaloidi ...
Status distribucije i priznavanja
elemenata klasifikovanih kao metaloidi
1 2 12 13 14 15 16 17 18
H     He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
 
style="padding-left:0.5em; background:#f8f8f8;" |
  Uobičajeno (93%) do retko (9%) prepoznati kao
metaloid: B, C, Al, Si, Ge, As, Se, Sb, Te, Po, At
  Veoma retko (1–5%): H, Be, P, S, Ga, Sn, I, Pb, Bi, Fl, Mc, Lv, Ts
  Sporadično: N, Zn, Rn
  Linija razdvajanja metal-nemetal: između H i Li, Be i B, Al i Si, Ge i As, Sb i Te, Po i At, i Ts i Og

Ekstrakt periodnog sistema koji prikazuje grupe 1–2 i 12–18, i liniju razdvajanja između metala i nemetala. Procenti su srednje učestalosti pojavljivanja na listi metaloida. Sporadično prepoznati elementi pokazuju da je metaloidna mreža ponekad bačena veoma široko; iako se ne pojavljuju na listi metaloida, u literaturi se mogu naći izolovane reference na njihovu oznaku kao metaloida (kao što je citirano u ovom članku).
Затвори

Lokacija

Metaloidi leže sa obe strane linije podele između metala i nemetala. Ovo se može naći, u različitim konfiguracijama, na nekim periodnim tabelama. Elementi dole levo od linije generalno pokazuju sve veće metalno ponašanje; elementi u gornjem desnom uglu prikazuju povećanje nemetalnog ponašanja.[70] Kada se predstave kao obične stepenice, elementi sa najvišom kritičnom temperaturom za svoje grupe (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) leže odmah ispod linije.[71]

Dijagonalno pozicioniranje metaloida predstavlja izuzetak od zapažanja da elementi sa sličnim svojstvima imaju tendenciju da se javljaju u vertikalnim grupama.[72]Srodni efekat se može videti u drugim dijagonalnim sličnostima između nekih elemenata i njihovih donjih desnih suseda, posebno litijum-magnezijum, berilijum-aluminijum i bor-silicijum. Rejner-Kanam[73] su tvrdili da se ove sličnosti protežu na ugljenik-fosfor, azot-sumpor i na tri serije d-blokova.

Ovaj izuzetak nastaje zbog suprotstavljenih horizontalnih i vertikalnih trendova u nuklearnom naboju. Idući duž periodu, nuklearni naboj raste sa atomskim brojem, kao i broj elektrona. Dodatno povlačenje spoljašnjih elektrona kako se nuklearno naelektrisanje povećava generalno nadmašuje efekat skrininga posedovanja više elektrona. Uz neke nepravilnosti, atomi stoga postaju manji, energija jonizacije se povećava i dolazi do postepene promene karaktera, tokom perioda, od jako metalnih, do slabo metalnih, do slabo nemetalnih, do jako nemetalnih elemenata.[74] Spuštajući se niz glavnu grupu, efekat povećanja nuklearnog naboja je generalno nadjačan efektom dodatnih elektrona koji su dalje od jezgra. Atomi generalno postaju veći, energija jonizacije opada, a metalni karakter se povećava.[75] Neto efekat je da se lokacija prelazne zone metal–nemetal pomera udesno pri spuštanju niz grupu,[72] a analogne dijagonalne sličnosti se vide na drugim mestima u periodičnoj tabeli, kao što je navedeno.[76]

Alternativni tretmani

Elementi koji se graniče sa linijom razdvajanja metal-nemetal nisu uvek klasifikovani kao metaloidi, uz napomenu da binarna klasifikacija može olakšati uspostavljanje pravila za određivanje tipova veze između metala i nemetala.[77] U takvim slučajevima, dotični autori se fokusiraju na jedan ili više atributa od interesa kako bi doneli svoje odluke o klasifikaciji, umesto da budu zabrinuti zbog marginalne prirode dotičnih elemenata. Njihova razmatranja mogu ili ne moraju biti eksplicitna i ponekad mogu izgledati proizvoljno.[41][n 12] Metaloidi se mogu grupisati sa metalima;[78] ili smatrati nemetalima;[79] ili tretirati kao potkategorija nemetala.[80][n 13] Drugi autori su predložili da se neki elementi klasifikuju kao metaloidi „naglašava da se svojstva menjaju postepeno, a ne naglo kako se krećemo preko ili niz periodni sistem“.[82] Neki periodični sistemi razlikuju elemente koji su metaloidi i ne pokazuju formalnu liniju razdvajanja između metala i nemetala. Umesto toga, metaloidi su prikazani kao dijagonalni pojas[83] ili difuzni region.[84] Ključno razmatranje je da se objasni kontekst za taksonomiju koja se koristi.

Svojstva

Metaloidi obično izgledaju kao metali, ali se uglavnom ponašaju kao nemetali. Fizički, to su sjajne, lomljive čvrste materije sa srednjom do relativno dobreelektrične provodljivosti i elektronskom trakastom strukturom polumetala ili poluprovodnika. Hemijski se uglavnom ponašaju kao (slabi) nemetali, imaju srednju energiju jonizacije i vrednosti elektronegativnosti, i amfoterne ili slabo kisele okside. Većina njihovih drugih fizičkih i hemijskih svojstava su srednji po prirodi.

Poređenje sa metalima i nemetalima

Glavni članak: Osobine metala, metaloida i nemetala

Karakteristične osobine metala, metaloida i nemetala su sumirane u tabeli.[85] Fizička svojstva su navedena po redosledu lakšeg određivanja; hemijska svojstva idu od opštih do specifičnih, a zatim do opisnih.

Више информација Fizička svojstva, Metali ...
Svojstva metala, metaloida i nemetala
Fizička svojstva Metali Metaloidi Nemetali
Forma čvrsti; nekoliko tečnosti na ili blizu sobne temperature (Ga, Hg, Rb, Cs, Fr)[86][n 14] čvrsti[88] većina gasovita[89]
Izgled sjajan (barem kada su sveže polomljeni) sjajan[88] nekoliko bezbojnih; drugi u boji, ili metalno sivi do crnih
Plastičnost tipično elastični, duktilni, savitljivi često krti[90] često krti
Električna provodljivost dobra do visoke[n 15] srednja[92] do dobre[n 16] loša do dobre[n 17]
Trakasta struktura metalična (Bi = polumetalična) poluprovodnici su ili, ako nisu (As, Sb = polumetalni), postoje u poluprovodničkim oblicima[96] poluprovodnici ili izolatori[97]
Hemijska svojstva Metali Metaloidi Nemetali
Opšte hemijsko ponašanje metalični nemetalični[98] nemetalični
Energija jonizacije relativno niska srednje energije jonizacije,[99] obično padaju između metala i nemetala[100] relativno visoka
Elektronegativnost obično niska ima vrednosti elektronegativnosti blizu 2[101] ((revidirana Paulingova skala) ili u opsegu od 1,9–2,2 (Alenova skala)[17][n 18] visoka
Kada se pomeša
sa metalima		 daje legure može da formira legure[104] jonska ili intersticijska jedinjenja se formiraju
Oksidi niži oksidi bazni; viši oksidi sve kiseliji amfoterni ili slabo kiseli[105] kiseli
Затвори

Gornja tabela odražava hibridnu prirodu metaloida. Svojstva oblika, izgleda, i ponašanja kada se pomešaju sa metalima više liče na metale. Elastičnost i opšte hemijsko ponašanje više liče na nemetale. Električna provodljivost, struktura pojasa, energija jonizacije, elektronegativnost i oksidi su srednji između njih.

Uobičajene aplikacije

Fokus ovog odeljka je na priznatim metaloidima. Elementi koji se ređe prepoznaju kao metaloidi se obično klasifikuju kao metali ili nemetali; neki od njih su ovde uključeni u komparativne svrhe.

Metaloidi su previše krti da bi imali bilo kakvu strukturnu upotrebu u svom čistom obliku.[106] Oni i njihova jedinjenja se koriste u legurama, biološkim agensima (toksikološkim, nutritivnim i medicinskim), katalizatorima, usporivačima plamena, staklima (oksidnim i metalnim), optičkim medijima i optoelektronici, pirotehnici, poluprovodnicima i elektronici.[n 19]

Legure

Thumb
Pelete od legure bakra i germanijuma, verovatno ~84% Cu; 16% Ge.[108] Kada se kombinuje sa srebrom, rezultat je srebro otporno na mrlje. Takođe su prikazane dve srebrne kuglice.

Pišući rano u istoriji intermetalnih jedinjenja, britanski metalurg Sesil Deš je primetio da su „izvesni nemetalni elementi sposobni da formiraju jedinjenja izrazito metalnog karaktera sa metalima, i ovi elementi stoga mogu ući u sastav legura“. On je posebno povezao silicijum, arsen i telur sa elementima koji formiraju legure.[109] Filips i Vilijams[110] su sugerisali da su jedinjenja silicijuma, germanijuma, arsena i antimona sa B metalima „verovatno najbolje klasifikovana kao legure“.

Među lakšim metaloidima, legure sa prelaznim metalima su dobro zastupljene. Bor može da formira intermetalna jedinjenja i legure sa takvim metalima sastava MnB, ako je n > 2.[111] Ferobor (15% bora) se koristi za uvođenje bora u čelik; legure nikl-bor su sastojci legura za zavarivanje i kompozicija za očvršćavanje kućišta za mašinsku industriju. Legure silicijuma sa gvožđem i aluminijumom se široko koriste u industriji čelika i automobilskoj industriji. Germanijum formira mnoge legure, što je najvažnije sa metalima za kovani novac.[112]

Teži metaloidi nastavljaju trend. Arsen može da formira legure sa metalima, uključujući platinu i bakar;[113] takođe se dodaje bakru i njegovim legurama radi poboljšanja otpornosti na koroziju[114] i smatra se da daje iste podobnosti kada se doda magnezijumu.[115] Antimon je dobro poznat kao formirač legura, uključujući metale za kovanice. Njegove legure uključuju tvrdi kositar (legura kalaja sa do 20% antimona) i printerski metal (legura olova sa do 25% antimona).[116] Telur se lako legira sa gvožđem, kao ferotelur (50–58% telura), i sa bakrom, u obliku bakarnog telura (40–50% telura).[117] Ferotelur se koristi kao stabilizator ugljenika u livenju čelika.[118] Od nemetalnih elemenata koji se ređe prepoznaju kao metaloidi, selen – u obliku feroselena (50–58% selena) – koristi se za poboljšanje obradivosti nerđajućih čelika.[119]

Biološki agensi

Thumb
Arsen trioksid ili beli arsen, jedan od najotrovnijih i najzastupljenijih oblika arsena. Antileukemijska svojstva belog arsena prvi put su objavljena 1878. godine.[120]

Svih šest elemenata koji se obično prepoznaju kao metaloidi imaju toksična, dijetalna ili lekovita svojstva.[121] Posebno su toksična jedinjenja arsena i antimona; bor, silicijum i verovatno arsen su esencijalni elementi u tragovima. Bor, silicijum, arsen i antimon imaju medicinsku primenu, a smatra se da germanijum i telur imaju potencijal.

Bor se koristi u insekticidima[122] i herbicidima.[123] To je suštinski element u tragovima.[124] Kao borna kiselina, ima antiseptička, antifungalna i antivirusna svojstva.[125]

Silicijum je prisutan u silatranu, visoko toksičnom rodenticidu.[126] Dugotrajno udisanje silicijumske prašine izaziva silikozu, smrtonosnu bolest pluća. Silicijum je esencijalni element u tragovima.[124] Silikonski gel se može primeniti na teško opečenim pacijentima da bi se smanjili ožiljci.[127]

Soli germanijuma su potencijalno štetne za ljude i životinje ako se konzumiraju duže vreme.[128] Postoji interesovanje za farmakološka dejstva germanijumskih jedinjenja, ali još uvek nema licenciranih lekova.[129]

Arsen je ozloglašeno otrovan i takođe može biti esencijalni element u ultra tragovima.[130] Tokom Prvog svetskog rata, obe strane su koristile „sredstva za kijanje i povraćanje na bazi arsena...da bi naterali neprijateljske vojnike da skinu gas maske pre nego što su ispalili na njih iperit ili fozgen u drugoj salvi.“[131] Korišćen je kao farmaceutski agens još od antike, uključujući i za lečenje sifilisa pre razvoja antibiotika.[132] Arsen je takođe komponenta melarsoprola, medicinskog leka koji se koristi u lečenju afričke tripanosomijaze kod ljudi ili bolesti spavanja. Godine 2003, arsenik trioksid (pod trgovačkim imenom trisenoks) ponovo je uveden za lečenje akutne promijelocitne leukemije, karcinoma krvi i koštane srži.[132] Arsen u vodi za piće, koji izaziva rak pluća i mokraćne bešike, povezan je sa smanjenjem stope smrtnosti od raka dojke.[133]

Metalni antimon je relativno netoksičan, ali većina jedinjenja antimona je otrovna.[134] Dva jedinjenja antimona, natrijum stiboglukonat i stibofen, koriste se kao antiparazitski lekovi.[135]

Elementarni telur se ne smatra posebno toksičnim; dva grama natrijum telurata, ako se unesu u telo, mogu biti smrtonosna.[136] Ljudi koji su izloženi malim količinama telura u vazduhu odišu neprijatnim i postojanim zadahom nalik belom luku.[137] Telur dioksid je korišćen za lečenje seboroičnog dermatitisa; druga jedinjenja telura su korišćena kao antimikrobna sredstva pre razvoja antibiotika.[138] U budućnosti, takva jedinjenja će možda morati da budu zamena za antibiotike koji su postali neefikasni zbog otpornosti bakterija.[139]

Od elemenata koji se ređe prepoznaju kao metaloidi, berilijum i olovo su poznati po svojoj toksičnosti; olovni arsenat se u velikoj meri koristio kao insekticid.[140] Sumpor je jedan od najstarijih fungicida i pesticida. Fosfor, sumpor, cink, selen i jod su esencijalni hranljivi sastojci, a aluminijum, kalaj i olovo mogu biti.[130] Sumpor, galijum, selen, jod i bizmut imaju medicinske primene. Sumpor je sastavni deo sulfonamidnih lekova, koji se još uvek široko koriste za stanja kao što su akne i infekcije urinarnog trakta.[141] Galijum nitrat se koristi za lečenje neželjenih efekata raka;[142] galijum citrat, radiofarmaceutski lek, olakšava snimanje upaljenih delova tela.[143] Selen sulfid se koristi u medicinskim šamponima i za lečenje kožnih infekcija kao što je tinea versicolor.[144] Jod se koristi kao dezinfekciono sredstvo u različitim oblicima. Bizmut je sastojak nekih antibakterijskih sredstava.[145]

Katalizatori

Bor trifluorid i trihlorid se koriste kao homogeni katalizatori u organskoj sintezi i elektronici; tribromid se koristi u proizvodnji diborana.[146] Netoksični ligandi bora mogu zameniti toksične fosforne ligande u nekim katalizatorima prelaznih metala.[147] Silicijum sumporna kiselina (SiO2OSO3H) se koristi u organskim reakcijama.[148] Germanijum dioksid se ponekad koristi kao katalizator u proizvodnji PET plastike za kontejnere;[149] jeftinija jedinjenja antimona, kao što su trioksid ili triacetat, češće se koriste u istu svrhu[150] uprkos zabrinutosti oko kontaminacije hrane i pića antimonom.[151] Arsen trioksid se koristio u proizvodnji prirodnog gasa, da bi se podstaklo uklanjanje ugljen-dioksida, kao i selenska kiselina i telurna kiselina.[152] Selen deluje kao katalizator u nekim mikroorganizmima.[153] Telur, njegov dioksid i njegov tetrahlorid su jaki katalizatori za vazdušnu oksidaciju ugljenika iznad 500 °C.[154] Grafitni oksid se može koristiti kao katalizator u sintezi imina i njihovih derivata.[155] Aktivni ugalj i glinica su korišćeni kao katalizatori za uklanjanje sumpornih zagađivača iz prirodnog gasa.[156] Aluminijum dopiran titanijumom je predložen kao zamena za katalizatore plemenitih metala koji se koriste u proizvodnji industrijskih hemikalija.[157]

Usporivači plamena

Jedinjenja bora, silicijuma, arsena i antimona su korišćena kao usporivači plamena. Bor, u obliku boraksa, se koristi kao tekstilni usporivač plamena najmanje od 18. veka.[158] Jedinjenja silicijuma, kao što su silikoni, silani, silseskioksan, silicijum dioksid i silikati, od kojih su neki razvijeni kao alternative za toksičnije halogenizovane proizvode, mogu značajno poboljšati otpornost na plamen plastičnih materijala.[159] Jedinjenja arsena kao što su natrijum arsenit ili natrijum arsenat su efikasni usporivači plamena za drvo, ali se ređe koriste zbog svoje toksičnosti.[160] Antimon trioksid je usporivač plamena.[161] Aluminijum hidroksid se koristi kao sredstvo za usporenje plamena od drvenih vlakana, gume, plastike i tekstila od 1890-ih.[162] Osim aluminijum hidroksida, upotreba usporivača gorenja na bazi fosfora – u obliku, na primer, organofosfata – sada prevazilazi upotrebu bilo koje druge glavne vrste usporivača plamena. Oni koriste bor, antimon ili halogenovana ugljovodonična jedinjenja.[163]

Formiranje stakla

Thumb
Optička vlakna, obično napravljena od čistog silicijum dioksidnog stakla, sa aditivima kao što su [boron trioxide[bor trioksid

ili germanijum dioksid za povećanu osetljivost|alt=Gomila bledo žutih poluprovidnih tankih pramenova, sa jarkim tačkama bele svetlosti na njihovim vrhovima.]]

Oksidi B2O3, SiO2, GeO2, As2O3, i Sb2O3 lako formiraju stakla. TeO2 formira staklo, ali to zahteva „herojsku brzinu gašenja“[164] ili dodavanje nečistoće; inače nastaje kristalni oblik.[164] Ova jedinjenja se koriste u hemijskom, kućnom i industrijskom staklenom posuđu[165] i optici.[166] Bor trioksid se koristi kao aditiv za staklena vlakna,[167] i takođe je komponenta borosilikatnog stakla, koje se široko koristi za laboratorijsko stakleno posuđe i posuđe za pećnice zbog svog niskog toplotnog širenja.[168] Većina običnog staklenog posuđa se pravi od silicijum dioksida.[169] Germanijum dioksid se koristi kao aditiv za staklena vlakna, kao i u infracrvenim optičkim sistemima.[170] Arsen trioksid se koristi u industriji stakla kao sredstvo za obezbojenje i fino čišćenje (za uklanjanje mehurića),[171] kao i antimon trioksid.[172] Telur dioksid nalazi primenu u laserskoj i nelinearnoj optici.[173]

Amorfna metalna stakla se generalno najlakše pripremaju ako je jedna od komponenti metaloid ili „bliski metaloid“ kao što su bor, ugljenik, silicijum, fosfor ili germanijum.[174][n 20] Osim tankih filmova deponovanih na veoma niskim temperaturama, prvo poznato metalno staklo je legura sastava Au75Si25 objavljena 1960. godine.[176] Metalno staklo koje ima snagu i žilavost koja nije ranije viđena, sastava Pd82.5P6Si9.5Ge2, objavljeno je 2011. godine.[177]

Fosfor, selen i olovo, koji se ređe prepoznaju kao metaloidi, takođe se koriste u čašama. Fosfatno staklo ima supstrat od fosfornog pentoksida (P2O5), a ne od silicijum dioksida (SiO2) konvencionalnih silikatnih stakala. Koristi se, na primer, za pravljenje natrijumovih lampi.[178] Jedinjenja selena mogu se koristiti i kao sredstva za obezbojenje i za dodavanje crvene boje staklu.[179] Ukrasno stakleno posuđe od tradicionalnog olovnog stakla sadrži najmanje 30% olovo(II) oksida (PbO); olovno staklo koje se koristi za zaštitu od zračenja može imati do 65% PbO.[180] Naočare na bazi olova su takođe u velikoj meri korišćene u elektronskim komponentama, materijalima za emajliranje, zaptivanje i zastakljivanje i solarnim ćelijama. Oksidna stakla na bazi bizmuta su se pojavila kao manje toksična zamena za olovo u mnogim od ovih primena.[181]

Optičko skladištenje i optoelektronika

Različiti sastavi GeSbTe („GST legure“) i Ag- i In- dopiranog Sb2Te („AIST legure“), koji su primeri materijala za promenu faze, široko se koriste u optičkim diskovima za ponovno upisivanje i memorijskim uređajima za promenu faze. Primenom toplote mogu se prebacivati između amorfnog (staklastog) i kristalnog stanja. Promena optičkih i električnih svojstava se može koristiti u svrhe skladištenja informacija.[182] Buduće aplikacije za GeSbTe mogu uključivati „ultrabrze displeje potpuno čvrstog stanja sa pikselima nanometarske skale, polutransparentne 'pametne' naočare, 'pametna' kontaktna sočiva i uređaje za veštačku mrežnjaču."[183]

Pirotehnika

Thumb
Arhaični plavi svetlosni signal, podstaknut mešavinom natrijum nitrata, sumpora i (crvenog) arsenik trisulfida[184]

Prepoznati metaloidi imaju bilo pirotehničku primenu ili povezana svojstva. Bor i silicijum se često susreću;[185] oni deluju donekle kao metalna goriva.[186] Bor se koristi u pirotehničkim inicijatorskim kompozicijama (za paljenje drugih teško zapaljivih kompozicija), kao i u kompozicijama za odlaganje koje sagorevaju konstantnom brzinom.[187] Bor karbid je identifikovan kao moguća zamena za toksičnije mešavine barijuma ili heksahloroetana u dimnoj municiji, signalnim raketama i vatrometima.[188] Silicijum je, kao i bor, komponenta inicijatorskih i odlagačkih mešavina.[187] Dopirani germanijum može delovati kao termitno gorivo promenljive brzine.[n 21] Arsen trisulfid As2S3 je korišćen u starim pomorskim signalnim svetlima; u vatrometu da se prave bele zvezde;[190] u mešavini žute dimne zavese; i u inicijatorskim kompozicijama.[191] Antimon trisulfid Sb2S3 se nalazi u vatrometu bele svetlosti i u mešavinama blica i zvuka.[192] Telurm je korišćen u mešavinama za odlaganje i u kompozicijama inicijatorskih kapa.[193]

Ugljenik, aluminijum, fosfor i selen nastavljaju temu. Ugljenik, u crnom barutu, sastavni je deo raketnog goriva za vatromet, rasprskavajućih punjenja i mešavina efekata, kao i vojnih fitilja i upaljača.[194][n 22] Aluminijum je uobičajeni pirotehnički sastojak,[185] i široko se koristi zbog svog kapaciteta da generiše svetlost i toplotu,[196] uključujući mešavine termita.[197] Fosfor se može naći u dimnoj i zapaljivoj municiji, papirnim kapicama koje se koriste u pištoljima za igračke, i poperima za zabavu.[198] Selen je korišćen na isti način kao telur.[193]

Poluprovodnici i elektronika

Thumb
Elektronske komponente zasnovane na poluprovodnicima. S leva na desno: tranzistor, integrisano kolo i LED. Elementi koji se obično prepoznaju kao metaloidi nalaze široku primenu u takvim uređajima, kao elementarni ili sastojci poluprovodničkih jedinjenja (Si, Ge ili GaAs, na primer) ili kao dopinški agensi (B, Sb, Te, na primer).

Svi elementi koji se obično prepoznaju kao metaloidi (ili njihova jedinjenja) korišćeni su u industriji poluprovodnika ili elektronike u čvrstom stanju.[199]

Neka svojstva bora ograničila su njegovu upotrebu kao poluprovodnika. On ima visoku tačku topljenja, monokristale je relativno teško dobiti, a uvođenje i zadržavanje kontrolisanih nečistoća je teško.[200]

Silicijum je vodeći komercijalni poluprovodnik; on čini osnovu moderne elektronike (uključujući standardne solarne ćelije)[201] i informacionih i komunikacionih tehnologija.[202] Ovo je bilo uprkos tome što je proučavanje poluprovodnika, početkom 20. veka, smatrano „fizikom prljavštine“ i da ne zaslužuje posebnu pažnju.[203]

Germanijum je u velikoj meri zamenjen silicijumom u poluprovodničkim uređajima, jer je jeftiniji, otporniji na višim radnim temperaturama i lakši za rad tokom procesa mikroelektronske proizvodnje.[108] Germanijum je još uvek sastavni deo poluprovodnih silicijum-germanijumskih „legura“ i one su sve više u upotrebi, posebno za bežične komunikacione uređaje; takve legure koriste veću pokretljivost nosača germanijuma.[108] Sinteza gramskih količina poluprovodničkog germanana objavljena je 2013. godine. Sastoji se od slojeva atoma germanijuma sa krajnjim vodonikom debljine jednog atoma, analogno grafanu. On sprovodi elektrone više od deset puta brže od silicijuma i pet puta brže od germanijuma, a smatra se da ima potencijal za optoelektronske i senzorske primene.[204] Razvoj anode na bazi germanijumske žice koja više nego udvostručuje kapacitet litijum-jonskih baterija prijavljen je 2014. godine.[205] Iste godine, Lee et al. izvestio je da se kristali grafena bez defekata koji su dovoljno veliki da bi mogli da se koriste u elektronskom obliku mogu da se uzgajaju na germanijumskom supstratu i uklone sa njega.[206]

Arsen i antimon nisu poluprovodnici u svojim standardnim stanjima. Oba formiraju poluprovodnike tipa III-V (kao što su GaAs, AlSb ili GaInAsSb) u kojima je prosečan broj valentnih elektrona po atomu isti kao kod elemenata Grupe 14, ali imaju direktne praznine. Ova jedinjenja su poželjna za optičke primene.[207] Nanokristali antimona mogu omogućiti da se litijum-jonske baterije zamene snažnijim natrijum-jonskim baterijama.[208]

Telur, koji je poluprovodnik u svom standardnom stanju, koristi se uglavnom kao komponenta u poluprovodničkim halkogenidima tipa II/VI; oni imaju primenu u elektrooptici i elektronici.[209] Kadmijum telurid (CdTe) se koristi u solarnim modulima zbog svoje visoke efikasnosti konverzije, niskih troškova proizvodnje i velikog raspona pojasa od 1,44 eV, što mu omogućava da apsorbuje širok opseg talasnih dužina.[201] Bizmut telurid (Bi2Te3), legiran selenom i antimonom, je komponenta termoelektričnih uređaja koji se koriste za hlađenje ili prenosnu proizvodnju energije.[210]

Pet metaloida – bor, silicijum, germanijum, arsen i antimon – mogu se naći u mobilnim telefonima (zajedno sa najmanje 39 drugih metala i nemetala).[211] Očekuje se da će telur naći takvu upotrebu.[212] Od manje poznatih metaloida, fosfor, galijum (posebno) i selen imaju primenu u poluprovodnicima. Fosfor se koristi u tragovima kao dopant za poluprovodnike n-tipa.[213] U komercijalnoj upotrebi jedinjenja galijuma dominiraju aplikacije poluprovodnika – u integrisanim kolima, mobilnim telefonima, laserskim diodama, diodama koje emituju svetlost, fotodetektorima i solarnim ćelijama.[214] Selen se koristi u proizvodnji solarnih ćelija[215] i u visokoenergetskim osiguračima.[216]

Bor, silicijum, germanijum, antimon i telur,[217] kao i teži metali i metaloidi kao što su Sm, Hg, Tl, Pb, Bi i Se,[218] se mogu naći u topološkim izolatorima. To su legure[219] ili jedinjenja koja su, na ultrahladnim temperaturama ili sobnoj temperaturi (u zavisnosti od svog sastava), metalni provodnici na svojim površinama, ali izolatori kroz unutrašnjost.[220] Kadmijum arsenid Cd3As2, na oko 1 K, je Dirakov polumetal – masovni elektronski analog grafena – u kome elektroni putuju efikasno kao čestice bez mase.[221] Smatra se da ove dve klase materijala imaju potencijalne primene u kvantnom računarstvu.[222]

Nomenklatura i istorija

Izvođenje i drugi nazivi

Nekoliko naziva se ponekad koristi kao sinonim, iako neki od njih imaju druga značenja koja nisu nužno zamenljiva: amfoterni element,[223] granični element,[224] element na pola puta,''[225] blizu metala,[226] meta-metal,[227] poluprovodnik,[228] polumetal[229] i podmetal.[230] „Amfoterni element“ se ponekad šire koristi i uključuje prelazne metale koji mogu da formiraju oksianjone, kao što su hrom i mangan.[231] „Meta-metal“ se ponekad koristi za označavanje izvesnih metala (Be, Zn, Cd, Hg, In, Tl, β-Sn, Pb) koji se nalaze levo od metaloida na standardnim periodnim sistemima.[232] Ovi metali imaju tendenciju da imaju iskrivljenu kristalnu strukturu, vrednosti električne provodljivosti na donjem kraju vrednosti metala i amfoterne (slabo bazične) okside.[233] Nazivi amfoterni element i poluprovodnik su problematični, jer neki elementi koji se nazivaju metaloidi ne pokazuju izraženo amfoterno ponašanje (na primer bizmut)[234] ili poluprovodljivost (polonijum)[235] u svojim najstabilnijim oblicima.

Poreklo i upotreba

Glavni članak: Poreklo i upotreba pojma metaloid

Poreklo i upotreba termina metaloid je zamršena. „Priručnik o metaloidima“ objavljen 1864. podelio je sve elemente bilo na metale ili na metaloide.[236]‍:31 Ranija upotreba u mineralogiji, da bi se opisao mineral metalnog izgleda, može se naći već od 1800. godine.[237] Od sredine 20. veka koristi se za označavanje srednjih ili graničnih hemijskih elemenata.[238] Međunarodna unija za čistu i primenjenu hemiju (IUPAC) je ranije preporučila da se napusti termin metaloid, i predložila da se umesto toga koristi termin polumetal.[239] Upotreba ovog potonjeg termina je nedavno bila obeshrabrena od strane Atkinsa et al.[2] jer ima uobičajenije značenje koje se odnosi na elektronsku trakastu strukturu supstance, a ne na opštu klasifikaciju elementa. Najnovije IUPAC publikacije o nomenklaturi i terminologiji ne sadrže nikakve preporuke o upotrebi termina metaloid ili polumetal.[240]

Elementi koji se obično prepoznaju kao metaloidi

Svojstva navedena u ovom odeljku odnose se na elemente u njihovim termodinamički najstabilnijim oblicima u uslovima okoline.

Bor

Glavni članak: Bor
Thumb
Bor, prikazan ovde u obliku njegove β-romboedarske faze (njegov termodinamički najstabilniji alotrop)[241]

Čisti bor je sjajna, srebrno siva kristalna čvrsta supstanca.[242] Manje je gust od aluminijuma (2,34 prema 2,70 g/cm3), tvrd je i krt. Jedva je reaktivan u normalnim uslovima, osim u slučaju napada fluorom,[243] i ima tačku topljenja od 2076 °C (cf. čelik ~1370 °C).[244] Bor je poluprovodnik;[245] njegova električna provodljivost na sobnoj temperaturi je 1,5 × 10−6 S•cm−1[246] (oko 200 puta manja od one vode iz slavine)[247] i ima pojas od oko 1,56 eV.[248][n 23] Mendeljejev je komentarisao da se „bor pojavljuje u slobodnom stanju u nekoliko oblika koji su srednji između metala i nemetala.“[250]

U strukturnoj hemiji bora dominira njegova mala atomska veličina i relativno visoka energija jonizacije. Sa samo tri valentna elektrona po atomu bora, jednostavno kovalentno povezivanje ne može ispuniti pravilo okteta.[251] Metalno vezivanje je uobičajen rezultat među težim kongenorima bora, ali to generalno zahteva niske energije jonizacije.[252] Umesto toga, zbog svoje male veličine i visokih energija jonizacije, osnovna strukturna jedinica bora (i skoro svih njegovih alotropa)[n 24] je ikosaedarski B12 klaster. Od 36 elektrona povezanih sa 12 atoma bora, 26 se nalazi u 13 delokalizovanih molekularnih orbitala; ostalih 10 elektrona se koristi za formiranje kovalentnih veza sa dva i tri centra između ikosaedara.[254] Isti motiv se može videti, kao i deltaedarske varijante ili fragmenti, kod metalnih borida i hidridnih derivata, kao i kod nekih halogenida.[255]

Vezivanje u boru je opisano kao karakteristično za ponašanje između metala i nemetalnih kovalentnih mreža (kao što je dijamant).[256] Energija potrebna za transformaciju B, C, N, Si i P iz nemetalnih u metalna stanja procenjena je na 30, 100, 240, 33 i 50 kJ/mol, respektivno. Ovo ukazuje na blizinu bora graničnoj liniji metal-nemetal.[257]

Većina hemije bora je nemetalne prirode.[257] Za razliku od svojih težih kongenera, nije poznato da formira jednostavan B3+ ili hidratisani [B(H2O)4]3+ katjon.[258] Mala veličina atoma bora omogućava pripremu mnogih međuprostornih borida tipa legure.[259] Analogije između bora i prelaznih metala primećene su u formiranju kompleksa,[260] i adukata (na primer, BH3 + CO →BH3CO i, slično, Fe(CO)4 + CO →Fe(CO)5),[n 25] kao i u geometrijskim i elektronskim strukturama vrsta klastera kao što su [B6H6]2− i [Ru6(CO)18]2−.[262][n 26] Vodena hemija bora je karakterisana sa mnogo različitih poliboratnih anjona.[264] S obzirom na njegov visok odnos naboja i veličine, bor se kovalentno vezuje u skoro svim svojim jedinjenjima; [265] izuzeci su boridi jer oni uključuju, u zavisnosti od njihovog sastava, kovalentne, jonske i metalne komponente veze.[266][n 27] Jednostavna binarna jedinjenja, kao što je bor trihlorid su Luisove kiseline jer formiranje tri kovalentne veze ostavlja otvor u oktetu koji može popuniti elektronski par doniran Luisovom bazom.[251] Bor ima jak afinitet za kiseonik i prilično ekstenzivnu hemiju borata.[259] Oksid B2O3 je polimerne strukture,[269] slabo kiseo,[270][n 28] i stvara staklo.[276] Organometalna jedinjenja bora[n 29] su poznata od 19. veka (videti organobornu hemiju).[278]

Silicijum

Glavni članak: Silicijum
Thumb
Silicijum ima plavo-sivi metalni sjaj.

Silicijum je kristalna čvrsta supstanca sa plavo-sivim metalnim sjajem.[279] Poput bora, manje je gust (2,33 g/cm3) od aluminijuma, tvrd je i krt.[280] To je relativno nereaktivan element.[279] Prema Rokovu,[281] masivni kristalni oblik (naročito ako je čist) je „izuzetno inertan za sve kiseline, uključujući fluorovodoničnu“.[n 30] Manje čisti silicijum i praškasti oblik su različito podložni napadima jakim ili zagrejanim kiselinama, kao i parom i fluorom.[285] Silicijum se rastvara u vrelim vodenim alkalijama sa evolucijom vodonika, kao i metali[286] kao što su berilijum, aluminijum, cink, galijum ili indijum.[287] Topi se na 1414 °C. Silicijum je poluprovodnik sa električnom provodljivošću od 10−4 S•cm−1[288] i širinom pojasa od oko 1,11 eV.[282] Kada se topi, silicijum postaje umereno metalan[289] sa električnom provodljivošću od 1,0–1,3 × 104 S•cm−1, slično onoj tečne žive.[290]

Hemija silicijuma je generalno nemetalna (kovalentna) po prirodi.[291] Nije poznato da formira katjon.[292][n 31] Silicijum može da formira legure sa metalima kao što su gvožđe i bakar.[293] On pokazuje manje sklonosti ka anjonskom ponašanju od običnih nemetala.[294] Njegovu hemiju u rastvoru karakteriše formiranje oksianjona.[295] Visoka čvrstoća silicijum-kiseonične veze dominira hemijskim ponašanjem silicijuma.[296] Polimerni silikati, izgrađeni od tetraedarskih SiO4 jedinica koje dele svoje atome kiseonika, su najzastupljenija i najvažnija jedinjenja silicijuma.[297] Polimerni borati, koji se sastoje od povezanih trigonalnih i tetraedarskih BO3 ili BO4 jedinica, izgrađeni su na sličnim strukturnim principima.[298] Oksid SiO2 je polimerne strukture,[269] slabo kiseo,[299][n 32] i stvara staklo.[276] Tradicionalna organometalna hemija uključuje ugljenična jedinjenja silicijuma (videti organosilicijum).[303]

Germanijum

Glavni članak: Germanijum
Thumb
Germanijum se ponekad opisuje kao metal.

Germanijum je sjajna sivo-bela čvrsta supstanca.[304] On ima gustinu od 5,323 g/cm3, tvrd je i krt.[305] Uglavnom je nereaktivan na sobnoj temperaturi,[n 33] ali ga polako napada vruća koncentrovana sumporna ili azotna kiselina.[307] Germanijum takođe reaguje sa rastopljenom kaustičnom sodom dajući natrijum germanat Na2GeO3 i gas vodonika.[308] Topi se na 938 °C. Germanijum je poluprovodnik sa električnom provodljivošću od oko 2 × 10−2 S•cm−1[307] i širinom pojasa od 0,67 eV.[309] Tečni germanijum je metalni provodnik, sa električnom provodljivošću sličnom onoj tečne žive.[310]

Većina hemije germanijuma je karakteristična za nemetal.[311] Nejasno je da li germanijum formira katjon ili ne, osim što je prijavljeno postojanje Ge2+ jona u nekoliko ezoteričnih jedinjenja.[n 34] On može da formira legure sa metalima kao što su aluminijum i zlato.[324] On pokazuje manje sklonosti ka anjonskom ponašanju od običnih nemetala.[294] Njegovu hemiju u rastvoru karakteriše formiranje oksianjona.[295] Germanijum generalno formira tetravalentna (IV) jedinjenja, a može da formira i manje stabilna dvovalentna (II) jedinjenja, u kojima se ponaša više kao metal.[325] Pripremljeni su germanijumski analozi svih glavnih tipova silikata.[326] Metalni karakter germanijuma je takođe sugerisan formiranjem različitih oksokiselinskih soli. Opisani su fosfat [(HPO4)2Ge·H2O] i visoko stabilan trifluoracetat Ge(OCOCF3)4, kao i Ge2(SO4)2, Ge(ClO4)4 i GeH2(C2O4)3.[327] Oksid GeO2 je polimeran,[269] amfoteričan[328] i stvara staklo.[276] Dioksid je rastvorljiv u kiselim rastvorima (monoksid GeO, još više), i to se ponekad koristi da se germanijum klasifikuje kao metal.[329] Do 1930-ih germanijum se smatrao slabo provodljivim metalom;[330] kasniji pisci su ga povremeno klasifikovali kao metal.[331] Kao i kod svih elemenata koji se obično prepoznaju kao metaloidi, germanijum ima utvrđenu organometalnu hemiju (videti organogermanijumsku hemiju).[332]

Arsen

Glavni članak: Arsen
Thumb
Arsen, zapečaćen u kontejneru da spreči tamnjenje.

Arsen je siva čvrsta materija metaličnog izgleda. On ima gustinu od 5,727 g/cm3, krt je i umereno tvrd (više od aluminijuma; manje od gvožđa).[333] Stabilan je na suvom vazduhu, ali na vlažnom vazduhu razvija zlatno bronzanu patinu, koja pri daljem izlaganju pocrni. Arsen napadaju azotna kiselina i koncentrovana sumporna kiselina. On reaguje sa stopljenom kaustičnom sodom dajući arsenat Na3AsO3 i gas vodonik.[334] Arsen sublimira na 615 °C. Para je limunsko žuta i miriše na beli luk.[335] Arsen se topi samo pod pritiskom od 38,6 atm, na 817 °C.[336] To je polumetal sa električnom provodljivošću od oko 3,9 × 104 S•cm−1[337] i preklapanjem pojasa od 0,5 eV.[338][n 35] Tečni arsen je poluprovodnik sa širinom pojasa od 0,15 eV.[340]

Hemija arsena je pretežno nemetalna.[341] Nejasno je da li arsen formira katjon ili ne.[n 36] Njegove mnoge metalne legure su uglavnom krte.[349] Pokazuje manje sklonosti ka anjonskom ponašanju od običnih nemetala.[294] Njegovu hemiju rastvora karakteriše formiranje oksianjona.[295] Arsen generalno formira jedinjenja u kojima ima oksidaciono stanje +3 ili +5.[350] Halogenidi, i oksidi i njihovi derivati su ilustrativni primeri.[297] U trovalentnom stanju, arsen pokazuje neka inicijalna metalna svojstva.[351] Halogenidi se hidrolizuju vodom, ali ove reakcije, posebno one hlorida, su reverzibilne dodatkom halogenovodonične kiseline.[352] Oksid je kiseo, ali, kao što je navedeno u nastavku, (slabo) amfoteričan. Više, manje stabilno, petovalentno stanje ima jako kisela (nemetalna) svojstva.[353] U poređenju sa fosforom, jači metalni karakter arsena ukazuje na formiranje oksokiselinih soli kao što su AsPO4, As2(SO4)3[n 37] i acetat arsena As(CH3COO)3.[356] Oksid As2O3 je polimeran,[269] amfoteričan,[357][n 38] i stvara staklo.[276] Arsen ima ekstenzivnu organometalnu hemiju (videti organoarsensku hemiju).[360]

Antimon

Glavni članak: Antimon
Thumb
Antimon, koji ispoljava svoj visok sjaj

Antimon je srebrno-bela čvrsta materija sa plavim nijansama i briljantnim sjajem.[334] On ima gustinu od 6,697 g/cm3, krt je i umereno tvrd (više od arsena; manje od gvožđa; otprilike isto kao bakar).[333] Stabilan je na vazduhu i vlazi na sobnoj temperaturi. Napada ga koncentrovana azotna kiselina, pri čemu se dobija hidratisani pentoksid Sb2O5. Carska voda daje pentahlorid SbCl5, a izlaganje vrućoj koncentrovanoj sumpornoj kiselini rezultira stvaranjem sulfata Sb2(SO4)3.[361] Na njega ne utiču rastopljene alkalije.[362] Antimon ima sposobnost istiskivanja vodonika iz vode, kada se zagreje: 2 Sb + 3 H2O → Sb2O3 + 3 H2.[363] Topi se na 631 °C. Antimon je polumetal sa električnom provodljivošću od oko 3,1 × 104 S•cm−1[364] i preklapanjem trake od 0,16 eV.[338][n 39] Tečni antimon je metalni provodnik sa električnom provodljivošću od oko 5,3 × 5,3 ×. 104 S•cm−1.[366]

Većina hemije antimona je karakteristična za nemetal.[367] Antimon ima definitivnu katjonsku hemiju,[368] SbO+ i Sb(OH)2+ su prisutni u kiselom vodenom rastvoru;[369][n 40] jedinjenje Sb8(GaCl4)2, koje sadrži homopolikatjon, Sb82+, pripremljeno je u 2004.[371] Antimon može da formira legure sa jednim ili više metala kao što su aluminijum,[372] gvožđe, nikl, bakar, cink, kalaj, olovo i bizmut.[373] Antimon ima manje sklonosti ka anjonskom ponašanju od običnih nemetala.[294] Njegovu hemiju u rastvoru karakteriše formiranje oksianjona.[295] Poput arsena, antimon generalno formira jedinjenja u kojima ima oksidaciono stanje od +3 ili +5.[350] Halogenidi, i oksidi i njihovi derivati su ilustrativni primeri.[297] Stanje +5 je manje stabilno od +3, ali je relativno lakše postići nego sa arsenom. Ovo se objašnjava lošom zaštitom koju jezgro arsena pruža svojim 3d10 elektronima. Poređenja radi, tendenciju antimona (koji je teži atom) da se lakše oksidira delimično nadoknađuje efekat njegove ljuske 4d10.[374] Tropozitivni antimon je amfoteričan; pentapozitivni antimon je (pretežno) kiseo.[375] U skladu sa povećanjem metalnog karaktera idući niz grupu 15, antimon formira soli uključujući acetat Sb(CH3CO2)3, fosfat SbPO4, sulfat Sb2(SO4)3 i perhlorat Sb(ClO4)3.[376] Inače kiseli pentoksid Sb2O5 pokazuje izvesno bazno (metalno) ponašanje u smislu da se može rastvoriti u veoma kiselim rastvorima, uz formiranje oksikatjona SbO+
2.[377] Oksid Sb2O3 je polimeran,[269] amfoteričan,[378] i stvara staklo.[276] Antimon ima ekstenzivnu organometalnu hemiju (videti organoantimonku hemiju).[379]

Telur

Glavni članak: Telur
Thumb
Telur, koji je Dmitrij Mendeljejev opisao kao elemena na prelazu između metala i nemetala.[380]

Telur je srebrno-bela sjajna čvrsta supstanca.[381] On ima gustinu od 6,24 g/cm3, krt je i najmekši je od opštepriznatih metaloida, jer je neznatno tvrđi od sumpora.[333] Veliki komadi telura su stabilni u vazduhu. Fino praškasti oblik se oksiduje vazduhom u prisustvu vlage. Telur reaguje sa ključalom vodom, ili kada se sveže istaloži čak i na 50 °C, dajući dioksid i vodonik: Te + 2 H2O → TeO2 + 2 H2.[382] On reaguje (u različitom stepenu) sa azotnom, sumpornom i hlorovodoničnom kiselinom dajući jedinjenja kao što su sulfoksid TeSO3 ili telurska kiselina H2TeO3,[383] bazni nitrat (Te2O4H)+(NO3)−,[384] ili oksid sulfat Te2O3(SO4).[385] Rastvara se u kipućim alkalijama, dajući telurit i telurid: 3 Te + 6 KOH = K2TeO3 + 2 K2Te + 3 H2O, reakcija koja se odvija ili je reverzibilna sa povećanjem ili smanjenjem temperature.[386]

Na višim temperaturama telur je dovoljno plastičan za ekstrudiranje.[387] Topi se na 449,51 °C. Kristalni telur ima strukturu koja se sastoji od paralelnih beskonačnih spiralnih lanaca. Veza između susednih atoma u lancu je kovalentna, ali postoje dokazi o slaboj metalnoj interakciji između susednih atoma različitih lanaca.[388] Telur je poluprovodnik sa električnom provodljivošću od oko 1,0 S•cm−1[389] i širinom pojasa od 0,32 do 0,38 eV.[390] Tečni telur je poluprovodnik, sa električnom provodljivošću, pri topljenju, od oko 1,9 × 103 S•cm−1.[390] Pregrejani tečni telur je metalni provodnik.[391]

Većina hemije telura je karakteristična za nemetal.[392] On pokazuje izvesno katjonsko ponašanje. Dioksid se rastvara u kiselini da bi se dobio trihidroksotelur(IV) Te(OH)3+ jon;[393][n 41] crveni Te42+ i žuto-narandžasti Te62+ joni nastaju kada se telur oksiduje u fluorosumpornoj kiselini (HSO3F) ili tečnosti sumpor dioksida (SO2), respektivno.[396] On može da formira legure sa aluminijumom, srebrom i kalajem.[397] Telur pokazuje manje sklonosti ka anjonskom ponašanju od običnih nemetala.[294] Njegovu hemiju rastvora karakteriše formiranje oksianjona.[295] Telur generalno formira jedinjenja u kojima ima oksidaciono stanje -2, +4 ili +6. Stanje +4 je najstabilnije.[382] Teluridi sastava XxTey se lako formiraju sa većinom drugih elemenata i predstavljaju najčešći mineral telura. Nestehiometrija je sveprisutna, posebno sa prelaznim metalima. Mnogi teluridi se mogu smatrati metalnim legurama.[398] Povećanje metalnog karaktera evidentno u teluru, u poređenju sa lakšim halkogenima, dalje se odražava u prijavljenom formiranju različitih drugih soli oksikiselina, kao što su bazni selenat 2TeO2·SeO3 i analogni perhlorat i perjodat 2TeO2·HXO4.[399] Telur formira polimerni,[269] amfoterni[378] oksid koji formira staklo[276] TeO2. To je „uslovni“ oksid koji stvara staklo – on formira staklo sa vrlo malom količinom aditiva.[276] Telur ima ekstenzivnu organometalnu hemiju (videti organotelurnu hemiju).[400]

Elementi koji se ređe prepoznaju kao metaloidi

Ugljenik

Glavni članak: Ugljenik
Thumb
Ugljenik (kao grafit). Delokalizovani valentni elektroni unutar slojeva grafita daju mu metalni izgled.[401]

Ugljenik se obično klasifikuje kao nemetal,[402] ali ima neka metalna svojstva i povremeno se klasifikuje kao metaloid.[403] Heksagonalni grafitni ugljenik (grafit) je termodinamički najstabilniji alotrop ugljenika u uslovima ambijenta.[404] Ima sjajan izgled[405] i prilično je dobar električni provodnik.[406] Grafit ima slojevitu strukturu. Svaki sloj se sastoji od atoma ugljenika vezanih za tri druga atoma ugljenika u heksagonalnom rasporedu rešetke. Slojevi su složeni zajedno i labavo ih drže van der Valsove sile i delokalizovani valentni elektroni.[407]

Poput metala, provodljivost grafita u pravcu njegovih ravni opada kako se temperatura povećava;[408][n 42] on ima elektronsku trakastu strukturu polumetala.[408] Alotropi ugljenika, uključujući grafit, mogu prihvatiti strane atome ili jedinjenja u svoje strukture supstitucijom, interkalacijom ili dopingom. Dobijeni materijali se ponekad nazivaju „legure ugljenika“.[412] Ugljenik može da formira jonske soli, uključujući vodonik sulfate, perhlorate i nitrate (C+
24X−.2HX, gde je X = HSO4, ClO4; i C+
24NO–
3.3HNO3).[413][n 43] U organskoj hemiji, ugljenik može da formira kompleksne katjone – zvane karbokatjoni – u kojima je pozitivno naelektrisanje na atomu ugljenika; primeri su CH+
3 i CH+
5 i njihovi derivati.[414]

Grafit je pozta kao čvrsto mazivo i ponaša se kao poluprovodnik u pravcu upravnom na njegove ravni.[408] Većina njegove hemije je nemetalna;[415] on ima relativno visoku energiju jonizacije[416] i, u poređenju sa većinom metala, relativno visoku elektronegativnost.[417] Ugljenik može da formira anjone kao što su C4− (metanid), C2–
2 (acetilid), i C3–
4 (seskvikarbid ili alilenid), u jedinjenjima sa metalima glavnih grupa 1–3, kao i sa lantanidima i aktinidima.[418] Njegov oksid CO2 formira ugljenu kiselinu H2CO3.[419][n 44]

Aluminijum

Glavni članak: Aluminijum
Thumb
Aluminijum visoke čistoće je mnogo mekši od poznatih legura. Ljudi koji njime rukuju po prvi put često pitaju da li je to realna stvar.[421]

Aluminijum se obično klasifikuje kao metal.[422] On je sjajan, savitljiv i duktilan, i ima visoku električnu i toplotnu provodljivost. Kao i većina metala, ima čvrsto zbijenu kristalnu strukturu,[423] i formira katjon u vodenom rastvoru.[424]

On ima neka svojstva koja su neobična za metal; uzeta zajedno,[425] ona se ponekad koriste kao osnova za klasifikaciju aluminijuma kao metaloida.[426] Njegova kristalna struktura pokazuje neke dokaze usmerenog vezivanja.[427] Aluminijum se kovalentno vezuje u većini jedinjenja.[428] Oksid Al2O3 je amfoteran[429] i uslovno stvara staklo.[276] Aluminijum može da formira anjonske aluminate,[425] takvo ponašanje se smatra nemetalnim po karakteru[70]

Klasifikacija aluminijuma kao metaloida je sporna[430] s obzirom na njegova brojna metalna svojstva. Stoga je, verovatno, izuzetak od mnemotehnike da su elementi koji se nalaze pored linije razdvajanja metal-nemetal metaloidi.[431][n 45]

Stot[433] označava aluminijum kao slab metal. On ima fizička svojstva metala, ali i neka od hemijskih svojstava nemetala. Stil[434] primećuje paradoksalno hemijsko ponašanje aluminijuma: „On podseća na slab metal po svom amfoternom oksidu i po kovalentnom karakteru mnogih njegovih jedinjenja... Ipak, to je veoma elektropozitivan metal... [sa] visokim negativnim potencijalom elektrode“. Mudi[435] kaže da je „aluminijum na 'dijagonalnoj granici' između metala i nemetala u hemijskom smislu.”

Selen

Glavni članak: Selen
Thumb
Sivi selen, budući da je fotoprovodan, provodi električnu energiju oko 1.000 puta bolje kada svetlost padne na njega, što je svojstvo koje se koristi od sredine 1870-ih u različitim aplikacijama za detekciju svetlosti.[436]

Selen pokazuje granično metaloidno ili nemetalno ponašanje.[437][n 46]

Njegov najstabilniji oblik, sivi trigonalni alotrop, ponekad se naziva i „metalni“ selen, jer je njegova električna provodljivost nekoliko redova veličine veća od one crvene monoklinske forme.[440] Metalni karakter selena je dalje prikazan njegovim sjajem,[441] i kristalnom strukturom, za koju se smatra da uključuje slabo „metalnu“ međulančanu vezu.[442] Selen se može izvući u tanke niti kada je rastopljen i viskozan.[443] On pokazuje nespremnost da poprimi „visoke pozitivne oksidacione brojeve karakteristične za nemetale“.[444] On može da formira ciklične polikatjone (kao što je Se2+
8) kada se rastvori u oleumima[445] (atribut koji deli sa sumporom i telurom), i hidrolizovanu katjonsku so u obliku trihidrokselen(IV) perhlorata [Se(OH)3]+·ClO–
4.[446]

Nemetalni karakter selena pokazuje njegova krtost[441] i niska električna provodljivost (~10−9 do 10−12 S•cm−1) njegovog visoko prečišćenog oblika.[94] Ovo je uporedivo ili manje od broma (7,95××10–12 S•cm−1),[447] nemetala. Selen ima elektronsku traku strukture poluprovodnika[448] i zadržava svoja poluprovodnička svojstva u tečnom obliku.[448] On ima relativno visoku[449] elektronegativnost (2,55 revidirana Polingova skala). Njegova reakciona hemija je uglavnom hemija njegovih nemetalnih anjonskih oblika Se2−, SeO2−
3 i SeO2−
4.[450]

Selen se obično opisuje kao metaloid u literaturi hemije životne sredine.[451] On se kreće kroz vodenu sredinu slično kao arsen i antimon;[452] njegove soli rastvorljive u vodi, pri višim koncentracijama, imaju sličan toksikološki profil kao i arsen.[453]

Polonijum

Glavni članak: Polonijum

Polonijum je na neki način „izrazito metalan“.[235] Oba njegova alotropna oblika su metalni provodnici.[235] Rastvorljiv je u kiselinama, formirajući ružičasti katjon Po2+ i zamenjujući vodonik: Po + 2 H+ → Po2+ + H2.[454] Poznate su mnoge polonijumove soli.[455] Oksid PoO2 je pretežno bazine prirode.[456] Polonijum je nepovoljan oksidacioni agens, za razliku od njegovog najlakšeg kongenera kiseonika: potrebni su visoko redukcioni uslovi za formiranje Po2− anjona u vodenom rastvoru.[457]

Nejasno je da li je polonijum duktilan ili krt. Predviđa se da je duktilan na osnovu izračunatih elastičnih konstanti.[458] Ima jednostavnu kubnu kristalnu strukturu. Takva struktura ima malo klizajućih sistema i to „dovodi do veoma niske duktilnosti i stoga niske otpornosti na lom“.[459]

Polonijum pokazuje nemetalni karakter u svojim halogenidima, i postojanjem polonida. Halogenidi imaju svojstva koja su generalno karakteristična za nemetalne halogenide (da su isparljivi, lako se hidrolizuju i rastvorljivi u organskim rastvaračima).[460] Mnogi metalni polonidi, dobijeni zagrevanjem elemenata zajedno na 500–1000 °C, i koji sadrže Po2− anjon, takođe su poznati.[461]

Astat

Glavni članak: Astat

Kao halogen, astat ima tendenciju da se klasifikuje kao nemetal.[462] On ima neka izražena metalna svojstva[463] i ponekad se umesto toga klasifikuje ili kao metaloid[464] ili (ređe) kao metal.[n 47] Odmah nakon produkcije 1940. rani istraživači su ga smatrali metalom.[466] Godine 1949, nazvan je najplemenitijim (teško redukujućim) nemetalom, kao i relativno plemenitim (teškim za oksidaciju) metalom.[467] Godine 1950, astat je opisan kao halogen i (zbog toga) reaktivni nemetal.[468] U 2013. godini, na osnovu relativističkog modelovanja, predviđeno je da astat monoatomni metal, sa kubnom kristalnom strukturom.[469]

Nekoliko autora je komentarisalo metalnu prirodu nekih svojstava astata. Pošto je jod poluprovodnik u pravcu njegovih ravni, i pošto halogeni postaju metalniji sa povećanjem atomskog broja, pretpostavlja se da bi astat bio metal ako bi mogao da formira kondenzovanu fazu.[470][n 48] Astat može biti metalan u tečnom stanju na osnovu toga što su elementi sa entalpijom isparavanja (∆Hvap) većom od ~42 kJ/mol metalni kada su tečni.[472] Takvi elementi uključuju bor,[n 49] silicijum, germanijum, antimon, selen i telur. Procenjene vrednosti za ∆Hvap dvoatomskog astata su 50 kJ/mol ili više;[476] dvoatomski jod, sa ∆Hvap od 41,71,[477] je malo ispod granične vrednosti.

„Kao i tipični metali, astat se taloži vodonik-sulfidom čak i iz jako kiselih rastvora i zamenjuje se u slobodnom obliku iz rastvora sulfata; taloži se na katodi prilikom elektrolize.“[478][n 50] Dalje indikacije tendencija da se astat ponaša kao (teški) metal su: „... formiranje pseudohalidnih jedinjenja ... kompleksa astatnih katjona ... kompleksnih anjona trovalentnog astata ... kao i kompleksa sa različitim organskim rastvaračima”.[480] Takođe se tvrdilo da astat pokazuje katjonsko ponašanje, putem stabilnih At+ i AtO+ oblika, u jako kiselim vodenim rastvorima.[481]

Neke od prijavljenih osobina astata su nemetalne. Ekstrapolirano je da ima uski tečni opseg koji se obično povezuje sa nemetalima (t.t. 302 °C; t.k. 337 °C),[482] iako eksperimentalne indikacije sugerišu nižu tačku ključanja od oko 230±3&nbsp°C. Bacanov daje izračunatu energiju pojasnog opsega za astat od 0,7 eV;[483] ovo je u skladu sa nemetalima (u fizici) koji imaju odvojene valentne i provodne pojaseve i samim tim su ili poluprovodnici ili izolatori.[484] Hemiju astata u vodenom rastvoru uglavnom karakteriše formiranje različitih anjonskih vrsta.[485] Većina njegovih poznatih jedinjenja podseća na jod,[486] koji je halogen i nemetal.[487] Takva jedinjenja uključuju astatide (XAt), astatate (XAtO3) i monovalentna interhalogena jedinjenja.[488]

Restrepo et al.[489] su izvestili da je astat više sličan polonijumu nego halogenu. To su uradili na osnovu detaljnih uporednih studija poznatih i interpoliranih svojstava 72 elementa.

Povezani koncepti

Blizu metaloida

Thumb
Kristali joda, koji pokazuju metalni sjaj. Jod je poluprovodnik u pravcu njegovih ravni, sa zonom od ~1,3 eV. On ima električnu provodljivost od 1,7 × 10−8 S•cm−1 na sobnoj temperaturi.[490] Ovo je više od selena, ali niže od bora, najmanje električno provodljivog od poznatih metaloida.[n 51]

U periodičnoj tabeli, neki od elemenata koji se nalaze u blizini opštepriznatih metaloida, iako se obično klasifikuju kao metali ili nemetali, povremeno se nazivaju bliskim metaloidima[493] ili su poznati po svom metaloidnom karakteru. Levo od linije razdvajanja metal-nemetal, takvi elementi uključuju galijum,[494] kalaj[495] i bizmut.[496] Oni pokazuju neobične strukture pakovanja,[497] izraženu kovalentnu hemiju (molekularnu ili polimernu)[498] i amfoterizam.[499] Desno od linije razdvajanja su ugljenik,[500] fosfor,[501] selen[502] i jod.[503] Oni pokazuju metalni sjaj, poluprovodna svojstva[n 52] i vezujuće ili valentne pojaseve delokalizovanog karaktera. Ovo se odnosi na njihove termodinamički najstabilnije oblike u uslovima okoline: ugljenik kao grafit; fosfor kao crni fosfor;[n 53] i selen kao sivi selen.

Alotropi

Thumb
Beli kalaj (levo) i sivi kalaj (desno). Oba oblika imaju metalni izgled.

Različiti kristalni oblici elementa nazivaju se alotropima. Neki alotropi, posebno oni elemenata koji se nalaze (u smislu periodinog sistema) pored ili blizu zamišljene linije razdvajanja između metala i nemetala, pokazuju izraženije metalno, metaloidno ili nemetalno ponašanje od drugih.[509] Postojanje takvih alotropa može zakomplikovati klasifikaciju obuhvaćenih elemenata.[510]

Kalaj, na primer, ima dva alotropa: tetragonalni „beli” β-kalaj i kubni „sivi” α-kalaj. Beli kalaj je veoma sjajan, duktilan i savitljiv metal. To je stabilan oblik na ili iznad sobne temperature i ima električnu provodljivost od 9,17 × 104 S·cm−1 (~1/6 od bakra).[511] Sivi kalaj obično ima izgled sivog mikrokristalnog praha, a može se pripremiti i u krhkim polusjajnim kristalnim ili polikristalnim oblicima. To je stabilan oblik ispod 13,2 °C i ima električnu provodljivost između (2–5) × 102 S·cm−1 (~1/250 od belog kalaja).[512] Sivi kalaj ima istu kristalnu strukturu kao dijamant. On se ponaša kao poluprovodnik (kao da ima pojasni otvor od 0,08 eV), ali ima elektronsku pojasnu strukturu polumetala.[513] Pominje se ili kao veoma loš metal,[514] metaloid,[515] nemetal[516] ili bliko metaloidan.[496]

Dijamantski alotrop ugljenika je očigledno nemetalan, providan je i ima nisku električnu provodljivost od 10−14 do 10−16 S·cm−1.[517] Grafit ima električnu provodljivost od 3 × 104 S·cm−1,[518] što je vrednost karakterističnija za metal. Fosfor, sumpor, arsen, selen, antimon i bizmut takođe imaju manje stabilne alotrope koji pokazuju različita ponašanja.[519]

Obilje, ekstrakcija i cena

Више информација Z, Element ...
ZElementGrama
/tona
8Kiseonik461,000
14Silicijum282,000
13Aluminijum82,300
26Gvožđe56,300
6Ugljenik200
29Bakar60
5Bor10
33Arsen1.8
32Germanijum1.5
47Srebro0.075
34Selen0.05
51Antimon0.02
79Zlato0.004
52Telur0.001
75Renijum0.00000000077×10−10
54Ksenon0.000000000033×10−11
84Polonijum0.00000000000000022×10−16
85Astat0.0000000000000000033×10−20
Затвори

Obilje

Tabela daje kristalne zastupljenosti u Zemljinoj kori elemenata koji se obično do retko prepoznaju kao metaloidi.[520] Neki drugi elementi su uključeni radi poređenja: kiseonik i ksenon (najviše i najmanje zastupljeni elementi sa stabilnim izotopima); gvožđe i metali za kovani novac bakar, srebro i zlato; i renijum, najmanje zastupljen stabilni metal (aluminijum je obično najzastupljeniji metal). Objavljene su različite procene zastupljenosti; one su često u izvesnoj meri protivrečne.[521]

Ekstrakcija

Prepoznati metaloidi se mogu dobiti hemijskom redukcijom njihovih oksida ili njihovih sulfida. U zavisnosti od početne forme i ekonomskih faktora, mogu se koristiti jednostavnije ili složenije metode ekstrakcije.[522] Bor se rutinski dobija redukcijom trioksida magnezijumom: B2O3 + 3 Mg → 2 B + 3MgO; nakon sekundarne obrade dobijeni smeđi prah ima čistoću do 97%.[523] Bor veće čistoće (> 99%) se priprema zagrevanjem isparljivih jedinjenja bora, kao što su BCl3 ili BBr3, bilo u atmosferi vodonika (2 BX3 + 3 H2 → 2 B + 6 HX) ili do tačke termičke dekompozicije. Silicijum i germanijum se dobijaju iz njihovih oksida zagrevanjem oksida ugljenikom ili vodonikom: SiO2 + C → Si + CO2; GeO2 + 2 H2 → Ge + 2 H2O. Arsen se izoluje iz njegovog pirita (FeAsS) ili arsenovog pirita (FeAs2) zagrevanjem; alternativno, može se dobiti iz oksida redukcijom ugljenikom: 2 As2O3 + 3 C → 2 As + 3 CO2.[524] Antimon se dobija iz njegovog sulfida redukcijom gvožđem: Sb2S3 → 2 Sb + 3 FeS. Telur se dobija iz njegovog oksida rastvaranjem u vodenom NaOH, pri čemu se dobija telurit, zatim elektrolitičkom redukcijom: TeO2 + 2 NaOH → Na2TeO3 + H2O;[525] Na2TeO3 + H2O → Te + 2 NaOH + O2.[526] Druga opcija je redukcija oksida pečenjem sa ugljenikom: TeO2 + C → Te + CO2.[527]

Metode proizvodnje za elemente koji se ređe prepoznaju kao metaloidi uključuju prirodnu obradu, elektrolitsku ili hemijsku redukciju, ili zračenje. Ugljenik (kao grafit) se javlja prirodno i ekstrahuje se drobljenjem matične stene i isplivavanjem lakšeg grafita na površinu. Aluminijum se ekstrahuje rastvaranjem njegovog oksida Al2O3 u rastopljenom kriolitu Na3AlF6 i zatim elektrolitičkom redukcijom na visokoj temperaturi. Selen se proizvodi pečenjem selenida kovanog metala X2Se (X = Cu, Ag, Au) sa soda pepelom da bi se dobio selenit: X2Se + O2 + Na2CO3 → Na2SeO3 + 2 X + CO2; selenid se neutrališe sumpornom kiselinom H2SO4 da bi se dobila selenova kiselina H2SeO3; ovo se redukuje provođenjem mehurića SO2 da bi se dobio elementarni selen. Polonijum i astat se proizvode u malim količinama ozračavanjem bizmuta.[528]

Trošak

Prepoznati metaloidi i njihovi bliži susedi uglavnom koštaju manje od srebra; samo su polonijum i astat skuplji od zlata, zbog njihove značajne radioaktivnosti. Prema podacima od 5. aprila 2014, cene za male uzorke (do 100 g) silicijuma, antimona, telura, grafita, aluminijuma i selena u proseku su oko jedne trećine cene srebra (1,5 USD po gramu ili oko 45 USD po unci). Uzorci bora, germanijuma i arsena u proseku su oko tri i po puta veći od cene srebra.[n 54] Polonijum je dostupan za oko 100 dolara po mikrogramu.[533] Zalucki i Prušinski[534] procenjuju slične troškove za proizvodnju astata. Cene za primenljive elemente kojima se trguje kao roba imaju tendenciju da se kreću na opsegu dva do tri puta nižih od cene uzorka (Ge), do skoro tri hiljade puta nižih (As).[n 55]

Napomene

  1. [n 1]
    For a related commentary see also: Vernon, René E. (10. 12. 2013). „Which Elements Are Metalloids?”. Journal of Chemical Education. 90 (12): 1703—1707. ISSN 0021-9584. doi:10.1021/ed3008457. Приступљено 13. 2. 2025.
  2. [n 2]
    Definicije i izvodi različitih autora, koji ilustruju aspekte generičke definicije, slede:
    • „U hemiji metaloid je element sa srednjim svojstvima između onih kod metala i nemetala.“[3]
    • „Između metala i nemetala u periodičnoj tabeli nalazimo elemente... [koji] dele neke od karakterističnih svojstava i metala i nemetala, što otežava njihovo smeštanje u bilo koju od ove dve glavne kategorije“[4]
    • „Hemičari ponekad koriste naziv metaloid... za ove elemente koje je teško klasifikovati na ovaj ili onaj način.“[5]
    • „Pošto su osobine koje razlikuju metale i nemetale kvalitativne prirode, neki elementi ne spadaju jednoznačno ni u jednu kategoriju. Ovi elementi ... se nazivaju metaloidi ...”[6]
    U širem smislu, metaloidi se nazivaju:
    • „elementi koji... su donekle ukrštanje metala i nemetala“;[7] ili
    • "čudni elementi između".[8]
  3. [n 3]
    Zlato, na primer, ima mešovita svojstva, ali je i dalje priznato kao „kralj metala“. Pored metalnog ponašanja (kao što je visoka električna provodljivost i formiranje katjona), zlato pokazuje nemetalno ponašanje: O halogenom karakteru, videti takođe Belpasi et al.,[13] koji zaključuju da se u auridima MAu (M = Li–Cs) zlato „ponaša kao halogen, između Br i I“; o aurofilnosti, videti takođe Schmidbaur and Schier.[14]
  4. [n 4]
    Mann et al.[17] nazivaju ove elemente „priznatim metaloidima”.
  5. [n 5]
    Jones[45] piše: „Iako je klasifikacija suštinska karakteristika u svim granama nauke, uvek postoje teški slučajevi na granicama. Zaista, granica klase retko je oštra.”
  6. [n 6]
    Nedostatak standardne podele elemenata na metale, metaloide i nemetale nije nužno problem. Postoji manje-više, kontinuirano napredovanje od metalnog ka nemetalnom. Određeni podskup ovog kontinuuma mogao bi služiti svojoj posebnoj svrsi kao i bilo kojoj drugoj.[46]
  7. [n 7]
    Efikasnost pakovanja bora je 38%; silicijuma i germanijuma 34; arsena 38,5; antimona 41; i telura 36,4.[50] Ove vrednosti su niže nego kod većine metala (od kojih 80% ima efikasnost pakovanja od najmanje 68%),[51] ali veće od onih kod elemenata koji se obično klasifikuju kao nemetali. (Galijum je neuobičajen za metal, jer ima efikasnost pakovanja od samo 39%.)[52] Druge značajne vrednosti za metale su 42,9 za bizmut[53] i 58,5 za tečnu živu.[54]) Efikasnost pakovanja za nemetale je: grafit 17%,[55] sumpor 19,2,[56] jod 23,9,[56] selen 24,2,[56] i crni fosfor 28,5.[53]
  8. [n 8]
    Specifičnije, Goldhamer–Hercfeldov kriterijum je odnos sile koja drži valentne elektrone pojedinačnog atoma na mestu sa silama na iste elektrone iz interakcija između atoma u čvrstom ili tečnom elementu. Kada su međuatomske sile veće ili jednake atomskoj sili, ukazuje se na kretanje valentnih elektrona i predviđa se metalno ponašanje.[58] U suprotnom se očekuje nemetalno ponašanje.
  9. [n 9]
    Pošto je odnos zasnovan na klasičnim argumentima,[60] on ne objašnjava nalaz da polonijum, koji ima vrednost od ~0,95, usvaja metalnu (a ne kovalentnu) kristalnu strukturu, na relativističkim osnovama.[61] Ipak, to nudi racionalizaciju prvog reda za pojavu metalnog karaktera među elementima.[62]
  10. [N 10]
    Atomska provodljivost je električna provodljivost jednog mola supstance. Jednaka je električnoj provodljivosti podeljenoj molarnom zapreminom.[5]
  11. [N 11]
    Selen ima energiju jonizacije (IE) od 225 kcal/mol (941 kJ/mol) i ponekad se opisuje kao poluprovodnik. On ima relativno visoku elektronegativnost od 2,55 (EN). Polonijum ima IE od 194 kcal/mol (812 kJ/mol) i 2,0 EN, ali ima strukturu metalne trake.[67] Astat ima IE od 215 kJ/mol (899 kJ/mol) i EN od 2,2.[68] Njegova elektronska struktura opsega nije poznata sa sigurnošću.
  12. [N 12]
    Jones (2010, pp. 169–71): „Iako je klasifikacija suštinska karakteristika svih grana nauke, uvek postoje teški slučajevi na granicama. Granica klase retko je oštra... Naučnici ne bi trebalo da gube san zbog teških slučajeva. Sve dok je sistem klasifikacije koristan za ekonomičnost opisa, za strukturiranje znanja i za naše razumevanje, a teški slučajevi čine malu manjinu, onda ga zadržite. Ako sistem postane manje nego koristan, onda ga uklonite i zamenite sistemom zasnovanim na različitim zajedničkim karakteristikama.”
  13. [N 13]
    Oderberg[81] tvrdi na ontološkim osnovama da je sve što nije metal stoga nemetal, i da to uključuje polumetale (tj. metaloide).
  14. [N 14]
    Kopernicijum je navodno jedini metal za koji se smatra da je gas na sobnoj temperaturi.[87]
  15. [N 15]
    Metali imaju vrednosti električne provodljivosti od 6,9 × 103 S•cm−1 za mangan do 6,3 × 105 za srebro.[91]
  16. [N 16]
    Metaloidi imaju vrednosti električne provodljivosti od 1,5 × 10−6 S•cm−1 za bor do × 104 za arsen.[93] Ako je selen uključen kao metaloid, primenljivi opseg provodljivosti bi počeo od ~10−9 do 10−12 S•cm−1.[94]
  17. [N 17]
    Nemetali imaju vrednosti električne provodljivosti od ~10−18 S•cm−1 za elementarne gasove do 3 × 104 u grafitu.[95]
  18. [N 18]
    Chedd[102] definiše metaloide kao vrednosti elektronegativnosti od 1,8 do 2,2 (Olred-Rokou skala). On je u ovu kategoriju uključio bor, silicijum, germanijum, arsen, antimon, telur, polonijum i astat. U pregledu Čedovog rada, Odler[103] je opisao ovaj izbor kao proizvoljan, jer drugi elementi čije elektronegativnosti leže u ovom opsegu uključuju bakar, srebro, fosfor, živu i bizmut. Dalje je predložio da se metaloid definiše kao „poluprovodnik ili polumetal“ i da se u ovu kategoriju uključe bizmut i selen.
  19. [N 19]
    Olmsted i Vilijams[107] su komentarisali da se, „Do nedavno, hemijski interes za metaloide sastojao uglavnom od izolovanih zanimljivosti, kao što su otrovna priroda arsena i blago terapeutska vrednost boraksa. Sa razvojem metaloidnih poluprovodnika, međutim, ovi elementi su postali među najintenzivnije proučavanim.”
  20. [N 20]
    Istraživanja objavljena 2012. sugeriraju da se metalno-metaloidna stakla mogu okarakterisati međusobno povezanom atomskom shemom pakovanja u kojoj koegzistiraju metalne i kovalentne strukture vezivanja.[175]
  21. [N 21]
    Reakcija je Ge + 2 MoO3 → GeO2 + 2 MoO2. Dodavanje arsena ili antimona (donori elektrona n-tipa) povećava brzinu reakcije; dodavanjem galijuma ili indijuma (akceptori elektrona p-tipa) se smanjuje.[189]
  22. [N 22]
    Elern, pišući u časopisu Vojna i civilna pirotehnika (1968), komentariše da je ugljenik crno „specificirano i korišteno u simulatoru nuklearnog vazdušno praska.”[195]
  23. [N 23]
    Bor, na 1,56 eV, ima najveći pojasni otvor među opštepriznatim (poluprovodničkim) metaloidima. Od obližnjih elemenata u periodičnoj tabeli, selen ima sledeći najveći pojasni otvor (blizu 1,8 eV), a zatim beli fosfor (oko 2,1 eV).[249]
  24. [N 24]
    Sinteza B40 borosferena, „iskrivljenog fulerena sa heksagonalnim otvorom na vrhu i dnu i četiri sedmougaona otvora oko struka“ objavljena je 2014. godine.[253]
  25. [N 25]
    BH3 i Fe(CO4) vrste u ovim reakcijama su kratkotrajni međuprodukti reakcije.[261]
  26. [N 26]
    O analogiji između bora i metala, Grinvud[263] je prokomentarisao da: „Koliko metalni elementi oponašaju bor (u tome što imaju manje elektrona nego orbitala dostupnih za vezivanje) je plodan koncept koherentnosti u razvoju hemije metaloborana... Zaista, metali se nazivaju „počasnim atomima bora“ ili čak „atomima fleksibora“. Obrnuto od ovog odnosa je jasno takođe validno ...”
  27. [N 27]
    Vezivanje u bor trifluoridu, gasu, se smatralo pretežno jonskim,[267] što je opis koji je kasnije opisan kao pogrešan.[268]
  28. [N 28]
    Bor trioksid B2O3 se ponekad opisuje kao (slabo) amfoteričan.[271] Reaguje sa alkalijama dajući različite borate.[272] U svom hidratizovanom obliku (kao H3BO3, borna kiselina) reaguje sa sumpor trioksidom, anhidridom sumporne kiseline, da bi se formirao bisulfat B(HSO3) 4.[273] U svom čistom (anhidrovanom) obliku reaguje sa fosfornom kiselinom da bi se formirao „fosfat“ BPO4.[274] Ovo poslednje jedinjenje se može smatrati mešanim oksidom B2O3 i P2O5.[275]
  29. [N 29]
    Organski derivati metaloida se tradicionalno računaju kao organometalna jedinjenja.[277]
  30. [N 30]
    Na vazduhu, silicijum formira tanku prevlaku od amorfnog silicijum dioksida, debljine 2 do 3 nm.[282] Ovaj premaz se rastvara fluorovodonikom veoma malom brzinom – od dva do tri sata po nanometru.[283] Silicijum dioksid i silikatna stakla (od kojih je silicijum dioksid glavna komponenta) su inače lako napadnuti fluorovodoničnom kiselinom.[284]
  31. [N 31]
    Vezivanje u silicijum-tetrafluoridu, gasu, je označeno kao pretežno jonsko,[267] što je opis koji je kasnije opisan kao pogrešan.[268]
  32. [N 32]
    Iako je SiO2 klasifikovan kao kiseli oksid i stoga reaguje sa alkalijama dajući silikate, on reaguje sa fosfornom kiselinom dajući silicijum oksid ortofosfat Si5O(PO4)6,[300] i sa fluorovodoničnom kiselinom dajući heksafluorosilicijsku kiselinu H2SiF6.[301] Poslednja reakcija „ponekad se navodi kao dokaz osnovnih [tj. metalnih] osobina“.[302]
  33. [N 33]
    Temperature iznad 400 °C su potrebne da bi se formirao uočljiv površinski sloj oksida.[306]
  34. [N 34]
    Izvori koji pominju germanijumske katjone uključuju: Powell & Brewer[312] koji navode da struktura kadmijum jodida CdI2 od germanijum jodida GeI2 utvrđuje postojanje Ge++ jona (struktura CdI2 koja se nalazi, prema Ladu,[313] u „mnogim metalnim halidima, hidroksidima i halcidima"); Everest[314] koji komentariše da, „čini se verovatnim da se Ge++ jon može pojaviti i u drugim kristalnim germanskim solima kao što je fosfit, koji je sličan kalajnom fosfitu sličnom soli i germanijum fosfatu, koji podseća ne samo na kalajne fosfate, već i manganove fosfate“; Pan, Fu i Huang[315] koji pretpostavljaju formiranje jednostavnog Ge++ jona kada se Ge(OH)2 rastvori u rastvoru perhlorne kiseline, na osnovu toga da „ClO4− ima malu tendenciju da uđe u kompleksnu formaciju sa katjonom“; Monconduit et al.[316] koji je pripremio slojno jedinjenje ili fazu Nb3GexTe6 (k ≃ 0,9), i izvestio da ovo sadrži GeII katjon; Richens[317] koji beleži da se kaže da „Ge2+ (aq) ili eventualno Ge(OH)+(aq) postoje u razblaženim vodenim suspenzijama žutog vodenog monoksida bez vazduha… međutim, oba su nestabilna u odnosu na gotovu formaciju od GeO2.nH2O"; Rupar et al.[318] koji je sintetizovao kriptandno jedinjenje koje sadrži Ge2+ katjon; i Šviecer i Pesterfild[319] koji pišu da se „monoksid GeO rastvara u razblaženim kiselinama dajući Ge+2 i u razblaženim bazama da bi proizveo GeO2−2, pri čemu su sva tri entiteta nestabilna u vodi“. Izvori koji odbacuju katjone germanijuma ili dodatno kvalifikuju njihovo pretpostavljeno postojanje uključuju: Džoli i Latimera[320] koji tvrde da se „germano jon ne može direktno proučavati, jer nema vrste germanijuma (II) u bilo kakvoj značajnoj koncentraciji u nekompleksnim vodenim rastvorima“; Lidin[321] koji kaže da, „[germanijum] ne stvara vodene katjone“; Lad[322] koji primećuje da je struktura CdI2 „srednja po tipu između jonskih i molekularnih jedinjenja“; i Viberg[323] koji tvrdi da „nisu poznati katjoni germanijuma“.
  35. [N 35]
    Arsen takođe postoji kao prirodni (ali retki) alotrop (arsenolamprit), kristalni poluprovodnik sa razmakom pojasa od oko 0,3 eV ili 0,4 eV. Takođe se može pripremiti u poluprovodnoj amorfnoj formi, sa pojasnom širinom od oko 1,2–1,4 eV.[339]
  36. [N 36]
    Izvori koji pominju katjonski arsen uključuju: illespie & Robinson[342] koji su otkrili da, „u veoma razblaženim rastvorima u 100% sumpornoj kiselini, arsenik (III) oksid formira arsonil (III) hidrogensulfat, AsO.HO4, koji je delimično jonizovan dajući AsO+ katjon. Obe ove vrste verovatno postoje uglavnom u solvatisanim oblicima, npr. As(OH)(SO4H)2, i As(OH)(SO4H)+, respektivno. Pol et al.[343] koji su izvestili spektroskopske dokaze o prisustvu As42+ i As22+ katjona kada je arsen oksidovan peroksidisulfuril difluoridom S2O6F2 u visoko kiselim medijima (Gilespi i Pasmor[344] su primetili da su spektri ovih vrsta bili veoma slični S42+ i S82+, i zaključili da nije bilo pouzdanih dokaza za bilo kakvu homopolikatjonizaciju arsena); Van Majlder i Porbajk,[345] koji pišu da je „As2O3 amfoterni oksid koji se rastvara u vodi i rastvorima sa pH vrednostima između 1 i 8 sa formiranjem nedisocirane arsenitne kiseline HAsO2; rastvorljivost se povećava pri pH ispod 1 sa formiranje 'arsenil' jona AsO+ ..."; Koltof i Elving[346] koji pišu da „katjon As3+ postoji donekle samo u jako kiselim rastvorima; u manje kiselim uslovima tendencija je ka hidrolizi, tako da preovlađuje anjonski oblik“; Mudi[347] koji primećuje da su „arsen trioksid, As4O6 i arsenova kiselina, H3AsO3, očigledno amfoterni, ali nisu poznati katjoni, As3+, As(OH)2+ ili As(OH)2+; i Koton et al.[348] koji pišu da (u vodenom rastvoru) jednostavni katjon arsena As3+ „može da se javi u izvesnoj meri [zajedno sa katjonom AsO+]“ i da „Ramanovi spektri pokazuju da je u kiselim rastvorima As4O6 jedina vrsta koja se može detektovati piramidalni As(OH)3".
  37. [N 37]
    Formule AsPO4 i As2(SO4)3 sugerišu jednostavne jonske formulacije, sa As3+, ali to nije slučaj. AsPO4, „koji je praktično kovalentni oksid”, se naziva dvostrukim oksidom, u obliku As2O3·P2O5. On se sastoji od AsO3 piramida i PO4 tetraedara, spojenih zajedno sa svim njihovim ugaonim atomima da formiraju kontinualnu polimernu mrežu.[354] As2(SO4)3 ima strukturu u kojoj je svaki SO4 tetraedar premošćen sa dve AsO3 trigonalne piramide.[355]
  38. [N 38]
    As2O3 se obično smatra amfoternim, ali nekoliko izvora kaže da je (slabo)[358] kiseo. Oni opisuju njegove „osnovne“ osobine (njegovu reakciju sa koncentrovanom hlorovodoničnom kiselinom da bi se formirao arsenik trihlorid) kao alkoholna, u analogiji sa formiranjem kovalentnih alkil hlorida sa kovalentnim alkoholima (npr. R-OH + HCl → RCl + H2O)[359]
  39. [N 39]
    Antimon se takođe može pripremiti u amorfnom poluprovodljivom crnom obliku, sa procenjenim (temperaturno zavisnim) pojasnin otvorom od 0,06–0,18 eV.[365]
  40. [N 40]
    Lidin[370] tvrdi da SbO+ ne postoji i da je stabilan oblik Sb(III) u vodenom rastvoru nekompletan hidrokompleks [Sb(H2O)4(OH)2]+.
  41. [N 41]
    Koton et al.[394] napominju da TeO2 izgleda da ima jonsku rešetku; Vels[395] sugeriše da Te–O veze imaju „značajan kovalentni karakter“.
  42. [N 42]
    Tečni ugljenik može[409] ili ne mora biti[410] metalni provodnik, u zavisnosti od pritiska i temperature.[411]
  43. [N 43]
    Za sulfat, metod pripreme je (pažljiva) direktna oksidacija grafita u koncentrovanoj sumpornoj kiselini pomoću oksidacionog sredstva, kao što je azotna kiselina, hrom-trioksid ili amonijum persulfat; u ovom slučaju koncentrovana sumporna kiselina deluje kao neorganski nevodeni rastvarač.
  44. [N 44]
    Samo mali deo rastvorenog CO2 je prisutan u vodi kao ugljena kiselina, tako da, iako je H2CO3 srednje jaka kiselina, rastvori ugljene kiseline su samo slabo kiseli.[420]
  45. [N 45]
    Mnemonik koja obuhvata elemente koji se obično prepoznaju kao metaloidi glasi: Gore, gore-dole, gore-dole, gore ... su metaloidi![432]
  46. [N 46]
    Rokou,[438] koji je kasnije napisao svoju monografiju Metaloidi iz 1966. godine,[439] je prokomentarisao da, „U nekim aspektima selen deluje kao metaloid, a telur svakako deluje“.
  47. [N 47]
    Dalja opcija je da se astat uključi i kao nemetal i kao metaloid.[465]
  48. [N 48]
    Vidljivi komadić astata bi odmah i potpuno ispario zbog toplote koju stvara njegova intenzivna radioaktivnost.[471]
  49. [N 49]
    Literatura je kontradiktorna u pogledu toga da li bor pokazuje metalnu provodljivost u tečnom obliku. Krišnan i saradnici[473] su otkrili da se tečni bor ponaša kao metal. Glorieuk et al.[474] su okarakterisali tečni bor kao poluprovodnik, na osnovu njegove niske električne provodljivosti. Milot et al.[475] su izvestili da emisiona sposobnost tečnog bora nije u skladu sa onom tečnog metala.
  50. [N 50]
    Korenman[479] je na sličan način primetio da „sposobnost taloženja vodonik-sulfidom razlikuje astat od drugih halogena i približava ga bizmutu i drugim teškim metalima“.
  51. [N 51]
    Razmak između molekula u slojevima joda (350 pm) mnogo je manji od razdvajanja između slojeva joda (427 pm; cf. dvostruki van der Valsov radijus od 430 pm).[[491] Smatra se da je ovo uzrokovano elektronskim interakcijama između molekula u svakom sloju joda, što zauzvrat dovodi do njegovih poluprovodničkih svojstava i sjajnog izgleda.[492]
  52. [N 52]
    Na primer: srednja električna provodljivost;[504] relativno uzak pojas;[505] osetljivost na svetlost.[504]
  53. [N 53]
    Beli fosfor je najmanje stabilan i najreaktivniji oblik.[506] Takođe je najčešći, industrijski važan,[507] i lako ponovljiv alotrop, i iz ova tri razloga se smatra standardnim stanjem elementa.[508]
  54. [N 54]
    Cene uzoraka zlata, radi poređenja, počinju od otprilike trideset pet puta više od cene srebra. Cene za bazi uzoraka za B, C, Al, Si, Ge, As, Se, Ag, Sb, Te i Au su dostupne na mreži.[529][530][531][532]
  55. [N 55]
    Zasnovano na spot cenama za Al, Si, Ge, As, Sb, Se i Te, koje su dostupne na mreži.[535][536][537][538]

Reference

Literatura

Loading related searches...

Wikiwand - on

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.