Металлоиды, также известные как полуметаллы, занимают уникальное положение в таблице Менделеева. Они обладают промежуточными свойствами между металлами и неметаллами, что делает их универсальными и ценными для различных промышленных и технологических применений. В этом руководстве рассматриваются фундаментальные свойства металлоидов, их возникновение и применение.
Введение в металлоиды
Металлоиды – это элементы, свойства которых занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. Они расположены вдоль зигзагообразной линии таблицы Менделеева, отделяющей металлы от неметаллов. Обычно включает бор (B), кремний (Si), германий (Ge), мышьяк (As), сурьму (Sb) и теллур (Te). Иногда металлоидами считают полоний (Po) и астат (At).
Историческое использование металлоида
Металлоиды использовались на протяжении веков:
- сурьма: В Древнем Египте использовался для макияжа и в качестве красителя; классифицирован как металлоид в 1500-х годах.
- мышьяк: Вероятно, впервые выделен Альбертом Великим около 1250 года; использовался в качестве пигмента, пока не была обнаружена его токсичность.
- кремний : Обнаружен в 1823 году Йёнсом Якобом Берцелиусом; Первые коммерчески доступные полупроводники были произведены в 1954 году.
Какие элементы относятся к металлоидам?
Металлоиды – это элементы, обладающие промежуточными свойствами между металлами и неметаллами. Общепринятыми металлоидами являются:
- Бор (B)
- Мышьяк (As)
- Германий (Ge)
- Теллур (Те)
- Сурьма (Sb)
- Силикон (Si)
Некоторые ученые также относят к металлоидам следующие элементы, хотя их классификация может быть дискуссионной:
- Астат
- Полоний
- висмут
Каковы основные свойства металоидов?
Металлоиды проявляют промежуточные свойства между металлами и неметаллами. Такое сочетание характеристик делает их незаменимыми в различных приложениях, особенно в электронике и материаловедении. Вот основные свойства металлоидов:
Металлический блеск
Металлоиды обладают блестящим металлическим внешним видом, что делает их похожими на металлы. Этот характерный металлический блеск является результатом их способности эффективно отражать свет. Когда свет падает на поверхность металлоида, он взаимодействует со свободными электронами, присутствующими в материале. Эти электроны колеблются и повторно излучают свет, придавая материалу блестящие и отражающие свойства.
Однако их внешний вид может различаться; некоторые металлоиды, такие как мышьяк и сурьма, могут присутствовать в разных формах, включая кристаллические или порошкообразные состояния.
| Пример изображения | Elements |
|---|---|
 | Бор (B) |
 | Силикон (Si) |
 | Германий (Ge) |
 | Мышьяк (As) |
 | Теллур (Те) |
 | Сурьма (Sb) |
Твердотельное состояние при комнатной температуре
Все металлоиды тверды при комнатной температуре и имеют относительно высокие температуры плавления.
- Бор (B): Температура плавления 2079°C.
- Силикон (Si): Температура плавления 1410°C.
- Германий (Ge): Температура плавления 938.3°C.
- Мышьяк (As): Температура плавления 817°C.
- Теллур (Те): Температура плавления 449.5°C.
- Сурьма (Sb): Температура плавления 631°C.
Хрупкость
В отличие от металлов, которые обычно податливы и пластичны, металлоиды имеют тенденцию ломаться или разрушаться под воздействием напряжения или силы. Эта хрупкость означает, что им нельзя придавать форму с использованием типичных методов обработки металлов, таких как ковка, прокатка или изгиб.
Твердость
Металлоиды могут быть относительно твердыми по сравнению с неметаллами.
- Бор (B): известно как одно из самых твердых веществ с твердостью около 9.3 по шкале Мооса.
- Силикон (Si): Умеренно твердый, твердость около 7 по шкале Мооса, ценится в полупроводниковых приложениях благодаря балансу твердости и электрических свойств.
- Германий (Ge): Твердость примерно 6 по шкале Мооса.
- Мышьяк (As): Мягкий, твердость около 3.5 по шкале Мооса.
- Теллур (Те): Мягкий, твердость около 2.5 по шкале Мооса.
- Сурьма (Sb): Мягкий и хрупкий, твердость около 3 по шкале Мооса.
Свойства полупроводника
Металлоиды могут проводить электричество, но не так эффективно, как металлы. Это свойство делает их полезными в качестве полупроводников, необходимых для электронных устройств. Проводимость металлоидов можно повысить с помощью процесса, называемого «легированием», при котором добавляются примеси для изменения их электрических свойств.
Химическое поведение аналогично неметаллам
Металлоиды имеют тенденцию образовывать анионы, проявлять несколько степеней окисления и образовывать ковалентные связи. Они делятся электронами при образовании соединений.
Примеры степеней окисления:
- Бор (B): +3, +2, +1
- Силикон (Si): +4, 0
- Германий (Ge): + 2, + 4
- Мышьяк (As): + 3, + 5
- Теллур (Те): + 4, + 6
- Сурьма (Sb): + 3, + 5
Промежуточные энергии ионизации и электроотрицательности
Металлоиды имеют энергию ионизации и электроотрицательность, которые находятся между металлами и неметаллами. Энергия ионизации — это энергия, необходимая для удаления электрона из атома, а электроотрицательность — это мера способности атома притягивать электроны в химической связи.
Примеры значений:
- Бор (B): 1-я энергия ионизации: 8.298 эВ, электроотрицательность: 2.04.
- Силикон (Si): 1-я энергия ионизации: 8.1517 эВ, электроотрицательность: 1.9.
- Германий (Ge): 1-я энергия ионизации: 7.9 эВ, электроотрицательность: 2.01.
- Мышьяк (As): 1-я энергия ионизации: 9.8152 эВ, электроотрицательность: 2.18.
- Теллур (Те): 1-я энергия ионизации: 9.0096 эВ, электроотрицательность: 2.1.
- Сурьма (Sb): 1-я энергия ионизации: 8.64 эВ, электроотрицательность: 2.05.
Плотность
Плотность – это масса единицы объема вещества. Для металлоидов плотности существенно различаются:
- Бор (B): Плотность 2.46 г/см³.
- Силикон (Si): Плотность 2.33 г/см³.
- Германий (Ge): Плотность 5.32 г/см³.
- Мышьяк (As): Плотность 5.73 г/см³.
- Теллур (Те): Плотность 6.24 г/см³.
- Сурьма (Sb): Плотность 6.69 г/см³.
Физические свойства металлоидов
Металлоиды обладают особым набором физических свойств, которые отражают их промежуточное положение между металлами и неметаллами. В следующей таблице наглядно показаны его характеристики.
| недвижимость | Бор | кремний | германий | мышьяк | сурьма | Теллур |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Внешний вид | Темно-коричневый, металлик | Металлик-серый | Металлик-серый | Металлик-серый | Серебристо-серый | Металлик-серый |
| Плотность | 2.46 g / cm³ | 2.33 g / cm³ | 5.32 g / cm³ | 5.72 g / cm³ | 6.70 g / cm³ | 6.24 g / cm³ |
| Температура плавления | 2075 ° C | 1414 ° C | 938 ° C | 817°C (возвышенное вещество) | 631 ° C | 449.5 ° C |
| Точка кипения | 4000 ° C | 2355 ° C | 2833 ° C | 614 ° C | 1587 ° C | 988 ° C |
| Твердость | Очень сложно | Жесткий | Умеренная | Технология | Умеренная | Умеренная |
| Электрическая проводимость | Плохой (неметаллический) | Умеренный (полупроводниковый) | Умеренный (полупроводниковый) | Плохой (неметаллический) | Плохой (неметаллический) | Плохой (неметаллический) |
| Состояние при комнатной температуре | SOLID | SOLID | SOLID | SOLID | SOLID | SOLID |
| Кристальная структура | Различные (например, аморфные, кристаллические) | Алмазный кубический | Алмазный кубический | Различные (например, серый, желтый) | Ромбоэдрическая | треугольный |
| Атомный номер | 5 | 14 | 32 | 33 | 51 | 52 |
| Электроотрицательность | 2.04 | 1.90 | 2.01 | 2.18 | 2.05 | 2.01 |
| Пользы | Абразивы, боросиликатное стекло | Полупроводники, солнечные элементы | Полупроводники, инфракрасная оптика | Пестициды, полупроводники | Сплавы, антипирены | Термоэлектрические устройства |
Химические свойства металлоидов
Металлоиды обладают рядом химических свойств, отражающих их промежуточную природу. Они обладают умеренной электроотрицательностью и энергией ионизации, могут проявлять несколько степеней окисления и реагировать как с кислотами, так и с основаниями. Их химическое поведение может быть сложным, часто в зависимости от конкретных условий и задействованных соединений.
| недвижимость | Бор | кремний | германий | мышьяк | сурьма | Теллур |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Электроотрицательность | 2.04 | 1.90 | 2.01 | 2.18 | 2.05 | 2.1 |
| Энергия ионизации | Умеренная | Умеренная | Умеренная | Умеренная | Умеренная | Умеренная |
| Окислительные состояния | +3 | +4 | + 2, + 4 | + 3, + 5 | + 3, + 5 | + 2, + 4, + 6 |
| Реакционная способность с кислотами | Обычно не реагирует | Реагирует с сильными основаниями, реже с кислотами. | Реагирует с кислотами и основаниями | Реагирует с кислотами, образует мышьяковистую кислоту. | Реагирует с кислотами и основаниями | Реагирует с кислотами, образует теллуровую кислоту (H₂TeO₄). |
| Реакционная способность с основаниями | Реагирует с сильными основаниями при нагревании | Реагирует с сильными основаниями | Реагирует с кислотами и основаниями | Образует арсениды | Образует трихлорид и пентахлорид сурьмы. | Образует теллуриды с сильными основаниями. |
| Оксиды | Оксид бора (B₂O₃) | Диоксид кремния (SiO₂) | Диоксид германия (GeO₂) | Триоксид мышьяка (As₂O₃) | Триоксид сурьмы (Sb₂O₃) | Диоксид теллура (TeO₂), Тетроксид теллура (TeO₄) |
| Гидриды | Бораны (например, B₂H₆) | Силаны (например, SiH₄) | немецкий (GeH₄) | Арсин (AsH₃) | Стибин (SbH₃) | Гидрид теллура (TeH₂) |
| Галогениды | Трихлорид бора (BCl₃) | Тетрафторид кремния (SiF₄) | Тетрахлорид германия (GeCl₄) | Трихлорид мышьяка (AsCl₃), пентахлорид (AsCl₅) | Трихлорид сурьмы (SbCl₃), пентахлорид (SbCl₅) | Тетрахлорид теллура (TeCl₄), гексафторид теллура (TeF₆) |
Приложения Металлоидов
Металлоиды играют решающую роль в различных технологических и промышленных применениях благодаря своим уникальным свойствам:
- Electronics: Кремний и германий имеют решающее значение в полупроводниковой технологии. Их способность контролировать электропроводность делает их фундаментальными в производстве интегральных схем и солнечных элементов.
- Материаловедение: Металлоиды, такие как бор, используются для повышения твердости и прочности материалов. Карбид бора, например, используется в бронежилетах и других высокопрочных изделиях.
- Химия: Металлоиды участвуют во многих химических процессах и соединениях. Например, соединения мышьяка используются в пестицидах и в полупроводниковой промышленности, несмотря на их токсичную природу.
Типичные применения 5 металлоидов
| Элемент | Описание | Типичные области применения |
|---|---|---|
| Бор (B) | Твердый материал темно-коричневого или черного цвета с металлическим оттенком; твердый, хрупкий, с высокой температурой плавления | Стекло и керамика, моющие средства, сплавы, ядерные реакторы. |
| Силикон (Si) | Блестящее твердое вещество металлического серого цвета; хрупкий, твердый, умеренная электропроводность | Электроника (полупроводники), солнечные элементы, строительство (бетон), силиконы. |
| Германий (Ge) | Серовато-белое твердое вещество металлического вида; хрупкие, полупроводниковые свойства | Электроника (транзисторы, диоды), оптика (инфракрасные линзы), оптоволокно. |
| Мышьяк (As) | Серый металлический твердый порошок или желтый порошок; токсичные, различные соединения | Пестициды (исторически), полупроводники (арсенид галлия), консервация древесины. |
| Сурьма (Sb) | Блестящий, серебристо-серый металл; хрупкий, низкая температура плавления | Сплавы (свинцово-кислотные аккумуляторы), антипирены, полупроводники |
| Теллур (Те) | Серебристо-белое, хрупкое твердое вещество; полупроводниковые свойства, высокая плотность | Электроника (полупроводники), солнечные панели (элементы CdTe), металлургия |
Что отличает металлоиды?
Металлоиды по своим свойствам занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. Ключевые характеристики включают в себя:
- Промежуточные свойства: Металлоиды обладают сочетанием металлических и неметаллических свойств.
- Полупроводниковая способность: Они могут действовать как полупроводники, что крайне важно для современных электронных схем.
Эти уникальные особенности делают металлоиды незаменимыми в технологиях и электронике.
Как лучше всего идентифицировать металлоид?
Наиболее полезным свойством для идентификации металлоида является его металлический внешний вид. Хотя металлоиды часто имеют металлический блеск, отличить их по химическим свойствам сложнее из-за совпадения свойств других элементов.
В чем разница между металлом и неметаллом?
Различия между металлами и неметаллами фундаментальны и касаются их физических и химических свойств. Вот полное сравнение:
Физические свойства
| недвижимость | Драгоценные металлы | Неметаллы |
|---|---|---|
| Внешний вид | Блестящий и металлический | Тусклый и не отражающий свет |
| Плотность | Высокий (например, железо: 7.87 г/см³, золото: 19.32 г/см³) | Низкий (например, углерод: 2.267 г/см³, кислород: 0.00143 г/см³) |
| Температура плавления | Высокая (например, вольфрам: 3422°C, железо: 1538°C) | Низкий (например, кислород: -218.79°C, бром: -7.2°C) |
| Точка кипения | Высокая (например, вольфрам: 5555°C, железо: 2862°C) | Низкий (например, кислород: -182.96°C, бром: 58.8°C) |
| Твердость | Варьируется (например, железо: 4.0–4.5 по шкале Мооса, золото: 2.5) | Обычно мягче (например, сера: 1.5–2.0 по шкале Мооса). |
| Электрическая проводимость | Высокий (например, медь: 5.96 × 10⁷ См/м) | Низкий (например, сера: 1 × 10⁻¹⁶ См/м) |
| Теплопроводность | Высокая (например, медь: 401 Вт/м·К) | Низкий (например, сера: 0.2 Вт/м·К) |
| Состояние при комнатной температуре | Твердое вещество (кроме ртути: жидкость) | Газ (например, азот, кислород), жидкость (например, бром) или твердое вещество (например, сера) |
| Пластичность и пластичность | Высокий (например, золото можно расковать на тонкие листы) | Низкий (например, фосфор: хрупкий) |
химические свойства
| недвижимость | Драгоценные металлы | Неметаллы |
|---|---|---|
| Электроотрицательность | Низкий (например, натрий: 0.93, железо: 1.83) | Высокий (например, фтор: 3.98, кислород: 3.44) |
| Энергия ионизации | Низкий (например, натрий: 495.8 кДж/моль, железо: 762.5 кДж/моль) | Высокий (например, фтор: 1681 кДж/моль, кислород: 1314 кДж/моль) |
| Окислительные состояния | Часто положительный (например, железо: +2, +3; натрий: +1) | Часто отрицательный или нулевой (например, кислород: -2, азот: -3) |
| Реакционная способность с кислотами | Реагирует с выделением газообразного водорода (например, цинк: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂) | Обычно не вступает в реакцию и не образует кислоты (например, сера реагирует с основаниями с образованием сульфидов). |
| Реакционная способность с основаниями | Реагирует с основаниями (например, алюминий реагирует с NaOH: 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2NaAl(OH)₄ + 3H₂) | Образует кислоты с основаниями или менее реакционноспособными (например, углекислый газ реагирует с водой с образованием угольной кислоты) |
| Образование оксидов | Основные оксиды (например, оксид натрия: Na₂O) | Кислотные оксиды (например, диоксид углерода: CO₂) |
Какие свойства металлоиды общие с неметаллами?
Металлоиды имеют несколько общих свойств с неметаллами, в том числе:
- Высокая электроотрицательность: Металлоиды имеют относительно высокую электроотрицательность, как и неметаллы.
- Образование анионов: Они часто присоединяют электроны с образованием отрицательных ионов (анионов), что является общей характеристикой неметаллов.
- Ковалентная связь: Металлоиды обычно образуют ковалентные связи, как и неметаллы.
- Переменные степени окисления: Они могут проявлять несколько степеней окисления, как и неметаллы.
Эти общие свойства подчеркивают промежуточную природу металлоидов между металлами и неметаллами.
Как вы классифицируете металлоид?
Металлоиды классифицируются в зависимости от их свойств, которые занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. Обычно они располагаются вдоль диагональной линии таблицы Менделеева, которая отделяет металлы от неметаллов. Ключевые характеристики, используемые для классификации металлоидов, включают:
- Внешний вид: Они часто имеют металлический блеск.
- Физические свойства: Они обычно твердые при комнатной температуре и могут быть хрупкими.
- химические свойства: Они могут действовать как полупроводники и обладают свойствами, которые совпадают как с металлами, так и с неметаллами.
Эти факторы помогают идентифицировать и классифицировать металлоиды в таблице Менделеева.
Заключение
Металлоиды обладают удивительным сочетанием свойств, которые заполняют пропасть между металлами и неметаллами. Их промежуточные физические и химические характеристики, а также уникальные электрические свойства делают их неоценимыми в различных научных и промышленных областях. По мере развития технологий роль металлоидов продолжает развиваться, подчеркивая их важность в современной науке и технике.
Компания BOYI специализируется на производстве сложных и высокоточных металлических деталей с использованием передовых технологий. индивидуальная обработка с ЧПУ. Наш опыт охватывает фрезерование, точение, сверление и отделку, гарантируя, что каждая деталь безупречна и функциональна. Независимо от того, насколько сложен ваш дизайн, у нас есть технологии и опыт, чтобы изготовить его в совершенстве.
FAQ
Количество металлоидов в таблице Менделеева является спорным, их количество варьируется от шести до одиннадцати. Наиболее распространенными металлоидами являются шесть: бор, кремний, германий, мышьяк, теллур и сурьма. Некоторые классификации также включают полоний, астат и висмут, увеличивая их число до девяти или одиннадцати, в зависимости от используемого определения.
Металлоиды могут как приобретать, так и терять электроны, в зависимости от их химического контекста. Они часто приобретают электроны, образуя анионы, или теряют электроны, образуя катионы. Эта способность приобретать или терять электроны позволяет металлоидам образовывать различные химические связи и проявлять свойства как металлов, так и неметаллов.
Они обычно тверды при комнатной температуре, имеют металлический блеск и могут быть хрупкими. Металлоиды также демонстрируют полупроводниковое поведение, то есть они могут проводить электричество, но не так хорошо, как металлы. Кроме того, они могут образовывать ковалентные связи и могут приобретать или терять электроны в зависимости от химического контекста.
Каталог: Руководство по материалам
Статья написана инженерами из команды BOYI TECHNOLOGY. Фуцюань Чен — профессиональный инженер и технический эксперт с 20-летним опытом работы в сфере быстрого прототипирования, производства металлических и пластиковых деталей.
