Metalóide - Metalloid

  13 14 15 16 17
2 B
Boro
Carbono C
N
nitrogênio
O
Oxygen
F
flúor
3 Al
Alumínio
Si
Silicon
P
fósforo

Enxofre S
Cl
cloro
4 Ga
Gallium
Ge
germânio
Como
arsênico
Se
Selenium
Br
Bromo
5 Em
índio
Sn
Tin
Sb
Antimony
Te
Telúrio
I
Iodo
6 Tl
Thallium

Chumbo Pb
Bi
Bismuto
Po
Polonium
Em
Astatine
 
  Comumente reconhecido (86-99%): B, Si, Ge, As, Sb, Te
  Reconhecido irregularmente (40-49%): Po, At
  Menos comumente reconhecido (24%): Se
  Raramente reconhecido (8-10%): C, Al
  (Todos os outros elementos citados em menos de 6% das fontes)
  Linha divisória arbitrária de metal-não-metal : entre Be e B , Al e Si , Ge e As , Sb e Te , Po e At

Status de reconhecimento, como metaloides, de alguns elementos no bloco p da tabela periódica. As porcentagens são frequências medianas de aparecimento nas listas de metaloides . A linha em forma de escada é um exemplo típico da linha divisória arbitrária de metal e não metal encontrada em algumas tabelas periódicas.

Um metalóide é um tipo de elemento químico que tem uma preponderância de propriedades intermediárias ou que são uma mistura de metais e não metais . Não existe uma definição padrão de metalóide e nenhum acordo completo sobre quais elementos são metalóides. Apesar da falta de especificidade, o termo permanece em uso na literatura da química .

Os seis metalóides comumente reconhecidos são boro , silício , germânio , arsênio , antimônio e telúrio . Cinco elementos são classificados com menos frequência: carbono , alumínio , selênio , polônio e astato . Em uma tabela periódica padrão, todos os onze elementos estão em uma região diagonal do bloco p que se estende do boro no canto superior esquerdo até astato no canto inferior direito. Algumas tabelas periódicas incluem uma linha divisória entre metais e não metais , e os metaloides podem ser encontrados perto dessa linha.

Os metalóides típicos têm uma aparência metálica, mas são frágeis e apenas condutores de eletricidade . Quimicamente, eles se comportam principalmente como não metais. Eles podem formar ligas com metais. A maioria de suas outras propriedades físicas e químicas são de natureza intermediária. Os metalóides são geralmente muito frágeis para ter qualquer uso estrutural. Eles e seus compostos são usados ​​em ligas, agentes biológicos, catalisadores , retardadores de chama , vidros , armazenamento óptico e optoeletrônica , pirotécnica , semicondutores e eletrônicos.

As propriedades elétricas do silício e do germânio possibilitaram o estabelecimento da indústria de semicondutores na década de 1950 e o desenvolvimento da eletrônica de estado sólido a partir do início da década de 1960.

O termo metalóide originalmente se referia a não metais. Seu significado mais recente, como uma categoria de elementos com propriedades intermediárias ou híbridas, se generalizou em 1940-1960. Os metalóides são às vezes chamados de semimetais, uma prática que tem sido desencorajada, pois o termo semimetal tem um significado diferente em física e em química. Em física, refere-se a um tipo específico de estrutura de banda eletrônica de uma substância. Nesse contexto, apenas o arsênio e o antimônio são semimetais, comumente reconhecidos como metaloides.

Definições

Baseado em julgamento

Um metalóide é um elemento que possui uma preponderância de propriedades intermediárias, ou que são uma mistura daquelas de metais e não metais, e que, portanto, é difícil de classificar como metal ou não metal. Esta é uma definição genérica que se baseia em atributos metalóides consistentemente citados na literatura. A dificuldade de categorização é um atributo chave. A maioria dos elementos tem uma mistura de propriedades metálicas e não metálicas e podem ser classificados de acordo com o conjunto de propriedades mais pronunciado. Apenas os elementos nas margens ou próximos às margens, sem uma preponderância suficientemente clara de propriedades metálicas ou não metálicas, são classificados como metaloides.

Boro, silício, germânio, arsênio, antimônio e telúrio são comumente reconhecidos como metaloides. Dependendo do autor, um ou mais selênio , polônio ou astato às vezes são adicionados à lista. O boro às vezes é excluído, por si só ou com o silício. Às vezes, o telúrio não é considerado um metalóide. A inclusão de antimônio , polônio e astato como metaloides foi questionada.

Outros elementos são ocasionalmente classificados como metalóides. Esses elementos incluem hidrogênio, berílio , nitrogênio , fósforo , enxofre , zinco , gálio , estanho , iodo , chumbo , bismuto e radônio. O termo metalóide também tem sido usado para elementos que exibem brilho metálico e condutividade elétrica, e que são anfotéricos , como arsênio, antimônio, vanádio , cromo , molibdênio , tungstênio , estanho, chumbo e alumínio. Os metais do bloco p e não metais (como carbono ou nitrogênio) que podem formar ligas com metais ou modificar suas propriedades também foram ocasionalmente considerados metalóides.

Baseado em critérios

Elemento IE
(kcal / mol)
IE
(kJ / mol)
EN Estrutura da banda
Boro 191 801 2.04 semicondutor
Silício 188 787 1,90 semicondutor
Germânio 182 762 2.01 semicondutor
Arsênico 226 944 2,18 semimetal
Antimônio 199 831 2.05 semimetal
Telúrio 208 869 2,10 semicondutor
média 199 832 2.05
Os elementos comumente reconhecidos como metalóides e suas energias de ionização (IE); eletronegatividades (EN, escala de Pauling revisada); e estruturas de banda eletrônica (a maioria das formas termodinamicamente estáveis ​​sob condições ambientais).

Não existe uma definição amplamente aceita de metalóide, nem qualquer divisão da tabela periódica em metais, metalóides e não metais; Hawkes questionou a viabilidade de estabelecer uma definição específica, observando que anomalias podem ser encontradas em várias tentativas de construção. Classificar um elemento como metalóide foi descrito por Sharp como "arbitrário".

O número e as identidades dos metaloides dependem de quais critérios de classificação são usados. Emsley reconheceu quatro metalóides (germânio, arsênico, antimônio e telúrio); James et al. listou doze (Emsley's mais boro, carbono, silício, selênio, bismuto, polônio, moscovium e livermorium ). Em média, sete elementos estão incluídos nessas listas ; os arranjos de classificação individuais tendem a compartilhar um terreno comum e variar nas margens mal definidas.

Um único critério quantitativo, como eletronegatividade, é comumente usado, metalóides com valores de eletronegatividade de 1,8 ou 1,9 a 2,2. Outros exemplos incluem a eficiência de empacotamento (a fração de volume em uma estrutura cristalina ocupada por átomos) e a razão de critério de Goldhammer-Herzfeld. Os metaloides comumente reconhecidos têm eficiências de empacotamento entre 34% e 41%. A proporção Goldhammer-Herzfeld, aproximadamente igual ao cubo do raio atômico dividido pelo volume molar , é uma medida simples de quão metálico um elemento é, os metalóides reconhecidos tendo proporções de cerca de 0,85 a 1,1 e média de 1,0. Outros autores confiaram, por exemplo, na condutância atômica ou no número de coordenação em massa .

Jones, escrevendo sobre o papel da classificação na ciência, observou que "[classes] geralmente são definidas por mais de dois atributos". Masterton e Slowinski usaram três critérios para descrever os seis elementos comumente reconhecidos como metaloides: metaloides têm energias de ionização em torno de 200 kcal / mol (837 kJ / mol) e valores de eletronegatividade próximos a 2,0. Eles também disseram que os metalóides são normalmente semicondutores, embora o antimônio e o arsênico (semimetais do ponto de vista da física) tenham condutividades elétricas próximas às dos metais. Selênio e polônio são suspeitos como não neste esquema, enquanto o status do astato é incerto.

Nesse contexto, Vernon propôs que um metalóide é um elemento químico que, em seu estado padrão, possui (a) a estrutura de banda eletrônica de um semicondutor ou semimetal; e (b) um primeiro potencial de ionização intermediário "(digamos 750-1.000 kJ / mol)"; e (c) uma eletronegatividade intermediária (1,9-2,2).

Território da tabela periódica

1 2 12 13 14 15 16 17 18
H     Ele
Li Ser B C N O F Ne
N / D Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Zn Ga Ge Como Se Br Kr
Rb Sr CD No Sn Sb Te eu Xe
Cs BA Hg Tl Pb Bi Po No Rn
Fr Ra Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
 
  Comumente (93%) a raramente (9%) reconhecido como um
metalóide: B, C, Al, Si, Ge, As, Se, Sb, Te, Po, At
  Muito raramente (1–5%): H, Be, P, S, Ga, Sn, I, Pb, Bi, Fl, Mc, Lv, Ts
  Esporadicamente: N, Zn, Rn
  Linha divisória metal-não metal : entre H e Li , Be e B , Al e Si , Ge e As , Sb e Te , Po e At , e Ts e Og

Extrato da tabela periódica mostrando os grupos 1–2 e 12–18 e uma linha divisória entre metais e não metais. As porcentagens são frequências médias de aparecimento na lista de listas de metalóides . Elementos esporadicamente reconhecidos mostram que a rede metalóide às vezes é lançada de forma muito ampla; embora não apareçam na lista de listas de metalóides, referências isoladas à sua designação como metalóides podem ser encontradas na literatura (conforme citado neste artigo).

Localização

Os metalóides ficam em ambos os lados da linha divisória entre metais e não metais . Isso pode ser encontrado, em configurações variadas, em algumas tabelas periódicas . Os elementos na parte inferior esquerda da linha geralmente exibem um comportamento metálico crescente; os elementos no canto superior direito exibem o comportamento não metálico crescente. Quando apresentados como uma escada regular, os elementos com a temperatura crítica mais alta para seus grupos (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) ficam logo abaixo da linha.

O posicionamento diagonal dos metaloides representa uma exceção à observação de que elementos com propriedades semelhantes tendem a ocorrer em grupos verticais . Um efeito relacionado pode ser visto em outras semelhanças diagonais entre alguns elementos e seus vizinhos inferiores à direita, especificamente lítio-magnésio, berílio-alumínio e boro-silício. Rayner-Canham argumentou que essas semelhanças se estendem ao carbono-fósforo, nitrogênio-enxofre e em três séries de blocos d .

Esta exceção surge devido a tendências horizontais e verticais concorrentes na carga nuclear . Ao longo de um período , a carga nuclear aumenta com o número atômico, assim como o número de elétrons. A atração adicional dos elétrons externos à medida que a carga nuclear aumenta geralmente supera o efeito de blindagem de ter mais elétrons. Com algumas irregularidades, os átomos ficam menores, a energia de ionização aumenta e há uma mudança gradual no caráter, ao longo de um período, de elementos fortemente metálicos a fracamente metálicos, fracamente não metálicos e fortemente não metálicos. Descendo um grupo principal , o efeito do aumento da carga nuclear é geralmente compensado pelo efeito dos elétrons adicionais estarem mais longe do núcleo. Os átomos geralmente ficam maiores, a energia de ionização diminui e o caráter metálico aumenta. O efeito líquido é que a localização da zona de transição metal-não metal muda para a direita ao descer em um grupo, e semelhanças diagonais análogas são vistas em outro lugar na tabela periódica, conforme observado.

Tratamentos alternativos

Os elementos que fazem fronteira com a linha divisória metal-não-metal nem sempre são classificados como metaloides, observando que uma classificação binária pode facilitar o estabelecimento de regras para determinar os tipos de ligação entre metais e não-metais. Nesses casos, os autores em questão se concentram em um ou mais atributos de interesse para tomar suas decisões de classificação, ao invés de se preocupar com a natureza marginal dos elementos em questão. Suas considerações podem ou não ser explicitadas e, às vezes, parecer arbitrárias. Os metalóides podem ser agrupados com metais; ou considerados como não metais; ou tratados como uma subcategoria de não metais. Outros autores sugeriram classificar alguns elementos como metalóides "enfatizando que as propriedades mudam gradualmente em vez de abruptamente à medida que se move através ou para baixo na tabela periódica". Algumas tabelas periódicas distinguem elementos que são metalóides e não exibem nenhuma linha divisória formal entre metais e não metais. Em vez disso, os metalóides são mostrados como ocorrendo em uma faixa diagonal ou região difusa. A consideração principal é explicar o contexto da taxonomia em uso.

Propriedades

Os metalóides geralmente se parecem com metais, mas se comportam em grande parte como não-metais. Fisicamente, eles são sólidos brilhantes e quebradiços com condutividade elétrica intermediária a relativamente boa e a estrutura de banda eletrônica de um semimetal ou semicondutor. Quimicamente, eles comportam-se como principalmente (fracos) não metais, têm energias de ionização intermediário e os valores de electronegatividade, e anfotéricos ou fracamente ácidas óxidos . Eles podem formar ligas com metais. A maioria de suas outras propriedades físicas e químicas são de natureza intermediária .

Comparado a metais e não metais

As propriedades características de metais, metalóides e não metais estão resumidas na tabela. As propriedades físicas são listadas em ordem de fácil determinação; as propriedades químicas vão do geral ao específico e, a seguir, ao descritivo.

Propriedades de metais, metalóides e não metais
Propriedade física Metais Metalóides Não Metais
Forma sólido; um pouco de líquido em ou próximo à temperatura ambiente ( Ga , Hg , Rb , Cs , Fr ) sólido maioria gasosa
Aparência lustroso (pelo menos quando fraturado recentemente) brilhante vários incolores; outros coloridos, ou cinza metálico a preto
Elasticidade tipicamente elástico, dúctil, maleável (quando sólido) frágil quebradiço, se sólido
Condutividade elétrica bom para alto intermediário para bom pobre para bom
Estrutura da banda metálico ( Bi = semimetálico) são semicondutores ou, se não ( As , Sb = semimetálico), existem em formas semicondutoras semicondutor ou isolante
Propriedade química Metais Metalóides Não Metais
Comportamento químico geral metálico não metálico não metálico
Energia de ionização relativamente baixo energias de ionização intermediárias, geralmente situando-se entre as de metais e não metais relativamente alto
Eletro-negatividade geralmente baixo têm valores de eletronegatividade próximos a 2 (escala de Pauling revisada) ou na faixa de 1,9-2,2 (escala de Allen) Alto
Quando misturado
com metais
dar ligas pode formar ligas compostos iônicos ou intersticiais formados
Óxidos óxidos inferiores básicos ; óxidos mais altos cada vez mais ácidos anfotérico ou fracamente ácido ácido

A tabela acima reflete a natureza híbrida dos metaloides. As propriedades de forma, aparência e comportamento quando misturadas com metais são mais parecidas com metais. A elasticidade e o comportamento químico geral são mais semelhantes aos não-metais. Condutividade elétrica, estrutura de banda, energia de ionização, eletronegatividade e óxidos são intermediários entre os dois.

Aplicativos comuns

O foco desta seção está nos metalóides reconhecidos. Elementos menos freqüentemente reconhecidos como metalóides são normalmente classificados como metais ou não metais; alguns deles estão incluídos aqui para fins comparativos.

Os metalóides são muito frágeis para ter qualquer uso estrutural em suas formas puras. Eles e seus compostos são usados ​​como (ou em) componentes de liga, agentes biológicos (toxicológicos, nutricionais e medicinais), catalisadores, retardadores de chama, vidros (óxidos e metálicos), meios de armazenamento óptico e optoeletrônicos, pirotécnicos, semicondutores e eletrônicos.

Ligas

Várias dezenas de pelotas metálicas, marrom-avermelhadas.  Eles têm uma aparência altamente polida, como se tivessem um revestimento de celofane.
Pelotas de liga de cobre-germânio , provavelmente ~ 84% Cu; 16% Ge. Quando combinado com prata, o resultado é uma prata esterlina resistente a manchas . Também são mostradas duas pelotas de prata.

Escrevendo no início da história dos compostos intermetálicos , o metalúrgico britânico Cecil Desch observou que "certos elementos não metálicos são capazes de formar compostos de caráter distintamente metálico com metais, e esses elementos podem, portanto, entrar na composição de ligas". Ele associou silício, arsênio e telúrio, em particular, aos elementos formadores de liga. Phillips e Williams sugeriram que compostos de silício, germânio, arsênico e antimônio com metais B , "são provavelmente mais classificados como ligas".

Entre os metalóides mais leves, ligas com metais de transição estão bem representadas. O boro pode formar compostos intermetálicos e ligas com tais metais da composição M n B, se n > 2. Ferroboron (15% boro) é usado para introduzir boro no aço ; ligas de níquel-boro são ingredientes em ligas de soldagem e composições de cementação para a indústria de engenharia. As ligas de silício com ferro e com alumínio são amplamente utilizadas pelas indústrias siderúrgica e automotiva, respectivamente. O germânio forma muitas ligas, principalmente com os metais de cunhagem .

Os metalóides mais pesados ​​continuam o tema. O arsênio pode formar ligas com metais, incluindo platina e cobre ; também é adicionado ao cobre e suas ligas para melhorar a resistência à corrosão e parece conferir o mesmo benefício quando adicionado ao magnésio. O antimônio é bem conhecido como formador de liga, inclusive com os metais de cunhagem. Suas ligas incluem estanho (uma liga de estanho com até 20% de antimônio) e metal tipo (uma liga de chumbo com até 25% de antimônio). O telúrio liga-se prontamente ao ferro, como ferrotelúrio (50–58% de telúrio), e ao cobre, na forma de cobre telúrio (40–50% de telúrio). O ferrotelúrio é usado como estabilizador de carbono na fundição de aço. Dos elementos não metálicos menos freqüentemente reconhecidos como metalóides, o selênio - na forma de ferrosselênio (50–58% de selênio) - é usado para melhorar a usinabilidade dos aços inoxidáveis.

Agentes biológicos

Um prato de vidro transparente no qual está um pequeno monte de um pó cristalino branco.
Trióxido de arsênio ou arsênio branco , uma das formas mais tóxicas e prevalentes de arsênio . As propriedades antileucêmicas do arsênico branco foram relatadas pela primeira vez em 1878.

Todos os seis elementos comumente reconhecidos como metalóides têm propriedades tóxicas, dietéticas ou medicinais. Os compostos de arsênio e antimônio são especialmente tóxicos; boro, silício e possivelmente arsênico são oligoelementos essenciais. Boro, silício, arsênico e antimônio têm aplicações médicas, e acredita-se que germânio e telúrio tenham potencial.

O boro é usado em inseticidas e herbicidas. É um oligoelemento essencial. Como ácido bórico , possui propriedades anti-sépticas, antifúngicas e antivirais.

O silício está presente no silatrano , um rodenticida altamente tóxico. A inalação de pó de sílica a longo prazo causa silicose , uma doença fatal dos pulmões. O silício é um oligoelemento essencial. O gel de silicone pode ser aplicado em pacientes gravemente queimados para reduzir as cicatrizes.

Os sais de germânio são potencialmente prejudiciais para humanos e animais se ingeridos por um período prolongado. Há interesse nas ações farmacológicas dos compostos de germânio, mas nenhum medicamento licenciado ainda.

O arsênico é notoriamente venenoso e também pode ser um elemento essencial em quantidades ultratrace. Durante a Primeira Guerra Mundial , ambos os lados usaram " agentes de espirros e vômitos baseados em arsênico ... para forçar os soldados inimigos a removerem suas máscaras de gás antes de atirar mostarda ou fosgênio neles em uma segunda salva ". Tem sido usado como agente farmacêutico desde a antiguidade, inclusive para o tratamento da sífilis antes do desenvolvimento de antibióticos . O arsênico também é um componente do melarsoprol , um medicamento usado no tratamento da tripanossomíase humana africana ou na doença do sono. Em 2003, o trióxido de arsênio (sob o nome comercial Trisenox ) foi reintroduzido para o tratamento da leucemia promielocítica aguda , um câncer do sangue e da medula óssea. O arsênico na água potável, que causa câncer de pulmão e bexiga, foi associado a uma redução nas taxas de mortalidade por câncer de mama.

O antimônio metálico é relativamente não tóxico, mas a maioria dos compostos de antimônio é venenosa. Dois compostos de antimônio, o estibogluconato de sódio e o estibofeno , são usados ​​como drogas antiparasitárias .

O telúrio elementar não é considerado particularmente tóxico; dois gramas de telurato de sódio, se administrados, podem ser letais. Pessoas expostas a pequenas quantidades de telúrio no ar exalam um odor fétido e persistente de alho. O dióxido de telúrio tem sido usado para tratar a dermatite seborreica ; outros compostos de telúrio foram usados ​​como agentes antimicrobianos antes do desenvolvimento dos antibióticos. No futuro, esses compostos podem precisar ser substituídos por antibióticos que se tornaram ineficazes devido à resistência bacteriana.

Dos elementos menos freqüentemente reconhecidos como metalóides, berílio e chumbo são conhecidos por sua toxicidade; o arseniato de chumbo tem sido amplamente utilizado como inseticida. O enxofre é um dos fungicidas e pesticidas mais antigos. Fósforo, enxofre, zinco, selênio e iodo são nutrientes essenciais, e podem ser alumínio, estanho e chumbo. Enxofre, gálio, selênio, iodo e bismuto têm aplicações medicinais. O enxofre é um constituinte das drogas sulfonamidas , ainda amplamente utilizadas para doenças como acne e infecções do trato urinário. O nitrato de gálio é usado para tratar os efeitos colaterais do câncer; citrato de gálio, um radiofármaco , facilita a geração de imagens de áreas inflamadas do corpo. O sulfeto de selênio é usado em xampus medicinais e para tratar infecções de pele, como tinea versicolor . O iodo é usado como desinfetante em várias formas. O bismuto é um ingrediente de alguns antibacterianos .

Catalisadores

Trifluoreto e tricloreto de boro são usados ​​como catalisadores em síntese orgânica e eletrônica; o tribrometo é usado na fabricação de diborano . Ligantes de boro não tóxicos podem substituir ligantes de fósforo tóxicos em alguns catalisadores de metal de transição. O ácido sulfúrico de sílica (SiO 2 OSO 3 H) é usado em reações orgânicas. O dióxido de germânio às vezes é usado como catalisador na produção de plástico PET para recipientes; compostos de antimônio mais baratos, como o trióxido ou triacetato , são mais comumente empregados para o mesmo propósito, apesar das preocupações com a contaminação de alimentos e bebidas por antimônio. O trióxido de arsênio tem sido usado na produção de gás natural , para aumentar a remoção do dióxido de carbono , assim como o ácido selenoso e o ácido telúrico . O selênio atua como um catalisador em alguns microrganismos. O telúrio, seu dióxido e seu tetracloreto são catalisadores fortes para a oxidação do carbono pelo ar acima de 500 ° C. O óxido de grafite pode ser utilizado como catalisador na síntese de iminas e seus derivados. O carvão ativado e a alumina têm sido usados ​​como catalisadores para a remoção de contaminantes de enxofre do gás natural. O alumínio dopado com titânio foi identificado como um substituto para os caros catalisadores de metal nobre usados ​​na produção de produtos químicos industriais.

Retardadores de chamas

Compostos de boro, silício, arsênio e antimônio têm sido usados ​​como retardadores de chama . O boro, na forma de bórax , tem sido usado como um retardador de chama têxtil pelo menos desde o século XVIII. Compostos de silício, como silicones, silanos , silsesquioxano , sílica e silicatos , alguns dos quais foram desenvolvidos como alternativas a produtos halogenados mais tóxicos , podem melhorar consideravelmente o retardamento de chama de materiais plásticos. Os compostos de arsênio, como o arsenito de sódio ou o arseniato de sódio, são retardadores de chama eficazes para a madeira, mas têm sido usados ​​com menos frequência devido à sua toxicidade. O trióxido de antimônio é um retardador de chama. O hidróxido de alumínio tem sido usado como retardador de chamas de fibra de madeira, borracha, plástico e têxtil desde a década de 1890. Além do hidróxido de alumínio, o uso de retardadores de chama à base de fósforo - na forma de, por exemplo, organofosforados - agora excede qualquer um dos outros tipos principais de retardantes. Estes empregam compostos de boro, antimônio ou hidrocarboneto halogenado .

Formação de vidro

Um monte de fios finos semitransparentes, amarelos claros, com pontos brilhantes de luz branca em suas pontas.
Fibras ópticas , geralmente feitas de vidro de dióxido de silício puro , com aditivos como trióxido de boro ou dióxido de germânio para aumentar a sensibilidade

Os óxidos B 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , As 2 O 3 e Sb 2 O 3 formam vidros prontamente . O TeO 2 forma um vidro, mas isso requer uma "taxa de têmpera heróica" ou a adição de uma impureza; caso contrário, resulta a forma cristalina. Esses compostos são usados ​​em vidros e óticos químicos, domésticos e industriais. O trióxido de boro é usado como aditivo de fibra de vidro , e também é um componente do vidro de borossilicato , amplamente utilizado em vidrarias de laboratório e de fornos domésticos por sua baixa expansão térmica. A maioria dos utensílios de vidro comuns é feita de dióxido de silício. O dióxido de germânio é usado como aditivo de fibra de vidro, bem como em sistemas ópticos infravermelhos. O trióxido de arsênio é usado na indústria do vidro como agente descolorante e afinante (para a remoção de bolhas), assim como o trióxido de antimônio. O dióxido de telúrio encontra aplicação em laser e óptica não linear .

Os vidros metálicos amorfos são geralmente mais facilmente preparados se um dos componentes for um metalóide ou "quase metalóide", como boro, carbono, silício, fósforo ou germânio. Além de filmes finos depositados em temperaturas muito baixas, o primeiro vidro metálico conhecido foi uma liga de composição Au 75 Si 25 relatada em 1960. Um vidro metálico tendo uma resistência e tenacidade não vistas anteriormente, de composição Pd 82,5 P 6 Si 9,5 Ge 2 , foi relatado em 2011.

Fósforo, selênio e chumbo, que são menos frequentemente reconhecidos como metaloides, também são usados ​​em vidros. O vidro fosfato tem um substrato de pentóxido de fósforo (P 2 O 5 ), em vez da sílica (SiO 2 ) dos vidros de silicato convencionais. É usado, por exemplo, para fazer lâmpadas de sódio . Os compostos de selênio podem ser usados ​​como agentes descolorantes e para adicionar uma cor vermelha ao vidro. A vidraria decorativa feita de vidro de chumbo tradicional contém pelo menos 30% de óxido de chumbo (II) (PbO); o vidro de chumbo usado para proteção contra radiação pode ter até 65% de PbO. Os vidros à base de chumbo também têm sido amplamente usados ​​em componentes eletrônicos, esmaltação, materiais de vedação e envidraçamento e células solares. Os vidros de óxido à base de bismuto surgiram como um substituto menos tóxico para o chumbo em muitas dessas aplicações.

Armazenamento óptico e optoeletrônica

Composições variadas de GeSbTe ("ligas GST") e Ag- e Sb 2 Te dopado ("ligas AIST"), sendo exemplos de materiais de mudança de fase , são amplamente utilizadas em discos ópticos regraváveis e dispositivos de memória de mudança de fase . Ao aplicar calor, eles podem ser alternados entre os estados amorfo (vítreo) e cristalino . A mudança nas propriedades ópticas e elétricas pode ser usada para fins de armazenamento de informações. As aplicações futuras do GeSbTe podem incluir "monitores ultrarrápidos e totalmente em estado sólido com pixels em escala nanométrica, óculos semitransparentes 'inteligentes', lentes de contato 'inteligentes' e dispositivos de retina artificial".

Pirotecnia

Um homem está parado no escuro.  Ele está segurando uma vara curta no meio do peito.  A ponta da vareta está acesa, queimando intensamente e emitindo fumaça.
Sinal de luz azul arcaico , alimentado por uma mistura de nitrato de sódio , enxofre e trissulfeto de arsênio (vermelho)

Os metaloides reconhecidos têm aplicações pirotécnicas ou propriedades associadas. Boro e silício são comumente encontrados; eles agem um pouco como combustíveis de metal. O boro é usado em composições de iniciador pirotécnico (para inflamar outras composições difíceis de iniciar) e em composições de retardamento que queimam a uma taxa constante. O carboneto de boro foi identificado como um possível substituto para misturas mais tóxicas de bário ou hexacloroetano em munições de fumaça, sinalizadores de sinalização e fogos de artifício. O silício, como o boro, é um componente das misturas iniciadoras e retardadoras. Germânio dopado pode atuar como combustível termite de velocidade variável . Trissulfeto de arsênio As 2 S 3 era usado em antigas luzes de sinalização naval ; em fogos de artifício para fazer estrelas brancas; em misturas de cortina de fumaça amarela ; e em composições de iniciador. O trissulfeto de antimônio Sb 2 S 3 é encontrado em fogos de artifício de luz branca e em misturas de flash e som . O telúrio tem sido usado em misturas de retardamento e em composições de iniciador de detonação .

Carbono, alumínio, fósforo e selênio continuam o tema. O carbono, na pólvora negra , é um constituinte de propelentes de foguetes de fogos de artifício, cargas explosivas e misturas de efeitos, além de fusíveis militares de retardo e ignitores. O alumínio é um ingrediente pirotécnico comum e amplamente empregado por sua capacidade de gerar luz e calor, inclusive em misturas de termite. O fósforo pode ser encontrado na fumaça e nas munições incendiárias, nas tampas de papel usadas em armas de brinquedo e nos poppers de festa . O selênio tem sido usado da mesma forma que o telúrio.

Semicondutores e eletrônicos

Uma pequena peça de plástico quadrada com três saliências de arame paralelas em um lado;  um chip de plástico retangular maior com várias pernas de plástico e metal em forma de pino;  e um pequeno globo de luz vermelha com dois longos fios saindo de sua base.
Componentes eletrônicos baseados em semicondutores . Da esquerda para a direita: um transistor , um circuito integrado e um LED . Os elementos comumente reconhecidos como metalóides encontram amplo uso em tais dispositivos, como constituintes semicondutores elementares ou compostos ( Si , Ge ou GaAs , por exemplo) ou como agentes dopantes ( B , Sb , Te , por exemplo).

Todos os elementos comumente reconhecidos como metaloides (ou seus compostos) foram usados ​​nas indústrias de semicondutores ou eletrônicos de estado sólido.

Algumas propriedades do boro limitaram seu uso como semicondutor. Tem um alto ponto de fusão, os monocristais são relativamente difíceis de obter e a introdução e retenção de impurezas controladas é difícil.

O silício é o semicondutor comercial líder; ele forma a base da eletrônica moderna (incluindo células solares padrão) e das tecnologias de informação e comunicação. Isso apesar do estudo dos semicondutores, no início do século 20, ter sido considerado a "física da sujeira" e não merecer atenção especial.

O germânio foi amplamente substituído pelo silício em dispositivos semicondutores, sendo mais barato, mais resistente em temperaturas operacionais mais altas e mais fácil de trabalhar durante o processo de fabricação microeletrônica. O germânio ainda é um constituinte das "ligas" semicondutoras de silício-germânio e sua utilização tem crescido, principalmente para dispositivos de comunicação sem fio; tais ligas exploram a maior mobilidade de portadores do germânio. A síntese de quantidades em escala de grama de germanano semicondutor foi relatada em 2013. Isso consiste em folhas de um átomo de espessura de átomos de germânio terminados em hidrogênio, análogos ao graphane . Conduz elétrons mais de dez vezes mais rápido que o silício e cinco vezes mais rápido que o germânio, e acredita-se que tenha potencial para aplicações optoeletrônicas e de detecção. O desenvolvimento de um ânodo à base de fio de germânio que mais do que duplica a capacidade das baterias de íon-lítio foi relatado em 2014. No mesmo ano, Lee et al. relataram que cristais de grafeno sem defeitos grandes o suficiente para ter usos eletrônicos poderiam ser cultivados e removidos de um substrato de germânio.

O arsênico e o antimônio não são semicondutores em seus estados padrão . Ambos formam semicondutores do tipo III-V (como GaAs, AlSb ou GaInAsSb) nos quais o número médio de elétrons de valência por átomo é o mesmo dos elementos do Grupo 14 . Esses compostos são preferidos para algumas aplicações especiais. Os nanocristais de antimônio podem permitir que as baterias de íon de lítio sejam substituídas por baterias de íon de sódio mais potentes .

O telúrio, que é um semicondutor em seu estado padrão, é usado principalmente como componente em calcogenetos semicondutores tipo II / VI ; estes têm aplicações em eletro-óptica e eletrônica. O telureto de cádmio (CdTe) é usado em módulos solares por sua alta eficiência de conversão, baixos custos de fabricação e grande gap de 1,44 eV, permitindo que absorva uma ampla faixa de comprimentos de onda. Telureto de bismuto (Bi 2 Te 3 ), ligado com selênio e antimônio, é um componente de dispositivos termoelétricos usados ​​para refrigeração ou geração portátil de energia.

Cinco metalóides - boro, silício, germânio, arsênico e antimônio - podem ser encontrados em telefones celulares (junto com pelo menos 39 outros metais e não metais). Espera-se que o telúrio encontre tal uso. Dos metalóides menos frequentemente reconhecidos, o fósforo, o gálio (em particular) e o selênio têm aplicações em semicondutores. O fósforo é usado em pequenas quantidades como dopante para semicondutores do tipo n . O uso comercial de compostos de gálio é dominado por aplicações de semicondutores - em circuitos integrados, telefones celulares, diodos laser , diodos emissores de luz , fotodetectores e células solares . O selênio é usado na produção de células solares e em protetores contra sobretensão de alta energia .

Boro, silício, germânio, antimônio e telúrio, bem como metais e metalóides mais pesados ​​como Sm, Hg, Tl, Pb, Bi e Se, podem ser encontrados em isoladores topológicos . São ligas ou compostos que, em temperaturas ultracold ou em temperatura ambiente (dependendo de sua composição), são condutores metálicos em suas superfícies, mas isolantes em seu interior. O arsenieto de cádmio Cd 3 As 2 , a cerca de 1 K, é um Dirac-semimetal - um análogo eletrônico em massa do grafeno - no qual os elétrons viajam efetivamente como partículas sem massa. Acredita-se que essas duas classes de material tenham aplicações de computação quântica em potencial .

Nomenclatura e história

Derivação e outros nomes

A palavra metalóide vem do latim metallum ("metal") e do grego oeides ("semelhante em forma ou aparência"). Vários nomes às vezes são usados ​​como sinônimos, embora alguns deles tenham outros significados que não são necessariamente intercambiáveis: elemento anfotérico, elemento de fronteira, meio-metal, elemento meio-caminho, próximo a metal, meta-metal, semicondutor, semimetal e submetal . "Elemento anfotérico" às vezes é usado de forma mais ampla para incluir metais de transição capazes de formar oxiânions , como cromo e manganês . " Meio-metal " é usado em física para se referir a um composto (como dióxido de cromo ) ou liga que pode atuar como condutor e isolante . "Meta-metal" às vezes é usado para se referir a certos metais ( Be , Zn , Cd , Hg , In , Tl , β-Sn , Pb ) localizados logo à esquerda dos metalóides nas tabelas periódicas padrão. Esses metais são principalmente diamagnéticos e tendem a ter estruturas cristalinas distorcidas, valores de condutividade elétrica na extremidade inferior dos metais e óxidos anfotéricos (fracamente básicos). "Semimetal" às vezes se refere, vagamente ou explicitamente, a metais com caráter metálico incompleto na estrutura cristalina, condutividade elétrica ou estrutura eletrônica. Os exemplos incluem gálio, itérbio , bismuto e neptúnio . Os nomes elemento anfotérico e semicondutor são problemáticos, pois alguns elementos denominados metaloides não apresentam comportamento anfotérico marcado (bismuto, por exemplo) ou semicondutividade (polônio) em suas formas mais estáveis.

Origem e uso

A origem e o uso do termo metalóide são complicados. A sua origem reside nas tentativas, desde a antiguidade, de descrever metais e distinguir entre formas típicas e menos típicas. Foi aplicado pela primeira vez no início do século 19 para metais que flutuavam na água (sódio e potássio) e, mais popularmente, para não metais. O uso anterior em mineralogia , para descrever um mineral com aparência metálica, pode ser originado em 1800. Desde meados do século 20, tem sido usado para se referir a elementos químicos intermediários ou limítrofes. A União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) recomendou anteriormente o abandono do termo metalóide e sugeriu o uso do termo semimetal . O uso deste último termo foi mais recentemente desencorajado por Atkins et al. já que tem um significado diferente em física - que mais especificamente se refere à estrutura de banda eletrônica de uma substância, em vez da classificação geral de um elemento. As publicações mais recentes da IUPAC sobre nomenclatura e terminologia não incluem quaisquer recomendações sobre o uso dos termos metalóide ou semimetal.

Elementos comumente reconhecidos como metaloides

As propriedades observadas nesta seção referem-se aos elementos em suas formas mais termodinamicamente estáveis ​​sob as condições ambientais.

Boro

Várias dezenas de pequenas pedras angulares como formas, cinza com manchas prateadas espalhadas e destaques.
Boro, mostrado aqui na forma de sua fase β- romboédrica (seu alótropo mais termodinamicamente estável )

O boro puro é um sólido cristalino cinza-prateado brilhante. É menos denso que o alumínio (2,34 vs. 2,70 g / cm 3 ) e é duro e quebradiço. É pouco reativo em condições normais, exceto para o ataque de flúor , e tem um ponto de fusão de 2076 ° C (cf. aço ~ 1370 ° C). O boro é um semicondutor; sua condutividade elétrica à temperatura ambiente é 1,5 × 10 −6 S • cm −1 (cerca de 200 vezes menor que a da água da torneira) e tem um gap de cerca de 1,56 eV. Mendeleev comentou que "o boro aparece em um estado livre em várias formas que são intermediárias entre os metais e os não metais."

A química estrutural do boro é dominada por seu pequeno tamanho atômico e energia de ionização relativamente alta. Com apenas três elétrons de valência por átomo de boro, a ligação covalente simples não pode cumprir a regra do octeto. A ligação metálica é o resultado usual entre os congêneres mais pesados ​​do boro, mas geralmente requer baixas energias de ionização. Em vez disso, por causa de seu pequeno tamanho e altas energias de ionização, a unidade estrutural básica do boro (e quase todos os seus alótropos) é o aglomerado icosaédrico B 12 . Dos 36 elétrons associados a 12 átomos de boro, 26 residem em 13 orbitais moleculares deslocalizados; os outros 10 elétrons são usados ​​para formar ligações covalentes de dois e três centros entre o icosaedra. O mesmo motivo pode ser visto, assim como variantes deltaédricas ou fragmentos, em boretos metálicos e derivados de hidretos e em alguns haletos.

A ligação em boro tem sido descrita como sendo característica de comportamento intermediário entre metais e sólidos da rede covalente não metálica (como o diamante ). A energia necessária para transformar B, C, N, Si e P de estados não metálicos em metálicos foi estimada em 30, 100, 240, 33 e 50 kJ / mol, respectivamente. Isso indica a proximidade do boro com a fronteira metal-não-metal.

A maior parte da química do boro é de natureza não metálica. Ao contrário de seus congêneres mais pesados, não se conhece a formação de um cátion B 3+ simples ou hidratado [B (H 2 O) 4 ] 3+ . O pequeno tamanho do átomo de boro permite a preparação de muitos boretos do tipo liga intersticial . Analogias entre boro e metais de transição foram observadas na formação de complexos e adutos (por exemplo, BH 3 + CO → BH 3 CO e, da mesma forma, Fe (CO) 4 + CO → Fe (CO) 5 ), também como nas estruturas geométricas e eletrônicas de espécies de cluster , como [B 6 H 6 ] 2− e [Ru 6 (CO) 18 ] 2− . A química aquosa do boro é caracterizada pela formação de muitos ânions poliboratos diferentes . Dada sua alta proporção de carga para tamanho, o boro se liga covalentemente em quase todos os seus compostos; as exceções são os boretos, pois incluem, dependendo de sua composição, componentes de ligação covalentes, iônicos e metálicos. Compostos binários simples, como o tricloreto de boro, são ácidos de Lewis, pois a formação de três ligações covalentes deixa um buraco no octeto que pode ser preenchido por um par de elétrons doado por uma base de Lewis . O boro tem uma forte afinidade com o oxigênio e uma química de borato devidamente extensa . O óxido B 2 O 3 é polimérico em estrutura, fracamente ácido e formador de vidro. Os compostos organometálicos de boro são conhecidos desde o século 19 (veja a química do organoboro ).

Silício

Uma protuberância em forma de batata cinza azulada brilhante com uma superfície irregular ondulada.
O silício tem um brilho metálico cinza-azulado .

O silício é um sólido cristalino com um brilho metálico cinza-azulado. Como o boro, é menos denso (2,33 g / cm 3 ) do que o alumínio e é duro e quebradiço. É um elemento relativamente não reativo. De acordo com Rochow, a forma cristalina maciça (especialmente se pura) é "notavelmente inerte a todos os ácidos, incluindo o fluorídrico ". O silício menos puro e a forma em pó são suscetíveis a ataques de ácidos fortes ou aquecidos, bem como de vapor e flúor. O silício se dissolve em álcalis aquosos quentes com a evolução do hidrogênio , assim como metais como berílio, alumínio, zinco, gálio ou índio. Ele derrete a 1414 ° C. O silício é um semicondutor com condutividade elétrica de 10 −4  S • cm −1 e gap de cerca de 1,11 eV. Quando derrete, o silício se torna um metal razoável com uma condutividade elétrica de 1,0–1,3 × 10 4  S • cm –1 , semelhante à do mercúrio líquido.

A química do silício é geralmente de natureza não metálica (covalente). Não se conhece a formação de um cátion. O silício pode formar ligas com metais como ferro e cobre. Ele mostra menos tendências ao comportamento aniônico do que os não metais comuns. Sua solução química é caracterizada pela formação de oxiânions. A alta resistência da ligação silício-oxigênio domina o comportamento químico do silício. Os silicatos poliméricos, formados por unidades tetraédricas de SiO 4 compartilhando seus átomos de oxigênio, são os compostos de silício mais abundantes e importantes. Os boratos poliméricos, compreendendo unidades trigonais e tetraédricas BO 3 ou BO 4 ligadas , são construídos em princípios estruturais semelhantes. O óxido SiO 2 é polimérico em estrutura, fracamente ácido e formador de vidro. A química organometálica tradicional inclui os compostos de carbono do silício (ver organossilício ).

Germânio

Bloco lustroso acinzentado com superfície clivada irregular.
O germânio às vezes é descrito como um metal

O germânio é um sólido branco-acinzentado brilhante. Tem uma densidade de 5,323 g / cm 3 e é duro e quebradiço. Quase sempre não reage à temperatura ambiente, mas é lentamente atacado por ácido sulfúrico ou nítrico concentrado a quente . O germânio também reage com a soda cáustica fundida para produzir germanato de sódio Na 2 GeO 3 e gás hidrogênio. Ele derrete a 938 ° C. O germânio é um semicondutor com uma condutividade elétrica de cerca de 2 × 10 −2  S • cm −1 e um gap de 0,67 eV. O germânio líquido é um condutor metálico com condutividade elétrica semelhante à do mercúrio líquido.

A maior parte da química do germânio é característica de um não metal. Se o germânio forma um cátion ou não, não está claro, além da existência relatada do íon Ge 2+ em alguns compostos esotéricos. Pode formar ligas com metais como alumínio e ouro . Ele mostra menos tendências ao comportamento aniônico do que os não metais comuns. Sua solução química é caracterizada pela formação de oxiânions. O germânio geralmente forma compostos tetravalentes (IV) e também pode formar compostos divalentes (II) menos estáveis, nos quais se comporta mais como um metal. Análogos de germânio de todos os principais tipos de silicatos foram preparados. O caráter metálico do germânio também é sugerido pela formação de vários sais de oxoácido . Um fosfato [(HPO 4 ) 2 Ge · H 2 O] e trifluoroacetato Ge (OCOCF 3 ) 4 altamente estável foram descritos, assim como Ge 2 (SO 4 ) 2 , Ge (ClO 4 ) 4 e GeH 2 (C 2 O 4 ) 3 . O óxido GeO 2 é polimérico, anfotérico e formador de vidro. O dióxido é solúvel em soluções ácidas (o monóxido GeO, ainda mais), e às vezes é usado para classificar o germânio como um metal. Até a década de 1930, o germânio era considerado um metal pouco condutor; ocasionalmente foi classificado como um metal por escritores posteriores. Tal como acontece com todos os elementos comumente reconhecidos como metalóides, o germânio tem uma química organometálica estabelecida (consulte Química do Organogermanium ).

Arsênico

Dois aglomerados de prata opaca de fragmentos cristalinos.
Arsênico , selado em um recipiente para evitar manchas

O arsênico é um sólido cinza e metálico. Tem uma densidade de 5,727 g / cm 3 e é quebradiço e moderadamente duro (mais do que o alumínio; menos do que o ferro ). É estável ao ar seco, mas desenvolve uma pátina de bronze dourado no ar úmido, que escurece com a exposição posterior. O arsênio é atacado por ácido nítrico e ácido sulfúrico concentrado. Ele reage com a soda cáustica fundida para dar o arseniato Na 3 AsO 3 e gás hidrogênio. O arsênico sublima a 615 ° C. O vapor é amarelo-limão e cheira a alho. O arsênio só derrete sob uma pressão de 38,6 atm , a 817 ° C. É um semimetal com uma condutividade elétrica de cerca de 3,9 × 10 4  S • cm −1 e uma sobreposição de banda de 0,5 eV. O arsênio líquido é um semicondutor com gap de 0,15 eV.

A química do arsênico é predominantemente não metálica. Se o arsênio forma ou não um cátion, não está claro. Suas muitas ligas metálicas são, em sua maioria, quebradiças. Ele mostra menos tendências ao comportamento aniônico do que os não metais comuns. Sua solução química é caracterizada pela formação de oxiânions. O arsênio geralmente forma compostos nos quais tem um estado de oxidação de +3 ou +5. Os halogenetos e os óxidos e seus derivados são exemplos ilustrativos. No estado trivalente, o arsênio apresenta algumas propriedades metálicas incipientes. Os halogenetos são hidrolisados pela água, mas essas reações, particularmente as do cloreto, são reversíveis com a adição de um ácido hidrohálico . O óxido é ácido, mas, como observado abaixo, (fracamente) anfotérico. O estado pentavalente superior e menos estável possui propriedades fortemente ácidas (não metálicas). Em comparação com o fósforo, o caráter metálico mais forte do arsênio é indicado pela formação de sais de oxoácido como AsPO 4 , As 2 (SO 4 ) 3 e acetato de arsênio As (CH 3 COO) 3 . O óxido As 2 O 3 é polimérico, anfotérico e formador de vidro. O arsênico possui uma extensa química organometálica (consulte Química organoarsênica ).

Antimônio

Um pedaço de rocha prateado brilhante, com uma tonalidade azul, e sulcos quase paralelos.
Antimônio , mostrando seu brilho brilhante

O antimônio é um sólido branco prateado com uma tonalidade azul e um lustre brilhante. Tem uma densidade de 6,697 g / cm 3 e é quebradiço e moderadamente duro (mais do que o arsênico; menos do que o ferro; quase o mesmo que o cobre). É estável ao ar e à umidade em temperatura ambiente. É atacado por ácido nítrico concentrado, originando o pentóxido hidratado Sb 2 O 5 . A água régia fornece o pentacloreto SbCl 5 e o ácido sulfúrico concentrado a quente resulta no sulfato Sb 2 (SO 4 ) 3 . Não é afetado pelo álcali fundido. O antimônio é capaz de deslocar o hidrogênio da água, quando aquecido: 2 Sb + 3 H 2 O → Sb 2 O 3 + 3 H 2 . Ele derrete a 631 ° C. O antimônio é um semimetal com uma condutividade elétrica de cerca de 3,1 × 10 4  S • cm −1 e uma sobreposição de banda de 0,16 eV. O antimônio líquido é um condutor metálico com condutividade elétrica de cerca de 5,3 × 10 4  S • cm −1 .

A maior parte da química do antimônio é característica de um não metal. O antimônio tem alguma química catiônica definida, SbO + e Sb (OH) 2 + estando presentes em solução aquosa ácida; o composto Sb 8 (GaCl 4 ) 2 , que contém a homopolicação, Sb 8 2+ , foi preparado em 2004. Pode formar ligas com um ou mais metais como alumínio, ferro, níquel , cobre, zinco, estanho, chumbo, e bismuto. O antimônio tem menos tendências ao comportamento aniônico do que os não metais comuns. Sua solução química é caracterizada pela formação de oxiânions. Como o arsênico, o antimônio geralmente forma compostos nos quais tem um estado de oxidação de +3 ou +5. Os halogenetos e os óxidos e seus derivados são exemplos ilustrativos. O estado +5 é menos estável do que o +3, mas relativamente mais fácil de atingir do que com arsênico. Isto é explicado pelo pobre blindagem proporcionou o núcleo arsénio pelos seus 3d 10 electrões . Em comparação, a tendência do antimônio (sendo um átomo mais pesado) de oxidar mais facilmente compensa parcialmente o efeito de sua camada 4d 10 . O antimônio tripositivo é anfotérico; o antimônio pentapositivo é (predominantemente) ácido. Consistente com um aumento no caráter metálico do grupo 15 , o antimônio forma sais ou compostos semelhantes a sal, incluindo um nitrato Sb (NO 3 ) 3 , fosfato SbPO 4 , sulfato Sb 2 (SO 4 ) 3 e perclorato Sb (ClO 4 ) 3 . O outra forma ácido pentóxido Sb 2 O 5 mostra algum comportamento básico (metálico) em que ele pode ser dissolvido em soluções muito ácidas, com a formação do oxycation SbO+
2
. O óxido Sb 2 O 3 é polimérico, anfotérico e formador de vidro. O antimônio possui uma extensa química organometálica (consulte Química do organoantimônio ).

Telúrio

Um medalhão branco-prateado brilhante com uma superfície estriada, irregular ao redor do lado de fora, com um padrão em forma de espiral quadrada no meio.
Telúrio , descrito por Dmitri Mendeleev como formando uma transição entre metais e não metais

O telúrio é um sólido brilhante branco prateado. Tem uma densidade de 6,24 g / cm 3 , é frágil e é o mais macio dos metalóides comumente reconhecidos, sendo ligeiramente mais duro que o enxofre. Grandes pedaços de telúrio são estáveis ​​no ar. A forma de pó fino é oxidada pelo ar na presença de umidade. O telúrio reage com água fervente, ou quando precipitado recentemente, mesmo a 50 ° C, para dar o dióxido e o hidrogênio: Te + 2 H 2 O → TeO 2 + 2 H 2 . Ele reage (em vários graus) com os ácidos nítrico, sulfúrico e clorídrico para dar compostos como o sulfóxido TeSO 3 ou ácido teluroso H 2 TeO 3 , o nitrato básico (Te 2 O 4 H) + (NO 3 ) - , ou o óxido sulfato Te 2 O 3 (SO 4 ). Ele se dissolve em álcalis em ebulição, para dar o telurito e telureto : 3 Te + 6 KOH = K 2 TeO 3 + 2 K 2 Te + 3 H 2 O, uma reação que prossegue ou é reversível com o aumento ou diminuição da temperatura.

Em temperaturas mais altas, o telúrio é suficientemente plástico para extrusão. Ele funde a 449,51 ° C. O telúrio cristalino tem uma estrutura que consiste em cadeias espirais infinitas paralelas. A ligação entre átomos adjacentes em uma cadeia é covalente, mas há evidências de uma interação metálica fraca entre os átomos vizinhos de diferentes cadeias. O telúrio é um semicondutor com uma condutividade elétrica de cerca de 1,0 S • cm −1 e um gap de 0,32 a 0,38 eV. O telúrio líquido é um semicondutor, com uma condutividade elétrica, ao derreter, em torno de 1,9 × 10 3  S • cm -1 . O telúrio líquido superaquecido é um condutor metálico.

A maior parte da química do telúrio é característica de um não metal. Mostra algum comportamento catiônico. O dióxido se dissolve em ácido para produzir o íon trihidroxotelúrio (IV) Te (OH) 3 + ; os íons vermelho Te 4 2+ e amarelo-laranja Te 6 2+ se formam quando o telúrio é oxidado em ácido fluorossulfúrico (HSO 3 F) ou dióxido de enxofre líquido (SO 2 ), respectivamente. Pode formar ligas com alumínio, prata e estanho. O telúrio mostra menos tendências ao comportamento aniônico do que os não metais comuns. Sua solução química é caracterizada pela formação de oxiânions. O telúrio geralmente forma compostos nos quais tem um estado de oxidação de -2, +4 ou +6. O estado +4 é o mais estável. Teluretos de composição X x Te y são facilmente formados com a maioria dos outros elementos e representam os minerais de telúrio mais comuns. A não estequiometria é generalizada, especialmente com metais de transição. Muitos teluretos podem ser considerados ligas metálicas. O aumento no caráter metálico evidente no telúrio, em comparação com os calcogênios mais leves , é ainda refletido na formação relatada de vários outros sais de oxiácido, como um selenato básico 2TeO 2 · SeO 3 e um perclorato e periodato análogo 2TeO 2 · HXO 4 . O telúrio forma um óxido polimérico anfotérico, formador de vidro, TeO 2 . É um óxido formador de vidro "condicional" - ele forma um vidro com uma quantidade muito pequena de aditivo. O telúrio tem uma extensa química organometálica (veja química do organotelúrio ).

Elementos menos comumente reconhecidos como metaloides

Carbono

Uma pepita cubóide cinza-escura brilhante com uma superfície áspera.
Carbono (como grafite ). Os elétrons de valência deslocalizados dentro das camadas de grafite conferem-lhe uma aparência metálica.

O carbono é normalmente classificado como um não metal, mas tem algumas propriedades metálicas e, ocasionalmente, é classificado como um metalóide. O carbono grafítico hexagonal (grafite) é o alótropo de carbono mais termodinamicamente estável nas condições ambientais. Tem uma aparência brilhante e é um condutor elétrico bastante bom. A grafite tem uma estrutura em camadas. Cada camada consiste em átomos de carbono ligados a três outros átomos de carbono em um arranjo de rede hexagonal . As camadas são empilhadas juntas e mantidas frouxamente por forças de van der Waals e elétrons de valência deslocalizados .

Como um metal, a condutividade do grafite na direção de seus planos diminui à medida que a temperatura aumenta; possui a estrutura de faixa eletrônica de um semimetal. Os alótropos de carbono, incluindo grafite, podem aceitar átomos ou compostos estranhos em suas estruturas por meio de substituição, intercalação ou dopagem . Os materiais resultantes são referidos como "ligas de carbono". O carbono pode formar sais iônicos, incluindo um sulfato de hidrogênio, perclorato e nitrato (C+
24
X - .2HX, onde X = HSO 4 , ClO 4 ; e C+
24
NÃO-
3
.3HNO 3 ). Na química orgânica , o carbono pode formar cátions complexos - denominados carbocations  - nos quais a carga positiva está no átomo de carbono; exemplos são CH+
3
e CH+
5
, e seus derivados.

O carbono é frágil e se comporta como um semicondutor em uma direção perpendicular aos seus planos. A maior parte de sua química não é metálica; tem uma energia de ionização relativamente alta e, em comparação com a maioria dos metais, uma eletronegatividade relativamente alta. O carbono pode formar ânions como C 4− ( metanídeo ), C2-
dois
( acetilida ), e C3-
4
( sesquicarbídeo ou alilenídeo ), em compostos com metais dos grupos principais 1–3 e com os lantanídeos e actinídeos . Seu óxido CO 2 forma ácido carbônico H 2 CO 3 .

Alumínio

Um caroço branco prateado em forma de ferro a vapor com estrias semicirculares ao longo da largura de sua superfície superior e sulcos ásperos na porção média de sua borda esquerda.
O alumínio de alta pureza é muito mais macio do que suas ligas familiares . As pessoas que lidam com isso pela primeira vez costumam perguntar se é real.

O alumínio é normalmente classificado como um metal. É brilhante, maleável e dúctil e possui alta condutividade elétrica e térmica. Como a maioria dos metais, tem uma estrutura cristalina compacta e forma um cátion em solução aquosa.

Possui algumas propriedades incomuns para um metal; em conjunto, às vezes são usados ​​como base para classificar o alumínio como metalóide. Sua estrutura cristalina mostra algumas evidências de ligação direcional . O alumínio se liga covalentemente na maioria dos compostos. O óxido Al 2 O 3 é anfotérico e formador de vidro condicional. O alumínio pode formar aluminatos aniônicos , sendo esse comportamento considerado de caráter não metálico.

A classificação do alumínio como metalóide tem sido contestada devido às suas muitas propriedades metálicas. É, portanto, sem dúvida, uma exceção ao mnemônico que os elementos adjacentes à linha divisória metal-não-metal são metaloides.

Stott rotula o alumínio como um metal fraco. Ele tem as propriedades físicas de um metal, mas algumas propriedades químicas de um não metal. Steele observa o comportamento químico paradoxal do alumínio: "Ele se assemelha a um metal fraco em seu óxido anfotérico e no caráter covalente de muitos de seus compostos ... No entanto, é um metal altamente eletropositivo ... [com] um alto potencial de eletrodo negativo " Moody diz que "o alumínio está na 'fronteira diagonal' entre os metais e os não-metais no sentido químico".

Selênio

Uma pequena jarra de vidro cheia de pequenos botões côncavos cinza opacos.  Os pedaços de selênio parecem cogumelos minúsculos sem seus caules.
O selênio cinza , sendo um fotocondutor , conduz eletricidade cerca de 1.000 vezes melhor quando a luz incide sobre ele, uma propriedade usada desde meados da década de 1870 em várias aplicações de detecção de luz.

O selênio mostra comportamento metalóide ou não metálico limítrofe.

Sua forma mais estável, o alótropo trigonal cinza , às vezes é chamada de selênio "metálico" porque sua condutividade elétrica é várias ordens de magnitude maior do que a da forma monoclínica vermelha . O caráter metálico do selênio é ainda mostrado por seu brilho e sua estrutura cristalina, que se pensa incluir ligações intercadeias fracamente "metálicas". O selênio pode ser transformado em fios finos quando derretido e viscoso. Ele mostra relutância em adquirir "os altos números de oxidação positiva característicos dos não metais". Pode formar policatiões cíclicos (como Se2+
8
) quando dissolvido em oleos (um atributo que compartilha com enxofre e telúrio), e um sal catiônico hidrolisado na forma de trihidroxosselênio (IV) perclorato [Se (OH) 3 ] + · ClO-
4
.

O caráter não metálico do selênio é mostrado por sua fragilidade e baixa condutividade elétrica (~ 10 −9 a 10 −12  S • cm −1 ) de sua forma altamente purificada. Isso é comparável ou inferior ao do bromo (7,95 × 10 –12  S • cm −1 ), um não metal. O selênio tem a estrutura de banda eletrônica de um semicondutor e retém suas propriedades semicondutoras na forma líquida. Tem uma eletronegatividade relativamente alta (escala de Pauling revisada de 2,55). Sua reação química é principalmente a de suas formas aniônicas não metálicas Se 2− , SeO2−
3
e SeO2−
4
.

O selênio é comumente descrito como um metalóide na literatura de química ambiental . Ele se move pelo ambiente aquático de forma semelhante ao arsênio e antimônio; seus sais solúveis em água, em concentrações mais elevadas, apresentam perfil toxicológico semelhante ao do arsênio.

Polônio

O polônio é "distintamente metálico" em alguns aspectos. Ambas as suas formas alotrópicas são condutores metálicos. É solúvel em ácidos, formando o cátion Po 2+ rosado e deslocando o hidrogênio: Po + 2 H + → Po 2+ + H 2 . Muitos sais de polônio são conhecidos. O óxido PoO 2 é predominantemente de natureza básica. O polônio é um agente oxidante relutante, ao contrário de seu oxigênio congênere mais leve: são necessárias condições altamente redutoras para a formação do ânion Po 2− em solução aquosa.

Se o polônio é dúctil ou quebradiço, não está claro. Prevê-se que seja dúctil com base nas constantes elásticas calculadas . Possui uma estrutura cristalina cúbica simples . Tal estrutura tem poucos sistemas de deslizamento e "leva a uma ductilidade muito baixa e, portanto, baixa resistência à fratura".

O polônio apresenta caráter não metálico em seus haletos, e pela existência de polonídeos . Os halogenetos têm propriedades geralmente características de halogenetos não metálicos (sendo voláteis, facilmente hidrolisados ​​e solúveis em solventes orgânicos ). Muitos polonídeos metálicos, obtidos aquecendo os elementos juntos a 500-1.000 ° C, e contendo o ânion Po 2− , também são conhecidos.

Astatine

Por ser um halogênio , o astato tende a ser classificado como um não metal. Possui algumas propriedades metálicas marcadas e, às vezes, é classificado como metalóide ou (com menos frequência) como metal. Imediatamente após sua produção em 1940, os primeiros investigadores consideraram-no um metal. Em 1949, era considerado o não metal mais nobre (difícil de reduzir ), além de ser um metal relativamente nobre (difícil de oxidar). Em 1950, o astatine foi descrito como um halogênio e (portanto) um não metal reativo . Em 2013, com base na modelagem relativística , astatine foi previsto para ser um metal monoatômico, com uma estrutura cristalina cúbica centrada na face .

Vários autores comentaram sobre a natureza metálica de algumas das propriedades do astatine. Como o iodo é um semicondutor na direção de seus planos e como os halogênios se tornam mais metálicos com o aumento do número atômico, presumiu-se que astatine seria um metal se pudesse formar uma fase condensada. Astatine pode ser metálico no estado líquido com base em que elementos com uma entalpia de vaporização (∆H vap ) maior que ~ 42 kJ / mol são metálicos quando líquidos. Esses elementos incluem boro, silício, germânio, antimônio, selênio e telúrio. Os valores estimados para ∆H vap de astatina diatômica são 50 kJ / mol ou mais; o iodo diatômico, com um ∆H vap de 41,71, fica um pouco abaixo do valor limite.

"Como metais típicos, ele [astatine] é precipitado por sulfeto de hidrogênio mesmo de soluções fortemente ácidas e é deslocado em uma forma livre de soluções de sulfato; é depositado no cátodo na eletrólise ." Outras indicações de uma tendência do astato a se comportar como um metal (pesado) são: "... a formação de compostos de pseudo-haleto ... complexos de cátions astato ... ânions complexos de astato trivalente ... bem como complexos com um variedade de solventes orgânicos ". Também foi argumentado que o astatine demonstra comportamento catiônico, por meio das formas At + e AtO + estáveis , em soluções aquosas fortemente ácidas.

Algumas das propriedades relatadas do astatine não são metálicas. Foi extrapolado para ter o intervalo estreito de líquido normalmente associado com não metais (p.f. 302 ° C; p.e. 337 ° C), embora as indicações experimentais sugiram um ponto de ebulição mais baixo de cerca de 230 ± 3 ° C. Batsanov fornece uma energia de intervalo de banda calculada para astatine de 0,7 eV; isso é consistente com os não-metais (em física) tendo bandas de valência e condução separadas e, portanto, sendo semicondutores ou isolantes. A química do astatine em solução aquosa é principalmente caracterizada pela formação de várias espécies aniônicas. A maioria de seus compostos conhecidos se assemelha aos do iodo, que é um halogênio e um não metal. Esses compostos incluem astatides (XAt), astatates (XAtO 3 ) e compostos monovalentes interhalogênicos .

Restrepo et al. relataram que o astatine parecia ser mais semelhante ao polônio do que ao halogênio. Eles o fizeram com base em estudos comparativos detalhados das propriedades conhecidas e interpoladas de 72 elementos.

Conceitos relacionados

Perto de metalóides

Fragmentos cristalinos de cor violeta-negra brilhantes.
Cristais de iodo , exibindo um brilho metálico . O iodo é um semicondutor na direção de seus planos, com um gap de ~ 1,3 eV. Tem uma condutividade elétrica de 1,7 × 10 −8  S • cm −1 à temperatura ambiente . Este é mais alto do que o selênio, mas menor do que o boro, o menos eletricamente condutor dos metalóides reconhecidos.

Na tabela periódica, alguns dos elementos adjacentes aos metaloides comumente reconhecidos, embora geralmente classificados como metais ou não metais, são ocasionalmente referidos como quase metalóides ou notados por seu caráter metaloidal. À esquerda da linha divisória metal-não-metal, esses elementos incluem gálio, estanho e bismuto. Eles mostram estruturas de empacotamento incomuns, química covalente marcada (molecular ou polimérica) e anfoterismo. À direita da linha divisória estão carbono, fósforo, selênio e iodo. Eles exibem brilho metálico, propriedades semicondutoras e bandas de ligação ou valência com caráter deslocalizado. Isso se aplica às suas formas mais termodinamicamente estáveis ​​em condições ambientais: carbono como grafite; fósforo como fósforo preto; e selênio como selênio cinza.

Alótropos

Muitas esferas pequenas, brilhantes e prateadas à esquerda;  muitas das esferas do mesmo tamanho à direita são mais opacas e escuras que as da esquerda e têm um brilho metálico moderado.
Lata branca (esquerda) e lata cinza (direita). Ambas as formas têm aparência metálica.

Diferentes formas cristalinas de um elemento são chamadas de alótropos . Alguns alótropos, particularmente aqueles de elementos localizados (em termos de tabela periódica) ao lado ou perto da linha divisória nocional entre metais e não metais, exibem comportamento metálico, metaloidal ou não metálico mais pronunciado do que outros. A existência de tais alótropos pode complicar a classificação dos elementos envolvidos.

O estanho, por exemplo, tem dois alótropos: β-estanho tetragonal "branco" e α-estanho "cinza" cúbico. O estanho branco é um metal muito brilhante, dúctil e maleável. É a forma estável em ou acima da temperatura ambiente e tem uma condutividade elétrica de 9,17 × 10 4  S · cm −1 (~ 1/6 da do cobre). O estanho cinza geralmente tem a aparência de um pó microcristalino cinza e também pode ser preparado em formas cristalinas ou policristalinas semibrilhantes quebradiças . É a forma estável abaixo de 13,2 ° C e tem uma condutividade elétrica entre (2–5) × 10 2  S · cm -1 (~ 1 / 250º do estanho branco). O estanho cinzento tem a mesma estrutura cristalina do diamante. Ele se comporta como um semicondutor (como se tivesse um gap de 0,08 eV), mas tem a estrutura de banda eletrônica de um semimetal. Tem sido referido como um metal muito pobre, um metalóide, um não metal ou quase metalóide.

O diamante alótropo do carbono é claramente não metálico, sendo translúcido e com baixa condutividade elétrica de 10 −14 a 10 −16  S · cm −1 . O grafite tem uma condutividade elétrica de 3 × 10 4  S · cm −1 , uma figura mais característica de um metal. Fósforo, enxofre, arsênio, selênio, antimônio e bismuto também têm alótropos menos estáveis ​​que exibem comportamentos diferentes.

Abundância, extração e custo

Z Elemento Gramas
/ tonelada
8 Oxigênio 461.000
14 Silício 282.000
13 Alumínio 82.300
26 Ferro 56.300
6 Carbono 200
29 Cobre 60
5 Boro 10
33 Arsênico 1.8
32 Germânio 1,5
47 Prata 0,075
34 Selênio 0,05
51 Antimônio 0,02
79 Ouro 0,004
52 Telúrio 0,001
75 Rênio 0,00000000077 × 10 −10
54 Xenon 0,000000000033 × 10 −11
84 Polônio 0,00000000000000022 × 10 −16
85 Astatine 0,0000000000000000033 × 10 −20

Abundância

A tabela fornece abundâncias crustais dos elementos comumente a raramente reconhecidos como metalóides. Alguns outros elementos são incluídos para comparação: oxigênio e xenônio (os elementos mais e menos abundantes com isótopos estáveis); ferro e metais de cunhagem, cobre, prata e ouro; e rênio, o metal estável menos abundante (o alumínio é normalmente o metal mais abundante). Várias estimativas de abundância foram publicadas; estes freqüentemente discordam em alguma medida.

Extração

Os metalóides reconhecidos podem ser obtidos por redução química de seus óxidos ou de seus sulfetos . Métodos de extração mais simples ou mais complexos podem ser empregados dependendo da forma inicial e dos fatores econômicos. O boro é obtido rotineiramente reduzindo o trióxido com magnésio: B 2 O 3 + 3 Mg → 2 B + 3 MgO; após o processamento secundário, o pó marrom resultante tem uma pureza de até 97%. O boro de maior pureza (> 99%) é preparado por aquecimento de compostos de boro voláteis, como BCl 3 ou BBr 3 , em uma atmosfera de hidrogênio (2 BX 3 + 3 H 2 → 2 B + 6 HX) ou até o ponto de decomposição térmica . O silício e o germânio são obtidos a partir de seus óxidos por aquecimento do óxido com carbono ou hidrogênio: SiO 2 + C → Si + CO 2 ; GeO 2 + 2 H 2 → Ge + 2 H 2 O. O arsênio é isolado de sua pirita (FeAsS) ou pirita de arsênio (FeAs 2 ) por aquecimento; em alternativa, pode ser obtido a partir do seu óxido por redução com carbono: 2 As 2 O 3 + 3 C → 2 As + 3 CO 2 . O antimônio é derivado de seu sulfeto por redução com ferro: Sb 2 S 3 → 2 Sb + 3 FeS. O telúrio é preparado a partir de seu óxido dissolvendo-o em NaOH aquoso, produzindo telurito, e então por redução eletrolítica : TeO 2 + 2 NaOH → Na 2 TeO 3 + H 2 O; Na 2 TeO 3 + H 2 O → Te + 2 NaOH + O 2 . Outra opção é a redução do óxido por torração com carbono: TeO 2 + C → Te + CO 2 .

Os métodos de produção dos elementos menos frequentemente reconhecidos como metaloides envolvem processamento natural, redução eletrolítica ou química ou irradiação. O carbono (como grafite) ocorre naturalmente e é extraído ao esmagar a rocha-mãe e fazer flutuar o grafite mais leve para a superfície. O alumínio é extraído pela dissolução de seu óxido Al 2 O 3 em criolita fundida Na 3 AlF 6 e, em seguida, por redução eletrolítica em alta temperatura. O selênio é produzido pela torrefação dos selenetos de metal de cunhagem X 2 Se (X = Cu, Ag, Au) com carbonato de sódio para dar o selenito: X 2 Se + O 2 + Na 2 CO 3 → Na 2 SeO 3 + 2 X + CO 2 ; o seleneto é neutralizado por ácido sulfúrico H 2 SO 4 para dar ácido selenoso H 2 SeO 3 ; isto é reduzido pelo borbulhamento com SO 2 para produzir selênio elementar. O polônio e o astato são produzidos em quantidades diminutas pela irradiação do bismuto.

Custo

Os metalóides reconhecidos e seus vizinhos mais próximos custam geralmente menos do que a prata; apenas o polônio e o astato são mais caros do que o ouro, devido à sua significativa radioatividade. Em 5 de abril de 2014, os preços de pequenas amostras (até 100 g) de silício, antimônio e telúrio, e grafite, alumínio e selênio, custam em média cerca de um terço do preço da prata (US $ 1,5 por grama ou cerca de US $ 45 a onça). Amostras de boro, germânio e arsênico custam em média cerca de três vezes e meia o custo da prata. O polônio está disponível por cerca de US $ 100 o micrograma . Zalutsky e Pruszynski estimam um custo semelhante para a produção de astato. Os preços dos elementos aplicáveis ​​comercializados como commodities tendem a variar de duas a três vezes mais baratos do que o preço de amostra (Ge), até quase três mil vezes mais baratos (As).

Notas

Referências

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Leitura adicional

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  • Miller JS (2019), "Viewpoint: Metalloids - An Electronic Band Structure Perspective", Chemistry - A European Perspective, versão pré-impressa, doi : 10.1002 / chem.201903167
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  • Rochow EG (1966), The Metalloids, DC Heath and Company, Boston
  • Vernon RE (2013), "Which Elements are Metalloids?", Journal of Chemical Education, vol. 90, não. 12, pp. 1703–07, doi : 10.1021 / ed3008457
  • —— (2020,) "Organizing the Metals and Nonmetals" , Foundations of Chemistry, (acesso aberto)