Semimetall
|
Aquest article tracta sobre el grup d'elements de la taula periòdica (metal·loides). Si cerqueu el tipus de sòlid en funció de la seva conductivitat, vegeu «semi metalls». |
Els semimetalls són una de les tres categories principals d'elements químics, juntament amb els metalls i els no-metalls. Tenen propietats químiques intermèdies entre les dels uns i les dels altres.[1] Els elements que tots els autors consideren semimetalls són sis: bor (B), silici (Si), germani (Ge), arsènic (As), antimoni (Sb), tel·luri (Te). Segons diferents criteris algunes fonts també inclouen alguns dels següents: bismut (Bi),[2] poloni (Po) i àstat (At).[3][4]
Malgrat la seva aparença metàl·lica, la diferència principal amb els metalls és que tendeixen a ser semiconductors en lloc de conductors elèctrics.[5] En la taula periòdica se situen en diagonal des de la part superior esquerra (grup 13) a la inferior dreta en el bloc p, fent de frontera entre els metalls i no-metalls.
Des de mitjans del segle xx els han anomenat «metal·loides» («metall» més la terminació -oide, que ve del grec εἶδος, eîdos, 'forma', 'aparença'),[6] però és una denominació ambigua perquè abans es denominava amb aquest terme als no-metalls.[7][8] La Unió Internacional de Química Pura i Aplicada (IUPAC) el 1971 desaconsellà el seu ús i substituir-lo pel terme «semimetalls»,[9] amb el prefix llatí semi-, que significa 'no completament, quasi'.[10]
Definició
modifica| Element | 1a energia
d'ionització (kJ/mol) |
Electronegativitat
de Pauling |
Estructura de la
banda electrònica |
|---|---|---|---|
| β-bor | 800 | 2,04 | Semiconductor |
| α-silici | 786 | 1,90 | Semiconductor |
| α-germani | 762 | 2,01 | Semiconductor |
| α-arsènic | 944 | 2,18 | Quasimetall |
| α-antimoni | 830 | 2,05 | Quasimetall |
| α-tel·luri | 869 | 2,10 | Semiconductor |
| àstat | 899 | 2,2 | Semiconductor |
No hi ha acord complet en alguns dels elements que formen part dels semimetalls. Una proposta de definició indica que els semimetalls, en el seu estat estàndard, han de complir tres requisits:
- Una estructura de bandes electròniques d’un semiconductor.
- Una primera energia d'ionització entre 750-1 000 kJ/mol.
- Una electronegativitat de Pauling entre 1,9 i 2,2.[11][4]
Hi ha sis elements comunament reconeguts sense discussió com a semimetalls: bor (B), silici (Si), germani (Ge), arsènic (As), antimoni (Sb), tel·luri (Te). Aquests criteris proporcionen una base útil per establir una definició més formal d’un semimetall per aquells altres elements on no hi ha acord. El seleni té una primera energia d'ionització de 941 kJ/mol i de vegades es descriu com a semiconductor,[4] la seva energia de la banda prohibida és 1,7–2,4 eV, més alta que la dels altres semimetalls (inferiors a 1,55 eV) però inferior al llindar de 4 eV a partir del qual es consideren aïllants.[12] Tanmateix, la seva electronegativitat de 2,55 és massa alta. El poloni té una primera energia d’ionització de 812,1 kJ/mol i una electronegativitat de 2,0, però té una estructura de bandes de tipus metàl·lic. En aquest sentit, el seleni es classifica millor com a no-metall i el poloni com a metall. L'àstat es pot considerar raonablement com un semimetall o un metall.[4]
Abundància
modificaEl silici és el 2n element en abundància, representa el 28 % de la massa de l'escorça de la Terra, més de la quarta part de l'escorça està constituïda per silici. El bor és el següent semimetall en abundància, però a gran distància del silici, ja que ocupa la posició 38a en quan a abundància a l'escorça terrestre amb una concentració mitjana de 10 ppm (mg/kg). El germani és el següent i ocupa la posició 52a en abundància amb una concentració mitjana de 2 ppm. L'arsenic segueix al germani en quan a abundància amb una concentració mitjana d'1,5 ppm. L'antimoni ocupa la posició 63 a l'escorça amb una concentració de 0,2 ppm i el tel·luri és el menys abundant dels semimetalls, és el 72è amb una concentració de 5 ppb (μg/kg).[13]
Estructures
modificaMentres els metalls formen cristalls on els àtoms es troben enllaçats mitjançant enllaç metàl·lic, els semimetalls tenen una estructura cristal·lina que resulta de l'enllaç covalent. El silici elemental, l’antimoni, l’arsènic, el germani i el tel·luri tenen un llustre brillant i, per tant, semblen metalls. El germani i el silici tenen una estructura de diamant quan es cristal·litzen. Els àtoms del cristall tenen enllaços covalents que els ancoren a quatre àtoms veïns a les cantonades d’un tetraedre. Les molècules tridimensionals massives són cristalls simples de germani i silici. L’arsènic té diversos al·lòtrops, amb l’al·lotrop més estable que té una estructura en capes composta de làmines d’àtoms d’arsènic. Els àtoms d’arsènic estan units a altres tres àtoms que els envolten. L’antimoni i l’arsènic tenen estructures similars a l'estructura del grafit, disposades en una xarxa. Mentrestant, el tel·luri té cristalls al seu interior que contenen infinites cadenes espirals d’àtoms de tel·luri. El bor forma un icosaedre amb àtoms de bor a cada cantonada i l'estructura cristal·lina és transparent. La disposició més comuna dels àtoms és aquella en què estan extremadament junts, amb els enllaços bor-bor que tenen una longitud aproximada de 176 pm. També hi ha altres formes dels icosaedres, que tenen diferents disposicions dels àtoms de bor. El silici forma fàcilment compostos amb oxigen, creant enllaços en format Si–O–Si. Aquests enllaços són extremadament importants en la formació de minerals, una mica anàlegs als enllaços de carboni que tenen una importància fonamental en la formació de compostos orgànics en plantes i animals.
Propietats
modificaPropietats físiques
modifica
Una de les característiques més destacades dels semimetalls és que presenten propietats de semiconductors. Segons la teoria de bandes en els metalls no existeix diferència d'energia entre la banda de valència, ocupada pels electrons, i la banda de conducció perquè es troben superposades, la qual cosa fa que a qualsevol temperatura els metalls siguin bons conductors de l'electricitat ja que els electrons poden moure's lliurament per aquesta banda de conducció. Pel que fa als no-metalls, en la majoria la diferència d'energia es prou alta perquè dificulti el pas d'electrons de la banda de valència a la banda de conducció a temperatures normals, per exemple el valor de l'energia de la banda prohibida (diferència d'energia entre la banda de conducció i la banda de valència) del carboni diamant és de 5,5 eV o la del sofre 4,2 eV, per la qual cosa són aïllants. En el cas dels semiconductors la banda prohibida té poca energia, la qual cosa fa que sigui possible que, en elevar la temperatura o per acció de la llum, alguns electrons puguin adquirir energia suficient per situar-se en la banda de conducció. La conductivitat doncs, pot ser controlada amb la temperatura, amb la llum o dopant de semiconductor amb altres espècies que aportin més electrons.
| B | Si | Ge | As | Sb | Te | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Configuració electrònica | [He] 2s² 2p¹ | [Ne] 3s² 3p² | [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p² | [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p³ | [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p³ | [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p4 |
| Densitat (g/cm³) a T ambient | 2,34 | 2,33 | 5,32 | 5,75 | 6,68 | 6,24 |
| Duresa (escala de Mohs) | 9,4 | 6,5 | 6,0 | 3,5 | 3,0 | 2,25 |
| Punt de fusió (°C) | 2 076 | 1 414 | 938,3 | 817 | 630,6 | 449,5 |
| Punt d'ebullició (°C) | 4 000 | 3 265 | 2 833 | 603 (sublima) | 1 587 | 988 |
| Conductivitat tèrmica (W/m K) | 27,4 | 149 | 60,2 | 50,2 | 24,4 | 1,97–3,38 |
| Calor de fusió (kJ/mol) | 50,2 | 50,21 | 36,94 | 24,44 (gris) | 19,79 | 17,49 |
| Energia de la banda prohibida a 300 K (eV) | 0,74–1,55 | 1,12 | 0,81[15] | 0,3 (α)[15] | 0,1 | 0,33 |
Aplicacions
modifica- Bor. El bor s'empra en el dopatge dels semiconductors de silici i de germani, i com a absorbent de neutrons en les piscines d'aigua borada on s'emmagatzemen els residus radioactius de les centrals nuclears. El perborat de sodi s'utilitza com a font d'oxigen actiu, amb efectes blanquejants, en detergents i altres productes de neteja. També es troba en la pasta dentifrícia com a blanquejador de les dents. A més, s'usa en la producció de focs d'artifici de color verd. En forma de borosilicat d'alumini i sodi, és la fabricació de vidre d'alta resistència, ja que hi aporta un baix coeficient d'expansió tèrmica. Els borats s’utilitzen en la fabricació de ceràmiques, fibra de vidre i esmalts. El carbur de bor s'utilitza en les barres reguladores de les centrals nuclears de reactors d'aigua bullent. Té una duresa de 9,3 sobre 10 a l'escala de Mohs, per la qual cosa s'usa en blindatges de carros de combat i armilles antibales. L'energia que desprèn la ràpida combustió del bor amorf s'utilitza com a propulsor dels coixins de seguretat dels vehicles.[16]
Bossa amb gel de sílice emprat com a dessecant en envasos de components electrònics, petits electrodomèstics... - Silici. El silici ultrapur s'usa en components electrònics i elèctrics, com ara cèl·lules fotovoltaiques, microxips i rectificadors. El silici metall s’utilitza per millorar les propietats de l'alumini en el procés de fosa. L'aliatge ferrosilici s'empra en les foneries per a millorar les propietats de l'acer. El polímer silicona que s'utilitza per a fabricar lubricants, adhesius, recipients per a forn, aïllaments de cables elèctrics, pròtesis valvulars i implants mamaris. El carbur de silici (conegut amb el nom comercial de «carborúndum») , un material de duresa 9 a l'escala de Mohs s'empra com a abrasiu i antilliscant; és un material resistent i bon aïllant elèctric. El diòxid de silici hidratat és un component abrasiu de les pastes dentifrícies. El gel de sílice és una forma porosa del diòxid de silici emprat com a agent dessecant.[16]
- Germani. El germani és un material semiconductor que s'utilitza junt amb el silici en circuits integrats d'alta velocitat, i substitueix l'arsenur de gal·li en dispositius de comunicació sense fils. Encara s'utilitza el germani en els díodes per a transformar el corrent altern en continu i en els transistors, tot i que està sent substituït cada cop més pel silici. El germani és emprat com a material fosforescent en bombetes fluorescents i en la fabricació de díodes emissors de llum LED. El germani metàl·lic pur, en forma de discos col·locats dins l'òptica, s'usa en equips de visió nocturna, ja que és transparent als raigs infrarojos i és útil en càmeres tèrmiques per a detectar zones calentes. L'òxid de germani té un alt índex de refracció i una dispersió òptica baixa, característiques que el fan útil en la fabricació d'òptiques de gran angle en càmeres fotogràfiques, microscopis, en fibra òptica i en làsers. L'òxid de germani és usat en els catalitzadors per a la polimerització en la síntesi del politerftalat d'etilè (PET). El tel·lurur de germani i antimoni és usat en la producció de les capes de gravació de discos Blu-ray regravables.[16]
- Arsènic. S'usa com a additiu en els aliatges de plom. L'arsenur de gal·li d'altíssima puresa (99,9999 %) és un important semiconductor que es fa servir en cèl·lules fotovoltaiques, circuits integrats, díodes làser i díodes emissors de llum de color vermell-granatós. La Xina ha vingut utilitzant l'arsènic en la medicina tradicional des de fa ja més de dos mil anys.[16]
- Antimoni. El principal ús de l'antimoni és la producció de retardants de flama usats en pintures, coles, plàstics (per a cobertes d'ordinadors i televisors, entre d'altres) i en el tractament de teixits ignífugs (telons de teatre). També s'utilitza com a catalitzador en la fabricació de plàstics com el PET. És un dels components de les bateries de plom i àcid de vehicles, on intervé per a endurir aquest metall. L'antimoni puríssim es fa servir en la fabricació de semiconductors. L'antimoni aliat amb l'estany s'usa en soldadures, i aliat amb el zinc aporta duresa a l'aliatge. La indústria de la ceràmica, dels plàstics i de les gomes industrials consumeixen sals d’antimoni.[16]
- Tel·luri. L'ús principal del tel·luri és la seva addició a l'acer per a millorar-ne les propietats mecàniques, com són la duresa i la resistència a la corrosió. També s'usa com a additiu en els aliatges de coure perquè millora la maquinabilitat sense perdre conductivitat elèctrica. El tel·luri, afegit al plom, en millora la duresa i n'incrementa la resistència als àcids. El tel·luri és un catalitzador usat en la producció de fibra sintètica. També s'utilitza en la producció de pneumàtics per a accelerar el procés de vulcanització del cautxú, procés pel qual s'escalfa el cautxú en presència de tel·luri, en substitució del sofre o del seleni, i se'l fa més dur i resistent. El tel·luri s'utilitza cada vegada més en la fabricació de cèl·lules solars de cadmi i tel·luri. Indústria electrònica El tel·lurur de cadmi i zinc s'utilitza en detectors de raigs gamma per a la medicina (en tomografia d'emissió de positrons, PET) i la indústria; el tel·lurur de cadmi i manganès s'utilitza com a semiconductor sensible als infrarojos. L'òxid de tel·luri s'usa en la preparació de la superfície regravable dels DVD i Blu-ray. El tel·lurur de bismut és un dels compostos clau de les plaques Peltier, que produeixen fred o calor a conseqüència del pas d'un corrent elèctric a través de la junció de dos metalls, aliatges o semiconductors (efecte Peltier).[16]
- Àstat. No té aplicacions industrials i només s'empra als laboratoris d'investigació.
Referències
modifica- ↑ «10 Características de los Metaloides». [Consulta: 4 abril 2021].
- ↑ Gribanov, E. N.; Markov, O. I.; Khripunov, Yu. V. «When does bismuth become a semimetal?» (en anglès). Nanotechnologies in Russia, 6, 9-10, 10-2011, pàg. 593–596. DOI: 10.1134/S1995078011050089. ISSN: 1995-0780.
- ↑ «metalloid» (en anglès). Encyclopædia Britannica, 2003.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 Vernon, René E. «Which Elements Are Metalloids?» (en anglès). Journal of Chemical Education, 90, 12, 10-12-2013, pàg. 1703–1707. DOI: 10.1021/ed3008457. ISSN: 0021-9584.
- ↑ «¿Qué son los metaloides?» (en castellà), 17-04-2017. [Consulta: 4 abril 2021].
- ↑ «-oide». Gran Diccionari de la Llengua Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
- ↑ «Metal·loide». Gran Diccionari de la Llengua Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
- ↑ «Metal·loide». Diccionari de la llengua catalana de l'IEC. Institut d'Estudis Catalans.
- ↑ «Nomenclature of Inorganic Chemistry» (en anglès). IUPAC, 1971. [Consulta: 30 setembre 2021].
- ↑ «semi-». Gran Diccionari de la Llengua Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
- ↑ Masterton, W.L.; Slowinski, E.J.. Chemical principles. 5th ed. Philadelphia: Saunders College Pub, 1981. ISBN 0-03-057804-3.
- ↑ 12,0 12,1 Strehlow, W.H.; Cook, E.L. «Compilation of Energy Band Gaps in Elemental and Binary Compound. Semiconductors and Insulators». J. Phys. Chem. Ref. Data, 2, 1, 1973.
- ↑ Emsley, John. Nature's Building Blocks : an a-Z Guide to the Elements.. 2a edició. Oxford: Oxford University Press, Incorporated, 2011. ISBN 978-0-19-257046-8.
- ↑ William M. Haynes. CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data.. 93a edició, 2012-2013. Boca Raton, Fla.: CRC, 2012. ISBN 978-1-4398-8049-4.
- ↑ 15,0 15,1 Madelung, O. Semiconductors : data handbook. 3a edició. Berlín: Springer, 2004. ISBN 3-540-40488-0.
- ↑ 16,0 16,1 16,2 16,3 16,4 16,5 Sanz Balagué, J.; Tomasa Guix, O. Elements i recursos minerals: aplicacions i reciclatge. 3a. Iniciativa Digital Politècnica, 2017. ISBN 978-84-9880-666-3.
Vegeu també
modifica