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».
Elssemimetalls són una de les tres categories principals d'elements químics, que tenen propietats químiques intermèdies entremetalls i elsno-metalls.[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 hi inclouen alguns dels següents:bismut (Bi),[2]poloni (Po) iàstat (At).[3][4]
Malgrat una aparença metàl·lica, la diferència principal amb elsmetalls és que tendeixen a sersemiconductors en lloc deconductors elèctrics.[5] En lataula periòdica són en la diagonal des de la part superior esquerra (grup 13) a la inferior dreta en elbloc p, fent de frontera entre els metalls i no-metalls.
Des de mitjan segle xx els han anomenat «metal·loides» («metall» més la terminació-oide, que ve del grecεἶδος, eîdos, 'forma', 'aparença'),[6] però és una denominació ambigua perquè abans es denominava amb aquest terme als no-metalls.[7][8] LaUnió Internacional de Química Pura i Aplicada (IUPAC) el 1971 va proposar de substituir-lo pel terme «semimetalls»,[9] amb el prefix llatísemi-, que significa 'no completament, quasi'.[10]
No hi ha acord complet en alguns dels elements que formen part dels semimetalls. Una proposta de definició indica que els semimetalls, a l'estat estàndard, han de complir tres requisits:
Una estructura de bandes electròniques d'unsemiconductor.
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 donen una base útil per establir una definició més formal d'un semimetall per aquells altres elements on no hi ha acord. Elseleni té una primera energia d'ionització de 941 kJ/mol i de vegades es descriu com a semiconductor,[4] té una energia de labanda prohibida de 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, té una electronegativitat de 2,55 que és massa alta. Elpoloni té una primera energia d'ionització de 812,1 kJ/mol i una electronegativitat de 2,0, però té unaestructura de bandes de tipus metàl·lic. En aquest sentit, elseleni es classifica millor com a no-metall i elpoloni com a metall. L'àstat es pot considerar raonablement com un semimetall o un metall.[4]
El silici és el segon element en abundància, representa el 28 %, més d'i, quart de la massa de l'escorça de la Terra. El bor és el següent semimetall en abundància, però a gran distància del silici, ja que ocupa la posició 38a quant 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 el germani quant 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]
Mentres els metalls formen cristalls on els àtoms són enllaçats mitjançantenllaç 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 dediamant quan es cristal·litzen. Els àtoms del cristall tenen enllaços covalents que els ancoren a quatre àtoms veïns a les cantonades d'untetraedre. Les molècules tridimensionals massives són cristalls simples de germani i silici. L'arsènic té diversosal·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 delgrafit, disposades en una xarxa. Mentrestant, el tel·luri té cristalls a l'interior que contenen infinites cadenes espirals d'àtoms de tel·luri. El bor forma unicosaedre 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, i crea 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.
Una de les característiques més destacades dels semimetalls és que presenten propietats desemiconductors. Segons lateoria de bandes en elsmetalls no existeix diferència d'energia entre labanda de valència, ocupada pelselectrons, i labanda de conducció perquè es troben superposades, la qual cosa fa que a qualsevol temperatura els metalls siguin bonsconductors de l'electricitat ja que els electrons poden moure's lliurament per aquesta banda de conducció. Pel que fa alsno-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 labanda prohibida (diferència d'energia entre la banda de conducció i la banda de valència) del carbonidiamant és de 5,5 eV o la delsofre 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.
Silici. El silici ultrapur es fa servir en components electrònics i elèctrics, com aracèl·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 polímersilicona que s'utilitza per a fabricar lubricants, adhesius, recipients per a forn, aïllaments de cables elèctrics, pròtesis valvulars i implants mamaris. Elcarbur de silici (conegut amb el nom comercial de «carborúndum»), un material de duresa 9 a l'escala de Mohs és un bon abrasiu i antilliscant, resistent i bon aïllant elèctric. Eldiòxid de silici hidratat és un component abrasiu de les pastes de dents. Elgel 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 elstransistors, tot i que es reemplàça cada cop més pel silici. El germani és emprat com a material fosforescent en bombetes fluorescents i en la fabricació dedíodes emissors de llum LED. El germani metàl·lic pur, en forma de discos col·locats dins l'òptica, es fa servir en equips devisió nocturna, com que és transparent als raigs infrarojos i és útil encàmeres tèrmiques per a detectar zones calentes. L'òxid de germani té un altíndex de refracció i una dispersió òptica baixa, característiques que el fan útil en la fabricació d'òptiques de gran angle en càmeres fotogràfiques, microscopis, enfibra òptica i enlàsers. L'òxid de germani serveix en elscatalitzadors per a lapolimerització en la síntesi delpoliterftalat d'etilè (PET). Eltel·lurur de germani i antimoni és usat en la producció de les capes de gravació dediscos Blu-ray reenregistrables.[16]
Antimoni. El principal ús de l'antimoni és la producció deretardants de flama en pintures, coles, plàstics (per a cobertes d'ordinadors i televisors, entre d'altres) i en el tractament de teixits ignífugs com ara telons de teatre o uniformes de bombers. També s'utilitza com a catalitzador en la fabricació de plàstics com elPET. És un dels components de lesbateries de plom i àcid de vehicles, on intervé per a endurir el plom. L'antimoni puríssim es fa servir en la fabricació de semiconductors. L'antimoni aliat amb l'estany es fa servir 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. El tel·luri és utilitzat com a additiu a l'acer per a millorar-ne les propietats mecàniques, com són la duresa i la resistència a la corrosió. En els aliatges de coure 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 serveix de catalitzador 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. 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 de recerca científica.
