Полумета́лл (металло́ид) — химический элемент, который по своим свойствам занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами. Не существует стандартного определения металлоидов и полного согласия относительно того, какие элементы можно считать ими. Несмотря на отсутствие специфики, этот термин всё ещё используется в профильной литературе.
Шесть общепризнанных металлоидов — бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур. Реже к ним добавляют пять элементов: углерод, алюминий, селен, полоний и астат. В стандартной периодической таблице все одиннадцать элементов находятся в диагональной области p-блока, располагающийся от бора вверху слева до астата внизу справа. В некоторых периодических таблицах есть разделительная линия между металлами и неметаллами, и металлоиды находятся рядом с этой линией.
Типичные металлоиды имеют металлический вид и относительно хорошо проводят электричество, но хрупки и в химическом отношении ведут себя в основном как неметаллы. Они также могут образовывать сплавы с металлами. Большинство других их физических и химических свойств имеют промежуточный характер. Полуметаллы обычно слишком хрупкие, чтобы их можно было использовать в качестве материалов для несущих конструкций. Они и их соединения используются в сплавах, биологических агентах, катализаторах, антипиренах, стёклах, оптических накопителях и оптоэлектронике, пиротехнике, полупроводниках и электронике.
Электрические свойства кремния и германия позволили создать полупроводниковую промышленность в 1950-х годах и разработать твердотельную электронику с начала 1960-х годовChedd 1969, pp. 58, 78; National Research Council 1984, p. 43.
Термин «металлоид» первоначально относился к неметаллам. Его более современное значение, как категория элементов с промежуточными или гибридными свойствами, получило широкое распространение в 1940—1960 годах. Металлоиды иногда называют полуметаллами, но эта практика не приветствуетсяAtkins et al. 2010, p. 20, поскольку термин «полуметалл» имеет разное значение в физике и в химии. В физике термин относится к определённому типу электронной зонной структуры вещества. В этом контексте только мышьяк, углерод и сурьма являются полуметаллами и обычно считаются металлоидами.
Определения
Обзор мнений Металлоид — это элемент, у которого преобладают промежуточные свойства между металлами и неметаллами или представляют собой смесь свойств металлов и неметаллов, и поэтому его трудно классифицировать как металл или неметалл. Это общее определение, основанное на характеристиках металлоидов, постоянно цитируемых в литературе. Сложность категоризации выступает как ключевой атрибут. Большинство элементов имеют смесь металлических и неметаллических свойствHopkins & Bailar 1956, p. 458 и могут быть классифицированы в зависимости от того, какой набор свойств более выраженGlinka 1965, p. 77. Только элементы на границе или рядом с ней, не имеющие достаточно чётко выраженных металлических или неметаллических свойств, классифицируют как металлоидыTyler Miller 1987, p. 59.
Бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур обычно считают металлоидамиGoldsmith 1982, p. 526; Kotz, Treichel & Weaver 2009, p. 62; Bettelheim et al. 2010, p. 46. В зависимости от автора, в список иногда добавляют один или несколько элементов: селен, полоний или астатHawkes 2001, p. 1686; Segal 1989, p. 965; McMurray & Fay 2009, p. 767. Иногда бор исключают сам по себе или вместе с кремниемBucat 1983, p. 26; Brown c. 2007. Иногда теллур не считают металлоидомSwift & Schaefer 1962, p. 100. Включение сурьмы, полония и астата в качестве металлоидов подвергалось сомнениюHawkes 2001, p. 1686; Hawkes 2010; Holt, Rinehart & Wilson c. 2007.
Другие элементы также иногда относят к металлоидам. Эти элементы включаютDunstan 1968, pp. 310, 409. Dunstan называет Be, Al, Ge (возможно), As, Se (возможно), Sn, Sb, Te, Pb, Bi и Po в качестве металлоидов (сс. 310, 323, 409, 419). водородTilden 1876, pp. 172, 198—201; Smith 1994, p. 252; Bodner & Pardue 1993, p. 354, бериллийBassett et al. 1966, p. 127, азотRausch 1960, фосфорThayer 1977, p. 604; Warren & Geballe 1981; Masters & Ela 2008, p. 190, серуWarren & Geballe 1981; Chalmers 1959, p. 72; US Bureau of Naval Personnel 1965, p. 26, цинкSiebring 1967, p. 513, галлийWiberg 2001, p. 282, олово, йодRausch 1960; Friend 1953, p. 68, свинецMurray 1928, p. 1295, висмут и радонHampel & Hawley 1966, p. 950; Stein 1985; Stein 1987, pp. 240, 247-8. Термин металлоид также используется для элементов, которые обладают металлическим блеском и электропроводность и являются амфотерными, таких как мышьяк, сурьма, ванадий, хром, молибден, вольфрам, олово, свинец и алюминийHatcher 1949, p. 223; Secrist & Powers 1966, p. 459. Постпереходные металлыTaylor 1960, p. 614 и неметаллы (такие как углерод или азот), которые могут образовывать сплавы с металламиConsidine & Considine 1984, p. 568; Cegielski 1998, p. 147; The American heritage science dictionary 2005 p. 397 или изменять их свойстваWoodward 1948, p. 1, также иногда рассматривают как металлоиды.
На основе критериев Элемент IE (ккал/моль) IE (кДж/моль) EN Зонная структура Бор 191 801 2,04 полупроводник Кремний 188 787 1,90 полупроводник Германий 182 762 2,01 полупроводник Мышьяк 226 944 2,18 полуметалл Сурьма 199 831 2,05 полуметалл Теллур 208 869 2,10 полупроводник среднее значение 199 832 2,05 Элементы, обычно называемые металлоидами, и их энергии ионизации (IE)NIST 2010. Значения, показанные в приведённой выше таблице, были преобразованы из значений NIST, которые даны в эВ., электроотрицательности (EN, пересмотренная шкала Полинга) и электронные зонные структурыBerger 1997; Lovett 1977, p. 3 (наиболее термодинамически стабильные формы в условиях окружающей среды). Не существует ни общепринятого определения металлоида, ни разделения периодической таблицы на металлы, металлоиды и неметаллыGoldsmith 1982, p. 526; Hawkes 2001, p. 1686; ХоуксHawkes 2001, p. 1687 поставил под сомнение возможность установления конкретного определения, отметив, что аномалии можно обнаружить в нескольких попытках дать такое определение. Классификация элемента как металлоида была описана ШарпомSharp 1981, p. 299 как «произвольная».
Количество и качества металлоидов зависят от того, какие критерии классификации используются. ЭмслиEmsley 1971, p. 1 выделил четыре металлоида (германий, мышьяк, сурьму и теллур); Джеймс и др.James et al. 2000, p. 480 перечислили двенадцать (к списку Эмсли добавились бор, углерод, кремний, селен, висмут, полоний, московий и ливерморий). В среднем в такие списки входят семь элементов; но отдельные схемы классификации, как правило, имеют общие основания и различаются по неточно опредёленнымChatt 1951, p. 417 «Граница между металлами и металлоидами неопределенная…»; Burrows et al. 2009, p. 1192: «Хотя элементы удобно описывать как металлы, металлоиды и неметаллы, переходы между ними не являются точными…» границам.
Обычно используют один количественный критерий, такой как электроотрицательностьRochow 1966, pp. 1, 4-7, металлоиды определяют по значениям электроотрицательности от 1,8 или 1,9 до 2,2Rochow 1977, p. 76; Mann et al. 2000, p. 2783. Дополнительные примеры включают эффективность упаковки (доля объёма в кристаллической структуре, занятая атомами) и соотношение критериев Голдхаммера — ГерцфельдаAskeland, Phulé & Wright 2011, p. 69. Общепризнанные металлоиды имеют эффективность упаковки от 34 % до 41 %. Отношение Голдхаммера — Герцфельда, примерно равное кубу атомного радиуса, делённого на молярный объёмEdwards & Sienko 1983, p. 693 — простая мера того, насколько металлический этот элемент. Признанные металлоиды имеют отношения примерно от 0,85 до 1,1 и в среднем 1,0Edwards & Sienko 1983, p. 695; Edwards et al. 2010. Другие авторы полагались, например, на атомную проводимостьHill & Holman 2000, p. 41. Они характеризуют металлоиды (частично) на том основании, что они «плохие проводники электричества с электрической проводимостью обычно меньше 10−3, но больше 10−5 См ⋅ см−1». или объёмное координационное числоBond 2005, p. 3: «Одним из критериев отличия полуметаллов от настоящих металлов при нормальных условиях является то, что объёмное координационное число первых никогда не превышает восьми, в то время как для металлов оно обычно двенадцать (или больше, если для объёмно-центрированной кубической структуры также учитываются следующие за ближайшими соседями).».
Джонс, писавший о роли классификации в науке, заметил, что «[классы] обычно определяются более чем двумя атрибутами»Jones 2010, p. 169. Мастертон и СловинскиMasterton & Slowinski 1977, p. 160 причисляет B, Si, Ge, As, Sb и Te к металлоидам и отмечает, что Po и At обычно классифицируются как металлоиды, но добавляет, что это произвольно, поскольку об их свойства мало известно. использовали три критерия для описания шести элементов, обычно называемых металлоидами: металлоиды имеют энергию ионизации около 200 ккал/моль (837 кДж/моль) и значения электроотрицательности, близкие к 2,0. Они также сказали, что металлоиды обычно являются полупроводниками, хотя сурьма и мышьяк (полуметаллы с точки зрения физики) имеют электрическую проводимость, приближающуюся к проводимости металлов. Предполагается, что селен и полоний не входят в эту схему, в то время как статус астата остаётся неопределенным.
В этом контексте Вернон предположил, что металлоид — это химический элемент, который в своём стандартном состоянии имеет: электронную зонную структуру полупроводника или полуметалла; промежуточный первый потенциал ионизации «(скажем, 750—1000 кДж/моль)»; промежуточную электроотрицательность (1.9-2.2)Vernon 2013, pp. 1703.
Расположение Металлоиды находятся по обе стороны от разделительной линии между металлами и неметаллами. Их можно найти в различных конфигурациях в некоторых периодических таблицах. Элементы в нижнем левом углу обычно демонстрируют усиление металлических свойств; элементы в правом верхнем углу отображают усиление неметаллического поведенияHamm 1969, p. 653. При представлении в виде обычной ступенчатой лестницы элементы с наивысшей критической температурой для своих групп (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) располагаются чуть ниже линииHorvath 1973, p. 336.
Диагональное расположение металлоидов представляет собой исключение из наблюдения, что элементы с аналогичными свойствами имеют тенденцию располагаться в вертикальных группахGray 2009, p. 9. Такой эффект подобия можно увидеть в других диагональных сходствах между некоторыми элементами и их нижними правыми соседями, в частности, литий-магний, бериллий-алюминий и бор-кремний. Рейнер-Кэнхэм утверждает, что это сходство распространяется на пары углерод-фосфор, азот-сера и на три серии d-блоковRayner-Canham 2011.
Это исключение возникает из-за конкурирующих горизонтальных и вертикальных тенденций в свойствах зависящих от заряда ядер. С изменением периода заряд ядра растёт с атомным номером, как и количество электронов. Дополнительное притяжение внешних электронов по мере увеличения заряда ядра обычно перевешивает экранирующий эффект наличия большего количества электронов. Таким образом, за исключением нескольких контрпримеров атомы становятся меньше, энергия ионизации увеличивается, и в зависимости от периода наблюдается постепенное изменение характера свойств от сильно металлических к слабо металлическим или от слабо неметаллических к сильно неметаллическим элементамBooth & Bloom 1972, p. 426; Cox 2004, pp. 17, 18, 27-8; Silberberg 2006, pp. 305-13. В основной группе эффект увеличения заряда ядра обычно перевешивается влиянием дополнительных электронов, находящихся дальше от ядра. Обычно атомы становятся больше, энергия ионизации падает, а металлический характер свойств увеличиваетсяCox 2004, pp. 17-18, 27-8; Silberberg 2006, p. 305-13. Конечный эффект состоит в том, что положение переходной зоны металл-неметалл смещается вправо при движении вниз по группе и аналогичные сходства диагональных элементов наблюдаются в других частях периодической таблицы, как уже отмечалось вышеRodgers 2011, pp. 232-3; 240-1.