Металлоид

Металлоид — это химический элемент , который имеет преобладание свойств между или которые являются смесью свойств металлов и неметаллов . Слово металлоид происходит от латинского metallum ( «металл») и греческого oeides («похожий по форме или внешнему виду»). ^[1] Не существует стандартного определения металлоида и нет полного согласия относительно того, какие элементы являются металлоидами. Несмотря на отсутствие конкретики, этот термин по-прежнему используется в литературе.

Шесть общепризнанных металлоидов — это бор , кремний , германий , мышьяк , сурьма и теллур . Пять элементов реже классифицируются таким образом: углерод , алюминий , селен , полоний и астат . В стандартной периодической таблице все одиннадцать элементов находятся в диагональной области p-блока, простирающейся от бора в верхнем левом углу до астата в нижнем правом углу. Некоторые периодические таблицы включают разделительную линию между металлами и неметаллами , и металлоиды могут быть найдены близко к этой линии.

Типичные металлоиды имеют металлический вид, могут быть хрупкими и являются лишь хорошими проводниками электричества . Они могут образовывать сплавы с металлами , и многие из их других физических свойств и химических свойств являются промежуточными между свойствами металлических и неметаллических элементов. Они и их соединения используются в сплавах, биологических агентах, катализаторах , антипиренах , стеклах , оптических накопителях и оптоэлектронике , пиротехнике , полупроводниках и электронике.

Термин «металлоид» изначально относился к неметаллам . Его более позднее значение, как категории элементов с промежуточными или гибридными свойствами, стало широко распространено в 1940–1960 годах. Металлоиды иногда называют полуметаллами, практика, которая не поощрялась, ^[2] поскольку термин «полуметалл» имеет более общее использование как определенный вид электронной зонной структуры вещества. В этом контексте только мышьяк и сурьма являются полуметаллами и обычно признаются как металлоиды.

Металлоид — это элемент, обладающий преобладанием свойств между или представляющий собой смесь свойств металлов и неметаллов , и который поэтому трудно классифицировать как металл или неметалл . Это общее определение, которое опирается на атрибуты металлоида, постоянно цитируемые в литературе. ^{[n 2]} Сложность категоризации является ключевым атрибутом. Большинство элементов обладают смесью металлических и неметаллических свойств, ^[9] и могут быть классифицированы в соответствии с тем, какой набор свойств более выражен. ^{[10] [n 3]} Только элементы на границах или вблизи них, не имеющие достаточно четкого преобладания либо металлических, либо неметаллических свойств, классифицируются как металлоиды. ^[14]

Бор , кремний , германий , мышьяк , сурьма и теллур обычно признаются металлоидами. ^{[15] [n 4]} В зависимости от автора, один или несколько из селена , полония или астата иногда добавляются в список. ^{[17] Иногда} бор исключается, сам по себе или с кремнием . ^[18] Иногда теллур не считается металлоидом. ^[19] Включение сурьмы , полония и астата в качестве металлоидов было поставлено под сомнение. ^[20]

Другие элементы иногда классифицируются как металлоиды. Эти элементы включают ^[21] водород, ^[22] бериллий , ^[23] азот , ^[24] фосфор , ^[25] серу , ^[26] цинк , ^[27] галлий , ^[28] олово , йод , ^[29] свинец , ^[30] висмут , ^[19] и радон. ^[31] Термин металлоид также использовался для элементов, которые демонстрируют металлический блеск и электропроводность , и которые являются амфотерными , такими как мышьяк , сурьма , ванадий , хром , молибден , вольфрам , олово , свинец и алюминий . ^[32] Металлы с p-блоками ^[33] и неметаллы (такие как углерод или азот), которые могут образовывать сплавы с металлами ^[34] или изменять их свойства ^[35], также иногда рассматривались как металлоиды.

Не существует общепринятого определения металлоида, как и деления периодической таблицы на металлы , металлоиды и неметаллы ; ^[38] Хоукс ^[39] усомнился в возможности установления конкретного определения, отметив, что в нескольких попытках построения можно обнаружить аномалии. Классификация элемента как металлоида была описана Шарпом ^[40] как «произвольная».

Количество и идентичность металлоидов зависят от используемых критериев классификации. Эмсли ^[41] распознал четыре металлоида (германий, мышьяк, сурьма и теллур); Джеймс и др. ^[42] перечислили двенадцать (Эмсли плюс бор, углерод, кремний, селен, висмут, полоний, московий и ливерморий ). В среднем в такие списки включают семь элементов ; индивидуальные классификации, как правило, имеют общую основу и различаются в плохо определенных ^[43] полях. ^{[n 5] [n 6]}

Обычно используется один количественный критерий, такой как электроотрицательность , ^[46] металлоиды, имеющие значения электроотрицательности от 1,8 или 1,9 до 2,2. ^[47] Другие примеры включают эффективность упаковки (долю объема в кристаллической структуре, занимаемую атомами) и критерий отношения Голдхаммера-Герцфельда. ^[48] Общепризнанные металлоиды имеют эффективность упаковки от 34% до 41%. ^{[n 7]} Отношение Голдхаммера-Герцфельда, примерно равное кубу атомного радиуса, деленному на молярный объем , ^{[56] [n 8]} является простой мерой того, насколько металлическим является элемент, признанные металлоиды имеют отношения от около 0,85 до 1,1 и в среднем 1,0. ^{[58] [n 9]} Другие авторы полагались, например, на атомную проводимость ^{[n 10] [62]} или объемное координационное число . ^[63]

Джонс, писавший о роли классификации в науке, заметил, что «[классы] обычно определяются более чем двумя атрибутами». ^[64] Мастертон и Словински ^[65] использовали три критерия для описания шести элементов, обычно признаваемых металлоидами: металлоиды имеют энергию ионизации около 200 ккал/моль (837 кДж/моль) и значения электроотрицательности, близкие к 2,0. Они также сказали, что металлоиды, как правило, являются полупроводниками, хотя сурьма и мышьяк (полуметаллы с точки зрения физики) имеют электропроводность, приближающуюся к проводимости металлов. Селен и полоний, как предполагается, не входят в эту схему, в то время как статус астата неопределен. ^{[n 11]}

В этом контексте Вернон предположил, что металлоид — это химический элемент, который в своем стандартном состоянии имеет (a) электронную зонную структуру полупроводника или полуметалла; и (b) промежуточный первый потенциал ионизации «(скажем, 750−1000 кДж/моль)»; и (c) промежуточную электроотрицательность (1,9–2,2). ^[68]

Металлоиды лежат по обе стороны от разделительной линии между металлами и неметаллами . Это можно найти в различных конфигурациях в некоторых периодических таблицах . Элементы в нижнем левом углу линии обычно демонстрируют возрастающее металлическое поведение; элементы в верхнем правом углу демонстрируют возрастающее неметаллическое поведение. ^[69] Если представить их в виде обычной лестницы, элементы с самой высокой критической температурой для своих групп (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) лежат чуть ниже линии. ^[70]

Диагональное расположение металлоидов представляет собой исключение из наблюдения, что элементы со схожими свойствами имеют тенденцию встречаться в вертикальных группах . ^[71] Связанный эффект можно увидеть в других диагональных сходствах между некоторыми элементами и их нижними правыми соседями, в частности литием-магнием, бериллием-алюминием и бором-кремнием. Рейнер-Кэнхэм ^[72] утверждал, что эти сходства распространяются на углерод-фосфор, азот-серу и на три серии d-блоков .

Это исключение возникает из-за конкурирующих горизонтальных и вертикальных тенденций в ядерном заряде . Двигаясь вдоль периода , ядерный заряд увеличивается с атомным номером , как и число электронов. Дополнительное притяжение внешних электронов по мере увеличения ядерного заряда обычно перевешивает экранирующий эффект наличия большего количества электронов. С некоторыми нерегулярностями атомы, таким образом, становятся меньше, энергия ионизации увеличивается, и происходит постепенное изменение характера в течение периода от сильно металлических до слабо металлических, слабо неметаллических и сильно неметаллических элементов. ^[73] Спускаясь вниз по основной группе , эффект увеличения ядерного заряда, как правило, перевешивается эффектом дополнительных электронов, находящихся дальше от ядра. Атомы, как правило, становятся больше, энергия ионизации падает, а металлический характер увеличивается. ^[74] Чистый эффект заключается в том, что местоположение зоны перехода металл-неметалл смещается вправо при движении вниз по группе, ^[71] и аналогичные диагональные сходства наблюдаются в других местах периодической таблицы, как было отмечено. ^[75]

Элементы, граничащие с разделительной линией металл–неметалл, не всегда классифицируются как металлоиды, отмечая, что бинарная классификация может облегчить установление правил для определения типов связей между металлами и неметаллами. ^[76] В таких случаях соответствующие авторы сосредотачиваются на одном или нескольких интересующих их атрибутах для принятия своих классификационных решений, а не беспокоятся о пограничной природе рассматриваемых элементов. Их соображения могут быть или не быть явными и могут, порой, казаться произвольными. ^{[40] [n 12]} Металлоиды могут быть сгруппированы с металлами; ^[77] или рассматриваться как неметаллы; ^[78] или рассматриваться как подкатегория неметаллов. ^{[79] [n 13]} Другие авторы предложили классифицировать некоторые элементы как металлоиды, «подчеркивая, что свойства изменяются постепенно, а не резко, по мере перемещения по периодической таблице или вниз». ^[81] Некоторые периодические таблицы выделяют элементы, которые являются металлоидами, и не показывают формальной разделительной линии между металлами и неметаллами. Вместо этого металлоиды показаны как встречающиеся в диагональной полосе ^[82] или диффузной области. ^[83] Ключевым моментом является объяснение контекста для используемой таксономии.

Металлоиды обычно выглядят как металлы, но ведут себя в основном как неметаллы. Физически они представляют собой блестящие, хрупкие твердые тела с промежуточной или относительно хорошей электропроводностью и электронной зонной структурой полуметалла или полупроводника. Химически они в основном ведут себя как (слабые) неметаллы, имеют промежуточные энергии ионизации и значения электроотрицательности, а также амфотерные или слабокислотные оксиды . Большинство их других физических и химических свойств являются промежуточными по своей природе .

Характерные свойства металлов, металлоидов и неметаллов обобщены в таблице. ^[84] Физические свойства перечислены в порядке простоты определения; химические свойства идут от общих к частным, а затем к описательным.

Приведенная выше таблица отражает гибридную природу металлоидов. Свойства формы, внешнего вида и поведения при смешивании с металлами больше похожи на металлы. Упругость и общее химическое поведение больше похожи на неметаллы. Электропроводность, зонная структура, энергия ионизации, электроотрицательность и оксиды занимают промежуточное положение между ними.

В центре внимания этого раздела — признанные металлоиды. Элементы, которые реже признаются металлоидами, обычно классифицируются как металлы или неметаллы; некоторые из них включены сюда для сравнительных целей.

Металлоиды слишком хрупкие, чтобы иметь какое-либо структурное применение в чистом виде. ^[105] Они и их соединения используются в сплавах, биологических агентах (токсикологических, пищевых и медицинских), катализаторах, антипиренах, стеклах (оксидных и металлических), оптических носителях информации и оптоэлектронике, пиротехнике, полупроводниках и электронике. ^{[n 19]}

В начале истории интерметаллических соединений британский металлург Сесил Деш заметил, что «некоторые неметаллические элементы способны образовывать соединения отчетливо металлического характера с металлами, и эти элементы могут поэтому входить в состав сплавов». Он связал кремний, мышьяк и теллур, в частности, с элементами, образующими сплавы. ^[108] Филлипс и Уильямс ^[109] предположили, что соединения кремния, германия, мышьяка и сурьмы с металлами группы B , «вероятно, лучше всего классифицировать как сплавы».

Среди более легких металлоидов широко представлены сплавы с переходными металлами . Бор может образовывать интерметаллические соединения и сплавы с такими металлами состава M _n B, если n > 2. ^[110] Ферробор (15% бора) используется для введения бора в сталь ; сплавы никель-бор являются ингредиентами сварочных сплавов и составов для поверхностной закалки в машиностроении. Сплавы кремния с железом и алюминием широко используются в сталелитейной и автомобильной промышленности соответственно. Германий образует множество сплавов, наиболее важные с металлами для чеканки монет . ^[111]

Более тяжелые металлоиды продолжают тему. Мышьяк может образовывать сплавы с металлами, включая платину и медь ; ^[112] его также добавляют к меди и ее сплавам для повышения коррозионной стойкости ^[113] и, по-видимому, он дает те же преимущества при добавлении к магнию. ^[114] Сурьма хорошо известна как образующая сплавы, в том числе с металлами для чеканки монет. Ее сплавы включают пьютер (сплав олова с содержанием сурьмы до 20%) и типографский металл (сплав свинца с содержанием сурьмы до 25%). ^[115] Теллур легко сплавляется с железом, как ферротеллур (50–58% теллура), и с медью, в виде медного теллура (40–50% теллура). ^[116] Ферротеллур используется в качестве стабилизатора углерода при литье стали. ^[117] Из неметаллических элементов, реже признаваемых металлоидами, селен – в форме ферроселения (50–58% селена) – используется для улучшения обрабатываемости нержавеющих сталей. ^[118]

Все шесть элементов, обычно признаваемых металлоидами, обладают токсичными, диетическими или лечебными свойствами. ^[120] Соединения мышьяка и сурьмы особенно токсичны; бор, кремний и, возможно, мышьяк являются необходимыми микроэлементами. Бор, кремний, мышьяк и сурьма имеют медицинское применение, а германий и теллур, как полагают, имеют потенциал.

Бор используется в инсектицидах ^[121] и гербицидах. ^[122] Это важный микроэлемент. ^[123] Как и борная кислота , он обладает антисептическими, противогрибковыми и противовирусными свойствами. ^[124]

Кремний присутствует в силатране , высокотоксичном родентициде. ^[125] Длительное вдыхание кремниевой пыли вызывает силикоз , смертельное заболевание легких. Кремний является важным микроэлементом. ^[123] Силиконовый гель можно наносить на сильно обожженных пациентов, чтобы уменьшить рубцы. ^[126]

Соли германия потенциально вредны для людей и животных при длительном приеме внутрь. ^[127] Существует интерес к фармакологическому действию соединений германия, но пока нет лицензированного лекарства. ^[128]

Мышьяк, как известно, ядовит и может также быть существенным элементом в ультраследовых количествах. ^[129] Во время Первой мировой войны обе стороны использовали «чихающие и рвотные агенты на основе мышьяка … чтобы заставить солдат противника снять противогазы, прежде чем выстрелить в них ипритом или фосгеном во втором залпе ». ^[130] Он использовался в качестве фармацевтического средства с древних времен, в том числе для лечения сифилиса до разработки антибиотиков . ^[131] Мышьяк также является компонентом меларсопрола , лекарственного препарата, используемого для лечения человеческого африканского трипаносомоза или сонной болезни. В 2003 году триоксид мышьяка (под торговым названием Trisenox ) был вновь введен для лечения острого промиелоцитарного лейкоза , рака крови и костного мозга. ^[131] Мышьяк в питьевой воде, вызывающий рак легких и мочевого пузыря, связывают со снижением показателей смертности от рака молочной железы. ^[132]

Металлическая сурьма относительно нетоксична, но большинство соединений сурьмы ядовиты. ^[133] Два соединения сурьмы, стибоглюконат натрия и стибофен , используются в качестве противопаразитарных препаратов . ^[134]

Элементарный теллур не считается особенно токсичным; два грамма теллурата натрия, если их ввести, могут быть смертельными. ^[135] Люди, подвергшиеся воздействию небольших количеств теллура в воздухе, источают неприятный и стойкий запах, похожий на чесночный. ^[136] Диоксид теллура использовался для лечения себорейного дерматита ; другие соединения теллура использовались в качестве противомикробных средств до разработки антибиотиков. ^[137] В будущем такие соединения, возможно, придется заменить антибиотики, которые стали неэффективными из-за бактериальной резистентности. ^[138]

Из элементов, реже признаваемых металлоидами, бериллий и свинец известны своей токсичностью; арсенат свинца широко использовался в качестве инсектицида. ^[139] Сера является одним из старейших фунгицидов и пестицидов. Фосфор, сера, цинк, селен и йод являются необходимыми питательными веществами, а алюминий, олово и свинец могут быть. ^[129] Сера, галлий, селен, йод и висмут имеют медицинское применение. Сера является компонентом сульфаниламидных препаратов , которые до сих пор широко используются при таких состояниях, как угри и инфекции мочевыводящих путей. ^[140] Нитрат галлия используется для лечения побочных эффектов рака; ^[141] цитрат галлия, радиофармацевтический препарат , облегчает визуализацию воспаленных участков тела. ^[142] Сульфид селена используется в лечебных шампунях и для лечения кожных инфекций, таких как разноцветный лишай . ^[143] Йод используется в качестве дезинфицирующего средства в различных формах. Висмут входит в состав некоторых антибактериальных препаратов . ^[144]

Трифторид и трихлорид бора используются в качестве гомогенных катализаторов в органическом синтезе и электронике; трибромид используется в производстве диборана . ^[145] Нетоксичные лиганды бора могут заменить токсичные лиганды фосфора в некоторых катализаторах на основе переходных металлов. ^[146] Кремнесерная кислота (SiO ₂ OSO ₃ H) используется в органических реакциях. ^[147] Диоксид германия иногда используется в качестве катализатора при производстве ПЭТ- пластика для контейнеров; ^[148] более дешевые соединения сурьмы, такие как триоксид или триацетат , чаще используются для той же цели ^[149] несмотря на опасения по поводу загрязнения сурьмой продуктов питания и напитков. ^[150] Триоксид мышьяка использовался в производстве природного газа для ускорения удаления диоксида углерода , как и селенистая кислота и теллуристая кислота . ^[151] Селен действует как катализатор в некоторых микроорганизмах. ^[152] Теллур, его диоксид и его тетрахлорид являются сильными катализаторами окисления углерода воздухом при температуре выше 500 °C. ^[153] Оксид графита может использоваться в качестве катализатора в синтезе иминов и их производных. ^[154] Активированный уголь и оксид алюминия использовались в качестве катализаторов для удаления сернистых примесей из природного газа. ^{[155] Алюминий, легированный} титаном, был предложен в качестве замены катализаторам из благородных металлов, используемым в производстве промышленных химикатов. ^[156]

Соединения бора, кремния, мышьяка и сурьмы использовались в качестве антипиренов . Бор в форме буры использовался в качестве антипирена для текстиля по крайней мере с 18 века. ^[157] Соединения кремния, такие как силиконы , силаны , силсесквиоксан , кремний и силикаты , некоторые из которых были разработаны в качестве альтернатив более токсичным галогенированным продуктам, могут значительно улучшить огнестойкость пластиковых материалов. ^[158] Соединения мышьяка, такие как арсенит натрия или арсенат натрия, являются эффективными антипиренами для древесины, но из-за своей токсичности используются реже. ^[159] Триоксид сурьмы является антипиреном. ^[160] Гидроксид алюминия использовался в качестве антипирена для древесного волокна, резины, пластика и текстиля с 1890-х годов. ^[161] Помимо гидроксида алюминия, использование фосфорных антипиренов – в форме, например, органофосфатов – теперь превышает использование любых других основных типов антипиренов. Они используют бор, сурьму или галогенированные углеводородные соединения. ^[162]

Оксиды B ₂ O ₃ , SiO ₂ , GeO ₂ , As ₂ O ₃ и Sb ₂ O ₃ легко образуют стекла . TeO ₂ образует стекло, но это требует «героической скорости закалки» ^[163] или добавления примеси; в противном случае получается кристаллическая форма. ^[163] Эти соединения используются в химической, бытовой и промышленной стеклянной посуде ^[164] и оптике. ^[165] Триоксид бора используется в качестве добавки к стекловолокну , ^[166] а также является компонентом боросиликатного стекла , широко используемого для лабораторной стеклянной посуды и бытовой посуды из-за его низкого теплового расширения. ^[167] Большая часть обычной стеклянной посуды изготавливается из диоксида кремния. ^[168] Диоксид германия используется в качестве добавки к стекловолокну, а также в инфракрасных оптических системах. ^[169] Триоксид мышьяка используется в стекольной промышленности в качестве обесцвечивающего и осветляющего агента (для удаления пузырьков), ^[170] как и триоксид сурьмы. ^[171] Диоксид теллура находит применение в лазерной и нелинейной оптике . ^[172]

Аморфные металлические стекла обычно легче всего приготовить, если один из компонентов является металлоидом или «почти металлоидом», таким как бор, углерод, кремний, фосфор или германий. ^{[173] [n 20]} Помимо тонких пленок, осажденных при очень низких температурах, первым известным металлическим стеклом был сплав состава Au ₇₅ Si _25, о котором сообщалось в 1960 году. ^[175] Металлическое стекло, обладающее прочностью и ударной вязкостью, ранее не наблюдавшимися, состава Pd _82,5 P ₆ Si _9,5 Ge ₂ , было сообщено в 2011 году. ^[176]

Фосфор, селен и свинец, которые реже признаются металлоидами, также используются в стеклах. Фосфатное стекло имеет подложку из пентоксида фосфора (P ₂ O ₅ ), а не из кремнезема (SiO ₂ ) обычных силикатных стекол. Оно используется, например, для изготовления натриевых ламп . ^[177] Соединения селена могут использоваться как в качестве обесцвечивающих агентов, так и для придания красных оттенков стеклу. ^[178] Декоративная стеклянная посуда из традиционного свинцового стекла содержит не менее 30% оксида свинца (II) (PbO); свинцовое стекло, используемое для защиты от радиации, может содержать до 65% PbO. ^[179] Стекла на основе свинца также широко использовались в электронных компонентах, эмалированных, герметизирующих и остекляющих материалах и солнечных элементах. Оксидные стекла на основе висмута появились как менее токсичная замена свинцу во многих из этих применений. ^[180]

Различные составы GeSbTe («сплавы GST») и легированного Ag и In Sb ₂ Te («сплавы AIST»), являющиеся примерами материалов с фазовым переходом , широко используются в перезаписываемых оптических дисках и устройствах памяти с фазовым переходом . Применяя тепло, их можно переключать между аморфным (стекловидным) и кристаллическим состояниями. Изменение оптических и электрических свойств может использоваться для хранения информации. ^[181] Будущие приложения для GeSbTe могут включать «сверхбыстрые, полностью твердотельные дисплеи с пикселями нанометрового масштаба, полупрозрачные «умные» очки, «умные» контактные линзы и устройства искусственной сетчатки». ^[182]

Признанные металлоиды имеют либо пиротехнические применения, либо сопутствующие свойства. Бор и кремний встречаются часто; ^[184] они действуют как металлическое топливо. ^[185] Бор используется в пиротехнических инициирующих составах (для воспламенения других трудно воспламеняющихся составов) и в замедлительных составах , которые горят с постоянной скоростью. ^[186] Карбид бора был идентифицирован как возможная замена более токсичным смесям бария или гексахлорэтана в дымовых боеприпасах, сигнальных ракетах и ​​фейерверках. ^[187] Кремний, как и бор, является компонентом инициирующих и замедлительных смесей. ^{[186] Легированный германий может действовать как} термитное топливо с переменной скоростью . ^{[n 21]} Трисульфид мышьяка As ₂ S ₃ использовался в старых военно-морских сигнальных огнях ; в фейерверках для создания белых звезд; ^[189] в желтых смесях для дымовой завесы ; и в инициирующих составах. ^[190] Трисульфид сурьмы Sb ₂ S ₃ содержится в белых фейерверках и в смесях для вспышек и звуков . ^[191] Теллур использовался в замедлительных смесях и в составах инициаторов капсюлей-детонаторов . ^[192]

Углерод, алюминий, фосфор и селен продолжают тему. Углерод, входящий в состав черного пороха , является компонентом ракетного топлива для фейерверков, разрывных зарядов и смесей для спецэффектов, а также военных замедлителей и воспламенителей. ^{[193] [n 22]} Алюминий является распространенным пиротехническим ингредиентом, ^[184] и широко используется из-за своей способности генерировать свет и тепло, ^[195] в том числе в термитных смесях. ^[196] Фосфор можно найти в дымовых и зажигательных боеприпасах, бумажных колпачках, используемых в игрушечных пистолетах , и хлопушках для вечеринок . ^[197] Селен использовался таким же образом, как и теллур. ^[192]

Все элементы, обычно называемые металлоидами (или их соединениями), использовались в полупроводниковой или твердотельной электронной промышленности. ^[198]

Некоторые свойства бора ограничили его использование в качестве полупроводника. Он имеет высокую температуру плавления, монокристаллы относительно трудно получить, а введение и удержание контролируемых примесей затруднено. ^[199]

Кремний является ведущим коммерческим полупроводником; он составляет основу современной электроники (включая стандартные солнечные элементы) ^[200] и информационно-коммуникационных технологий. ^[201] И это несмотря на то, что изучение полупроводников в начале 20-го века считалось «физикой грязи» и не заслуживало пристального внимания. ^[202]

Германий в значительной степени был заменен кремнием в полупроводниковых устройствах, будучи более дешевым, более устойчивым при более высоких рабочих температурах и более простым в обработке в процессе изготовления микроэлектроники. ^[107] Германий по-прежнему является компонентом полупроводниковых «сплавов» кремния и германия , и они все чаще используются, особенно для устройств беспроводной связи; такие сплавы используют более высокую подвижность носителей заряда германия. ^[107] Синтез граммовых количеств полупроводникового германана был зарегистрирован в 2013 году. Он состоит из слоев атомов германия с водородными концевыми группами толщиной в один атом, аналогичных графану . Он проводит электроны более чем в десять раз быстрее, чем кремний, и в пять раз быстрее, чем германий, и, как полагают, имеет потенциал для оптоэлектронных и сенсорных приложений. ^[203] Разработка анода на основе германиевой проволоки, который более чем вдвое увеличивает емкость литий-ионных аккумуляторов, была зарегистрирована в 2014 году. ^[204] В том же году Ли и др. сообщили, что бездефектные кристаллы графена, достаточно большие для использования в электронике, могут быть выращены на германиевой подложке и извлечены из нее. ^[205]

Мышьяк и сурьма не являются полупроводниками в своих стандартных состояниях . Оба образуют полупроводники типа III-V (такие как GaAs, AlSb или GaInAsSb), в которых среднее число валентных электронов на атом такое же, как у элементов группы 14 , но они имеют прямые запрещенные зоны . Эти соединения предпочтительны для оптических применений. ^[206] Нанокристаллы сурьмы могут позволить заменить литий-ионные батареи более мощными натрий-ионными батареями . ^[207]

Теллур, который является полупроводником в своем стандартном состоянии, используется в основном как компонент в полупроводниках типа II/VI - халькогенидах ; они имеют применение в электрооптике и электронике. ^[208] Теллурид кадмия (CdTe) используется в солнечных модулях из-за его высокой эффективности преобразования, низкой стоимости производства и большой ширины запрещенной зоны 1,44 эВ, что позволяет ему поглощать широкий диапазон длин волн. ^[200] Теллурид висмута (Bi ₂ Te ₃ ), легированный селеном и сурьмой, является компонентом термоэлектрических устройств, используемых для охлаждения или портативной генерации энергии. ^[209]

Пять металлоидов – бор, кремний, германий, мышьяк и сурьма – можно найти в сотовых телефонах (наряду с по крайней мере 39 другими металлами и неметаллами). ^[210] Ожидается, что теллур найдет такое применение. ^[211] Из менее часто распознаваемых металлоидов фосфор, галлий (в частности) и селен имеют полупроводниковые применения. Фосфор используется в следовых количествах в качестве легирующей примеси для полупроводников n-типа . ^[212] Коммерческое использование соединений галлия преобладает в полупроводниковых приложениях – в интегральных схемах, сотовых телефонах, лазерных диодах , светодиодах , фотодетекторах и солнечных батареях . ^[213] Селен используется в производстве солнечных батарей ^[214] и в мощных устройствах защиты от перенапряжения . ^[215]

Бор, кремний, германий, сурьма и теллур ^[216], а также более тяжелые металлы и металлоиды, такие как Sm, Hg, Tl, Pb, Bi и Se ^[217] , можно найти в топологических изоляторах . Это сплавы ^[218] или соединения, которые при ультрахолодных температурах или комнатной температуре (в зависимости от их состава) являются металлическими проводниками на поверхности, но изоляторами внутри. ^[219] Арсенид кадмия Cd ₃ As ₂ при температуре около 1 К является дираковским полуметаллом — объемным электронным аналогом графена — в котором электроны эффективно перемещаются как безмассовые частицы. ^[220] Считается, что эти два класса материалов имеют потенциальные приложения для квантовых вычислений . ^[221]

Несколько названий иногда используются как синонимы, хотя некоторые из них имеют другие значения, которые не обязательно являются взаимозаменяемыми: амфотерный элемент, ^[222] граничный элемент, ^[223] промежуточный элемент, ^[224] почти металл, ^[225] метаметалл, ^[226] полупроводник, ^[227] полуметалл ^[228] и субметалл . ^[229] «Амфотерный элемент» иногда используется в более широком смысле, включая переходные металлы, способные образовывать оксианионы , такие как хром и марганец . ^[230] «Метаметалл» иногда используется вместо этого для обозначения определенных металлов ( Be , Zn , Cd , Hg , In , Tl , β-Sn , Pb ), расположенных слева от металлоидов в стандартных периодических таблицах. ^[231] Эти металлы, как правило, имеют искаженную кристаллическую структуру, значения электропроводности на нижнем пределе значений для металлов и амфотерные (слабоосновные) оксиды. ^[232] Названия амфотерный элемент и полупроводник проблематичны, поскольку некоторые элементы, называемые металлоидами, не демонстрируют выраженного амфотерного поведения (например, висмут) ^[233] или полупроводимости (полоний) ^[234] в своих наиболее стабильных формах.

Происхождение и использование термина «металлоид» запутаны. «Руководство по металлоидам», опубликованное в 1864 году, разделило все элементы на металлы или металлоиды. ^{[235] : 31} Более раннее использование в минералогии для описания минерала, имеющего металлический вид, можно отнести к 1800 году. ^[236] С середины 20 века он использовался для обозначения промежуточных или пограничных химических элементов. ^[237] Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) ранее рекомендовал отказаться от термина «металлоид» и предлагал вместо него использовать термин «полуметалл» . ^[238] Использование этого последнего термина в последнее время не одобряется Аткинсом и др. ^[2], поскольку он имеет более общее значение, которое относится к электронной зонной структуре вещества, а не к общей классификации элемента. Самые последние публикации ИЮПАК по номенклатуре и терминологии не содержат никаких рекомендаций по использованию терминов «металлоид» или «полуметалл». ^[239]

Свойства, отмеченные в этом разделе, относятся к элементам в их наиболее термодинамически стабильных формах в условиях окружающей среды.

Чистый бор — это блестящее, серебристо-серое кристаллическое вещество. ^[241] Он менее плотный, чем алюминий (2,34 против 2,70 г/см3 ⁾ , твердый и хрупкий. Он едва ли реакционноспособен при нормальных условиях, за исключением воздействия фтора , ^[242] и имеет температуру плавления 2076 °C (для сравнения, сталь ~1370 °C). ^[243] Бор — полупроводник; ^[244] его электропроводность при комнатной температуре составляет 1,5 × 10−6 ^См • см ^{−1 [245]} (примерно в 200 раз меньше, чем у водопроводной воды) ^[246] , а ширина запрещенной зоны составляет около 1,56 эВ. ^{[247] [n 23]} Менделеев заметил, что «Бор появляется в свободном состоянии в нескольких формах, которые являются промежуточными между металлами и неметаллами». ^[249]

Структурная химия бора определяется его малым атомным размером и относительно высокой энергией ионизации. При наличии всего трех валентных электронов на атом бора простая ковалентная связь не может соответствовать правилу октета. ^[250] Металлическая связь является обычным результатом среди более тяжелых сородичей бора, но это обычно требует низких энергий ионизации. ^[251] Вместо этого, из-за его малого размера и высоких энергий ионизации, основной структурной единицей бора (и почти всех его аллотропов) ^{[n 24]} является икосаэдрический кластер B ₁₂ . Из 36 электронов, связанных с 12 атомами бора, 26 находятся на 13 делокализованных молекулярных орбиталях; остальные 10 электронов используются для образования двух- и трехцентровых ковалентных связей между икосаэдрами. ^[253] Тот же мотив можно увидеть, как и дельтаэдрические варианты или фрагменты, в металлических боридах и производных гидридов, а также в некоторых галогенидах. ^[254]

Связи в боре описываются как характерные для поведения, промежуточного между металлами и неметаллическими ковалентными сетевыми твердыми телами (такими как алмаз ). ^[255] Энергия, необходимая для преобразования B, C, N, Si и P из неметаллических в металлические состояния, оценивается в 30, 100, 240, 33 и 50 кДж/моль соответственно. Это указывает на близость бора к границе металл-неметалл. ^[256]

Большая часть химии бора по своей природе неметаллическая. ^[256] В отличие от своих более тяжелых сородичей, он не образует простой катион B3 ⁺ или гидратированный катион [B(H2O ₎ 4 _] 3+ ^. [ ^257] Небольшой размер атома бора позволяет получать множество боридов типа интерстициального сплава. ^[258] Аналогии между бором и переходными металлами были отмечены в образовании комплексов , ^[259] и аддуктов (например, BH3 ₊ CO → BH3CO _и , аналогично, Fe(CO) ₄ + CO→Fe(CO) ₅ ), ^[n25] , а также в геометрических и электронных структурах кластерных видов, таких как [B6H6 _] 2− _и [Ru6 ₍ CO ⁾ ₁₈ ] ²⁻ . ^{[261] [n 26]} Водная химия бора характеризуется образованием множества различных полиборатных анионов . ^[263] Учитывая его высокое отношение заряда к размеру, бор связывается ковалентно почти во всех своих соединениях; ^[264] исключением являются бориды , поскольку они включают, в зависимости от их состава, ковалентные, ионные и металлические связующие компоненты. ^{[265] [n 27]} Простые бинарные соединения, такие как трихлорид бора, являются кислотами Льюиса , поскольку образование трех ковалентных связей оставляет дырку в октете , которая может быть заполнена электронной парой, предоставленной основанием Льюиса . ^[250] Бор имеет сильное сродство к кислороду и должным образом обширную химию бората . ^[258] Оксид B ₂ O ₃ имеет полимерную структуру, ^[268] слабокислотный, ^{[269] [n 28]} и стеклообразующий. ^[275] Металлоорганические соединения бора ^{[n 29]} известны с 19 века (см. химия борорганических соединений ). ^[277]

Кремний — кристаллическое твердое вещество с сине-серым металлическим блеском. ^[278] Как и бор, он менее плотный (2,33 г/см3 ⁾ , чем алюминий, и твердый и хрупкий. ^[279] Это относительно инертный элемент. ^[278] По словам Рохова, ^[280] массивная кристаллическая форма (особенно если она чистая) «удивительно инертна ко всем кислотам, включая плавиковую ». ^{[n 30]} Менее чистый кремний и порошкообразная форма в разной степени подвержены воздействию сильных или нагретых кислот, а также пара и фтора. ^[284] Кремний растворяется в горячих водных щелочах с выделением водорода , как и металлы ^[285], такие как бериллий, алюминий, цинк, галлий или индий. ^[286] Он плавится при температуре 1414 °C. Кремний является полупроводником с электропроводностью 10−4 ^См  •см ^{−1 [287]} и шириной запрещенной зоны около 1,11 эВ. ^[281] При плавлении кремний становится приемлемым металлом ^[288] с электропроводностью 1,0–1,3 × 10 ⁴  См•см ⁻¹ , аналогичной проводимости жидкой ртути. ^[289]

Химия кремния, как правило, неметаллическая (ковалентная) по своей природе. ^[290] Известно, что он не образует катионов. ^{[291] [n 31]} Кремний может образовывать сплавы с такими металлами, как железо и медь. ^[292] Он проявляет меньше тенденций к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[293] Химия его растворов характеризуется образованием оксианионов. ^[294] Высокая прочность связи кремний-кислород доминирует в химическом поведении кремния. ^[295] Полимерные силикаты, построенные из тетраэдрических единиц SiO ₄ , разделяющих их атомы кислорода, являются наиболее распространенными и важными соединениями кремния. ^[296] Полимерные бораты, состоящие из связанных тригональных и тетраэдрических единиц BO ₃ или BO ₄ , построены на схожих структурных принципах. ^[297] Оксид SiO ₂ имеет полимерную структуру, ^[268] слабокислотный, ^{[298] [n 32]} и стеклообразующий. ^[275] Традиционная металлоорганическая химия включает углеродные соединения кремния (см. кремнийорганические соединения ). ^[302]

Германий — это блестящее серо-белое твердое вещество. ^[303] Он имеет плотность 5,323 г/см3 ^, он твердый и хрупкий. ^[304] Он в основном нереакционноспособен при комнатной температуре ^[n33], но медленно разрушается горячей концентрированной серной или азотной кислотой _. [ ^306] Германий также реагирует с расплавленным едким натром ^, образуя германат натрия Na2GeO3 _и газообразный водород. ^[307] Он плавится при температуре 938 °C. Германий — полупроводник с электропроводностью около 2 × 10−2 См  •см ^{−1 [306]} и шириной запрещенной зоны 0,67 эВ. ^[308] Жидкий германий — металлический проводник с электропроводностью, аналогичной электропроводности жидкой ртути. ^[309]

Большая часть химии германия характерна для неметалла. ^[310] Неясно, образует ли германий катион, за исключением сообщений о существовании иона Ge2 ⁺ в нескольких эзотерических соединениях. ^{[n 34]} Он может образовывать сплавы с такими металлами, как алюминий и золото . ^[323] Он проявляет меньше тенденций к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[293] Его химия растворов характеризуется образованием оксианионов. ^[294] Германий обычно образует четырехвалентные (IV) соединения, а также может образовывать менее стабильные двухвалентные (II) соединения, в которых он ведет себя больше как металл. ^[324] Были получены германиевые аналоги всех основных типов силикатов. ^[325] Металлический характер германия также предполагается образованием различных оксокислотных солей. Были описаны фосфат [(HPO ₄ ) ₂ Ge·H ₂ O] и высокостабильный трифторацетат Ge(OCOCF ₃ ) _{4 , а также Ge 2} (SO ₄ ) ₂ , Ge(ClO ₄ ) ₄ и GeH ₂ (C ₂ O ₄ ) ₃ . ^[326] Оксид GeO ₂ является полимерным, ^[268] амфотерным, ^[327] и стеклообразующим. ^[275] Диоксид растворим в кислых растворах (монооксид GeO, тем более), и это иногда используется для классификации германия как металла. ^[328] До 1930-х годов германий считался плохо проводящим металлом; ^[329] более поздние авторы иногда классифицировали его как металл. ^[330] Как и все элементы, обычно считающиеся металлоидами, германий имеет устоявшуюся металлоорганическую химию (см. Химия органогермания ). ^[331]

Мышьяк — это серое, металлически выглядящее твердое вещество. Он имеет плотность 5,727 г/см3 ^, он хрупкий и умеренно твердый (больше, чем алюминий; меньше, чем железо ). ^[332] Он стабилен в сухом воздухе , но образует золотисто-бронзовую патину во влажном воздухе, которая чернеет при дальнейшем воздействии. Мышьяк разрушается азотной кислотой и концентрированной серной кислотой. Он реагирует с расплавленной едкой содой, давая арсенат Na3AsO3 _и газообразный водород. _[ ^333] Мышьяк возгоняется при 615 °C. Пар лимонно-желтый и пахнет чесноком. ^[334] Мышьяк плавится только под давлением 38,6 атм при 817 °C. ^[335] Это полуметалл с электропроводностью около 3,9 × 104 ^См  •см ^{−1 [336]} и перекрытием зон 0,5 эВ. ^{[337] [n 35]} Жидкий мышьяк является полупроводником с шириной запрещенной зоны 0,15 эВ. ^[339]

Химия мышьяка преимущественно неметаллическая. ^[340] Неясно, образует ли мышьяк катион. ^{[n 36]} Его многочисленные металлические сплавы в основном хрупкие. ^[348] Он проявляет меньше тенденций к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[293] Химия его растворов характеризуется образованием оксианионов. ^[294] Мышьяк обычно образует соединения, в которых он имеет степень окисления +3 или +5. ^[349] Галогениды, а также оксиды и их производные являются наглядными примерами. [ ^296] В трехвалентном состоянии мышьяк проявляет некоторые начальные металлические свойства. ^[350] Галогениды гидролизуются водой, но эти реакции, особенно реакции хлорида, обратимы при добавлении галогеноводородной кислоты . ^[351] Оксид является кислотным, но, как отмечено ниже, (слабо) амфотерным. Более высокое, менее стабильное, пятивалентное состояние имеет сильнокислотные (неметаллические) свойства. ^[352] По сравнению с фосфором, более сильный металлический характер мышьяка указывается образованием оксокислотных солей, таких как AsPO ₄ , As ₂ (SO ₄ ) ₃ ^{[n 37]} и ацетата мышьяка As(CH ₃ COO) ₃ . ^[355] Оксид As ₂ O ₃ является полимерным, ^[268] амфотерным, ^{[356] [n 38]} и стеклообразующим. ^[275] Мышьяк имеет обширную органометаллическую химию (см. Органическая химия мышьяка ). ^[359]

Сурьма — серебристо-белое твердое вещество с голубым оттенком и блестящим блеском. ^[333] Она имеет плотность 6,697 г/см3 ^, хрупкая и умеренно твердая (больше, чем мышьяк; меньше, чем железо; примерно такая же, как медь). ^[332] Она устойчива на воздухе и во влаге при комнатной температуре. Она подвергается воздействию концентрированной азотной кислоты, давая гидратированный пентаоксид Sb2O5 _{. Царская} водка дает пентахлорид SbCl5 _{, а} горячая концентрированная серная кислота дает сульфат Sb2 (SO4 ₎ 3 _. [ ^360] Она не подвержена воздействию расплавленной щелочи. [ ^361] Сурьма способна вытеснять водород _из воды при нагревании: 2Sb + 3H2O _→ Sb2O3 ₊ 3H2 . [ ^362] _Она плавится при температуре 631 °C. Сурьма — полуметалл с электропроводностью около 3,1 × 10 ⁴  См•см ^{−1 [363]} и перекрытием зон 0,16 эВ. ^{[337] [n 39]} Жидкая сурьма — металлический проводник с электропроводностью около 5,3 × 10 ⁴  См•см ⁻¹ . ^[365]

Большая часть химии сурьмы характерна для неметалла. ^[366] Сурьма имеет некоторую определенную катионную химию, ^[367] SbO ⁺ и Sb(OH) ₂ ⁺ присутствуют в кислом водном растворе; ^{[368] [n 40]} соединение Sb ₈ (GaCl ₄ ) ₂ , которое содержит гомополикатион Sb ₈ ²⁺ , было получено в 2004 году. ^[370] Она может образовывать сплавы с одним или несколькими металлами, такими как алюминий, ^[371] железо, никель , медь, цинк, олово, свинец и висмут. ^[372] Сурьма имеет меньше тенденций к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[293] Химия ее раствора характеризуется образованием оксианионов. ^[294] Как и мышьяк, сурьма обычно образует соединения, в которых она имеет степень окисления +3 или +5. ^[349] Галогениды, оксиды и их производные являются наглядными примерами. ^[296] Состояние +5 менее стабильно, чем +3, но его относительно легче достичь, чем с мышьяком. Это объясняется слабой защитой, которую обеспечивают ядру мышьяка его 3d ¹⁰ электронами . Для сравнения, тенденция сурьмы (будучи более тяжелым атомом) легче окисляться частично компенсирует эффект ее 4d ¹⁰ оболочки. ^[373] Триположительная сурьма является амфотерной; пентаположительная сурьма является (преимущественно) кислотной. ^[374] В соответствии с увеличением металлического характера вниз по группе 15 , сурьма образует соли, включая ацетат Sb(CH ₃ CO ₂ ) ₃ , фосфат SbPO ₄ , сульфат Sb ₂ (SO ₄ ) ₃ и перхлорат Sb(ClO ₄ ) ₃ . ^[375] В остальном кислый пентоксид Sb ₂ O ₅ проявляет некоторое основное (металлическое) поведение, поскольку он может растворяться в очень кислых растворах с образованием оксикатиона SbO⁺
₂. ^[376] Оксид Sb ₂ O ₃ является полимерным, ^[268] амфотерным, ^[377] и стеклообразующим. ^[275] Сурьма имеет обширную органометаллическую химию (см. Химия органосурьмы ). ^[378]

Теллур — это серебристо-белое блестящее твердое вещество. ^[380] Он имеет плотность 6,24 г/см ³ , является хрупким и самым мягким из общепризнанных металлоидов, будучи немного тверже серы. ^[332] Крупные куски теллура стабильны на воздухе. Тонкоизмельченная форма окисляется воздухом в присутствии влаги. Теллур реагирует с кипящей водой или при свежем осаждении даже при 50 °C, давая диоксид и водород: Te + 2 H ₂ O → TeO ₂ + 2 H ₂ . ^[381] Он реагирует (в разной степени) с азотной, серной и соляной кислотами, давая такие соединения, как сульфоксид TeSO ₃ или теллуристая кислота H ₂ TeO ₃ , ^[382] основной нитрат (Te ₂ O ₄ H) ⁺ (NO ₃ ) ⁻ , ^[383] или оксид сульфат Te ₂ O ₃ (SO ₄ ). ^[384] Он растворяется в кипящих щелочах, давая теллурит и теллурид : 3 Te + 6 KOH = K ₂ TeO ₃ + 2 K ₂ Te + 3 H ₂ O, реакция, которая протекает или обратима при повышении или понижении температуры. ^[385]

При более высоких температурах теллур достаточно пластичен для экструзии. ^[386] Он плавится при 449,51 °C. Кристаллический теллур имеет структуру, состоящую из параллельных бесконечных спиральных цепей. Связь между соседними атомами в цепочке ковалентная, но есть свидетельства слабого металлического взаимодействия между соседними атомами разных цепочек. ^[387] Теллур является полупроводником с электропроводностью около 1,0 См•см ^{−1 [388]} и шириной запрещенной зоны от 0,32 до 0,38 эВ. ^[389] Жидкий теллур является полупроводником с электропроводностью при плавлении около 1,9 × 10 ³  См•см ⁻¹ . ^[389] Перегретый жидкий теллур является металлическим проводником. ^[390]

Большая часть химии теллура характерна для неметалла. ^[391] Он демонстрирует некоторое катионное поведение. Диоксид растворяется в кислоте, давая ион тригидроксотеллура(IV) Te(OH)3+; ^[ ₃₉₂ ^{] [n41]} красные ионы Te42 ₊ ^и желто-оранжевые ионы Te62 ₊ ^{образуются} при окислении теллура во фторсульфоновой кислоте (HSO3F ₎ или жидком диоксиде серы (SO2 ₎ соответственно. ^[395] Он может образовывать сплавы с алюминием, серебром и оловом. ^[396] Теллур проявляет меньше тенденций к анионному поведению, чем обычные неметаллы. ^[293] Его химия растворов характеризуется образованием оксианионов. ^[294] Теллур обычно образует соединения, в которых он имеет степень окисления −2, +4 или +6. Состояние +4 является наиболее стабильным. ^[381] Теллуриды состава X _x Te _y легко образуются с большинством других элементов и представляют собой наиболее распространенные минералы теллура. Нестехиометрия широко распространена, особенно с переходными металлами. Многие теллуриды можно рассматривать как металлические сплавы. ^[397] Увеличение металлического характера, очевидное в теллуре, по сравнению с более легкими халькогенами , далее отражается в сообщениях о формировании различных других солей оксикислот, таких как основной селенат 2TeO ₂ ·SeO ₃ и аналогичный перхлорат и периодат 2TeO ₂ ·HXO ₄ . ^[398] Теллур образует полимерный, ^[268] амфотерный, ^[377] стеклообразующий оксид ^[275] TeO ₂ . Это «условный» стеклообразующий оксид — он образует стекло с очень небольшим количеством добавки. ^[275] Теллур имеет обширную металлоорганическую химию (см. Химия органотеллура ). ^[399]

Углерод обычно классифицируется как неметалл ^[401], но имеет некоторые металлические свойства и иногда классифицируется как металлоид. ^[402] Гексагональный графитовый углерод (графит) является наиболее термодинамически стабильным аллотропом углерода в условиях окружающей среды. ^[403] Он имеет блестящий вид ^[404] и является довольно хорошим электрическим проводником. ^[405] Графит имеет слоистую структуру. Каждый слой состоит из атомов углерода, связанных с тремя другими атомами углерода в гексагональной решетке . Слои сложены вместе и удерживаются свободно силами Ван-дер-Ваальса и делокализованными валентными электронами . ^[406]

Подобно металлу, проводимость графита в направлении его плоскостей уменьшается с повышением температуры; ^{[407] [n 42]} он имеет электронную зонную структуру полуметалла. ^[407] Аллотропы углерода, включая графит, могут принимать чужеродные атомы или соединения в свои структуры посредством замещения, интеркаляции или легирования . Полученные материалы иногда называют «углеродными сплавами». ^[411] Углерод может образовывать ионные соли, включая гидросульфат, перхлорат и нитрат (C⁺
₂₄X ⁻ .2HX, где X = HSO ₄ , ClO ₄ ; и C⁺
₂₄НЕТ^–
₃.3HNO ₃ ). ^{[412] [n 43]} В органической химии углерод может образовывать сложные катионы, называемые карбокатионами  , в которых положительный заряд находится на атоме углерода; примерами являются CH⁺
₃и СН⁺
₅, и их производные. ^[413]

Графит является устоявшейся твердой смазкой и ведет себя как полупроводник в направлении, перпендикулярном его плоскостям. ^[407] Большая часть его химии неметаллическая; ^[414] он имеет относительно высокую энергию ионизации ^[415] и, по сравнению с большинством металлов, относительно высокую электроотрицательность. ^[416] Углерод может образовывать анионы, такие как C ⁴⁻ ( метанид ), C^2–
₂( ацетилид ) и C^3–4
_​( сесквикарбид _или аллиленид ), в соединениях с металлами основных групп 1–3, а также с лантаноидами и актиноидами . [ ^417] _Его оксид CO2 образует угольную кислоту _H2CO3 . [ ^{418] [n 44]}

Алюминий обычно классифицируется как металл. ^[421] Он блестящий, ковкий и пластичный, имеет высокую электро- и теплопроводность. Как и большинство металлов, он имеет плотноупакованную кристаллическую структуру, ^[422] и образует катион в водном растворе. ^[423]

Он обладает некоторыми свойствами, которые необычны для металла; вместе взятые, ^[424] они иногда используются в качестве основы для классификации алюминия как металлоида. ^[425] Его кристаллическая структура демонстрирует некоторые признаки направленной связи . ^[426] Алюминий связывается ковалентно в большинстве соединений. ^[427] Оксид Al ₂ O ₃ является амфотерным ^[428] и условным стеклообразователем. ^[275] Алюминий может образовывать анионные алюминаты , ^[424] такое поведение считается неметаллическим по своему характеру. ^[69]

Классификация алюминия как металлоида была оспорена ^[429] ввиду его многочисленных металлических свойств. Поэтому, возможно, это исключение из мнемонического правила, что элементы, примыкающие к разделительной линии металл-неметалл, являются металлоидами. ^{[430] [n 45]}

Стотт ^[432] называет алюминий слабым металлом. Он обладает физическими свойствами металла, но некоторыми химическими свойствами неметалла. Стил ^[433] отмечает парадоксальное химическое поведение алюминия: «Он напоминает слабый металл своим амфотерным оксидом и ковалентным характером многих своих соединений... Тем не менее, это высокоэлектроположительный металл ... [с] высоким отрицательным электродным потенциалом». Муди ^[434] говорит, что «алюминий находится на «диагональной границе» между металлами и неметаллами в химическом смысле».

Селен проявляет пограничное поведение металлоида или неметалла. ^{[436] [n 46]}

Его наиболее стабильная форма, серая тригональная аллотропная модификация, иногда называется «металлическим» селеном, поскольку его электропроводность на несколько порядков больше, чем у красной моноклинной формы. ^[439] Металлический характер селена дополнительно проявляется в его блеске, ^[440] и его кристаллической структуре, которая, как полагают, включает слабые «металлические» межцепочечные связи. ^[441] Селен можно вытягивать в тонкие нити, когда он расплавлен и вязок. ^[442] Он проявляет нежелание приобретать «высокие положительные степени окисления, характерные для неметаллов». ^[443] Он может образовывать циклические поликатионы (такие как Se²⁺
₈) при растворении в олеумах ^[444] (это свойство он разделяет с серой и теллуром) и гидролизованной катионной солью в форме перхлората тригидроксоселена(IV) [Se(OH) ₃ ] ⁺ ·ClO^–
₄. ^[445]

Неметаллический характер селена проявляется в его хрупкости ^[440] и низкой электропроводности (~10−9 ^до 10−12 ^См  •см ⁻¹ ) его высокоочищенной формы. ^[93] Это сопоставимо или меньше, чем у брома (7,95 × 10−12  См•см ⁻¹ ), ^[446] неметалла. Селен имеет электронную зонную структуру полупроводника [ ^447] и сохраняет свои полупроводниковые свойства в жидкой форме. ^[447] Он имеет относительно высокую ^{[448] электроотрицательность (2,55 пересмотренная шкала Полинга} ). Его химия реакций в основном такая же, как у его неметаллических анионных форм Se ²⁻ , SeO²⁻
₃и SeO²⁻
₄. ^[449]

Селен обычно описывается как металлоид в литературе по химии окружающей среды . ^[450] Он перемещается в водной среде подобно мышьяку и сурьме; ^[451] его водорастворимые соли в более высоких концентрациях имеют токсикологический профиль , аналогичный профилю мышьяка. ^[452]

Полоний является «отчетливо металлическим» в некоторых отношениях. ^[234] Обе его аллотропные формы являются металлическими проводниками. ^[234] Он растворим в кислотах, образуя розовый катион Po ²⁺ и вытесняя водород: Po + 2 H ⁺ → Po ²⁺ + H ₂ . ^[453] Известно много солей полония. ^[454] Оксид PoO ₂ имеет преимущественно основную природу. ^[455] Полоний является неохотным окислителем, в отличие от его самого легкого родственника кислорода: для образования аниона Po ^{2− в водном растворе требуются сильно} восстановительные условия . ^[456]

Неясно, пластичен ли полоний или хрупок. Прогнозируется, что он пластичен на основе его расчетных упругих констант . ^[457] Он имеет простую кубическую кристаллическую структуру . Такая структура имеет мало систем скольжения и «приводит к очень низкой пластичности и, следовательно, низкому сопротивлению разрушению». ^[458]

Полоний проявляет неметаллический характер в своих галогенидах и в существовании полонидов . Галогениды обладают свойствами, в целом характерными для галогенидов неметаллов (летучие, легко гидролизуемые и растворимые в органических растворителях ). ^[459] Также известны многие полониды металлов, полученные совместным нагреванием элементов при 500–1000 °C и содержащие анион Po ²⁻ . ^[460]

Как галоген , астат, как правило, классифицируется как неметалл. ^[461] Он имеет некоторые выраженные металлические свойства ^[462] и иногда вместо этого классифицируется либо как металлоид ^[463] или (реже) как металл. ^{[n 47]} Сразу после его получения в 1940 году первые исследователи считали его металлом. ^[465] В 1949 году он был назван самым благородным (трудно восстанавливаемым ) неметаллом, а также относительно благородным (трудно окисляемым) металлом. ^[466] В 1950 году астат был описан как галоген и (следовательно) реактивный неметалл. ^[467] В 2013 году на основе релятивистского моделирования было предсказано, что астат будет одноатомным металлом с гранецентрированной кубической кристаллической структурой . ^[468]

Несколько авторов прокомментировали металлическую природу некоторых свойств астата. Поскольку йод является полупроводником в направлении своих плоскостей, и поскольку галогены становятся более металлическими с увеличением атомного числа, предполагалось, что астат был бы металлом, если бы мог образовывать конденсированную фазу. ^{[469] [n 48]} Астат может быть металлическим в жидком состоянии на основании того, что элементы с энтальпией испарения (∆H _vap ) больше ~42 кДж/моль являются металлическими в жидком состоянии. ^[471] К таким элементам относятся бор, ^{[n 49]} кремний, германий, сурьма, селен и теллур. Оценочные значения для ∆H _vap двухатомного астата составляют 50 кДж/моль или выше ; ^[475] Двухатомный йод с ∆Hvap _41,71 [ ^476] немного не дотягивает до порогового значения.

«Как и типичные металлы, он [астат] осаждается сероводородом даже из сильнокислых растворов и вытесняется в свободной форме из сульфатных растворов; он осаждается на катоде при электролизе ». ^{[477] [n 50]} Дополнительные признаки тенденции астата вести себя как (тяжелый) металл : «... образование псевдогалогенидных соединений ... комплексов катионов астата ... комплексных анионов трехвалентного астата ... а также комплексов с различными органическими растворителями». ^[479] Также утверждалось, что астат демонстрирует катионное поведение посредством стабильных форм At ⁺ и AtO ⁺ в сильнокислых водных растворах. ^[480]

Некоторые из сообщаемых свойств астата являются неметаллическими. Было экстраполировано, что он имеет узкий жидкий диапазон, обычно связанный с неметаллами (т.пл. 302 °C; т.кип. 337 °C), ^[481], хотя экспериментальные данные предполагают более низкую температуру кипения около 230±3 °C. Бацанов приводит расчетную энергию запрещенной зоны для астата 0,7 эВ; ^[482] это согласуется с неметаллами (в физике), имеющими разделенные валентную зону и зону проводимости и, таким образом, являющимися либо полупроводниками, либо изоляторами. ^[483] Химия астата в водном растворе в основном характеризуется образованием различных анионных видов. ^[484] Большинство его известных соединений напоминают соединения йода, ^[485] который является галогеном и неметаллом. ^[486] Такие соединения включают астатиды (XAt), астататы (XAtO ₃ ) и одновалентные межгалогеновые соединения . ^[487]

Рестрепо и др. ^[488] сообщили, что астат оказался более похожим на полоний, чем на галоген. Они сделали это на основе детальных сравнительных исследований известных и интерполированных свойств 72 элементов.

В периодической таблице некоторые элементы, соседствующие с общепризнанными металлоидами, хотя обычно классифицируются как металлы или неметаллы, иногда называются почти металлоидами ^[492] или отмечаются за их металлоидный характер. Слева от разделительной линии металл-неметалл такие элементы включают галлий, ^[493] олово ^[494] и висмут. ^[495] Они показывают необычные структуры упаковки, ^[496] выраженную ковалентную химию (молекулярную или полимерную), ^[497] и амфотерность. ^[498] Справа от разделительной линии находятся углерод, ^[499] фосфор, ^[500] селен ^[501] и йод. ^[502] Они демонстрируют металлический блеск, полупроводниковые свойства ^{[n 52]} и связывающие или валентные зоны с делокализованным характером. Это относится к их наиболее термодинамически стабильным формам в условиях окружающей среды: углерод как графит; фосфор как черный фосфор; ^{[n 53]} и селен как серый селен.

Различные кристаллические формы элемента называются аллотропами . Некоторые аллотропы, особенно те из элементов, которые расположены (в терминах периодической таблицы) рядом или вблизи условной разделительной линии между металлами и неметаллами, демонстрируют более выраженное металлическое, металлоидное или неметаллическое поведение, чем другие. ^[508] Существование таких аллотропов может усложнить классификацию соответствующих элементов. ^[509]

Например, олово имеет две аллотропные модификации: тетрагональное «белое» β-олово и кубическое «серое» α-олово. Белое олово — очень блестящий, пластичный и ковкий металл. Это стабильная форма при комнатной температуре или выше, его электропроводность составляет 9,17 × 10 ⁴  См·см ⁻¹ (~1/6 от электропроводности меди). ^[510] Серое олово обычно имеет вид серого микрокристаллического порошка, а также может быть получено в хрупких полублестящих кристаллических или поликристаллических формах. Это стабильная форма при температуре ниже 13,2 °C, его электропроводность составляет от (2 до 5) × 10 ²  См·см ⁻¹ (~1/250 от электропроводности белого олова). ^[511] Серое олово имеет ту же кристаллическую структуру, что и алмаз. Он ведет себя как полупроводник (как если бы его запрещенная зона составляла 0,08 эВ), но имеет электронную зонную структуру полуметалла. ^[512] Его называли либо очень плохим металлом, ^[513] металлоидом, ^[514] неметаллом ^[515] или почти металлоидом. ^[495]

Алмазный аллотроп углерода явно неметаллический, полупрозрачный и имеющий низкую электропроводность от 10−14 ^до 10−16 ^S  ·cm ⁻¹ . ^[516] Графит имеет электропроводность 3 × 104 ^S  ·cm ⁻¹ , ^[517] показатель, более характерный для металла. Фосфор, сера, мышьяк, селен, сурьма и висмут также имеют менее стабильные аллотропы, которые демонстрируют различное поведение. ^[518]

Таблица показывает распространенность в земной коре элементов, обычно и редко распознаваемых как металлоиды. ^[519] Некоторые другие элементы включены для сравнения: кислород и ксенон (наиболее и наименее распространенные элементы со стабильными изотопами); железо и металлы, из которых чеканятся монеты, медь, серебро и золото; и рений, наименее распространенный стабильный металл (алюминий обычно является наиболее распространенным металлом). Были опубликованы различные оценки распространенности; они часто в некоторой степени расходятся. ^[520]

Признанные металлоиды могут быть получены путем химического восстановления либо их оксидов, либо их сульфидов . Более простые или более сложные методы извлечения могут быть использованы в зависимости от исходной формы и экономических факторов. [ ^521] Бор обычно получают путем восстановления триоксида магнием: B2O3 _{+ 3Mg} → 2B + 3MgO; после вторичной обработки полученный коричневый порошок имеет чистоту до 97%. ^[522] Бор более высокой чистоты (> 99%) получают путем нагревания летучих соединений бора, таких как BCl3 _или BBr3 _, либо в атмосфере водорода (2BX3 ₊ 3H2 → 2B + 6HX), либо до точки термического разложения . Кремний и германий получают из их оксидов путем нагревания оксида с углеродом или водородом: SiO2 _{+ C} → Si + _CO2 ; GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O. Мышьяк выделяют из его пирита (FeAsS) или мышьяковистого пирита (FeAs ₂ ) нагреванием; в качестве альтернативы его можно получить из его оксида восстановлением углеродом: 2 As ₂ O ₃ + 3 C → 2 As + 3 CO ₂ . ^[523] Сурьму получают из ее сульфида восстановлением железом: Sb ₂ S ₃ → 2 Sb + 3 FeS. Теллур получают из его оксида, растворяя его в водном NaOH, получая теллурит, а затем электролитическим восстановлением : TeO ₂ + 2 NaOH → Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O; ^[524] Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O → Te + 2 NaOH + O ₂ . ^[525] Другим вариантом является восстановление оксида путем обжига с углеродом: TeO ₂ + C → Te + CO ₂ . ^[526]

Методы производства элементов, реже признаваемых металлоидами, включают естественную переработку, электролитическое или химическое восстановление или облучение. Углерод (в виде графита) встречается в природе и извлекается путем дробления материнской породы и всплывания более легкого графита на поверхность. Алюминий извлекается путем растворения его оксида Al2O3 _в расплавленном _{криолите} Na3AlF6 , а _затем путем высокотемпературного электролитического восстановления. Селен получают путем обжига селенидов чеканных металлов X2Se ( _X = Cu, Ag, Au) с _{кальцинированной} содой для получения селенита: X2Se ₊ O2 ₊ Na2CO3 _→ Na2SeO3 ₊ 2X + CO2 _{; селенид} нейтрализуют серной кислотой H2SO4 _для получения _{селенистой} кислоты H2SeO3 ; ее восстанавливают путем барботирования _с SO2 _{для получения} элементарного _селена . Полоний и астат производятся в незначительных количествах путем облучения висмута. ^[527]

Признанные металлоиды и их ближайшие соседи в основном стоят дешевле серебра; только полоний и астат дороже золота из-за их значительной радиоактивности. По состоянию на 5 апреля 2014 года цены на небольшие образцы (до 100 г) кремния, сурьмы и теллура, а также графита, алюминия и селена в среднем составляют около одной трети стоимости серебра (1,5 долл. США за грамм или около 45 долл. США за унцию). Образцы бора, германия и мышьяка в среднем примерно в три с половиной раза дороже серебра. ^{[n 54]} Полоний доступен по цене около 100 долл. США за микрограмм . ^[528] Залуцкий и Прушинский ^[529] оценивают аналогичную стоимость производства астата. Цены на соответствующие элементы, продаваемые как товары, как правило, варьируются от двух-трех раз дешевле цены образца (Ge) до почти трех тысяч раз дешевле (As). ^{[n 55]}