Elemento químico con propiedades metálicas y no metálicas.
Un metaloide es un tipo de elemento químico que tiene preponderancia de propiedades intermedias o que son una mezcla de las de los metales y los no metales . No existe una definición estándar de metaloide ni un acuerdo completo sobre qué elementos son metaloides. A pesar de la falta de especificidad, el término sigue utilizándose en la literatura de química .
El término metaloide originalmente se refería a los no metales. Su significado más reciente, como categoría de elementos con propiedades intermedias o híbridas, se generalizó en 1940-1960. A los metaloides a veces se les llama semimetales, una práctica que se ha desaconsejado, [2] ya que el término semimetal tiene un significado diferente en física que en química. En física, se refiere a un tipo específico de estructura de bandas electrónicas de una sustancia. En este contexto, sólo el arsénico y el antimonio son semimetales y comúnmente se reconocen como metaloides.
Definiciones
Basado en juicios
Un metaloide es un elemento que posee una preponderancia de propiedades intermedias o que son una mezcla de las de los metales y los no metales y que, por lo tanto, es difícil de clasificar como metal o no metal. Esta es una definición genérica que se basa en atributos de metaloides citados consistentemente en la literatura. [n 2] La dificultad de categorización es un atributo clave. La mayoría de los elementos tienen una mezcla de propiedades metálicas y no metálicas [9] y pueden clasificarse según qué conjunto de propiedades sea más pronunciado. [10] [n 3] Sólo los elementos en o cerca de los márgenes, que carecen de una preponderancia suficientemente clara de propiedades metálicas o no metálicas, se clasifican como metaloides. [14]
El boro, el silicio, el germanio, el arsénico, el antimonio y el telurio se reconocen comúnmente como metaloides. [15] [n 4] Dependiendo del autor, a veces se agregan a la lista uno o más de selenio , polonio o astato . [17] A veces se excluye el boro, solo o con silicio. [18] A veces el telurio no se considera un metaloide. [19] Se ha cuestionado la inclusión de antimonio , polonio y astato como metaloides. [20]
Otros elementos se clasifican ocasionalmente como metaloides. Estos elementos incluyen [21] hidrógeno, [22] berilio , [23] nitrógeno , [24] fósforo , [25] azufre , [26] zinc , [27] galio , [28] estaño , yodo , [29] plomo , [30] bismuto , [19] y radón. [31] El término metaloide también se ha utilizado para elementos que exhiben brillo metálico y conductividad eléctrica, y que son anfóteros , como arsénico, antimonio, vanadio , cromo , molibdeno , tungsteno , estaño, plomo y aluminio. [32] Los metales del bloque p , [33] y los no metales (como el carbono o el nitrógeno) que pueden formar aleaciones con metales [34] o modificar sus propiedades [35] también se han considerado ocasionalmente como metaloides.
Basado en criterios
No existe una definición ampliamente aceptada de metaloide, ni ninguna división de la tabla periódica en metales, metaloides y no metales; [38] Hawkes [39] cuestionó la viabilidad de establecer una definición específica, señalando que se pueden encontrar anomalías en varios constructos intentados. Sharp [40] ha descrito la clasificación de un elemento como metaloide como "arbitraria".
El número y las identidades de los metaloides dependen de los criterios de clasificación que se utilicen. Emsley [41] reconoció cuatro metaloides (germanio, arsénico, antimonio y telurio); James y col. [42] enumeró doce (Emsley más boro, carbono, silicio, selenio, bismuto, polonio, moscovio y hígado ). En promedio, en dichas listas se incluyen siete elementos ; Los acuerdos de clasificación individuales tienden a compartir puntos en común y varían en márgenes mal definidos [43] . [n 5] [n 6]
Comúnmente se utiliza un único criterio cuantitativo, como la electronegatividad , [46] metaloides que tienen valores de electronegatividad de 1,8 o 1,9 a 2,2. [47] Otros ejemplos incluyen la eficiencia de empaquetamiento (la fracción de volumen en una estructura cristalina ocupada por átomos) y la relación del criterio Goldhammer-Herzfeld. [48] Los metaloides comúnmente reconocidos tienen eficiencias de empaquetamiento de entre 34% y 41%. [n 7] La relación Goldhammer-Herzfeld, aproximadamente igual al cubo del radio atómico dividido por el volumen molar , [56] [n 8] es una medida simple de cuán metálico es un elemento, los metaloides reconocidos tienen relaciones de alrededor 0,85 a 1,1 y un promedio de 1,0. [58] [n 9]
Otros autores se han basado, por ejemplo, en la conductancia atómica [n 10] [62] o el número de coordinación en masa . [63]
Jones, al escribir sobre el papel de la clasificación en la ciencia, observó que "[las clases] suelen estar definidas por más de dos atributos". [64] Masterton y Slowinski [65] utilizaron tres criterios para describir los seis elementos comúnmente reconocidos como metaloides: los metaloides tienen energías de ionización de alrededor de 200 kcal/mol (837 kJ/mol) y valores de electronegatividad cercanos a 2,0. También dijeron que los metaloides son típicamente semiconductores, aunque el antimonio y el arsénico (semimetales desde una perspectiva física) tienen conductividades eléctricas cercanas a las de los metales. Se sospecha que el selenio y el polonio no están incluidos en este esquema, mientras que el estado del ástato es incierto. [n 11]
En este contexto, Vernon propuso que un metaloide es un elemento químico que, en su estado estándar, tiene (a) la estructura de banda electrónica de un semiconductor o un semimetal; y (b) un primer potencial de ionización intermedio "(digamos 750-1000 kJ/mol)"; y (c) una electronegatividad intermedia (1,9–2,2). [68]
territorio de la tabla periódica
Ubicación
Los metaloides se encuentran a ambos lados de la línea divisoria entre metales y no metales . Esto se puede encontrar, en distintas configuraciones, en algunas tablas periódicas . Los elementos en la parte inferior izquierda de la línea generalmente muestran un comportamiento metálico creciente; Los elementos de la parte superior derecha muestran un comportamiento no metálico creciente. [69] Cuando se presenta como un escalón regular, los elementos con la temperatura crítica más alta para sus grupos (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) se encuentran justo debajo de la línea. [70]
La colocación diagonal de los metaloides representa una excepción a la observación de que elementos con propiedades similares tienden a aparecer en grupos verticales . [71] Un efecto relacionado se puede ver en otras similitudes diagonales entre algunos elementos y sus vecinos inferiores derechos, específicamente litio-magnesio, berilio-aluminio y boro-silicio. Rayner-Canham [72] ha argumentado que estas similitudes se extienden al carbono-fósforo, al nitrógeno-azufre y a tres series de bloques d .
Esta excepción surge debido a tendencias horizontales y verticales en competencia en la carga nuclear . A lo largo de un período , la carga nuclear aumenta con el número atómico al igual que el número de electrones. La atracción adicional sobre los electrones externos a medida que aumenta la carga nuclear generalmente supera el efecto de protección de tener más electrones. Por lo tanto, con algunas irregularidades, los átomos se vuelven más pequeños, la energía de ionización aumenta y hay un cambio gradual de carácter, a lo largo de un período, de elementos fuertemente metálicos a débilmente metálicos, débilmente no metálicos y fuertemente no metálicos. [73] Al descender por un grupo principal , el efecto del aumento de la carga nuclear generalmente se ve contrarrestado por el efecto de que los electrones adicionales estén más alejados del núcleo. Los átomos generalmente se vuelven más grandes, la energía de ionización disminuye y el carácter metálico aumenta. [74] El efecto neto es que la ubicación de la zona de transición metal-no metal se desplaza hacia la derecha al descender por un grupo, [71] y se ven similitudes diagonales análogas en otras partes de la tabla periódica, como se señaló. [75]
Tratamientos alternativos
Los elementos que bordean la línea divisoria metal-no metal no siempre se clasifican como metaloides, teniendo en cuenta que una clasificación binaria puede facilitar el establecimiento de reglas para determinar los tipos de enlaces entre metales y no metales. [76] En tales casos, los autores en cuestión se centran en uno o más atributos de interés para tomar sus decisiones de clasificación, en lugar de preocuparse por la naturaleza marginal de los elementos en cuestión. Sus consideraciones pueden o no ser explícitas y, en ocasiones, parecer arbitrarias. [40] [n 12] Los metaloides pueden agruparse con metales; [77] o considerados como no metales; [78] o tratados como una subcategoría de no metales. [79] [n 13] Otros autores han sugerido que clasificar algunos elementos como metaloides "enfatiza que las propiedades cambian gradualmente en lugar de abruptamente a medida que uno se mueve a través o hacia abajo en la tabla periódica". [81] Algunas tablas periódicas distinguen elementos que son metaloides y no muestran una línea divisoria formal entre metales y no metales. En cambio, los metaloides se muestran en una banda diagonal [82] o región difusa. [83] La consideración clave es explicar el contexto de la taxonomía en uso.
Propiedades
Los metaloides suelen parecerse a los metales, pero se comportan en gran medida como no metales. Físicamente, son sólidos brillantes y quebradizos con una conductividad eléctrica de intermedia a relativamente buena y la estructura de bandas electrónicas de un semimetal o semiconductor. Químicamente, se comportan en su mayoría como no metales (débiles), tienen energías de ionización y valores de electronegatividad intermedios y óxidos anfóteros o débilmente ácidos . Pueden formar aleaciones con metales. La mayoría de sus otras propiedades físicas y químicas son de naturaleza intermedia .
Comparado con metales y no metales.
Las propiedades características de los metales, metaloides y no metales se resumen en la tabla. [84] Las propiedades físicas se enumeran en orden de facilidad de determinación; Las propiedades químicas van de lo general a lo específico y luego a lo descriptivo.
La tabla anterior refleja la naturaleza híbrida de los metaloides. Las propiedades de forma, apariencia y comportamiento cuando se mezclan con metales se parecen más a los metales. La elasticidad y el comportamiento químico general se parecen más a los no metales. La conductividad eléctrica, la estructura de bandas, la energía de ionización, la electronegatividad y los óxidos son intermedios entre los dos.
Aplicaciones comunes
El foco de esta sección está en los metaloides reconocidos. Los elementos menos reconocidos como metaloides normalmente se clasifican como metales o no metales; algunos de ellos se incluyen aquí con fines comparativos.
Los metaloides son demasiado frágiles para tener usos estructurales en sus formas puras. [105] Ellos y sus compuestos se utilizan como (o en) componentes de aleaciones, agentes biológicos (toxicológicos, nutricionales y medicinales), catalizadores, retardantes de llama, vidrios (óxidos y metálicos), medios de almacenamiento ópticos y optoelectrónicos, pirotecnia, semiconductores, y electrónica. [n 19]
Aleaciones
Pellets de aleación de cobre y germanio, probablemente ~84% Cu; 16% Ge. [107] Cuando se combina con plata, el resultado es una plata esterlina resistente al deslustre . También se muestran dos bolitas de plata.
Al comienzo de la historia de los compuestos intermetálicos , el metalúrgico británico Cecil Desch observó que "ciertos elementos no metálicos son capaces de formar compuestos de carácter claramente metálico con metales y, por lo tanto, estos elementos pueden entrar en la composición de las aleaciones". Asoció el silicio, el arsénico y el telurio, en particular, con los elementos formadores de aleaciones. [108] Phillips y Williams [109] sugirieron que los compuestos de silicio, germanio, arsénico y antimonio con metales B "probablemente estén mejor clasificados como aleaciones".
Entre los metaloides más ligeros, están bien representadas las aleaciones con metales de transición . El boro puede formar compuestos intermetálicos y aleaciones con metales de composición M n B, si n > 2. [110] El ferroboro (15% de boro) se utiliza para introducir boro en el acero ; Las aleaciones de níquel-boro son ingredientes de aleaciones de soldadura y composiciones de endurecimiento por cementación para la industria de la ingeniería. Las aleaciones de silicio con hierro y aluminio son ampliamente utilizadas en las industrias del acero y del automóvil, respectivamente. El germanio forma muchas aleaciones, sobre todo con los metales acuñados . [111]
Los metaloides más pesados continúan el tema. El arsénico puede formar aleaciones con metales, incluidos el platino y el cobre ; [112] también se agrega al cobre y sus aleaciones para mejorar la resistencia a la corrosión [113] y parece conferir el mismo beneficio cuando se agrega al magnesio. [114] El antimonio es bien conocido como formador de aleaciones, incluso con los metales acuñadores. Sus aleaciones incluyen peltre (una aleación de estaño con hasta un 20% de antimonio) y tipo metal (una aleación de plomo con hasta un 25% de antimonio). [115] El telurio se alea fácilmente con hierro, como ferrotelurio (50–58% teluro), y con cobre, en forma de cobre telurio (40–50% telurio). [116] El ferrotelurio se utiliza como estabilizador del carbono en la fundición de acero. [117] De los elementos no metálicos menos reconocidos como metaloides, el selenio, en forma de ferroselenio (50-58 % de selenio), se utiliza para mejorar la maquinabilidad de los aceros inoxidables. [118]
Agentes biologicos
Trióxido de arsénico o arsénico blanco , una de las formas de arsénico más tóxicas y prevalentes . Las propiedades antileucémicas del arsénico blanco se informaron por primera vez en 1878. [119]
Los seis elementos comúnmente reconocidos como metaloides tienen propiedades tóxicas, dietéticas o medicinales. [120] Los compuestos de arsénico y antimonio son especialmente tóxicos; El boro, el silicio y posiblemente el arsénico son oligoelementos esenciales. El boro, el silicio, el arsénico y el antimonio tienen aplicaciones médicas, y se cree que el germanio y el telurio tienen potencial.
El boro se utiliza en insecticidas [121] y herbicidas. [122] Es un oligoelemento esencial. [123] Como ácido bórico , tiene propiedades antisépticas, antifúngicas y antivirales. [124]
Las sales de germanio son potencialmente dañinas para los seres humanos y los animales si se ingieren durante un tiempo prolongado. [127] Existe interés en las acciones farmacológicas de los compuestos de germanio, pero todavía no hay ningún medicamento autorizado. [128]
El arsénico es notoriamente venenoso y también puede ser un elemento esencial en cantidades ultratraza. [129] Durante la Primera Guerra Mundial , ambos bandos utilizaron " agentes para estornudos y vómitos a base de arsénico ... para obligar a los soldados enemigos a quitarse las máscaras antigás antes de dispararles mostaza o fosgeno en una segunda andanada ". [130] Se ha utilizado como agente farmacéutico desde la antigüedad, incluso para el tratamiento de la sífilis antes del desarrollo de los antibióticos . [131] El arsénico también es un componente del melarsoprol , un medicamento utilizado en el tratamiento de la tripanosomiasis africana humana o enfermedad del sueño. En 2003, se reintrodujo el trióxido de arsénico (bajo el nombre comercial Trisenox ) para el tratamiento de la leucemia promielocítica aguda , un cáncer de la sangre y de la médula ósea. [131] El arsénico en el agua potable, que causa cáncer de pulmón y vejiga, se ha asociado con una reducción en las tasas de mortalidad por cáncer de mama. [132]
El telurio elemental no se considera particularmente tóxico; dos gramos de telurato de sodio, si se administran, pueden ser letales. [135] Las personas expuestas a pequeñas cantidades de telurio en el aire exudan un olor desagradable y persistente parecido al del ajo. [136] El dióxido de telurio se ha utilizado para tratar la dermatitis seborreica ; Otros compuestos de telurio se utilizaron como agentes antimicrobianos antes del desarrollo de los antibióticos. [137] En el futuro, es posible que sea necesario sustituir estos compuestos por antibióticos que se han vuelto ineficaces debido a la resistencia bacteriana. [138]
De los elementos menos reconocidos como metaloides, el berilio y el plomo destacan por su toxicidad; El arseniato de plomo se ha utilizado ampliamente como insecticida. [139] El azufre es uno de los fungicidas y pesticidas más antiguos. El fósforo, el azufre, el zinc, el selenio y el yodo son nutrientes esenciales, y pueden serlo el aluminio, el estaño y el plomo. [129] El azufre, el galio, el selenio, el yodo y el bismuto tienen aplicaciones medicinales. El azufre es un componente de las sulfonamidas , que todavía se utilizan ampliamente para afecciones como el acné y las infecciones del tracto urinario. [140] El nitrato de galio se utiliza para tratar los efectos secundarios del cáncer; [141] El citrato de galio, un radiofármaco , facilita la obtención de imágenes de áreas inflamadas del cuerpo. [142] El sulfuro de selenio se utiliza en champús medicinales y para tratar infecciones de la piel como la tiña versicolor . [143] El yodo se utiliza como desinfectante en diversas formas. El bismuto es un ingrediente de algunos antibacterianos . [144]
catalizadores
El trifluoruro y el tricloruro de boro se utilizan como catalizadores en síntesis orgánica y electrónica; el tribromuro se utiliza en la fabricación de diborano . [145] Los ligandos de boro no tóxicos podrían reemplazar a los ligandos de fósforo tóxicos en algunos catalizadores de metales de transición. [146] El ácido sílice sulfúrico (SiO 2 OSO 3 H) se utiliza en reacciones orgánicas. [147] El dióxido de germanio se utiliza a veces como catalizador en la producción de plástico PET para envases; [148] Los compuestos de antimonio más baratos, como el trióxido o el triacetato , se emplean más comúnmente para el mismo propósito [149] a pesar de las preocupaciones sobre la contaminación por antimonio de alimentos y bebidas. [150] El trióxido de arsénico se ha utilizado en la producción de gas natural , para impulsar la eliminación de dióxido de carbono , al igual que el ácido selenoso y el ácido telúrico . [151] El selenio actúa como catalizador en algunos microorganismos. [152] El telurio, su dióxido y su tetracloruro son fuertes catalizadores para la oxidación del carbono en el aire por encima de 500 °C. [153] El óxido de grafito se puede utilizar como catalizador en la síntesis de iminas y sus derivados. [154] El carbón activado y la alúmina se han utilizado como catalizadores para la eliminación de contaminantes de azufre del gas natural. [155] El aluminio dopado con titanio ha sido identificado como un sustituto de los costosos catalizadores de metales nobles utilizados en la producción de productos químicos industriales. [156]
Retardantes de llama
Como retardantes de llama se han utilizado compuestos de boro, silicio, arsénico y antimonio . El boro, en forma de bórax , se utiliza como retardante de llama textil desde al menos el siglo XVIII. [157] Los compuestos de silicio como siliconas, silanos , silsesquioxano , sílice y silicatos , algunos de los cuales se desarrollaron como alternativas a los productos halogenados más tóxicos , pueden mejorar considerablemente la retardación de llama de los materiales plásticos. [158]
Los compuestos de arsénico como el arsenito de sodio o el arseniato de sodio son retardantes de llama eficaces para la madera, pero se han utilizado con menos frecuencia debido a su toxicidad. [159] El trióxido de antimonio es un retardante de llama. [160] El hidróxido de aluminio se ha utilizado como retardante de llama de fibras de madera, caucho, plástico y textiles desde la década de 1890. [161] Aparte del hidróxido de aluminio, el uso de retardantes de llama a base de fósforo (en forma, por ejemplo, de organofosforados ) supera actualmente al de cualquiera de los otros tipos principales de retardantes. Estos emplean compuestos de boro, antimonio o hidrocarburos halogenados . [162]
Los óxidos B 2 O 3 , SiO 2 , GeO 2 , As 2 O 3 y Sb 2 O 3 forman fácilmente vidrios . El TeO 2 forma un vidrio, pero esto requiere una "tasa de enfriamiento heroico" [163] o la adición de una impureza; de lo contrario se obtiene la forma cristalina. [163] Estos compuestos se utilizan en cristalería química, doméstica e industrial [164] y en óptica. [165] El trióxido de boro se utiliza como aditivo de fibra de vidrio , [166] y también es un componente del vidrio de borosilicato , ampliamente utilizado para cristalería de laboratorio y utensilios de cocina domésticos por su baja expansión térmica. [167] La mayoría de los artículos de vidrio comunes están hechos de dióxido de silicio. [168] El dióxido de germanio se utiliza como aditivo de fibra de vidrio, así como en sistemas ópticos infrarrojos. [169] El trióxido de arsénico se utiliza en la industria del vidrio como agente decolorante y clarificante (para la eliminación de burbujas), [170] al igual que el trióxido de antimonio. [171] El dióxido de telurio encuentra aplicación en láser y óptica no lineal . [172]
Los vidrios metálicos amorfos generalmente se preparan más fácilmente si uno de los componentes es un metaloide o "casi metaloide", como boro, carbono, silicio, fósforo o germanio. [173] [n 20] Aparte de las películas delgadas depositadas a temperaturas muy bajas, el primer vidrio metálico conocido fue una aleación de composición Au 75 Si 25 reportada en 1960. [175] Un vidrio metálico que tiene una resistencia y dureza nunca antes vistas, de composición Pd 82,5 P 6 Si 9,5 Ge 2 , se informó en 2011. [176]
En el vidrio también se utilizan fósforo, selenio y plomo, que con menos frecuencia se reconocen como metaloides. El vidrio de fosfato tiene un sustrato de pentóxido de fósforo (P 2 O 5 ), en lugar de sílice (SiO 2 ) de los vidrios de silicato convencionales. Se utiliza, por ejemplo, para fabricar lámparas de sodio . [177] Los compuestos de selenio se pueden utilizar como agentes decolorantes y para añadir un color rojo al vidrio. [178] La cristalería decorativa hecha de vidrio con plomo tradicional contiene al menos un 30 % de óxido de plomo (II) (PbO); El vidrio con plomo utilizado para proteger contra la radiación puede tener hasta un 65% de PbO. [179] Los vidrios a base de plomo también se han utilizado ampliamente en componentes electrónicos, materiales de esmaltado, sellado y vidriado, y células solares. Los vidrios de óxido a base de bismuto han surgido como un sustituto menos tóxico del plomo en muchas de estas aplicaciones. [180]
Almacenamiento óptico y optoelectrónica.
Las diversas composiciones de GeSbTe ("aleaciones GST") y Sb 2 Te indopado y con Ag ("aleaciones AIST"), que son ejemplos de materiales de cambio de fase , se utilizan ampliamente en discos ópticos regrabables y dispositivos de memoria de cambio de fase . Aplicando calor, se pueden cambiar entre estados amorfos (vítreos) y cristalinos . El cambio en las propiedades ópticas y eléctricas se puede utilizar con fines de almacenamiento de información. [181] Las aplicaciones futuras de GeSbTe pueden incluir "pantallas ultrarrápidas totalmente de estado sólido con píxeles de escala nanométrica, gafas 'inteligentes' semitransparentes, lentes de contacto 'inteligentes' y dispositivos de retina artificial". [182]
Los metaloides reconocidos tienen aplicaciones pirotécnicas o propiedades asociadas. Se encuentran comúnmente boro y silicio; [184] actúan algo así como combustibles metálicos. [185] El boro se utiliza en composiciones iniciadoras pirotécnicas (para encender otras composiciones difíciles de iniciar) y en composiciones retardantes que arden a un ritmo constante. [186] El carburo de boro ha sido identificado como un posible reemplazo de mezclas más tóxicas de bario o hexacloroetano en municiones de humo, bengalas y fuegos artificiales. [187] El silicio, como el boro, es un componente de las mezclas de iniciadores y retardadores. [186] El germanio dopado puede actuar como combustible para termitas de velocidad variable . [n 21] Trisulfuro de arsénico As 2 S 3 se utilizaba en antiguas luces de señales navales ; en fuegos artificiales para hacer estrellas blancas; [189] en mezclas de cortinas de humo amarillas ; y en composiciones iniciadoras. [190] El trisulfuro de antimonio Sb 2 S 3 se encuentra en fuegos artificiales de luz blanca y en mezclas de destellos y sonidos . [191] El telurio se ha utilizado en mezclas de retardo y en composiciones iniciadoras de detonadores . [192]
El carbono, el aluminio, el fósforo y el selenio continúan el tema. El carbono, en polvo negro , es un componente de los propulsores de cohetes de fuegos artificiales, cargas explosivas y mezclas de efectos, y mechas y encendedores de retardo militares. [193] [n 22] El aluminio es un ingrediente pirotécnico común, [184] y se emplea ampliamente por su capacidad para generar luz y calor, [195] incluso en mezclas de termitas. [196] El fósforo se puede encontrar en el humo y en las municiones incendiarias, en los tapones de papel utilizados en las pistolas de juguete y en los poppers . [197] El selenio se ha utilizado de la misma manera que el telurio. [192]
Todos los elementos comúnmente reconocidos como metaloides (o sus compuestos) se han utilizado en las industrias de semiconductores o electrónica de estado sólido. [198]
Algunas propiedades del boro han limitado su uso como semiconductor. Tiene un alto punto de fusión, los monocristales son relativamente difíciles de obtener y es difícil introducir y retener impurezas controladas. [199]
El silicio es el semiconductor comercial líder; constituye la base de la electrónica moderna (incluidas las células solares estándar) [200] y de las tecnologías de la información y la comunicación. [201] Esto fue a pesar de que el estudio de los semiconductores, a principios del siglo XX, había sido considerado como la "física de la suciedad" y no merecía mucha atención. [202]
El germanio ha sido reemplazado en gran medida por el silicio en los dispositivos semiconductores, ya que es más barato, más resistente a temperaturas de funcionamiento más altas y más fácil de trabajar durante el proceso de fabricación microelectrónica. [107] El germanio sigue siendo un componente de las "aleaciones" semiconductoras de silicio-germanio y su uso ha ido aumentando, en particular para dispositivos de comunicación inalámbrica; Estas aleaciones aprovechan la mayor movilidad del portador del germanio. [107] La síntesis de cantidades a escala de gramos de germanano semiconductor se informó en 2013. Consiste en láminas de un átomo de espesor de átomos de germanio terminados en hidrógeno, análogas al grafeno . Conduce electrones más de diez veces más rápido que el silicio y cinco veces más rápido que el germanio, y se cree que tiene potencial para aplicaciones optoelectrónicas y de detección. [203] En 2014 se informó sobre el desarrollo de un ánodo a base de alambre de germanio que duplica con creces la capacidad de las baterías de iones de litio. [204] Ese mismo año, Lee et al. informaron que cristales de grafeno libres de defectos lo suficientemente grandes como para tener usos electrónicos podrían cultivarse y eliminarse de un sustrato de germanio. [205]
El arsénico y el antimonio no son semiconductores en sus estados estándar . Ambos forman semiconductores de tipo III-V (como GaAs, AlSb o GaInAsSb) en los que el número medio de electrones de valencia por átomo es el mismo que el de los elementos del Grupo 14 . Estos compuestos se prefieren para algunas aplicaciones especiales. [206] Los nanocristales de antimonio pueden permitir que las baterías de iones de litio sean reemplazadas por baterías de iones de sodio más potentes . [207]
El telurio, que es un semiconductor en su estado estándar, se utiliza principalmente como componente en calcogenuros semiconductores de tipo II/VI ; Estos tienen aplicaciones en electroóptica y electrónica. [208] El telururo de cadmio (CdTe) se utiliza en módulos solares por su alta eficiencia de conversión, bajos costos de fabricación y gran banda prohibida de 1,44 eV, lo que le permite absorber una amplia gama de longitudes de onda. [200] El telururo de bismuto (Bi 2 Te 3 ), aleado con selenio y antimonio, es un componente de dispositivos termoeléctricos utilizados para refrigeración o generación de energía portátil. [209]
En los teléfonos móviles se pueden encontrar cinco metaloides (boro, silicio, germanio, arsénico y antimonio) (junto con al menos otros 39 metales y no metales). [210] Se espera que el telurio encuentre ese uso. [211] De los metaloides menos reconocidos, el fósforo, el galio (en particular) y el selenio tienen aplicaciones en semiconductores. El fósforo se utiliza en pequeñas cantidades como dopante para semiconductores de tipo n . [212] El uso comercial de compuestos de galio está dominado por aplicaciones de semiconductores: en circuitos integrados, teléfonos móviles, diodos láser , diodos emisores de luz , fotodetectores y células solares . [213] El selenio se utiliza en la producción de células solares [214] y en protectores contra sobretensiones de alta energía . [215]
En los aislantes topológicos se pueden encontrar boro, silicio, germanio, antimonio y telurio, [216] así como metales y metaloides más pesados como Sm, Hg, Tl, Pb, Bi y Se, [217] . Se trata de aleaciones [218] o compuestos que, a temperaturas ultrafrías o ambiente (según su composición), son conductores metálicos en sus superficies pero aislantes en sus interiores. [219] El arseniuro de cadmio Cd 3 As 2 , a aproximadamente 1 K, es un semimetal de Dirac (un análogo electrónico masivo del grafeno) en el que los electrones viajan efectivamente como partículas sin masa. [220] Se cree que estas dos clases de material tienen posibles aplicaciones de computación cuántica . [221]
Nomenclatura e historia
Derivación y otros nombres
La palabra metaloide proviene del latín metalum ("metal") y del griego oeides ("parecido en forma o apariencia"). [222] A veces se utilizan varios nombres como sinónimos, aunque algunos de ellos tienen otros significados que no son necesariamente intercambiables: elemento anfótero, [223] elemento límite, [224] medio metal, [225] elemento intermedio, [226] cerca metal, [227] metametal, [228] semiconductor, [229] semimetal [230] y submetal . [231] "Elemento anfótero" se utiliza a veces de forma más amplia para incluir metales de transición capaces de formar oxianiones , como el cromo y el manganeso . [232] " Medio metal " se utiliza en física para referirse a un compuesto (como el dióxido de cromo ) o aleación que puede actuar como conductor y aislante . "Metametal" se utiliza a veces para referirse a ciertos metales ( Be , Zn , Cd , Hg , In , Tl , β-Sn , Pb ) ubicados justo a la izquierda de los metaloides en las tablas periódicas estándar. [225] Estos metales son en su mayoría diamagnéticos [233] y tienden a tener estructuras cristalinas distorsionadas, valores de conductividad eléctrica en el extremo inferior de los de los metales y óxidos anfóteros (débilmente básicos). [234] "Semimetal" a veces se refiere, de manera vaga o explícita, a metales con carácter metálico incompleto en estructura cristalina, conductividad eléctrica o estructura electrónica. Los ejemplos incluyen galio, [235] iterbio , [236] bismuto [237] y neptunio . [238] Los nombres elemento anfótero y semiconductor son problemáticos ya que algunos elementos denominados metaloides no muestran un marcado comportamiento anfótero (bismuto, por ejemplo) [239] o semiconductores (polonio) [240] en sus formas más estables.
Origen y uso
El origen y uso del término metaloide es complicado. Su origen se encuentra en los intentos, que datan de la antigüedad, de describir los metales y distinguir entre formas típicas y menos típicas. Se aplicó por primera vez a principios del siglo XIX a los metales que flotaban en el agua (sodio y potasio) y luego, de manera más popular, a los no metales. El uso anterior en mineralogía , para describir un mineral que tiene apariencia metálica, se remonta a 1800. [241] Desde mediados del siglo XX se ha utilizado para referirse a elementos químicos intermedios o limítrofes. [242] [n 23] La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) recomendó anteriormente abandonar el término metaloide y sugirió utilizar el término semimetal en su lugar. [244] Más recientemente, Atkins et al. han desaconsejado el uso de este último término. [2] ya que tiene un significado diferente en física, uno que se refiere más específicamente a la estructura de bandas electrónicas de una sustancia en lugar de a la clasificación general de un elemento. Las publicaciones más recientes de la IUPAC sobre nomenclatura y terminología no incluyen recomendaciones sobre el uso de los términos metaloide o semimetal. [245]
Elementos comúnmente reconocidos como metaloides.
Las propiedades señaladas en esta sección se refieren a los elementos en sus formas más termodinámicamente estables en condiciones ambientales.
Boro
Boro, mostrado aquí en forma de su fase β- romboédrica (su alótropo termodinámicamente más estable ) [246]
El boro puro es un sólido cristalino brillante de color gris plateado. [247] Es menos denso que el aluminio (2,34 frente a 2,70 g/cm 3 ) y es duro y quebradizo. Es apenas reactivo en condiciones normales, excepto por el ataque del flúor , [248] y tiene un punto de fusión de 2076 °C (cf. acero ~1370 °C). [249] El boro es un semiconductor; [250] su conductividad eléctrica a temperatura ambiente es 1,5 × 10 −6 S •cm −1 [251] (aproximadamente 200 veces menor que la del agua del grifo) [252] y tiene una banda prohibida de aproximadamente 1,56 eV. [253] [n 24] Mendeleev comentó que "el boro aparece en estado libre en varias formas que son intermedias entre los metales y los no metales". [255]
La química estructural del boro está dominada por su pequeño tamaño atómico y su energía de ionización relativamente alta. Con sólo tres electrones de valencia por átomo de boro, un enlace covalente simple no puede cumplir la regla del octeto. [256] El enlace metálico es el resultado habitual entre los congéneres más pesados del boro, pero esto generalmente requiere bajas energías de ionización. [257] En cambio, debido a su pequeño tamaño y altas energías de ionización, la unidad estructural básica del boro (y casi todos sus alótropos) [n 25] es el grupo icosaédrico B 12 . De los 36 electrones asociados con 12 átomos de boro, 26 residen en 13 orbitales moleculares deslocalizados; los otros 10 electrones se utilizan para formar enlaces covalentes de dos y tres centros entre icosaedros. [259] Se puede ver el mismo motivo, al igual que variantes o fragmentos deltaédricos , en boruros metálicos y derivados de hidruros, y en algunos haluros. [260]
El enlace en el boro ha sido descrito como característico de comportamiento intermedio entre metales y sólidos de redes covalentes no metálicas (como el diamante ). [261] La energía necesaria para transformar B, C, N, Si y P de estados no metálicos a metálicos se ha estimado en 30, 100, 240, 33 y 50 kJ/mol, respectivamente. Esto indica la proximidad del boro al límite metal-no metal. [262]
La mayor parte de la química del boro es de naturaleza no metálica. [262] A diferencia de sus congéneres más pesados, no se sabe que forme un catión B 3+ simple o [B(H 2 O) 4 ] 3+ hidratado . [263] El pequeño tamaño del átomo de boro permite la preparación de muchos boruros de tipo aleación intersticial . [264] Se han observado analogías entre el boro y los metales de transición en la formación de complejos , [265] y aductos (por ejemplo, BH 3 + CO →BH 3 CO y, de manera similar, Fe(CO) 4 + CO →Fe(CO ) 5 ), [n 26] así como en las estructuras geométricas y electrónicas de especies de grupos como [B 6 H 6 ] 2− y [Ru 6 (CO) 18 ] 2− . [267] [n 27] La química acuosa del boro se caracteriza por la formación de muchos aniones poliborato diferentes . [269] Dada su alta relación carga-tamaño, el boro se une covalentemente en casi todos sus compuestos; [270] las excepciones son los boruros ya que estos incluyen, dependiendo de su composición, componentes de enlace covalente, iónico y metálico. [271] [n 28] Los compuestos binarios simples, como el tricloruro de boro , son ácidos de Lewis , ya que la formación de tres enlaces covalentes deja un agujero en el octeto que puede llenarse con un par de electrones donado por una base de Lewis . [256] El boro tiene una fuerte afinidad por el oxígeno y una química de borato debidamente extensa . [264] El óxido B 2 O 3 es de estructura polimérica , [274] débilmente ácido, [275] [n 29] y formador de vidrio. [281] Los compuestos organometálicos de boro [n 30] se conocen desde el siglo XIX (ver química organoboro ). [283]
El silicio es un sólido cristalino con un brillo metálico de color gris azulado. [284] Al igual que el boro, es menos denso (2,33 g/cm 3 ) que el aluminio y es duro y quebradizo. [285] Es un elemento relativamente no reactivo. [284] Según Rochow, [286] la forma cristalina masiva (especialmente si es pura) es "notablemente inerte a todos los ácidos, incluido el fluorhídrico ". [n 31] El silicio menos puro y la forma en polvo son susceptibles al ataque de ácidos fuertes o calentados, así como del vapor y el flúor. [290] El silicio se disuelve en álcalis acuosos calientes con desprendimiento de hidrógeno , al igual que los metales [291] como el berilio, el aluminio, el zinc, el galio o el indio. [292] Se funde a 1414 °C. El silicio es un semiconductor con una conductividad eléctrica de 10 −4 S·cm −1 [293] y una banda prohibida de aproximadamente 1,11 eV. [287] Cuando se funde, el silicio se convierte en un metal razonable [294] con una conductividad eléctrica de 1,0–1,3 × 10 4 S·cm −1 , similar a la del mercurio líquido. [295]
La química del silicio es generalmente de naturaleza no metálica (covalente). [296] No se sabe que forme un catión. [297] [n 32] El silicio puede formar aleaciones con metales como el hierro y el cobre. [298] Muestra menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales ordinarios. [299] La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. [300] La alta resistencia del enlace silicio-oxígeno domina el comportamiento químico del silicio. [301] Los silicatos poliméricos, formados por unidades tetraédricas de SiO 4 que comparten sus átomos de oxígeno, son los compuestos más abundantes e importantes del silicio. [302] Los boratos poliméricos, que comprenden unidades BO 3 o BO 4 trigonales y tetraédricas unidas, se basan en principios estructurales similares. [303] El óxido SiO 2 es de estructura polimérica, [274] débilmente ácido, [304] [n 33] y formador de vidrio. [281] La química organometálica tradicional incluye los compuestos de carbono del silicio (ver organosilicio ). [308]
El germanio es un sólido de color blanco grisáceo brillante. [309] Tiene una densidad de 5,323 g/cm 3 y es duro y quebradizo. [310] En su mayor parte no reacciona a temperatura ambiente [n 34] , pero es atacado lentamente por ácido sulfúrico o nítrico concentrado caliente . [312] El germanio también reacciona con la soda cáustica fundida para producir germanato de sodio Na 2 GeO 3 y gas hidrógeno. [313] Se funde a 938 °C. El germanio es un semiconductor con una conductividad eléctrica de alrededor de 2 × 10 −2 S•cm −1 [312] y una banda prohibida de 0,67 eV. [314] El germanio líquido es un conductor metálico, con una conductividad eléctrica similar a la del mercurio líquido. [315]
La mayor parte de la química del germanio es característica de un no metal. [316] No está claro si el germanio forma o no un catión, aparte de la existencia reportada del ion Ge 2+ en algunos compuestos esotéricos. [n 35] Puede formar aleaciones con metales como el aluminio y el oro . [329] Muestra menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales ordinarios. [299] La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. [300] El germanio generalmente forma compuestos tetravalentes (IV) y también puede formar compuestos divalentes (II) menos estables, en los que se comporta más como un metal. [330] Se han preparado análogos de germanio de todos los tipos principales de silicatos. [331] El carácter metálico del germanio también lo sugiere la formación de varias sales de oxoácidos . Se han descrito un fosfato [(HPO 4 ) 2 Ge·H 2 O] y un trifluoroacetato altamente estable Ge(OCOCF 3 ) 4 , así como Ge 2 (SO 4 ) 2 , Ge(ClO 4 ) 4 y GeH 2 (C 2 O 4 ) 3 . [332] El óxido GeO 2 es polimérico, [274] anfótero, [333] y formador de vidrio. [281] El dióxido es soluble en soluciones ácidas (el monóxido GeO lo es aún más), y esto a veces se utiliza para clasificar el germanio como metal. [334] Hasta la década de 1930, el germanio se consideraba un metal poco conductor; [335] En ocasiones, escritores posteriores lo han clasificado como metal. [336] Como ocurre con todos los elementos comúnmente reconocidos como metaloides, el germanio tiene una química organometálica establecida (ver Química del organogermanio ). [337]
El arsénico es un sólido gris de aspecto metálico. Tiene una densidad de 5,727 g/cm 3 y es quebradizo y moderadamente duro (más que el aluminio; menos que el hierro ). [338] Es estable en el aire seco, pero desarrolla una pátina de bronce dorado en el aire húmedo, que se ennegrece con una mayor exposición. El arsénico es atacado por el ácido nítrico y el ácido sulfúrico concentrado. Reacciona con sosa cáustica fundida para dar arseniato Na 3 AsO 3 y gas hidrógeno. [339] El arsénico se sublima a 615 °C. El vapor es de color amarillo limón y huele a ajo. [340] El arsénico sólo se funde bajo una presión de 38,6 atm , a 817 °C. [341] Es un semimetal con una conductividad eléctrica de alrededor de 3,9 × 10 4 S·cm −1 [342] y una superposición de bandas de 0,5 eV. [343] [n 36] El arsénico líquido es un semiconductor con una banda prohibida de 0,15 eV. [345]
La química del arsénico es predominantemente no metálica. [346] No está claro si el arsénico forma o no un catión. [n 37] Sus numerosas aleaciones metálicas son en su mayoría frágiles. [354] Muestra menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales ordinarios. [299] La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. [300] El arsénico generalmente forma compuestos en los que tiene un estado de oxidación de +3 o +5. [355] Los haluros y los óxidos y sus derivados son ejemplos ilustrativos. [302] En estado trivalente, el arsénico muestra algunas propiedades metálicas incipientes. [356] Los haluros son hidrolizados por agua, pero estas reacciones, particularmente las del cloruro, son reversibles con la adición de un ácido halohídrico . [357] El óxido es ácido pero, como se indica a continuación, (débilmente) anfótero. El estado pentavalente superior y menos estable tiene propiedades fuertemente ácidas (no metálicas). [358] En comparación con el fósforo, el carácter metálico más fuerte del arsénico está indicado por la formación de sales de oxoácidos como AsPO 4 , As 2 (SO 4 ) 3 [n 38] y acetato de arsénico As(CH 3 COO) 3 . [361] El óxido As 2 O 3 es polimérico, [274] anfótero, [362] [n 39] y formador de vidrio. [281] El arsénico tiene una extensa química organometálica (ver Química organoarsénica ). [365]
El antimonio es un sólido de color blanco plateado con un tinte azul y un brillo brillante. [339] Tiene una densidad de 6,697 g/cm 3 y es frágil y moderadamente duro (más que el arsénico; menos que el hierro; aproximadamente lo mismo que el cobre). [338] Es estable en el aire y la humedad a temperatura ambiente. Es atacado por ácido nítrico concentrado, produciendo el pentóxido hidratado Sb 2 O 5 . El agua regia produce el pentacloruro SbCl 5 y el ácido sulfúrico concentrado caliente produce el sulfato Sb 2 (SO 4 ) 3 . [366] No se ve afectado por el álcali fundido. [367] El antimonio es capaz de desplazar el hidrógeno del agua cuando se calienta: 2 Sb + 3 H 2 O → Sb 2 O 3 + 3 H 2 . [368] Se funde a 631 °C. El antimonio es un semimetal con una conductividad eléctrica de alrededor de 3,1 × 10 4 S•cm −1 [369] y una superposición de bandas de 0,16 eV. [343] [n 40] El antimonio líquido es un conductor metálico con una conductividad eléctrica de alrededor de 5,3 × 10 4 S•cm −1 . [371]
La mayor parte de la química del antimonio es característica de un no metal. [372] El antimonio tiene cierta química catiónica definida, [373] SbO + y Sb(OH) 2 + están presentes en solución acuosa ácida; [374] [n 41] el compuesto Sb 8 (GaCl 4 ) 2 , que contiene el homopolicatión, Sb 8 2+ , se preparó en 2004. [376] Puede formar aleaciones con uno o más metales como el aluminio, [377 ] hierro, níquel , cobre, zinc, estaño, plomo y bismuto. [378] El antimonio tiene menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales ordinarios. [299] La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. [300] Al igual que el arsénico, el antimonio generalmente forma compuestos en los que tiene un estado de oxidación de +3 o +5. [355] Los haluros y los óxidos y sus derivados son ejemplos ilustrativos. [302] El estado +5 es menos estable que el +3, pero relativamente más fácil de alcanzar que con arsénico. Esto se explica por el pobre blindaje que ofrecen al núcleo de arsénico sus 3d 10 electrones . En comparación, la tendencia del antimonio (al ser un átomo más pesado) a oxidarse más fácilmente compensa parcialmente el efecto de su capa 4d 10 . [379] El antimonio tripositivo es anfótero; el antimonio pentapositivo es (predominantemente) ácido. [380] En consonancia con un aumento del carácter metálico en el grupo 15 , el antimonio forma sales que incluyen un acetato Sb(CH 3 CO 2 ) 3 , fosfato SbPO 4 , sulfato Sb 2 (SO 4 ) 3 y perclorato Sb(ClO 4 ) 3 . [381] El pentóxido Sb 2 O 5 , que de otro modo sería ácido , muestra cierto comportamiento básico (metálico) en el sentido de que puede disolverse en soluciones muy ácidas, con la formación de la oxicatión SbO .+ 2. [382] El óxido Sb 2 O 3 es polimérico, [274] anfótero, [383] y formador de vidrio. [281] El antimonio tiene una química organometálica extensa (ver Química del organoantimonio ). [384]
El telurio es un sólido brillante de color blanco plateado. [386] Tiene una densidad de 6,24 g/cm 3 , es frágil y es el más blando de los metaloides comúnmente reconocidos, siendo ligeramente más duro que el azufre. [338] Los trozos grandes de telurio son estables en el aire. La forma finamente pulverizada se oxida con el aire en presencia de humedad. El telurio reacciona con agua hirviendo, o cuando está recién precipitado incluso a 50 °C, para dar dióxido e hidrógeno: Te + 2 H 2 O → TeO 2 + 2 H 2 . [387] Reacciona (en diversos grados) con los ácidos nítrico, sulfúrico y clorhídrico para dar compuestos como el sulfóxido TeSO 3 o el ácido teluroso H 2 TeO 3 , [388] el nitrato básico (Te 2 O 4 H) + ( NO 3 ) − , [389] o el óxido sulfato Te 2 O 3 (SO 4 ). [390] Se disuelve en álcalis en ebullición, para dar el telurito y el telururo : 3 Te + 6 KOH = K 2 TeO 3 + 2 K 2 Te + 3 H 2 O, reacción que procede o es reversible al aumentar o disminuir la temperatura. [391]
A temperaturas más altas, el telurio es lo suficientemente plástico como para extruirse. [392] Se funde a 449,51 °C. El telurio cristalino tiene una estructura formada por infinitas cadenas espirales paralelas. El enlace entre átomos adyacentes en una cadena es covalente, pero hay evidencia de una interacción metálica débil entre los átomos vecinos de diferentes cadenas. [393] El telurio es un semiconductor con una conductividad eléctrica de alrededor de 1,0 S·cm −1 [394] y una banda prohibida de 0,32 a 0,38 eV. [395] El telurio líquido es un semiconductor, con una conductividad eléctrica, al fundirse, de alrededor de 1,9 × 10 3 S·cm −1 . [395] El telurio líquido sobrecalentado es un conductor metálico. [396]
La mayor parte de la química del telurio es característica de un no metal. [397]
Muestra cierto comportamiento catiónico. El dióxido se disuelve en ácido para producir el ion trihidroxotelurio (IV) Te (OH) 3 + ; [398] [n 42] los iones rojo Te 4 2+ y amarillo-naranja Te 6 2+ se forman cuando el telurio se oxida en ácido fluorosulfúrico (HSO 3 F) o dióxido de azufre líquido (SO 2 ), respectivamente. [401] Puede formar aleaciones con aluminio, plata y estaño. [402] El telurio muestra menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales ordinarios. [299] La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. [300] El telurio generalmente forma compuestos en los que tiene un estado de oxidación de −2, +4 o +6. El estado +4 es el más estable. [387] Los telururos de composición X x Te y se forman fácilmente con la mayoría de los demás elementos y representan los minerales de telurio más comunes. La no estequiometría es omnipresente, especialmente con los metales de transición. Muchos telururos pueden considerarse aleaciones metálicas. [403] El aumento del carácter metálico evidente en el telurio, en comparación con los calcógenos más ligeros , se refleja además en la formación informada de varias otras sales de oxiácido, como un selenato básico 2TeO 2 ·SeO 3 y un perclorato y periodato análogo 2TeO 2. · HXO4 . [404] El telurio forma un óxido polimérico, [274] anfótero, [383] formador de vidrio, [281] TeO 2 . Es un óxido formador de vidrio "condicional": forma vidrio con una cantidad muy pequeña de aditivo. [281] El telurio tiene una extensa química organometálica (ver Química del organotelurio ). [405]
Elementos menos comúnmente reconocidos como metaloides.
El carbono normalmente se clasifica como un no metal [407] pero tiene algunas propiedades metálicas y ocasionalmente se clasifica como un metaloide. [408] El carbono grafítico hexagonal (grafito) es el alótropo del carbono termodinámicamente más estable en condiciones ambientales. [409] Tiene una apariencia brillante [410] y es un conductor eléctrico bastante bueno. [411] El grafito tiene una estructura en capas. Cada capa consta de átomos de carbono unidos a otros tres átomos de carbono en una disposición de red hexagonal . Las capas se apilan y se mantienen sueltas mediante fuerzas de van der Waals y electrones de valencia deslocalizados . [412]
Como un metal, la conductividad del grafito en la dirección de sus planos disminuye a medida que aumenta la temperatura; [413] [n 43] tiene la estructura de banda electrónica de un semimetal. [413] Los alótropos del carbono, incluido el grafito, pueden aceptar átomos o compuestos extraños en sus estructuras mediante sustitución, intercalación o dopaje . Los materiales resultantes se denominan "aleaciones de carbono". [417] El carbono puede formar sales iónicas, incluido un sulfato de hidrógeno, perclorato y nitrato (C+ 24X − .2HX, donde X = HSO 4 , ClO 4 ; y C+ 24NO– 3.3HNO3 ) . [418] [n 44] En química orgánica , el carbono puede formar cationes complejos, denominados carbocationes , en los que la carga positiva está en el átomo de carbono; ejemplos son CH+ 3y CH+ 5y sus derivados. [419]
El carbono es frágil [420] y se comporta como un semiconductor en una dirección perpendicular a sus planos. [413] La mayor parte de su química es no metálica; [421] tiene una energía de ionización relativamente alta [422] y, en comparación con la mayoría de los metales, una electronegatividad relativamente alta. [423] El carbono puede formar aniones como C 4− ( metanuro ), C2– 2( acetiluro ) y C3-4 _( sesquicarburo o alilenuro ), en compuestos con metales de los grupos principales 1 a 3, y con los lantánidos y actínidos . [424] Su óxido CO 2 forma ácido carbónico H 2 CO 3 . [425] [n.45]
Aluminio
El aluminio de alta pureza es mucho más blando que sus aleaciones familiares . Las personas que lo tocan por primera vez a menudo preguntan si es real. [427]
El aluminio normalmente se clasifica como metal. [428] Es brillante, maleable y dúctil, y tiene alta conductividad eléctrica y térmica. Como la mayoría de los metales, tiene una estructura cristalina muy compacta [429] y forma un catión en solución acuosa. [430]
Tiene algunas propiedades que son inusuales para un metal; en conjunto, [431] a veces se utilizan como base para clasificar el aluminio como metaloide. [432] Su estructura cristalina muestra cierta evidencia de enlace direccional . [433] El aluminio se une covalentemente en la mayoría de los compuestos. [434] El óxido Al 2 O 3 es anfótero [435] y formador de vidrio condicional. [281] El aluminio puede formar aluminatos aniónicos , [431] tal comportamiento se considera de carácter no metálico. [69]
La clasificación del aluminio como metaloide ha sido objeto de controversia [436] dadas sus numerosas propiedades metálicas. Por lo tanto, podría decirse que es una excepción a la mnemónica de que los elementos adyacentes a la línea divisoria metal-no metal son metaloides. [437] [n.46]
Stott [439] etiqueta al aluminio como un metal débil. Tiene las propiedades físicas de un metal pero algunas de las propiedades químicas de un no metal. Steele [440] señala el comportamiento químico paradójico del aluminio: "Se parece a un metal débil en su óxido anfótero y en el carácter covalente de muchos de sus compuestos... Sin embargo, es un metal altamente electropositivo ... [con] un alto potencial de electrodo negativo ". Moody [441] dice que "el aluminio se encuentra en la 'zona fronteriza diagonal' entre metales y no metales en el sentido químico".
Selenio
El selenio gris , al ser un fotoconductor , conduce la electricidad alrededor de 1000 veces mejor cuando la luz incide sobre él, una propiedad utilizada desde mediados de la década de 1870 en diversas aplicaciones de detección de luz [442]
El selenio muestra un comportamiento límite metaloide o no metálico. [443] [n.47]
Su forma más estable, el alótropo trigonal gris , a veces se denomina selenio "metálico" porque su conductividad eléctrica es varios órdenes de magnitud mayor que la de la forma monoclínica roja . [446] El carácter metálico del selenio se demuestra además por su brillo, [447] y su estructura cristalina, que se cree que incluye enlaces entre cadenas débilmente "metálicos". [448] El selenio se puede transformar en hilos finos cuando está fundido y es viscoso. [449] Muestra renuencia a adquirir "los altos números de oxidación positivos característicos de los no metales". [450] Puede formar policationes cíclicos (como Se2+ 8) cuando se disuelve en óleums [451] (un atributo que comparte con el azufre y el telurio), y una sal catiónica hidrolizada en forma de perclorato de trihidroxoselenio(IV) [Se(OH) 3 ] + ·ClO– 4. [452]
El carácter no metálico del selenio se demuestra por su fragilidad [447] y la baja conductividad eléctrica (~10 −9 a 10 −12 S·cm −1 ) de su forma altamente purificada. [93] Esto es comparable o menor que el del bromo (7,95 × 10 –12 S·cm −1 ), [453] un no metal. El selenio tiene la estructura de bandas electrónicas de un semiconductor [454] y conserva sus propiedades semiconductoras en forma líquida. [454] Tiene una [455] electronegatividad relativamente alta (escala de Pauling revisada de 2,55). Su química de reacción es principalmente la de sus formas aniónicas no metálicas Se 2− , SeO2-3 _y SEO2-4 _. [456]
El selenio se describe comúnmente como un metaloide en la literatura de química ambiental . [457] Se mueve a través del medio acuático de manera similar al arsénico y al antimonio; [458] sus sales solubles en agua, en concentraciones más altas, tienen un perfil toxicológico similar al del arsénico. [459]
Polonio
El polonio es "claramente metálico" en algunos aspectos. [240] Ambas formas alotrópicas son conductores metálicos. [240] Es soluble en ácidos, formando el catión Po 2+ de color rosa y desplazando al hidrógeno: Po + 2 H + → Po 2+ + H 2 . [460] Se conocen muchas sales de polonio. [461] El óxido PoO 2 es predominantemente de naturaleza básica. [462] El polonio es un agente oxidante reacio, a diferencia de su congénere más ligero, el oxígeno: se requieren condiciones altamente reductoras para la formación del anión Po 2− en solución acuosa. [463]
No está claro si el polonio es dúctil o frágil. Se predice que será dúctil en función de sus constantes elásticas calculadas . [464] Tiene una estructura cristalina cúbica simple . Una estructura de este tipo tiene pocos sistemas de deslizamiento y "conduce a una ductilidad muy baja y, por tanto, a una baja resistencia a la fractura". [465]
El polonio muestra carácter no metálico en sus haluros, y por la existencia de polonuros . Los haluros tienen propiedades generalmente características de los haluros no metálicos (ser volátiles, fácilmente hidrolizables y solubles en disolventes orgánicos ). [466] También se conocen muchas polonidas metálicas, obtenidas calentando los elementos juntos a 500-1000 °C y que contienen el anión Po 2− . [467]
Astato
Como halógeno , el astato tiende a clasificarse como un no metal. [468] Tiene algunas propiedades metálicas marcadas [469] y, en cambio, a veces se clasifica como metaloide [470] o (con menos frecuencia) como metal. [n 48] Inmediatamente después de su producción en 1940, los primeros investigadores lo consideraron un metal. [472] En 1949 se le llamó el no metal más noble (difícil de reducir ), además de ser un metal relativamente noble (difícil de oxidar). [473] En 1950, el astato fue descrito como un halógeno y (por lo tanto) un no metal reactivo . [474] En 2013, sobre la base de modelos relativistas , se predijo que el astato sería un metal monoatómico, con una estructura cristalina cúbica centrada en la cara . [475]
Varios autores han comentado el carácter metálico de algunas de las propiedades del astato. Dado que el yodo es un semiconductor en la dirección de sus planos, y dado que los halógenos se vuelven más metálicos al aumentar el número atómico, se ha supuesto que el astato sería un metal si pudiera formar una fase condensada. [476] [n 49] El astato puede ser metálico en estado líquido sobre la base de que los elementos con una entalpía de vaporización (∆H vap ) superior a ~42 kJ/mol son metálicos cuando están líquidos. [478] Dichos elementos incluyen boro, [n 50] silicio, germanio, antimonio, selenio y telurio. Los valores estimados para ∆H vap del astato diatómico son 50 kJ/mol o más; [482] el yodo diatómico, con un ∆H vap de 41,71, [483] no alcanza la cifra umbral.
"Como los metales típicos, el astato se precipita también en soluciones fuertemente ácidas mediante ácido sulfhídrico y en soluciones de sulfato se desplaza libre; durante la electrólisis se deposita en el cátodo ". [484] [n 51] Otros indicios de una tendencia del astato a comportarse como un metal (pesado) son: "... la formación de compuestos pseudohaluro ... complejos de cationes de astato... aniones complejos de astato trivalente... .así como complejos con una variedad de disolventes orgánicos". [486] También se ha argumentado que el astato demuestra un comportamiento catiónico, a través de formas estables de At + y AtO + , en soluciones acuosas fuertemente ácidas. [487]
Algunas de las propiedades reportadas del astato son no metálicas. Se ha extrapolado que tiene el rango de líquido estrecho normalmente asociado con los no metales (pf 302 °C; pb 337 °C), [488] aunque las indicaciones experimentales sugieren un punto de ebullición más bajo de aproximadamente 230 ± 3 °C. Batsanov proporciona una energía de banda prohibida calculada para el astato de 0,7 eV; [489] esto es consistente con el hecho de que los no metales (en física) tengan bandas de valencia y conducción separadas y, por lo tanto, sean semiconductores o aislantes. [490] La química del astato en solución acuosa se caracteriza principalmente por la formación de diversas especies aniónicas. [491] La mayoría de sus compuestos conocidos se parecen a los del yodo, [492] que es un halógeno y un no metal. [493] Dichos compuestos incluyen astátidos (XAt), astatos (XAtO 3 ) y compuestos interhalógenos monovalentes . [494]
Restrepo et al. [495] informaron que el astato parecía más parecido al polonio que al halógeno. Lo hicieron sobre la base de estudios comparativos detallados de las propiedades conocidas e interpoladas de 72 elementos.
En la tabla periódica, algunos de los elementos adyacentes a los metaloides comúnmente reconocidos, aunque generalmente se clasifican como metales o no metales, en ocasiones se denominan casi metaloides [499] o se destacan por su carácter metaloidal. A la izquierda de la línea divisoria metal-no metal, tales elementos incluyen galio, [500] estaño [501] y bismuto. [502] Muestran estructuras de empaquetamiento inusuales, [503] marcada química covalente (molecular o polimérica), [504] y anfoterismo. [505] A la derecha de la línea divisoria están el carbono, [506] el fósforo, [507] el selenio , [508] y el yodo. [509] Presentan brillo metálico, propiedades semiconductoras [n 53] y bandas de enlace o valencia con carácter deslocalizado. Esto se aplica a sus formas termodinámicamente más estables en condiciones ambientales: carbono como grafito; fósforo como fósforo negro; [n 54] y selenio como selenio gris.
Alótropos
Lata blanca (izquierda) y lata gris (derecha). Ambas formas tienen una apariencia metálica.
Las distintas formas cristalinas de un elemento se denominan alótropos . Algunos alótropos, particularmente aquellos de elementos ubicados (en términos de la tabla periódica) a lo largo o cerca de la línea divisoria teórica entre metales y no metales, exhiben un comportamiento metálico, metaloidal o no metálico más pronunciado que otros. [515] La existencia de tales alótropos puede complicar la clasificación de los elementos involucrados. [516]
El estaño, por ejemplo, tiene dos alótropos: el β-estaño tetragonal "blanco" y el α-estaño cúbico "gris". El estaño blanco es un metal muy brillante, dúctil y maleable. Es la forma estable a temperatura ambiente o superior y tiene una conductividad eléctrica de 9,17 × 10 4 S·cm −1 (~1/6 de la del cobre). [517] El estaño gris suele tener la apariencia de un polvo microcristalino gris y también puede prepararse en formas cristalinas o policristalinas semilustrosas quebradizas . Es la forma estable por debajo de 13,2 °C y tiene una conductividad eléctrica de entre (2–5) × 10 2 S·cm −1 (~1/250 de la del estaño blanco). [518] El estaño gris tiene la misma estructura cristalina que la del diamante. Se comporta como un semiconductor (como si tuviera una banda prohibida de 0,08 eV), pero tiene la estructura de bandas electrónicas de un semimetal. [519] Se le ha denominado metal muy pobre, [520] metaloide, [521] no metal [522] o casi metaloide. [502]
El alótropo de diamante del carbono es claramente no metálico, es translúcido y tiene una baja conductividad eléctrica de 10 −14 a 10 −16 S·cm −1 . [523] El grafito tiene una conductividad eléctrica de 3 × 10 4 S·cm −1 , [524] cifra más característica de un metal. El fósforo, el azufre, el arsénico, el selenio, el antimonio y el bismuto también tienen alótropos menos estables que muestran comportamientos diferentes. [525]
Abundancia, extracción y costo
Abundancia
La tabla muestra la abundancia en la corteza terrestre de los elementos comúnmente reconocidos como metaloides. [526] Se incluyen algunos otros elementos a modo de comparación: oxígeno y xenón (los elementos más y menos abundantes con isótopos estables); el hierro y los metales acuñados cobre, plata y oro; y renio, el metal estable menos abundante (normalmente el aluminio es el metal más abundante). Se han publicado varias estimaciones de abundancia; estos a menudo no están de acuerdo hasta cierto punto. [527]
Extracción
Los metaloides reconocidos pueden obtenerse por reducción química de sus óxidos o de sus sulfuros . Se pueden emplear métodos de extracción más simples o más complejos dependiendo de la forma inicial y de los factores económicos. [528] El boro se obtiene habitualmente reduciendo el trióxido con magnesio: B 2 O 3 + 3 Mg → 2 B + 3MgO; después del procesamiento secundario, el polvo marrón resultante tiene una pureza de hasta el 97%. [529] El boro de mayor pureza (> 99%) se prepara calentando compuestos de boro volátiles, como BCl 3 o BBr 3 , ya sea en una atmósfera de hidrógeno (2 BX 3 + 3 H 2 → 2 B + 6 HX) o para el punto de descomposición térmica . El silicio y el germanio se obtienen a partir de sus óxidos calentando el óxido con carbono o hidrógeno: SiO 2 + C → Si + CO 2 ; GeO 2 + 2 H 2 → Ge + 2 H 2 O. El arsénico se aísla de su pirita (FeAsS) o pirita arsénica (FeAs 2 ) mediante calentamiento; alternativamente, se puede obtener a partir de su óxido por reducción con carbono: 2 As 2 O 3 + 3 C → 2 As + 3 CO 2 . [530] El antimonio se deriva de su sulfuro por reducción con hierro: Sb 2 S 3 → 2 Sb + 3 FeS. El telurio se prepara a partir de su óxido disolviéndolo en NaOH acuoso, dando telurito, luego mediante reducción electrolítica : TeO 2 + 2 NaOH → Na 2 TeO 3 + H 2 O; [531] Na 2 TeO 3 + H 2 O → Te + 2 NaOH + O 2 . [532] Otra opción es la reducción del óxido mediante calcinación con carbón: TeO 2 + C → Te + CO 2 . [533]
Los métodos de producción de los elementos menos frecuentemente reconocidos como metaloides implican procesamiento natural, reducción electrolítica o química, o irradiación. El carbono (como grafito) se produce de forma natural y se extrae triturando la roca madre y haciendo flotar el grafito más ligero en la superficie. El aluminio se extrae disolviendo su óxido Al 2 O 3 en criolita fundida Na 3 AlF 6 y luego mediante reducción electrolítica a alta temperatura. El selenio se produce tostando los seleniuros metálicos acuñados X 2 Se (X = Cu, Ag, Au) con carbonato de sodio para obtener el selenita: X 2 Se + O 2 + Na 2 CO 3 → Na 2 SeO 3 + 2 X + CO 2 ; el seleniuro se neutraliza con ácido sulfúrico H2SO4 para dar ácido selenoso H2SeO3 ; esto se reduce burbujeando con SO2 para producir selenio elemental. El polonio y el astato se producen en cantidades mínimas mediante la irradiación de bismuto. [534]
Costo
Los metaloides reconocidos y sus vecinos más cercanos cuestan en su mayoría menos que la plata; Sólo el polonio y el astato son más caros que el oro debido a su importante radiactividad. Al 5 de abril de 2014, los precios de muestras pequeñas (hasta 100 g) de silicio, antimonio y telurio, y grafito, aluminio y selenio, promediaban alrededor de un tercio del costo de la plata (1,5 dólares estadounidenses por gramo o alrededor de 45 dólares la onza). Las muestras de boro, germanio y arsénico cuestan en promedio aproximadamente tres veces y media el costo de la plata. [n 55] El polonio está disponible por unos 100 dólares el microgramo . [535] Zalutsky y Pruszynski [536] estiman un costo similar para producir astato. Los precios de los elementos aplicables comercializados como productos básicos tienden a oscilar entre dos y tres veces más baratos que el precio de muestra (Ge) y casi tres mil veces más baratos (As). [n 56]
Notas
^ Para obtener un comentario relacionado, consulte también: Vernon RE 2013, '¿Qué elementos son metaloides?', Journal of Chemical Education, vol. 90, núm. 12, págs. 1703-1707, doi :10.1021/ed3008457
^ A continuación se muestran definiciones y extractos de diferentes autores, que ilustran aspectos de la definición genérica:
"En química, un metaloide es un elemento con propiedades intermedias entre las de los metales y los no metales". [3]
"Entre los metales y los no metales en la tabla periódica encontramos elementos... [que] comparten algunas de las propiedades características tanto de los metales como de los no metales, lo que hace difícil ubicarlos en cualquiera de estas dos categorías principales" [ 4]
"Los químicos a veces usan el nombre metaloide... para estos elementos que son difíciles de clasificar de una forma u otra". [5]
"Debido a que los rasgos que distinguen a los metales y los no metales son de naturaleza cualitativa, algunos elementos no caen claramente en ninguna de las categorías. Estos elementos... se llaman metaloides..." [6]
En términos más generales, se ha hecho referencia a los metaloides como:
"elementos que... son algo así como un cruce entre metales y no metales"; [7] o
"elementos intermedios extraños". [8]
^ El oro , por ejemplo, tiene propiedades mixtas, pero todavía se le reconoce como "rey de los metales". Además del comportamiento metálico (como una alta conductividad eléctrica y formación de cationes ), el oro muestra un comportamiento no metálico:
A veces tiene una tendencia, conocida como " aurofilicidad ", a vincularse consigo mismo. [11]
Sobre el carácter halógeno, véase también Belpassi et al., [12] quienes concluyen que en las áuridas MAu (M = Li–Cs ) el oro "se comporta como un halógeno, intermedio entre Br e I "; sobre la aurofilia, véase también Schmidbaur y Schier. [13]
^ Mann y col. [16] se refieren a estos elementos como "los metaloides reconocidos".
^ Jones [44] escribe: "Aunque la clasificación es una característica esencial en todas las ramas de la ciencia, siempre hay casos difíciles en los límites. De hecho, el límite de una clase rara vez es nítido".
^ La falta de una división estándar de los elementos en metales, metaloides y no metales no es necesariamente un problema. Hay más o menos una progresión continua de lo metálico a lo no metálico. Un subconjunto específico de este continuo podría cumplir su propósito particular tan bien como cualquier otro. [45]
^ La eficiencia de empaquetamiento del boro es del 38%; silicio y germanio 34; arsénico 38,5; antimonio 41; y telurio 36,4. [49] Estos valores son más bajos que en la mayoría de los metales (80% de los cuales tienen una eficiencia de empaquetamiento de al menos 68%), [50] pero más altos que los de elementos generalmente clasificados como no metales. (El galio es inusual, para un metal, ya que tiene una eficiencia de empaquetamiento de solo el 39%). [51] Otros valores notables para los metales son 42,9 para el bismuto [52] y 58,5 para el mercurio líquido. [53] ) Las eficiencias de empaquetamiento para no metales son: grafito 17%, [54] azufre 19,2, [55] yodo 23,9, [55] selenio 24,2, [55] y fósforo negro 28,5. [52]
^ Como la relación se basa en argumentos clásicos [59], no se adapta al hallazgo de que el polonio, que tiene un valor de ~0,95, adopta una estructura cristalina metálica (en lugar de covalente ) , por motivos relativistas . [60] Aun así, ofrece una racionalización de primer orden para la aparición del carácter metálico entre los elementos. [61]
^ La conductancia atómica es la conductividad eléctrica de un mol de una sustancia. Es igual a la conductividad eléctrica dividida por el volumen molar. [5]
^ El selenio tiene una energía de ionización (IE) de 225 kcal/mol (941 kJ/mol) y a veces se describe como un semiconductor. Tiene una electronegatividad (EN) relativamente alta de 2,55. El polonio tiene un IE de 194 kcal/mol (812 kJ/mol) y un EN de 2,0, pero tiene una estructura de bandas metálicas. [66] El astato tiene un IE de 215 kJ/mol (899 kJ/mol) y un EN de 2,2. [67] Su estructura de banda electrónica no se conoce con certeza.
^ Jones (2010, págs. 169-71): "Aunque la clasificación es una característica esencial de todas las ramas de la ciencia, siempre hay casos difíciles en los límites. Los límites de una clase rara vez son nítidos... Los científicos no deberían perder el sueño por la Casos difíciles. Siempre que un sistema de clasificación sea beneficioso para la economía de descripción, para estructurar el conocimiento y para nuestra comprensión, y los casos difíciles constituyan una pequeña minoría, entonces manténgalo. Si el sistema deja de ser útil, entonces deséchelo y reemplácelo. con un sistema basado en diferentes características compartidas."
^ Oderberg [80] sostiene sobre bases ontológicas que cualquier cosa que no sea un metal es, por tanto, un no metal, y que esto incluye los semimetales (es decir, los metaloides).
^ Según se informa, el copernicio es el único metal que se cree que es un gas a temperatura ambiente. [86]
^ Los metales tienen valores de conductividad eléctrica de 6,9 × 10 3 S•cm −1 para el manganeso a 6,3 × 10 5 para la plata . [90]
^ Los metaloides tienen valores de conductividad eléctrica de 1,5 × 10 −6 S•cm −1 para el boro a 3,9 × 10 4 para el arsénico. [92] Si se incluye el selenio como metaloide, el rango de conductividad aplicable comenzaría desde ~10 −9 a 10 −12 S·cm −1 . [93]
^ Los no metales tienen valores de conductividad eléctrica que van desde ~10 −18 S•cm −1 para los gases elementales hasta 3 × 10 4 en el grafito. [94]
^ Chedd [101] define los metaloides con valores de electronegatividad de 1,8 a 2,2 ( escala de Allred-Rochow ). Incluyó en esta categoría boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, telurio, polonio y astato . Al revisar el trabajo de Chedd, Adler [102] describió esta elección como arbitraria, ya que otros elementos cuyas electronegatividades se encuentran en este rango incluyen el cobre , la plata, el fósforo, el mercurio y el bismuto. Continuó sugiriendo definir un metaloide como "un semiconductor o semimetal" e incluir el bismuto y el selenio en esta categoría.
↑ Olmsted y Williams [106] comentaron que "hasta hace muy poco, el interés químico en los metaloides consistía principalmente en curiosidades aisladas, como la naturaleza venenosa del arsénico y el valor levemente terapéutico del bórax. Sin embargo, con el desarrollo de los semiconductores metaloides, estos elementos se encuentran entre los más intensamente estudiados".
^ Una investigación publicada en 2012 sugiere que los vidrios metal-metaloides pueden caracterizarse por un esquema de empaquetamiento atómico interconectado en el que coexisten estructuras de enlaces metálicos y covalentes . [174]
^ La reacción involucrada es Ge + 2 MoO 3 → GeO 2 + 2 MoO 2 . La adición de arsénico o antimonio ( donantes de electrones tipo n ) aumenta la velocidad de reacción; agregar galio o indio ( aceptores de electrones tipo p ) lo disminuye. [188]
^ Ellern, escribiendo en Military and Civilian Pyrotechnics (1968), comenta que el negro de carbón "ha sido especificado y utilizado en un simulador de explosión nuclear en el aire". [194]
^ Para ver un ejemplo posterior a 1960 del uso anterior del término metaloide para referirse a no metales, consulte Zhdanov, [243] quien divide los elementos en metales; elementos intermedios (H, B, C, Si, Ge, Se, Te); y metaloides (de los cuales los más típicos son O, F y Cl).
^ El boro, a 1,56 eV, tiene la banda prohibida más grande entre los metaloides (semiconductores) comúnmente reconocidos. De los elementos cercanos en términos de la tabla periódica, el selenio tiene la siguiente banda prohibida más alta (cerca de 1,8 eV), seguido del fósforo blanco (alrededor de 2,1 eV). [254]
^ La síntesis de boroesferano B 40 , un "fulereno distorsionado con un orificio hexagonal en la parte superior e inferior y cuatro orificios heptagonales alrededor de la cintura" se anunció en 2014. [258]
^ Las especies BH 3 y Fe (CO 4 ) en estas reacciones son intermediarios de reacción de vida corta . [266]
^ Sobre la analogía entre el boro y los metales, Greenwood [268] comentó que: "La medida en que los elementos metálicos imitan al boro (al tener menos electrones que orbitales disponibles para el enlace) ha sido un concepto coherente fructífero en el desarrollo de la química de los metaloboranos. ... De hecho, se ha hecho referencia a los metales como "átomos de boro honorarios" o incluso como "átomos de flexiboro". Lo contrario de esta relación claramente también es válido..."
^ Los derivados orgánicos de los metaloides se cuentan tradicionalmente como compuestos organometálicos. [282]
^ En el aire, el silicio forma una fina capa de dióxido de silicio amorfo, de 2 a 3 nm de espesor. [287] Este recubrimiento se disuelve con fluoruro de hidrógeno a un ritmo muy lento, del orden de dos a tres horas por nanómetro. [288] El dióxido de silicio y los vidrios de silicato (de los cuales el dióxido de silicio es un componente principal) son fácilmente atacados por el ácido fluorhídrico. [289]
^ Aunque el SiO 2 se clasifica como un óxido ácido y, por lo tanto, reacciona con álcalis para dar silicatos, reacciona con ácido fosfórico para producir un ortofosfato de óxido de silicio Si 5 O (PO 4 ) 6 , [305] y con ácido fluorhídrico para dar hexafluorosilícico. ácido H 2 SiF 6 . [306] Esta última reacción "a veces se cita como prueba de propiedades básicas [es decir, metálicas]". [307]
^ Se requieren temperaturas superiores a 400 °C para formar una capa de óxido superficial notable. [311]
^ Las fuentes que mencionan cationes de germanio incluyen: Powell & Brewer [317] quienes afirman que la estructura del yoduro de cadmio CdI 2 del yoduro germanoso GeI 2 establece la existencia del ion Ge ++ ( se encuentra la estructura CdI 2 , según Ladd, [318 ] en "muchos haluros, hidróxidos y calciuros metálicos"); Everest [319] quien comenta que "parece probable que el ion Ge ++ también pueda ocurrir en otras sales germánicas cristalinas como el fosfito, que es similar al fosfito estannoso similar a una sal y al fosfato germanoso, que se asemeja no sólo al fosfatos estannosos, pero también los fosfatos manganosos"; Pan, Fu y Huang [320] , quienes suponen la formación del ion Ge ++ simple cuando se disuelve Ge(OH) 2 en una solución de ácido perclórico , basándose en que "ClO4 − tiene poca tendencia a formar complejos con un catión"; Monconduit et al. [321] quienes prepararon el compuesto de capa o fase Nb 3 Ge x Te 6 (x ≃ 0,9), e informaron que este contenía un catión Ge II ; Richens [322] quien registra que "Se dice que Ge 2+ (aq) o posiblemente Ge(OH) + (aq) existe en suspensiones acuosas diluidas sin aire del monóxido hidratado amarillo... sin embargo, ambos son inestables con respecto a la fácil formación de GeO 2 .n H 2 O "; Rupar et al. [323] quienes sintetizaron un compuesto criptando que contiene un catión Ge 2+ ; y Schwietzer y Pesterfield [324] quienes escriben que "el monóxido GeO se disuelve en ácidos diluidos para dar Ge +2 y en bases diluidas para producir GeO 2 -2 , siendo las tres entidades inestables en agua". Las fuentes que descartan los cationes de germanio o califican aún más su presunta existencia incluyen: Jolly y Latimer [325] quienes afirman que "el ion germanio no puede estudiarse directamente porque no existe ninguna especie de germanio (II) en una concentración apreciable en soluciones acuosas no complejantes"; Lidin [326] quien dice que "[el germanio] no forma acuacaciones"; Ladd [327] quien señala que la estructura CdI 2 es "de tipo intermedio entre compuestos iónicos y moleculares"; y Wiberg [328]quien afirma que "no se conocen cationes de germanio".
^ El arsénico también existe como un alótropo natural (pero raro) (arsenolamprita), un semiconductor cristalino con una banda prohibida de alrededor de 0,3 eV o 0,4 eV. También se puede preparar en una forma amorfa semiconductora , con una banda prohibida de alrededor de 1,2 a 1,4 eV. [344]
^ Las fuentes que mencionan el arsénico catiónico incluyen: Gillespie y Robinson [347] quienes encuentran que, "en soluciones muy diluidas en ácido sulfúrico al 100%, el óxido de arsénico (III) forma hidrógeno sulfato de arsonilo (III), AsO.HO 4 , que está parcialmente ionizado para dar el catión AsO + . Ambas especies probablemente existen principalmente en formas solvatadas, por ejemplo, As(OH)(SO 4 H) 2 y As(OH)(SO 4 H) + respectivamente"; Pablo y col. [348] quienes informaron evidencia espectroscópica de la presencia de cationes As 4 2+ y As 2 2+ cuando el arsénico se oxidaba con difluoruro de peroxidisulfurilo S 2 O 6 F 2 en medios altamente ácidos (Gillespie y Passmore [349] observaron los espectros de estos cationes). especies eran muy similares a S 4 2+ y S 8 2+ y concluyó que "en la actualidad" no había evidencia confiable de homopolicationes de arsénico); Van Muylder y Pourbaix, [350] quienes escriben que, "El 2 O 3 es un óxido anfótero que se disuelve en agua y en soluciones de pH entre 1 y 8 con la formación de ácido arsenioso no disociado HAsO 2 ; la solubilidad... aumenta a niveles de pH por debajo de 1 con formación de iones 'arsenilo' AsO + …”; Kolthoff y Elving [351] quienes escriben que "el catión As 3+ existe hasta cierto punto sólo en soluciones fuertemente ácidas; en condiciones menos ácidas la tendencia es hacia la hidrólisis , de modo que predomina la forma aniónica"; Moody [352] , quien observa que "el trióxido de arsénico, As 4 O 6 , y el ácido arsenioso, H 3 AsO 3 , son aparentemente anfóteros pero no cationes, As 3+ , As(OH) 2+ o As(OH) 2 + ". son conocidos"; y Cotton et al. [353] quienes escriben que (en solución acuosa) el catión arsénico simple As 3+ "puede ocurrir en cierta medida [junto con el catión AsO + ]" y que "los espectros Raman muestran que en soluciones ácidas de As 4 O 6 la única especie detectable es el As(OH) 3 piramidal .
^ Las fórmulas de AsPO 4 y As 2 (SO 4 ) 3 sugieren formulaciones iónicas sencillas, con As 3+ , pero este no es el caso. AsPO 4 , "que es prácticamente un óxido covalente", ha sido denominado óxido doble, de la forma As 2 O 3 ·P 2 O 5 . Consiste en pirámides de AsO 3 y tetraedros de PO 4 , unidos por todos sus átomos angulares para formar una red polimérica continua. [359] As 2 (SO 4 ) 3 tiene una estructura en la que cada tetraedro de SO 4 está unido por dos pirámides trigonales de AsO 3 . [360]
^ Como 2 O 3 generalmente se considera anfótero, pero algunas fuentes dicen que es (débilmente) [363] ácido. Describen sus propiedades "básicas" (su reacción con ácido clorhídrico concentrado para formar tricloruro de arsénico) como alcohólicas, en analogía con la formación de cloruros de alquilo covalentes por alcoholes covalentes (p. ej., R-OH + HCl → RCl + H 2 O). [364]
^ El antimonio también se puede preparar en una forma negra semiconductora amorfa , con una banda prohibida estimada (dependiente de la temperatura) de 0,06 a 0,18 eV. [370]
^ Lidin [375] afirma que el SbO + no existe y que la forma estable de Sb (III) en solución acuosa es un hidrocomplejo incompleto [Sb (H 2 O) 4 (OH) 2 ] + .
^ Algodón y col. [399] observa que el TeO 2 parece tener una red iónica; Wells [400] sugiere que los enlaces Te-O tienen "un carácter covalente considerable".
^ El carbono líquido puede [414] o no [415] ser un conductor metálico, dependiendo de la presión y la temperatura; ver también. [416]
^ Sólo una pequeña fracción del CO 2 disuelto está presente en el agua como ácido carbónico, por lo que, aunque el H 2 CO 3 es un ácido medio-fuerte, las soluciones de ácido carbónico son sólo débilmente ácidas. [426]
^ Un mnemotécnico que captura los elementos comúnmente reconocidos como metaloides dice: Arriba, arriba-abajo, arriba-abajo, arriba... ¡son los metaloides! [438]
^ Rochow , [444] quien más tarde escribió su monografía de 1966 Los metaloides , [445] comentó que "en algunos aspectos, el selenio actúa como un metaloide y el telurio ciertamente lo hace".
^ Una opción adicional es incluir el astato como no metal y como metaloide. [471]
^ Un trozo visible de astato se vaporizaría inmediata y completamente debido al calor generado por su intensa radiactividad. [477]
^ La literatura es contradictoria en cuanto a si el boro exhibe conductividad metálica en forma líquida. Krishnan et al. [479] descubrieron que el boro líquido se comportaba como un metal. Glorieux et al. [480] caracterizó el boro líquido como semiconductor, basándose en su baja conductividad eléctrica. Millot et al. [481] informaron que la emisividad del boro líquido no era consistente con la de un metal líquido.
↑ Korenman [485] señaló de manera similar que "la capacidad de precipitar con sulfuro de hidrógeno distingue al astato de otros halógenos y lo acerca al bismuto y otros metales pesados ".
^ La separación entre moléculas en las capas de yodo (350 pm) es mucho menor que la separación entre capas de yodo (427 pm; cf. el doble del radio de van der Waals de 430 pm). [497] Se cree que esto es causado por interacciones electrónicas entre las moléculas en cada capa de yodo, que a su vez dan lugar a sus propiedades semiconductoras y su apariencia brillante. [498]
^ Por ejemplo: conductividad eléctrica intermedia; [510] una banda prohibida relativamente estrecha; [511] sensibilidad a la luz. [510]
^ El fósforo blanco es la forma menos estable y más reactiva. [512] También es el alótropo más común, industrialmente importante, [513] y fácilmente reproducible, y por estas tres razones se considera el estado estándar del elemento. [514]
^ Los precios de muestra del oro, en comparación, comienzan en aproximadamente treinta y cinco veces los de la plata. Basado en precios de muestra para B, C, Al, Si, Ge, As, Se, Ag, Sb, Te y Au disponibles en línea en Alfa Aesa; Buen compañero; metalio; y Científico Nuclear Unido.
^ Basado en los precios al contado de Al, Si, Ge, As, Sb, Se y Te disponibles en línea en FastMarkets: Minor Metals; Mercados rápidos: metales básicos; EnergyTrend: Estado del mercado fotovoltaico, polisilicio; y Metal-Pages: precios, noticias e información del metal arsénico.
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