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No metal

Los no metales son elementos químicos que en su mayoría carecen de propiedades metálicas distintivas . Van desde gases incoloros como el hidrógeno hasta cristales brillantes como el yodo . Físicamente, suelen ser más ligeros (menos densos) que los metales; quebradizo o quebradizo si es sólido; y a menudo malos conductores del calor y la electricidad . Químicamente, los no metales tienen una alta electronegatividad (lo que significa que normalmente atraen electrones en un enlace químico); y sus óxidos tienden a ser ácidos .

Diecisiete elementos son ampliamente reconocidos como no metales. Además, algunos o todos los seis elementos límite ( metaloides ) a veces se cuentan como no metales.

Los dos no metales más ligeros, el hidrógeno y el helio , juntos constituyen aproximadamente el 98% de la masa del universo observable . Cinco elementos no metálicos (hidrógeno, carbono, nitrógeno , oxígeno y silicio ) constituyen la mayor parte de los océanos , la atmósfera , la biosfera y la corteza terrestre .

Las diversas propiedades de los no metales permiten una variedad de usos naturales y tecnológicos. El hidrógeno, el oxígeno, el carbono y el nitrógeno son componentes esenciales para la vida. En tecnología, los no metales se utilizan, por ejemplo, en la electrónica , el almacenamiento de energía , la agricultura y la producción química .

La mayoría de los elementos no metálicos no fueron identificados hasta los siglos XVIII y XIX. Si bien desde la antigüedad existía una distinción entre metales y otros minerales, sólo a finales del siglo XVIII surgió una clasificación básica de los elementos químicos como metálicos o no metálicos. Desde entonces se han sugerido más de veinte propiedades como criterio para distinguir los no metales de los metales.

Definición y elementos aplicables

A menos que se indique lo contrario, este artículo describe la forma más estable de un elemento en condiciones ambientales. [a]
Dos racimos plateados mate de fragmentos cristalinos.
Si bien el arsénico (aquí sellado en un recipiente para evitar que se deslustre ) tiene una apariencia brillante y es un conductor razonable del calor y la electricidad, es suave y quebradizo y su química es predominantemente no metálica. [1]

Los elementos químicos no metálicos generalmente se describen como que carecen de propiedades comunes a los metales, a saber, brillo, flexibilidad, buena conductividad térmica y eléctrica y una capacidad general para formar óxidos básicos. [2] [3] No existe una definición precisa ampliamente aceptada; [4] cualquier lista de no metales está abierta a debate y revisión. [5] Los elementos incluidos dependen de las propiedades consideradas más representativas del carácter metálico o no metálico.

Casi siempre se reconocen catorce elementos como no metales: [5] [6]

Tres más se clasifican comúnmente como no metales, pero algunas fuentes los enumeran como " metaloides ", [7] un término que se refiere a elementos considerados intermedios entre metales y no metales: [8]

Uno o más de los seis elementos más comúnmente reconocidos como metaloides a veces se cuentan como no metales:

Alrededor del 15-20% de los 118 elementos conocidos [9] se clasifican, por tanto, como no metales. [b]

Propiedades generales

Físico

Variedad de color y forma
de algunos elementos no metálicos.

Los no metales varían mucho en apariencia, siendo incoloros, coloreados o brillantes. En el caso de los no metales incoloros (hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y gases nobles), sus electrones se retienen con suficiente fuerza como para que no se produzca absorción de luz en la parte visible del espectro y se transmita toda la luz visible. [12] Los no metales coloreados (azufre, flúor, cloro, bromo) absorben algunos colores (longitudes de onda) y transmiten los colores complementarios u opuestos. Por ejemplo, el "familiar color amarillo verdoso del cloro... se debe a una amplia región de absorción en las regiones violeta y azul del espectro". [13] [c] El brillo del boro, el carbono grafítico, el silicio, el fósforo negro, el germanio, el arsénico, el selenio, el antimonio, el teluro y el yodo [d] es el resultado de que sus estructuras presentan diversos grados de deslocalización (libre movimiento) electrones que dispersan la luz visible entrante. [dieciséis]

Aproximadamente la mitad de los elementos no metálicos son gases; la mayoría del resto son sólidos. El bromo, el único líquido, es tan volátil que suele estar cubierto por una capa de vapores. Los no metales gaseosos y líquidos tienen densidades, puntos de fusión y ebullición muy bajos , y son malos conductores del calor y la electricidad. [17] Los no metales sólidos tienen bajas densidades y baja resistencia mecánica y estructural (siendo frágiles o quebradizos), [18] pero una amplia gama de conductividad eléctrica. [mi]

Esta diversidad de formas surge de la variabilidad en las estructuras internas y los arreglos de unión. Los no metales que existen como átomos discretos como el xenón, o como moléculas pequeñas, como el oxígeno, el azufre y el bromo, tienen puntos de fusión y ebullición bajos; muchos son gases a temperatura ambiente, ya que se mantienen unidos mediante débiles fuerzas de dispersión de London que actúan entre sus átomos o moléculas. [22] Por el contrario, los no metales que forman estructuras gigantes, como cadenas de hasta 1.000 átomos de selenio, [23] láminas de átomos de carbono en el grafito, [24] o redes tridimensionales de átomos de silicio [25] tienen mayor punto de fusión y puntos de ebullición, y son todos sólidos, ya que se necesita más energía para superar sus enlaces covalentes más fuertes . [26] Los no metales más cercanos a la izquierda o al final de la tabla periódica (y por lo tanto más cercanos a los metales) a menudo tienen algunas interacciones metálicas débiles entre sus moléculas, cadenas o capas; esto ocurre en el boro, [27] carbono, [28] fósforo, [29] arsénico, [30] selenio, [31] antimonio, [32] teluro [33] y yodo. [34]

Las estructuras de los elementos no metálicos difieren de las de los metales principalmente debido a variaciones en los electrones de valencia y el tamaño atómico. Los metales suelen tener menos electrones de valencia que los orbitales disponibles, lo que los lleva a compartir electrones con muchos átomos cercanos, lo que da lugar a estructuras cristalinas centrosimétricas . [40] Por el contrario, los no metales comparten sólo los electrones necesarios para lograr una configuración electrónica de gas noble. [41] Por ejemplo, el nitrógeno forma moléculas diatómicas con triples enlaces entre cada átomo, los cuales alcanzan así la configuración del gas noble neón. El mayor tamaño atómico del antimonio evita el triple enlace, lo que da como resultado capas combadas en las que cada átomo de antimonio está unido individualmente con otros tres átomos cercanos. [42]

Las conductividades eléctrica y térmica de los no metales, junto con la naturaleza frágil de los no metales sólidos, también están relacionadas con su disposición interna. Mientras que una buena conductividad y plasticidad (maleabilidad, ductilidad) normalmente se asocian con la presencia de electrones en movimiento libre y distribuidos uniformemente en los metales, [43] los electrones en los no metales normalmente carecen de dicha movilidad. [44] Entre los elementos no metálicos, sólo se observa buena conductividad eléctrica y térmica en el carbono (como grafito, a lo largo de sus planos), el arsénico y el antimonio. [f] Por lo demás, la buena conductividad térmica sólo se produce en el boro, el silicio, el fósforo y el germanio; [19] dicha conductividad se transmite a través de vibraciones de las redes cristalinas de estos elementos. [45] Se observa una conductividad eléctrica moderada en los semiconductores [46] boro, silicio, fósforo, germanio, selenio, telurio y yodo. La plasticidad se produce en circunstancias limitadas en el carbono, como se ve en el grafito exfoliado (expandido) [47] [48] y el alambre de nanotubos de carbono, [49] en el fósforo blanco (suave como la cera, flexible y se puede cortar con un cuchillo, a temperatura ambiente). ), [50] en azufre plástico , [51] y en selenio, que puede transformarse en cables a partir de su estado fundido. [52]

Las diferencias físicas entre metales y no metales surgen de fuerzas atómicas internas y externas. Internamente, la carga positiva que surge de los protones en el núcleo de un átomo actúa para mantener en su lugar a los electrones externos del átomo . Externamente, los mismos electrones están sujetos a fuerzas de atracción de los protones de los átomos vecinos. Cuando las fuerzas externas son mayores o iguales que la fuerza interna, se espera que los electrones externos se vuelvan relativamente libres para moverse entre los átomos y se predicen las propiedades metálicas. De lo contrario, se esperan propiedades no metálicas. [53]

Alótropos

La mayoría de los no metales tienen dos o más alótropos. Los alótropos del carbono incluyen el diamante , un aislante eléctrico; buckminsterfullereno , un semiconductor; y el grafito , un conductor.

Más de la mitad de los elementos no metálicos exhiben una variedad de formas alotrópicas menos estables, cada una con propiedades físicas distintas. [54] Por ejemplo, el carbono, cuya forma más estable es el grafito , puede manifestarse como diamante , buckminsterfullereno , [55] y variaciones amorfas [56] y paracristalinas (mezcla de amorfo y cristalino) [57] . También existen alótropos para el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo, el azufre, el selenio, los seis metaloides y el yodo. [58]

Químico

Ácido nítrico fumante rojo : compuesto rico en nitrógeno que incorpora dióxido de nitrógeno (NO 2 ), un óxido ácido utilizado en la producción de ácido nítrico.

Los no metales tienen valores relativamente altos de electronegatividad y, por tanto, sus óxidos suelen ser ácidos. Pueden ocurrir excepciones si un no metal no es muy electronegativo, o si su estado de oxidación es bajo, o ambas cosas. Estos óxidos no ácidos de no metales pueden ser anfóteros (como el agua, H 2 O [64] ) o neutros (como el óxido nitroso, N 2 O [65] [g] ), pero nunca básicos (como es común con los metales).

Los no metales tienden a ganar o compartir electrones durante las reacciones químicas, a diferencia de los metales que tienden a donar electrones. Este comportamiento está estrechamente relacionado con la estabilidad de las configuraciones electrónicas en los gases nobles, que tienen capas exteriores completas . Los no metales generalmente ganan suficientes electrones para alcanzar la configuración electrónica del siguiente gas noble, mientras que los metales tienden a perder electrones, logrando en algunos casos la configuración electrónica del gas noble anterior. Estas tendencias en elementos no metálicos se resumen sucintamente en las reglas generales del dúo y el octeto . [68]

Por lo general, exhiben energías de ionización , afinidades electrónicas y potenciales de electrodo estándar más altos que los metales. Generalmente, cuanto más altos son estos valores (incluida la electronegatividad), más no metálico tiende a ser el elemento. [69] Por ejemplo, los no metales químicamente muy activos flúor, cloro, bromo y yodo tienen una electronegatividad promedio de 3,19, una cifra [h] más alta que la de cualquier metal individual. Por otro lado, el promedio de 2,05 de los no metales metaloides químicamente débiles [i] se encuentra dentro del rango de metales de 0,70 a 2,54. [63]

Las distinciones químicas entre metales y no metales surgen principalmente de la fuerza de atracción entre la carga nuclear positiva de un átomo individual y sus electrones externos cargados negativamente. De izquierda a derecha en cada período de la tabla periódica, la carga nuclear aumenta junto con el número de protones en el núcleo atómico . [70] En consecuencia, hay una reducción correspondiente en el radio atómico [71] a medida que la carga nuclear aumentada atrae a los electrones externos más cerca del núcleo. [72] En los metales, el impacto de la carga nuclear es generalmente más débil en comparación con los elementos no metálicos. Como resultado, en los enlaces químicos, los metales tienden a perder electrones, lo que lleva a la formación de iones cargados positivamente o átomos polarizados, mientras que los no metales tienden a ganar estos electrones debido a su carga nuclear más fuerte, lo que resulta en iones cargados negativamente o átomos polarizados. [73]

El número de compuestos formados por no metales es enorme. [74] Los primeros 10 lugares en una tabla del "top 20" de elementos que se encuentran con mayor frecuencia en 895,501,834 compuestos, tal como figuran en el registro del Chemical Abstracts Service del 2 de noviembre de 2021, estaban ocupados por no metales. El hidrógeno, el carbono, el oxígeno y el nitrógeno aparecieron colectivamente en la mayoría (80%) de los compuestos. El silicio, un metaloide, ocupó el puesto 11. El metal mejor valorado, con una frecuencia de aparición del 0,14%, fue el hierro, en el puesto 12. [75] Algunos ejemplos de compuestos no metálicos son: ácido bórico ( H
3B.O.
3), utilizado en esmaltes cerámicos ; [76] selenocisteína ( C
3h
7NO
2Se ), el aminoácido número 21 de la vida; [77] sesquisulfuro de fósforo (P 4 S 3 ), que se encuentra en cualquier fósforo ; [78] y teflón ( (C
2F
4) n ), utilizado para crear revestimientos antiadherentes para sartenes y otros utensilios de cocina. [79]

Complicaciones

Añadiendo complejidad a la química de los no metales están las anomalías que ocurren en la primera fila de cada bloque de la tabla periódica ; tendencias periódicas no uniformes; estados de oxidación superiores; formación de enlaces múltiples; y la propiedad se superpone con los metales.

Anomalía de la primera fila

Comenzando con el hidrógeno, la anomalía de la primera fila surge principalmente de las configuraciones electrónicas de los elementos en cuestión. El hidrógeno es particularmente notable por sus diversos comportamientos de enlace. Lo más común es que forme enlaces covalentes, pero también puede perder su único electrón en una solución acuosa, dejando atrás un protón desnudo con un tremendo poder polarizador. [81] En consecuencia, este protón puede unirse al par de electrones solitario de un átomo de oxígeno en una molécula de agua, sentando las bases para la química ácido-base . [82] Además, un átomo de hidrógeno en una molécula puede formar un segundo enlace, aunque más débil, con un átomo o grupo de átomos en otra molécula. Como explica Cressey, este tipo de unión "ayuda a dar a los copos de nieve su simetría hexagonal, une el ADN en una doble hélice , da forma a las formas tridimensionales de las proteínas e incluso eleva el punto de ebullición del agua lo suficiente como para preparar una taza de té decente". [83]

El hidrógeno y el helio, así como el boro y el neón, tienen radios atómicos inusualmente pequeños. Este fenómeno surge porque las subcapas 1s y 2p carecen de análogos internos (lo que significa que no hay una capa cero ni una subcapa 1p) y, por lo tanto, no experimentan efectos de repulsión de electrones, a diferencia de las subcapas 3p, 4p y 5p de elementos más pesados. [84] Como resultado, las energías de ionización y las electronegatividades entre estos elementos son más altas de lo que sugerirían las tendencias periódicas . Los radios atómicos compactos del carbono, el nitrógeno y el oxígeno facilitan la formación de enlaces dobles o triples . [85]

Si bien normalmente se esperaría, por motivos de coherencia de la configuración electrónica, que el hidrógeno y el helio se colocaran encima de los elementos del bloque s, la anomalía significativa de la primera fila mostrada por estos dos elementos justifica ubicaciones alternativas. Ocasionalmente, el hidrógeno se coloca encima del flúor, en el grupo 17, en lugar de encima del litio en el grupo 1. El helio suele colocarse encima del neón, en el grupo 18, en lugar de encima del berilio en el grupo 2. [86]

Periodicidad secundaria

Un gráfico con un eje de electronegatividad vertical y un eje de número atómico horizontal. Los cinco elementos trazados son O, S, Se, Te y Po. La electronegatividad del Se parece demasiado alta y provoca una protuberancia en lo que de otro modo sería una curva suave.
Valores de electronegatividad de los elementos calcógenos del grupo 16 que muestran una alternancia en forma de W o periodicidad secundaria que desciende por el grupo.

Una alternancia en ciertas tendencias periódicas, a veces denominada periodicidad secundaria , se hace evidente cuando se descienden los grupos 13 a 15 y, en menor medida, los grupos 16 y 17. [87] [k] Inmediatamente después de la primera fila de metales del bloque d , desde el escandio hasta el zinc, los electrones 3d en los elementos del bloque p (específicamente, galio (un metal), germanio, arsénico, selenio y bromo) resultan menos efectivos para proteger la creciente carga nuclear positiva. Este mismo efecto se observa con la aparición de catorce metales del bloque f ubicados entre el bario y el lutecio , lo que en última instancia conduce a radios atómicos más pequeños de lo esperado para elementos a partir del hafnio (Hf) en adelante. [89]

El químico soviético Shchukarev  [ru] da dos ejemplos más tangibles: [90]

"La toxicidad de algunos compuestos de arsénico y la ausencia de esta propiedad en compuestos análogos de fósforo [P] y antimonio [Sb]; y la capacidad del ácido selénico [ H 2 SeO 4 ] para disolver el oro metálico [Au], y la ausencia de esta propiedad en los ácidos sulfúrico [ H 2 SO 4 ] y [ H 2 TeO 4 ] ".

Estados de oxidación superiores

Algunos elementos no metálicos exhiben estados de oxidación que se desvían de los predichos por la regla del octeto, que normalmente resulta en una valencia de –3 en el grupo 15, –2 en el grupo 16, –1 en el grupo 17 y 0 en el grupo 18. Ejemplos de tales Los estados pueden incluir compuestos como amoníaco (NH 3 ), sulfuro de hidrógeno (H 2 S), fluoruro de hidrógeno (HF) y xenón elemental (Xe). Mientras tanto, el estado de oxidación máximo posible aumenta de +5 en el grupo 15 a +8 en el grupo 18 . El estado de oxidación +5 es observable a partir del período 2 en adelante, en compuestos como el ácido nítrico (HNO 3 ) y el pentafluoruro de fósforo (PCl 5 ). [l] Estados de oxidación más altos en grupos posteriores surgen a partir del período 3 en adelante, como se ve en el hexafluoruro de azufre (SF 6 ), el heptafluoruro de yodo (IF 7 ) y el tetróxido de xenón (XeO 4 ). Para los no metales más pesados, sus radios atómicos más grandes y sus valores de electronegatividad más bajos permiten la formación de compuestos con números de oxidación más altos, lo que respalda números de coordinación en masa más altos. [91]

Formación de enlaces múltiples

Estructura molecular del pentazenio , un catión homopoliatómico de nitrógeno de fórmula N +5 y estructura N−N−N−N−N. [92]

Los no metales del período 2, en particular el carbono, el nitrógeno y el oxígeno, muestran propensión a formar enlaces múltiples. Los compuestos formados por estos elementos a menudo exhiben estequiometrías y estructuras únicas, como se ve en los diversos óxidos de nitrógeno, [91] que no se encuentran comúnmente en elementos de períodos posteriores.

Superposiciones de propiedades

Si bien ciertos elementos se han clasificado tradicionalmente como no metales y otros como metales, se produce cierta superposición de propiedades. Escribiendo a principios del siglo XX, cuando la era de la química moderna ya estaba bien establecida, [93] Humphrey [94] observó que:

... estos dos grupos, sin embargo, no están perfectamente diferenciados entre sí; Algunos no metales se parecen a los metales en algunas de sus propiedades, y algunos metales se aproximan en algunos aspectos a los no metales.
El boro (aquí en su forma amorfa menos estable) comparte algunas similitudes con los metales [m]

Ejemplos de propiedades similares a las de los metales que ocurren en elementos no metálicos incluyen:

Ejemplos de propiedades no metálicas que ocurren en los metales son:

Un desarrollo relativamente reciente involucra ciertos compuestos de elementos del bloque p más pesados, como silicio, fósforo, germanio, arsénico y antimonio, que exhiben comportamientos típicamente asociados con complejos de metales de transición . Este fenómeno está vinculado a una pequeña brecha de energía entre sus orbitales moleculares llenos y vacíos , que son las regiones de una molécula donde residen los electrones y donde pueden estar disponibles para reacciones químicas. En tales compuestos, esta alineación energética más cercana permite una reactividad inusual con moléculas pequeñas como hidrógeno (H 2 ), amoníaco (NH 3 ) y etileno (C 2 H 4 ), una característica previamente observada principalmente en compuestos de metales de transición. Estas reacciones pueden abrir nuevas vías en aplicaciones catalíticas . [103]

Tipos

Los esquemas de clasificación de no metales varían ampliamente: algunos admiten tan solo dos subtipos y otros identifican hasta siete. Por ejemplo, la tabla periódica de la Encyclopaedia Britannica reconoce gases nobles, halógenos y otros no metales, y divide los elementos comúnmente reconocidos como metaloides entre "otros metales" y "otros no metales". [104] Por otro lado, siete de las doce categorías de colores en la tabla periódica de la Royal Society of Chemistry incluyen no metales. [105] [p]

Empezando por el lado derecho de la tabla periódica, se pueden reconocer tres tipos de no metales:

  los gases nobles relativamente inertes; [106]
  los no metales halógenos notablemente reactivos; [107] y
  la reactividad mixta "no metales no clasificados", un conjunto sin un nombre colectivo ampliamente utilizado. [r] La frase descriptiva no metales no clasificados se utiliza aquí por conveniencia.

Los elementos de un cuarto conjunto a veces se reconocen como no metales:

  los metaloides [t] generalmente no reactivos , [124] a veces se consideran una tercera categoría distinta de los metales y no metales.

Si bien muchos de los primeros investigadores intentaron clasificar elementos, ninguna de sus clasificaciones fue satisfactoria. Se dividieron en metales y no metales, pero pronto se descubrió que algunos tenían propiedades de ambos. Estos fueron llamados metaloides. Esto sólo aumentó la confusión al hacer dos divisiones confusas donde antes existía una. [125]

Whiteford & Coffin 1939, Fundamentos de la química universitaria

Los límites entre estos tipos no son claros. [u] El carbono, el fósforo, el selenio y el yodo bordean los metaloides y muestran cierto carácter metálico, al igual que el hidrógeno.

La mayor discrepancia entre autores se produce en el "territorio fronterizo" de los metaloides. [127] Algunos consideran los metaloides distintos tanto de los metales como de los no metales, mientras que otros los clasifican como no metales. [128] Algunos clasifican ciertos metaloides como metales (por ejemplo, arsénico y antimonio debido a sus similitudes con los metales pesados ). [129] [v] Los metaloides se parecen a los elementos universalmente considerados "no metales" porque tienen densidades relativamente bajas, alta electronegatividad y un comportamiento químico similar. [124] [w]

Por contexto, el lado metálico de la tabla periódica también varía ampliamente en reactividad. [x] Los metales altamente reactivos llenan la mayoría de los bloques s y f de la izquierda, [y] sangrando en la primera parte del bloque d. A partir de entonces, la reactividad generalmente disminuye más cerca del bloque p, cuyos metales no son particularmente reactivos. [z] Los metales nobles que no reaccionan , como el platino y el oro , están agrupados en una isla dentro del bloque d. [135]

Gases nobles

un tubo de vidrio, sostenido boca abajo con unas pinzas, tiene un tapón de aspecto transparente parecido al hielo que se está derritiendo lentamente a juzgar por las gotas transparentes que caen del extremo abierto del tubo.
Un pequeño trozo (de unos 2 cm de largo) de hielo de argón que se derrite rápidamente.

Seis no metales se clasifican como gases nobles: helio, neón, argón, criptón, xenón y el radiactivo radón. En las tablas periódicas convencionales ocupan la columna más a la derecha. Se denominan gases nobles debido a su reactividad química excepcionalmente baja . [106]

Estos elementos exhiben propiedades notablemente similares, caracterizadas por su incoloridad, inodoridad y no inflamabilidad. Debido a sus capas electrónicas externas cerradas, los gases nobles poseen débiles fuerzas de atracción interatómicas, lo que lleva a puntos de fusión y ebullición excepcionalmente bajos. [136] Como consecuencia, todos existen como gases en condiciones estándar, incluso aquellos con masas atómicas que superan a muchos elementos típicamente sólidos. [137]

Químicamente, los gases nobles exhiben energías de ionización relativamente altas, afinidades electrónicas insignificantes o negativas y electronegatividades de altas a muy altas. El número de compuestos formados por gases nobles es de cientos y continúa expandiéndose, [138] y la mayoría de estos compuestos implican la combinación de oxígeno o flúor con criptón, xenón o radón. [139]

No metales halógenos

El sodio metálico altamente reactivo (Na, izquierda) se combina con cloro gaseoso halógeno no metálico corrosivo ( Cl, centro) para formar sal de mesa estable y no reactiva (NaCl, derecha).

Si bien los no metales halógenos son elementos notablemente reactivos y corrosivos, también se pueden encontrar en compuestos cotidianos como la pasta de dientes ( NaF ); sal de mesa común (NaCl); desinfectante para piscinas ( NaBr ); y complementos alimenticios ( KI ). El término "halógeno" en sí mismo significa " formador de sal ". [140]

Físicamente, el flúor y el cloro existen como gases de color amarillo pálido y verde amarillento, respectivamente, mientras que el bromo es un líquido de color marrón rojizo, normalmente cubierto por una capa de sus vapores; El yodo es sólido y bajo luz blanca tiene aspecto metálico. [141] Eléctricamente, los primeros tres elementos funcionan como aislantes , mientras que el yodo se comporta como un semiconductor (a lo largo de sus planos). [142]

Químicamente, los no metales halógenos exhiben altas energías de ionización, afinidades electrónicas y valores de electronegatividad, y en su mayoría son agentes oxidantes relativamente fuertes . [143] Estas características contribuyen a su naturaleza corrosiva. [144] Los cuatro elementos tienden a formar compuestos principalmente iónicos con metales, [145] en contraste con los no metales restantes (excepto el oxígeno) que tienden a formar compuestos principalmente covalentes con metales. [aa] La naturaleza altamente reactiva y fuertemente electronegativa de los no metales halógenos personifica el carácter no metálico. [149]

No metales no clasificados

Un pequeño frasco de vidrio lleno de pequeños botones cóncavos de color gris opaco. Los trozos de selenio parecen pequeños hongos sin tallo.
El selenio conduce la electricidad unas 1.000 veces mejor cuando la luz incide sobre él , una propiedad utilizada en aplicaciones de detección de luz . [150]

Después de clasificar los elementos no metálicos en gases nobles y halógenos, pero antes de encontrarnos con los metaloides, existen siete no metales: hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo, azufre y selenio.

En sus formas más estables, tres de ellos son gases incoloros (H, N, O); tres son sólidos de aspecto metálico (C, P, Se); y uno es un sólido amarillo (S). Eléctricamente, el carbono grafítico se comporta como un semimetal a lo largo de sus planos [151] y un semiconductor perpendicular a sus planos; [152] el fósforo y el selenio son semiconductores; [153] mientras que el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno y el azufre son aislantes. [ab]

Estos elementos a menudo se consideran demasiado diversos para merecer un nombre colectivo, [155] y se les ha denominado otros no metales , [156] o simplemente no metales . [157] Como resultado, su química generalmente se enseña de manera dispar, según sus respectivos grupos de la tabla periódica : [158] hidrógeno en el grupo 1; los no metales del grupo 14 (incluido el carbono y posiblemente el silicio y el germanio); los no metales del grupo 15 (incluidos nitrógeno, fósforo y posiblemente arsénico y antimonio); y los no metales del grupo 16 (incluidos oxígeno, azufre, selenio y posiblemente telurio). Los autores pueden elegir otras subdivisiones según sus preferencias. [C.A]

El hidrógeno, en particular, se comporta en algunos aspectos como un metal y en otros como un no metal. [160] Como un metal, puede, por ejemplo, formar un catión solvatado en solución acuosa ; [161] puede sustituir los metales alcalinos en compuestos como los cloruros ( NaCl cf. HCl ) y nitratos ( KNO 3 cf. HNO 3 ), y en ciertas estructuras organometálicas de metales alcalinos; [162] y puede formar hidruros similares a aleaciones con algunos metales de transición . [163] Por el contrario, es un gas diatómico aislante, similar a los no metales nitrógeno, oxígeno, flúor y cloro. En las reacciones químicas tiende finalmente a alcanzar la configuración electrónica del helio (el siguiente gas noble), comportándose de esta manera como un no metal. [164] Alcanza esta configuración formando un enlace covalente o iónico [165] o, si inicialmente ha cedido su electrón, uniéndose a un par de electrones solitarios. [166]

Algunos o todos estos no metales comparten varias propiedades. Al ser generalmente menos reactivos que los halógenos, [167] la mayoría de ellos pueden encontrarse naturalmente en el medio ambiente. [168] Tienen papeles importantes en biología [169] y geoquímica . [155] En conjunto, sus características físicas y químicas pueden describirse como "moderadamente no metálicas". [155] Sin embargo, todos ellos tienen aspectos corrosivos. El hidrógeno puede corroer los metales . La corrosión por carbono puede ocurrir en las celdas de combustible . [170] La lluvia ácida es causada por nitrógeno o azufre disueltos. El oxígeno hace que el hierro se corroa por oxidación . El fósforo blanco , la forma más inestable, se enciende en el aire y deja residuos de ácido fosfórico . [171] El selenio no tratado en los suelos puede provocar la formación de gas corrosivo de seleniuro de hidrógeno . [172] Cuando se combinan con metales, los no metales no clasificados pueden formar compuestos de alta dureza ( intersticiales o refractarios ) [173] debido a sus radios atómicos relativamente pequeños y energías de ionización suficientemente bajas. [155] También exhiben una tendencia a unirse entre sí , particularmente en compuestos sólidos. [174] Además, las relaciones diagonales de la tabla periódica entre estos no metales reflejan relaciones similares entre los metaloides. [175]

metaloides

Los seis elementos más comúnmente reconocidos como metaloides son el boro, el silicio, el germanio, el arsénico, el antimonio y el telurio, todos los cuales tienen apariencia metálica. (Otros elementos que aparecen con menos frecuencia en las listas de metaloides incluyen el carbono, el aluminio, el selenio y el polonio; estos tienen propiedades tanto metálicas como no metálicas, pero predomina una u otra). En la tabla periódica, los metaloides ocupan una región diagonal dentro del bloque p. extendiéndose desde el boro en la parte superior izquierda hasta el telurio en la parte inferior derecha, a lo largo de la línea divisoria entre metales y no metales que se muestra en algunas tablas. [7]

Los metaloides son frágiles y conductores de calor y electricidad de malos a buenos. En concreto, el boro, el silicio, el germanio y el telurio son semiconductores. El arsénico y el antimonio tienen las estructuras de bandas electrónicas de los semimetales , aunque ambos tienen alótropos semiconductores menos estables : el arsénico como arsenolamprita, una forma natural extremadamente rara; [176] y antimonio en su forma amorfa de película delgada sintética . [7] [177]

Químicamente, los metaloides generalmente se comportan como no metales débiles. Entre los elementos no metálicos, tienden a tener las energías de ionización, afinidades electrónicas y valores de electronegatividad más bajos, y son agentes oxidantes relativamente débiles. Además, tienden a formar aleaciones cuando se combinan con metales. [7]

Abundancia, fuentes y usos

Abundancia

El hidrógeno y el helio dominan el universo observable y constituyen aproximadamente el 98% de toda la materia ordinaria en masa. [anuncio] El oxígeno, el siguiente elemento más abundante, representa aproximadamente el 1%. [182]

Cinco no metales (hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno y silicio) forman la mayor parte de la estructura directamente observable de la Tierra: aproximadamente el 84% de la corteza , el 96% de la biomasa y más del 99% de la atmósfera y la hidrosfera . se muestra en la tabla adjunta. [179] [180]

Se estima que el manto y el núcleo de la Tierra , que representan aproximadamente el 99% del volumen de la Tierra, [183] ​​están compuestos de oxígeno (31% en peso) y silicio (16%), y el resto está compuesto en gran medida por los metales hierro ( 31%), magnesio (15%) y níquel (2%). [184] [ae]

Fuentes

Los no metales y los metaloides se extraen de una variedad de materias primas: [168]

   Minerales minerales: boro (a partir de minerales de borato ); carbono (carbón, diamante, grafito); flúor (fluorita); [af] silicio ( sílice ); fósforo (fosfatos); antimonio ( estibnita ; tetraedrita ); y yodo (en yodato de sodio y yoduro de sodio )
   Subproductos de la minería: germanio (de minerales de zinc ); arsénico ( minerales de cobre y plomo ); selenio y telurio (minerales de cobre); y radón (minerales que contienen uranio)
   Aire líquido: nitrógeno, oxígeno, neón, argón, criptón y xenón.
   Gas natural: hidrógeno (a partir de metano ); helio; y azufre ( sulfuro de hidrógeno )
   Salmuera de agua de mar : cloro, bromo y yodo.

Usos

La gran variedad de propiedades físicas y químicas de los no metales [192] permite una amplia gama de usos naturales y tecnológicos, como se muestra en la tabla adjunta. En los organismos vivos, el hidrógeno, el oxígeno, el carbono y el nitrógeno sirven como elementos fundamentales de la vida. [193] Algunos usos tecnológicos clave de elementos no metálicos son la iluminación y los láseres, la medicina y los productos farmacéuticos, y la cerámica y los plásticos.

Algunos usos específicos de elementos no metálicos más raros o descubiertos posteriormente incluyen:

Historia, antecedentes y taxonomía.

Descubrimiento

un hombre se arrodilla en un rincón de una habitación a oscuras, ante un frasco incandescente; Algunos asistentes están más detrás de él y son visibles en la oscuridad.
El alquimista descubriendo el fósforo (1771) de Joseph Wright . El alquimista es Hennig Brand ; el brillo emana de la combustión del fósforo dentro del matraz.

Aunque la mayoría de los elementos no metálicos se identificaron durante los siglos XVIII y XIX, algunos se reconocieron mucho antes. El carbono, el azufre y el antimonio eran conocidos en la antigüedad. El arsénico fue descubierto en la Edad Media (atribuido a Albertus Magnus ) y el fósforo en 1669 (aislado de la orina por Hennig Brand ). El helio, identificado en 1868, es el único elemento no descubierto inicialmente en la Tierra. [ag] El no metal identificado más recientemente es el radón, detectado a finales del siglo XIX. [168]

Algunos no metales se encuentran naturalmente como elementos libres, otros requirieron complejos procedimientos de extracción o aislamiento. Dichos procedimientos incluían espectroscopia , destilación fraccionada , detección de radiación , electrólisis , acidificación de minerales, reacciones de desplazamiento , combustión y procesos de calentamiento controlado.

Los gases nobles, conocidos por su baja reactividad, se identificaron por primera vez mediante espectroscopia, fraccionamiento del aire y estudios de desintegración radiactiva . El helio se detectó inicialmente por su distintiva línea amarilla en el espectro de la corona solar. Posteriormente, se observó que escapaba en forma de burbujas cuando la uranita UO 2 se disolvía en ácido. Neón, argón, criptón y xenón se obtuvieron mediante destilación fraccionada de aire. El descubrimiento del radón se produjo tres años después de la investigación pionera de Henri Becquerel sobre la radiación en 1896. [207]

El aislamiento de los no metales halógenos de sus haluros implicó técnicas que incluían electrólisis, adición de ácido o desplazamiento. Estos esfuerzos no estuvieron exentos de peligro, ya que algunos químicos perdieron trágicamente [208] la vida en su intento de aislar el flúor. [209]

Los no metales no clasificados tienen una historia diversa. El hidrógeno fue descubierto y descrito por primera vez en 1671 como producto de la reacción entre limaduras de hierro y ácidos diluidos. El carbono se encontraba naturalmente en formas como carbón vegetal, hollín, grafito y diamante. El nitrógeno se descubrió examinando el aire después de eliminar cuidadosamente el oxígeno. El oxígeno en sí se obtenía calentando óxido de mercurio . El fósforo se obtuvo del calentamiento de hidrogenofosfato de sodio y amonio (Na(NH 4 )HPO 4 ), un compuesto que se encuentra en la orina. [210] El azufre se presentaba naturalmente como elemento libre, lo que simplificaba su aislamiento. El selenio [ah] se identificó por primera vez como un residuo en el ácido sulfúrico . [212]

La mayoría de los metaloides se aislaron primero calentando sus óxidos ( boro , silicio, arsénico , telurio ) o un sulfuro ( germanio ). [168] El antimonio, que se obtuvo por primera vez calentando su sulfuro, la estibina , se descubrió más tarde en forma nativa. [213]

Origen y uso del término

Aunque desde la antigüedad existía una distinción entre metales y otras sustancias minerales, no fue hasta finales del siglo XVIII que comenzó a surgir una clasificación básica de los elementos químicos como sustancias metálicas o no metálicas. Pasarían otras nueve décadas antes de que el término "no metal" fuera ampliamente adoptado.

Una representación en acuarela de un hombre barbudo mirando hacia la izquierda y hacia arriba.
El filósofo griego Aristóteles (384-322 a. C.) clasificó las sustancias que se encuentran en la tierra como metales o "fósiles".

Alrededor del año 340 a. C., en el Libro III de su tratado Meteorología , el antiguo filósofo griego Aristóteles clasificó las sustancias que se encuentran dentro de la Tierra en metales y "fósiles". [ai] La última categoría incluía varios minerales como rejalgar , ocre , rulo , azufre, cinabrio y otras sustancias a las que se refería como "piedras que no se pueden fundir". [214]

Hasta la Edad Media, la clasificación de los minerales se mantuvo prácticamente sin cambios, aunque con terminología variable. En el siglo XIV, el alquimista inglés Richardus Anglicus amplió la clasificación de los minerales en su obra Correctorium Alchemiae. En este texto propuso la existencia de dos tipos principales de minerales. La primera categoría, a la que se refirió como "minerales importantes", incluía metales bien conocidos como el oro, la plata, el cobre, el estaño, el plomo y el hierro. La segunda categoría, denominada "minerales menores", abarcaba sustancias como sales, atramenta ( sulfato de hierro ), alumbre , vitriolo , arsénico, oropimente , azufre y sustancias similares que no eran cuerpos metálicos. [215]

El término "no metálico" tiene orígenes históricos que se remontan al menos al siglo XVI. En su tratado médico de 1566, el médico francés Loys de L'Aunay distinguía las sustancias de las plantas según procedieran de suelos metálicos o no metálicos. [216]

Posteriormente, el químico francés Nicolas Lémery analizó los minerales metálicos y no metálicos en su obra Tratado universal sobre medicamentos simples, ordenados alfabéticamente, publicado en 1699. En sus escritos, contempló si la sustancia "cadmia" pertenecía a la primera categoría, similar al cobalto ( cobaltita ), o la segunda categoría, ejemplificada por lo que entonces se conocía como calamina , un mineral mixto que contiene carbonato y silicato de zinc . [217]

El noble y químico francés Antoine Lavoisier (1743-1794), con una página de la traducción al inglés de su Traité élémentaire de chimie de 1789 , [218] que enumera los gases elementales oxígeno, hidrógeno y nitrógeno (e incluye erróneamente luz y calórico ); las sustancias no metálicas azufre, fósforo y carbono; y los iones cloruro , fluoruro y borato

El momento crucial en la clasificación sistemática de los elementos químicos en sustancias metálicas y no metálicas se produjo en 1789 con el trabajo de Antoine Lavoisier , un químico francés. Publicó la primera lista moderna de elementos químicos en su revolucionario [219] Traité élémentaire de chimie . Los elementos se clasificaron en distintos grupos, incluidos gases, sustancias metálicas, sustancias no metálicas y tierras (óxidos resistentes al calor). [220] El trabajo de Lavoisier obtuvo un amplio reconocimiento y se volvió a publicar en veintitrés ediciones en seis idiomas durante sus primeros diecisiete años, lo que avanzó significativamente en la comprensión de la química en Europa y América. [221]

La adopción generalizada del término "no metal" siguió un proceso complejo que abarcó casi nueve décadas. En 1811, el químico sueco Berzelius introdujo el término "metaloides" [222] para describir elementos no metálicos, destacando su capacidad para formar iones cargados negativamente con oxígeno en soluciones acuosas . [223] [224] Si bien la terminología de Berzelius ganó una aceptación significativa, [225] más tarde enfrentó críticas de algunos que la encontraron contraintuitiva, [224] mal aplicada, [226] o incluso inválida. [227] [228] En 1864, los informes indicaron que el término "metaloides" todavía estaba respaldado por las principales autoridades, [229] pero había reservas sobre su idoneidad. Se había considerado la idea de designar elementos como el arsénico como metaloides. [229] Ya en 1866, algunos autores comenzaron a preferir el término "no metal" sobre "metaloide" para describir elementos no metálicos. [230] En 1875, Kemshead [231] observó que los elementos se clasificaban en dos grupos: no metales (o metaloides) y metales. Observó que el término "no metal", a pesar de su naturaleza compuesta, era más preciso y había pasado a ser universalmente aceptado como la nomenclatura preferida.

Criterios de distinción sugeridos

Desde principios del siglo XIX, se han sugerido una variedad de propiedades físicas, químicas y atómicas para distinguir los metales de los no metales, como se enumeran en la tabla adjunta. Una de las primeras propiedades registradas en 1803 se refiere a (alta) densidad y (buena) conductividad eléctrica.

En 1809, el químico e inventor británico Humphry Davy hizo un descubrimiento innovador que reformuló la comprensión de los metales y los no metales. [256] Cuando aisló el sodio y el potasio , sus bajas densidades (¡flotando en el agua!) contrastaban con su apariencia metálica, desafiando el estereotipo de los metales como sustancias densas. [257] [ap] Sin embargo, su clasificación como metales quedó firmemente establecida por sus distintas propiedades químicas. [259]

Una de las propiedades más comúnmente reconocidas utilizadas en este contexto es el coeficiente de resistividad de la temperatura , el efecto del calentamiento sobre la resistencia eléctrica y la conductividad. A medida que aumenta la temperatura, la conductividad de los metales disminuye mientras que la de los no metales aumenta. [249] Sin embargo, el plutonio , el carbono, el arsénico y el antimonio desafían la norma. Cuando el plutonio (un metal) se calienta dentro de un rango de temperatura de -175 a +125 °C, su conductividad aumenta. [260] De manera similar, a pesar de su clasificación común como no metal, cuando el carbono (como grafito) se calienta experimenta una disminución en la conductividad eléctrica. [261] El arsénico y el antimonio, que ocasionalmente se clasifican como no metales, muestran un comportamiento similar al del carbono, lo que resalta la complejidad de la distinción entre metales y no metales. [262]

Kneen y colegas [263] propusieron que la clasificación de los no metales puede lograrse estableciendo un criterio único para la metalicidad. Reconocieron que existen varias clasificaciones plausibles y enfatizaron que, si bien estas clasificaciones pueden diferir hasta cierto punto, en general estarían de acuerdo en la categorización de los no metales.

Emsley [264] señaló la complejidad de esta tarea, afirmando que ninguna propiedad por sí sola puede asignar inequívocamente elementos a la categoría de metales o no metales. Además, Jones [265] enfatizó que los sistemas de clasificación normalmente se basan en más de dos atributos para definir tipos distintos.

Johnson [266] distinguió entre metales y no metales según sus estados físicos, conductividad eléctrica, propiedades mecánicas y la naturaleza ácido-base de sus óxidos:

  1. los elementos gaseosos son los no metales (H, N, O, F, Cl y los gases nobles);
  2. los líquidos (Hg, Br) son metálicos o no metálicos: el Hg, como buen conductor, es un metal; Br, con su mala conductividad, es un no metal;
  3. Los sólidos son dúctiles y maleables, duros y quebradizos o blandos y quebradizos:
a. los elementos dúctiles y maleables son metales;
b. los elementos duros y quebradizos incluyen B, Si y Ge, que son semiconductores y por tanto no metales; y
C. Los elementos blandos y quebradizos incluyen C, P, S, As, Sb, [aq] Te e I, que tienen óxidos ácidos indicativos de carácter no metálico. [Arkansas]

Varios autores [271] han observado que los no metales generalmente tienen densidades bajas y electronegatividad alta. La tabla adjunta, que utiliza un umbral de 7 g/cm 3 para la densidad y 1,9 para la electronegatividad (Pauling revisado), muestra que todos los no metales tienen baja densidad y alta electronegatividad. Por el contrario, todos los metales tienen alta densidad o baja electronegatividad (o ambas). Goldwhite y Spielman [272] agregaron que "... los elementos más ligeros tienden a ser más electronegativos que los más pesados". La electronegatividad promedio de los elementos de la tabla con densidades inferiores a 7 g/cm 3 (metales y no metales) es 1,97 en comparación con 1,66 para los metales con densidades superiores a 7 g/cm 3 .

Algunos autores dividen los elementos en metales, metaloides y no metales, pero Oderberg [273] no está de acuerdo y sostiene que, según los principios de categorización, todo lo que no esté clasificado como metal debe considerarse no metal.

Desarrollo de tipos

Un perfil lateral grabado en piedra de un distinguido caballero francés.
Busto de Dupasquier (1793–1848) en el Monument aux Grands Hommes de la Martinière  [fr] en Lyon , Francia .

En 1844, Alphonse Dupasquier  [fr] , médico, farmacéutico y químico francés, [274] estableció una taxonomía básica de no metales para ayudar en su estudio. Él escribió: [275]

Se dividirán en cuatro grupos o secciones, como se muestra a continuación:
Organógenos O, N, H, C
Sulfuroides S, Se, P
Cloroides F, Cl, Br, I
Boroides B, Si.

El cuarteto de Dupasquier es paralelo a los tipos modernos no metálicos. Los organógenos y sulfuroides son similares a los no metales no clasificados. Los cloruros se denominaron más tarde halógenos. [276] Los boroides eventualmente evolucionaron hasta convertirse en metaloides, y esta clasificación comenzó ya en 1864. [229] Los gases nobles entonces desconocidos fueron reconocidos como un grupo no metálico distinto después de ser descubiertos a fines del siglo XIX. [277]

Su taxonomía fue elogiada por su base natural, contrastándola con los sistemas artificiales de ese período. [278] [en] Dicho esto, representó una desviación significativa de otras clasificaciones contemporáneas, ya que agrupaba oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y carbono. [280]

En 1828 y 1859, Dumas clasificó los no metales como (1) hidrógeno; (2) flúor a yodo; (3) oxígeno a azufre; (4) nitrógeno a arsénico; y (5) carbono, boro y silicio, [281] anticipando así las agrupaciones verticales de la tabla periódica de Mendeleev de 1871. Las cinco clases de Dumas se dividen en los grupos modernos 1 , 17 , 16 , 15 y 14 a 13 respectivamente.

Clasificación de metaloides.

Bloque grisáceo brillante con superficie hendida irregular.
Germanio , al principio se pensó que era un metal poco conductor debido a la presencia de impurezas.

El boro y el silicio fueron reconocidos desde el principio como no metales [au], pero el arsénico, el antimonio, el telurio y el germanio tienen una historia más complicada. Mientras que en 1864 se había considerado la idoneidad de que el arsénico fuera contado como metaloide, [229] Mendeleev, en 1897, lo contó junto con el antimonio como metales. [283] Aunque el telurio probablemente adquirió un sufijo "ium" debido a su apariencia metálica, [284] Mendeleev dijo que representaba una transición entre metales y no metales. [285] El semiconductor germanio fue considerado por primera vez como un metal poco conductor debido a la presencia de impurezas. La comprensión del mismo como semiconductor y, posteriormente, como metaloide, surgió en los años 30 con el desarrollo de la física de semiconductores. [199]

Desde la década de 1940, estos seis elementos han sido reconocidos cada vez más, aunque no universalmente, como metaloides. [286] En 1947, Linus Pauling incluyó una referencia a ellos en su clásico [287] e influyente [288] libro de texto Química general: una introducción a la química descriptiva y la teoría química moderna. Describió el boro, el silicio, el germanio, el arsénico, el antimonio (y el polonio ) como "elementos con propiedades intermedias". [289] Dijo que estaban en el centro de su escala de electronegatividad, con valores cercanos a 2. [av] El surgimiento de la industria de los semiconductores y la electrónica de estado sólido en las décadas de 1950 y 1960 destacó las propiedades semiconductoras del germanio y el silicio (y boro y telurio), reforzando la idea de que los metaloides eran elementos "intermedios" o "a medio camino". [291] En un escrito de 1982, Goldsmith [286] observó que "el enfoque más nuevo es enfatizar aspectos de su naturaleza física y/o química, como la electronegatividad, la cristalinidad, la naturaleza electrónica general y el papel de ciertos metaloides como semiconductores".

Comparación de propiedades seleccionadas

Las dos tablas de esta sección enumeran algunas de las propiedades de cinco tipos de elementos (gases nobles, no metales halógenos, no metales no clasificados, metaloides y, a modo de comparación, metales) según sus formas más estables en condiciones ambientales.

El objetivo es mostrar que la mayoría de las propiedades muestran una progresión de izquierda a derecha en carácter metálico a no metálico o valores promedio. [292] [293] Se produce cierta superposición ya que los elementos atípicos de cada tipo exhiben propiedades menos distintivas, de tipo híbrido o atípicas. [294] [aw] Estas superposiciones o puntos de transición, junto con las relaciones horizontales, diagonales y verticales entre los elementos, forman parte de la "gran cantidad de información" resumida por la tabla periódica. [296]

Las líneas discontinuas alrededor de las columnas de metaloides significan que el tratamiento de estos elementos como un tipo distinto puede variar según el autor o el esquema de clasificación utilizado.

Propiedades físicas por tipo de elemento

Las propiedades físicas se enumeran en orden aproximado de facilidad de determinación.

Propiedades químicas por tipo de elemento.

Las propiedades químicas se enumeran desde características generales hasta detalles más específicos.

† El hidrógeno también puede formar hidruros similares a aleaciones [163]
‡ Las etiquetas bajo , moderado , alto y muy alto se basan arbitrariamente en los intervalos de valores enumerados en la tabla

Ver también

Notas

  1. ^ Las formas más estables son: hidrógeno diatómico H 2 ; boro β-romboédrico ; carbono grafítico ; nitrógeno diatómico N2 ;​ oxígeno diatómico O2 ;​ silicio tetraédrico ; fósforo negro ; azufre ortorrómbico S8 ;​ α-germanio ; arsénico gris ; selenio gris ; antimonio gris ; telurio gris ; y yodo diatómico I 2 . Todos los demás elementos no metálicos tienen una sola forma estable a temperatura y presión ambiente .
  2. ^ A temperaturas y presiones más altas, se puede cuestionar la cantidad de no metales. Por ejemplo, cuando el germanio se funde, pasa de ser un metaloide semiconductor a un conductor metálico con una conductividad eléctrica similar a la del mercurio líquido. [10] A una presión suficientemente alta, el sodio (un metal) se convierte en un aislante no conductor . [11]
  3. ^ La luz absorbida puede convertirse en calor o reemitirse en todas direcciones de modo que el espectro de emisión sea miles de veces más débil que la radiación luminosa incidente [14]
  4. ^ El yodo sólido tiene una apariencia metálica plateada bajo luz blanca a temperatura ambiente. Se sublima a temperaturas ordinarias y superiores, pasando de sólido a gas; sus vapores son de color violeta. [15]
  5. ^ Los no metales sólidos tienen valores de conductividad eléctrica que van desde 10 −18 S·cm −1 para el azufre [19] hasta 3 × 10 4 en el grafito [20] o 3,9 × 10 4 para el arsénico ; [21] cf. 0,69 × 10 4 para el manganeso a 63 × 10 4 para la plata , ambos metales. [19] La conductividad del grafito (un no metal) y del arsénico (un no metal metaloide) supera la del manganeso. Estas superposiciones muestran que puede resultar difícil trazar una línea clara entre metales y no metales.
  6. ^ Los valores de conductividad térmica de los metales oscilan entre 6,3 W m −1 K −1 para el neptunio y 429 para la plata ; cf. antimonio 24,3, arsénico 50 y carbono 2000. [19] Los valores de conductividad eléctrica de los metales oscilan entre 0,69 S·cm −1 × 10 4 para el manganeso y 63 × 10 4 para la plata ; cf. carbono 3 × 10 4 , [20] arsénico 3,9 × 10 4 y antimonio 2,3 × 10 4 . [19]
  7. ^ Si bien el CO y el NO se consideran comúnmente neutros, el CO es un óxido ligeramente ácido que reacciona con bases para producir formiatos (CO + OH - → HCOO - ); [66] y en agua, el NO reacciona con el oxígeno para formar ácido nitroso HNO 2 (4NO + O 2 + 2H 2 O → 4HNO 2 ) [67]
  8. ^ F-I: 3,98 + 3,16 + 2,96 + 2,66 = 12,76/4 3,19
  9. ^ B-Te: 2,04 + 1,9 + 2,01 + 2,18 + 2,05 + 2,1 = 12,28/6 = 2,04
  10. ^ El helio se muestra encima del berilio para fines de coherencia de la configuración electrónica; como gas noble suele situarse por encima del neón, en el grupo 18
  11. ^ El resultado neto es una diferencia par-impar entre períodos (excepto en el bloque s ): los elementos en períodos pares tienen radios atómicos más pequeños y prefieren perder menos electrones, mientras que los elementos en períodos impares (excepto el primero) difieren en lo contrario dirección. Muchas propiedades en el bloque p muestran entonces una tendencia en zigzag en lugar de una tendencia suave a lo largo del grupo. Por ejemplo, el fósforo y el antimonio en períodos impares del grupo 15 alcanzan fácilmente el estado de oxidación +5, mientras que el nitrógeno, el arsénico y el bismuto en períodos pares prefieren permanecer en +3. [88]
  12. ^ Los estados de oxidación, que denotan cargas hipotéticas para conceptualizar la distribución de electrones en enlaces químicos, no reflejan necesariamente la carga neta de moléculas o iones. Este concepto se ilustra con aniones como el NO 3 − , donde se considera que el átomo de nitrógeno tiene un estado de oxidación de +5 debido a la distribución de electrones. Sin embargo, la carga neta del ion sigue siendo −1. Tales observaciones subrayan el papel de los estados de oxidación al describir la pérdida o ganancia de electrones dentro de contextos de enlace, distintos de indicar la carga eléctrica real, particularmente en moléculas unidas covalentemente.
  13. ^ Greenwood [95] 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..."
  14. ^ Por ejemplo, la conductividad del grafito es 3 × 10 4 S•cm −1 [96] mientras que la del manganeso es 6,9 × 10 3 S•cm −1 [97]
  15. ^ Un catión homopoliatómico consta de dos o más átomos del mismo elemento unidos entre sí y que llevan una carga positiva, por ejemplo, N 5 + , O 2 + y Cl 4 + . Estos iones se conocen además por C, P, Sb, S , Se, Te, Br, I y Xe. [99] Este es un comportamiento inusual para los no metales que son más conocidos por su capacidad de formar aniones cargados negativamente o átomos polarizados, mientras que los metales son más conocidos por su capacidad de formar cationes cargados positivamente o átomos polarizados.
  16. ^ De las doce categorías de la tabla periódica de la Royal Society, cinco solo aparecen con el filtro metálico, tres solo con el filtro no metálico y cuatro con ambos filtros. Curiosamente, los seis elementos marcados como metaloides (B, Si, Ge, As, Sb y Te) se muestran debajo de ambos filtros. Otros seis elementos (113–120: Nh, Fl, Mc, Lv, Ts y Og), cuyo estado se desconoce, también aparecen en ambos filtros, pero no están incluidos en ninguna de las doce categorías de color.
  17. ^ Las comillas no se encuentran en la fuente; se utilizan aquí para dejar en claro que la fuente emplea la palabra no metales como un término formal para el subconjunto de elementos químicos en cuestión, en lugar de aplicarse a los no metales en general.
  18. ^ Se ha hecho referencia a las distintas configuraciones de estos no metales, por ejemplo, no metales básicos, [108] bioelementos, [109] no metales centrales, [110] CHNOPS, [111] elementos esenciales, [112] "no metales", [ 113] [q] no metales huérfanos, [114] o no metales redox [115]
  19. ^ El arsénico es estable en el aire seco. La exposición prolongada al aire húmedo da como resultado la formación de una capa superficial negra. “El arsénico no es atacado fácilmente por el agua, las soluciones alcalinas o los ácidos no oxidantes”. [119] Ocasionalmente se puede encontrar en la naturaleza en forma no combinada. [120] Tiene un potencial de reducción estándar positivo (As → As 3+ + 3e = +0,30 V), correspondiente a una clasificación de metal seminoble. [121]
  20. ^ "El boro cristalino es relativamente inerte". El silicio "en general es muy poco reactivo". [116] "El germanio es un semimetal relativamente inerte". [117] "El arsénico puro también es relativamente inerte". [118] [s] "El antimonio metálico es... inerte a temperatura ambiente". [122] "En comparación con el S y el Se, el Te tiene una reactividad química relativamente baja". [123]
  21. ^ Esta confusión y superposiciones de límites ocurren a menudo en los esquemas de clasificación [126]
  22. ^ Jones adopta una visión filosófica o pragmática de estas cuestiones. Escribe: "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 ante los casos difíciles. Mientras una El sistema de clasificación es beneficioso para la economía de descripción, para estructurar el conocimiento y para nuestra comprensión, y los casos difíciles constituyen una pequeña minoría, entonces manténgalo. Si el sistema deja de ser útil, entonces deséchelo y reemplácelo con un sistema basado en diferentes conceptos compartidos. características". [126]
  23. ^ Para obtener una comparación relacionada de las propiedades de metales, metaloides y no metales , consulte Rudakiya & Patel (2021), p. 36
  24. ^ Así, Weller at al. [130] escribe: "Esos [elementos] clasificados como metálicos van desde el sodio y el bario, altamente reactivos, hasta los metales nobles, como el oro y el platino. Los no metales... abarcan... el flúor agresivo y altamente oxidante y el gases no reactivos como el helio." En una nota relacionada, Beiser [131] agrega: "A lo largo de cada período hay una transición más o menos constante desde un metal activo a través de metales menos activos y no metales débilmente activos hasta no metales altamente activos y finalmente a un gas inerte".
  25. ^ En una tabla periódica de ancho completo, el bloque f se encuentra entre los bloques s y d
  26. ^ Para un metal de bloque p, el aluminio puede ser bastante reactivo si se elimina su fina y transparente capa protectora superficial de Al 2 O 3 . [132] El aluminio es adyacente al magnesio metálico del bloque s altamente reactivo, ya que el período 3 carece de elementos del bloque f o d. El magnesio también tiene "una fina película de óxido muy adherente que protege el metal subyacente del ataque". [133] El talio , un metal del bloque p, no se ve afectado por el agua ni los álcalis, pero es atacado por ácidos y se oxida lentamente en el aire a temperatura ambiente. [134]
  27. ^ Los óxidos metálicos suelen ser iónicos. [146] Por otro lado, los óxidos de metales con altos estados de oxidación suelen ser poliméricos o covalentes. [147] Un óxido polimérico tiene una estructura enlazada compuesta de múltiples unidades repetitivas. [148]
  28. ^ El azufre, un aislante, y el selenio, un semiconductor, son fotoconductores ; sus conductividades eléctricas aumentan hasta seis órdenes de magnitud cuando se exponen a la luz [154]
  29. ^ Por ejemplo, Wulfsberg divide los no metales, según su electronegatividad de Pauling, en no metales muy electronegativos (más de 2,8: N, O, F, Cl y Br) y no metales electronegativos (1,9–2,8: H, B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sb, Te, I y Xe). Posteriormente compara los dos tipos basándose en sus potenciales de reducción estándar . Los gases nobles restantes (He, Ne, Ar, Kr y Rn) no se asignan porque carecen de potenciales de reducción estándar y, por lo tanto, no se pueden comparar con otros no metales muy electronegativos y electronegativos. Sin embargo, sobre la base de sus valores de electronegatividad enumerados (p. 37), He, Ne, Ar y Kr serían no metales muy electronegativos y Rn sería un no metal electronegativo. También reconoce como metaloides los no metales B, Si, Ge, As, Se, Sb y Te. [159]
  30. ^ La materia bariónica ordinaria , incluidas las estrellas, los planetas y todos los seres vivos, constituye menos del 5% del universo. El resto ( energía oscura y materia oscura ) aún no se comprende bien. [181]
  31. ^ En el núcleo de la Tierra puede haber alrededor de 10 13 toneladas de xenón, en forma de compuestos intermetálicos estables XeFe 3 y XeNi 3 . Esto podría explicar por qué "los estudios de la atmósfera terrestre han demostrado que más del 90% de la cantidad esperada de Xe está agotada". [185]
  32. ^ Excepcionalmente, un estudio publicado en 2012 señaló la presencia de 0,04% de flúor nativo ( F
    2    ) en peso en antozonita , atribuyendo estas inclusiones a la radiación de pequeñas cantidades de uranio [186]
  33. ^ Cómo el helio adquirió el sufijo -io se explica en el siguiente pasaje de su descubridor, William Lockyer : "Asumí la responsabilidad de acuñar la palabra helio  ... No sabía si la sustancia  ... era un metal como calcio o un gas como el hidrógeno, pero sí sabía que se comportaba como el hidrógeno [que se encuentra en el sol] y que el hidrógeno, como había dicho Dumas , se comportaba como un metal". [206]
  34. ↑ Berzelius , que descubrió el selenio, pensó que tenía las propiedades de un metal, combinadas con las propiedades del azufre [211]
  35. ^ No debe confundirse con el uso moderno de fósil para referirse a los restos, impresiones o rastros conservados de cualquier ser que alguna vez estuvo vivo.
  36. ^ "... La gravedad específica [de los metales] es mayor que la de cualquier otro cuerpo descubierto hasta ahora; son mejores conductores de electricidad que cualquier otro cuerpo".
  37. ^ La relación Goldhammer-Herzfeld es aproximadamente igual al cubo del radio atómico dividido por el volumen molar . [235] Más específicamente, es la relación entre la fuerza que mantiene los electrones externos de un átomo individual en su lugar con las fuerzas sobre los mismos electrones provenientes de las interacciones entre los átomos en el elemento sólido o líquido. Cuando las fuerzas interatómicas son mayores o iguales que la fuerza atómica, se indica la itinerancia de los electrones externos y se predice el comportamiento metálico. De lo contrario, se prevé un comportamiento no metálico.
  38. ^ La sonoridad es emitir un sonido de timbre cuando se golpea.
  39. ^ El rango de líquidos es la diferencia entre el punto de fusión y el punto de ebullición.
  40. ^ La energía de configuración es la energía promedio de los electrones de valencia en un átomo libre.
  41. ^ La conductancia atómica es la conductividad eléctrica de un mol de una sustancia. Es igual a la conductividad eléctrica dividida por el volumen molar .
  42. ^ Posteriormente, Erman y Simon [258] propusieron referirse al sodio y al potasio como metaloides , que significa "que se parecen a metales en forma o apariencia". Su sugerencia fue ignorada; Los dos nuevos elementos fueron admitidos en el club del metal debido a sus propiedades físicas (opacidad, brillo, maleabilidad, conductividad) y "sus cualidades de combinación química". Hare y Bache [256] observaron que la línea de demarcación entre metales y no metales había sido "aniquilada" por el descubrimiento de metales alcalinos que tenían una densidad menor que la del agua:
    "En segundo lugar se apeló al brillo y la opacidad peculiares como medios de discriminación; y de la misma manera, a esa superioridad en el poder de conducir el calor y la electricidad... Sin embargo, tan difícil ha sido trazar la línea entre lo metálico... y lo no metálico. ... que los cuerpos que algunos autores colocan en una clase, otros los incluyen en la otra. Así, el selenio, el silicio y el circonio [sic] han sido incluidos por algunos químicos entre los metales, y por otros entre los cuerpos no metálicos. ".
  43. ^ Si bien el trióxido de antimonio generalmente figura como anfótero, sus propiedades ácidas muy débiles dominan sobre las de una base muy débil [267]
  44. ^ Johnson contó B como un no metal y Si, Ge, As, Sb, Te, Po y At como "semimetales", es decir, metaloides.
  45. ^ (a) Hasta el elemento 99 (einstenio) excepto 85 y 87 (astato y francio), con los valores tomados de Aylward y Findlay; [268]
    (b) Un estudio de las definiciones del término "metal pesado" informó criterios de densidad que van desde más de 3,5 g/cm 3 hasta más de 7 g/cm 3 ; [269]
    (c) Vernon especificó una electronegatividad mínima de 1,9 para los metaloides, en la escala de Pauling revisada; y [7]
    (d) Los valores de electronegatividad para los gases nobles son de Rahm, Zeng y Hoffmann. [270]
  46. ^ Una clasificación natural se basó en "todos los caracteres de las sustancias a clasificar a diferencia de las 'clasificaciones artificiales' basadas en un solo carácter", como la afinidad de los metales por el oxígeno. "Una clasificación natural en química consideraría las analogías más numerosas y esenciales". [279]
  47. ^ Ambos fueron inicialmente aislados en sus formas impuras o amorfas; las formas puramente cristalinas y de aspecto metálico se aislaron más tarde [282]
  48. ^ La escala de electronegatividad de Pauling iba de 0,7 a 4, dando un punto medio de 2,35. Los valores de electronegatividad de sus metaloides oscilaban entre 1,9 para el Si y 2,1 para el Te. Los no metales no clasificados abarcaron desde 2,1 para H hasta 3,5 para O. [290]
  49. ^ Un fenómeno similar se aplica de manera más general a ciertos grupos de la tabla periódica donde, por ejemplo, los gases nobles del grupo 18 actúan como puente entre los no metales del bloque p y los metales del bloque s ( Grupos 1 y 2 ). [295]
  50. ^ Los cuatro tienen formas menos estables y no frágiles: [306] carbono como grafito exfoliado (expandido) , [47] [307] y como alambre de nanotubos de carbono ; [49] fósforo como fósforo blanco (suave como la cera, maleable y cortable con un cuchillo, a temperatura ambiente); [50] azufre como azufre plástico; [51] y selenio como alambres de selenio [52]
  51. ^ Los metales tienen valores de conductividad eléctrica de desde6,9 × 10 3  S•cm −1 para manganeso a6,3 × 10 5 para plata [309]
  52. ^ Los metaloides tienen valores de conductividad eléctrica de desde1,5 × 10 −6  S•cm −1 para que el boro3,9 × 10 4 para arsénico [310]
  53. ^ Los no metales no clasificados tienen valores de conductividad eléctrica de ca.1 × 10 −18  S•cm −1 para los gases elementales3 × 10 4 en grafito [96]
  54. ^ Los no metales halógenos tienen valores de conductividad eléctrica de ca.1 × 10 −18  S•cm −1 para F y Cl a1,7 × 10 −8  S•cm −1 para yodo [96] [142]
  55. ^ Los gases elementales tienen valores de conductividad eléctrica de ca.1 × 10 −18  S·cm −1 [96]
  56. ^ Los metaloides siempre dan "compuestos de carácter menos ácido que los compuestos correspondientes de los no metales [típicos]" [297]
  57. ^ El trióxido de arsénico reacciona con el trióxido de azufre, formando "sulfato" de arsénico como 2 (SO 4 ) 3 [317]
  58. ^ NO
    2    , norte
    2    oh
    5    , ENTONCES
    3    , SEO
    3    son fuertemente ácidos [318]
  59. ^ H 2 O, CO, NO, N 2 O son óxidos neutros; CO y N 2 O son "formalmente los anhídridos del ácido fórmico e hiponitroso , respectivamente, es decir, CO + H 2 O → H 2 CO 2 (HCOOH, ácido fórmico); N 2 O + H 2 O → H 2 N 2 O 2 (ácido hiponitroso)" [319]
  60. ^ ClO
    2    , CL
    2    oh
    7    , I
    2    oh
    5    son fuertemente ácidos [320]
  61. ^ Los metales que forman los vasos son: V; mes, W; Al, En, Tl; Sn, Pb; Bi [323]
  62. ^ Los no metales no clasificados que forman vidrios son P, S, Se; [323] El CO 2 forma un vidrio a 40 GPa [325]
  63. ^ El heluro disódico (Na 2 He) es un compuesto de helio y sodio que es estable a altas presiones superiores a 113 GPa. El argón forma una aleación con níquel, a 140 GPa y cerca de 1500 K; sin embargo, a esta presión el argón ya no es un gas noble [333]
  64. ^ Los valores de los gases nobles son de Rahm, Zeng y Hoffmann [270]

Referencias

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Bibliografía

enlaces externos