Półmetale
Półmetale, nazywane też metaloidami, to pierwiastki o właściwościach pośrednich między metalami a niemetalami. Nie tworzą osobnej kolumny w układzie okresowym, tylko układają się wzdłuż linii schodkowej, która przecina prawą część tablicy i oddziela metale od niemetali. W tym zestawieniu opisujemy sześć z nich: bor, krzem, german, arsen, antymon i tellur. Wszystkie należą do bloku p i leżą w grupach od trzynastej do szesnastej. Wyglądają jak metale, mają połysk i szarawą barwę, ale są kruche jak niemetale i nie dają się kuć. Najważniejsza jest jednak ich cecha elektryczna: przewodzą prąd znacznie słabiej niż metale, a znacznie lepiej niż typowe niemetale, i właśnie dlatego nazywa się je półprzewodnikami. Na tej właściwości opiera się cała współczesna elektronika.
Pierwiastki należące do grupy: Półmetale
| Z | Pierwiastek | Symbol | Masa | Wartościowość | Opis |
|---|---|---|---|---|---|
| 5 | Bor | B | 10,81 u | III | Dodany do szkła daje pyreks, który nie pęka od gorąca; w reaktorach pochłania neutrony. |
| 14 | Krzem | Si | 28,085 u | IV | Piasek, szkło i każdy procesor, na którym czytasz te słowa. |
| 32 | German | Ge | 72,63 u | IV | Pierwszy tranzystor był z germanu; dziś pracuje w optyce podczerwonej i światłowodach. |
| 33 | Arsen | As | 74,922 u | III, V | Klasyczna trucizna kryminałów, a w związku z galem — szybkie układy do telefonów. |
| 51 | Antymon | Sb | 121,76 u | III, V | Starożytny czarny tusz do powiek; teraz utwardza ołów i uniepalnia tworzywa. |
| 52 | Tellur | Te | 127,6 u | II, IV, VI | Cienkowarstwowe panele słoneczne CdTe i stopy, które łatwiej się obrabiają. |
Właściwości — Półmetale
Elektroujemność półmetali mieści się w wąskim przedziale, między 1,9 dla krzemu a 2,18 dla arsenu, z borem 2,04, antymonem 2,05, germanem 2,01 i tellurem 2,1 w środku. To wartości pośrednie: wyraźnie wyższe niż u metali z pierwszych dwóch grup i niższe niż u tlenu czy fluoru. Stąd bierze się ich dwoisty charakter, bo w jednych reakcjach zachowują się jak metale, w innych jak niemetale. Temperatury topnienia są wysokie, ale bardzo zróżnicowane: bor topnieje dopiero w 2076 stopniach Celsjusza, krzem w 1414, german w 938,25, arsen w 817, antymon w 630,63, a tellur w 449,51. Gęstość rośnie w dół tego zestawienia, od 2,34 dla boru i 2,329 dla krzemu do 6,697 dla antymonu. Arsen ma nietypowy zapis w tabelach, bo pod zwykłym ciśnieniem sublimuje, przechodząc ze stanu stałego wprost w gaz, i dlatego jego temperatura wrzenia bywa podawana jako niższa od temperatury topnienia. Przewodnictwo półmetali rośnie wraz z temperaturą, odwrotnie niż u metali.
Zastosowanie — gdzie spotykamy te pierwiastki
Krzem jest tu pierwiastkiem najważniejszym gospodarczo. Buduje piasek i szkło, wchodzi w skład betonu, a w postaci bardzo czystej tworzy płytki, z których robi się procesory i ogniwa paneli słonecznych. Bor dodany do szkła daje szkło żaroodporne, które nie pęka przy nagłej zmianie temperatury; trafia też do proszków do prania, do nawozów i do reaktorów jądrowych, gdzie pochłania neutrony. German pracuje w światłowodach i w optyce podczerwonej, na przykład w kamerach termowizyjnych, a historycznie posłużył do zbudowania pierwszych tranzystorów. Arsen w połączeniu z galem daje układy scalone szybsze od krzemowych, stosowane w telefonach, ale sam pierwiastek jest silnie trujący i dawniej trafiał do pigmentów oraz impregnatów do drewna. Antymon uniepalnia tworzywa sztuczne i utwardza ołów w akumulatorach. Tellur wchodzi w skład cienkowarstwowych paneli słonecznych CdTe oraz płyt DVD wielokrotnego zapisu.
Półmetale w szkole — co trzeba wiedzieć
Najczęstsza pomyłka dotyczy samego pojęcia. Półmetale nie są grupą układu okresowego i nie mają swojego numeru kolumny, tylko leżą wzdłuż linii schodkowej dzielącej metale od niemetali; różne podręczniki podają nawet nieco inne listy pierwiastków zaliczanych do metaloidów. Do zapamiętania na sprawdzian: bor, krzem, german, arsen, antymon, tellur, a więc szereg biegnący ukośnie w dół tablicy. Druga rzecz to sens słowa półprzewodnik. Warto tłumaczyć je nie jako słaby przewodnik, tylko jako przewodnik warunkowy, czyli materiał, który przewodzi prąd w jednych warunkach, a w innych nie. To dlatego z krzemu da się zbudować tranzystor działający jak przełącznik, a z miedzi nie. Trzecia to pytanie o właściwości pośrednie, na które dobrą odpowiedzią jest zdanie: wygląd metaliczny, kruchość jak u niemetali, przewodnictwo pomiędzy. Czwarta rzecz to umiejętność wskazania półmetali na tablicy, bo w zadaniach często pojawia się polecenie zaznaczenia granicy między metalami a niemetalami i wypisania pierwiastków leżących dokładnie na niej. Warto przy okazji zapamiętać, że wszystkie należą do bloku p oraz że przewodzą prąd tym lepiej, im są cieplejsze, czyli odwrotnie niż metale. Rodzicowi przyda się jedno skojarzenie: krzem to procesor i panel słoneczny, bor to naczynie żaroodporne w kuchni.
Najczęstsze pytania — Półmetale
Co to jest półmetal i czym różni się od metalu?
Półmetal ma cechy pośrednie. Wygląda metalicznie, ma połysk i szarą barwę, ale jest kruchy i nie daje się kuć ani walcować, a prąd przewodzi znacznie słabiej niż metal. Jego elektroujemność mieści się między wartościami typowymi dla metali i niemetali, u opisywanych tu pierwiastków od 1,9 dla krzemu do 2,18 dla arsenu.
Dlaczego procesory robi się właśnie z krzemu?
Bo krzem jest półprzewodnikiem, czyli przewodzi prąd tylko w określonych warunkach, co pozwala zbudować z niego przełącznik sterowany napięciem, czyli tranzystor. Do tego jest tani i powszechny, bo stanowi główny składnik piasku, topnieje dopiero w 1414 stopniach Celsjusza i tworzy trwałą warstwę tlenku, przydatną w produkcji układów scalonych.
Czy arsen jest naprawdę tak trujący, jak piszą w kryminałach?
Związki arsenu są silnie toksyczne i historycznie rzeczywiście służyły jako trucizna, a także jako składnik pigmentów i środków do impregnacji drewna. Dziś główne zagrożenie ma inne źródło: w niektórych rejonach świata arsen naturalnie występuje w wodach głębinowych i zatruwa studnie. W elektronice używa się go w związku z galem, w postaci związanej.
Ile jest półmetali w układzie okresowym?
Nie ma jednej urzędowej odpowiedzi, bo granica między metalami a niemetalami jest płynna i różne podręczniki liczą je nieco inaczej. Najczęściej wymienia się sześć pierwiastków leżących wzdłuż linii schodkowej: bor, krzem, german, arsen, antymon i tellur. Część opracowań dolicza do nich jeszcze polon lub astat.
← Wszystkie grupy · Układ okresowy · Układ okresowy do druku