Métalloïde - Metalloid

Un métalloïde est un type d' élément chimique qui a une prépondérance de propriétés entre, ou qui sont un mélange de, celles des métaux et des non - métaux . Il n'y a pas de définition standard d'un métalloïde et aucun accord complet sur les éléments qui sont des métalloïdes. Malgré le manque de spécificité, le terme reste d'usage dans la littérature de la chimie .

Les six métalloïdes communément reconnus sont le bore , le silicium , le germanium , l' arsenic , l' antimoine et le tellure . Cinq éléments sont moins fréquemment ainsi classés : le carbone , l' aluminium , le sélénium , le polonium et l' astate . Sur un tableau périodique standard, les onze éléments se trouvent dans une région diagonale du bloc p s'étendant du bore en haut à gauche à l'astate en bas à droite. Certains tableaux périodiques incluent une ligne de démarcation entre les métaux et les non-métaux , et les métalloïdes peuvent être trouvés à proximité de cette ligne.

Les métalloïdes typiques ont un aspect métallique, mais ils sont cassants et seulement de bons conducteurs d'électricité . Chimiquement, ils se comportent principalement comme des non-métaux. Ils peuvent former des alliages avec des métaux. La plupart de leurs autres propriétés physiques et propriétés chimiques sont de nature intermédiaire. Les métalloïdes sont généralement trop fragiles pour avoir des utilisations structurelles. Ils et leurs composés sont utilisés dans les alliages, les agents biologiques, les catalyseurs , les retardateurs de flamme , les verres , le stockage optique et l' optoélectronique , la pyrotechnie , les semi - conducteurs et l'électronique.

Les propriétés électriques du silicium et du germanium ont permis la création de l' industrie des semi - conducteurs dans les années 1950 et le développement de l'électronique à semi-conducteurs à partir du début des années 1960.

Le terme métalloïde désignait à l'origine les non-métaux. Sa signification plus récente, en tant que catégorie d'éléments aux propriétés intermédiaires ou hybrides, s'est généralisée dans les années 1940-1960. Les métalloïdes sont parfois appelés semi-métaux, une pratique qui a été découragée, car le terme semi-métal a un sens différent en physique qu'en chimie. En physique, il fait référence à un type spécifique de structure de bande électronique d'une substance. Dans ce contexte, seuls l'arsenic et l'antimoine sont des semi-métaux, et communément reconnus comme des métalloïdes.

Définitions

Basé sur le jugement

Un métalloïde est un élément qui possède une prépondérance de propriétés intermédiaires, ou qui sont un mélange de celles des métaux et des non-métaux, et qui est donc difficile à classer comme un métal ou un non-métal. Il s'agit d'une définition générique qui s'appuie sur les attributs métalloïdes régulièrement cités dans la littérature. La difficulté de catégorisation est un attribut clé. La plupart des éléments ont un mélange de propriétés métalliques et non métalliques et peuvent être classés en fonction de l'ensemble de propriétés le plus prononcé. Seuls les éléments au niveau ou près des marges, sans prépondérance suffisamment claire de propriétés métalliques ou non métalliques, sont classés comme métalloïdes.

Le bore, le silicium, le germanium, l'arsenic, l'antimoine et le tellure sont communément reconnus comme des métalloïdes. Selon l'auteur, un ou plusieurs extraits de sélénium , polonium ou astate sont parfois ajoutés à la liste. Le bore est parfois exclu, seul ou avec du silicium. Parfois, le tellure n'est pas considéré comme un métalloïde. L'inclusion de l' antimoine , du polonium et de l'astate comme métalloïdes a été remise en question.

D'autres éléments sont parfois classés comme métalloïdes. Ces éléments comprennent l'hydrogène, le béryllium , l' azote , le phosphore , le soufre , le zinc , le gallium , l' étain , l' iode , le plomb , le bismuth et le radon. Le terme métalloïde a également été utilisé pour des éléments qui présentent un lustre métallique et une conductivité électrique, et qui sont amphotères , tels que l'arsenic, l'antimoine, le vanadium , le chrome , le molybdène , le tungstène , l'étain, le plomb et l'aluminium. Les métaux du bloc p et les non-métaux (tels que le carbone ou l'azote) qui peuvent former des alliages avec des métaux ou modifier leurs propriétés ont également parfois été considérés comme des métalloïdes.

Basé sur des critères

Il n'existe aucune définition largement acceptée d'un métalloïde, ni aucune division du tableau périodique en métaux, métalloïdes et non-métaux; Hawkes a remis en question la faisabilité d'établir une définition spécifique, notant que des anomalies peuvent être trouvées dans plusieurs tentatives de construction. La classification d'un élément comme métalloïde a été décrite par Sharp comme « arbitraire ».

Le nombre et l'identité des métalloïdes dépendent des critères de classification utilisés. Emsley a reconnu quatre métalloïdes (germanium, arsenic, antimoine et tellure); James et al. répertorié douze (Emsley plus le bore, le carbone, le silicium, le sélénium, le bismuth, le polonium, le moscovium et le foiemorium ). En moyenne, sept éléments sont inclus dans de telles listes ; les arrangements de classification individuels ont tendance à partager un terrain d'entente et varient dans des marges mal définies.

Un seul critère quantitatif tel que l' électronégativité est couramment utilisé, les métalloïdes ayant des valeurs d'électronégativité de 1,8 ou 1,9 à 2,2. D'autres exemples incluent l' efficacité de tassement (la fraction de volume dans une structure cristalline occupée par des atomes) et le rapport de critère de Goldhammer-Herzfeld. Les métalloïdes communément reconnus ont des efficacités de compactage comprises entre 34 % et 41 %. Le rapport Goldhammer-Herzfeld, à peu près égal au cube du rayon atomique divisé par le volume molaire , est une mesure simple du degré de métallisation d'un élément, les métalloïdes reconnus ayant des rapports d'environ 0,85 à 1,1 et en moyenne de 1,0. D'autres auteurs se sont appuyés, par exemple, sur la conductance atomique ou le nombre de coordination en vrac .

Jones, écrivant sur le rôle de la classification en science, a observé que « [les classes] sont généralement définies par plus de deux attributs ». Masterton et Slowinski ont utilisé trois critères pour décrire les six éléments communément reconnus comme métalloïdes : les métalloïdes ont des énergies d'ionisation d' environ 200 kcal/mol (837 kJ/mol) et des valeurs d'électronégativité proches de 2,0. Ils ont également déclaré que les métalloïdes sont généralement des semi-conducteurs, bien que l'antimoine et l'arsenic (semi-métaux du point de vue de la physique) aient des conductivités électriques proches de celles des métaux. Le sélénium et le polonium sont suspectés de ne pas faire partie de ce schéma, tandis que le statut de l'astate est incertain.

Dans ce contexte, Vernon a proposé qu'un métalloïde soit un élément chimique qui, dans son état standard, a (a) la structure de bande électronique d'un semi-conducteur ou d'un semi-métal ; et (b) un premier potentiel d'ionisation intermédiaire "(disons 750-1 000 kJ/mol)" ; et (c) une électronégativité intermédiaire (1,9-2,2).

Territoire du tableau périodique

Emplacement

Les métalloïdes se trouvent de chaque côté de la ligne de démarcation entre les métaux et les non-métaux . Cela peut être trouvé, dans des configurations variables, sur certains tableaux périodiques . Les éléments situés en bas à gauche de la ligne présentent généralement un comportement métallique croissant ; les éléments en haut à droite affichent un comportement non métallique croissant. Lorsqu'ils sont présentés comme un escalier régulier, les éléments avec la température critique la plus élevée pour leurs groupes (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) se trouvent juste en dessous de la ligne.

Le positionnement en diagonale des métalloïdes représente une exception à l'observation que les éléments ayant des propriétés similaires ont tendance à se produire dans des groupes verticaux . Un effet connexe peut être observé dans d'autres similitudes diagonales entre certains éléments et leurs voisins inférieurs droits, en particulier le lithium-magnésium, le béryllium-aluminium et le bore-silicium. Rayner-Canham a soutenu que ces similitudes s'étendent au carbone-phosphore, à l'azote-soufre et à trois séries de blocs d .

Cette exception est due aux tendances horizontales et verticales concurrentes de la charge nucléaire . Au cours d'une période , la charge nucléaire augmente avec le numéro atomique tout comme le nombre d'électrons. L'attraction supplémentaire sur les électrons externes à mesure que la charge nucléaire augmente l'emporte généralement sur l'effet d'écran d'avoir plus d'électrons. Avec quelques irrégularités, les atomes deviennent donc plus petits, l'énergie d'ionisation augmente et il y a un changement progressif de caractère, au cours d'une période, d'éléments fortement métalliques à faiblement métalliques, à faiblement non métalliques, à fortement non métalliques. En descendant un groupe principal , l'effet de l'augmentation de la charge nucléaire est généralement compensé par l'effet des électrons supplémentaires étant plus éloignés du noyau. Les atomes deviennent généralement plus gros, l'énergie d'ionisation diminue et le caractère métallique augmente. L'effet net est que l'emplacement de la zone de transition métal-non-métal se déplace vers la droite en descendant un groupe, et des similitudes diagonales analogues sont observées ailleurs dans le tableau périodique, comme indiqué.

Traitements alternatifs

Les éléments bordant la ligne de séparation métal-non-métal ne sont pas toujours classés comme métalloïdes, notant qu'une classification binaire peut faciliter l'établissement de règles pour déterminer les types de liaison entre les métaux et les non-métaux. Dans de tels cas, les auteurs concernés se concentrent sur un ou plusieurs attributs d'intérêt pour prendre leurs décisions de classification, plutôt que de se préoccuper de la nature marginale des éléments en question. Leurs considérations peuvent être explicites ou non et peuvent parfois sembler arbitraires. Les métalloïdes peuvent être regroupés avec les métaux; ou considérés comme des non-métaux ; ou traités comme une sous-catégorie de non-métaux. D'autres auteurs ont suggéré de classer certains éléments comme métalloïdes « souligne que les propriétés changent progressivement plutôt que brusquement à mesure que l'on se déplace à travers ou vers le bas du tableau périodique ». Certains tableaux périodiques distinguent les éléments qui sont des métalloïdes et n'affichent aucune ligne de démarcation formelle entre les métaux et les non-métaux. Les métalloïdes sont plutôt représentés comme se produisant dans une bande diagonale ou une région diffuse. La considération clé est d'expliquer le contexte de la taxonomie utilisée.

Propriétés

Les métalloïdes ressemblent généralement à des métaux mais se comportent en grande partie comme des non-métaux. Physiquement, ce sont des solides brillants et cassants avec une conductivité électrique intermédiaire à relativement bonne et la structure de bande électronique d'un semi-métal ou d'un semi-conducteur. Chimiquement, ils se comportent principalement comme des non-métaux (faibles), ont des énergies d'ionisation et des valeurs d'électronégativité intermédiaires, et des oxydes amphotères ou faiblement acides . Ils peuvent former des alliages avec des métaux. La plupart de leurs autres propriétés physiques et chimiques sont de nature intermédiaire .

Par rapport aux métaux et aux non-métaux

Les propriétés caractéristiques des métaux, des métalloïdes et des non-métaux sont résumées dans le tableau. Les propriétés physiques sont répertoriées par ordre de facilité de détermination; les propriétés chimiques vont du général au spécifique, puis au descriptif.

Le tableau ci-dessus reflète la nature hybride des métalloïdes. Les propriétés de forme, d'apparence et de comportement lorsqu'elles sont mélangées avec des métaux ressemblent davantage à des métaux. L'élasticité et le comportement chimique général ressemblent davantage à des non-métaux. La conductivité électrique, la structure de bande, l'énergie d'ionisation, l'électronégativité et les oxydes sont intermédiaires entre les deux.

Applications courantes

Cette section se concentre sur les métalloïdes reconnus. Les éléments moins souvent reconnus comme métalloïdes sont généralement classés comme métaux ou non-métaux; certains d'entre eux sont inclus ici à des fins de comparaison.

Les métalloïdes sont trop fragiles pour avoir des utilisations structurelles dans leurs formes pures. Ils et leurs composés sont utilisés comme (ou dans) des composants d'alliage, des agents biologiques (toxicologiques, nutritionnels et médicinaux), des catalyseurs, des retardateurs de flamme, des verres (oxydes et métalliques), des supports de stockage optique et optoélectronique, pyrotechnique, semi-conducteurs et électronique.

Alliages

Pastilles d'alliage cuivre-germanium , probablement ~ 84 % Cu ; 16% Gé. Lorsqu'il est combiné avec de l' argent, le résultat est un argent sterling résistant à la ternissure . Deux pastilles d'argent sont également montrées.

Écrivant au début de l'histoire des composés intermétalliques , le métallurgiste britannique Cecil Desch a observé que « certains éléments non métalliques sont capables de former des composés de caractère nettement métallique avec des métaux, et ces éléments peuvent donc entrer dans la composition d'alliages ». Il associe notamment le silicium, l'arsenic et le tellure aux éléments formant l'alliage. Phillips et Williams ont suggéré que les composés de silicium, de germanium, d'arsenic et d'antimoine avec des métaux B « sont probablement les mieux classés comme alliages ».

Parmi les métalloïdes plus légers, les alliages avec des métaux de transition sont bien représentés. Le bore peut former des composés intermétalliques et des alliages avec de tels métaux de composition M _n B, si n > 2. Le ferroboron (15% de bore) est utilisé pour introduire du bore dans l' acier ; les alliages nickel-bore sont des ingrédients dans les alliages de soudage et les compositions de cémentation pour l'industrie mécanique. Les alliages de silicium avec du fer et avec de l'aluminium sont largement utilisés par les industries de l'acier et de l'automobile, respectivement. Le germanium forme de nombreux alliages, surtout avec les métaux de la monnaie .

Les métalloïdes plus lourds continuent le thème. L'arsenic peut former des alliages avec des métaux, notamment le platine et le cuivre ; il est également ajouté au cuivre et à ses alliages pour améliorer la résistance à la corrosion et semble conférer le même avantage lorsqu'il est ajouté au magnésium. L'antimoine est bien connu en tant que formateur d'alliage, y compris avec les métaux de la monnaie. Ses alliages comprennent l' étain (un alliage d'étain contenant jusqu'à 20 % d'antimoine) et le métal de type (un alliage de plomb contenant jusqu'à 25 % d'antimoine). Le tellure s'allie facilement au fer, sous forme de ferrotellure (50 à 58 % de tellure) et au cuivre, sous forme de tellure de cuivre (40 à 50 % de tellure). Le ferrotellure est utilisé comme stabilisant pour le carbone dans la coulée d'acier. Parmi les éléments non métalliques moins souvent reconnus comme métalloïdes, le sélénium – sous forme de ferrosélénium (50 à 58 % de sélénium) – est utilisé pour améliorer l' usinabilité des aciers inoxydables.

Agents biologiques

Trioxyde d'arsenic ou arsenic blanc , l'une des formes d' arsenic les plus toxiques et les plus répandues . Les propriétés antileucémiques de l'arsenic blanc ont été signalées pour la première fois en 1878.

Les six éléments communément reconnus comme métalloïdes ont des propriétés toxiques, diététiques ou médicinales. Les composés d'arsenic et d'antimoine sont particulièrement toxiques; le bore, le silicium et éventuellement l'arsenic sont des oligo-éléments essentiels. Le bore, le silicium, l'arsenic et l'antimoine ont des applications médicales, et on pense que le germanium et le tellure ont un potentiel.

Le bore est utilisé dans les insecticides et les herbicides. C'est un oligo-élément essentiel. Comme l'acide borique , il a des propriétés antiseptiques, antifongiques et antivirales.

Le silicium est présent dans le silatrane , un rodenticide hautement toxique. L'inhalation à long terme de poussière de silice provoque la silicose , une maladie mortelle des poumons. Le silicium est un oligo-élément essentiel. Le gel de silicone peut être appliqué sur les patients gravement brûlés pour réduire les cicatrices.

Les sels de germanium sont potentiellement nocifs pour les humains et les animaux s'ils sont ingérés de manière prolongée. Il existe un intérêt pour les actions pharmacologiques des composés du germanium, mais aucun médicament autorisé à ce jour.

L'arsenic est notoirement toxique et peut également être un élément essentiel en quantités ultratraces. Pendant la Première Guerre mondiale , les deux parties ont utilisé « à base d' arsenic éternuements et des vomissements agents ... aux soldats ennemis de la force pour enlever leurs masques à gaz avant de tirer la moutarde ou le phosgène à eux dans une deuxième salve . » Il est utilisé comme agent pharmaceutique depuis l'antiquité, notamment pour le traitement de la syphilis avant le développement des antibiotiques . L'arsenic est également un composant du mélarsoprol , un médicament utilisé dans le traitement de la trypanosomose humaine africaine ou de la maladie du sommeil. En 2003, le trioxyde d'arsenic (sous le nom commercial Trisenox ) a été réintroduit pour le traitement de la leucémie aiguë promyélocytaire , un cancer du sang et de la moelle osseuse. L'arsenic dans l'eau potable, qui cause le cancer du poumon et de la vessie, a été associé à une réduction des taux de mortalité par cancer du sein.

L'antimoine métallique est relativement non toxique, mais la plupart des composés d'antimoine sont toxiques. Deux composés d'antimoine, le stibogluconate de sodium et le stibophène , sont utilisés comme médicaments antiparasitaires .

Le tellure élémentaire n'est pas considéré comme particulièrement toxique; deux grammes de tellurate de sodium, s'ils sont administrés, peuvent être mortels. Les personnes exposées à de petites quantités de tellure en suspension dans l'air dégagent une odeur nauséabonde et persistante semblable à celle de l'ail. Le dioxyde de tellure a été utilisé pour traiter la dermatite séborrhéique ; d'autres composés du tellure ont été utilisés comme agents antimicrobiens avant le développement des antibiotiques. À l'avenir, ces composés pourraient devoir être remplacés par des antibiotiques devenus inefficaces en raison de la résistance bactérienne.

Parmi les éléments moins souvent reconnus comme métalloïdes, le béryllium et le plomb sont connus pour leur toxicité ; l'arséniate de plomb a été largement utilisé comme insecticide. Le soufre est l'un des plus anciens des fongicides et pesticides. Le phosphore, le soufre, le zinc, le sélénium et l'iode sont des nutriments essentiels, et l'aluminium, l'étain et le plomb peuvent l'être. Le soufre, le gallium, le sélénium, l'iode et le bismuth ont des applications médicinales. Le soufre est un constituant des sulfamides , encore largement utilisé pour des affections telles que l'acné et les infections des voies urinaires. Le nitrate de gallium est utilisé pour traiter les effets secondaires du cancer; le citrate de gallium, un radiopharmaceutique , facilite l'imagerie des zones corporelles enflammées. Le sulfure de sélénium est utilisé dans les shampooings médicinaux et pour traiter les infections cutanées telles que le pityriasis versicolor . L'iode est utilisé comme désinfectant sous diverses formes. Le bismuth est un ingrédient de certains antibactériens .

Catalyseurs

Le trifluorure et le trichlorure de bore sont utilisés comme catalyseurs en synthèse organique et en électronique ; le tribromure est utilisé dans la fabrication du diborane . Des ligands de bore non toxiques pourraient remplacer les ligands de phosphore toxiques dans certains catalyseurs de métaux de transition. L'acide sulfurique de silice (SiO ₂ OSO ₃ H) est utilisé dans les réactions organiques. Le dioxyde de germanium est parfois utilisé comme catalyseur dans la production de plastique PET pour les conteneurs ; des composés d'antimoine moins chers, tels que le trioxyde ou le triacétate , sont plus couramment utilisés dans le même but malgré les inquiétudes concernant la contamination par l'antimoine des aliments et des boissons. Le trioxyde d'arsenic a été utilisé dans la production de gaz naturel pour stimuler l'élimination du dioxyde de carbone , tout comme l' acide sélénique et l' acide tellurique . Le sélénium agit comme catalyseur dans certains micro-organismes. Le tellure, son dioxyde et son tétrachlorure sont de puissants catalyseurs pour l'oxydation à l'air du carbone au-dessus de 500 °C. L'oxyde de graphite peut être utilisé comme catalyseur dans la synthèse d' imines et de leurs dérivés. Le charbon actif et l' alumine ont été utilisés comme catalyseurs pour l'élimination des contaminants soufrés du gaz naturel. L' aluminium dopé au titane a été identifié comme un substitut aux catalyseurs de métaux nobles coûteux utilisés dans la production de produits chimiques industriels.

Ignifuges

Des composés de bore, de silicium, d'arsenic et d'antimoine ont été utilisés comme retardateurs de flamme . Le bore, sous forme de borax , est utilisé comme ignifuge textile depuis au moins le XVIIIe siècle. Les composés de silicium tels que les silicones, les silanes , le silsesquioxane , la silice et les silicates , dont certains ont été développés comme alternatives aux produits halogénés plus toxiques , peuvent considérablement améliorer le caractère ignifuge des matières plastiques. Les composés de l'arsenic tels que l'arsénite de sodium ou l'arséniate de sodium sont des retardateurs de flamme efficaces pour le bois mais ont été moins fréquemment utilisés en raison de leur toxicité. Le trioxyde d'antimoine est un retardateur de flamme. L'hydroxyde d'aluminium est utilisé comme retardateur de flamme pour les fibres de bois, le caoutchouc, le plastique et les textiles depuis les années 1890. Hormis l'hydroxyde d'aluminium, l'utilisation d'ignifugeants à base de phosphore – sous la forme, par exemple, d' organophosphates – dépasse désormais celle de n'importe lequel des autres principaux types d'ignifugeants. Ceux-ci emploient du bore, de l'antimoine ou des composés d' hydrocarbures halogénés .

Formation de verre

Fibres optiques , généralement en verre de dioxyde de silicium pur , avec des additifs tels que le trioxyde de bore ou le dioxyde de germanium pour une sensibilité accrue

Les oxydes B ₂ O ₃ , SiO ₂ , GeO ₂ , As ₂ O ₃ et Sb ₂ O ₃ forment facilement des verres . Le TeO ₂ forme un verre mais cela nécessite un « taux de trempe héroïque » ou l'ajout d'une impureté ; sinon la forme cristalline en résulte. Ces composés sont utilisés dans la verrerie et l'optique chimiques, domestiques et industrielles. Le trioxyde de bore est utilisé comme additif pour fibres de verre et est également un composant du verre borosilicaté , largement utilisé pour la verrerie de laboratoire et la vaisselle domestique pour sa faible dilatation thermique. La plupart des verres ordinaires sont fabriqués à partir de dioxyde de silicium. Le dioxyde de germanium est utilisé comme additif pour fibres de verre, ainsi que dans les systèmes optiques infrarouges. Le trioxyde d'arsenic est utilisé dans l'industrie du verre comme agent de décoloration et d'affinage (pour l'élimination des bulles), tout comme le trioxyde d'antimoine. Le dioxyde de tellure trouve une application dans le laser et l'optique non linéaire .

Les verres métalliques amorphes sont généralement plus faciles à préparer si l'un des composants est un métalloïde ou "presque métalloïde" tel que le bore, le carbone, le silicium, le phosphore ou le germanium. Hormis les couches minces déposées à très basse température, le premier verre métallique connu était un alliage de composition Au ₇₅ Si ₂₅ rapporté en 1960. Un verre métallique ayant une résistance et une ténacité inédites, de composition Pd _82,5 P ₆ Si _9,5 Ge ₂ , a été signalé en 2011.

Le phosphore, le sélénium et le plomb, qui sont moins souvent reconnus comme métalloïdes, sont également utilisés dans les verres. Le verre phosphate a un substrat de pentoxyde de phosphore (P ₂ O ₅ ), plutôt que la silice (SiO ₂ ) des verres silicatés classiques. Il est utilisé, par exemple, pour fabriquer des lampes au sodium . Les composés du sélénium peuvent être utilisés à la fois comme agents décolorants et pour ajouter une couleur rouge au verre. La verrerie décorative en verre au plomb traditionnel contient au moins 30 % d' oxyde de plomb (II) (PbO); le verre au plomb utilisé pour la protection contre les rayonnements peut contenir jusqu'à 65 % de PbO. Les verres à base de plomb ont également été largement utilisés dans les composants électroniques, les matériaux d'émaillage, d'étanchéité et de vitrage, et les cellules solaires. Les verres d'oxyde à base de bismuth sont devenus un substitut moins toxique du plomb dans bon nombre de ces applications.

Stockage optique et optoélectronique

Des compositions variables de GeSbTe ("alliages GST") et de Sb ₂ Te Ag et Indopé ("alliages AIST"), qui sont des exemples de matériaux à changement de phase , sont largement utilisées dans les disques optiques réinscriptibles et les dispositifs de mémoire à changement de phase . En appliquant de la chaleur, ils peuvent être commutés entre les états amorphe (vitreux) et cristallin . Le changement des propriétés optiques et électriques peut être utilisé à des fins de stockage d'informations. Les futures applications de GeSbTe pourraient inclure "des écrans ultrarapides entièrement à semi-conducteurs avec des pixels à l'échelle nanométrique, des lunettes "intelligentes" semi-transparentes, des lentilles de contact "intelligentes" et des dispositifs de rétine artificielle".

Pyrotechnie

Signal lumineux bleu archaïque , alimenté par un mélange de nitrate de sodium , de soufre et de trisulfure d'arsenic (rouge)

Les métalloïdes reconnus ont soit des applications pyrotechniques, soit des propriétés associées. Le bore et le silicium sont couramment rencontrés ; ils agissent un peu comme des combustibles métalliques. Le bore est utilisé dans les compositions d' initiateurs pyrotechniques (pour enflammer d'autres compositions difficiles à démarrer) et dans les compositions retardatrices qui brûlent à vitesse constante. Le carbure de bore a été identifié comme un substitut possible aux mélanges plus toxiques de baryum ou d' hexachloroéthane dans les munitions fumigènes, les fusées éclairantes et les feux d'artifice. Le silicium, comme le bore, est un composant des mélanges initiateurs et retardateurs. Le germanium dopé peut agir comme un combustible de thermite à vitesse variable . Le trisulfure d'arsenic As ₂ S ₃ était utilisé dans les anciens feux de signalisation navale ; dans les feux d'artifice pour faire des étoiles blanches; dans les mélanges d' écran de fumée jaune ; et dans les compositions d'initiateurs. Le trisulfure d'antimoine Sb ₂ S ₃ se trouve dans les feux d'artifice à lumière blanche et dans les mélanges d' éclairs et de sons . Le tellure a été utilisé dans des mélanges retardateurs et dans des compositions d'initiateurs de détonateurs .

Le carbone, l'aluminium, le phosphore et le sélénium continuent le thème. Le carbone, dans la poudre noire , est un constituant des propulseurs de fusées de feux d'artifice, des charges d'éclatement et des mélanges d'effets, ainsi que des fusibles et allumeurs à retardement militaires. L'aluminium est un ingrédient pyrotechnique courant et est largement utilisé pour sa capacité à générer de la lumière et de la chaleur, y compris dans les mélanges de thermite. Le phosphore peut être trouvé dans les munitions fumigènes et incendiaires, les capuchons en papier utilisés dans les armes-jouets et les poppers de fête . Le sélénium a été utilisé de la même manière que le tellure.

Semi-conducteurs et électronique

Composants électroniques à base de semi-conducteurs . De gauche à droite : un transistor , un circuit intégré et une LED . Les éléments communément reconnus comme métalloïdes sont largement utilisés dans de tels dispositifs, comme constituants semi-conducteurs élémentaires ou composés ( Si , Ge ou GaAs , par exemple) ou comme agents dopants ( B , Sb , Te , par exemple).

Tous les éléments communément reconnus comme métalloïdes (ou leurs composés) ont été utilisés dans les industries des semi-conducteurs ou de l'électronique à semi-conducteurs.

Certaines propriétés du bore ont limité son utilisation comme semi-conducteur. Il a un point de fusion élevé, les monocristaux sont relativement difficiles à obtenir et l'introduction et la rétention d'impuretés contrôlées sont difficiles.

Le silicium est le premier semi-conducteur commercial ; il constitue la base de l'électronique moderne (y compris les cellules solaires standard) et des technologies de l'information et de la communication. C'était en dépit de l'étude des semi-conducteurs, au début du 20ème siècle, ayant été considérée comme la « physique de la saleté » et ne méritant pas une attention particulière.

Le germanium a été largement remplacé par le silicium dans les dispositifs semi-conducteurs, étant moins cher, plus résistant à des températures de fonctionnement plus élevées et plus facile à travailler pendant le processus de fabrication microélectronique. Le germanium est toujours un constituant des "alliages" semi - conducteurs silicium-germanium et ceux-ci sont de plus en plus utilisés, en particulier pour les dispositifs de communication sans fil ; ces alliages exploitent la mobilité plus élevée des porteurs du germanium. La synthèse de quantités à l'échelle du gramme de germanane semi-conducteur a été rapportée en 2013. Il s'agit de feuilles épaisses d'un atome d'atomes de germanium à terminaison hydrogène, analogues au graphane . Il conduit les électrons plus de dix fois plus vite que le silicium et cinq fois plus vite que le germanium, et on pense qu'il a un potentiel pour des applications optoélectroniques et de détection. Le développement d'une anode à base de fil de germanium qui fait plus que doubler la capacité des batteries lithium-ion a été signalé en 2014. La même année, Lee et al. ont rapporté que des cristaux de graphène sans défaut suffisamment gros pour avoir des utilisations électroniques pouvaient être cultivés et retirés d'un substrat de germanium.

L'arsenic et l'antimoine ne sont pas des semi-conducteurs dans leur état standard . Les deux forment des semi-conducteurs de type III-V (tels que GaAs, AlSb ou GaInAsSb) dans lesquels le nombre moyen d'électrons de valence par atome est le même que celui des éléments du groupe 14 . Ces composés sont préférés pour certaines applications spéciales. Les nanocristaux d'antimoine pourraient permettre de remplacer les batteries lithium-ion par des batteries sodium-ion plus puissantes .

Le tellure, qui est un semi-conducteur à l'état standard, est principalement utilisé comme composant dans les chalcogénures semi-conducteurs de type II/VI ; ceux-ci ont des applications dans l'électro-optique et l'électronique. Le tellurure de cadmium (CdTe) est utilisé dans les modules solaires pour son efficacité de conversion élevée, ses faibles coûts de fabrication et sa large bande interdite de 1,44 eV, lui permettant d'absorber une large gamme de longueurs d'onde. Le tellurure de bismuth (Bi ₂ Te ₃ ), allié au sélénium et à l'antimoine, est un composant des dispositifs thermoélectriques utilisés pour la réfrigération ou la production d'électricité portable.

Cinq métalloïdes – bore, silicium, germanium, arsenic et antimoine – peuvent être trouvés dans les téléphones portables (avec au moins 39 autres métaux et non-métaux). Le tellure devrait trouver une telle utilisation. Parmi les métalloïdes moins souvent reconnus, le phosphore, le gallium (en particulier) et le sélénium ont des applications semi-conductrices. Le phosphore est utilisé à l'état de traces comme dopant pour les semi-conducteurs de type n . L'utilisation commerciale des composés de gallium est dominée par les applications des semi-conducteurs - dans les circuits intégrés, les téléphones portables, les diodes laser , les diodes électroluminescentes , les photodétecteurs et les cellules solaires . Le sélénium est utilisé dans la production de cellules solaires et dans les parafoudres à haute énergie .

Le bore, le silicium, le germanium, l'antimoine et le tellure, ainsi que des métaux et métalloïdes plus lourds tels que Sm, Hg, Tl, Pb, Bi et Se, peuvent être trouvés dans les isolants topologiques . Il s'agit d'alliages ou de composés qui, à des températures ultrafroides ou à température ambiante (selon leur composition), sont des conducteurs métalliques sur leurs surfaces mais des isolants par leur intérieur. L'arséniure de cadmium Cd ₃ As ₂ , à environ 1 K, est un semi-métal de Dirac – un analogue électronique en vrac du graphène – dans lequel les électrons se déplacent efficacement sous forme de particules sans masse. On pense que ces deux classes de matériaux ont des applications potentielles en informatique quantique .

Nomenclature et histoire

Dérivation et autres noms

Le mot métalloïde vient du latin metallum (« métal ») et du grec oeides (« ressemblant par la forme ou l'apparence »). Plusieurs noms sont parfois utilisés comme synonymes bien que certains d'entre eux aient d'autres significations qui ne sont pas nécessairement interchangeables : élément amphotère, élément frontière, demi-métal, élément à mi-chemin, quasi-métal, méta-métal, semi-conducteur, semi- métal et sous -métal . « élément amphotère » est parfois utilisé plus largement pour inclure les métaux de transition capables de former des oxyanions , tels que le chrome et le manganèse . « Demi-métal » est utilisé en physique pour désigner un composé (comme le dioxyde de chrome ) ou un alliage qui peut agir comme conducteur et isolant . "Méta-métal" est parfois utilisé à la place pour désigner certains métaux ( Be , Zn , Cd , Hg , In , Tl , -Sn , Pb ) situés juste à gauche des métalloïdes sur les tableaux périodiques standard. Ces métaux sont pour la plupart diamagnétiques et ont tendance à avoir des structures cristallines déformées, des valeurs de conductivité électrique inférieures à celles des métaux et des oxydes amphotères (faiblement basiques). "Semi-métal" fait parfois référence, de manière lâche ou explicite, à des métaux ayant un caractère métallique incomplet dans la structure cristalline, la conductivité électrique ou la structure électronique. Les exemples incluent le gallium, l' ytterbium , le bismuth et le neptunium . Les noms d' élément amphotère et de semi - conducteur sont problématiques car certains éléments appelés métalloïdes ne présentent pas de comportement amphotère marqué (bismuth, par exemple) ou de semi-conductivité (polonium) dans leurs formes les plus stables.

Origine et utilisation

L'origine et l'utilisation du terme métalloïde sont alambiquées. Son origine réside dans les tentatives, datant de l'Antiquité, de décrire les métaux et de distinguer entre les formes typiques et moins typiques. Il a été appliqué pour la première fois au début du XIXe siècle aux métaux flottant sur l'eau (sodium et potassium), puis plus généralement aux non-métaux. L'utilisation antérieure en minéralogie , pour décrire un minéral ayant un aspect métallique, remonte à 1800. Depuis le milieu du 20e siècle, il a été utilisé pour désigner des éléments chimiques intermédiaires ou limites. L' Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) avait précédemment recommandé d'abandonner le terme métalloïde et suggéré d'utiliser le terme semi-métal à la place. L'utilisation de ce dernier terme a été plus récemment découragée par Atkins et al. car il a un sens différent en physique - un sens qui se réfère plus spécifiquement à la structure de bande électronique d'une substance plutôt qu'à la classification globale d'un élément. Les publications les plus récentes de l'IUPAC sur la nomenclature et la terminologie n'incluent aucune recommandation sur l'utilisation des termes métalloïde ou semi-métal.

Éléments communément reconnus comme métalloïdes

Les propriétés notées dans cette section se réfèrent aux éléments sous leurs formes les plus thermodynamiquement stables dans des conditions ambiantes.

Bore

Le bore, représenté ici sous la forme de sa phase -rhomboédrique (son allotrope thermodynamiquement le plus stable )

Le bore pur est un solide cristallin gris argenté brillant. Il est moins dense que l'aluminium (2,34 contre 2,70 g/cm ³ ), dur et cassant. Il est peu réactif dans les conditions normales, à l'exception de l'attaque par le fluor , et a un point de fusion de 2076 °C (cf. acier ~1370 °C). Le bore est un semi-conducteur ; sa conductivité électrique à température ambiante est de 1,5 × 10 ^-6 S •cm ^-1 (environ 200 fois inférieure à celle de l'eau du robinet) et sa bande interdite est d'environ 1,56 eV. Mendeleev a commenté que « le bore apparaît à l'état libre sous plusieurs formes intermédiaires entre les métaux et les non-métals ».

La chimie structurelle du bore est dominée par sa petite taille atomique et son énergie d'ionisation relativement élevée. Avec seulement trois électrons de valence par atome de bore, une simple liaison covalente ne peut pas remplir la règle de l'octet. La liaison métallique est le résultat habituel parmi les congénères plus lourds du bore, mais cela nécessite généralement de faibles énergies d'ionisation. Au lieu de cela, en raison de sa petite taille et de grande énergie d' ionisation, l'unité structurelle de base de bore (et la quasi - totalité de ses allotropes) est le icosaédrique B ₁₂ cluster. Sur les 36 électrons associés à 12 atomes de bore, 26 résident dans 13 orbitales moléculaires délocalisées ; les 10 autres électrons sont utilisés pour former des liaisons covalentes à deux et trois centres entre les icosaèdres. Le même motif peut être observé, de même que des variantes ou fragments deltaédriques , dans les borures et dérivés d'hydrure métalliques, et dans certains halogénures.

La liaison dans le bore a été décrite comme étant caractéristique d'un comportement intermédiaire entre les métaux et les solides non métalliques du réseau covalent (comme le diamant ). L'énergie nécessaire pour transformer B, C, N, Si et P d'états non métalliques à métalliques a été estimée à 30, 100, 240, 33 et 50 kJ/mol, respectivement. Cela indique la proximité du bore à la frontière métal-non-métal.

La majeure partie de la chimie du bore est de nature non métallique. Contrairement à ses congénères plus lourds, il n'est pas connu pour former un simple cation B ³⁺ ou hydraté [B(H ₂ O) ₄ ] ³⁺ . La petite taille de l'atome de bore permet la préparation de nombreux borures de type alliage interstitiel . Des analogies entre le bore et les métaux de transition ont été notées dans la formation de complexes et d' adduits (par exemple, BH ₃ + CO →BH ₃ CO et, de même, Fe(CO) ₄ + CO →Fe(CO) ₅ ), ainsi comme dans les structures géométriques et électroniques des espèces d'amas telles que [B ₆ H ₆ ] ²⁻ et [Ru ₆ (CO) ₁₈ ] ²⁻ . La chimie aqueuse du bore est caractérisée par la formation de nombreux anions polyborates différents . Compte tenu de son rapport charge/taille élevé, le bore se lie de manière covalente dans presque tous ses composés ; les exceptions sont les borures car ils comprennent, selon leur composition, des composants de liaison covalents, ioniques et métalliques. Les composés binaires simples, tels que le trichlorure de bore sont des acides de Lewis car la formation de trois liaisons covalentes laisse un trou dans l' octet qui peut être rempli par une paire d'électrons donnée par une base de Lewis . Le bore a une forte affinité pour l' oxygène et une chimie des borates dûment étendue . L'oxyde B ₂ O ₃ est de structure polymérique , faiblement acide, et un formateur de verre. Les composés organométalliques du bore sont connus depuis le 19ème siècle (voir chimie des organoborés ).

Silicium

Le silicium a un éclat métallique bleu-gris .

Le silicium est un solide cristallin avec un éclat métallique bleu-gris. Comme le bore, il est moins dense (à 2,33 g/cm ³ ) que l'aluminium, et est dur et cassant. C'est un élément relativement peu réactif. Selon Rochow, la forme cristalline massive (surtout si pure) est « remarquablement inerte à tous les acides, y compris le fluorhydrique ». Le silicium moins pur et la forme en poudre sont diversement susceptibles d'être attaqués par des acides forts ou chauffés, ainsi que par la vapeur et le fluor. Le silicium se dissout dans les alcalis aqueux chauds avec dégagement d' hydrogène , tout comme les métaux tels que le béryllium, l'aluminium, le zinc, le gallium ou l'indium. Il fond à 1414 °C. Le silicium est un semi-conducteur avec une conductivité électrique de 10 ^-4  S•cm ^-1 et une bande interdite d'environ 1,11 eV. Lorsqu'il fond, le silicium devient un métal raisonnable avec une conductivité électrique de 1,0–1,3 × 10 ⁴  S•cm ⁻¹ , semblable à celle du mercure liquide.

La chimie du silicium est généralement de nature non métallique (covalente). Il n'est pas connu de former un cation. Le silicium peut former des alliages avec des métaux tels que le fer et le cuivre. Il montre moins de tendances au comportement anionique que les non-métaux ordinaires. Sa chimie en solution est caractérisée par la formation d'oxyanions. La haute résistance de la liaison silicium-oxygène domine le comportement chimique du silicium. Les silicates polymères, constitués d' unités tétraédriques SiO ₄ partageant leurs atomes d'oxygène, sont les composés les plus abondants et les plus importants du silicium. Les borates polymères, comprenant des unités trigonales et tétraédriques BO ₃ ou BO ₄ liées , sont construits sur des principes structurels similaires. L'oxyde SiO ₂ est de structure polymérique, faiblement acide, et verrier. La chimie organométallique traditionnelle comprend les composés carbonés du silicium (voir organosilicium ).

Germanium

Le germanium est parfois décrit comme un métal

Le germanium est un solide gris-blanc brillant. Il a une densité de 5,323 g/cm ³ et est dur et cassant. Il est pour la plupart non réactif à température ambiante mais est lentement attaqué par l'acide sulfurique ou nitrique concentré chaud . Le germanium réagit également avec la soude caustique fondue pour donner du germanate de sodium Na ₂ GeO ₃ et de l'hydrogène gazeux. Il fond à 938 °C. Le germanium est un semi-conducteur avec une conductivité électrique d'environ 2 × 10 ⁻²  S•cm ⁻¹ et une bande interdite de 0,67 eV. Le germanium liquide est un conducteur métallique, avec une conductivité électrique similaire à celle du mercure liquide.

La majeure partie de la chimie du germanium est caractéristique d'un non-métal. Que le germanium forme ou non un cation n'est pas clair, mis à part l'existence signalée de l' ion Ge ²⁺ dans quelques composés ésotériques. Il peut former des alliages avec des métaux tels que l'aluminium et l' or . Il montre moins de tendances au comportement anionique que les non-métaux ordinaires. Sa chimie en solution est caractérisée par la formation d'oxyanions. Le germanium forme généralement des composés tétravalents (IV), et il peut également former des composés divalents (II) moins stables, dans lesquels il se comporte davantage comme un métal. Des analogues de germanium de tous les principaux types de silicates ont été préparés. Le caractère métallique du germanium est également suggéré par la formation de divers sels d' oxoacides . Un phosphate [(HPO ₄ ) ₂ Ge·H ₂ O] et un trifluoroacétate très stable Ge(OCOCF ₃ ) ₄ ont été décrits, ainsi que Ge ₂ (SO ₄ ) ₂ , Ge(ClO ₄ ) ₄ et GeH ₂ (C ₂ O ₄ ) ₃ . L'oxyde GeO ₂ est polymérique, amphotère et verrier. Le dioxyde est soluble dans les solutions acides (le monoxyde GeO l'est encore plus), ce qui est parfois utilisé pour classer le germanium parmi les métaux. Jusqu'aux années 1930, le germanium était considéré comme un métal faiblement conducteur ; il a parfois été classé comme un métal par des auteurs ultérieurs. Comme pour tous les éléments communément reconnus comme métalloïdes, le germanium a une chimie organométallique établie (voir Chimie organogermanium ).

Arsenic

Arsenic , scellé dans un récipient pour éviter le ternissement

L'arsenic est un solide gris d'aspect métallique. Il a une densité de 5,727 g/cm ³ et est cassant et moyennement dur (plus que l'aluminium ; moins que le fer ). Il est stable à l'air sec mais développe une patine bronze doré à l'air humide, qui noircit à l'exposition. L'arsenic est attaqué par l'acide nitrique et l'acide sulfurique concentré. Il réagit avec la soude caustique fondue pour donner l'arséniate Na ₃ AsO ₃ et de l'hydrogène gazeux. L'arsenic se sublime à 615°C. La vapeur est jaune citron et sent l'ail. L'arsenic ne fond que sous une pression de 38,6 atm , à 817 °C. C'est un semi-métal avec une conductivité électrique d'environ 3,9 × 10 ⁴  S•cm ^-1 et un recouvrement de bande de 0,5 eV. L'arsenic liquide est un semi-conducteur avec une bande interdite de 0,15 eV.

La chimie de l'arsenic est principalement non métallique. On ne sait pas si l'arsenic forme ou non un cation. Ses nombreux alliages métalliques sont pour la plupart cassants. Il montre moins de tendances au comportement anionique que les non-métaux ordinaires. Sa chimie en solution est caractérisée par la formation d'oxyanions. L'arsenic forme généralement des composés dans lesquels il a un état d'oxydation de +3 ou +5. Les halogénures, et les oxydes et leurs dérivés sont des exemples illustratifs. A l'état trivalent, l'arsenic présente des propriétés métalliques naissantes. Les halogénures sont hydrolysés par l'eau mais ces réactions, notamment celles du chlorure, sont réversibles avec l'ajout d'un acide halohydrique . L'oxyde est acide mais, comme indiqué ci-dessous, (faiblement) amphotère. L'état pentavalent supérieur, moins stable, a des propriétés fortement acides (non métalliques). Par rapport au phosphore, le caractère métallique plus fort de l'arsenic est indiqué par la formation de sels d'oxoacides tels que AsPO ₄ , As ₂ (SO ₄ ) ₃ et l'acétate d'arsenic As(CH ₃ COO) ₃ . L'oxyde As ₂ O ₃ est un polymère, un amphotère et un formateur de verre. L'arsenic a une chimie organométallique étendue (voir Chimie organoarsenic ).

Antimoine

Antimoine , montrant son éclat brillant

L'antimoine est un solide blanc argenté avec une teinte bleue et un éclat brillant. Il a une densité de 6,697 g/cm ³ et est cassant et modérément dur (plus que l'arsenic, moins que le fer, à peu près autant que le cuivre). Il est stable à l'air et à l'humidité à température ambiante. Il est attaqué par l'acide nitrique concentré, donnant le pentoxyde hydraté Sb ₂ O ₅ . L' eau régale donne le pentachlorure SbCl ₅ et l'acide sulfurique concentré à chaud donne le sulfate Sb ₂ (SO ₄ ) ₃ . Il n'est pas affecté par l'alcali fondu. L'antimoine est capable de déplacer l'hydrogène de l'eau lorsqu'il est chauffé : 2 Sb + 3 H ₂ O → Sb ₂ O ₃ + 3 H ₂ . Il fond à 631 °C. L'antimoine est un semi-métal avec une conductivité électrique d'environ 3,1 × 10 ⁴  S•cm ⁻¹ et un chevauchement de bandes de 0,16 eV. L'antimoine liquide est un conducteur métallique dont la conductivité électrique est d'environ 5,3 × 10 ⁴  S•cm ⁻¹ .

La majeure partie de la chimie de l'antimoine est caractéristique d'un non-métal. L'antimoine a une certaine chimie cationique définie, SbO ⁺ et Sb(OH) ₂ ⁺ étant présents dans une solution aqueuse acide; le composé Sb ₈ (GaCl ₄ ) ₂ , qui contient l'homopolycation, Sb ₈ ²⁺ , a été préparé en 2004. Il peut former des alliages avec un ou plusieurs métaux tels que l'aluminium, le fer, le nickel , le cuivre, le zinc, l'étain, le plomb, et le bismuth. L'antimoine a moins de tendances au comportement anionique que les non-métaux ordinaires. Sa chimie en solution est caractérisée par la formation d'oxyanions. Comme l'arsenic, l'antimoine forme généralement des composés dans lesquels il a un état d'oxydation de +3 ou +5. Les halogénures, et les oxydes et leurs dérivés sont des exemples illustratifs. L'état +5 est moins stable que le +3, mais relativement plus facile à atteindre qu'avec l'arsenic. Ceci s'explique par le faible blindage offert au noyau d'arsenic par ses 3d ¹⁰ électrons . En comparaison, la tendance de l'antimoine (étant un atome plus lourd) à s'oxyder plus facilement compense partiellement l'effet de sa coquille 4d ¹⁰ . L'antimoine tripositif est amphotère; l' antimoine pentapositif est (principalement) acide. En cohérence avec une augmentation du caractère métallique vers le bas du groupe 15 , l'antimoine forme des sels ou des composés de type sel, notamment un nitrate Sb(NO ₃ ) ₃ , du phosphate SbPO ₄ , du sulfate Sb ₂ (SO ₄ ) ₃ et du perchlorate Sb(ClO ₄ ) ₃ . Le pentoxyde autrement acide Sb ₂ O ₅ montre un comportement basique (métallique) en ce sens qu'il peut être dissous dans des solutions très acides, avec la formation de l' oxycation SbO⁺
₂. L'oxyde Sb ₂ O ₃ est polymérique, amphotère et verrier. L'antimoine a une chimie organométallique étendue (voir Chimie organoantimoine ).

Tellure

Tellure , décrit par Dmitri Mendeleev comme formant une transition entre les métaux et les non - métaux

Le tellure est un solide blanc argenté brillant. Il a une densité de 6,24 g/cm ³ , est cassant et est le plus mou des métalloïdes communément reconnus, étant légèrement plus dur que le soufre. Les gros morceaux de tellure sont stables dans l'air. La forme finement pulvérisée est oxydée par l'air en présence d'humidité. Le tellure réagit avec l'eau bouillante, ou lorsqu'il est fraîchement précipité même à 50 °C, pour donner le dioxyde et l'hydrogène : Te + 2 H ₂ O → TeO ₂ + 2 H ₂ . Il réagit (à des degrés divers) avec les acides nitrique, sulfurique et chlorhydrique pour donner des composés tels que le sulfoxyde TeSO ₃ ou l' acide tellureux H ₂ TeO ₃ , le nitrate basique (Te ₂ O ₄ H) ⁺ (NO ₃ ) ⁻ , ou l'oxyde sulfate Te ₂ O ₃ (SO ₄ ). Il se dissout dans les alcalis bouillants, pour donner le tellurite et le tellurure : 3 Te + 6 KOH = K ₂ TeO ₃ + 2 K ₂ Te + 3 H ₂ O, une réaction qui se déroule ou est réversible avec l'augmentation ou la diminution de la température.

À des températures plus élevées, le tellure est suffisamment plastique pour être extrudé. Il fond à 449,51 °C. Le tellure cristallin a une structure constituée de chaînes spirales infinies parallèles. La liaison entre les atomes adjacents d'une chaîne est covalente, mais il existe des preuves d'une faible interaction métallique entre les atomes voisins de différentes chaînes. Le tellure est un semi-conducteur avec une conductivité électrique d'environ 1,0 S•cm ^-1 et une bande interdite de 0,32 à 0,38 eV. Le tellure liquide est un semi-conducteur, avec une conductivité électrique, à la fusion, d'environ 1,9 × 10 ³  S•cm ^-1 . Le tellure liquide surchauffé est un conducteur métallique.

La majeure partie de la chimie du tellure est caractéristique d'un non-métal. Il montre un certain comportement cationique. Le dioxyde se dissout dans l'acide pour donner l' ion trihydroxotellure (IV) Te(OH) ₃ ⁺ ; les ^ions rouges Te ₄ ²⁺ et jaune-orange Te ₆ ²⁺ se forment lorsque le tellure est oxydé dans l'acide fluorosulfurique (HSO ₃ F), ou le dioxyde de soufre liquide (SO ₂ ), respectivement. Il peut former des alliages avec l'aluminium, l' argent et l'étain. Le tellure montre moins de tendances au comportement anionique que les non-métaux ordinaires. Sa chimie en solution est caractérisée par la formation d'oxyanions. Le tellure forme généralement des composés dans lesquels il a un état d'oxydation de -2, +4 ou +6. L'état +4 est le plus stable. Les tellurures de composition X _x Te _y se forment facilement avec la plupart des autres éléments et représentent les minéraux de tellure les plus courants. La non stoechiométrie est omniprésente, en particulier avec les métaux de transition. De nombreux tellurures peuvent être considérés comme des alliages métalliques. L'augmentation du caractère métallique évidente dans le tellure, par rapport aux chalcogènes plus légers , se reflète en outre dans la formation signalée de divers autres sels oxyacides, tels qu'un sélénate basique 2TeO ₂ ·SeO ₃ et un perchlorate et periodate analogues 2TeO ₂ ·HXO ₄ . Le tellure forme un oxyde polymérique amphotère formateur de verre TeO ₂ . C'est un oxyde vitreux "conditionnel" - il forme un verre avec une très petite quantité d'additif. Le tellure a une chimie organométallique étendue (voir Chimie organotellurique ).

Éléments moins communément reconnus comme métalloïdes

Carbone

Carbone (comme le graphite ). Les électrons de valence délocalisés au sein des couches de graphite lui donnent un aspect métallique.

Le carbone est généralement classé comme un non-métal mais a des propriétés métalliques et est parfois classé comme un métalloïde. Le carbone graphitique hexagonal (graphite) est l' allotrope de carbone le plus thermodynamiquement stable dans les conditions ambiantes. Il a un aspect brillant et est un assez bon conducteur électrique. Le graphite a une structure en couches. Chaque couche est constituée d'atomes de carbone liés à trois autres atomes de carbone dans un arrangement en réseau hexagonal . Les couches sont empilées et maintenues lâchement par les forces de van der Waals et les électrons de valence délocalisés .

Comme un métal, la conductivité du graphite dans la direction de ses plans diminue à mesure que la température augmente ; il a la structure de bande électronique d'un semi-métal. Les allotropes du carbone, y compris le graphite, peuvent accepter des atomes ou des composés étrangers dans leurs structures par substitution, intercalation ou dopage . Les matériaux résultants sont appelés "alliages de carbone". Le carbone peut former des sels ioniques, notamment un hydrogénosulfate, du perchlorate et du nitrate (C⁺
₂₄X ⁻ .2HX, où X = HSO ₄ , ClO ₄ ; et C⁺
₂₄NON^–
₃.3HNO ₃ ). En chimie organique , le carbone peut former des cations complexes – appelés carbocations  – dans lesquels la charge positive se trouve sur l'atome de carbone ; des exemples sont CH⁺
₃et CH⁺
₅, et leurs dérivés.

Le carbone est cassant et se comporte comme un semi-conducteur dans une direction perpendiculaire à ses plans. La plupart de sa chimie est non métallique; il a une énergie d'ionisation relativement élevée et, par rapport à la plupart des métaux, une électronégativité relativement élevée. Le carbone peut former des anions tels que C ⁴⁻ ( méthanide ), C^2–
₂( acétylure ), et C^3–
₄( sesquicarbure ou allylenide ), dans des composés avec des métaux des groupes principaux 1–3, et avec les lanthanides et les actinides . Son oxyde CO ₂ forme de l'acide carbonique H ₂ CO ₃ .

Aluminium

L' aluminium de haute pureté est beaucoup plus doux que ses alliages familiers . Les personnes qui le manipulent pour la première fois demandent souvent si c'est la vraie chose.

L'aluminium est généralement classé comme un métal. Il est brillant, malléable et ductile, et a une conductivité électrique et thermique élevée. Comme la plupart des métaux , il a un très condensé la structure cristalline, et forme un cation en solution aqueuse.

Il a des propriétés inhabituelles pour un métal ; pris ensemble, ceux-ci sont parfois utilisés comme base pour classer l'aluminium en tant que métalloïde. Sa structure cristalline montre des signes de liaison directionnelle . L'aluminium se lie de manière covalente dans la plupart des composés. L'oxyde Al ₂ O ₃ est amphotère et vitrificateur conditionnel. L'aluminium peut former des aluminates anioniques , un tel comportement étant considéré comme un caractère non métallique.

La classification de l'aluminium comme métalloïde a été contestée en raison de ses nombreuses propriétés métalliques. C'est donc, sans doute, une exception au mnémonique que les éléments adjacents à la ligne de séparation métal-non-métal sont des métalloïdes.

Stott qualifie l'aluminium de métal faible. Il a les propriétés physiques d'un métal mais certaines des propriétés chimiques d'un non-métal. Steele note le comportement chimique paradoxal de l'aluminium : « Il ressemble à un métal faible dans son oxyde amphotère et dans le caractère covalent de plusieurs de ses composés... Pourtant c'est un métal hautement électropositif ... [avec] un potentiel d'électrode négative élevé. ". Moody dit que "l'aluminium se trouve à la 'frontière diagonale' entre les métaux et les non-métaux au sens chimique du terme."

Sélénium

Le sélénium gris , étant un photoconducteur , conduit l'électricité environ 1 000 fois mieux lorsque la lumière tombe dessus, une propriété utilisée depuis le milieu des années 1870 dans diverses applications de détection de lumière.

Le sélénium présente un comportement à la limite des métaux ou des non-métaux.

Sa forme la plus stable, l' allotrope trigonal gris , est parfois appelée sélénium « métallique » car sa conductivité électrique est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle de la forme monoclinique rouge . Le caractère métallique du sélénium est en outre démontré par son éclat et sa structure cristalline, qui comprendrait une liaison interchaîne faiblement « métallique ». Le sélénium peut être aspiré en fils minces lorsqu'il est fondu et visqueux. Il montre une réticence à acquérir "les nombres d'oxydation positifs élevés caractéristiques des non-métaux". Il peut former des polycations cycliques (tels que Se²⁺
₈) lorsqu'il est dissous dans les oléums (attribut qu'il partage avec le soufre et le tellure), et un sel cationique hydrolysé sous forme de perchlorate de trihydroxosélénium(IV) [Se(OH) ₃ ] ⁺ ·ClO^–
₄.

Le caractère non métallique du sélénium se manifeste par sa fragilité et la faible conductivité électrique (~10 ^-9 à 10 ^-12  S•cm ^-1 ) de sa forme hautement purifiée. Ceci est comparable ou inférieur à celui du brome (7,95 × 10 ^-12  S•cm ^-1 ), un non-métal. Le sélénium a la structure de bande électronique d'un semi - conducteur et conserve ses propriétés semi-conductrices sous forme liquide. Il a une électronégativité relativement élevée (échelle de Pauling révisée à 2,55). Sa chimie réactionnelle est principalement celle de ses formes anioniques non métalliques Se ²⁻ , SeO²⁻
₃ et SeO²⁻
₄.

Le sélénium est communément décrit comme un métalloïde dans la littérature sur la chimie environnementale . Il se déplace dans le milieu aquatique de la même manière que l'arsenic et l'antimoine; ses sels hydrosolubles, à des concentrations plus élevées, ont un profil toxicologique similaire à celui de l'arsenic.

Polonium

Le polonium est « distinctement métallique » à certains égards. Ses deux formes allotropiques sont des conducteurs métalliques. Il est soluble dans les acides, formant le cation Po ^{2+ de} couleur rose et déplaçant l'hydrogène : Po + 2 H ⁺ → Po ²⁺ + H ₂ . De nombreux sels de polonium sont connus. L'oxyde PoO ₂ est de nature majoritairement basique. Le polonium est un agent oxydant réticent, contrairement à son congénère oxygène le plus léger : des conditions hautement réductrices sont requises pour la formation de l' anion Po ²⁻ en solution aqueuse.

On ne sait pas si le polonium est ductile ou cassant. Il est prévu qu'il soit ductile sur la base de ses constantes élastiques calculées . Il a une structure cristalline cubique simple . Une telle structure présente peu de systèmes de glissement et "conduit à une très faible ductilité et donc à une faible résistance à la rupture".

Le polonium présente un caractère non métallique dans ses halogénures et par l'existence de polonides . Les halogénures ont des propriétés généralement caractéristiques des halogénures non métalliques (étant volatils, facilement hydrolysés et solubles dans les solvants organiques ). De nombreux polonides métalliques, obtenus en chauffant les éléments ensemble à 500–1 000 °C, et contenant l' anion Po ²⁻ , sont également connus.

Astatine

En tant qu'halogène , l'astate a tendance à être classée comme un non-métal. Il a des propriétés métalliques marquées et est parfois plutôt classé comme métalloïde ou (moins souvent) comme métal. Immédiatement après sa production en 1940, les premiers enquêteurs le considéraient comme un métal. En 1949, il était appelé le non-métal le plus noble (difficile à réduire ) tout en étant un métal relativement noble (difficile à oxyder). En 1950, l'astate a été décrite comme un halogène et (par conséquent) un non-métal réactif . En 2013, sur la base d'une modélisation relativiste , l'astate était prédit comme un métal monoatomique, avec une structure cristalline cubique à faces centrées .

Plusieurs auteurs ont commenté la nature métallique de certaines propriétés de l'astate. Étant donné que l'iode est un semi-conducteur dans la direction de ses plans et que les halogènes deviennent plus métalliques avec l'augmentation du nombre atomique, il a été présumé que l'astate serait un métal s'il pouvait former une phase condensée. L'astate peut être métallique à l'état liquide car les éléments ayant une enthalpie de vaporisation (∆H _vap ) supérieure à ~42 kJ/mol sont métalliques lorsqu'ils sont liquides. De tels éléments comprennent le bore, le silicium, le germanium, l'antimoine, le sélénium et le tellure. Les valeurs estimées pour le ∆H _vap de l' astatine diatomique sont de 50 kJ/mol ou plus ; l'iode diatomique, avec un _{H vap} de 41,71, est juste en deçà du seuil.

"Comme les métaux typiques, il [astatine] est précipité par le sulfure d'hydrogène même à partir de solutions fortement acides et est déplacé sous forme libre à partir de solutions de sulfate; il est déposé sur la cathode lors de l' électrolyse ." D'autres indications d'une tendance de l'astate à se comporter comme un métal (lourd) sont : "... la formation de composés pseudohalogénures ... des complexes de cations astate... des anions complexes d'astate trivalent... variété de solvants organiques". Il a également été avancé que l'astate présente un comportement cationique, par le biais de formes stables At ⁺ et AtO ⁺ , dans des solutions aqueuses fortement acides.

Certaines des propriétés signalées de l'astate ne sont pas métalliques. Il a été extrapolé pour avoir la gamme liquide étroite habituellement associée aux non-métaux (mp 302 °C; bp 337 °C), bien que les indications expérimentales suggèrent un point d'ébullition inférieur d'environ 230±3 °C. Batsanov donne une énergie de bande interdite calculée pour l'astate de 0,7 eV ; ceci est cohérent avec les non-métaux (en physique) ayant des bandes de valence et de conduction séparées et étant ainsi soit des semi-conducteurs, soit des isolants. La chimie de l'astate en solution aqueuse est principalement caractérisée par la formation de diverses espèces anioniques. La plupart de ses composés connus ressemblent à ceux de l'iode, qui est un halogène et un non-métal. Ces composés comprennent les astatides (XAt), les astatates (XAtO ₃ ) et les composés interhalogènes monovalents .

Restrepo et al. ont rapporté que l'astate semblait être plus semblable au polonium qu'à l'halogène. Ils l'ont fait sur la base d'études comparatives détaillées des propriétés connues et interpolées de 72 éléments.

Concepts associés

Près des métalloïdes

Cristaux d' iode , montrant un éclat métallique . L'iode est un semi - conducteur dans la direction de ses plans, avec une bande interdite d'environ 1,3 eV. Il a une conductivité électrique de 1,7 × 10 ^-8  S•cm ^-1 à température ambiante . C'est plus élevé que le sélénium mais inférieur au bore, le moins électriquement conducteur des métalloïdes reconnus.

Dans le tableau périodique, certains des éléments adjacents aux métalloïdes communément reconnus, bien que généralement classés comme métaux ou non-métaux, sont parfois appelés quasi-métalloïdes ou notés pour leur caractère métalloïdal. À gauche de la ligne de séparation métal-non-métal, ces éléments comprennent le gallium, l'étain et le bismuth. Ils présentent des structures de tassement inhabituelles, une chimie covalente marquée (moléculaire ou polymérique) et un amphotère. A droite de la ligne de démarcation se trouvent le carbone, le phosphore, le sélénium et l'iode. Ils présentent un éclat métallique, des propriétés semi-conductrices et des bandes de liaison ou de valence à caractère délocalisé. Ceci s'applique à leurs formes les plus thermodynamiquement stables dans les conditions ambiantes : le carbone sous forme de graphite ; phosphore sous forme de phosphore noir; et le sélénium sous forme de sélénium gris.

Allotropes

Étain blanc (à gauche) et étain gris (à droite). Les deux formes ont un aspect métallique.

Différentes formes cristallines d'un élément sont appelées allotropes . Certains allotropes, en particulier ceux des éléments situés (en termes de tableau périodique) à côté ou à proximité de la ligne de démarcation notionnelle entre les métaux et les non-métaux, présentent un comportement métallique, métalloïdal ou non métallique plus prononcé que d'autres. L'existence de tels allotropes peut compliquer la classification des éléments impliqués.

L'étain, par exemple, a deux allotropes : le -étain "blanc" tétragonal et le -étain "gris" cubique. L'étain blanc est un métal très brillant, ductile et malléable. C'est la forme stable à ou au-dessus de la température ambiante et a une conductivité électrique de 9,17 × 10 ⁴  S·cm ⁻¹ (~1/6e de celle du cuivre). L'étain gris a généralement l'apparence d'une poudre microcristalline grise et peut également être préparé sous des formes cristallines ou polycristallines semi-lustrées fragiles . C'est la forme stable en dessous de 13,2 °C et a une conductivité électrique comprise entre (2–5) × 10 ²  S·cm ⁻¹ (~1/250e de celle de l'étain blanc). L'étain gris a la même structure cristalline que celle du diamant. Il se comporte comme un semi-conducteur (comme s'il avait une bande interdite de 0,08 eV), mais a la structure de bande électronique d'un semi-métal. Il a été appelé soit un métal très pauvre, un métalloïde, un non-métal ou un métalloïde proche.

Le allotrope de diamant de carbone est clairement non métallique, étant translucide et ayant une faible conductivité électrique de 10 ^-14 à 10 ^-16  S · cm ^-1 . Le graphite a une conductivité électrique de 3 × 10 ⁴  S·cm ^-1 , un chiffre plus caractéristique d'un métal. Le phosphore, le soufre, l'arsenic, le sélénium, l'antimoine et le bismuth ont également des allotropes moins stables qui présentent des comportements différents.

Abondance, extraction et coût

Abondance

Le tableau donne les abondances crustales des éléments communément à rarement reconnus comme métalloïdes. Quelques autres éléments sont inclus à titre de comparaison : l'oxygène et le xénon (les éléments les plus et les moins abondants avec des isotopes stables) ; le fer et les métaux de la monnaie, le cuivre, l'argent et l'or ; et le rhénium, le métal stable le moins abondant (l'aluminium est normalement le métal le plus abondant). Diverses estimations d'abondance ont été publiées; ceux-ci sont souvent en désaccord dans une certaine mesure.

Extraction

Les métalloïdes reconnus peuvent être obtenus par réduction chimique soit de leurs oxydes, soit de leurs sulfures . Des méthodes d'extraction plus simples ou plus complexes peuvent être employées en fonction de la forme de départ et des facteurs économiques. Le bore est obtenu en routine en réduisant le trioxyde avec du magnésium : B ₂ O ₃ + 3 Mg → 2 B + 3MgO ; après traitement secondaire, la poudre brune résultante a une pureté allant jusqu'à 97 %. Le bore de pureté supérieure (> 99 %) est préparé en chauffant des composés volatils du bore, tels que BCl ₃ ou BBr ₃ , soit dans une atmosphère d'hydrogène (2 BX ₃ + 3 H ₂ → 2 B + 6 HX) soit au point de décomposition thermique . Le silicium et le germanium sont obtenus à partir de leurs oxydes en chauffant l'oxyde avec du carbone ou de l'hydrogène : SiO ₂ + C → Si + CO ₂ ; GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O. L'arsenic est isolé de sa pyrite (FeAsS) ou de sa pyrite arsenicale (FeAs ₂ ) par chauffage; alternativement, il peut être obtenu à partir de son oxyde par réduction avec du carbone : 2 As ₂ O ₃ + 3 C → 2 As + 3 CO ₂ . L'antimoine est dérivé de son sulfure par réduction avec du fer : Sb ₂ S ₃ → 2 Sb + 3 FeS. Le tellure est préparé à partir de son oxyde en le dissolvant dans du NaOH aqueux, donnant du tellurite, puis par réduction électrolytique : TeO ₂ + 2 NaOH → Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O ; Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O → Te + 2 NaOH + O ₂ . Une autre option est la réduction de l'oxyde par grillage au charbon : TeO ₂ + C → Te + CO ₂ .

Les méthodes de production des éléments moins fréquemment reconnus comme métalloïdes impliquent un traitement naturel, une réduction électrolytique ou chimique, ou une irradiation. Le carbone (sous forme de graphite) se produit naturellement et est extrait en broyant la roche mère et en faisant flotter le graphite plus léger à la surface. L'aluminium est extrait par dissolution de son oxyde Al ₂ O ₃ dans la cryolithe fondue Na ₃ AlF ₆ puis par réduction électrolytique à haute température. Le sélénium est produit en grillant les séléniures métalliques de la monnaie X ₂ Se (X = Cu, Ag, Au) avec du carbonate de sodium pour donner le sélénite : X ₂ Se + O ₂ + Na ₂ CO ₃ → Na ₂ SeO ₃ + 2 X + CO ₂ ; le séléniure est neutralisé par l'acide sulfurique H ₂ SO ₄ pour donner l' acide séléneux H ₂ SeO ₃ ; ceci est réduit par barbotage avec du SO ₂ pour produire du sélénium élémentaire. Le polonium et l'astate sont produits en quantités infimes en irradiant le bismuth.

Coût

Les métalloïdes reconnus et leurs plus proches voisins coûtent pour la plupart moins cher que l'argent ; seuls le polonium et l'astate sont plus chers que l'or, en raison de leur radioactivité importante. Au 5 avril 2014, les prix des petits échantillons (jusqu'à 100 g) de silicium, d'antimoine et de tellure, ainsi que de graphite, d'aluminium et de sélénium s'élevaient en moyenne à environ un tiers du coût de l'argent (1,5 USD le gramme ou environ 45 USD l'once). Les échantillons de bore, de germanium et d'arsenic coûtent en moyenne environ trois fois et demie le coût de l'argent. Le polonium est disponible pour environ 100 $ le microgramme . Zalutsky et Pruszynski estiment un coût similaire pour la production d'astate. Les prix des éléments applicables négociés en tant que matières premières ont tendance à varier de deux à trois fois moins cher que le prix de l'échantillon (Ge), à ​​près de trois mille fois moins cher (As).

Remarques

Les références

Sources

Lectures complémentaires

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