Metalloidi – Definizione, proprietà e applicazioni

Cosa sono i metalloidi?

I metalloidi sono elementi distintivi che possiedono proprietà intermedie tra i metalli e i non metalli. Queste proprietà intermedie includono l’elettronegatività, la densità, l’energia di ionizzazione, la resistenza, la conducibilità termica, il punto di fusione e la conducibilità elettrica.

La serie specifica di proprietà fisiche, chimiche e meccaniche dei metalloidi li rende ideali per applicazioni specializzate, come i semiconduttori e la generazione di energia solare. Inoltre, sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni generali, tra cui farmaci, erbicidi e insetticidi.

Una delle ragioni delle proprietà intermedie dei metalloidi è il numero di elettroni di valenza nel loro guscio esterno. I metalli possiedono in genere da uno a tre elettroni nel loro guscio esterno, mentre i non metalli ne hanno da quattro a sette. I metalloidi contengono da tre a sei elettroni nel loro guscio di valenza, consentendo loro di formare composti intermetallici con i metalli (legami ionici) e legami covalenti con i non metalli.

Alcune fonti identificano sei elementi metalloidi, mentre altre ne riconoscono addirittura otto. Gli elementi comunemente riconosciuti nel gruppo dei metalloidi includono boro (B), arsenico (As), silicio (Si), antimonio (Sb), polonio (Po), tellurio (Te), germanio (Ge) e astatino (At).

Metalloidi sulla Tavola Periodica

I metalloidi formano una linea a zig-zag nel blocco p della tavola periodica, che è la sezione in rilievo sul lato destro della tavola. Questa linea a zig-zag inizia dal boro nel gruppo 13, si sposta in diagonale verso il silicio e poi continua in modo simile a un passo fino all’astatina nel gruppo 17. I gruppi si riferiscono alla numerazione delle colonne della tavola periodica.

Sul lato sinistro della linea dei metalloidi a zig-zag, troviamo i metalli (ad eccezione dell’idrogeno). Sul lato destro, troviamo i non metalli. Pertanto, il i metalloidi creano una linea di demarcazione tra metalli e non metalli. nella tavola periodica.

Proprietà generali dei metalloidi

I metalloidi presentano una combinazione unica di proprietà che non sono presenti in altri elementi. Alcune di queste proprietà includono:

Conduttività elettrica variabile

La conducibilità elettrica dei metalloidi è intermedia e si colloca tra quella dei metalli e dei non metalli. Ciò è attribuito alle loro strutture a bande elettroniche, che assomigliano a quelle dei semimetalli o dei semiconduttori.

Tuttavia, possiamo migliorare la loro conduttività attraverso il drogaggio. Questo processo consente di creare componenti elettronici essenziali, come diodi, transistor e circuiti integrati, che sono fondamentali per l’informatica moderna.

Aspetto

I metalloidi hanno un aspetto metallico e sono solidi a temperatura ambiente. Le loro superfici lucide e riflettenti spesso portano a identificarli erroneamente come metalli. Questa lucentezza metallica è anche la ragione dell’origine del loro nome; metalloide significa simile al metallo in latino/greco.

Conducibilità termica

I metalloidi presentano una conducibilità termica moderata, superiore a quella dei non metalli ma inferiore a quella dei metalli. Anche tra gli otto metalloidi, la conducibilità termica varia in modo significativo. Alcuni metalloidi sono efficaci conduttori di calore, mentre altri funzionano come isolanti quasi perfetti. Questa proprietà consente di utilizzare alcuni metalloidi nei dispositivi termoelettrici.

Fragilità

A differenza dei metalli, i metalloidi non hanno le proprietà fisiche di duttilità e malleabilità. Si rompono facilmente e non hanno la forza necessaria per le applicazioni strutturali.

Reattività chimica

I metalloidi sono abbastanza reattivi con i metalli e i non metalli. Sono comuni nelle leghe metalliche come additivi a migliorare le proprietà dei metalli di transizione, offrendo vantaggi come una maggiore forza e una migliore resistenza alla corrosione.

Con i non metalli, i metalloidi formano legami covalenti condividendo gli elettroni. Le loro reazioni con gli alogeni formano composti come il trifluoruro di boro, il triossido di antimonio e il tetraalide di silicio.

Metalloidi comuni e loro applicazioni

Tutti i metalloidi condividono alcune proprietà comuni; tuttavia, a differenza di altri gruppi di elementi come gli alogeni, i metalli alcalini o i metalli alcalino-terrosi, ogni metalloide possiede anche caratteristiche uniche. Questa diversità consente di utilizzare i metalloidi in un’ampia gamma di applicazioni.

Boro (B)

Il boro è un metalloide nero e lucente che costituisce circa lo 0,001% della crosta terrestre in peso. È il più duro di tutti i metalloidi e presenta eccellente resistenza al calore. Il suo valore di durezza Mohs è 9,3, rispetto al 10 del diamante, che è il materiale più duro conosciuto.

Il boro è un elemento versatile con una serie di applicazioni. Una di queste è la produzione di vetro borosilicato, un vetro speciale ad alta resistenza termica e chimica. Viene anche utilizzato per produrre ritardanti di fiamma, cosmetici, insetticidi e detergenti.

Le leghe di nichel-boro sono utilizzate come leghe master per formare leghe come le superleghe a base di nichel, gli acciai speciali e le leghe di saldatura.

Il boro è fondamentale anche per il drogaggio del silicio. Il drogaggio ci permette di produrre semiconduttori a base di silicio, indispensabili per l’informatica moderna.

Silicio (Si)

Il silicio è il metalloide più conosciuto e il il secondo elemento più abbondante sulla Terradopo l’ossigeno. Costituisce circa il 27% della crosta terrestre in peso.

Generalmente è inerte a temperatura ambiente, tuttavia la sua reattività aumenta con la temperatura. Si combina con l’ossigeno per formare la silice (biossido di silicio), che si trova nella maggior parte delle argille, rocce, sabbie e terreni. Si combina con la maggior parte dei metalli e delle leghe metalliche, conferendo proprietà come fluidità, resistenza alla corrosione, forza e resistenza al calore.

La silice e il silicio puro sono materiali essenziali per l’informatica moderna. La silice viene utilizzata per produrre condensatori che immagazzinano energia elettrica nei circuiti. Il silicio, che viene utilizzato per produrre componenti elettronici critici dei chipci permette di creare dispositivi elettronici più piccoli, più veloci e più potenti.

Germanio (Ge)

Direttamente sotto il silicio nella tavola periodica, c’è il metalloide germanio, con un numero atomico di 32.

Il germanio è più abbondante di altri metalloidi, come l’arsenico e l’antimonio. Tuttavia, il suo elevata reattività con altri elementi significa che non si trova in natura nella sua forma elementare. A temperatura ambiente, il germanio ha una struttura dura e fragile e non reagisce con l’aria. Tuttavia, con l’aumento della temperatura, aumenta anche la sua reattività, portando alla formazione di ossidi a circa 600-700 gradi Celsius (1000-1100 gradi Fahrenheit).

Il germanio viene utilizzato anche nelle applicazioni dei semiconduttori, anche se in misura minore rispetto al silicio. Inoltre, ha applicazioni in medicina e nella produzione di monete.

Arsenico (As)

L’elemento chimico arsenico, che appartiene al gruppo 15 e ha un numero atomico di 33, è un metalloide noto per le sue proprietà di natura tossica. A temperatura ambiente, l’arsenico è stabile e non reagisce con l’aria. Tuttavia, in presenza di umidità, si ossida formando un’appannamento color oro-bronzo che alla fine diventa nero.

L’esposizione a lungo termine all’arsenico attraverso il cibo e l’acqua può portare a malattie gravi, tra cui il cancro. Tuttavia, vale la pena notare che l’arsenico è un oligoelemento essenziale per alcuni organismi. Svolge un ruolo diretto e indiretto nella produzione di agenti biologici benefici e dannosi.

L’arsenico viene utilizzato anche in altri settori, come la produzione di vetro, la produzione di semiconduttori, i prodotti chimici per l’agricoltura e l’industria mineraria.

Antimonio (Sb)

L’antimonio, con il numero atomico 51, si trova nel gruppo 15 della tavola periodica, direttamente sotto l’arsenico. Possiede un struttura dura e fragilecaratterizzata da un aspetto argenteo.

La maggior parte dell’antimonio viene estratta dal suo minerale solfuro, la stibnite, e Cina, Russia, Bolivia e Kirghizistan detengono la maggior parte delle riserve di antimonio. Inoltre, la Cina è il maggior produttore di antimonio al mondo.

L’antimonio è stato tradizionalmente utilizzato in applicazioni medicinali e cosmetiche. Nel corso del tempo, è diventato prezioso anche nella produzione di materiali ritardanti di fiamma, vernici, batterie, vetro, ceramica, supporti di archiviazione ottica e dispositivi semiconduttori come diodi e rilevatori a infrarossi.

Per l’Europa e gli Stati Uniti, l’antimonio è un elemento critico, in quanto il 100% di esso viene importato. Un’interruzione delle forniture potrebbe avere un grave impatto su industrie essenziali come quelle automobilistiche, edilizie e della difesa.

Tellurio (Te)

Il tellurio è un metalloide raro, di colore bianco-argenteo, scoperto per la prima volta nelle miniere d’oro come tellururo d’oro (alias calaverite). Con un’abbondanza di 1 parte per miliardo (1 microgrammo per chilogrammo), il tellurio è raro come il platino.

Finora non sono state identificate applicazioni su larga scala del tellurio. Nell’industria, il tellurio viene utilizzato principalmente come elemento di lega e nella produzione di pannelli solari e dispositivi termoelettrici.

Polonio (Po)

Il polonio è un metallo radioattivo che a volte viene classificato come metalloide. Ha 42 isotopi, nessuno dei quali è stabile e tutti sono radioattivi. L’emivita degli isotopi del polonio varia da 115 nanosecondi (miliardesimo di secondo) per Po-205m4 a 124 anni per Po-209.

Il polonio ha diverse applicazioni, che sfruttano tutte le sue proprietà radioattive. Alcune di queste sono:

1. Come generatore termoelettrico per i voli spaziali
2. Come dispositivo antistatico per eliminare le cariche statiche
3. Come sorgente di neutroni in combinazione con il berillio

Astatina (At)

Tuttavia, l’astatina è generalmente classificata come un metalloide, alcune classificazioni la classificano come un non metallo. È il penultimo elemento del gruppo degli alogeni, preceduto da fluoro, cloro, bromo e iodio, e presenta diverse proprietà comuni con questi elementi.

L’astatina è altamente radioattiva. Le sue proprietà non sono ancora state studiate in dettaglio, poiché non è mai stato sintetizzato in quantità sufficienti per un’analisi approfondita. Inoltre, sublima così rapidamente che se ne può perdere la metà in un’ora.

L’astatina ha applicazioni limitate a causa della sua radioattività e della sua breve emivita. Tuttavia, è stato utilizzato nella ricerca, soprattutto come tracciante radioattivo e nel trattamento del cancro alla tiroide.

Conclusione

I metalloidi sono un importante gruppo di elementi che colmano il divario tra metalli e non metalli. La loro combinazione di proprietà metalliche e non metalliche ne consente l’utilizzo in settori molto diversi, dall’agricoltura all’archiviazione ottica e all’optoelettronica.

Le loro proprietà semiconduttive, in particolare, hanno fatto progredire in modo significativo la tecnologia e l’informatica moderna. Alcuni metalloidi, come l’arsenico, sono tossici, tuttavia il loro uso controllato offre vantaggi ineguagliabili in vari settori.

Per questi motivi, si prevede una crescita della domanda di metalloidi. Tuttavia, la scarsità di alcuni metalloidi li ha resi elementi critici. Ad esempio, la produzione di antimonio è in calo, poiché le fonti esistenti si stanno esaurendo rapidamente, senza che vengano scoperti nuovi sostituti.

Ciò ha reso sempre più importante identificare fonti sostenibili per i metalloidi. Sono in corso sforzi per ricercare, conservare e riciclare i metalloidi.

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