Métalloïdes : 6 éléments courants, leurs propriétés et leurs applications

Les métalloïdes

Les métalloïdes Les non-métaux se situent entre les métaux et les métaux en termes de comportement. Ils ne se comportent pas entièrement comme l'un ou l'autre groupe. Le silicium, le bore, le germanium, l'arsenic, l'antimoine et le tellure sont généralement classés dans ce groupe, bien que la liste exacte puisse varier.

Pour bien comprendre les métalloïdes, il est utile d'examiner leur rôle dans un matériau plutôt que leur position dans le tableau périodique. Nombre d'entre eux sont cassants et durs, ce qui peut empêcher leur utilisation dans des pièces nécessitant des contraintes de flexion, d'étirement et de résistance à la charge. 

Leurs propriétés électriques leur confèrent un intérêt majeur en ingénierie. Par exemple, le silicium peut, dans certaines situations, diriger le flux d'un courant électrique, ce qui est essentiel pour les composants semi-conducteurs. L'association de métaux avec d'autres éléments confère également des propriétés utiles aux métalloïdes. De faibles ajouts peuvent modifier le comportement de l'alliage, et certains métalloïdes permettent d'obtenir les propriétés électriques requises pour les dispositifs électroniques. 

L'une des premières découvertes est l'antimoine. Les composés d'antimoine étaient utilisés comme pigments et médicaments. l'Egypte ancienneCe ne sont là que quelques exemples d'utilisations initiales qui se sont depuis développées et sont désormais utilisées dans des applications modernes telles que la technologie des semi-conducteurs, les matériaux spéciaux, la production d'alliages et les composants électroniques.

Les sections ci-dessous portent sur les propriétés qui rendent les métalloïdes utiles, sur leurs différences avec les métaux et les non-métaux, et sur les utilisations des métalloïdes en ingénierie et en fabrication.

Que sont les métalloïdes ?

Métalloïde à l'état brut

Les métalloïdes sont des éléments que l'on trouve généralement à la frontière entre les métaux et les non-métaux dans le tableau périodique. Ils ne se classent pas facilement dans l'un ou l'autre de ces groupes. Leur comportement peut être très différent en présence de n'importe quel élément et pour n'importe quelle application.

Le bore, le silicium, le germanium, l'arsenic, l'antimoine et le tellure sont les métalloïdes les plus courants. Durs et cassants, ils ne sont pas utilisés comme les métaux de construction classiques tels que l'acier, l'aluminium ou le cuivre. Leur intérêt réside dans leurs autres propriétés, notamment électriques et chimiques.

L'un des exemples les plus flagrants est le silicium. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un matériau porteur traditionnel, ses propriétés de contrôle de la conductivité électrique sont essentielles à la fabrication des semi-conducteurs. Le bore, quant à lui, joue un rôle différent. Dans certains aciers, de faibles quantités d'éléments d'addition permettent d'améliorer la trempabilité et facilitent le traitement thermique.

Cette classification n'est pas définitive. Notez que certaines versions du tableau périodique incluent certains éléments et d'autres non. La réponse est simple : aucune propriété unique ne distingue les métalloïdes des deux groupes d'éléments adjacents.

Quels éléments sont des métalloïdes ?

Éléments de métalloïdes

Les 6 éléments suivants sont le plus souvent regroupés avec les métalloïdes :

1. Bore (B)
2. Silicium (Si)
3. Germanium (Ge)
4. Arsenic (As)
5. Antimoine (Sb)
6. Tellure (Te)

D'autres classifications incluent également le polonium, l'astate et le bismuth. Ils sont classés selon leurs caractéristiques et la classification établie par la source.

Bore

Bore

Le bore n'est pas utilisé pur dans la fabrication de composants mécaniques. Son utilisation comme élément d'alliage mineur est plus courante. Dans certains aciers, le bore peut également améliorer la trempabilité, ce qui signifie qu'il permet d'obtenir une dureté plus élevée en profondeur après traitement thermique.

Silicone

Silicone

Les applications industrielles du silicium sont bien plus vastes. C'est le principal matériau semi-conducteur utilisé dans les circuits intégrés, les capteurs et de nombreux composants électroniques. On peut également l'incorporer à des métaux comme l'acier ou les alliages d'aluminium afin d'en modifier les propriétés spécifiques.

Germanium

Germanium

Le germanium est utilisé dans les dispositifs semi-conducteurs et en optique spéciale. Il possède également des propriétés intéressantes de transmission infrarouge et peut donc être utilisé dans d'autres composants électroniques.

Arsenic

Arsenic

L'exposition à l'arsenic se fait principalement par le biais de composés et de produits spécifiques. L'arséniure de gallium en est un exemple. Ses propriétés électriques lui confèrent des avantages par rapport aux dispositifs classiques en silicium, et il est utilisé dans les dispositifs électroniques et optoélectroniques.

Antimoine

Antimoine

L'antimoine est couramment utilisé comme élément d'alliage. Les alliages d'antimoine sont utilisés dans les batteries pour les grilles, et les composés d'antimoine sont également utilisés dans les systèmes ignifuges et d'autres applications industrielles.

Tellure

Tellure

Le tellure a des applications particulières. Dans certains aciers, l'ajout de faibles quantités modifie la nature des copeaux formés lors de la coupe, ce qui améliore l'usinabilité de l'acier. Il est également utilisé dans les matériaux semi-conducteurs et thermoélectriques.

Autres éléments parfois inclus

Il existe quelques listes qui incluent Polonium, astate et bismuth en tant que métalloïdes. Leur classification est moins uniforme que celle des six éléments mentionnés précédemment. Le polonium et l'astate sont hautement radioactifs et ne peuvent être utilisés en pratique. Bien que le bismuth soit parfois classé parmi les métalloïdes, il est plus fréquemment utilisé comme métal. Les six éléments bien connus constituent le moyen le plus approprié pour aborder les métalloïdes dans la plupart des discussions d'ingénierie.

Quand les métalloïdes ont-ils été utilisés pour la première fois ?

Certains éléments métalloïdes sont utilisés depuis des millénaires. L'antimoine est l'un des plus anciens. On a retrouvé des composés d'antimoine dans les cosmétiques et les pigments utilisés par les anciens Égyptiens, avant même que cet élément ne soit classé selon les normes modernes.

L'arsenic est également largement utilisé et son usage remonte à une longue histoire. Dès le Moyen Âge, ses composés étaient prisés dans la fabrication de pigments et de divers autres produits. Nombre de ces usages ont été limités par la suite en raison de sa toxicité.

Le développement du silicium est bien plus tardif. Le silicium élémentaire a été découvert en 1823 par Jöns Jacob Berzelius. Avec les progrès de la technologie des semi-conducteurs, son importance s'est rapidement développée. Dans les années 1950, les matériaux à base de silicium ont fait leur entrée dans la fabrication commerciale de l'électronique et sont devenus un composant important de l'électronique moderne.

L'historique est utile car il retrace l'évolution du rôle de ces éléments. Leurs propriétés chimiques et visuelles ont été utilisées pour les premières applications. Leurs propriétés électriques, thermiques et d'alliage sont bien plus exploitées dans les applications modernes.

Quelles sont les propriétés physiques et chimiques des métalloïdes ?

Les métalloïdes ne sont pas des métaux classiques. Ils ont souvent une apparence métallique, mais ils sont durs et cassants, et non ductiles. Cela limite leur utilisation pour les pièces soumises à des contraintes de flexion, de formage ou de résistance aux chocs.

Leurs propriétés électriques sont particulièrement utiles dans de nombreuses applications. Par exemple, le silicium et le germanium peuvent être utilisés comme semi-conducteurs. Leur conductivité peut être modulée par la température, les impuretés et la structure du matériau.

Certains éléments sont plus réactifs chimiquement que d'autres. Les métalloïdes ont tendance à être covalents, et certains d'entre eux peuvent réagir avec les métaux et devenir des agents d'alliage utiles. Il est donc nécessaire de considérer l'élément et le système matériel qui l'entoure, et de ne pas appliquer une règle unique à tous les métalloïdes.

Propriétés physiques des métalloïdes

Physique propriétés des métalloïdes Elles présentent des différences notables au sein du groupe. Du point de vue des matériaux, il convient d'examiner certains points.

De nombreux semi-conducteurs sont des métalloïdes. Le plus connu est le silicium. Sa teneur en impuretés peut être contrôlée, ce qui constitue une étape importante dans la fabrication des semi-conducteurs. À température ambiante, les métalloïdes sont des solides.

• Conductivité thermique: La capacité d'un matériau à conduire la chaleur varie selon les éléments. Leurs conductivités électrique et thermique sont intermédiaires entre celles des bons conducteurs et celles des mauvais conducteurs thermiques.
• Densité: Une large gamme de densités. La densité relative du silicium est de 2.33 et celle de l'antimoine de 6.69. Par conséquent, le terme « métalloïde » ne précise pas l'étendue de ces densités.
• Dureté: La dureté varie également selon ces éléments. Le bore possède la dureté la plus élevée, tandis que l'arsenic, l'antimoine et le tellure ont des valeurs de dureté Mohs comparativement plus faibles. Cette différence aura un impact sur le traitement de chaque matériau et sur son utilisation.
• Propriétés mécaniques: La plupart des métalloïdes sont fragiles et peu ductiles. Ils ne se déforment pas plastiquement sous charge, mais se fragmentent. De ce fait, ils ne conviennent pas à certaines structures traditionnelles lorsqu'ils sont utilisés comme matériau de base.
• Apparence de surface: Certains métalloïdes ont un aspect brillant ou métallique. Cependant, l'apparence ne suffit pas à elle seule pour les classer comme métaux.

Les métalloïdes diffèrent par leur dureté, leur densité, leur point de fusion et leurs propriétés électriques. Les principales valeurs des éléments les plus courants sont indiquées ci-dessous.

L'arsenic se sublime à pression atmosphérique normale.

Ces valeurs illustrent la grande diversité au sein du groupe des métalloïdes. Le bore et le silicium sont relativement durs, tandis que l'antimoine et le tellure sont beaucoup plus mous. Le silicium et le germanium sont principalement utilisés pour leurs propriétés semi-conductrices, tandis que le bore, l'antimoine et le tellure sont également utilisés dans certains alliages.

Propriétés chimiques des métalloïdes

Dans de nombreux cas, ils présentent des propriétés plus proches de celles des non-métaux, mais là encore, cela dépend de l'élément et de la réaction.

• Électronégativités : L'électronégativité des métalloïdes est intermédiaire. Cela modifie leur comportement lors des interactions avec d'autres atomes et le type de liaisons chimiques qu'ils peuvent former.
• Collage: La liaison covalente se produit. Le silicium en est un bon exemple, car il constitue la base de nombreuses structures covalentes fortes qui jouent un rôle important dans ses propriétés matérielles.
• Métalloïdes et métaux : Certains métalloïdes peuvent être mélangés à des métaux pour en modifier les propriétés. L'utilisation du bore dans certains aciers en est une application pratique. Dans le cas du tellure, un élément, seules de faibles quantités peuvent être ajoutées, modifiant ainsi les propriétés de coupe de certains aciers.
• Réactivité chimique : Les métalloïdes peuvent réagir différemment selon les éléments et les conditions. Certains composés se comportent comme des non-métaux, tandis que d'autres réagissent avec les métaux pour donner des produits très différents.

Dans le cadre d'une application d'ingénierie, il est préférable d'étudier chaque métalloïde et son système de matériaux plutôt que de supposer que tous les éléments de ce groupe se comporteront de la même manière.

Le comportement chimique diffère également d'un métalloïde à l'autre. Le silicium forme généralement des composés covalents, tandis que le bore peut être ajouté à certains aciers. Le tellure et l'antimoine sont également utilisés dans des alliages spécifiques. Pour les applications de fabrication, il convient de considérer chaque élément et son utilisation prévue plutôt que de traiter tous les métalloïdes comme un seul groupe de matériaux.

Applications des métalloïdes

Les métalloïdes sont utilisés en électronique, dans les alliages, le verre, les polymères et diverses applications chimiques. Leurs propriétés utiles dépendent de l'élément et de son utilisation.

Matériaux semi-conducteurs

Les métalloïdes sont utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs. Le silicium est généralement utilisé dans les puces, les transistors, les capteurs et autres composants électroniques. Le germanium est également utilisé dans les dispositifs semi-conducteurs. Les composés de l'arsenic, comme l'arséniure de gallium, sont utilisés dans certaines applications électroniques et optoélectroniques. L'antimoine a été employé dans quelques matériaux semi-conducteurs spécifiques. (Consultez notre guide sur : usinage de pièces plastiques)

Ajouts d'alliage

Le bore, le silicium, l'antimoine et le tellure peuvent être incorporés aux métaux pour en modifier certaines propriétés. Dans certains aciers, l'ajout de bore permet d'améliorer la trempabilité après traitement thermique. La teneur en silicium varie selon les nuances d'alliage ; certains alliages d'aluminium en contiennent des quantités relativement élevées, tandis que la plupart des aciers n'en contiennent que de faibles quantités. L'antimoine est ajouté à certains alliages et matériaux spéciaux, comme les alliages à base de plomb.

Production de verre

Pour accroître la résistance d'un verre aux variations brusques de température, on incorpore de l'oxyde de bore au verre à base de silice. C'est pourquoi les appareils de laboratoire, les ustensiles de cuisine et les pièces soumises à des fluctuations de température sont fabriqués en verre borosilicaté.

Produits en silicone

Le silicone est également utilisé pour fabriquer des produits en silicone. Ces matériaux peuvent servir à la fabrication de mastics, de caoutchouc souple, d'isolants, de lubrifiants et de produits moulés. 

Applications chimiques

Quelques composés métalloïdes sont utilisés dans les produits chimiques et médicaux. Les composés du bore sont utilisés dans la fabrication du verre, dans les procédés chimiques et dans certains médicaments. Les composés d'arsenic et d'antimoine ont également été utilisés dans les pesticides et les médicaments. Un certain nombre de ces applications sont désormais considérées comme limitées en raison de leur toxicité.

Conclusion

Les métalloïdes forment un groupe hétérogène, ce qui rend leur description par une règle simple difficile. Le silicium se comporte très différemment du bore, tandis que le tellure et l'antimoine ont leurs propres applications dans les alliages et autres matériaux.

Leurs applications découlent de propriétés spécifiques plutôt que de l'appellation « métalloïde » elle-même. Le silicium est utilisé dans les semi-conducteurs, le bore dans les aciers et le verre, et le tellure peut être ajouté à certains aciers pour améliorer leur usinabilité. D'autres membres de ce groupe sont utilisés dans des applications électroniques et chimiques spécialisées. La classification peut également varier. Six éléments sont généralement considérés comme des métalloïdes, tandis que certaines références en incluent d'autres. La liste exacte dépend donc de la classification utilisée.

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Métalloïdes – FAQ

Que sont les métalloïdes ?

Les métalloïdes sont des éléments présentant des propriétés à la fois métalliques et non métalliques. On les trouve généralement à la frontière entre les métaux et les non-métaux dans le tableau périodique. Le silicium et le bore en sont des exemples courants.

Combien y a-t-il de métalloïdes ?

Les six éléments du tableau périodique généralement considérés comme des métalloïdes sont : le bore, le silicium, le germanium, l’arsenic, l’antimoine et le tellure. Le polonium est également mentionné dans certaines sources, ce qui explique les divergences observées dans le total.

Quels sont les 6 principaux métalloïdes ?

Le bore (B), le silicium (Si), le germanium (Ge), l'arsenic (As), l'antimoine (Sb) et le tellure (Te) sont les six métalloïdes généralement reconnus. Ils se situent à la frontière entre les métaux et les non-métaux dans le tableau périodique.

Pourquoi utilise-t-on les métalloïdes comme semi-conducteurs ?

Certains métalloïdes possèdent des propriétés électriques intermédiaires entre celles des métaux et celles des non-métaux isolants, notamment le silicium et le germanium. Leur conductivité peut être modulée en faisant varier leur température et/ou en y ajoutant de faibles quantités d'autres éléments. Ces propriétés les rendent intéressants pour les dispositifs électroniques.

À quoi servent les métalloïdes ?

Les métalloïdes ont des applications variées, selon l'élément qui les compose. Les cellules solaires et les dispositifs semi-conducteurs sont fabriqués à partir de silicium. Le bore entre dans la composition du verre borosilicaté, et le germanium est utilisé en électronique et dans les applications infrarouges. Quelques alliages et matériaux électroniques contiennent également de l'antimoine et du tellure.