Metalloidi: 6 elementi comuni, proprietà e applicazioni

metalloidi

metalloidi Si collocano tra i metalli e i non metalli in termini di comportamento materiale. Non si comportano completamente come nessuno dei due gruppi. Silicio, boro, germanio, arsenico, antimonio e tellurio sono comunemente inclusi in questo gruppo, sebbene l'elenco esatto possa variare.

Un modo utile per comprendere i metalloidi è quello di osservare il loro comportamento all'interno di un materiale, piuttosto che limitarsi alla loro posizione nella tavola periodica. Molti sono fragili e duri, il che può impedirne l'utilizzo in componenti che richiedono flessione, allungamento e resistenza al carico. 

Hanno una maggiore utilità ingegneristica nelle loro proprietà elettriche. Ad esempio, il silicio, in determinate situazioni, può direzionare il flusso di una corrente elettrica, e questo è importante per i componenti a semiconduttore. La combinazione di metalli con altri elementi rende i metalloidi altrettanto utili. Piccole aggiunte possono modificare il comportamento della lega e alcuni materiali metalloidi possono essere utilizzati per fornire le proprietà elettriche richieste per i dispositivi elettronici. 

Una delle prime scoperte è l'antimonio. I composti di antimonio venivano usati come pigmenti e medicinali in antico EgittoQuesti sono solo alcuni degli usi iniziali che si sono poi ampliati e ora trovano impiego in applicazioni moderne come la tecnologia dei semiconduttori, i materiali speciali, la produzione di leghe e i componenti elettronici.

Le sezioni seguenti si concentrano sulle proprietà che rendono utili i metalloidi, su come differiscono dai metalli e dai non metalli e sulla usi dei metalloidi nell'ingegneria e nella produzione.

Cosa sono i metalloidi?

Metalloide allo stato grezzo

I metalloidi sono elementi che si trovano comunemente lungo il confine tra metalli e non metalli nella tavola periodica. Non rientrano nettamente in nessuna delle due categorie. Possono comportarsi in modo molto diverso in presenza di qualsiasi elemento e a seconda dell'applicazione.

Boro, silicio, germanio, arsenico, antimonio e tellurio sono i metalloidi più comuni. Duri e fragili, non vengono utilizzati come i metalli strutturali comuni quali acciaio, alluminio o rame. Sono utili per altre proprietà, in particolare quelle elettriche e chimiche.

Uno degli esempi più ovvi è il silicio. Non è un materiale tradizionalmente utilizzato per applicazioni strutturali, ma le sue proprietà di controllo della conduttività elettrica sono essenziali nella produzione di semiconduttori. Il boro ha un ruolo diverso. In alcuni acciai, piccole quantità aggiunte possono essere utilizzate per migliorarne la temprabilità, facilitando il trattamento termico.

Questa classificazione non è definitiva. Si noti che alcune tabelle della tavola periodica includono alcuni elementi e altre no. La risposta è semplice: non esiste un'unica proprietà che distingua i metalloidi dai due gruppi di elementi adiacenti.

Quali elementi sono metalloidi?

Elementi dei metalloidi

I seguenti 6 elementi sono più spesso raggruppati con i metalloidi:

1. Boro (B)
2. Silicone (Si)
3. Germanio (Ge)
4. Arsenico (As)
5. Antimonio (Sb)
6. Tellurio (Te)

Altre classificazioni includono il polonio, l'astato e il bismuto. Vengono classificati in base alle loro caratteristiche e alla provenienza.

Boro

Boro

Il boro non viene utilizzato da solo nei componenti ingegneristici. Più utile è il suo impiego come elemento di lega in piccole quantità. In alcuni acciai, il boro può anche migliorarne la temprabilità, il che significa che può contribuire a far sì che l'acciaio raggiunga una maggiore durezza in profondità nella sua sezione trasversale durante il trattamento termico.

Silicio

Silicio

Il silicio trova applicazione in ambito industriale in una gamma molto più ampia. È il principale materiale semiconduttore utilizzato nei circuiti integrati, nei sensori e in numerosi dispositivi elettronici. Può anche essere introdotto in metalli come l'acciaio o le leghe di alluminio per modificarne specifiche proprietà.

Germanio

Germanio

Il germanio viene utilizzato nei dispositivi a semiconduttore e nell'ottica speciale. Possiede inoltre utili proprietà di trasmissione nell'infrarosso e, pertanto, può essere impiegato anche in altri componenti elettronici.

Arsenico

Arsenico

La principale fonte di esposizione all'arsenico è rappresentata dai composti e dai prodotti speciali. L'arseniuro di gallio ne è un esempio. Le sue proprietà elettriche gli conferiscono vantaggi rispetto ai dispositivi convenzionali al silicio, e per questo viene utilizzato in dispositivi elettronici e optoelettronici.

Antimonio

Antimonio

L'antimonio è comunemente usato come elemento di lega. Le leghe di antimonio sono utilizzate nelle batterie per le griglie delle batterie, e i composti di antimonio sono utilizzati anche nei sistemi ignifughi e in altre applicazioni industriali.

Tellurio

Tellurio

Il tellurio ha alcune applicazioni particolari. In alcuni acciai, se aggiunto in piccole quantità, influenza la natura dei trucioli che si formano durante il taglio, migliorando così la lavorabilità dell'acciaio. Trova inoltre impiego nei materiali semiconduttori e termoelettrici.

Altri elementi talvolta discussi

Ci sono alcuni elenchi che includono Polonio, Astato e Bismuto come metalloidi. La loro classificazione non è così coerente come quella dei 6 elementi sopra menzionati. Il polonio e l'astato sono altamente radioattivi e non possono essere utilizzati nella pratica. Sebbene il bismuto sia talvolta classificato come metalloide, è più frequentemente utilizzato come metallo. I sei elementi più noti rappresentano il mezzo più appropriato per discutere di metalloidi nella maggior parte delle discussioni ingegneristiche.

Quando sono stati utilizzati per la prima volta i metalloidi?

Alcuni elementi metalloidi sono stati utilizzati per migliaia di anni. Uno dei primi esempi è l'antimonio. Composti di antimonio sono stati rinvenuti in cosmetici e pigmenti utilizzati dagli antichi Egizi, prima ancora che l'elemento ricevesse una classificazione moderna.

L'arsenico è ampiamente utilizzato e vanta una lunga storia di impiego. Già nel Medioevo, i composti dell'arsenico divennero popolari nei pigmenti e in diversi altri prodotti. Molti di questi usi furono in seguito limitati dalla sua tossicità.

Lo sviluppo del silicio avvenne molto più tardi. Il silicio elementare fu scoperto nel 1823 di Jöns Jacob Berzelius. Con il progresso della tecnologia dei semiconduttori, la sua importanza è cresciuta rapidamente. Negli anni '1950, i materiali a base di silicio erano entrati a far parte della produzione elettronica commerciale di routine e stavano diventando un componente importante dell'elettronica moderna.

La storia è utile perché ripercorre l'evoluzione del ruolo di questi elementi. Le loro proprietà chimiche e visive furono sfruttate nelle prime applicazioni. Il loro comportamento elettrico, termico e di lega è invece molto più utilizzato nelle applicazioni moderne.

Quali sono le proprietà fisiche e chimiche dei metalloidi?

I metalloidi non sono metalli tipici. Spesso hanno un aspetto metallico, ma sono duri e fragili, non duttili. Ciò ne limita le applicazioni per componenti che richiedono piegatura, formatura o resistenza agli urti.

Le loro proprietà elettriche sono più utili in molte applicazioni. Ad esempio, il silicio e il germanio possono essere utilizzati come semiconduttori. La conduttività di questi materiali può essere modificata variando la temperatura, le impurità e le tecniche di lavorazione.

Alcuni elementi sono più reattivi chimicamente di altri. I metalloidi tendono ad essere covalenti e alcuni di essi possono reagire con i metalli diventando utili agenti di lega. Pertanto, è necessario considerare l'elemento e il sistema materiale che lo circonda, e non applicare una regola unica a tutti i metalloidi.

Proprietà fisiche dei metalloidi

Fisico proprietà dei metalloidi sono piuttosto diversi all'interno del gruppo. Vale la pena soffermarsi su alcuni punti dal punto di vista dei materiali.

Molti semiconduttori sono metalloidi. Il più noto è il silicio. La sua caratteristica principale è la possibilità di controllarne la composizione tramite impurità, un aspetto fondamentale nella produzione di semiconduttori. A temperatura ambiente, i metalloidi sono solidi.

• Conduttività termica: La capacità di un materiale di condurre il calore varia a seconda dell'elemento. Essi presentano conduttività elettrica e termica intermedie tra quelle dei buoni conduttori e quelle dei cattivi conduttori termici.
• Densità: Un'ampia gamma di densità. La densità relativa del silicio è 2.33 e quella dell'antimonio è 6.69. Pertanto, il termine "metalloide" non indica quale sia la gamma di densità.
• Durezza: Anche la durezza varia a seconda dell'elemento. Il boro ha la durezza più elevata, mentre l'arsenico, l'antimonio e il tellurio presentano valori di durezza Mohs relativamente inferiori. Questa differenza influirà sulla lavorazione di ciascun materiale e sul suo utilizzo.
• Proprietà meccaniche: La maggior parte dei metalloidi è fragile e non molto duttile. Non si deformano plasticamente sotto carico, ma si frammentano. Questo li rende inadatti per alcuni elementi strutturali tradizionali quando vengono utilizzati come materiale di base.
• Aspetto della superficie: Alcuni metalloidi hanno un aspetto brillante o metallico. Guardate questo, tuttavia, l'aspetto non è sufficiente per classificarli come metalli.

I metalloidi differiscono per durezza, densità, punto di fusione e comportamento elettrico. I valori principali per gli elementi più comunemente riconosciuti sono riportati di seguito.

L'arsenico sublima a pressione atmosferica normale.

Questi valori mostrano l'ampia gamma all'interno del gruppo dei metalloidi. Il boro e il silicio sono relativamente duri, mentre l'antimonio e il tellurio sono molto più morbidi. Il silicio e il germanio sono utilizzati principalmente per le loro proprietà semiconduttrici, mentre il boro, l'antimonio e il tellurio trovano impiego anche in specifici sistemi di leghe.

Proprietà chimiche dei metalloidi

In molti casi, presentano proprietà più simili a quelle dei non metalli, ma anche in questo caso dipende dall'elemento e dalla reazione.

• Elettronegatività: L'elettronegatività dei metalloidi è intermedia. Ciò influenza il loro comportamento nelle interazioni con altri atomi e il tipo di legami chimici che possono formare.
• Incollaggio: Si verifica la formazione di legami covalenti. Il silicio ne è un buon esempio, poiché costituisce la base di numerose strutture covalenti forti, importanti per le sue proprietà materiali.
• Metalloidi e metalli: Alcuni metalloidi possono essere miscelati con i metalli per modificarne le proprietà. Un'applicazione pratica è l'utilizzo del boro in determinati acciai. Nel caso del tellurio, un elemento, se ne possono aggiungere solo piccole quantità, modificando le proprietà di taglio di alcuni acciai.
• Reattività chimica: I metalloidi possono reagire in modo diverso in presenza di elementi e condizioni differenti. Alcuni composti si comportano come non metalli, mentre altri reagiscono con i metalli dando origine a prodotti molto diversi.

Se si sta considerando un'applicazione ingegneristica, è meglio prendere in esame il singolo metalloide e il suo sistema di materiali, piuttosto che presumere che tutti gli elementi di questo gruppo si comportino allo stesso modo.

Il comportamento chimico varia anche da un metalloide all'altro. Il silicio forma comunemente composti covalenti, mentre il boro può essere aggiunto a determinati acciai. Anche il tellurio e l'antimonio vengono utilizzati in specifici sistemi di leghe. Per le applicazioni di produzione, è necessario considerare il singolo elemento e il suo utilizzo previsto, piuttosto che trattare tutti i metalloidi come un unico gruppo di materiali.

Applicazioni dei metalloidi

I metalloidi trovano impiego nell'elettronica, nelle leghe, nel vetro, nei polimeri e in diverse applicazioni chimiche. La loro utilità dipende dall'elemento stesso e dal modo in cui viene utilizzato.

Materiali semiconduttori

I metalloidi sono impiegati nella produzione di semiconduttori. Solitamente, il silicio viene utilizzato in chip, transistor, sensori e altri componenti elettronici. Il germanio viene utilizzato anche nei dispositivi a semiconduttore. I composti dell'arsenico sono impiegati in alcune applicazioni elettroniche e optoelettroniche, tra cui l'arseniuro di gallio. L'antimonio è stato utilizzato in alcuni materiali semiconduttori speciali. (Leggi la nostra guida su: lavorazione di parti in plastica)

Aggiunte di leghe

Boro, silicio, antimonio e tellurio possono essere incorporati nei metalli per modificarne specifiche proprietà. In alcuni acciai, il boro viene aggiunto per migliorarne la temprabilità dopo il trattamento termico. Il contenuto di silicio varia a seconda del tipo di lega: alcune leghe di alluminio ne contengono quantità relativamente elevate, mentre la maggior parte degli acciai ne contiene solo piccole quantità. L'antimonio viene aggiunto ad alcune leghe e materiali speciali, come le leghe a base di piombo.

Produzione di vetro

Per aumentare la resistenza del vetro agli sbalzi di temperatura improvvisi, si introduce ossido di boro nel vetro a base di silice. Apparecchiature da laboratorio, pentole e utensili da cucina, nonché componenti soggetti a fluttuazioni di temperatura, sono quindi realizzati in vetro borosilicato.

Prodotti in silicone

Il silicio viene utilizzato anche per la produzione di articoli in silicone. Questi materiali possono essere impiegati come sigillanti, gomma flessibile, isolanti, lubrificanti e prodotti stampati. 

Applicazioni chimiche

Alcuni composti metalloidi sono utilizzati in prodotti chimici e medicali. I composti del boro sono impiegati nella produzione del vetro, nei processi chimici e in alcuni prodotti medicinali. I composti di arsenico e antimonio sono stati utilizzati anche in pesticidi e farmaci. Alcune di queste applicazioni sono ora considerate limitate a causa della loro tossicità.

Conclusione

I metalloidi costituiscono un gruppo eterogeneo, ed è proprio questo che rende difficile descriverli con una semplice regola. Il silicio si comporta in modo molto diverso dal boro, mentre il tellurio e l'antimonio trovano impiego in leghe e altri materiali.

Le loro applicazioni derivano da proprietà specifiche piuttosto che dalla semplice etichetta di metalloide. Il silicio è utilizzato nei dispositivi a semiconduttore, il boro negli acciai e nel vetro, e il tellurio può essere aggiunto a certi acciai per migliorarne la lavorabilità. Altri elementi del gruppo trovano impiego in applicazioni elettroniche e chimiche specializzate. La classificazione può variare. Sei elementi sono comunemente considerati metalloidi, mentre alcune fonti ne includono altri. Pertanto, l'elenco esatto dipende dalla classificazione utilizzata.

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Metalloidi – Domande frequenti

Che cosa sono i metalloidi?

I metalloidi sono elementi che presentano una combinazione di proprietà metalliche e non metalliche. Si trovano generalmente in prossimità del confine tra metalli e non metalli nella tavola periodica. Il silicio e il boro ne sono esempi comuni.

Quanti metalloidi esistono?

I sei elementi della tavola periodica generalmente riconosciuti come metalloidi sono: Boro, Silicio, Germanio, Arsenico, Antimonio e Tellurio. In alcune fonti viene menzionato anche il Polonio, il che spiega le discrepanze nel totale.

Quali sono i 6 metalloidi principali?

Boro (B), silicio (Si), germanio (Ge), arsenico (As), antimonio (Sb) e tellurio (Te) sono i sei metalloidi generalmente riconosciuti. Essi si trovano al confine tra i metalli e i non metalli nella tavola periodica.

Perché i metalloidi vengono utilizzati come semiconduttori?

Alcuni metalloidi presentano proprietà elettriche intermedie tra quelle dei metalli e quelle dei non metalli isolanti, in particolare il silicio e il germanio. La loro conduttività può inoltre essere aumentata o diminuita modificandone la temperatura e/o aggiungendo piccole quantità di altri elementi. Ciò li rende vantaggiosi per le applicazioni nei dispositivi elettronici.

A cosa servono i metalloidi?

I metalloidi hanno svariati impieghi, a seconda dell'elemento. Le celle solari e i dispositivi a semiconduttore sono realizzati con il silicio. Il boro viene utilizzato in lega per produrre il vetro borosilicato, mentre il germanio è impiegato nell'elettronica e nelle applicazioni a infrarossi. Alcune leghe e materiali elettronici utilizzano anche antimonio e tellurio.