メタロイド
メタロイド 金属と非金属の中間的な性質を持つ元素。どちらのグループにも完全に当てはまるわけではない。シリコン、ホウ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルルなどが一般的にこのグループに分類されるが、正確なリストは変動する可能性がある。
半金属を理解する上で有効な方法は、周期表上の位置だけでなく、物質中でどのような働きをするかに着目することです。多くの半金属は脆く硬いため、曲げたり、伸ばしたり、荷重を支えたりする必要のある部品には使用できない場合があります。
それらは電気的特性において、より高度な工学的有用性を持っている。例えば、シリコンは特定の状況下で電流の流れを制御することができ、これは半導体部品にとって重要である。 金属と他の元素を組み合わせることで、半金属も有用なものとなる。少量の添加によって合金の特性を変化させることができ、一部の半金属材料は電子機器に必要な電気的特性を与えるために利用できる。
初期の発見の一つはアンチモンである。アンチモン化合物は顔料や医薬品として用いられた。 古代エジプトこれらはほんの一例に過ぎず、その後用途は拡大し、現在では半導体技術、特殊材料、合金製造、電子部品製造といった現代的な用途にも利用されている。
以下のセクションでは、半金属が有用である理由、金属や非金属との違い、そして メタロイドの利用 工学および製造分野において。
半金属とは何ですか?
未加工のメタロイド
半金属とは、周期表において金属と非金属の境界付近に多く見られる元素のことである。 これらはどちらのグループにもきれいに分類できるものではありません。どのような要素が存在する場合や、どのような用途においても、非常に異なる挙動を示す可能性があります。
ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルルは、最も一般的な半金属元素です。硬くて脆いため、鋼鉄、アルミニウム、銅といった一般的な構造用金属のように使われることはありません。しかし、電気的特性や化学的特性など、他の特性によって有用性を発揮します。
最も分かりやすい例の一つはシリコンです。シリコンは従来型の耐荷重材料ではありませんが、その電気伝導性制御特性は半導体製造において不可欠です。一方、ホウ素は異なる役割を果たします。一部の鋼材では、少量の添加物を用いることで焼入れ性を向上させ、熱処理を容易にすることができます。
この分類は永続的なものではありません。周期表の中には、特定の元素が含まれているものと含まれていないものがあることに注意してください。答えは簡単です。半金属と隣接する2つの元素群を区別する単一の性質は存在しないのです。
半金属とはどのような元素ですか?
半金属元素
以下の6つの元素は、最も一般的には半金属に分類されます。
- ホウ素（B）
- シリコン（Si）
- ゲルマニウム（Ge）
- ヒ素（As）
- アンチモン（Sb）
- テルル（Te）
その他の分類には、ポロニウム、アスタチン、ビスマスなどが含まれる。これらは、その特性と産地による分類に基づいて並べられている。
ボロン
ボロン
ホウ素は、エンジニアリング部品において単独で使用されることはありません。より有用なのは、微量合金元素としての利用です。特定の鋼材においては、ホウ素は焼入れ性を向上させる効果があり、熱処理時に鋼材の断面深部まで高い硬度を実現するのに役立ちます。
シリコン
シリコン
シリコンは、より幅広い産業用途に利用されている。集積回路、センサー、その他多くの電子機器において、主要な半導体材料として用いられている。また、鋼鉄やアルミニウム合金などの金属に添加することで、それらの特性を改変することも可能である。
ゲルマニウム
ゲルマニウム
ゲルマニウムは半導体デバイスや特殊光学部品に用いられます。また、赤外線透過性に優れているため、他の電子部品にも応用可能です。
砒素
砒素
ヒ素への主な曝露源は、化合物や特殊製品である。ガリウムヒ素はその一例である。その電気的特性は従来のシリコンデバイスよりも優れており、電子デバイスや光電子デバイスに用いられている。
アンチモン
アンチモン
アンチモンは合金元素として広く用いられています。アンチモン合金はバッテリーグリッド用の電池に使用され、アンチモン化合物は難燃システムやその他の産業用途にも使用されています。
テルル
テルル
テルルにはいくつかの特殊な用途がある。特定の鋼材に少量添加することで、切削時に発生する切りくずの性質に影響を与え、結果として鋼材の被削性を向上させる。さらに、半導体材料や熱電材料にも使用されている。
その他の要素が含まれる場合もあります
いくつかのリストには以下が含まれます ポロニウム、アスタチン、ビスマス 半金属元素に分類される。ただし、上記の6元素ほど分類が一貫しているわけではない。 ポロニウムとアスタチンは放射能が非常に高いため、実用には適さない。ビスマスは半金属に分類されることもあるが、実際には金属として用いられることが多い。 よく知られている6つの元素は、ほとんどの工学分野における議論において、半金属について論じる上で最も適切な手段である。
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半金属元素はいつ初めて使用されたのか？
半金属元素の中には、数千年にわたって利用されてきたものがある。その中でも最も古いものの一つがアンチモンである。アンチモン化合物は、古代エジプト人が現代のような元素分類を持つ以前から使用していた化粧品や顔料に含まれていた。
ヒ素もまた広く利用されており、その使用の歴史は長い。中世と同様に、ヒ素化合物は顔料やその他様々な製品に広く用いられた。しかし、後にその毒性によって、これらの用途の多くは制限されることになった。
シリコンの開発はずっと後のことだった。元素シリコンは1960年に発見された。 1823年、ヨンス・ヤコブ・ベルゼリウス作。 半導体技術の進歩に伴い、その重要性は急速に高まっている。 1950年代には、シリコン系材料が一般的な電子機器製造に導入され、現代エレクトロニクスの重要な構成要素となりつつあった。
この歴史は、これらの元素の役割の変遷をたどる上で有益である。初期の用途では、これらの元素の化学的性質と視覚的性質が利用されていた。現代の用途では、これらの元素の電気的、熱的、合金化特性がより広く活用されている。
半金属の物理的・化学的性質とは？
半金属は典型的な金属とは異なります。金属のような外観を持つことが多いものの、硬くて脆く、延性に乏しい性質を持っています。そのため、曲げ加工、成形加工、衝撃荷重がかかる部品への応用には限界があります。
これらの材料の電気的特性は、多くの用途においてより有用である。例えば、シリコンやゲルマニウムは半導体として使用できる。これらの導電率は、温度、不純物、および材料の操作によって制御できる。
元素の中には、他の元素よりも化学反応性が高いものがある。半金属は共有結合性を持つ傾向があり、その一部は金属と反応して有用な合金剤となる。したがって、すべての半金属に同じ規則を適用するのではなく、元素とその周囲の物質系を考慮する必要がある。
半金属の物理的性質
物理的な 半金属の性質 グループ内でもかなり違いがある。材料の観点から、いくつか注目すべき点がある。
多くの半導体は半金属である。最もよく知られているのはシリコンである。シリコンは不純物によって特性を制御できるという特性を持ち、これは半導体製造において重要なステップである。 室温では、半金属は固体である。
- 熱伝導率： 物質の熱伝導性は、元素によって異なります。それらは、優れた熱伝導体と劣悪な熱伝導体の中間的な電気伝導率と熱伝導率を持っています。
- 密度： 密度範囲は広い。ケイ素の比重は2.33、アンチモンの比重は6.69である。したがって、「半金属」という言葉は、密度の範囲を示唆するものではない。
- 硬さ： これらの元素間では硬度も異なります。ホウ素が最も硬度が高く、ヒ素、アンチモン、テルルは比較的低いモース硬度値を示します。 この違いは、それぞれの材料の加工方法と使用方法に影響を与えるだろう。
- 機械的性質： ほとんどの半金属は脆く、延性に乏しい。荷重がかかっても塑性変形せず、破砕してしまう。そのため、従来の構造部材の基本材料として使用するには適さない場合がある。
- 表面の外観: 半金属の中には、光沢のある金属的な外観を持つものもある。しかし、これを見てみると、外観だけでは金属として分類するには不十分であることがわかる。
半金属は、硬度、密度、融点、電気的性質においてそれぞれ異なる。一般的に知られている元素の主な値は以下のとおりである。
| 素子 | 密度（g /cm³） | 融点（°C） | 硬度（モース） | 電気的挙動 |
| ボロン | 2.46 | 2076 | 9.3 | 半導体 |
| シリコン | 2.33 | 1414 | 7.0 | 半導体 |
| ゲルマニウム | 5.32 | 938 | 6.0 | 半導体 |
| 砒素 | 5.73 | 817 * | 3.5 | 半金属 |
| アンチモン | 6.68 | 631 | 3.0 | 半金属 |
| テルル | 6.24 | 722 | 2.0-2.5 | 半導体 |
ヒ素は常圧下で昇華する。
これらの値は、半金属グループ内の硬度のばらつきが大きいことを示している。ホウ素とケイ素は比較的硬い一方、アンチモンとテルルははるかに柔らかい。ケイ素とゲルマニウムは主に半導体としての特性を利用するが、ホウ素、アンチモン、テルルも特定の合金系に用いられる。
半金属の化学的性質
多くの場合、それらは非金属に似た性質を示すが、これもまた元素と反応によって異なる。
- 電気陰性度： 半金属の電気陰性度は中間的な値を示す。このため、他の原子との相互作用における挙動や、形成できる化学結合の種類が変化する。
- ボンディング： 共有結合が生じる。シリコンはその良い例であり、その物質特性において重要な多くの強力な共有結合構造の基礎となっている。
- 半金属と金属： 一部の半金属元素は、金属と混合することで金属の特性を変化させることができる。実用的な応用例の一つとして、特定の鋼材へのホウ素の使用が挙げられる。テルルという元素の場合、少量しか添加できず、一部の鋼材の切削特性を変化させるにとどまる。
- 化学反応性: 半金属は、異なる元素や条件下で異なる反応を示すことがある。一部の化合物は非金属のように振る舞い、また一部の化合物は金属と反応して全く異なる生成物を与える。
工学的な応用を検討する場合、このグループに属するすべての元素が同じように振る舞うと仮定するよりも、個々の半金属元素とその物質系を考慮する方が良いでしょう。
| プロパティ | 一般的な行動 |
| 電気陰性 | 一般的にポーリングスケールで1.9～2.2程度 |
| ボンディング | 共有結合は一般的である |
| 酸化状態 | 要素ごとに異なる |
| 金属との反応 | 有用な合金系を形成する |
| 化学的挙動 | 金属的特性と非金属的特性の両方を示すことができる |
化学的性質も、半金属元素によって異なる。ケイ素は一般的に共有結合化合物を形成する一方、ホウ素は特定の鋼に添加されることがある。テルルとアンチモンも、特定の合金系に用いられる。 製造用途においては、すべての半金属元素を一つの材料グループとして扱うのではなく、個々の元素とその用途を考慮すべきである。
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半金属の用途
半金属は、電子機器、合金、ガラス、ポリマー、および様々な化学用途に利用されています。その有用な特性は、元素の種類と用途によって異なります。
半導体材料
半金属は半導体の製造に用いられる。一般的に、シリコンはチップ、トランジスタ、センサー、その他の電子部品に使用される。 ゲルマニウムは半導体デバイスにも使用されています。ヒ素化合物は、ガリウムヒ素など、一部の電子および光電子デバイス用途に使用されています。アンチモンは、いくつかの特殊な半導体材料に用いられています。 (以下のガイドをご覧ください:) プラスチック部品加工)
合金添加物
ホウ素、ケイ素、アンチモン、テルルは、金属の特性を変化させるために添加されることがある。一部の鋼材では、熱処理後の焼入れ性を向上させるためにホウ素が添加される。 シリコン含有量は合金の種類によって異なり、アルミニウム合金の中には比較的高濃度のシリコンを含むものもあれば、ほとんどの鋼材には少量しか含まれていないものもある。アンチモンは、鉛合金などの特殊な合金や材料に添加される。
ガラス生産
ガラスの急激な温度変化に対する耐性を高めるため、シリカを主成分とするガラスに酸化ホウ素が添加される。そのため、実験器具、調理器具、温度変化にさらされる部品などは、ホウケイ酸ガラスで作られる。
シリコーン製品
シリコンはシリコーン製品の製造にも使用されます。これらの材料は、シーラント、柔軟性ゴム、断熱材、潤滑剤、成形品などに利用できます。
化学アプリケーション
半金属化合物の中には、化学製品や医薬品に用いられるものがある。ホウ素化合物は、ガラス、化学処理、および一部の医薬品に用いられる。 ヒ素化合物やアンチモン化合物は、殺虫剤や医薬品にも使用されてきた。しかし、その毒性のため、現在ではこれらの用途の多くは制限されている。
結論
半金属は多様な性質を持つ元素群であり、そのため単純な法則で説明するのは難しい。ケイ素はホウ素とは全く異なる性質を示し、テルルとアンチモンは合金やその他の材料においてそれぞれ独自の用途を持つ。
これらの元素の用途は、メタロイドという分類そのものよりも、その特定の特性に由来する。シリコンは半導体デバイスに、ホウ素は鋼鉄やガラスに、テルルは特定の鋼鉄に添加することで加工性を向上させることができる。このグループの他の元素は、特殊な電子機器や化学薬品の用途に用いられる。 分類方法も様々である。一般的には6つの元素が半金属として認められているが、文献によってはさらに多くの元素が含まれている場合もある。したがって、正確なリストは使用する分類方法によって異なる。
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半金属 – よくある質問
半金属とは何ですか？
半金属とは、金属と非金属の両方の性質を併せ持つ元素のことです。一般的に、周期表上で金属と非金属の境界付近に位置します。ケイ素やホウ素はその代表的な例です。
半金属はいくつ存在するのか？
周期表において一般的に半金属として認識されている元素は、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルルの6つである。ポロニウムも一部の文献で言及されており、これが合計数の不一致の原因となっている。
主要な6つの半金属元素は何ですか？
ホウ素（B）、ケイ素（Si）、ゲルマニウム（Ge）、ヒ素（As）、アンチモン（Sb）、テルル（Te）は、一般的に認められている6つの半金属元素である。これらは周期表において、金属と非金属の境界に位置する。
なぜ半金属は半導体として使用されるのか？
特定の半金属は、金属と絶縁性の非金属の中間の電気的性質を持ち、特にシリコンとゲルマニウムがこれに該当します。また、温度変化や微量の他の元素の添加によって、導電性を増減させることも可能です。この特性は、電子機器への応用において大きな利点となります。
半金属は何に使われるのですか？
半金属は、その元素によって様々な用途がある。シリコンは太陽電池や半導体デバイスの製造に用いられる。ホウ素は合金化されてホウケイ酸ガラスが作られ、ゲルマニウムは電子機器や赤外線関連用途に利用される。アンチモンやテルルも、いくつかの合金や電子材料に使用されている。