Metalloiden: 6 veelvoorkomende elementen, eigenschappen en toepassingen

Metalloïden

Metalloïden Ze bevinden zich qua materiaaleigenschappen tussen metalen en niet-metalen in. Ze gedragen zich niet volledig als een van beide groepen. Silicium, boor, germanium, arseen, antimoon en tellurium worden vaak tot deze groep gerekend, hoewel de exacte lijst kan variëren.

Een nuttige manier om metalloïden te begrijpen, is door te kijken naar hun functie in een materiaal in plaats van alleen naar hun plaats in het periodiek systeem. Veel metalloïden zijn bros en hard, waardoor ze mogelijk niet geschikt zijn voor onderdelen die moeten buigen, strekken en belasten. 

Ze hebben meer technische toepassingen vanwege hun elektrische eigenschappen. Zo kan silicium in bepaalde situaties de stroom van een elektrische stroom geleiden, en dat is belangrijk voor halfgeleidercomponenten. De combinatie van metalen met andere elementen maakt metalloïden ook nuttig. Kleine toevoegingen kunnen het gedrag van de legering veranderen, en sommige metalloïde materialen kunnen worden gebruikt om de vereiste elektrische eigenschappen voor elektronische apparaten te verkrijgen. 

Een van de eerste ontdekkingen is antimoon. Antimoonverbindingen werden gebruikt als pigmenten en medicijnen in het oude EgypteDit zijn slechts enkele eerste toepassingen die sindsdien zijn uitgebreid en nu worden gebruikt in moderne toepassingen zoals halfgeleidertechnologie, speciale materialen, de productie van legeringen en elektronische componenten.

De onderstaande paragrafen richten zich op de eigenschappen die metalloïden nuttig maken, hoe ze verschillen van metalen en niet-metalen, en de toepassingen van metalloïden in de ingenieurs- en productiesector.

Wat zijn metalloïden?

Metalloid in ruwe vorm

Metalloiden zijn elementen die vaak voorkomen op de grens tussen metalen en niet-metalen in het periodiek systeem. Ze zijn niet netjes in een van beide groepen in te delen. Ze kunnen zich heel verschillend gedragen in de aanwezigheid van een bepaald element en voor elke toepassing.

Boor, silicium, germanium, arseen, antimoon en tellurium zijn de meest voorkomende metalloïden. Ze zijn hard en bros en worden niet gebruikt zoals gangbare constructiemetalen zoals staal, aluminium of koper. Ze zijn nuttig vanwege andere eigenschappen, met name elektrische en chemische eigenschappen.

Een van de meest voor de hand liggende voorbeelden is silicium. Het is geen traditioneel dragend materiaal, maar de eigenschappen ervan voor het beheersen van de elektrische geleidbaarheid zijn essentieel in de halfgeleiderproductie. Borium speelt een andere rol. In sommige staalsoorten kunnen kleine hoeveelheden worden toegevoegd om de hardbaarheid te verbeteren, wat de warmtebehandeling vergemakkelijkt.

Deze classificatie is niet permanent. Merk op dat sommige naslagwerken van het periodiek systeem bepaalde elementen wel en andere niet bevatten. Het antwoord is eenvoudig: er is geen enkele eigenschap die de metalloïden onderscheidt van de twee aangrenzende groepen elementen.

Welke elementen zijn metalloïden?

Elementen van metalloïden

De volgende 6 elementen worden het vaakst tot de metalloïden gerekend:

1. Boor (B)
2. Silicium (Si)
3. Germanium (Ge)
4. Arseen (zoals)
5. Antimoon (Sb)
6. Telluur (Te)

Andere classificaties omvatten ook polonium, astaat en bismut. Deze worden ingedeeld op basis van hun eigenschappen en classificatie door de bron.

Borium

Borium

Borium wordt niet op zichzelf gebruikt in technische componenten. Het is nuttiger als een klein legeringselement. In bepaalde staalsoorten kan borium ook de hardbaarheid verbeteren, wat betekent dat het staal tijdens de warmtebehandeling een hogere hardheid dieper in de doorsnede kan bereiken.

Silicium

Silicium

Silicium kent een veel breder industrieel toepassingsgebied. Het is het belangrijkste halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt in geïntegreerde schakelingen, sensoren en talloze elektronische apparaten. Het kan ook worden toegevoegd aan metalen zoals staal of aluminiumlegeringen om hun specifieke eigenschappen te modificeren.

Germanium

Germanium

Germanium wordt gebruikt in halfgeleiderapparaten en speciale optische componenten. Het heeft ook nuttige eigenschappen op het gebied van infraroodtransmissie en kan daarom ook in andere elektronische componenten worden gebruikt.

Arseen

Arseen

De voornaamste blootstelling aan arseen vindt plaats via verbindingen en speciale producten. Galliumarsenide is daar een voorbeeld van. De elektrische eigenschappen bieden voordelen ten opzichte van conventionele siliciumcomponenten, en het wordt gebruikt in elektronische en opto-elektronische apparaten.

antimonium

antimonium

Antimoon wordt vaak gebruikt als legeringselement. Antimoonlegeringen worden gebruikt in batterijen voor batterijsystemen, en antimoonverbindingen worden ook gebruikt in brandvertragende systemen en andere industriële toepassingen.

Tellurium

Tellurium

Tellurium heeft een aantal bijzondere toepassingen. Aan bepaalde staalsoorten worden kleine hoeveelheden toegevoegd, wat de aard van de spanen die tijdens het snijden ontstaan ​​beïnvloedt en daardoor de bewerkbaarheid van het staal verbetert. Het wordt ook gebruikt in halfgeleidende en thermo-elektrische materialen.

Andere elementen die soms worden meegeleverd

Er zijn een paar lijsten die het volgende bevatten: Polonium, astatium en bismut als metalloïden. Hun classificatie is niet zo consistent als die van de zes bovengenoemde elementen. Polonium en astaat zijn zeer radioactief en kunnen in de praktijk niet worden gebruikt. Hoewel bismut soms als metalloïde wordt geclassificeerd, wordt het vaker als metaal gebruikt. De zes bekende elementen zijn de meest geschikte manier om metalloïden te bespreken in de meeste technische contexten.

Wanneer werden metalloïden voor het eerst gebruikt?

Enkele metalloïde-elementen worden al duizenden jaren gebruikt. Een van de oudste is antimoon. Antimoonverbindingen werden aangetroffen in cosmetica en pigmenten die door de oude Egyptenaren werden gebruikt, voordat zij een moderne classificatie voor het element hadden.

Arseen wordt ook veel gebruikt en kent een lange gebruiksgeschiedenis. Net als in de Middeleeuwen werden arseenverbindingen populair in pigmenten en diverse andere producten. Veel van deze toepassingen werden later echter beperkt vanwege de giftigheid ervan.

De ontwikkeling van silicium vond veel later plaats. Elementair silicium werd ontdekt in 1823 door Jöns Jacob Berzelius. Door de vooruitgang in de halfgeleidertechnologie is het belang ervan snel toegenomen. In de jaren vijftig werden materialen op basis van silicium steeds vaker gebruikt in de commerciële elektronica-industrie en vormden ze een belangrijk onderdeel van moderne elektronica.

De geschiedenis is nuttig omdat deze de evolutie van de rol van deze elementen in kaart brengt. Hun chemische en visuele eigenschappen werden gebruikt voor vroege toepassingen. Hun elektrische, thermische en legeringseigenschappen worden veel meer benut in moderne toepassingen.

Wat zijn de fysische en chemische eigenschappen van metalloïden?

Metalloiden zijn geen typische metalen. Ze hebben vaak een metaalachtig uiterlijk, maar ze zijn hard en bros, niet buigzaam. Dit beperkt hun toepassingen voor onderdelen die moeten worden gebogen, gevormd of blootgesteld aan stootbelastingen.

Hun elektrische eigenschappen zijn nuttiger in veel toepassingen. Silicium en germanium kunnen bijvoorbeeld als halfgeleiders worden gebruikt. De geleidbaarheid hiervan kan worden gemanipuleerd door temperatuur, onzuiverheden en bewerking van het materiaal.

Sommige elementen zijn chemisch reactiever dan andere. Metalloiden zijn doorgaans covalent, en een paar ervan kunnen reageren met metalen en nuttige legeringsmiddelen worden. Daarom is het nodig om het element en het materiaalsysteem eromheen te beschouwen, en niet één regel voor alle metalloiden te hanteren.

Fysische eigenschappen van metalloïden

fysiek eigenschappen van metalloïden Ze verschillen behoorlijk van elkaar binnen de groep. Vanuit materieel oogpunt zijn ze het waard om een ​​paar keer nader te bekijken.

Veel halfgeleiders zijn metalloïden. De bekendste is silicium. Silicium heeft de mogelijkheid om de onzuiverheden te beheersen, wat een belangrijke stap is in de productie van halfgeleiders. Bij kamertemperatuur zijn metalloïden vaste stoffen.

• Warmtegeleiding: Het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden verschilt per materiaalsoort. Ze hebben een elektrische en thermische geleidbaarheid die ligt tussen die van goede en slechte warmtegeleiders.
• Dichtheid: Een breed scala aan dichtheden. De relatieve dichtheid van silicium is 2.33 en die van antimoon is 6.69. Het woord 'metalloid' geeft dus geen indicatie van het bereik aan dichtheden.
• Hardheid: De hardheid varieert ook tussen deze elementen. Boor heeft de hoogste hardheid, terwijl arseen, antimoon en tellurium relatief lagere Mohs-hardheidswaarden hebben. Dit verschil zal gevolgen hebben voor de verwerking van elk materiaal en het gebruik ervan.
• Mechanische eigenschappen: De meeste metalloïden zijn bros en niet erg ductiel. Ze vervormen niet plastisch onder belasting, maar fragmenteren. Hierdoor zijn ze niet geschikt voor sommige traditionele constructieonderdelen wanneer ze als basismateriaal worden gebruikt.
• Oppervlakteverschijning: Sommige metalloïden hebben een heldere of metaalachtige uitstraling. Kijk echter eens hiernaar: de uitstraling is niet voldoende om ze als metaal te classificeren.

Metalloiden verschillen in hardheid, dichtheid, smeltpunt en elektrische eigenschappen. De belangrijkste waarden voor de meest voorkomende elementen worden hieronder weergegeven.

Arseen sublimeert bij normale atmosferische druk.

Deze waarden tonen de grote variatie binnen de metalloïdengroep aan. Borium en silicium zijn relatief hard, terwijl antimoon en tellurium veel zachter zijn. Silicium en germanium worden voornamelijk gebruikt vanwege hun halfgeleidende eigenschappen, terwijl borium, antimoon en tellurium ook in bepaalde legeringssystemen worden toegepast.

Chemische eigenschappen van metalloïden

In veel gevallen vertonen ze eigenschappen die meer lijken op die van niet-metalen, maar ook hier geldt dat het afhangt van het element en de reactie.

• Elektronegativiteit: De elektronegativiteit van metalloïden ligt tussen die van andere atomen in. Dit beïnvloedt hun gedrag bij interacties met andere atomen en het soort chemische bindingen dat ze kunnen aangaan.
• Verlijmen: Covalente bindingen komen voor. Silicium is een goed voorbeeld, omdat het de basis vormt van veel sterke covalente structuren die belangrijk zijn voor de materiaaleigenschappen.
• Metalloiden en metalen: Sommige metalloïden kunnen met metalen worden gemengd om de eigenschappen van het metaal te veranderen. Een praktische toepassing is het gebruik van boor in bepaalde staalsoorten. In het geval van tellurium, een element, kunnen slechts kleine hoeveelheden worden toegevoegd om de snijeigenschappen van sommige staalsoorten te veranderen.
• Chemische reactiviteit: Metalloiden kunnen verschillend reageren in de aanwezigheid van verschillende elementen en onder verschillende omstandigheden. Sommige verbindingen gedragen zich als niet-metalen, terwijl andere met metalen reageren en daarbij heel andere producten opleveren.

Bij een technische toepassing is het beter om rekening te houden met het individuele metalloïde en het bijbehorende materiaalsysteem, in plaats van aan te nemen dat alle elementen in deze groep zich op dezelfde manier gedragen.

Het chemische gedrag verschilt ook van metalloïde tot metalloïde. Silicium vormt doorgaans covalente verbindingen, terwijl boor aan bepaalde staalsoorten kan worden toegevoegd. Tellurium en antimoon worden ook gebruikt in specifieke legeringssystemen. Voor productieprocessen moet rekening worden gehouden met het afzonderlijke element en het beoogde gebruik ervan, in plaats van alle metalloïden als één materiaalgroep te beschouwen.

Toepassingen van metalloïden

Metalloiden worden gebruikt in elektronica, legeringen, glas, polymeren en diverse chemische toepassingen. De nuttige eigenschap hangt af van het element en de toepassing ervan.

Halfgeleider materialen

Metalloiden worden gebruikt bij de productie van halfgeleiders. Silicium wordt doorgaans gebruikt in chips, transistors, sensoren en andere elektronische componenten. Germanium wordt ook gebruikt in halfgeleiderapparaten. Arseenverbindingen worden gebruikt in sommige elektronische en opto-elektronische toepassingen, waaronder galliumarsenide. Antimoon is toegepast in een paar speciale halfgeleidermaterialen. (Lees onze gids over: Bewerking van kunststofonderdelen)

Legeringtoevoegingen

Boor, silicium, antimoon en tellurium kunnen aan metalen worden toegevoegd om specifieke eigenschappen te veranderen. In bepaalde staalsoorten wordt boor toegevoegd om de hardbaarheid na warmtebehandeling te verbeteren. Het siliciumgehalte varieert per legeringssoort. Sommige aluminiumlegeringen bevatten relatief veel silicium, terwijl de meeste staalsoorten slechts kleine hoeveelheden bevatten. Aan sommige speciale legeringen en materialen, zoals loodlegeringen, wordt antimoon toegevoegd.

Glasproductie

Om de weerstand van glas tegen plotselinge temperatuurschommelingen te vergroten, wordt booroxide aan het silicaglas toegevoegd. Laboratoriumapparatuur, kookgerei en onderdelen die aan temperatuurschommelingen onderhevig zijn, worden daarom van borosilicaatglas gemaakt.

Siliconen producten

Silicium wordt ook gebruikt voor de productie van siliconenproducten. Deze materialen kunnen worden verwerkt tot afdichtingsmiddelen, flexibel rubber, isolatiemateriaal, smeermiddelen en gegoten producten. 

Chemische toepassingen

Enkele metalloïdeverbindingen worden gebruikt in chemische en medische producten. Boorverbindingen worden gebruikt in glas, chemische processen en sommige geneesmiddelen. Arseen- en antimoonverbindingen werden ook gebruikt in pesticiden en geneesmiddelen. Een aantal van deze toepassingen wordt nu als beperkt beschouwd vanwege hun toxiciteit.

Conclusie

Metalloiden vormen een gemengde groep, en dat maakt het lastig om ze met één simpele regel te beschrijven. Silicium gedraagt ​​zich heel anders dan boor, terwijl tellurium en antimoon hun eigen toepassingen hebben in legeringen en andere materialen.

Hun toepassingen zijn eerder te danken aan specifieke eigenschappen dan aan het label 'metalloid' zelf. Silicium wordt gebruikt voor halfgeleiders, boor in staal en glas, en tellurium kan aan bepaalde staalsoorten worden toegevoegd om de bewerkbaarheid te verbeteren. Andere leden van de groep worden gebruikt in gespecialiseerde elektronische en chemische toepassingen. De classificatie kan ook variëren. Zes elementen worden algemeen erkend als metalloïden, terwijl sommige bronnen aanvullende elementen vermelden. De exacte lijst hangt dus af van de gebruikte classificatie.

Maatwerkproductie met Boda-technologie

Voor projecten waarbij specialistische materialen worden gebruikt, levert Boda metaal en kunststof verspanende diensten en maatwerkoplossingen op basis van technische tekeningen en materiaalspecificaties. We voldoen aan de ISO 9001-normen en bieden een scala aan materiaalmogelijkheden, van metalen en technische kunststoffen tot composieten en keramiek.

U kunt uw tekening, CAD-bestand, materiaalspecificaties, afmetingen, oppervlakteafwerking en hoeveelheid opsturen, zodat het Boda-team de productievereisten kan beoordelen.

Metalloiden – Veelgestelde vragen

Wat zijn metalloïden?

Metalloiden zijn elementen met een combinatie van metaalachtige en niet-metaalachtige eigenschappen. Ze bevinden zich over het algemeen rond de grens tussen metalen en niet-metalen in het periodiek systeem. Silicium en boor zijn bekende voorbeelden.

Hoeveel metalloïden zijn er?

De zes elementen van het periodiek systeem die algemeen als metalloïden worden beschouwd, zijn: boor, silicium, germanium, arseen, antimoon en tellurium. Polonium wordt in sommige bronnen ook genoemd, wat de verschillen in het totaal verklaart.

Wat zijn de 6 belangrijkste metalloïden?

Borium (B), silicium (Si), germanium (Ge), arseen (As), antimoon (Sb) en tellurium (Te) zijn de zes algemeen aanvaarde metalloïden. Ze bevinden zich op de grens tussen de metalen en de niet-metalen in het periodiek systeem.

Waarom worden metalloïden als halfgeleiders gebruikt?

Bepaalde metalloïden hebben elektrische eigenschappen die tussen die van metalen en de isolerende niet-metalen in liggen, met name silicium en germanium. Ze kunnen ook meer of minder geleidend worden gemaakt door hun temperatuur te veranderen en/of kleine hoeveelheden andere elementen toe te voegen. Dit maakt ze gunstig voor elektronische apparaten.

Waar worden metalloïden voor gebruikt?

Metalloiden hebben diverse toepassingen, afhankelijk van het element. Zonnecellen en halfgeleidercomponenten worden gemaakt met silicium. Borium wordt gelegeerd tot borosilicaatglas en germanium wordt gebruikt in elektronica en infraroodtoepassingen. Een aantal legeringen en elektronische materialen bevatten ook antimoon en tellurium.