Металлоиды: 6 распространенных элементов, их свойства и области применения.

Металлоиды

Металлоиды По своим материальным свойствам они занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. Они не ведут себя в полной мере ни как металлы, ни как неметаллы. Кремний, бор, германий, мышьяк, сурьма и теллур обычно относятся к этой группе, хотя точный список может варьироваться.

Полезный способ понять свойства металлоидов — это рассмотреть их роль в материале, а не только их положение в периодической таблице. Многие из них хрупкие и твердые, что может препятствовать их использованию в деталях, требующих изгиба, растяжения и приложения нагрузки. 

Благодаря своим электрическим свойствам они обладают большей практической ценностью в инженерной сфере. Например, кремний в определенных ситуациях может направлять поток электрического тока, что важно для полупроводниковых компонентов. Сочетание металлов с другими элементами также делает металлоиды полезными. Небольшие добавки могут изменить свойства сплава, и некоторые металлоидные материалы могут использоваться для придания необходимых электрических свойств электронным устройствам. 

Одним из первых открытий является сурьма. Соединения сурьмы использовались в качестве пигментов и лекарств. древний ЕгипетЭто лишь некоторые из первоначальных применений, которые с тех пор расширились и теперь используются в современных областях, таких как полупроводниковые технологии, специальные материалы, производство сплавов и электронных компонентов.

В разделах ниже рассматриваются свойства, которые делают металлоиды полезными, их отличия от металлов и неметаллов, а также... применение металлоидов в области машиностроения и производства.

Что такое металлоиды?

Металлоид в необработанном виде

Металлоиды — это элементы, которые обычно встречаются на границе между металлами и неметаллами в периодической таблице. Их нельзя однозначно отнести ни к одной из групп. Они могут вести себя совершенно по-разному в присутствии любого элемента и в любом применении.

Бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур — наиболее распространенные металлоиды. Твердые и хрупкие, они используются не так широко, как обычные конструкционные металлы, такие как сталь, алюминий или медь. Их полезность обусловлена ​​другими свойствами, особенно электрическими и химическими.

Один из самых очевидных примеров — кремний. Он не является традиционным несущим материалом, но его свойства регулирования электропроводности имеют важное значение в производстве полупроводников. Бор играет другую роль. В некоторых сталях небольшие добавки могут использоваться для повышения закаливаемости, что облегчает термообработку.

Эта классификация не является постоянной. Следует отметить, что в некоторых справочниках периодической таблицы некоторые элементы присутствуют, а в других — нет. Ответ прост: нет единого свойства, отличающего металлоиды от двух групп соседних элементов.

Какие элементы относятся к металлоидам?

Элементы металлоидов

Следующие 6 элементов чаще всего относят к металлоидам:

1. Бор (B)
2. Силикон (Si)
3. Германий (Ge)
4. Мышьяк (As)
5. Сурьма (Sb)
6. Теллур (Те)

К другим классификациям относятся также полоний, астатин и висмут. Они классифицируются в соответствии с их характеристиками и источником происхождения.

Бор

Бор

Бор сам по себе не используется в конструкционных компонентах. Более полезным его применением является использование в качестве второстепенного легирующего элемента. В некоторых сталях бор также может повышать закаливаемость, что означает, что он может способствовать достижению более высокой твердости в глубине поперечного сечения стали при термообработке.

кремний

кремний

Промышленное применение кремния гораздо шире. Это основной полупроводниковый материал, используемый в интегральных схемах, датчиках и многочисленных электронных устройствах. Его также можно вводить в металлы, такие как сталь или алюминиевые сплавы, для изменения их специфических свойств.

германий

германий

Германий используется в полупроводниковых приборах и в специальной оптике. Он также обладает полезными свойствами пропускания инфракрасного излучения и, следовательно, может использоваться и в других электронных компонентах.

мышьяк

мышьяк

Основной источник воздействия мышьяка — соединения и специальные продукты. Арсенид галлия — один из таких примеров. Его электрические свойства дают ему преимущества перед обычными кремниевыми устройствами, и он используется в электронных и оптоэлектронных приборах.

сурьма

сурьма

Сурьма широко используется в качестве легирующего элемента. Сплавы сурьмы применяются в батареях для аккумуляторных сетей, а соединения сурьмы также используются в системах огнезащиты и других промышленных областях.

Теллур

Теллур

Теллур имеет ряд особых применений. В некоторые стали добавляют небольшое количество теллура, что влияет на свойства стружки, образующейся при резке, и, в свою очередь, улучшает обрабатываемость стали. Кроме того, он используется в полупроводниковых и термоэлектрических материалах.

Иногда включаются и другие элементы.

Существует несколько списков, которые включают в себя: Полоний, астатин и висмут в качестве металлоидов. Их классификация не столь последовательна, как классификация 6 элементов, перечисленных выше. Полоний и астат являются высокорадиоактивными веществами и не могут быть использованы на практике. Хотя висмут иногда классифицируется как металлоид, чаще его используют как металл. Шесть хорошо известных элементов являются наиболее подходящим средством для обсуждения металлоидов в большинстве инженерных дисциплин.

Когда впервые начали использовать металлоиды?

Некоторые металлические элементы используются уже тысячи лет. Одним из самых ранних примеров является сурьма. Соединения сурьмы были обнаружены в косметике и пигментах, используемых древними египтянами, еще до того, как для этого элемента была разработана современная классификация.

Мышьяк также широко используется и имеет долгую историю применения. Как и в Средние века, соединения мышьяка стали популярны в пигментах и ​​различных других продуктах. Многие из этих применений были впоследствии ограничены из-за его токсичности.

Разработка кремния началась гораздо позже. Элементарный кремний был открыт в 1823 год, автор Йенс Якоб Берцелиус. С развитием полупроводниковых технологий его значение стремительно возросло. В 1950-х годах материалы на основе кремния вошли в серийное коммерческое производство электроники и стали важным компонентом современной электроники.

История полезна, поскольку она прослеживает эволюцию роли этих элементов. Их химические и визуальные свойства использовались для ранних применений. В современных областях применения гораздо шире используются их электрические, тепловые свойства и свойства сплавов.

Каковы физические и химические свойства металлоидов?

Металлоиды не являются типичными металлами. Они часто имеют металлический вид, но при этом твердые и хрупкие, а не пластичные. Это ограничивает их применение для деталей, требующих изгиба, формовки или ударных нагрузок.

Их электрические свойства находят широкое применение во многих областях. Например, кремний и германий могут использоваться в качестве полупроводников. Проводимость этих материалов можно регулировать с помощью температуры, примесей и манипуляций с самим материалом.

Некоторые элементы химически более реактивны, чем другие. Металлоиды, как правило, образуют ковалентные связи, и некоторые из них могут реагировать с металлами, становясь полезными легирующими элементами. Таким образом, необходимо учитывать элемент и окружающую его материальную систему, а не применять одно правило ко всем металлоидам.

Физические свойства металлоидов

Физический свойства металлоидов Внутри группы они довольно сильно различаются. С точки зрения материалов, стоит обратить на них внимание на несколько моментов.

Многие полупроводники являются металлоидами. Наиболее известным из них является кремний. Он обладает способностью контролироваться с помощью примесей, что является важным этапом в производстве полупроводников. При комнатной температуре металлоиды находятся в твердом состоянии.

• Теплопроводность: Способность материала проводить тепло различна для разных элементов. Их электрическая и тепловая проводимость находятся между проводимостью хороших и плохих теплопроводников.
• Плотность: Широкий диапазон плотностей. Относительная плотность кремния составляет 2.33, а относительная плотность сурьмы — 6.69. Следовательно, слово «металлоид» не указывает на диапазон плотностей.
• Твердость: Твердость этих элементов также различается. Бор обладает самой высокой твердостью, в то время как мышьяк, сурьма и теллур имеют сравнительно более низкие значения твердости по шкале Мооса. Это различие повлияет на обработку каждого материала и его использование.
• Механические свойства: Большинство металлоидов хрупкие и не очень пластичные. При нагрузке они не деформируются пластически, а разрушаются. Это делает их непригодными для некоторых традиционных конструкционных элементов при использовании в качестве основного материала.
• Внешний вид поверхности: Некоторые металлоиды имеют яркий или металлический вид. Однако, взглянув на это, понимаешь, что одного внешнего вида недостаточно для классификации в качестве металла.

Металлоиды различаются по твердости, плотности, температуре плавления и электрическим свойствам. Основные значения для общепризнанных элементов приведены ниже.

Мышьяк сублимирует при нормальном атмосферном давлении.

Эти значения демонстрируют широкий диапазон внутри группы металлоидов. Бор и кремний относительно тверды, тогда как сурьма и теллур гораздо мягче. Кремний и германий в основном используются благодаря своим полупроводниковым свойствам, в то время как бор, сурьма и теллур также используются в отдельных сплавах.

Химические свойства металлоидов

Во многих случаях они проявляют свойства, более схожие со свойствами неметаллов, но опять же, это зависит от элемента и реакции.

• Электроотрицательность: Электроотрицательность металлоидов является промежуточной. Это изменяет их поведение при взаимодействии с другими атомами и тип химических связей, которые они могут образовывать.
• Склеивание: Происходит образование ковалентных связей. Кремний — хороший тому пример, поскольку он является основой многих прочных ковалентных структур, которые важны для его материальных свойств.
• Металлоиды и металлы: Некоторые металлоиды можно смешивать с металлами для изменения их свойств. Одним из практических применений является использование бора в некоторых сталях. В случае теллура, элемента, его можно добавлять лишь в небольших количествах, изменяя режущие свойства некоторых сталей.
• Химическая активность: Металлоиды могут по-разному реагировать в присутствии различных элементов и в разных условиях. Некоторые соединения ведут себя как неметаллы, а некоторые реагируют с металлами, образуя совершенно другие продукты.

При рассмотрении инженерного применения лучше учитывать отдельный металлоид и его материальную систему, а не предполагать, что все элементы этой группы будут вести себя одинаково.

Химическое поведение также различается от одного металлоида к другому. Кремний обычно образует ковалентные соединения, тогда как бор может быть добавлен в некоторые стали. Теллур и сурьма также используются в определенных системах сплавов. Применительно к производственным процессам следует учитывать отдельный элемент и его предполагаемое использование, а не рассматривать все металлоиды как единую группу материалов.

Применение металлоидов

Металлоиды используются в электронике, сплавах, стекле, полимерах и ряде химических применений. Полезные свойства зависят от элемента и способа его применения.

Полупроводниковые материалы

Металлоиды используются в производстве полупроводников. Обычно кремний применяется в микросхемах, транзисторах, датчиках и других электронных компонентах. Германий также используется в полупроводниковых приборах. Соединения мышьяка применяются в некоторых электронных и оптоэлектронных устройствах, включая арсенид галлия. Сурьма используется в ряде специальных полупроводниковых материалов. (Ознакомьтесь с нашим руководством по следующим темам:) обработка пластиковых деталей)

Добавки к сплаву

В металлы могут вводить бор, кремний, сурьму и теллур для изменения их свойств. В некоторых сталях бор добавляют для повышения закаливаемости после термообработки. Содержание кремния варьируется в зависимости от марки сплава: некоторые алюминиевые сплавы содержат относительно высокое количество кремния, в то время как большинство сталей содержат лишь небольшое его количество. Сурьма добавляется в некоторые специальные сплавы и материалы, например, в сплавы на основе свинца.

Производство стекла

Для повышения устойчивости стекла к резким перепадам температуры в кремнеземное стекло вводят оксид бора. Поэтому лабораторное оборудование, посуда и детали, подверженные колебаниям температуры, изготавливаются из боросиликатного стекла.

Силиконовые изделия

Кремний также используется для производства силиконовых изделий. Из этих материалов могут изготавливаться герметики, эластичная резина, изоляционные материалы, смазки и формованные изделия. 

Химические применения

Некоторые металлоидные соединения используются в химической и медицинской промышленности. Соединения бора применяются в производстве стекла, химической промышленности и некоторых лекарственных препаратах. Соединения мышьяка и сурьмы также использовались в пестицидах и лекарственных препаратах. В настоящее время ряд этих применений считается ограниченным из-за их токсичности.

Заключение

Металлоиды представляют собой смешанную группу, и именно поэтому их трудно описать одним простым правилом. Кремний ведет себя совершенно иначе, чем бор, в то время как теллур и сурьма находят применение в сплавах и других материалах.

Области их применения определяются специфическими свойствами, а не самим названием металлоида. Кремний используется в полупроводниковых приборах, бор — в сталях и стекле, а теллур может добавляться в некоторые стали для улучшения обрабатываемости. Другие представители этой группы используются в специализированных электронных и химических приложениях. Классификация также может варьироваться. Шесть элементов обычно считаются металлоидами, хотя в некоторых источниках упоминаются и другие элементы. Таким образом, точный список зависит от используемой классификации.

Изготовление на заказ с использованием технологий Boda.

Для проектов, требующих использования специализированных материалов, компания Boda Tech предоставляет металлообрабатывающие и другие материалы. услуги по обработке пластика а также предлагаем решения по индивидуальному изготовлению на основе инженерных чертежей и спецификаций материалов. Мы придерживаемся стандартов ISO 9001 и предлагаем широкий выбор материалов, включая металлы, конструкционные пластмассы, композиты и керамику.

Вы можете отправить свой чертеж, файл САПР, спецификацию материалов, размеры, тип обработки поверхности и количество, чтобы команда Boda Tech рассмотрела требования к производству.

Металлоиды – Часто задаваемые вопросы

Что такое металлоиды?

Металлоиды — это элементы, сочетающие в себе металлические и неметаллические свойства. Обычно они встречаются на границе между металлами и неметаллами в периодической таблице. Кремний и бор — распространённые примеры.

Сколько всего металлоидов существует?

К числу шести элементов периодической таблицы, которые обычно считаются металлоидами, относятся: бор, кремний, германий, мышьяк, сурьма и теллур. В некоторых источниках также упоминается полоний, что объясняет расхождения в его общем количестве.

Какие шесть основных металлоидов существуют?

Бор (B), кремний (Si), германий (Ge), мышьяк (As), сурьма (Sb) и теллур (Te) — шесть общепринятых металлоидов. Они находятся на границе между металлами и неметаллами в периодической таблице.

Почему металлоиды используются в качестве полупроводников?

Некоторые металлоиды обладают электрическими свойствами, промежуточными между свойствами металлов и неметаллов-изоляторов, в частности кремния и германия. Их проводимость также может быть увеличена или уменьшена путем изменения температуры и/или добавления небольших количеств других элементов. Это делает их полезными для электронных устройств.

Для чего используются металлоиды?

Металлоиды находят различное применение в зависимости от элемента. Солнечные батареи и полупроводниковые устройства изготавливаются с использованием кремния. Бор используется в сплавах для получения боросиликатного стекла, а германий применяется в электронике и инфракрасных устройствах. В некоторых сплавах и электронных материалах также используются сурьма и теллур.