Halbmetalle (Metalloide)

Die Treppe im Periodensystem

Die Halbmetalle bilden ein diagonales Band durch den p-Block: Bor in Gruppe 13, Silicium und Germanium in Gruppe 14, Arsen und Antimon in Gruppe 15 und Tellur in Gruppe 16. Sie haben drei bis sechs Außenelektronen in s- und p-Orbitalen, von Bor ([He] 2s² 2p¹) bis Tellur ([Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁴). Der metallische Charakter nimmt in jeder Gruppe nach unten zu und in jeder Periode nach rechts ab, deshalb verläuft die Grenze diagonal.

Es gibt keine einheitlich anerkannte Liste. Manche Tabellen nehmen auch Polonium, Astat, Selen oder sogar Kohlenstoff auf; auf dieser Seite ist Polonium ein Post-Übergangsmetall, Astat ein Halogen und Selen ein reaktives Nichtmetall.

Teils Metall, teils Nichtmetall

Die meisten Halbmetalle sehen metallisch aus, mit glänzender grauer oder schwarzer Oberfläche, sind aber spröde. Bor, Silicium, Germanium und Tellur sind Halbleiter: Sie leiten besser als Nichtmetalle, aber viel schlechter als Metalle, und ihre Leitfähigkeit steigt mit der Temperatur. Arsen und Antimon leiten eher wie arme Metalle und werden oft Halbmetalle im engeren Sinn genannt.

Chemisch verhalten sie sich eher wie Nichtmetalle. Sie bilden meist kovalente Bindungen, ihre Oxide sind schwach sauer oder amphoter, und sie bilden Legierungen mit Metallen. Bor und Silicium schmelzen bei 2076 °C und 1414 °C, weil ihre Atome in riesigen kovalenten Netzwerken verknüpft sind.

Typische Reaktionen

Silicium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste, kommt in der Natur aber immer mit Sauerstoff verbunden vor, in Sand, Quarz und Silicatmineralen. Reines Silicium entsteht, indem man Siliciumdioxid mit Kohlenstoff im Elektroofen erhitzt: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Halbmetalle reagieren auch mit Halogenen zu kovalenten Verbindungen, etwa zu flüssigem Siliciumtetrachlorid (Si + 2Cl₂ → SiCl₄), das zur Herstellung des ultrareinen Glases von Glasfasern dient.

Halbleiter und weitere Verwendungen

Der erste Transistor, 1947 gebaut, verwendete Germanium, und heute bestehen fast alle Computerchips und Solarzellen aus Silicium. Ihre Leitfähigkeit wird durch Dotieren gesteuert: Man fügt eine winzige Menge Bor hinzu, das ein Außenelektron weniger hat als Silicium, oder Phosphor oder Arsen, die ein Außenelektron mehr haben.

Bor steckt in hitzebeständigem Borosilicatglas und in Neodym-Eisen-Bor-Magneten. Germanium wird in der Glasfasertechnik und für Infrarotlinsen verwendet, Arsen in Galliumarsenid-LEDs, Antimon in Flammschutzmitteln und Bleilegierungen für Batterien und Tellur in Solarmodulen aus Cadmiumtellurid. Arsen und seine Verbindungen sind hochgiftig.