Métalloïdes (semi-métaux)

L'escalier du tableau périodique

Les métalloïdes forment une bande diagonale à travers le bloc p : le bore dans le groupe 13, le silicium et le germanium dans le groupe 14, l'arsenic et l'antimoine dans le groupe 15, et le tellure dans le groupe 16. Ils ont de trois à six électrons externes dans des orbitales s et p, du bore ([He] 2s² 2p¹) au tellure ([Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁴). Le caractère métallique augmente en descendant dans chaque groupe et diminue le long de chaque période, de sorte que la frontière suit une diagonale.

Il n'existe pas de liste unique faisant consensus. Certains tableaux incluent aussi le polonium, l'astate, le sélénium ou même le carbone ; sur ce site, le polonium est un métal pauvre, l'astate un halogène et le sélénium un non-métal réactif.

Un peu métal, un peu non-métal

La plupart des métalloïdes ont un aspect métallique, avec une surface brillante grise ou noire, mais ils sont cassants. Le bore, le silicium, le germanium et le tellure sont des semi-conducteurs : ils conduisent mieux que les non-métaux mais bien moins que les métaux, et leur conductivité augmente avec la température. L'arsenic et l'antimoine conduisent plutôt comme des métaux pauvres et sont souvent appelés semi-métaux.

Chimiquement, ils se comportent plus comme des non-métaux. Ils forment généralement des liaisons covalentes, leurs oxydes sont faiblement acides ou amphotères, et ils forment des alliages avec les métaux. Le bore et le silicium fondent à 2076 °C et 1414 °C parce que leurs atomes sont reliés en réseaux covalents géants.

Réactions typiques

Le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre après l'oxygène, mais dans la nature, il est toujours combiné à l'oxygène, dans le sable, le quartz et les minéraux silicatés. Le silicium pur est obtenu en chauffant de la silice avec du carbone dans un four électrique : SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Les métalloïdes réagissent aussi avec les halogènes pour former des composés covalents, comme le tétrachlorure de silicium liquide (Si + 2Cl₂ → SiCl₄), qui sert à fabriquer le verre ultrapur des fibres optiques.

Semi-conducteurs et autres usages

Le premier transistor, construit en 1947, utilisait du germanium, et aujourd'hui presque toutes les puces informatiques et les cellules solaires sont en silicium. Leur conductivité est contrôlée par dopage : on ajoute une infime quantité de bore, qui a un électron externe de moins que le silicium, ou de phosphore ou d'arsenic, qui en ont un de plus.

Le bore entre dans le verre borosilicaté résistant à la chaleur et dans les aimants néodyme-fer-bore. Le germanium est utilisé dans les fibres optiques et les lentilles infrarouges, l'arsenic dans les LED à l'arséniure de gallium, l'antimoine dans les retardateurs de flamme et les alliages de batteries au plomb, et le tellure dans les panneaux solaires au tellurure de cadmium. L'arsenic et ses composés sont très toxiques.