半金属(メタロイド)
半金属は、金属と非金属の中間の性質をもつ元素です。金属と非金属を分けるジグザグの階段線に沿って位置しており、このサイトでは、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルルの6つを掲載しています。
周期表の階段線
半金属は、pブロックを斜めに横切る帯をつくっており、13族のホウ素、14族のケイ素とゲルマニウム、15族のヒ素とアンチモン、16族のテルルがあります。ホウ素([He] 2s² 2p¹)からテルル([Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁴)まで、s軌道とp軌道に3〜6個の最外殻電子をもちます。金属性は各族を下がるほど増し、各周期を右へ進むほど減るため、境界は斜めに走ります。
広く合意された唯一のリストはありません。ポロニウム、アスタチン、セレン、さらには炭素まで含める周期表もありますが、このサイトでは、ポロニウムは貧金属、アスタチンはハロゲン、セレンは反応性非金属です。
金属と非金属の両方の性質
ほとんどの半金属は、光沢のある灰色や黒の表面をもち、金属のように見えますが、もろいです。ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、テルルは半導体で、非金属よりはよく電気を通しますが、金属よりははるかに悪く、温度が上がると導電性が増します。ヒ素とアンチモンは、貧金属に近い導電性をもち、半金属と呼ばれることが多いです。
化学的には、むしろ非金属に近い振る舞いをします。たいてい共有結合をつくり、その酸化物は弱酸性または両性で、金属とは合金をつくります。ホウ素とケイ素の融点がそれぞれ2076 °Cと1414 °Cなのは、原子が巨大な共有結合の網目でつながっているためです。
典型的な反応
ケイ素は、地殻で酸素に次いで2番目に豊富な元素ですが、自然界では常に、砂、石英、ケイ酸塩鉱物の中で酸素と結びついています。純粋なケイ素は、電気炉でシリカを炭素とともに加熱してつくられます:SiO₂ + 2C → Si + 2CO。半金属はハロゲンとも反応して共有結合性の化合物をつくり、たとえば液体の四塩化ケイ素(Si + 2Cl₂ → SiCl₄)は、光ファイバー用の超高純度ガラスの製造に使われます。
半導体とその他の用途
1947年につくられた最初のトランジスタにはゲルマニウムが使われ、現在ではほとんどすべてのコンピューターチップと太陽電池がケイ素でつくられています。その導電性は、ドーピングによって制御されます。つまり、ケイ素より最外殻電子が1個少ないホウ素や、1個多いリンやヒ素を、ごく少量加えます。
ホウ素は、耐熱性のホウケイ酸ガラスやネオジム・鉄・ホウ素磁石に使われています。ゲルマニウムは光ファイバーや赤外線レンズに、ヒ素はヒ化ガリウムLEDに、アンチモンは難燃剤や鉛蓄電池用の合金に、テルルはテルル化カドミウム太陽電池に使われています。ヒ素とその化合物は猛毒です。
この族の元素
| 5 | ホウ素 | B | 10.81 | [He] 2s2 2p1 | +3 | 固体 |
| 14 | ケイ素 | Si | 28.085 | [Ne] 3s2 3p2 | +4, −4 | 固体 |
| 32 | ゲルマニウム | Ge | 72.63 | [Ar] 3d10 4s2 4p2 | +4, −4 | 固体 |
| 33 | ヒ素 | As | 74.922 | [Ar] 3d10 4s2 4p3 | −3 | 固体 |
| 51 | アンチモン | Sb | 121.76 | [Kr] 4d10 5s2 5p3 | −3 | 固体 |
| 52 | テルル | Te | 127.6 | [Kr] 4d10 5s2 5p4 | −2 | 固体 |