Halfmetalen (metalloïden)

De trap in het periodiek systeem

De halfmetalen vormen een diagonale band door het p-blok: boor in groep 13, silicium en germanium in groep 14, arseen en antimoon in groep 15, en telluur in groep 16. Ze hebben drie tot zes buitenste elektronen in s- en p-orbitalen, van boor ([He] 2s² 2p¹) tot telluur ([Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p⁴). Het metaalkarakter neemt toe in elke groep naar beneden en af in elke periode van links naar rechts, dus de grens loopt diagonaal.

Er is geen enkele algemeen aanvaarde lijst. Sommige tabellen nemen ook polonium, astaat, seleen of zelfs koolstof op; op deze site is polonium een metaal na de overgangsmetalen, astaat een halogeen en seleen een reactief niet-metaal.

Deels metaal, deels niet-metaal

De meeste halfmetalen zien er metaalachtig uit, met een glanzend grijs of zwart oppervlak, maar ze zijn bros. Boor, silicium, germanium en telluur zijn halfgeleiders: ze geleiden beter dan niet-metalen maar veel slechter dan metalen, en hun geleidbaarheid neemt toe met de temperatuur. Arseen en antimoon geleiden meer als slechte metalen en worden vaak halfmetalen in engere zin genoemd.

Chemisch gedragen ze zich meer als niet-metalen. Ze vormen meestal covalente bindingen, hun oxiden zijn zwak zuur of amfoteer, en ze vormen legeringen met metalen. Boor en silicium smelten bij 2076 °C en 1414 °C omdat hun atomen in gigantische covalente netwerken met elkaar verbonden zijn.

Typische reacties

Silicium is na zuurstof het meest voorkomende element in de aardkorst, maar in de natuur is het altijd met zuurstof verbonden, in zand, kwarts en silicaatmineralen. Zuiver silicium wordt gemaakt door silica met koolstof te verhitten in een elektrische oven: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Halfmetalen reageren ook met halogenen tot covalente verbindingen, zoals vloeibaar siliciumtetrachloride (Si + 2Cl₂ → SiCl₄), dat wordt gebruikt om het ultrazuivere glas van glasvezels te maken.

Halfgeleiders en andere toepassingen

De eerste transistor, gebouwd in 1947, gebruikte germanium, en tegenwoordig zijn bijna alle computerchips en zonnecellen van silicium gemaakt. Hun geleidbaarheid wordt geregeld door dotering: het toevoegen van een minuscule hoeveelheid boor, dat één buitenste elektron minder heeft dan silicium, of van fosfor of arseen, die er één meer hebben.

Boor zit in hittebestendig borosilicaatglas en neodymium–ijzer–boormagneten. Germanium wordt gebruikt in glasvezel en infraroodlenzen, arseen in galliumarsenide-leds, antimoon in brandvertragers en loodlegeringen voor accu's, en telluur in cadmiumtelluride-zonnepanelen. Arseen en zijn verbindingen zijn zeer giftig.