Ιδιότητες μεταλλοειδών για την τάξη χημείας

Τα μεταλλοειδή αναφέρονται επίσης μερικές φορές ως ημιμέταλλα, λόγω του γεγονότος ότι τα μεταλλοειδή έχουν ιδιότητες που είναι μεταξύ των μετάλλων και των μη μετάλλων. Αυτό είναι σύμφωνο με τη θέση τους στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, όπου βρίσκονται μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων. Τα περισσότερα μεταλλοειδή έχουν τις ακόλουθες ιδιότητες:έχουν μη μεταλλικές χημικές ιδιότητες, είναι πιο εύθραυστα από τα μέταλλα, είναι λιγότερο αγώγιμα από τα μέταλλα και έχουν παρόμοια εμφάνιση με τα μέταλλα.

Τα μεταλλοειδή/ημιμέταλλα έχουν και άλλες ιδιότητες όπως η ικανότητα να σχηματίζουν κράματα όταν συνδυάζονται με μέταλλα, το γεγονός ότι είναι (γενικά) καλοί ημιαγωγοί, το γεγονός ότι είναι συνήθως στερεά υπό κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες και τυπικά εμφανίζουν χημική απόκριση όπως αυτές των μη μετάλλων όταν χρησιμοποιούνται σε μια χημική αντίδραση.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα πώς τα μεταλλοειδή/ημιμέταλλα διαφέρουν τόσο από μέταλλα όσο και από αμέταλλα, ας ξεκινήσουμε διερευνώντας τη θέση τους στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων.

Μια προσεκτική ματιά στα ημιμέταλλα/μεταλλοειδή

Τα ημιμέταλλα/μεταλλοειδή βρίσκονται στον περιοδικό πίνακα μεταξύ των μη μετάλλων και των μετάλλων. Τα στοιχεία που βρίσκονται σε αυτή την περιοχή του μέσου έχουν ιδιότητες που είναι μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων. Υπάρχει συζήτηση σχετικά με το πώς ταξινομούνται τα μεταλλοειδή, με διαφορετικά συστήματα ταξινόμησης που ορίζουν διαφορετικά στοιχεία ως ημιμέταλλα. Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν διαφορετικές μέθοδοι ταξινόμησης για τα μεταλλοειδή, μπορούμε να εντοπίσουμε ορισμένα γενικά παραδείγματα μεταλλοειδών.

Τα στοιχεία που συχνά ορίζονται ως μεταλλοειδή περιλαμβάνουν:

Βόριο, πυρίτιο, αρσενικό, γερμάνιο, τελλούριο, αντιμόνιο, πολώνιο και αστατίνη.

Το στοιχείο 117, Tennessine, είναι πιθανός υποψήφιος για να είναι μεταλλοειδές, αν και δεν έχει παρατηρηθεί σε επαρκείς ποσότητες για να το ταξινομήσει με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Τα στοιχεία που βρίσκονται γύρω του στον περιοδικό πίνακα έχουν συχνά μεταλλοειδή χαρακτηριστικά. Εξαιτίας αυτού, ορισμένοι επιστήμονες μπορεί να επιλέξουν να το ταξινομήσουν ως μεταλλοειδές. Ένα παράδειγμα ενός στοιχείου που θα μπορούσε δυνητικά να ταξινομηθεί ως ημιμέταλλο είναι ο άνθρακας, ο οποίος μπορεί να έχει μεταλλοειδείς ιδιότητες ανάλογα με το αλλοτρόπιο. Για παράδειγμα, ο άνθρακας σε μορφή διαμαντιού λειτουργεί παρόμοια με τα μη μέταλλα, αλλά σε έναν γραφίτη, ο άνθρακας έχει μεταλλικές ιδιότητες. Ο γραφίτης μπορεί να λειτουργεί ως ηλεκτρικός ημιαγωγός και έχει μεταλλική γυαλάδα, σε αντίθεση με το διαμάντι.

Υπάρχουν άλλα στοιχεία που έχουν αλλότροπα που μπορεί να έχουν μη μεταλλικές ή μεταλλικές ιδιότητες. Ο φώσφορος και το οξυγόνο μπορούν επίσης να θεωρηθούν είτε μη μεταλλικά είτε μεταλλοειδή στη φύση τους. Στην περιβαλλοντική χημεία, το σελήνιο ταξινομείται συχνά ως μεταλλοειδές. Υπάρχουν και άλλα στοιχεία που θα μπορούσαν να θεωρηθούν μεταλλοειδή. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες, στοιχεία όπως το υδρογόνο, το θείο, το άζωτο, το ραδόνιο, το ιώδιο, το βισμούθιο και ο ψευδάργυρος θεωρούνται μεταλλοειδή.

Όπως ίσως περιμένατε μέχρι τώρα, τα ημιμέταλλα/μεταλλοειδή έχουν ενέργειες ιονισμού και επίπεδα ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ αυτών των μετάλλων και των μη μετάλλων. Αυτές οι ιδιότητες των ενδιάμεσων στοιχείων σημαίνουν ότι τα μεταλλοειδή έχουν χαρακτηριστικά τόσο των μετάλλων όσο και των μη μετάλλων. Ως παράδειγμα στοιχείου με ενδιάμεσες ιδιότητες θεωρήστε το πυρίτιο. Ενώ το πυρίτιο τείνει να είναι αναποτελεσματικός αγωγός και αρκετά εύθραυστο, έχει μια γυαλάδα που χαρακτηρίζει τα μεταλλικά στοιχεία. Τα στοιχεία με τα οποία αντιδρά ένα μεταλλοειδές αλλάζουν τον τρόπο με τον οποίο το μεταλλοειδές ανταποκρίνεται στην αλληλεπίδραση. Για παράδειγμα, το βόριο αντιδρά σαν αμέταλλο όταν συνδυάζεται με νάτριο, αλλά όταν αντιδρά με φθόριο εμφανίζει χαρακτηριστικά αντιδράσεων των μετάλλων. Τα σημεία τήξης, το σημείο βρασμού και η πυκνότητα των μεταλλοειδών ποικίλλουν ευρέως σε όλο το φάσμα των μεταλλοειδών. Τέλος, τα μεταλλοειδή συνήθως είναι καλοί ημιαγωγοί, καθώς έχουν ένα ενδιάμεσο επίπεδο αγωγιμότητας μετάλλων και μη μετάλλων.

Οι ακόλουθες ιδιότητες είναι κοινές για τα μεταλλοειδή, αν και αυτές οι ιδιότητες θα μετατοπιστούν ανάλογα με το συγκεκριμένο μεταλλοειδές:

Οι ενέργειες ιονισμού για τα μεταλλοειδή βρίσκονται μεταξύ μετάλλων και μη μετάλλων, και ομοίως, οι ηλεκτρονικές αρνητικότητες των μεταλλοειδών είναι μεταξύ μετάλλων και αμετάλλων.

Τα μεταλλοειδή/ημιμέταλλα διαθέτουν ορισμένα χαρακτηριστικά των μετάλλων και ορισμένα χαρακτηριστικά των μη μετάλλων.

Τα μεταλλοειδή είναι γενικά καλοί ημιαγωγοί.

Η αντιδραστικότητα των μεταλλοειδών εξαρτάται από τα στοιχεία με τα οποία αλληλεπιδρούν και οι ιδιότητες του άλλου στοιχείου μπορούν να κάνουν το μεταλλοειδές να εμφανίζει πιο μεταλλική συμπεριφορά ή πιο μη μεταλλική συμπεριφορά.

Τα μεταλλοειδή συνήθως έχουν λάμψη παρόμοια με τις μεταλλικές ενώσεις, αλλά συγκεκριμένα αλλοτρόπα μεταλλοειδή μπορεί να είναι μη μεταλλικά στην εμφάνιση.

Τα μεταλλοειδή είναι συνήθως στερεά και μόνο σε σπάνιες συνθήκες μετατρέπονται σε μη στερεές καταστάσεις. Τα μεταλλοειδή είναι συνήθως αρκετά εύθραυστα σε σύγκριση με τα αμέταλλα.

Τα μεταλλοειδή μπορούν να συνδυαστούν με μέταλλα για να δημιουργήσουν κράματα και στις χημικές αντιδράσεις συνήθως συμπεριφέρονται ως μη μέταλλα.

Σύνοψη

Ας προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε μερικές από τις διαφορές μεταξύ μεταλλοειδών και μη μετάλλων ή μετάλλων αναλύοντας τις χημικές και φυσικές ιδιότητες των μεταλλοειδών. Οι χημικές ιδιότητες είναι ιδιότητες που καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο μια δεδομένη ουσία αντιδρά όταν συνδυάζεται με μια άλλη ουσία ή πώς μετατρέπονται από τη μια ουσία στην άλλη. Οι χημικές ιδιότητες μπορούν να ποσοτικοποιηθούν μόνο με τη μελέτη της χημικής αντίδρασης μεταξύ ενός στοιχείου και ενός άλλου. Οι χημικές αντιδράσεις έχουν ως αποτέλεσμα φαινόμενα όπως εκρήξεις, αμαύρωση, κάψιμο και σκουριά. Τα μεταλλοειδή τείνουν να έχουν τις ακόλουθες χημικές ιδιότητες:

Όταν τα μεταλλοειδή οξειδώνονται, συχνά σχηματίζουν αέρια. Τα μεταλλοειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή μεταλλικών κραμάτων συνδυαζόμενα με μεταλλικά στοιχεία. Τα αλλότροπα των μεταλλοειδών μπορεί να είναι είτε μη μεταλλικά είτε μεταλλικά. Μερικά μεταλλοειδή συστέλλονται όταν λιώνουν. Τα μεταλλοειδή μπορούν να σχηματίσουν μια ποικιλία ενώσεων αλληλεπιδρώντας με άλλα στοιχεία.

Ας εξετάσουμε τώρα τις φυσικές ιδιότητες των μεταλλοειδών. Οι φυσικές ιδιότητες είναι χαρακτηριστικά που μπορούν να παρατηρηθούν ή να τεκμηριωθούν χωρίς να αλλάξει ο τρόπος με τον οποίο ομαδοποιούνται τα μόρια μιας ουσίας, χωρίς να αλλοιωθεί η χημική σύνθεση αυτής της ουσίας. Οι φυσικές ιδιότητες περιλαμβάνουν πράγματα όπως η πυκνότητα, το σημείο πήξης και το σημείο βρασμού. Οι φυσικές ιδιότητες των μεταλλοειδών περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:τα μεταλλοειδή επιτρέπουν μια μέση μετάδοση θερμότητας και είναι ημιαγώγιμα στη φύση τους. Τα μεταλλοειδή είναι επίσης πολύ εύθραυστα και έχουν χαμηλή ελαστικότητα. Τα μεταλλοειδή έχουν γενικά μεταλλική λάμψη. Τέλος, τα μεταλλοειδή βρίσκονται συνήθως σε στερεή κατάσταση της ύλης, σε μη στερεές καταστάσεις μόνο σε σπάνιες συνθήκες.

Δομή Μεταλλοειδών

Τα μεταλλοειδή έχουν κρυσταλλική δομή. Αυτή η κρυσταλλική δομή είναι το αποτέλεσμα ομοιοπολικού δεσμού. Η κρυσταλλική δομή δίνει στα μεταλλοειδή ορισμένες φυσικές ιδιότητες και στοιχεία όπως το γερμάνιο, το αντιμόνιο, το αρσενικό, το πυρίτιο και το τελλούριο έχουν όλα μια λαμπερή λάμψη. Όταν το γερμάνιο και το πυρίτιο υφίστανται κρυστάλλωση, σχηματίζουν μια δομή σαν διαμάντι.

Τα άτομα που υπάρχουν σε αυτήν την κρυσταλλική δομή διαθέτουν ομοιοπολικούς δεσμούς και αυτοί οι δεσμοί τους προσκολλώνται σε τέσσερα άτομα που τα περιβάλλουν, δημιουργώντας ένα σχήμα τετραέδρου. Μεγάλα τρισδιάστατα μόρια συρράπτονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μονοκρυστάλλους πυριτίου και γερμανίου. Το πιο σταθερό αλλοτρόπο του αρσενικού έχει μια στρωματοποιημένη δομή, με φύλλα ατόμων αρσενικού το ένα πάνω στο άλλο, αν και το αρσενικό έχει επίσης πολλά άλλα αλλότροπα που είναι λιγότερο σταθερά. Τα άτομα αρσενικού έχουν μια δεσμευτική δομή που τα συνδέει με τρία άλλα άτομα στην περιοχή. Το αρσενικό και το αντιμόνιο έχουν και τα δύο χημικές δομές παρόμοιες με τη χημική δομή του γραφίτη, ο οποίος έχει δικτυωτό σχήμα. Οι κρύσταλλοι του τελλουρίου αποτελούνται από σπειροειδείς αλυσίδες ατόμων.

Η κρυσταλλική δομή του βορίου είναι διαφανής και δημιουργεί εικοσάεδρα όπου τα βόριο βρίσκονται σε κάθε γωνία της δομής. Οι δεσμοί βορίου-βορίου είναι εξαιρετικά στενοί και κοντά μεταξύ τους, μόνο περίπου 176 ΜΜ σε μήκος, και αυτή η σφιχτή ομαδοποίηση δεσμών βορίου είναι επίσης η πιο κοινή διάταξη για τα άτομα βορίου. Τα άτομα του βορίου μπορούν να παραταχθούν σε πολλούς διαφορετικούς σχηματισμούς για την κατασκευή παραλλαγών στη μορφή των εικοσάεδρων.

Το πυρίτιο ενώνεται με άτομα οξυγόνου για να δημιουργήσει δεσμούς με την ακόλουθη μορφή:si-o-si. Χάρη στις χημικές ιδιότητες τόσο του οξυγόνου όσο και του πυριτίου, αυτοί οι δεσμοί δημιουργούνται πολύ εύκολα και είναι εξαιρετικά σημαντικοί για τη δημιουργία πολλών διαφορετικών ορυκτών. Η σημασία των δεσμών si-o-si στη δημιουργία ορυκτών μπορεί να θεωρηθεί ανάλογη με τη σημασία των δεσμών άνθρακα στη δημιουργία των οργανικών ενώσεων που βρίσκονται σε όλα τα ζώα και τα φυτά.

Γενικά στοιχεία για τα μεταλλοειδή

Τα στοιχεία πυρίτιο και οξυγόνο είναι τα πιο άφθονα στοιχεία στον φλοιό της Γης. Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο, ενώ το οξυγόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο. Τα μεταλλοειδή όπως το αρσενικό και το πολώνιο είναι πολύ τοξικά. Τα μεταλλοειδή όπως το πυρίτιο έχουν μεγάλη σημασία για τη βιομηχανία ηλεκτρονικών, καθώς χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία τσιπ υπολογιστών απαραίτητα για πολλά διαφορετικά ηλεκτρονικά. Μεγαλύτερη ευελιξία και άλλες ιδιότητες μπορούν να προστεθούν στα κράματα με την εισαγωγή τελλουρίου και αντιμονίου.

Άλλοι τύποι στοιχείων

Η αριστερή πλευρά και το μεσαίο τμήμα του περιοδικού πίνακα είναι το σπίτι των μετάλλων. Υπάρχουν μερικές διαφορετικές ομάδες μεταλλικών στοιχείων, συμπεριλαμβανομένων της Ομάδας IA και της Ομάδας II που περιέχουν τα μέταλλα της Ομάδας ΙΑ και τα μέταλλα της Ομάδας ΙΙΑ. Υπάρχει επίσης ένα σύνολο μετάλλων μετάπτωσης που βρίσκονται από τις ομάδες IB έως VIIIB στο τραπέζι. Οι δύο κάτω σειρές στοιχείων είναι μέταλλα, αν και τα κύρια μέταλλα βρίσκονται στα δεξιά των μετάλλων μετάπτωσης.

Τα μέταλλα είναι σχεδόν πάντα στερεά σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά ο υδράργυρος είναι η εξαίρεση σε αυτή την τάση. Τα μέταλλα είναι επίσης πυκνά και γυαλιστερά. Έχουν υψηλά σημεία τήξης και έχουν επίσης υψηλές πυκνότητες. Τα μέταλλα διαθέτουν τα ακόλουθα στοιχειακά χαρακτηριστικά:χαμηλές ενέργειες ιονισμού, μεγάλες ατομικές ακτίνες και χαμηλή ηλεκτραρνητικότητα. Τα ηλεκτρόνια στο κέλυφος σθένους των μετάλλων μπορούν εύκολα να αφαιρεθούν χάρη σε αυτές τις ιδιότητες. Τα μέταλλα είναι αρκετά ελατά, μπορούν να αναμορφωθούν, να αλλοιωθούν φυσικά, χωρίς να σπάσουν ή να αλλάξουν τους δεσμούς των χημικών τους. Τα μέταλλα είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και της θερμότητας λόγω της ικανότητας των ηλεκτρονίων σθένους να κινούνται μάλλον ελεύθερα.

Στη δεξιά πλευρά του περιοδικού πίνακα βρίσκονται τα αμέταλλα. Τα αμέταλλα καλύπτουν πολλούς διαφορετικούς τύπους στοιχείων:αλογόνα, ευγενή αέρια και στοιχεία όπως το υδρογόνο (που βρίσκεται στην αριστερή πλευρά), το οξυγόνο, τον άνθρακα, το σελήνιο, το θείο και τον φώσφορο. Τα μη μέταλλα διαθέτουν υψηλές ενέργειες ιονισμού καθώς και υψηλή ηλεκτραρνητικότητα. Τα αμέταλλα είναι κακοί αγωγοί τόσο της θερμότητας όσο και του ηλεκτρισμού, σε αντίθεση με τα μέταλλα. Τα στερεά αμέταλλα είναι συνήθως αρκετά εύθραυστα και έχουν μικρή ή καθόλου λάμψη. Σε σύγκριση με άλλα είδη στοιχείων, τα αμέταλλα μπορούν εύκολα να αποκτήσουν ηλεκτρόνια.