類金屬

類金屬 ( Metalloids )

類金屬 ( Metalloids )
國立臺灣師範大學化學系碩士班二年級陳筱鳳研究生

類金屬 ( metalloids ) 是一個用來分類化學元素的名詞。根據它們的物理及化學特性,元素週期表上的化學元素大都可被分類為金屬或非金屬;但有一些元素的性質介於金屬和非金屬之間,僅具有部分金屬或非金屬的性質,即稱為類金屬。[1]

類金屬又稱為準金屬或半金屬。但由於缺少正常金屬的延展性,所以只能算是 ” 半 ” 金屬。分別為硼 ( B ) 、矽 ( Si ) 、鍺 ( Ge ) 、砷 ( As ) 、銻 ( Sb ) 、碲 ( Te ) 這六種元素,而有時釙 ( Po ) 和砈 ( At ) 也被視為類金屬。這類元素的外電子層構型為ns2np 15 。在週期表中呈階梯狀的排列,特別的是,這些類金屬元素即使屬於不同族群,也可能會擁有相似的性質。[2]

c1

元素週期表[3]

硼(Boron)

硼(Boron)
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

硼的名稱boron主要源自於阿拉伯語,指其礦物:硼砂。人類幾千年前就知道硼砂這礦物,但直至英國化學家戴維(Davy)、給呂薩克等人,利用電解產生的鉀金屬,還原無水硼酸後,才得到單質硼,並確認它為一新的元素。硼的原子序5,元素符號是B;為三價的非金屬元素,自然界中沒有游離態的硼。它主要以硼砂(borax)以及各種硼酸鹽形式存在。硼酸含于某些溫泉水中。硼酸鹽礦物有硼砂Na2B4O5(OH)4 • 8H2O、方硼石2Mg3B8O15 • MgCl2、斜方硼砂Na2B4O7•4H2O等。土耳其及美國是世界上硼的主產地。單質硼的冶煉是利用硼的氧化物與金屬如鎂、鋁作用而得。較純的硼則是用硼的鹵化物與氫氣在高溫下反應還原而得。

硼有兩種穩定的同位素:11B(80.1%)、10B(19.9%)。單質硼屬於原子晶體,已知有多種的同素異形體存在。無定形硼是褐色,性質較活潑,能與許多非金屬直接結合。而結晶硼是黑色,硬度非常高(莫氏硬度約9.5),性質不活潑,不與HF、HCl作用,但可和熱的高濃度過氧化氫、硝酸、硫酸等作用。室溫下硼即可與氟化合反應;加熱則可與氯、溴、氧及硫作用。硼的主要用途在半導體作為摻雜物、核反應控制系統及殺蟲劑、防腐劑、化學合成試劑、硼玻璃和陶瓷、工程材料(B4C)等。

單質砷

單質砷 (Arsenic)
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

砷在地殼中的含量是5×10-6,它是親硫元素,在自然界中主要以硫化物礦形式存在。例如雌黃As2S3、雄黃As2S2、砷硫鐵礦FeAsS,砷硫銅礦Cu3AsS4等。

鍺(Germanium)
高雄市立高雄女中化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

1871年,元素週期律的發現者門得列夫曾預言”類矽”元素的存在。

1886年,德國化學家Winkler C. A.用光譜的方法分析硫銀鍺礦時,8個全分析結果均差7%左右,因此他斷定礦石中一定含有一種未知的新元素。他用氫氣還原硫化鍺製得了金屬鍺。Clemens Winkler為了紀念他的祖國,把新元素命名為Germanium(德國的拉丁名為Germania),元素符號Ge,中文為鍺。

鍺在地殼中的含量為7×10-7,比金、銀、鉑還多,但尚未有大規模的開採,因為鍺是最分散的元素之一。大量的鍺以分散狀態存在於各種金屬的矽酸鹽礦和硫化物礦、以及各種形式的煤中。其中含鍺量最高的礦是低溫閃鋅礦,含量在0.01%~0.1%之間;含鍺量較高的礦物有硫銀鍺礦4AgS∙GeS2、鍺石礦 CuS∙FeS∙GeS2、含鍺量在0.001%~0.1%之間。

矽元素

矽(Silicon)元素
高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

矽在早期曾被戴維(Davy)誤認為化合物。18世紀70年代,化學家們用螢石與硫酸作用發現氫氟酸以後,便打開了人們認識矽石複雜組成的大門。尤其在電池發明以後,化學家們利用電池獲得了活潑的金屬鉀、鈉、初步找到了把矽從它的化合物中分離出來的途徑。1823年瑞典化學家Berzelius J. J.用金屬鉀還原四氟化矽或用金屬鉀與氟矽酸鉀共熱,首次製得較純的粉狀單質矽。

矽之物理性質

矽(Silicon)之物理性質
高雄市立高雄女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學董騰元教授責任編輯

矽有晶態和無定形兩種同素異形體。晶態矽又分為單晶矽和多晶矽,它們均具有金剛石晶格(diamond cubic crystal structure),晶體硬而脆,具有金屬光澤,能導電,但導電性不如金屬,且隨溫度升高而導電性增加,具有半導體性質。