Wo stehen Halbmetalle (Metalloide) im Periodensystem? Übersicht

Was sind Halbmetalle (Metalloide)?

Ein Halbmetall (Metalloid) ist ein Element mit Eigenschaften zwischen Metallen und Nichtmetallen. Halbmetalle werden auch Semimetalle genannt. Im Periodensystem sind die grün gefärbten Elemente, die allgemein die Treppenstufenlinie säumen, als Halbmetalle einzustufen.

Beachten Sie, dass Aluminium an der Linie grenzt, aber als Metall gilt, da all seine Eigenschaften metallisch sind.

Es gibt keine Standarddefinition eines Halbmetalls und keine vollständige Einigung, welche Elemente Halbmetalle sind. Trotz mangelnder Spezifität bleibt der Begriff in der Chemieliteratur in Gebrauch.

Die sechs allgemein anerkannten Halbmetalle sind Bor, Silicium, Germanium, Arsen, Antimon und Tellur. Fünf Elemente werden seltener so klassifiziert: Kohlenstoff, Aluminium, Selen, Polonium und Astat.

In einem Standardperiodensystem liegen alle elf Elemente in einer Diagonalregion des p-Blocks, die sich von Bor oben links bis Astat unten rechts erstreckt. Einige Periodensysteme zeigen eine Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen, an der die Halbmetalle nah an dieser Linie zu finden sind.

Einige Allotrope von Elementen zeigen ausgeprägteres metallisches, halbmetallisches oder nichtmetallisches Verhalten. Kohlenstoff: Diamant ist nichtmetallisch; Graphit ist elektrisch leitend und zeigt halbmetallische Eigenschaften. Phosphor, Zinn, Selen und Bismut haben ebenfalls Allotrope mit Grenzverhalten.

Halbmetalle neigen zu metallischem Aussehen, verhalten sich aber in den meisten chemischen Reaktionen wie Nichtmetalle. Alle Halbmetalle sind bei Raumtemperatur fest. Sie sind spröder als Metalle, aber viel schlechtere Elektroleiter. Die hybriden Eigenschaften bieten vielfältige Anwendungen: Metalllegierungen, Flammschutzmittel, Halbleiter/Elektronik.

Wo sind Halbmetalle im Periodensystem?

Halbmetalle liegen auf beiden Seiten der Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen. Diese findet sich in variierenden Konfigurationen in manchen Periodensystemen. Elemente links unten der Linie zeigen zunehmendes metallisches Verhalten; Elemente rechts oben zunehmendes nichtmetallisches Verhalten. Als regelmäßige Treppe dargestellt, liegen Elemente mit der höchsten kritischen Temperatur für ihre Gruppen (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) knapp unterhalb der Linie.

Halbmetalle befinden sich zwischen Metallen und Nichtmetallen. Die orange Farbe im Periodensystem repräsentiert Halbmetalle. Sie bilden eine trennende Grenze zwischen Metallen und Nichtmetallen.

Mit anderen Worten: Halbmetalle (Semimetalle) liegen rechts der Post-Übergangsmetalle und links der Nichtmetalle. Auch: Halbmetalle sind in der Diagonalregion des p-Blocks im Periodensystem präsent.

Gemeinsame Eigenschaften von Halbmetallen

Halbmetalle haben Eigenschaften zwischen Nichtmetallen und Metallen. Die meisten Halbmetalle haben:

• Ein metallähnliches Aussehen.
• Sie sind weniger leitfähig als Metalle.
• Sie sind spröder als Metalle.
• Halbmetalle haben allgemein nichtmetallische chemische Eigenschaften.
• Die Elektronegativitäten liegen zwischen Nichtmetallen und Metallen.
• Ionisationsenergien liegen ebenfalls zwischen Nichtmetallen und Metallen.
• Semimetalle/Halbmetalle haben einige Eigenschaften von Nichtmetallen und einige von Metallen.
• Die Reaktivität hängt von den Eigenschaften der interagierenden Elemente ab.
• Halbmetalle sind tendenziell gute Halbleiter.
• Halbmetalle können metallischen Glanz haben, aber auch Allotrope mit nichtmetallischem Aussehen.
• Halbmetalle sind meist spröde und typischerweise fest, nur unter ungewöhnlichen Bedingungen nicht fest.
• Halbmetalle verhalten sich in chemischen Reaktionen typischerweise wie Nichtmetalle und können Legierungen mit Metallen bilden.

Zusammenfassend: Kurzer Blick auf physikalische und chemische Eigenschaften.

Physikalische Eigenschaften von Halbmetallen

Physikalische Eigenschaften sind beobachtbare Merkmale ohne Veränderung der Substanz. Dazu gehören Gefrierpunkt, Dichte etc.

Physikalische Eigenschaften der Halbmetalle:

• Halbmetalle sind fest.
• Im Allgemeinen metallischer Glanz. Geringe Elastizität; sehr spröde.
• Halbmetalle sind Halbleiter und erlauben durchschnittliche Wärmeleitung.

Chemische Eigenschaften von Halbmetallen

Chemische Eigenschaften definieren, wie eine Substanz mit anderen reagiert oder sich umwandelt. Chemische Reaktionen sind der einzige Zeitpunkt, zu dem chemische Eigenschaften quantifiziert werden können. Dazu gehören Rost, Verbrennen, Anlaufen, Explodieren etc.

Chemische Eigenschaften der Halbmetalle:

• Halbmetalle bilden leicht Gase bei Oxidation.
• Halbmetalle können mit Metallen zu Legierungen kombiniert werden.
• Halbmetalle haben unterschiedliche metallische und nichtmetallische Allotrope.
• Beim Schmelzen ziehen sich einige zusammen.
• Halbmetalle können mit Halogenen Verbindungen bilden.

Charakteristische Eigenschaften von Halbmetallen

• Halbmetalle sind fest.
• Sie haben metallischen Glanz und sehen allgemein wie Metalle aus.
• Sie sind spröde und leicht zersplitternd.
• Halbmetalle leiten Strom, aber nicht so gut wie Metalle.
• Chemisch verhalten sie sich mehr wie Nichtmetalle: bilden leicht Anionen, haben multiple Oxidationsstufen, bilden kovalente Bindungen.
• Ihre Ionisationsenergien und Elektronegativitäten liegen zwischen Metallen und Nichtmetallen.

Halbmetalle sind bei weitem die kleinste Elementgruppe, da nur sechs Elemente definitiv als Halbmetalle klassifiziert sind. Sie können 3 bis 6 Valenzelektronen in ihrer äußeren Schale haben. Dies treibt ihre Reaktivität/chemisches Verhalten.

Bor mit nur drei Valenzelektronen verhält sich in chemischen Reaktionen metallisch, indem es Elektronen abgibt. Die anderen Halbmetalle mit vier oder mehr Valenzelektronen neigen dazu, sich wie Nichtmetalle zu verhalten und Elektronen aufzunehmen.

Lernen wir Fakten zu den einzelnen Halbmetallen, beginnend mit Bor.

Beispiele für Halbmetalle im Periodensystem

1. Bor

Bor ist ein vielseitiges Element, das in viele Verbindungen eingebaut werden kann. Borosilikatglas ist extrem beständig gegen Temperaturschocks. Extreme Temperaturänderungen an Objekten mit Borosilikat verursachen keine Schäden, im Gegensatz zu anderen Glaszusammensetzungen, die reißen oder zerspringen würden.

Wegen ihrer Festigkeit werden Borfilamente als leichte, hochfeste Materialien für Flugzeuge, Golfschläger und Angelruten verwendet. Natriumtetraborat wird breit in Glasfasern als Isolierung und in vielen Waschmitteln und Reinigern eingesetzt.

2. Silicium

Silicium ist ein typisches Halbmetall. Es hat Glanz wie ein Metall, ist aber spröde wie ein Nichtmetall. Silicium wird umfangreich in Computerchips und Elektronik verwendet, weil seine elektrische Leitfähigkeit zwischen Metall und Nichtmetall liegt.

Es ist ein potenter Halbleiter, leitet Strom bei höheren Temperaturen effizienter. Siliciumverbindungen (Silikate) machen fast 90 % der Erdkruste aus, reines Silicium ist selten. In Asteroiden, Monden und kosmischem Staub relativ häufig. Silikate werden häufig in Zement, Porzellan und Keramik hergestellt.

Im 21. Jahrhundert hatte Silicium durch seine Bedeutung für Halbleiterelektronik massiven Einfluss auf die Weltwirtschaft. Reines Silicium war entscheidend für integrierte Schaltkreise und Transistoren, beides Kernkomponenten moderner Elektronik wie Handys, Fernseher, Haushaltsgeräte.

3. Germanium

Germanium ist ein glänzend grauweißer Feststoff. Dichte 5,323 g/cm³, hart und spröde. Bei Raumtemperaturmostly unreaktiv, wird aber langsam von heißer konzentrierter Schwefel- oder Salpetersäure angegriffen. Germanium reagiert mit geschmolzener Natronlauge zu Natriumgermanat (Na₂GeO₃) und Wasserstoff. Schmelzpunkt 938 °C.

Auch ein guter Halbleiter, selten in reiner elementarer Form auf der Erde. Germanium kristallisiert häufig in Diamantstruktur. Dmitri Mendelejew sagte Germanium Jahre vor Entdeckung voraus und konnte viele Eigenschaften durch periodische Trends und Kenntnis anderer Halbmetalle und benachbarter Elemente vorhersagen.

Wie Silicium kritisch für moderne Technologie, aber in anderen Anwendungen: Infrarotoptik, Solarenergie, zahlreiche Metalllegierungen.

4. Arsen

Arsen ist ein grauer, metallisch aussehender Feststoff. Dichte 5,727 g/cm³, spröde, mittelhart (härter als Aluminium; weicher als Eisen). Stabil in trockener Luft, entwickelt in feuchter Luft goldbronzene Patina, die bei weiterer Exposition schwärzt.

Wird von Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure angegriffen. Reagiert mit geschmolzener Natronlauge zu Arsenat (Na₃AsO₃) und Wasserstoff. Arsen sublimiert bei 615 °C. Dampf zitronengelb, riecht nach Knoblauch. Arsen schmilzt nur unter 38,6 atm Druck bei 817 °C.

Bildet leicht kovalente Bindungen mit Nichtmetallen. Anwendungen in Legierungen, Elektronik, Pestiziden/Herbiziden, aber Nutzung nimmt wegen Toxizität ab.

Effektivität als Insektizid führte zu Holzschutzmittel. Als Gruppe-A-Karzinogen eingestuft. Trotz Toxizität winzige Mengen für menschlichen Stoffwechsel nötig, Mechanismus unbekannt.

5. Antimon

Antimon ist ein silberweißer Feststoff mit Blaustich und brillantem Glanz. Dichte 6,697 g/cm³, spröde, mittelhart, schlechter Stromleiter. Stabil an Luft und Feuchtigkeit bei Raumtemperatur. Mit Blei erhöht Antimon Härte und Festigkeit der Mischung. Wichtig für elektronische und Halbleiterbauelemente.

Etwa die Hälfte des industriell genutzten Antimons geht in Batterien, Kugeln, Legierungen, Kabel, Sanitärausrüstung. Wie bei anderen Halbmetallen kann hochreines Antimon in Halbleitertechnologien verwendet werden.

Vorkommen ca. ⅕ der Arsenhäufigkeit. Antimon hat ähnliche Atomstruktur wie Arsen, mit drei halbgefüllten Elektronenschalen in der äußersten Schale. Bildet typischerweise kovalente Bindungen, hochreaktiv mit Halogenen wie Schwefel, brennt mit brillanter blauer Flamme.

6. Tellur

Tellur ist ein silbrigweißer, glänzender Feststoff. Dichte 6,24 g/cm³, spröde, weichstes der anerkannten Halbmetalle, knapp härter als Schwefel. Große Tellurstücke stabil an Luft. Fein gepulvert wird es durch Luft in Feuchtigkeit oxidiert. Tellur reagiert mit kochendem Wasser oder frisch gefälltem sogar bei 50 °C zu Dioxid und Wasserstoff.

Tellur ähnelt Antimon in der Beschreibung. Hochreaktiv mit Schwefel und Selen, grüne-blaue Flamme beim Verbrennen. Industriell als Stahlzusatz, legierbar mit Aluminium, Kupfer, Blei, Zinn.

Wie Antimon kann Tellur andere Metalle stärken, aber auch Korrosion reduzieren bei genannten Metallen. Zudem starker Halbleiter, besonders bei Lichtexposition. In Natur meist in Kohle, Spuren in manchen Pflanzen.

7. Polonium

Polonium ist „eindeutig metallisch“ in mancher Hinsicht. Beide allotropen Formen sind metallische Leiter. Löslich in Säuren, bildet rosa Po²⁺-Kation und verdrängt Wasserstoff: Po + 2 H⁺ → Po²⁺ + H₂. Viele Poloniumsalze bekannt. Oxid PoO₂ vorwiegend basisch.

Polonium ist widerwilliges Oxidationsmittel, anders als leichtester Kongener Sauerstoff: stark reduzierende Bedingungen nötig für Po²⁻-Anion in wässriger Lösung.

Ob Polonium duktil oder spröde ist, unklar. Berechnete Elastizitätskonstanten sagen Duktilität voraus. Einfache kubische Kristallstruktur. Wenige Gleitsysteme → „sehr geringe Duktilität und damit geringe Bruchfestigkeit“.

Polonium zeigt nichtmetallischen Charakter in Halogeniden und durch Existenz von Poloniden. Halogenide haben Eigenschaften typisch für Nichtmetall-Halogenide. Viele Metallpolonide (Erhitzen der Elemente bei 500–1.000 °C, enthalten Po²⁻-Anion) bekannt.

8. Astat

Als Halogen wird Astat tendenziell als Nichtmetall klassifiziert. Es hat markante metallische Eigenschaften und wird manchmal als Halbmetall oder (seltener) als Metall eingestuft. Nach Produktion 1940 betrachteten frühe Forscher es als Metall.

1949 als edelstes (schwer zu reduzierende) Nichtmetall sowie relativ edles (schwer zu oxidierendes) Metall bezeichnet. 1950 als Halogen und (daher) reaktives Nichtmetall beschrieben. 2013 durch relativistisches Modeling als monatomares Metall mit flächenzentriert kubischer Kristallstruktur vorhergesagt.

Mehrere Autoren kommentierten metallische Natur mancher Astat-Eigenschaften. Da Jod in Ebenenrichtung Halbleiter ist und Halogene mit steigender Ordnungszahl metallischer werden, wird vermutet, Astat wäre Metall, wenn es kondensierte Phase bilden könnte.

Astat könnte im flüssigen Zustand metallisch sein, basierend auf Enthalpie der Verdampfung > ~42 kJ/mol → metallisch flüssig. Solche Elemente: Bor, Silicium, Germanium, Antimon, Selen, Tellur.

FAQs

Was sind Halbmetalle?

Ein Halbmetall hat Eigenschaften zwischen Metallen und Nichtmetallen. Auch Semimetalle genannt. Im Periodensystem die gelb gefärbten Elemente, die allgemein die Treppenstufenlinie säumen, gelten als Halbmetalle.

Wo sind Halbmetalle im Periodensystem?

Halbmetalle liegen links und rechts der Trennlinie zwischen Metallen und Nichtmetallen. Elemente links unten zeigen zunehmendes metallisches Verhalten; rechts oben zunehmendes nichtmetallisches Verhalten.

Was sind Ihre 8 Halbmetalle?

Bor, Silicium, Germanium, Arsen, Antimon, Tellur sind allgemein anerkannte Halbmetalle. Je nach Autor werden Selen, Polonium, Astat manchmal hinzugefügt.

Was sind die Merkmale eines Halbmetalls?

Charakteristische Eigenschaften:

• Halbmetalle sind fest.
• Metallischer Glanz, sehen wie Metalle aus.
• Spröde, leicht zersplitternd.
• Leiten Strom, aber nicht so gut wie Metalle.

Welches ist das seltenste Element der Erde?

Forscher am ISOLDE bei CERN maßen erstmals die Elektronenaffinität von Astat, dem seltensten natürlich vorkommenden Element der Erde.

Warum ist Polonium ein Halbmetall?

Polonium hat eine Position im Periodensystem, die es zu Metall, Halbmetall oder Nichtmetall machen könnte. Es wird als Metall klassifiziert, da seine elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur abnimmt.

Wie viele Halbmetalle im Periodensystem?

Es gibt nur sechs Halbmetalle. Neben Silicium: Bor, Germanium, Arsen, Antimon, Tellur. Halbmetalle liegen zwischen Metallen und Nichtmetallen im Periodensystem und in ihren Eigenschaften.

Was sind 5 Fakten über Halbmetalle?

Halbmetall-Fakten:

• Häufigstes Halbmetall in Erdkruste: Silicium, zweithäufigstes Element insgesamt (Sauerstoff ist häufigster).
• Seltenstes natürliches Halbmetall: Tellur.
• Halbmetalle wertvoll in Elektronikindustrie.
• Arsen und Polonium hochgiftige Halbmetalle.

Was sind die 5 Eigenschaften von Halbmetallen?

Fünf Haupteigenschaften:

• Eigenschaften zwischen Metallen und Nichtmetallen.
• Physikalisches Aussehen ähnlich Metallen.
• Halbleiter für Elektrizität.
• Spröde.
• Chemische Eigenschaften ähnlicher Nichtmetallen als Metallen.

Sind Halbmetalle gute Leiter?

Die meisten Halbmetalle haben metallischen Glanz, sind aber schlechte Wärme- und Elektroleiter.

Ist Francium ein Metall?

Francium (Fr), schwerstes Element der Gruppe 1 (Ia), gehört zu den Alkalimetallen.

Ist Polonium ein Halbmetall?

Bor (B), Silicium (Si), Germanium (Ge), Arsen (As), Antimon (Sb), Tellur (Te), Polonium (Po), Astat (At) gelten als Halbmetalle.

Ist Bor ein Halbmetall?

Bor (Symbol B, Ordnungszahl 5). Als Halbmetall klassifiziert, fest bei Raumtemperatur. Ja, Bor ist Halbmetall, da es Eigenschaften von Metallen & Nichtmetallen hat. Bor verhält sich als Nichtmetall bei Reaktion mit hoch elektropositiven Metallen (Na, K) & als Metall bei Reaktion mit F (BF₃). Wie Nichtmetalle bildet es Borhydride (kovalent, nicht wie NaH/KH, sondern wie CH₄, PH₃). B³⁺ als Grenzfallsäure; B³⁺ zeigt „Symbiose“ (BF₃ harte Säure, BH₃ weiche Säure) – auch dies deutet auf Halbmetall hin.

Ist Silicium ein Halbmetall?

Anders als Kohlenstoff ist Silicium ein Halbmetall, tatsächlich das häufigste auf der Erde. „Halbmetall“ = bessere Elektronenleiter als Nichtmetalle, aber nicht so gut wie Metalle. Silicium als Halbmetall klassifiziert, da einige Eigenschaften metallisch, andere nichtmetallisch sind. Z. B. bläulich-grauer metallischer Glanz, aber kein hervorragender Stromleiter.

Ist Aluminium ein Halbmetall?

Trotz mangelnder Spezifität bleibt der Begriff in der Chemieliteratur. Die sechs anerkannten Halbmetalle: Bor, Silicium, Germanium, Arsen, Antimon, Tellur. Fünf seltener klassifiziert: Kohlenstoff, Aluminium, Selen, Polonium, Astat. Aluminium ist duktiles, formbares Metall. Obwohl es ungewöhnliche Eigenschaften hat, die halbmetallisch erscheinen lassen, ist es kein Halbmetall, da es im Periodensystem auf der Linie liegt, die Metalle, Nichtmetalle und Halbmetalle trennt.

Ist Astat (At) ein Halbmetall?

Bor (B), Silicium (Si), Germanium (Ge), Arsen (As), Antimon (Sb), Tellur (Te), Polonium (Po), Astat (At) gelten als Halbmetalle. Halbmetalle leiten Wärme und Strom intermediär zwischen Nichtmetallen und Metallen und bilden allgemein Oxide. Astat entzieht sich leichter chemischer Klassifizierung. In der Halogenspalte, aber auch auf Diagonale mit Halbmetallen wie Bor, Silicium. In Reaktionen mal Halogen, mal Metall.

Ist Antimon (Sb) ein Halbmetall?

Antimon (Symbol Sb, Ordnungszahl 51). Als Halbmetall klassifiziert, fest bei Raumtemperatur.

Ist Germanium ein Halbmetall?

Germanium fällt in dieselbe Gruppe wie Kohlenstoff und Silicium, aber auch Zinn und Blei. Germanium selbst ist als Halbmetall klassifiziert. Als Halbmetall hat es Metall- und Nichtmetalleigenschaften. Auch Halbleiter – elektrische Leitfähigkeit zwischen Isolator und Leiter. Dies führte zu Elektronikanwendungen.

Ist Kohlenstoff ein Halbmetall?

Kohlenstoff ist Nichtmetall, die übrigen Elemente dieser Gruppe sind Metalle. Gruppe 15 = Stickstoffgruppe. Halbmetalle darin: Arsen, Antimon. Gruppe 15 enthält auch zwei Nichtmetalle und ein Metall.

Wie viele Halbmetalle im Periodensystem?

Es gibt nur sechs Halbmetalle. Neben Silicium: Bor, Germanium, Arsen, Antimon, Tellur. Halbmetalle liegen zwischen Metallen und Nichtmetallen im Periodensystem und in ihren Eigenschaften.