آخرین به روزرسانی
مقدمه
این مقاله به شما میگوید متالوئیدها چه هستند و چگونه از آنها استفاده میشود.
کلمه «متالوئید» به انگلیسی Metalloid (یا نیمهفلز یا شبه فلز) به عناصری اشاره دارد که خواص آنها بین فلزات و نافلزات قرار میگیرد. تعداد دقیق عناصری که باید به عنوان متالوئید در نظر گرفته شوند، اغلب محل بحث است، اما به طور کلی توافق بر وجود حداقل شش عنصر وجود دارد. عنصر متالوئیدی «آنتیموان» احتمالا اولین عنصری بود که مورد توجه انسان قرار گرفت. از آن در مصر باستان برای رنگدانهها و داروها استفاده میشد.
شبه فلزها ظاهری شبیه فلز دارند و بسیار سخت و شکننده هستند. این ویژگی باعث میشود آنها به تنهایی برای کاربردهای سازهای مناسب نباشند. با این حال، هنگامی که متالوئیدها با عناصر دیگر ترکیب شوند، به تولید آلیاژها و نیمهرساناهایی با خواص منحصر به فرد کمک میکنند که با روش دیگری قابل دستیابی نیستند.
این مقاله Metalloidها را تعریف میکند، به خواص شیمیایی و فیزیکی آنها میپردازد و برخی از کاربردهای رایج آنها را بررسی میکند.
فهرست مطالب
متالوئیدها چه هستند؟
تعریف مشخص و واحدی برای Metalloid وجود ندارد. این به دلیل آن است که شبه فلزات خواصی میانه بین فلزات و نافلزات دارند. آنها روی جدول تناوبی عناصر، بین فلزات و نافلزات قرار میگیرند. همین موضوع باعث اختلاف نظر در مورد اینکه کدام عناصر دقیقا متالوئید هستند میشود.
کدام عناصر، Metalloid هستند؟
بسته به تعریف این اصطلاح، دانشمندان تعداد عناصر دستهبندی شده به عنوان Metalloid را بین ۶ تا ۹ در نظر میگیرند. در جدول تناوبی، متالوئیدها روی خطی مورب بین فلزات و نافلزات قرار میگیرند، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.
شش عنصر زیر به طور جهانی به عنوان شبه فلز شناخته میشوند:
- بور (B): برای تقویت اجزای سازهای در خودروها استفاده میشود.
- سیلیسیم (Si): رایجترین ماده نیمهرسانا است.
- ژرمانیم (Ge): به طور معمول برای نیمهرساناها استفاده میشود.
- آرسنیک (As): اغلب به عنوان حشرهکش به کار میرود.
- تلوریم (Te): به عنوان افزودنی فولاد برای بهبود ماشینکاری استفاده میشود.
- آنتیموان (Sb): برای رنگ دادن به رنگها استفاده میشود و اغلب با سرب آلیاژ داده میشود.
برخی از دانشمندان سه عنصر دیگر را نیز به عنوان Metalloid در نظر میگیرند. این عناصر به راحتی میتوانند به عنوان فلزات خالص یا نافلزات طبقهبندی شوند؛ از همین رو ابهام و اختلاف نظر وجود دارد.
- پولونیم: بسیار رادیواکتیو؛ به عنوان منبع انرژی برای کاوشگرهای فضایی استفاده میشود.
- استاتین: عنصر رادیواکتیو بدون کاربرد فعلی خارج از آزمایشگاه تحقیقاتی.
- بیسموت: برای خاموش کردن آتش استفاده میشود.
تاریخچه کشف و توسعه شبه فلزات
آنتیموان (Antimony)
آنتیموان یکی از نخستین متالوئیدهایی است که در تاریخ کشف و استفاده شد. شواهد استفاده از آنتیموان به مصر باستان برمیگردد، جایی که از آن به عنوان رنگدانه و دارو استفاده میشد. اولین بار در قرن ششم میلادی، شیمیدانان عرب بهطور علمی به بررسی آنتیموان پرداختند. آنتیموان بهطور رسمی بهعنوان یک عنصر شیمیایی در سال ۱۷۸۴ توسط شیمیدان فرانسوی، میشل-اوتو ویتمین کشف شد.
آرسنیک (Arsenic)
آرسنیک در قرون وسطی بهطور گسترده به عنوان رنگدانه استفاده میشد، اما بهدلیل سمیت بالای آن، شناخت بیشتری در مورد آن حاصل شد. آلبرتوس مگنوس (Albertus Magnus)، فیلسوف و شیمیدان آلمانی، اولین بار آرسنیک را در حدود سال ۱۲۵۰ میلادی جدا کرد. آرسنیک بهطور رسمی در سال ۱۸۶۹ توسط شیمیدان آلمانی، کریستین فریدریش شوئنبن (Christian Friedrich Schönbein) به عنوان یک عنصر شیمیایی معرفی شد.
سیلیسیم (Silicon)
سیلیسیم بهعنوان یکی از مهمترین متالوئیدها، در سال ۱۸۲۳ توسط شیمیدان سوئدی، یوناس یاکوب برزلیوس (Jöns Jacob Berzelius) کشف شد. برزلیوس با استفاده از روشهای شیمیایی جدید، سیلیسیم را از ترکیبهای سیلیکات جدا کرد و ویژگیهای خاص آن را توصیف کرد.
ژرمانیم (Germanium)
ژرمانیم بهعنوان یک عنصر نیمهرسانا در سال ۱۸۸۶ توسط شیمیدان آلمانی، کلمنت آدلر (Clemens Winkler) کشف شد. کشف ژرمانیم بهویژه در دنیای الکترونیک مهم بود، زیرا ویژگیهای نیمهرسانای آن بهطور گسترده در دستگاههای الکترونیکی مدرن مورد استفاده قرار گرفت.
تلوریم (Tellurium)
تلوریم برای اولین بار در سال ۱۸۸۵ توسط شیمیدان اتریشی، مارتین کلپروت (Martin Heinrich Klaproth) کشف شد. تلوریم بهطور عمده در ترکیبهای معدنی بهعنوان یک عنصر ضمیمه یافت میشود و در کاربردهای صنعتی مانند بهبود خواص فولاد و آلیاژها بهکار میرود.
بور (Boron)
بور در سال ۱۸۰۸ توسط شیمیدانان آلمانی، یوهان لوتر (Johann Wolfgang Döbereiner) و در سال ۱۸۲۴ توسط شیمیدان سوئدی، یاکوب برزلیوس بهطور مستقل کشف شد. بور بهعنوان یک عنصر شیمیایی مهم در صنایع مختلف مانند تولید شیشه و سرامیک، نقش کلیدی دارد.
توسعههای معاصر
در دهههای اخیر، پژوهشهای علمی بهطور فزایندهای به بررسی خواص و کاربردهای جدید متالوئیدها پرداختهاند. پیشرفتهای فناوری در زمینه نانوپزشکی، انرژیهای نو و الکترونیک منجر به کشف و توسعه کاربردهای جدید متالوئیدها شده است. بهویژه، متالوئیدهایی مانند سیلیسیم و ژرمانیم بهطور گسترده در فناوریهای نیمهرسانا و کامپیوترهای پیشرفته مورد استفاده قرار میگیرند.
برای اضافه کردن بخش مربوط به فرآیندهای تولید و تصفیه متالوئیدها به پست شما، میتوانید از اطلاعات زیر استفاده کنید:
فرایندهای تولید و تصفیه Metalloidها
۱. تولید و تصفیه آنتیموان (Antimony)
روشهای تولید:
- استخراج از معدن: آنتیموان عمدتاً از معادن آنتیموان استخراج میشود که شامل معادن سولفیدی و اکسیدی است. سولفید آنتیموان (Stibnite, Sb₂S₃) یکی از مهمترین منابع استخراج آنتیموان است.
- فرآیندهای شیمیایی: آنتیموان معمولاً از سولفید آنتیموان با استفاده از کورههای فلزکاری و فرآیندهای احیاء شیمیایی استخراج میشود.
تصفیه:
- خالصسازی با فلوتاسیون: برای جدا کردن آنتیموان از مواد همراه، از روشهای فلوتاسیون استفاده میشود که شامل افزودن مواد شیمیایی برای جداسازی آنتیموان از سنگ معدن است.
- تحلیل الکترولیتی: آنتیموان تصفیه شده میتواند با استفاده از روشهای الکترولیتی برای رسیدن به خلوص بالا بهکار رود.
۲. تولید و تصفیه آرسنیک (Arsenic)
روشهای تولید:
- استخراج از سنگ معدن: آرسنیک معمولاً بهصورت ترکیب با سایر فلزات مانند مس و سرب در سنگ معدنهای آرسنیک دار وجود دارد.
- فرآیندهای شیمیایی: آرسنیک از سنگ معدنهای آرسنیکی با استفاده از فرآیندهای کورهای و تصفیه شیمیایی استخراج میشود.
تصفیه:
- مخلوطسازی با هیدروژن: آرسنیک بهطور عمده بهصورت ترکیبهای هیدروژنی (مانند Arsine) برای تصفیه بیشتر استفاده میشود.
- تقسیمبندی: آرسنیک را میتوان از طریق فرآیندهای شیمیایی و حرارتی به صورت آرسنیک فلزی یا ترکیبات دیگر تبدیل کرد.
۳. تولید و تصفیه سیلیسیم (Silicon)
روشهای تولید:
- کوره الکتریکی: سیلیسیم عمدتاً از طریق کاهش سیلیکاتهای معدنی با استفاده از کورههای الکتریکی تولید میشود. این فرآیند شامل واکنش سیلیکات با کربن در دماهای بالا است.
- روش مگنیشیم: روش دیگری برای تولید سیلیسیم از ترکیب با مگنیشیم برای تولید سیلیکون فلزی خالص است.
تصفیه:
- تصفیه با روش زرین: سیلیسیم خالصسازی شده با استفاده از روش زرین برای تولید سیلیسیم با کیفیت بالا برای صنایع الکترونیک و نیمهرساناها تصفیه میشود.
- پالایش از طریق کوره الکتریکی: این روش شامل استفاده از کورههای الکتریکی برای تصفیه سیلیسیم خام و حذف ناخالصیها است.
۴. تولید و تصفیه ژرمانیم (Germanium)
روشهای تولید:
- استخراج از سنگ معدن: ژرمانیم عمدتاً از سنگ معدنهای روی و سرب که حاوی مقادیر کمی از ژرمانیم هستند استخراج میشود.
- فرآیندهای شیمیایی: ژرمانیم از طریق روشهای شیمیایی از ترکیبهای معدنی و بازیابی از ضایعات الکترونیکی تولید میشود.
تصفیه:
- تصفیه با هیدروژن: ژرمانیم خالصسازی شده با استفاده از روشهای شیمیایی و هیدروژنی برای رسیدن به کیفیت بالا تصفیه میشود.
- پالایش الکترولیتی: ژرمانیم را میتوان با استفاده از روشهای الکترولیتی و کاهش به صورت فلزی خالص تولید کرد.
۵. تولید و تصفیه تلوریم (Tellurium)
روشهای تولید:
- استخراج از سنگ معدن: تلوریم معمولاً بهعنوان یک ترکیب با مس و سرب استخراج میشود.
- فرآیندهای شیمیایی: تلوریم با استفاده از فرآیندهای شیمیایی از سنگ معدنهای تلوریم استخراج میشود.
تصفیه:
- تصفیه الکترولیتی: تلوریم با استفاده از روشهای الکترولیتی و فرآیندهای شیمیایی برای دستیابی به خلوص بالا تصفیه میشود.
- فرآیندهای حرارتی: تلوریم را میتوان با استفاده از حرارت برای حذف ناخالصیها و تولید تلوریم خالص فرآوری کرد.
۶. تولید و تصفیه بور (Boron)
روشهای تولید:
- استخراج از معدنی: بور از منابع معدنی مانند بوراکس و کولمنیت استخراج میشود.
- فرآیندهای شیمیایی: بور از طریق فرآیندهای شیمیایی و حرارتی از ترکیبهای معدنی و مواد اولیه تولید میشود.
تصفیه:
- تصفیه با روشهای شیمیایی: بور تصفیه شده با استفاده از روشهای شیمیایی و حرارتی برای رسیدن به خلوص بالا بهکار میرود.
- پالایش با حرارت: بور را میتوان با استفاده از حرارت و فرآیندهای شیمیایی برای تولید بور خالص تصفیه کرد.
اولین بار چه زمانی از شبه فلزات استفاده شد؟
اولین متالوئید استفاده شده به مصر باستان برمیگردد، جایی که از آنتیموان به عنوان آرایش و رنگدهنده برای رنگ و لکه استفاده میشد. با این حال، طبقهبندی آن به عنوان متالوئید تنها در دهه ۱۵۰۰ میلادی انجام شد. آرسنیک نیز در قرون وسطی به طور گسترده مورد استفاده قرار میگرفت. احتمالاً اولین بار توسط یک پزشک آلمانی به نام آلبرتوس مگنوس، در حدود سال ۱۲۵۰ جدا سازی شده است. آرسنیک تا زمانی که کشف شد بسیار سمی است، به طور گسترده به عنوان رنگدانه استفاده میشد. سیلیسیم برای اولین بار در سال ۱۸۲۳ توسط شیمیدان سوئدی یوناس یاکوب برزلیوس کشف شد. اولین نیمهرساناهای موجود در بازار در سال ۱۹۵۴ ساخته شدند.
خواص شبه فلزات چیست؟
متالوئیدها عموماً ظاهری شبیه فلز دارند. آنها تمایل دارند سخت و شکننده باشند و به عنوان نیمهرسانا عمل کنند. متالوئیدها نیز از نظر شیمیایی تمایل به رفتار شبیه نافلزات دارند. به همین ترتیب، متالوئیدها به طور معمول برای کاربردهای مکانیکی استفاده نمیشوند. با این حال، این رفتار به عناصر دقیقی که با آنها واکنش نشان میدهند بستگی دارد. این بدان معناست که در برخی واکنشهای شیمیایی، متالوئیدها مانند نافلزات رفتار میکنند و در برخی دیگر، مانند فلزات رفتار میکنند.
خواص فیزیکی Metalloidها
خواص فیزیکی متالوئیدها ترکیبی از خواص فلزات و نافلزات است. در ادامه برخی از خواص فیزیکی متالوئیدها آورده شده است:
- هدایت الکتریکی: متالوئیدها به اندازه فلزات رسانای الکتریسیته نیستند. در واقع، بسیاری از متالوئیدها به عنوان نیمهرسانا عمل میکنند. این بدان معناست که بسته به سطح ناخالصیها یا اثرات دما، میتوانند رسانا یا عایق باشند.
- شکل فیزیکی: متالوئیدها در دمای اتاق جامد هستند.
- هدایت حرارتی: متالوئیدها گرما را بهتر از نافلزات، اما نه به اندازه فلزات، هدایت میکنند.
- چگالی: چگالی متالوئیدها به طور قابل توجهی متفاوت است. به عنوان مثال، چگالی سیلیسیم ۲.۳۳ گرم بر سانتیمتر مکعب و چگالی آنتیموان ۶.۶۹ گرم بر سانتیمتر مکعب است.
- سختی: متالوئیدها طیف وسیعی از سختی را دارند. به عنوان مثال، آرسنیک سختی ۳.۵ و بور سختی ۹.۳ را در مقیاس موس دارد. برای مقایسه، طلا سختی ۲.۵ و الماس سختی ۱۰ در مقیاس موس دارد.
- خواص مکانیکی: متالوئیدها شکلپذیری ضعیفی دارند و به همین دلیل بسیار شکننده هستند. متالوئیدها به همین دلیل در کاربردهای سازهای قابل استفاده نیستند.
- ظاهر فلزی: اکثر متالوئیدها سطحی براق و بازتابنده دارند، مشابه بسیاری از فلزات.
خواص شیمیایی شبه فلزات
متالوئیدها عموماً رفتار شیمیایی غیرفلزات را از خود نشان میدهند. در ادامه برخی از خواص شیمیایی رایج متالوئیدها آورده شده است:
- الکترونگاتیوی: الکترونگاتیوی به تمایل یک اتم برای جذب الکترونها هنگام تشکیل پیوند شیمیایی اشاره دارد. هر چه عدد بیشتر باشد، جاذبه قویتر است. متالوئیدها معمولا مقادیر الکترونگاتیوی بین ۱.۸ تا ۲.۲ دارند.
- پیوندهای کووالانسی: متالوئیدها پیوندهای کووالانسی تشکیل میدهند، اما مانند فلزات، یونهای تک اتمی تشکیل نمیدهند.
- تشکیل آلیاژ: متالوئیدها میتوانند با فلزات دیگر ترکیب شده و آلیاژ ایجاد کنند. نمونهای از این آلیاژها، سرب و آنتیموان است که برای تشکیل آلیاژهای سرب آنتیموان که در مهمات استفاده میشود، ترکیب میشوند.
- واکنشپذیری شیمیایی: متالوئیدها تمایل دارند پیوندهای کووالانسی مانند غیرفلزات تشکیل دهند. آنها به طور معمول آنیونهای تک اتمی تشکیل نمیدهند، که رفتاری معمولی برای فلزات است.
کاربردهای Metalloidها
متالوئیدها به دلیل خواص نیمهرسانایی خود در طیف گستردهای از کاربردها استفاده میشوند. در ادامه برخی از نمونهها آورده شده است:
- نیمهرساناها: سیلیسیم به طور گسترده به عنوان یک نیمهرسانا استفاده میشود و میتوان آن را در اکثر دستگاههای الکترونیکی یافت. ژرمانیم ناخالص شده با آرسنیک نیز خواص نیمهرسانایی مفیدی از نظر تجاری دارد. تحرک بار بالا در آنتیموان آن را برای برخی کاربردهای تخصصی نیمهرساناها مفید میکند.
- لاستیک سیلیکونی: سیلیکون را میتوان با اکسیژن پلیمریزه کرد تا پلیمری با ستون فقرات سیلیکون-اکسیژن (شاخههای پلیمری معمولاً متیل هستند) ایجاد کند. با اصلاح زنجیره پلیمری میتوان به طیف گستردهای از خواص دست یافت. سیلیکون به طور گسترده به عنوان درزگیر، روان کننده، عایق و ظروف آشپزی استفاده میشود.اگرچه لاستیک سیلیکونی مستقیماً از یک متالوئید (سیلیسیم) ساخته نمیشود، اما وجود سیلیسیم در ساختار این ماده و نقش کلیدی آن در تعیین خواص لاستیک سیلیکونی، باعث میشود که بتوانیم بگوییم لاستیک سیلیکونی یکی از کاربردهای غیر مستقیم متالوئیدها است. در واقع، میتوان گفت که سیلیسیم و ترکیبات آن، به عنوان یک گروه از مواد، کاربردهای بسیار گستردهای در صنایع مختلف دارند و لاستیک سیلیکونی تنها یکی از این کاربردها است.
- عاملهای بیولوژیکی: اکثر عناصر متالوئیدی دارای خواص دارویی یا سمی هستند. آرسنیک و آنتیموان سمی هستند. آرسنیک در گذشته به عنوان آفتکش استفاده میشد، اما این کاربرد کمتر رایج شده است. سیلیسیم و بور، از سوی دیگر، میتوانند خواص دارویی مانند ضدعفونیکننده یا عوامل ضد کف خوراکی داشته باشند. اسید بوریک نیز برای عفونتهای قارچی استفاده میشود.
- عناصر آلیاژ دهنده: متالوئیدها اغلب به عنوان عناصر آلیاژ دهنده در فلزات استفاده میشوند. نمونههایی از این موارد شامل سیلیسیم در آلومینیوم و بور در آهن است. سایر متالوئیدهای آلیاژ دهنده شامل آنتیموان و تلوریم هستند.
- شیشه: بور به شکل اکسید بوراکس با سیلیسیم به شکل شن سیلیس (SiO2) و سودا (Na2CO3) مخلوط میشود تا شیشه بوروسیلیکات ایجاد شود. این شیشه مقاومت بسیار خوبی در برابر شوک حرارتی دارد. پیرکس نوعی شیشه پخت محبوب است که از شیشه بوروسیلیکات ساخته شده است.
مقایسه متالوئیدها با دیگر گروههای عناصر
متالوئیدها، فلزات و نافلزات هر یک ویژگیها و کاربردهای منحصر به فردی دارند. در این بخش به مقایسه متالوئیدها با فلزات و نافلزات از نظر خواص و کاربردها میپردازیم و ویژگیهای خاص متالوئیدها را بررسی خواهیم کرد.
۱. مقایسه خواص فیزیکی
شبه فلزات:
- ظاهر: اغلب متالوئیدها دارای ظاهری فلزی و براق هستند.
- هدایت الکتریکی: متالوئیدها معمولاً نیمهرسانا هستند، یعنی میتوانند در برخی شرایط الکتریسیته را هدایت کنند و در برخی دیگر عایق باشند.
- سختی و شکنندگی: متالوئیدها معمولاً سخت و شکنندهاند. این ویژگیها به دلیل ترکیب خواص فلزات و نافلزات است.
- چگالی: چگالی متالوئیدها بسیار متغیر است و میتواند از متالوئید به متالوئید دیگر تفاوت زیادی داشته باشد.
فلزات:
- ظاهر: فلزات معمولاً دارای ظاهری براق و انعطافپذیر هستند.
- هدایت الکتریکی: فلزات به طور کلی به خوبی الکتریسیته و گرما را هدایت میکنند.
- سختی و شکنندگی: بسیاری از فلزات قابل شکلپذیری هستند و به ندرت شکنندهاند. خواص مکانیکی آنها به شدت متغیر است.
- چگالی: چگالی فلزات معمولاً بالا است و میتواند در مقایسه با نافلزات و متالوئیدها بالاتر باشد.
نافلزات:
- ظاهر: نافلزات معمولاً ظاهری مات دارند و بیشتر به صورت گاز یا جامد غیر فلزی یافت میشوند.
- هدایت الکتریکی: نافلزات به طور کلی عایق هستند و نمیتوانند الکتریسیته را به خوبی هدایت کنند.
- سختی و شکنندگی: نافلزات به طور کلی شکننده هستند و انعطافپذیری کمتری نسبت به فلزات دارند.
- چگالی: چگالی نافلزات معمولاً پایین است و به ندرت به اندازه فلزات بالا میرود.
۲. مقایسه خواص شیمیایی
شبه فلزات:
- رفتار شیمیایی: متالوئیدها معمولاً خواص شیمیایی بین فلزات و نافلزات را نشان میدهند. آنها میتوانند با فلزات و نافلزات ترکیب شوند و پیوندهای کووالانسی یا یونی تشکیل دهند.
- الکترونگاتیوی: متالوئیدها عموماً دارای مقادیر الکترونگاتیوی متوسط هستند که بین فلزات و نافلزات قرار میگیرد.
فلزات:
- رفتار شیمیایی: فلزات معمولاً تمایل به تشکیل پیوندهای یونی دارند و به عنوان کاتیون در واکنشهای شیمیایی شرکت میکنند. آنها به طور معمول اتمهای خود را به اشتراک میگذارند.
- الکترونگاتیوی: فلزات به طور کلی دارای الکترونگاتیوی پایینتری نسبت به نافلزات هستند.
نافلزات:
- رفتار شیمیایی: نافلزات به طور عمده پیوندهای کووالانسی تشکیل میدهند و تمایل دارند الکترونها را جذب کنند. آنها معمولاً به عنوان آنیون در واکنشهای شیمیایی شرکت میکنند.
- الکترونگاتیوی: نافلزات معمولاً الکترونگاتیوی بالاتری دارند و تمایل دارند الکترونها را به راحتی جذب کنند.
۳. مقایسه کاربردها
شبه فلزات:
- نیمهرساناها: سیلیسیم و ژرمانیم به طور گسترده در صنعت الکترونیک به عنوان نیمهرسانا استفاده میشوند.
- آلیاژها و مواد ترکیبی: متالوئیدها مانند بور و تلوریم به عنوان عناصر آلیاژ دهنده در فلزات و تولید مواد مقاوم به حرارت و خوردگی استفاده میشوند.
- کاربردهای شیمیایی: متالوئیدها در تولید مواد شیمیایی و دارویی نیز کاربرد دارند، مانند آرسنیک و آنتیموان.
فلزات:
- ساخت و ساز: فلزات مانند آهن و آلومینیوم در ساخت و ساز، خودروها و تجهیزات صنعتی استفاده میشوند.
- الکترونیک: فلزاتی مانند مس و نقره به دلیل خواص عالی هدایت الکتریکی در سیمها و قطعات الکترونیکی به کار میروند.
نافلزات:
- گازها و مواد شیمیایی: نافلزات مانند اکسیژن و نیتروژن در گازهای تنفسی و مواد شیمیایی صنعتی کاربرد دارند.
- رنگها و مواد آرایشی: نافلزاتی مانند کربن در تولید رنگها و مواد آرایشی به کار میروند.
متالوئیدها ویژگیهای منحصر به فردی دارند که آنها را به گزینههای مفیدی برای کاربردهای خاص تبدیل میکند. آنها در جایی بین فلزات و نافلزات قرار دارند و به همین دلیل خواص و کاربردهای متنوعی ارائه میدهند که با هیچکدام از این دو گروه دیگر به تنهایی قابل دستیابی نیست. این ویژگیها باعث میشود که متالوئیدها بهویژه در صنایع الکترونیک، شیمیایی و تولید آلیاژها دارای اهمیت ویژهای باشند.
جدول مقایسه شبه فلزات، فلزات و نافلزات
ویژگی | شبه فلزات | فلزات | نافلزات |
---|---|---|---|
ظاهر | براق و فلزی | براق و انعطافپذیر | مات و غیر فلزی |
هدایت الکتریکی | نیمهرسانا؛ میتواند رسانا یا عایق باشد | خوب؛ رسانا | عایق |
سختی و شکنندگی | سخت و شکننده | قابل شکلپذیری و مقاوم به تغییر شکل | شکننده و غیرقابل شکلپذیری |
چگالی | متغیر؛ از پایین تا بالا | معمولاً بالا | معمولاً پایین |
خواص شیمیایی | خواص میانه؛ ترکیب پیوندهای کووالانسی و یونی | معمولاً پیوندهای یونی | پیوندهای کووالانسی و جذب الکترونها |
الکترونگاتیوی | متوسط؛ بین فلزات و نافلزات | پایین | بالا |
ترکیبهای شیمیایی | میتوانند با فلزات و نافلزات ترکیب شوند | عمدتاً ترکیبهای یونی | ترکیبهای کووالانسی |
کاربردها | – نیمهرساناها (سیلیسیم، ژرمانیم) – آلیاژها و مواد ترکیبی (بور، تلوریم) – کاربردهای شیمیایی (آرسنیک، آنتیموان) | – ساخت و ساز (آهن، آلومینیوم) – الکترونیک (مس، نقره) | – گازها و مواد شیمیایی (اکسیژن، نیتروژن) – رنگها و مواد آرایشی (کربن) |
ویژگیهای خاص | خواص ترکیبی از فلزات و نافلزات؛ استفاده در تولید مواد ویژه | خواص مکانیکی خوب؛ هدایت عالی | خواص شیمیایی خاص؛ استفاده در تولید گازها و مواد شیمیایی |
این جدول به شما کمک میکند تا ویژگیها و کاربردهای متالوئیدها را با فلزات و نافلزات مقایسه کنید و تفاوتهای اصلی آنها را بهتر درک کنید.
ترکیب و تعاملات متالوئیدها با سایر عناصر
1. ترکیب با فلزات
آلیاژها:
- بور (B): در آلیاژهای آهن به کار میرود تا سختی و استحکام را افزایش دهد. بور میتواند با آهن ترکیب شده و آلیاژهایی با خواص مکانیکی بهبود یافته تولید کند. این آلیاژها در صنایع خودروسازی و ساختمانی کاربرد دارند.
- آنتیموان (Sb): با سرب ترکیب میشود تا آلیاژهایی مانند سرب-آنتیموان تولید کند که در باتریهای خودرو و دیگر کاربردهای الکتریکی استفاده میشود. این آلیاژها ویژگیهای مکانیکی و الکتریکی مطلوبی دارند.
- تلوریم (Te): با مس و سایر فلزات ترکیب میشود تا آلیاژهایی با خواص حرارتی و الکتریکی ویژه تولید کند. این آلیاژها در صنایع الکترونیکی و شیشهسازی کاربرد دارند.
فولاد و آلومینیوم:
- سیلیسیم (Si): به عنوان افزودنی در فولاد و آلومینیوم برای بهبود خواص مکانیکی و مقاومت به اکسیداسیون استفاده میشود. در فولاد، سیلیسیم موجب افزایش سختی و مقاومت به حرارت میشود.
2. ترکیب با نافلزات
سازگار با اتمسفر و محیطهای شیمیایی:
- سیلیسیم (Si): با اکسیژن ترکیب شده و سیلیکاتها را تشکیل میدهد که در مواد ساختمانی و شیشهسازی کاربرد دارد. همچنین، سیلیسیم دیاکسید (SiO2) در طبیعت به عنوان ماسه و کوارتز وجود دارد و در تولید شیشهها و سرامیکها استفاده میشود.
- آرسنیک (As): با هیدروژن ترکیب میشود تا گاز آرسین (AsH3) تولید کند، که یک گاز سمی و بیرنگ است. آرسنیک همچنین میتواند با اکسیژن و کلر ترکیب شده و ترکیبات مختلفی بسازد که در فرآیندهای صنعتی و دارویی کاربرد دارد.
ترکیب با هیدروژن:
- آنتیموان (Sb): با هیدروژن ترکیب شده و گاز آنتیموان هیدرید (SbH3) تولید میکند که در کاربردهای خاص شیمیایی و صنعتی استفاده میشود.
3. تأثیرات تعاملات بر خواص مواد
خواص الکتریکی و حرارتی:
- سیلیسیم (Si): در ترکیب با دیگر عناصر مانند فسفر و بور در نیمهرساناها، خواص الکتریکی مانند هدایت و مقاومت را تغییر میدهد. این ترکیبها در تولید ترانزیستورها و مدارهای مجتمع استفاده میشوند.
- تلوریم (Te): در ترکیب با مس و نقره، خواص حرارتی و الکتریکی مواد را بهبود میبخشد و در تولید آلیاژهای با کاربردهای خاص مانند ترموکوپلها و مواد مقاوم به حرارت مفید است.
خواص مکانیکی و شیمیایی:
- بور (B): با ترکیب با آهن و فولاد، خواص مکانیکی مانند سختی و استحکام را بهبود میبخشد. در ترکیب با آلومینیوم، خواص مقاومت به اکسیداسیون و سختی افزایش مییابد.
- آرسنیک (As): در ترکیب با فلزات دیگر مانند مس، خواص شیمیایی و مکانیکی مانند مقاومت به خوردگی و سختی را تغییر میدهد.
این تعاملات و ترکیبات با سایر عناصر موجب تغییر و بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و الکتریکی متالوئیدها و مواد تولید شده از آنها میشود. این تأثیرات به کارایی و کاربردهای گسترده این مواد در صنایع مختلف کمک میکند.
نقش شبه فلزات در صنایع نوین
متالوئیدها با ویژگیهای خاص خود به طور گستردهای در صنایع پیشرفته مورد استفاده قرار میگیرند. در اینجا به بررسی کاربردهای اصلی آنها در نانو فناوری، الکترونیک و انرژیهای نو میپردازیم:
1. نانو فناوری
- سیلیسیم (Si): یکی از مواد کلیدی در فناوری نانو، سیلیسیم است. نانوذرات سیلیسیم در ساخت نانوکامپوزیتها، نانوحسگرها و نانوپوششها استفاده میشود. این مواد به دلیل خواص الکترونیکی و مکانیکی ویژه خود، کاربردهای زیادی در توسعه مواد جدید و بهبود عملکرد آنها دارند.
- بور (B): نانوذرات بور به دلیل خواص ویژه خود در تقویت مواد، استفادههای زیادی در نانو فناوری دارند. بور به عنوان عامل تقویتکننده در ساخت نانوکامپوزیتها و مواد با عملکرد بالا به کار میرود.
- آرسنیک (As): در تولید نانوکریستالها و نانوذرات برای کاربردهای الکترونیکی و فوتونیکی استفاده میشود. آرسنیک به دلیل خواص نیمهرسانایی خود در تولید نانوترانزیستورها و نانوسنسورها مهم است.
2. الکترونیک
- سیلیسیم (Si): یکی از پایهایترین مواد در صنعت الکترونیک است و در تولید تراشههای نیمهرسانا، ترانزیستورها، و مدارهای مجتمع استفاده میشود. سیلیسیم به دلیل خواص نیمهرسانایی و قابلیت کنترل دقیق در این صنعت بسیار حیاتی است.
- ژرمانیم (Ge): برای تولید ترانزیستورها و دیودهای با عملکرد بالا و همچنین در فناوریهای پیشرفته مانند فیبر نوری و سیستمهای ارتباطی استفاده میشود. ژرمانیم به دلیل خواص نیمهرسانایی بالا و تحرک بار خوب خود، در این کاربردها اهمیت دارد.
- آنتیموان (Sb): در تولید دستگاههای الکترونیکی خاص مانند حسگرهای حرارتی و آشکارسازهای مادون قرمز استفاده میشود. آنتیموان به دلیل خواص نیمهرسانایی و الکتریکی خود، کاربردهای تخصصی در الکترونیک دارد.
3. انرژیهای نو
- سیلیسیم (Si): در تولید سلولهای خورشیدی برای تبدیل نور خورشید به انرژی الکتریکی استفاده میشود. سیلیسیم به دلیل خواص نیمهرسانایی و قابلیتهای بالا در جذب نور خورشید، مادهای کلیدی در این فناوری است.
- تلوریم (Te): در تولید پانلهای خورشیدی و سلولهای خورشیدی نازکفیلم استفاده میشود. تلوریم به دلیل خواص نیمهرسانایی و توانایی بالای آن در تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، در این صنعت اهمیت دارد.
- بور (B): در بهبود عملکرد باتریهای لیتیوم-یون و سایر فناوریهای ذخیرهسازی انرژی استفاده میشود. بور میتواند به عنوان افزودنی در مواد الکترود برای افزایش ظرفیت و طول عمر باتریها به کار رود.
- سیلیسیم (Si): همچنین در تولید باتریهای لیتیم-یون و سیستمهای ذخیرهسازی انرژی پیشرفته نقش دارد. سیلیسیم به عنوان یکی از مواد پایهای در ساخت باتریهای با ظرفیت بالا و عملکرد بهتر، استفاده میشود.
این کاربردها نشاندهنده اهمیت متالوئیدها در پیشرفتهای تکنولوژیکی و توسعه صنایع نوین است. با توجه به ویژگیهای خاص این مواد، آنها در بسیاری از حوزههای فناوری پیشرفته و انرژیهای نو نقش کلیدی دارند.
سازگاری با محیط زیست: تأثیرات و راهکارها برای متالوئیدها
تأثیرات محیطی استخراج و استفاده از متالوئیدها
- آلودگی آب و خاک:
- آرسنیک: استخراج و تصفیه آرسنیک میتواند به آلودگی آبهای زیرزمینی و خاک منجر شود، زیرا آرسنیک یک ماده سمی است که میتواند به راحتی به آبها و خاکها نفوذ کند.
- آنتیموان: فعالیتهای معدنی و تصفیه آنتیموان میتواند باعث آلودگی محیط زیست و آبهای نزدیک به معادن شود.
- انتشار گازهای گلخانهای:
- استخراج و پردازش متالوئیدها مانند سیلیسیم و ژرمانیم ممکن است شامل فرآیندهای انرژیبر و انتشار گازهای گلخانهای باشد، که به تغییرات اقلیمی کمک میکند.
- خطرات بهداشتی:
- آرسنیک و آنتیموان: تماس طولانیمدت با این متالوئیدها میتواند به مشکلات بهداشتی جدی مانند سرطان و بیماریهای پوستی منجر شود.
- آلودگی هوا:
- فعالیتهای معدنی و فرآوری فلزات میتواند منجر به انتشار ذرات معلق و آلایندههای هوا شود که بر کیفیت هوای محیط زیست تاثیر میگذارد.
راهکارهای کاهش اثرات منفی زیستمحیطی
- بهینهسازی فرآیندها:
- استفاده از فناوریهای نوین برای کاهش مصرف انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانهای در فرآیندهای استخراج و تصفیه.
- بهکارگیری فرآیندهای پایدار و کممصرف برای کاهش اثرات منفی زیستمحیطی.
- مدیریت ضایعات:
- مدیریت مؤثر ضایعات معدنی و فرآوری برای جلوگیری از آلودگی خاک و آب.
- استفاده از روشهای بازیافت و بازیابی متالوئیدها برای کاهش نیاز به استخراج مواد جدید و کاهش ضایعات.
- کنترل آلودگی:
- نصب سیستمهای کنترل آلودگی در کارخانهها و معادن برای کاهش انتشار آلایندهها به محیط زیست.
- استفاده از فیلترها و فناوریهای تصفیه برای کنترل و کاهش آلودگی هوا و آب.
- پایش و نظارت:
- پیادهسازی برنامههای پایش و نظارت مستمر بر کیفیت آب، خاک و هوا در نواحی نزدیک به معادن و کارخانههای فرآوری.
- تدوین و اجرای استانداردهای زیستمحیطی برای فعالیتهای استخراج و پردازش متالوئیدها.
- آموزش و آگاهیبخشی:
- آموزش کارکنان و جامعه محلی در مورد خطرات زیستمحیطی مرتبط با استخراج و استفاده از متالوئیدها و راهکارهای کاهش آنها.
- ارتقاء آگاهی عمومی در مورد اهمیت مدیریت زیستمحیطی و پایدار در صنایع معدنی و فلزی.
این راهکارها میتوانند به کاهش تأثیرات منفی زیستمحیطی مرتبط با متالوئیدها کمک کنند و به حفظ و بهبود کیفیت محیط زیست کمک کنند.
سوالات متداول(FAQ)
تفاوت اصلی بین متالوئیدها، فلزات و نافلزات چیست؟
متالوئیدها خواصی بین فلزات و نافلزات دارند. آنها مانند فلزات براق هستند اما مانند نافلزات شکنندهاند. همچنین، هدایت الکتریکی آنها بین فلزات و نافلزات قرار دارد.
چرا متالوئیدها در صنایع الکترونیک بسیار مهم هستند؟
بسیاری از متالوئیدها مانند سیلیسیم و ژرمانیم خواص نیمهرسانایی دارند که آنها را برای ساخت ترانزیستورها، مدارهای مجتمع و سایر قطعات الکترونیکی بسیار مناسب میکند.
آیا متالوئیدها برای سلامتی مضر هستند؟
برخی از متالوئیدها مانند آرسنیک و آنتیموان سمی هستند و تماس طولانیمدت با آنها میتواند به مشکلات سلامتی جدی منجر شود. اما همه متالوئیدها سمی نیستند و برخی مانند سیلیسیم در مقادیر کم برای بدن مفید هستند.
چه عواملی بر انتخاب یک متالوئید خاص برای یک کاربرد خاص تأثیر میگذارند؟
انتخاب یک متالوئید به خواص مورد نیاز برای آن کاربرد بستگی دارد. برای مثال، اگر به یک ماده با هدایت الکتریکی بالا نیاز باشد، سیلیسیم انتخاب مناسبی خواهد بود. اما اگر به یک ماده با مقاومت بالا در برابر حرارت نیاز باشد، بور انتخاب بهتری خواهد بود.
آیا متالوئیدها در طبیعت به صورت خالص یافت میشوند؟
معمولاً متالوئیدها به صورت خالص در طبیعت یافت نمیشوند و بیشتر در ترکیب با سایر عناصر در سنگها و کانیها وجود دارند.
چند متالوئید در جدول تناوبی وجود دارد؟
تعداد دقیق عناصر متالوئید در جدول تناوبی اغلب محل بحث است و تعداد شناسایی شده بین شش تا یازده متغیر است.
آیا ۷ یا ۸ متالوئید وجود دارد؟
از آنجایی که هیچ تعریف واحدی از متالوئیدها مورد توافق همه دانشمندان نیست، هیچ توافقی در مورد تعداد متالوئیدها وجود ندارد. متفقالقولترین مجموعه متالوئیدها شامل بور، سیلیسیم، آرسنیک، ژرمانیم، آنتیموان و تلوریم است. پس از این شش عنصر، تعداد نهایی توافق شدهای وجود ندارد و برخی محققان تا ۹ یا ۱۱ عنصر متالوئید را شناسایی میکنند.
خلاصه
این مقاله متالوئیدها را مورد بحث قرار داد و خواص فیزیکی و شیمیایی آنها و همچنین کاربردهای آنها در صنعت را ارائه داد. این مقاله برای اولین بار در بازارگاه ساخت و تولید ایران به نشانی Digimfg.ir منتشر شده است.
منابع
- xometry.com/resources/materials/metalloids
- en.wikipedia.org/wiki/Metalloid
- britannica.com/science/metalloid
سلب مسئولیت
محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگیهای طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه میشود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.