Metaloid: Unsur kimia dengan sifat logam dan nonlogam

Metaloid adalah jenis unsur kimia yang memiliki lebih banyak sifat di antara, atau yang merupakan campuran, logam dan nonlogam. Tidak ada definisi standar mengenai metaloid dan tidak ada kesepakatan lengkap tentang unsur-unsur mana yang merupakan metaloid. Meskipun kurangnya kekhususan, istilah ini tetap digunakan dalam literatur kimia.

Enam metaloid yang umum dikenal adalah boron, silikon, germanium, arsen, antimon, dan telurium. Lima unsur lebih jarang diklasifikasikan: karbon, aluminium, selenium, polonium, dan astatin. Pada tabel periodik standar, kesebelas unsur tersebut berada di daerah diagonal blok-p yang memanjang dari boron di kiri atas hingga astatin di kanan bawah. Beberapa tabel periodik memasukkan garis pemisah antara logam dan nonlogam, dan metaloid dapat ditemukan dekat dengan garis ini.

Metaloid khas memiliki penampilan logam, tetapi rapuh dan hanya konduktor listrik yang wajar. Secara kimia, mereka sebagian besar berperilaku sebagai nonlogam. Mereka dapat membentuk paduan dengan logam. Sebagian besar sifat fisik dan kimianya yang lain bersifat antara. Metaloid biasanya terlalu rapuh untuk memiliki kegunaan struktural. Mereka dan senyawanya digunakan dalam paduan, agen biologis, katalis, penghambat nyala, kaca, penyimpanan optik dan optoelektronika, piroteknika, semikonduktor, serta elektronika.

Sifat listrik silikon dan germanium memungkinkan pembentukan industri semikonduktor pada 1950-an dan pengembangan elektronika padat dari awal 1960-an.

Istilah metaloid awalnya mengacu pada nonlogam. Maknanya yang lebih baru, sebagai kategori unsur dengan sifat menengah atau hibrida, menyebar luas pada tahun 1940–1960. Metaloid kadang-kadang disebut semilogam, sebuah praktik yang tidak dianjurkan, karena istilah semilogam memiliki arti yang berbeda dalam fisika daripada kimia. Dalam fisika, istilah ini mengacu pada jenis tertentu dari struktur pita elektronik suatu zat. Dalam konteks ini, hanya arsen dan antimon yang merupakan semilogam, dan umumnya dikenal sebagai metaloid.

Berdasarkan penilaian

Metaloid adalah unsur yang memiliki lebih banyak sifat di antara, atau yang merupakan campuran, dari logam dan nonlogam, dan oleh karena itu sulit untuk diklasifikasikan sebagai logam atau nonlogam. Ini adalah definisi umum yang mengacu pada atribut metaloid yang secara konsisten dikutip dalam literatur. Kesulitan kategorisasi adalah atribut kunci. Sebagian besar unsur memiliki campuran sifat logam dan nonlogam, dan dapat diklasifikasikan menurut himpunan sifat mana yang lebih menonjol. Hanya unsur pada atau di dekat margin, tidak memiliki kelebihan yang cukup jelas dari baik sifat logam atau nonlogam, diklasifikasikan sebagai metaloid.

Boron, silikon, germanium, arsen, antimon, dan telurium umumnya dikenal sebagai metaloid. Tergantung pada penulisnya, selenium, polonium, atau astatin terkadang ditambahkan ke dalam daftar. Boron terkadang dikecualikan, dengan sendirinya, atau dengan silikon. Terkadang telurium tidak dianggap sebagai metaloid. Dimasukkannya antimon, polonium, dan astatin sebagai metaloid telah dipertanyakan.

Unsur-unsur lain kadang-kadang diklasifikasikan sebagai metaloid. Unsur-unsur ini termasuk hidrogen, berilium, nitrogen, fosforus, belerang, seng, galium, timah, iodin, timbal, bismut, dan radon. Istilah metaloid juga telah digunakan untuk unsur-unsur yang menunjukkan kilau logam dan konduktivitas listrik, dan yang bersifat amfoter, seperti aluminium, vanadium, kromium, arsen, molibdenum, timah, antimon, wolfram, dan timbal. Logam blok-p, dan nonlogam (seperti karbon atau nitrogen) yang dapat membentuk paduan dengan logam atau memodifikasi sifatnya juga kadang-kadang dianggap sebagai metaloid.

Berdasarkan kriteria

Tidak ada definisi metaloid yang diterima secara luas, juga tidak ada pembagian tabel periodik menjadi logam, metaloid, dan nonlogam; Hawkes mempertanyakan kelayakan penetapan definisi spesifik, mencatat bahwa anomali dapat ditemukan dalam beberapa konstruksi percobaan. Mengklasifikasikan suatu unsur sebagai metaloid telah dijelaskan oleh Sharp sebagai "sewenang-wenang".

Jumlah dan identitas metaloid tergantung pada kriteria klasifikasi yang digunakan. Emsley mengenali empat metaloid (germanium, arsen, antimon, dan telurium); James dkk. mendaftarkan dua belas (daftar Emsley ditambah boron, karbon, silikon, selenium, bismut, polonium, moskovium, dan livermorium). Rata-rata, tujuh unsur termasuk dalam daftar tersebut; pengaturan klasifikasi individual cenderung memiliki kesamaan dan bervariasi dalam batas yang tidak jelas.

Kriteria kuantitatif tunggal seperti elektronegativitas umumnya digunakan, metaloid yang memiliki nilai elektronegativitas dari 1,8 atau 1,9 hingga 2,2. Contoh lebih lanjut termasuk efisiensi pengepakan (fraksi volume dalam struktur kristal yang ditempati oleh atom) dan rasio kriteria Goldhammer-Herzfeld. Metaloid yang umum dikenal memiliki efisiensi pengepakan antara 34% dan 41%. Rasio Goldhammer-Herzfeld, kira-kira sama dengan pangkat tiga jari-jari atom dibagi dengan volume molar, adalah sebuah ukuran sederhana seberapa logam suatu unsur, metaloid yang dikenal memiliki rasio dari sekitar 0,85 hingga 1,1 dan rata-rata 1,0. Penulis lain mengandalkan, misalnya, konduktansi atom atau bilangan koordinasi massal.

Jones, yang menulis mengenai peran klasifikasi dalam sains, mengamati bahwa "[kelas] biasanya ditentukan oleh lebih dari dua atribut". Masterton dan Slowinski menggunakan tiga kriteria untuk menggambarkan enam unsur yang umumnya dikenal sebagai metaloid: metaloid memiliki energi ionisasi sekitar 200 kkal/mol (837 kJ/mol) dan nilai keelektronegatifan mendekati 2,0. Mereka juga mengatakan bahwa metaloid biasanya semikonduktor, meskipun antimon dan arsen (semilogam dari perspektif fisika) memiliki konduktivitas listrik yang mendekati logam. Selenium dan polonium diduga tidak termasuk dalam skema ini, sementara status astatin tidaklah pasti.

Dalam konteks ini, Vernon mengusulkan bahwa metaloid adalah unsur kimia yang, dalam keadaan standarnya, memiliki (a) struktur pita elektronik semikonduktor atau semilogam; dan (b) potensial ionisasi pertama antara "(katakanlah 750−1.000 kJ/mol)"; dan (c) elektronegativitas menengah (1,9–2,2).

Lokasi

Metaloid terletak di kedua sisi garis pemisah antara logam dan nonlogam. Ini dapat ditemukan, dalam berbagai konfigurasi, pada beberapa tabel periodik. Unsur di kiri bawah garis umumnya menunjukkan peningkatan perilaku logam; unsur ke kanan atas menampilkan peningkatan perilaku nonlogam. Ketika disajikan sebagai anak tangga biasa, unsur dengan suhu kritis tertinggi untuk golongan mereka (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) terletak tepat di bawah garis.

Posisi diagonal metaloid merupakan pengecualian untuk pengamatan bahwa unsur-unsur dengan sifat yang sama cenderung terjadi dalam golongan vertikal. Efek terkait dapat dilihat pada kesamaan diagonal lainnya antara beberapa unsur dan tetangga kanan bawah mereka, khususnya litium-magnesium, berilium-aluminium, dan boron-silikon. Rayner-Canham berpendapat bahwa kesamaan ini meluas ke karbon-fosforus, nitrogen-belerang, dan ke tiga deret blok-d.

Pengecualian ini muncul karena persaingan tren horizontal dan vertikal dalam muatan inti. Sepanjang sebuah periode, muatan inti meningkat dengan nomor atom seperti halnya jumlah elektron. Tarikan tambahan pada elektron terluar saat muatan inti meningkat umumnya melebihi efek penyaringan karena memiliki lebih banyak elektron. Dengan beberapa ketidakteraturan, atom karenanya menjadi lebih kecil, energi ionisasi meningkat, dan ada perubahan karakter bertahap, sepanjang periode, dari unsur logam kuat, ke logam lemah, ke nonlogam lemah, ke nonlogam kuat. Turun ke golongan utama, efek peningkatan muatan inti umumnya lebih besar daripada efek elektron tambahan yang lebih jauh dari nukleus. Atom umumnya menjadi lebih besar, energi ionisasi turun, dan karakter logam meningkat. Efek bersihnya adalah bahwa lokasi zona transisi logam–nonlogam bergeser ke kanan dan turun satu golongan, dan kesamaan diagonal analog terlihat di tempat lain dalam tabel periodik, seperti yang dicatat.

Perlakuan alternatif

Unsur yang berbatasan dengan garis pemisah logam–nonlogam tidak selalu diklasifikasikan sebagai metaloid, mengingat klasifikasi biner dapat memfasilitasi penetapan aturan untuk menentukan jenis ikatan antara logam dan nonlogam. Dalam kasus seperti ini, penulis yang bersangkutan fokus pada satu atau lebih atribut yang menarik untuk membuat keputusan klasifikasi mereka, daripada khawatir tentang sifat marjinal dari elemen yang bersangkutan. Pertimbangan mereka mungkin atau tidak dibuat eksplisit dan mungkin, kadang-kadang, tampak sewenang-wenang. Metaloid dapat dikelompokkan dengan logam; atau dianggap sebagai nonlogam; atau diperlakukan sebagai subkategori dari nonlogam. Penulis lain telah menyarankan untuk mengklasifikasikan beberapa elemen sebagai metaloid "menekankan bahwa sifat unsur berubah secara bertahap dan tidak tiba-tiba sepanjang tabel periodik". menuruni tabel periodik". Beberapa tabel periodik membedakan unsur-unsur yang merupakan metaloid dan tidak menunjukkan garis pemisah formal antara logam dan nonlogam. Metaloid malah ditampilkan sebagai terjadi di pita diagonal atau daerah penyebaran. Pertimbangan utama adalah untuk menjelaskan konteks taksonomi yang digunakan.

Metaloid biasanya terlihat seperti logam tetapi berperilaku sebagian besar seperti nonlogam. Secara fisik, mereka merupakan padatan yang mengkilap dan rapuh dengan konduktivitas listrik menengah hingga relatif baik dan struktur pita elektronik semilogam atau semikonduktor. Secara kimia, mereka sebagian besar berperilaku sebagai nonlogam (lemah), memiliki nilai energi ionisasi dan elektronegativitas menengah, serta oksida amfoter atau asam lemah. Mereka dapat membentuk paduan dengan logam. Sebagian besar sifat fisik dan kimia lain mereka bersifat antara.

Dibandingkan dengan logam dan nonlogam

Sifat karakteristik logam, metaloid, dan nonlogam dirangkum dalam tabel. Sifat fisik terdaftar dalam urutan kemudahan penentuan; sifat kimia berjalan dari umum ke khusus, dan kemudian ke deskriptif.

Tabel di atas mencerminkan sifat hibrida dari metaloid. Sifat-sifat bentuk, kenampakan, dan perilaku bila dicampur dengan logam lebih mirip logam. Elastisitas dan perilaku kimia umum lebih seperti nonlogam. Konduktivitas listrik, struktur pita, energi ionisasi, elektronegativitas, dan oksida adalah perantara di antara keduanya.

Fokus bagian ini adalah pada metaloid yang dikenali. Unsur yang jarang dikenal sebagai metaloid biasanya diklasifikasikan sebagai logam atau nonlogam; beberapa di antaranya disertakan di sini untuk tujuan perbandingan.

Metaloid terlalu rapuh untuk memiliki kegunaan struktural dalam bentuknya yang murni. Mereka dan senyawanya digunakan sebagai (atau dalam) komponen paduan, agen biologis (toksikologi, nutrisi, dan obat), katalis, penghambat nyala, kaca (oksida dan metalik), media penyimpanan optika dan optoelektronika, piroteknika, semikonduktor, dan elektronika.

Logam paduan

 

Menulis di awal sejarah senyawa antarlogam, ahli metalurgi Inggris Cecil Desch mengamati bahwa "unsur nonmetalik tertentu mampu membentuk senyawa dengan karakter metalik yang jelas dengan logam, dan oleh karena itu unsur-unsur ini dapat masuk ke dalam komposisi paduan". Dia mengaitkan silikon, arsen, dan telurium, khususnya, dengan unsur pembentuk paduan. Phillips dan Williams menyarankan bahwa senyawa silikon, germanium, arsen, dan antimon dengan logam B, "mungkin paling baik diklasifikasikan sebagai paduan".

Di antara metaloid yang lebih ringan, paduan dengan logam transisi Boron dapat membentuk paduan dan senyawa antarlogam dengan logam dengan komposisi M_nB, jika n > 2. Feroboron (15% boron) digunakan untuk memasukkan boron ke dalam baja; paduan nikel-boron adalah bahan dalam paduan las dan komposisi pengerasan permukaan untuk industri teknik. Paduan silikon dengan besi dan aluminium masing-masing banyak digunakan oleh industri baja dan otomotif. Germanium membentuk banyak paduan, yang paling penting adalah dengan logam koin.

Metaloid yang lebih berat melanjutkan tema. Arsen dapat membentuk paduan dengan logam, termasuk platina dan tembaga; ia juga ditambahkan ke tembaga dan paduannya untuk meningkatkan ketahanan korosi dan tampaknya memberikan manfaat yang sama bila ditambahkan ke magnesium. Antimon dikenal sebagai pembentuk paduan, termasuk dengan logam koin. Paduannya termasuk piuter (sebuah paduan timah dengan antimon hingga 20%) dan logam huruf (sebuah paduan timbal dengan antimon hingga 25%). Telurium mudah membentuk paduan dengan besi, seperti ferotelurium (50–58% telurium), dan dengan tembaga, dalam bentuk telurium tembaga (40–50% telurium). Ferotelurium digunakan sebagai penstabil karbon dalam pengecoran baja. Dari unsur nonmetalik yang jarang dikenali sebagai metaloid, selenium – dalam bentuk feroselenium (50–58% selenium) – digunakan untuk meningkatkan mesinabilitas baja nirkarat.

Agen biologis

 

Keenam unsur yang umumnya dikenal sebagai metaloid memiliki sifat toksik, diet, atau obat. Senyawa arsen dan antimon sangatlah beracun; boron, silikon, dan mungkin arsen, adalah unsur jejak yang penting. Boron, silikon, arsen, dan antimon memiliki aplikasi medis, dan germanium serta telurium dianggap memiliki potensi juga.

Boron digunakan dalam insektisida dan herbisida. Ia adalah unsur jejak yang penting. Sebagai asam borat, ia memiliki sifat antiseptik, antijamur, dan antivirus.

Silikon hadir dalam silatran, sebuah rodentisida yang sangat beracun. Menghirup debu silika dalam jangka panjang dapat menyebabkan silikosis, sebuah penyakit paru-paru yang fatal. Silikon adalah sebuah unsur jejak yang penting. Gel silikone dapat dioleskan pada pasien dengan luka bakar parah untuk mengurangi jaringan parut.

Garam germanium berbahaya bagi manusia dan hewan jika tertelan dalam waktu yang lama. Ada minat dalam tindakan farmakologis senyawa germanium tetapi belum ada obat yang berlisensi.

Arsen terkenal beracun dan mungkin juga merupakan sebuah unsur penting dalam jumlah ultrajejak. Selama Perang Dunia I, kedua belah pihak menggunakan "agen bersin dan muntah berbasis arsen…untuk memaksa tentara musuh melepaskan masker gas mereka sebelum menembakkan mustard atau fosgen ke arah mereka dalam serangan kedua." Ia telah digunakan sebagai agen farmasi sejak zaman dahulu, termasuk untuk pengobatan sifilis sebelum perkembangan antibiotik. Arsen juga merupakan komponen melarsoprol, sebuah obat yang digunakan dalam pengobatan African trypanosomiasis atau penyakit tidur. Pada tahun 2003, arsen trioksida (dengan nama dagang Trisenox) diperkenalkan kembali untuk pengobatan leukemia promielositik akut, sebuah kanker darah dan sumsum tulang. Arsen dalam air minum, yang menyebabkan kanker paru-paru dan kandung kemih, telah dikaitkan dengan penurunan angka kematian akibat kanker payudara.

Antimon metalik relatif tidak beracun, tetapi sebagian besar senyawa antimon bersifat beracun. Dua senyawa antimon, natrium stiboglukonat dan stibofen, digunakan sebagai obat antiparasit.

Telurium elemental tidak dianggap sangat beracun; dua gram natrium telurat, jika diberikan, dapat menjadi mematikan. Orang-orang yang terpapar sedikit telurium di udara mengeluarkan bau seperti bawang putih yang busuk dan menetap. Telurium dioksida telah digunakan untuk mengobati dermatitis seboroik; senyawa telurium lainnya digunakan sebagai agen antimikroba sebelum pengembangan antibiotik. Di masa depan, senyawa tersebut mungkin perlu diganti dengan antibiotik yang sudah tidak efektif karena resistensi bakteri.

Dari unsur-unsur yang jarang dikenal sebagai metaloid, berilium dan timbal terkenal karena toksisitasnya; timbal arsenat telah banyak digunakan sebagai insektisida. Belerang adalah salah satu fungisida dan pestisida tertua. Fosforus, belerang, seng, selenium, dan iodin adalah nutrisi penting, dan mungkin juga aluminium, timah, dan timbal. Belerang, galium, selenium, iodin, dan bismut memiliki aplikasi obat. Belerang adalah konstituen obat sulfonamida, yang masih banyak digunakan untuk kondisi seperti jerawat dan infeksi saluran kemih. Galium nitrat digunakan untuk mengobati efek samping kanker; gallium sitrat, sebuah radiofarmasi, memfasilitasi pencitraan area tubuh yang meradang. Selenium sulfida digunakan dalam sampo obat dan untuk mengobati infeksi kulit seperti tinea versicolor. Iodin digunakan sebagai desinfektan dalam berbagai bentuk. Bismut adalah bahan dalam beberapa antibakteri.

Katalis

Boron trifluorida dan triklorida digunakan sebagai katalis dalam sintesis organik dan elektronika; boron tribromida digunakan dalam pembuatan diborana. Ligan boron yang tidak beracun dapat menggantikan ligan fosforus yang beracun dalam beberapa katalis logam transisi. Asam sulfat silika (SiO₂OSO₃H) digunakan dalam reaksi organik. Germanium dioksida kadang-kadang digunakan sebagai katalis dalam produksi plastik PET untuk wadah; senyawa antimon yang lebih murah, seperti antimon trioksida atau triasetat, lebih umum digunakan untuk tujuan yang sama meskipun ada kekhawatiran mengenai kontaminasi antimon pada makanan dan minuman. Arsen trioksida telah digunakan dalam produksi gas alam, untuk meningkatkan penghilangan karbon dioksida, seperti halnya asam selenit dan telurit. Selenium bertindak sebagai katalis pada beberapa mikroorganisme. Telurium, dioksidanya, dan tetrakloridanya adalah katalis kuat untuk oksidasi udara karbon di atas suhu 500 °C. Grafit oksida dapat digunakan sebagai katalis dalam sintesis imina dan turunannya. Karbon aktif dan alumina telah digunakan sebagai katalis untuk menghilangkan kontaminan belerang dari gas alam. Aluminium yang didoping titanium telah diidentifikasi sebagai pengganti katalis logam mulia mahal yang digunakan dalam produksi bahan kimia industri.

Penghambat nyala

Senyawa boron, silikon, arsenik, dan antimon telah digunakan sebagai penghambat nyala. Boron, dalam bentuk boraks, telah digunakan sebagai bahan tahan api tekstil setidaknya sejak abad ke-18. Silikon mempunyai beberapa senyawa, seperti silikone, silana, silsesquioksana, silika, dan silikat, beberapa di antaranya dikembangkan sebagai alternatif untuk produk terhalogenasi yang lebih beracun, dapat sangat meningkatkan ketahanan api bahan plastik. Senyawa arsen seperti natrium arsenit atau natrium arsenat adalah penghambat nyala yang efektif untuk kayu tetapi lebih jarang digunakan karena toksisitasnya. Antimon trioksida adalah sebuah penghambat nyala. Aluminium hidroksida telah digunakan sebagai penghambat nyala serat kayu, karet, plastik, dan tekstil sejak tahun 1890-an. Selain aluminium hidroksida, penggunaan penghambat nyala berbasis fosforus – dalam bentuk, misalnya, organofosfat – sekarang melebihi jenis penghambat utama lainnya. Penghambat ini menggunakan boron, antimon, atau senyawa hidrokarbon yang terhalogenasi.

Pembentukan kaca

 

Oksida B₂O₃, SiO₂, GeO₂, As₂O₃, dan Sb₂O₃ mudah membentuk kaca. TeO₂ membentuk kaca tetapi ini membutuhkan "laju pendinginan heroik" atau penambahan pengotor; jika tidak, bentuk kristal yang akan menjadi hasil. Senyawa ini digunakan dalam peralatan gelas kimia, domestik, dan industri serta optika. Boron trioksida digunakan sebagai aditif serat kaca, dan juga merupakan komponen kaca borosilikat, banyak digunakan untuk peralatan gelas laboratorium dan peralatan oven domestik karena ekspansi termalnya yang rendah. Kebanyakan barang pecah belah biasa terbuat dari silikon dioksida. Germanium dioksida digunakan sebagai aditif serat kaca, serta dalam sistem optik inframerah. Arsen trioksida digunakan dalam industri kaca sebagai zat penghilang warna dan penghalus (untuk menghilangkan gelembung), seperti halnya antimon trioksida. Telurium dioksida memiliki aplikasi dalam laser dan optika nonlinier.

Kaca metalik amorf umumnya paling mudah dibuat jika salah satu komponennya adalah metaloid atau "dekat metaloid" seperti boron, karbon, silikon, fosforus, atau germanium. Selain lapisan tipis yang disimpan pada suhu yang sangat rendah, kaca metalik pertama yang diketahui adalah paduan komposisi Au₇₅Si₂₅ yang dilaporkan pada tahun 1960. Kaca metalik yang memiliki kekuatan dan ketangguhan yang belum pernah terlihat sebelumnya, dengan komposisi Pd_82,5P₆Si_9,5Ge₂, dilaporkan pada tahun 2011.

Fosforus, selenium, dan timbal, yang jarang dikenal sebagai metaloid, juga digunakan dalam kaca. Kaca fosfat memiliki substrat fosforus pentoksida (P₂O₅), dan bukan silika (SiO₂) dari kaca silikat konvensional. Ia digunakan, misalnya, untuk membuat lampu natrium. Senyawa selenium dapat digunakan baik sebagai zat penghilang warna dan untuk menambahkan warna merah pada kaca. Barang pecah belah dekoratif yang terbuat dari kaca timbal tradisional mengandung setidaknya 30% timbal(II) oksida (PbO); kaca timbal yang digunakan untuk pelindung radiasi mungkin memiliki hingga 65% PbO. Kaca berbasis timbal juga telah banyak digunakan dalam komponen elektronik, bahan enamel, dan sel surya. Kaca oksida berbasis bismut telah muncul sebagai pengganti timbal yang kurang beracun di banyak aplikasi ini.

Penyimpanan optis dan optoelektronika

Variasi komposisi GeSbTe ("paduan GST") dan Sb₂Te yang didoping Ag dan In ("paduan AIST"), sebagai contoh bahan perubahan fase, banyak digunakan dalam cakram optis yang dapat ditulis ulang dan perangkat memori perubahan fase. Dengan menerapkan panas, mereka dapat beralih ke keadaan amorf (seperti kaca) atau kristal. Perubahan sifat optis dan listrik dapat digunakan untuk tujuan penyimpanan informasi. Aplikasi masa depan untuk GeSbTe dapat mencakup, "tampilan ultracepat, sepenuhnya berbentuk padat dengan piksel skala nanometer, kacamata 'pintar' semitransparan, lensa kontak 'pintar', dan perangkat retina buatan."

Piroteknika

 

Metaloid yang dikenal memiliki aplikasi piroteknika atau sifat terkait. Boron dan silikon biasanya ditemui; mereka bertindak seperti bahan bakar logam. Boron digunakan dalam komposisi inisiator piroteknika (untuk menyalakan komposisi lain yang sulit dinyalakan), dan dalam komposisi penundaan yang terbakar pada laju konstan. Boron karbida telah diidentifikasi sebagai pengganti yang mungkin untuk campuran barium atau heksakloroetana yang lebih beracun dalam amunisi asap, suar sinyal, dan kembang api. Silikon, seperti boron, adalah komponen campuran inisiator dan penundaan. Germanium yang didoping dapat bertindak sebagai bahan bakar termit berkecepatan variabel. Arsen trisulfida (As₂S₃) digunakan pada lampu sinyal angkatan laut tua; dalam kembang api untuk membuat bintang putih; dalam campuran layar asap kuning; dan dalam komposisi inisiator. Antimon trisulfida (Sb₂S₃) ditemukan dalam kembang api cahaya putih dan dalam campuran kilat dan suara. Telurium telah digunakan dalam campuran tunda dan dalam komposisi inisiator tutup peledakan.

Karbon, aluminium, fosforus, dan selenium melanjutkan tema. Karbon, dalam bubuk hitam, adalah konstituen dari propelan roket kembang api, bahan peledak, dan campuran efek, serta sekring dan penyala militer. Aluminium adalah bahan piroteknika umum, dan digunakan secara luas karena kapasitasnya untuk menghasilkan cahaya dan panas, termasuk dalam campuran termit. Fosforus dapat ditemukan dalam pembakar asap dan amunisi, tutup kertas yang digunakan dalam senjata mainan, dan peletup pesta. Selenium telah digunakan dengan cara yang sama seperti telurium.

Semikonduktor dan elektronika

 

Semua elemen yang umumnya dikenal sebagai metaloid (atau senyawanya) telah digunakan dalam industri semikonduktor atau elektroniknya berbentuk padat.

Beberapa sifat boron telah membatasi penggunaannya sebagai semikonduktor. Ia memiliki titik lebur yang tinggi, kristal tunggalnya relatif sulit diperoleh, dan sulit untuk memasukkan dan mempertahankan pengotor terkontrol.

Silikon adalah semikonduktor komersial terkemuka; ia membentuk dasar elektronika (termasuk sel surya standar) dan teknologi informasi serta komunikasi modern. Hal ini terlepas dari studi mengenai semikonduktor, pada awal abad ke-20, yang dianggap sebagai "fisika kotoran" dan tidak layak mendapat perhatian.

Germanium sebagian besar telah digantikan oleh silikon dalam perangkat semikonduktor, karena lebih murah, lebih tahan pada suhu operasi yang lebih tinggi, dan lebih mudah untuk bekerja selama proses fabrikasi mikroelektronika. Germanium masih merupakan konstituen "paduan" semikonduktor silikon–germanium dan paduan ini telah berkembang dalam penggunaan, terutama untuk perangkat komunikasi nirkabel; paduan tersebut mengeksploitasi mobilitas pembawa yang lebih tinggi dari germanium. Sintesis germanana semikonduktor dalam jumlah skala gram dilaporkan pada tahun 2013. Ini terdiri dari lembaran setebal satu atom dari atom germanium yang diakhiri dengan hidrogen, analog dengan grafana. Ia menghantarkan elektron lebih dari sepuluh kali lebih cepat daripada silikon dan lima kali lebih cepat dari germanium, dan diperkirakan memiliki potensi untuk aplikasi optoelektronika dan penginderaan. Pengembangan anoda berbasis kawat germanium yang lebih dari dua kali lipat kapasitas baterai ion litium dilaporkan pada tahun 2014. Pada tahun yang sama, Lee dkk. melaporkan bahwa kristal grafena yang cukup besar untuk digunakan secara elektronika dapat ditanam dan dikeluarkan dari substrat germanium.

Arsen dan antimon bukanlah semikonduktor dalam keadaan standarnya. Keduanya membentuk semikonduktor tipe III-V (seperti GaAs, AlSb, atau GaInAsSb) di mana jumlah rata-rata elektron valensi per atom sama dengan jumlah elektron valensi unsur golongan 14. Senyawa ini lebih disukai untuk beberapa aplikasi khusus. Kristal nano antimon dapat memungkinkan baterai ion litium diganti dengan baterai ion natrium yang lebih kuat.

Telurium, yang merupakan semikonduktor dalam keadaan standarnya, digunakan terutama sebagai komponen dalam kalkogenida semikonduktor tipe II/VI; mereka memiliki aplikasi dalam elektro-optika dan elektronika. Kadmium telurida (CdTe) digunakan dalam modul surya untuk efisiensi konversi yang tinggi, biaya produksi yang rendah, dan sela pita yang besar sebesar 1,44 eV, membiarkannya menyerap berbagai panjang gelombang. Bismut telurida (Bi₂Te₃), berpadu dengan selenium dan antimon, adalah komponen perangkat termoelektrik yang digunakan untuk refrigerasi atau pembangkit listrik portabel.

Lima metaloid – boron, silikon, germanium, arsen, dan antimon – dapat ditemukan di telepon seluler (bersama dengan setidaknya 39 logam dan nonlogam lainnya). Telurium diperkirakan memiliki kegunaan seperti itu. Dari metaloid yang kurang dikenal, fosforus, galium (khususnya), dan selenium memiliki aplikasi semikonduktor. Fosforus digunakan dalam jumlah kecil sebagai dopan untuk semikonduktor tipe n. Penggunaan komersial senyawa galium didominasi oleh aplikasi semikonduktor – dalam sirkuit terpadu, telepon seluler, dioda laser, dioda pemancar cahaya, sensor cahaya, dan panel surya. Selenium digunakan dalam produksi sel surya dan pelindung lonjakan arus berenergi tinggi.

Boron, silikon, germanium, antimon, dan telurium, serta logam yang lebih berat dan metaloid seperti Sm, Hg, Tl, Pb, Bi, dan Se, dapat ditemukan dalam insulator topologis. Mereka adalah paduan atau senyawa yang, pada suhu ultradingin atau suhu kamar (tergantung pada komposisinya), merupakan konduktor logam pada permukaannya tetapi insulator melalui interiornya. Kadmium arsenida Cd₃As₂, pada suhu sekitar 1 K, adalah semilogam Dirac – analog elektronik massal dari grafena – di mana elektron bergerak secara efektif sebagai partikel tak bermassa. Kedua kelas material ini dianggap memiliki aplikasi komputasi kuantum yang potensial.

Derivasi dan nama lainnya

Kata metaloid berasal dari bahasa Latin metallum ("logam") dan Yunani oeides ("menyerupai bentuk atau penampilan"). Beberapa nama kadang-kadang digunakan secara sinonim meskipun beberapa di antaranya memiliki arti lain yang tidak selalu dapat dipertukarkan: unsur amfoter, unsur batas, setengah logam, unsur setengah jalan, dekat logam, meta-logam, semikonduktor, semilogam, dan sublogam. "Unsur amfoter" kadang-kadang digunakan secara lebih luas untuk memasukkan logam transisi yang mampu membentuk oksianion, seperti kromium dan mangan. "Setengah logam" digunakan dalam fisika untuk merujuk pada senyawa (seperti kromium dioksida) atau paduan yang dapat bertindak sebagai konduktor dan insulator. "Meta-logam" kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada logam tertentu (Be, Zn, Cd, Hg, In, Tl, Sn-β, Pb) yang terletak tepat di sebelah kiri metaloid pada tabel periodik standar. Logam-logam ini sebagian besar bersifat diamagnetik dan cenderung memiliki struktur kristal yang terdistorsi, nilai konduktivitas listrik di ujung bawah logam, dan oksida amfoter (basa lemah). "Semilogam" kadang-kadang mengacu, secara longgar atau eksplisit, pada logam dengan karakter logam yang tidak lengkap dalam struktur kristal, konduktivitas listrik, atau struktur elektronik. Contohnya termasuk galium, iterbium, bismut, dan neptunium. Nama unsur amfoter dan semikonduktor bermasalah karena beberapa elemen yang disebut sebagai metaloid tidak menunjukkan perilaku amfoter (bismut, misalnya) atau semikonduktivitas (polonium) yang nyata dalam bentuknya yang paling stabil.

Asal dan penggunaan

Asal usul dan penggunaan istilah metaloid berbelit-belit. Asal-usulnya terletak pada upaya, yang berasal dari zaman kuno, untuk menggambarkan logam dan untuk membedakan antara bentuk yang khas dan yang kurang khas. Istilah ini pertama kali diterapkan pada awal abad ke-19 untuk logam yang mengapung di atas air (natrium dan kalium), dan kemudian lebih populer untuk nonlogam. Penggunaan sebelumnya dalam mineralogi, untuk menggambarkan mineral yang memiliki penampilan logam, dapat bersumber pada awal 1800. Sejak pertengahan abad ke-20 istilah ini telah digunakan untuk merujuk pada unsur kimia antara atau batas. Persatuan Kimia Murni dan Terapan Internasional (IUPAC) sebelumnya merekomendasikan untuk mengabaikan istilah metaloid, dan menyarankan penggunaan istilah semilogam sebagai gantinya. Penggunaan istilah semilogam baru-baru ini tidak disarankan oleh Atkins dkk. karena memiliki arti yang berbeda dalam fisika – yang lebih khusus mengacu pada struktur pita elektronik suatu zat daripada klasifikasi keseluruhan suatu unsur. Publikasi IUPAC terbaru mengenai nomenklatur dan terminologi tidak menyertakan rekomendasi apa pun tentang penggunaan istilah metaloid atau semilogam.

Sifat-sifat yang dicatat dalam bagian ini mengacu pada unsur-unsur dalam bentuknya yang paling stabil secara termodinamika di bawah kondisi sekitar.

Boron

 

Boron murni adalah padatan kristal mengkilap berwarna abu-abu perak. Ia kurang padat dari aluminium (2,34 vs. 2,70 g/cm³), dan keras serta rapuh. Ia hampir tidak reaktif dalam kondisi normal, kecuali untuk serangan fluorin, dan memiliki titik lebur 2076 °C (sebagai perbandingan, baja memiliki titik lebur ~1370 °C). Boron adalah sebuah semikonduktor; konduktivitas listriknya pada suhu kamar adalah 1,5 × 10⁻⁶ S•cm⁻¹ (sekitar 200 kali lebih kecil dari air keran) dan memiliki sela pita sekitar 1,56 eV. Mendeleev berkomentar bahwa, "Boron muncul dalam keadaan bebas dalam beberapa bentuk yang merupakan perantara antara logam dan nonlogam."

Struktur kimia boron didominasi oleh ukuran atomnya yang kecil, dan energi ionisasinya yang relatif tinggi. Dengan hanya tiga elektron valensi per atom boron, ikatan kovalen sederhana tidak dapat memenuhi kaidah oktet. Ikatan logam adalah hasil yang biasa terjadi di antara kongener boron yang lebih berat tetapi ini umumnya membutuhkan energi ionisasi yang rendah. Sebaliknya, karena ukurannya yang kecil dan energi ionisasinya yang tinggi, unit struktural dasar boron (dan hampir semua alotropnya) adalah gugus B₁₂ ikosahedral. Dari 36 elektron yang berasosiasi dengan 12 atom boron, 26 berada di 13 orbital molekul yang terdelokalisasi; 10 elektron lainnya digunakan untuk membentuk ikatan kovalen dua dan tiga pusat antara ikosahedra. Motif yang sama dapat dilihat, seperti varian atau fragmen deltahedral, pada borida logam dan turunan hidrida, serta pada beberapa halida.

Ikatan dalam boron telah digambarkan sebagai karakteristik perilaku antara logam dan padatan jaringan kovalen nonlogam (seperti intan). Energi yang dibutuhkan untuk mengubah B, C, N, Si, dan P dari keadaan nonlogam menjadi logam telah diperkirakan masing-masing sebesar 30, 100, 240, 33, dan 50 kJ/mol. Hal ini menunjukkan kedekatan boron dengan batas logam-nonlogam.

Sebagian besar kimia boron bersifat nonlogam. Tidak seperti kongenernya yang lebih berat, ia tidak diketahui membentuk kation B³⁺ sederhana atau kation [B(H₂O)₄]³⁺ terhidrasi. Ukuran kecil atom boron memungkinkan pembuatan banyak borida tipe paduan interstisial. Analogi antara boron dan logam transisi telah dicatat dalam pembentukan kompleks, dan aduk (misalnya, BH₃ + CO →BH₃CO dan, sama halnya, Fe(CO)₄ + CO →Fe(CO)₅), serta dalam struktur geometris dan elektronik spesies gugus seperti [B₆H₆]²⁻ dan [Ru₆(CO)₁₈]²⁻. Kimia berair boron dicirikan oleh pembentukan banyak anion poliborat yang berbeda. Mengingat rasio muatan terhadap ukurannya yang tinggi, boron berikatan secara kovalen di hampir semua senyawanya; pengecualiannya adalah borida karena ini termasuk, tergantung pada komposisinya, komponen ikatan kovalen, ionik, dan logamnya. Senyawa biner sederhana, seperti boron triklorida adalah asam Lewis karena pembentukan tiga ikatan kovalen meninggalkan lubang di oktet yang dapat diisi oleh pasangan elektron yang disumbangkan oleh basa Lewis. Boron memiliki afinitas yang kuat untuk oksigen dan kimia borat yang ekstensif. Oksida B₂O₃ adalah polimerik dalam struktur, asam lemah, dan pembentuk kaca. Senyawa organologam boron telah dikenal sejak abad ke-19 (lihat kimia organoboron).

Silikon

 

Silikon adalah padatan kristal dengan kilau logam biru-abu-abu. Seperti boron, ia kurang padat (pada 2,33 g/cm³) dibandingkan aluminium, dan keras serta rapuh. Ia adalah unsur yang relatif tidak reaktif. Menurut Rochow, bentuk kristal masif (terutama jika murni) adalah "sangat lengai terhadap semua asam, termasuk hidrofluorida". Silikon yang kurang murni, dan bentuk bubuknya, sangat rentan terhadap serangan asam kuat atau asam yang dipanaskan, serta oleh uap dan fluorin. Silikon larut dalam alkali berair panas dengan evolusi hidrogen, seperti halnya logam seperti berilium, aluminium, seng, galium, atau indium. Ia melebur pada suhu 1414 °C. Silikon adalah semikonduktor dengan konduktivitas listrik 10⁻⁴ S•cm⁻¹ dan celah pita sekitar 1,11 eV. Ketika meleleh, silikon menjadi logam yang masuk akal dengan konduktivitas listrik 1,0–1,3 × 10⁴ S•cm⁻¹, mirip dengan raksa cair.

Sifat kimia silikon umumnya nonmetalik (kovalen). Ia tidak diketahui membentuk kation. Silikon dapat membentuk paduan dengan logam seperti besi dan tembaga. Ia menunjukkan kecenderungan yang lebih sedikit untuk perilaku anionik daripada nonlogam biasa. Kimia larutannya ditandai dengan pembentukan oksianion. Kekuatan tinggi dari ikatan silikon–oksigen mendominasi perilaku kimia silikon. Silikat polimer, dibangun oleh unit SiO₄ tetrahedral yang berbagi atom oksigennya, adalah senyawa silikon yang paling melimpah dan penting. Borat polimer, yang terdiri dari unit BO₃ atau BO₄ trigonal dan tetrahedral yang terhubung, dibuat berdasarkan prinsip struktur yang serupa. Oksida SiO₂ adalah polimer dalam struktur, asam lemah, dan pembentuk kaca. Kimia organologam tradisional mencakup senyawa karbon silikon (lihat organosilikon).

Germanium

 

Germanium adalah padatan putih abu-abu mengkilap. Ia memiliki massa jenis 5,323 g/cm³ dan keras serta rapuh. Ia sebagian besar tidak reaktif pada suhu kamar tetapi secara perlahan diserang oleh asam sulfat atau nitrat pekat panas. Germanium juga bereaksi dengan soda kaustik cair untuk menghasilkan natrium germanat (Na₂GeO₃) dan gas hidrogen. Ia melebur pada suhu 938 °C. Germanium adalah semikonduktor dengan konduktivitas listrik sekitar 2 × 10⁻² S•cm⁻¹ dan sela pita 0,67 eV. Germanium cair adalah konduktor logam, dengan konduktivitas listrik yang mirip dengan raksa cair.

Sebagian besar sifat kimia germanium adalah karakteristik nonlogam. Tidak jelas apakah germanium membentuk kation atau tidak, selain dari laporan keberadaan ion Ge²⁺ dalam beberapa senyawa esoterik. Ia dapat membentuk paduan dengan logam seperti aluminium dan emas. Ia menunjukkan kecenderungan yang lebih sedikit untuk perilaku anionik daripada nonlogam biasa. Kimia larutannya ditandai dengan pembentukan oksianion. Germanium umumnya membentuk senyawa tetravalen (IV), dan juga dapat membentuk senyawa divalen (II) yang kurang stabil, di mana ia berperilaku lebih seperti logam. Analog germanium dari semua jenis utama silikat telah disiapkan. Karakter logam germanium juga ditunjukkan oleh pembentukan berbagai garam asam okso. Sebuah fosfat [(HPO₄)₂Ge·H₂O] dan trifluoroasetat Ge(OCOCF₃)₄ yang sangat stabil telah dijelaskan, seperti halnya Ge₂(SO₄)₂, Ge(ClO₄)₄ dan GeH₂(C₂O₄)₃. Oksida GeO₂ adalah polimer, amfoter, dan pembentuk kaca. Germanium dioksida larut dalam larutan asam (germanium monoksida (GeO), bahkan lebih), dan ini kadang-kadang digunakan untuk mengklasifikasikan germanium sebagai logam. Sampai tahun 1930-an germanium dianggap sebagai logam konduktor yang buruk; ia kadang-kadang diklasifikasikan sebagai logam oleh beberapa selanjutnya. Seperti semua unsur yang umumnya dikenal sebagai metaloid, germanium memiliki kimia organologam yang mapan (lihat Kimia organogermanium).

Arsen

 

Arsen adalah padatan berwarna abu-abu yang tampak seperti logam. Ia memiliki massa jenis 5,727 g/cm³ dan rapuh, serta cukup keras (lebih dari aluminium; kurang dari besi). Ia stabil di udara kering tetapi mengembangkan patina perunggu emas di udara lembab, yang menghitam pada paparan lebih lanjut. Arsen dapat diserang oleh asam nitrat dan asam sulfat pekat. Ia bereaksi dengan soda kaustik yang menyatu menghasilkan arsenat Na₃AsO₃ dan gas hidrogen. Arsen menyublim pada suhu 615 °C. Uapnya berwarna kuning lemon dan berbau seperti bawang putih. Arsen hanya melebur di bawah tekanan 38,6 atm, pada suhu 817 °C. Ia adalah sebuah semilogam dengan konduktivitas listrik sekitar 3,9 × 10⁴ S•cm⁻¹ dan tumpang-tindih pita 0,5 eV. Arsen cair adalah sebuah semikonduktor dengan sela pita 0,15 eV.

Kimia arsen sebagian besar nonmetalik. Apakah arsen dapat membentuk kation atau tidak masihlah belum jelas. Banyak dari logam paduannya rapuh. Ia menunjukkan kecenderungan yang lebih sedikit untuk perilaku anionik daripada nonlogam biasa. Kimia larutannya ditandai dengan pembentukan oksianion. Arsen umumnya membentuk senyawa yang memiliki bilangan oksidasi +3 atau +5. Halida, dan oksida dan turunannya adalah contoh ilustrasif. Dalam keadaan trivalen, arsen menunjukkan beberapa sifat logam yang baru jadi. Halidanya terhidrolisis oleh air tetapi reaksi ini, terutama reaksi klorida, dapat dibalik dengan penambahan asam halida. Oksidanya bersifat asam tetapi, seperti disebutkan di bawah, bersifat amfoter (lemah). Keadaan pentavalen yang lebih tinggi, kurang stabil, memiliki sifat (nonmetalik) asam kuat. Dibandingkan dengan fosforus, sifat logam arsen yang lebih kuat ditunjukkan dengan terbentuknya garam asam okso seperti AsPO₄, As₂(SO₄)₃ dan arsen asetat As(CH₃COO)₃. Oksida As₂O₃ adalah polimer, amfoter, dan pembentuk kaca. Arsen memiliki kimia organologam yang luas (lihat Kimia organoarsen).

Antimon

 

Antimon adalah padatan perak-putih dengan warna biru dan kilau yang cemerlang. Ia memiliki massa jenis 6,697 g/cm³ dan rapuh, serta agak keras (lebih dari arsen; kurang dari besi; hampir sama dengan tembaga). Ia stabil di udara dan kelembapan pada suhu kamar. Ia dapat diserang oleh asam nitrat pekat, menghasilkan pentoksida terhidrasi Sb₂O₅. Air raja menghasilkan pentaklorida SbCl₅ dan asam sulfat pekat panas menghasilkan sulfat Sb₂(SO₄)₃. Ia tidak terpengaruh oleh alkali cair. Antimon mampu menggantikan hidrogen dari air, ketika dipanaskan: 2 Sb + 3 H₂O → Sb₂O₃ + 3 H₂. Ia melebur pada suhu 631 °C. Antimon adalah semilogam dengan konduktivitas listrik sekitar 3,1 × 10⁴ S•cm⁻¹ dan tumpang-tindih pita 0,16 eV. Antimon cair adalah konduktor logam dengan konduktivitas listrik sekitar 5,3 × 10⁴ S•cm⁻¹.

Sebagian besar kimia antimon adalah karakteristik nonlogam. Antimon memiliki beberapa kimia kationik yang pasti, SbO⁺ dan Sb(OH)₂⁺ terdapat dalam larutan berair asam; senyawa Sb₈(GaCl₄)₂, yang mengandung homopolikation, Sb₈²⁺, dibuat pada tahun 2004. Ia dapat membentuk paduan dengan satu atau lebih logam seperti aluminium, besi, nikel, tembaga, seng, timah, timbal, dan bismut. Antimon memiliki kecenderungan perilaku anionik yang lebih sedikit daripada nonlogam biasa. Kimia larutannya ditandai dengan pembentukan oksianion. Seperti arsen, antimon umumnya membentuk senyawa yang memiliki bilangan oksidasi +3 atau +5. Halida, dan oksida dan turunannya adalah contoh ilustrasif. Keadaan +5 kurang stabil dibandingkan dengan +3, tetapi relatif lebih mudah dicapai dibandingkan dengan arsen. Ini dijelaskan oleh perisai yang buruk yang diberikan inti arsen oleh elektron 3d¹⁰-nya. Sebagai perbandingan, kecenderungan antimon (menjadi atom yang lebih berat) untuk teroksidasi lebih mudah sebagian mengimbangi efek kulit 4d¹⁰-nya. Antimon tripositif bersifat amfoter; antimon pentapositif (sebagian besar) bersifat asam. Konsisten dengan peningkatan sifat logam golongan 15 ke arah bawah, antimon membentuk garam atau senyawa mirip garam termasuk nitrat Sb(NO₃)₃, fosfat SbPO₄, sulfat Sb₂(SO₄)₃ dan perklorat Sb(ClO₄)₃. Pentoksida asam Sb₂O₅ menunjukkan beberapa sifat (metalik) basa yang dapat dilarutkan dalam larutan yang sangat asam, dengan pembentukan oksikation SbO+2. Oksida Sb₂O₃ adalah polimer, amfoter, dan pembentuk kaca. Antimon memiliki kimia organologam yang luas (lihat Kimia organoantimon).

Telurium

 

Telurium adalah padatan mengkilap berwarna putih keperakan. Ia memiliki massa jenis 6,24 g/cm³, rapuh, dan merupakan metaloid paling lunak yang dikenal secara umum, sedikit lebih keras daripada belerang. Potongan besar telurium stabil di udara. Bentuk bubuk halus dioksidasi oleh udara dengan adanya uap air. Telurium bereaksi dengan air mendidih, atau ketika baru diendapkan bahkan pada suhu 50 °C, menghasilkan telurium dioksida dan hidrogen: Te + 2 H₂O → TeO₂ + 2 H₂. Ia bereaksi (dalam derajat yang bervariasi) dengan asam nitrat, sulfat, dan klorida untuk menghasilkan senyawa seperti telurium sulfoksida TeSO₃ atau asam telurit H₂TeO₃, telurium nitrat basa (Te₂O₄H)⁺(NO₃)⁻, atau telurium oksida sulfat Te₂O₃(SO₄). Ia larut dalam alkali mendidih, untuk memberikan telurit dan telurida: 3 Te + 6 KOH = K₂TeO₃ + 2 K₂Te + 3 H₂O, sebuah reaksi yang berlangsung atau reversibel dengan kenaikan atau penurunan suhu.

Pada suhu yang lebih tinggi, telurium cukup plastis untuk diekstrusi. Ia melebur pada suhu 449,51 °C. Telurium kristal memiliki struktur yang terdiri dari rantai spiral tak terbatas paralel. Ikatan antara atom-atom yang berdekatan dalam sebuah rantai adalah kovalen, tetapi ada bukti interaksi logam yang lemah antara atom-atom tetangga dari rantai yang berbeda. Telurium adalah semikonduktor dengan konduktivitas listrik sekitar 1,0 S•cm⁻¹ dan sela pita 0,32 hingga 0,38 eV. Telurium cair adalah semikonduktor, dengan konduktivitas listrik, saat melebur, sekitar 1,9 × 10³ S•cm⁻¹. Telurium cair super panas adalah konduktor logam.

Sebagian besar sifat kimia telurium adalah karakteristik nonlogam. Ia menunjukkan beberapa perilaku kationik. Telurium dioksida larut dalam asam untuk menghasilkan ion trihidroksotelurium(IV) Te(OH)₃⁺; ion merah Te₄²⁺ dan kuning-oranye Te₆²⁺ terbentuk ketika telurium dioksidasi dalam asam fluorosulfat (HSO₃F), atau belerang dioksida (SO₂) cair, masing-masing. Ia dapat membentuk paduan dengan aluminium, perak, dan timah. Telurium menunjukkan kecenderungan yang lebih sedikit terhadap perilaku anionik daripada nonlogam biasa. Kimia larutannya ditandai dengan pembentukan oksianion. Telurium umumnya membentuk senyawa yang memiliki bilangan oksidasi −2, +4 atau +6. Keadaan +4 adalah yang paling stabil. Telurida dari komposisi X_xTe_y mudah dibentuk dengan sebagian besar unsur lain dan mewakili mineral telurium yang paling umum. Nonstoikiometri tersebar luas, terutama dengan logam transisi. Banyak telurida dapat dianggap sebagai paduan logam. Peningkatan karakter logam yang terlihat pada telurium, dibandingkan dengan kalkogen yang lebih ringan, lebih jauh tercermin dalam laporan pembentukan berbagai garam asam okso lainnya, seperti selenat basa 2TeO₂·SeO₃ serta perklorat dan periodat analog 2TeO₂·HXO₄. Telurium membentuk polimer, amfoter, oksida pembentuk kaca TeO₂. Ia adalah oksida pembentuk kaca "bersyarat" – ia membentuk kaca dengan sedikit aditif. Telurium memiliki kimia organologam yang luas (lihat Kimia organotelurium).

Karbon

 

Karbon biasanya diklasifikasikan sebagai nonlogam tetapi memiliki beberapa sifat logam dan kadang-kadang diklasifikasikan sebagai metaloid. Karbon grafit heksagonal (grafit) adalah alotrop karbon yang paling stabil secara termodinamika dalam kondisi sekitar. Ia memiliki penampilan berkilau dan merupakan konduktor listrik yang cukup baik. Grafit memiliki struktur berlapis. Setiap lapisan terdiri dari atom karbon yang terikat pada tiga atom karbon lainnya dalam susunan kisi heksagonal. Lapisan-lapisan tersebut ditumpuk bersama dan ditahan secara longgar oleh gaya van der Waals dan elektron valensi terdelokalisasi.

Seperti logam, konduktivitas grafit dalam arah bidangnya menurun saat suhu dinaikkan; ia memiliki struktur pita elektronik semilogam. Alotrop karbon, termasuk grafit, dapat menerima atom atau senyawa asing ke dalam strukturnya melalui substitusi, interkalasi, atau doping. Bahan yang dihasilkan disebut sebagai "paduan karbon". Karbon dapat membentuk garam ionik, termasuk hidrogen sulfat, perklorat, dan nitrat (C+24X⁻.2HX, di mana X = HSO₄, ClO₄; dan C+24NO–3.3HNO₃). Dalam kimia organik, karbon dapat membentuk kation kompleks – disebut karbokation – di mana muatan positif ada pada atom karbon; contohnya adalah CH+3 dan CH+5, serta turunannya.

Karbon rapuh, dan berperilaku sebagai semikonduktor dalam arah tegak lurus terhadap bidangnya. Sebagian besar kimianya adalah nonmetalik; ia memiliki energi ionisasi yang relatif tinggi dan, dibandingkan dengan kebanyakan logam, elektronegativitasnya relatif tinggi. Karbon dapat membentuk anion seperti C⁴⁻ (metanida), C2–2 (asetilida), dan C3–4 (sesquikarbida atau alilenida), dalam senyawa dengan logam dari golongan utama 1–3, serta dengan lantanida dan aktinida. Oksida CO₂ membentuk asam karbonat H₂CO₃.

Aluminium

 

Aluminium biasanya diklasifikasikan sebagai logam. Ia berkilau, mudah dibentuk dan ulet, serta memiliki konduktivitas listrik dan termal yang tinggi. Seperti kebanyakan logam, ia memiliki struktur kristal tetal-rapat, dan membentuk kation dalam larutan berair.

Ia memiliki beberapa sifat yang tidak biasa untuk logam; diambil bersama-sama, sifat-sifat tersebut kadang-kadang digunakan sebagai dasar untuk mengklasifikasikan aluminium sebagai metaloid. Struktur kristalnya menunjukkan beberapa bukti ikatan terarah. Aluminium mengikat secara kovalen di sebagian besar senyawa. Oksida Al₂O₃ bersifat amfoter dan pembentuk kaca bersyarat. Aluminium dapat membentuk aluminat anionik, perilaku seperti ini dianggap bersifat nonlogam.

Mengklasifikasikan aluminium sebagai metaloid telah diperdebatkan karena banyak sifat logamnya. Oleh karena itu, bisa dibilang, pengecualian untuk mnemonik bahwa unsur-unsur yang berdekatan dengan garis pemisah logam–nonlogam adalah metaloid.

Stott melabeli aluminium sebagai logam lemah. Ia memiliki sifat fisik logam tetapi beberapa sifat kimia nonlogam. Steele mencatat perilaku kimia paradoks aluminium: "Ia menyerupai logam lemah dalam oksida amfoternya dan dalam karakter kovalen dari banyak senyawanya ... Namun ia merupakan logam yang sangat elektropositif ... [dengan] potensi elektroda negatif yang tinggi". Moody mengatakan bahwa, "aluminium berada di 'batas diagonal' antara logam dan nonlogam dalam pengertian kimia."

Selenium

 

Selenium menunjukkan perilaku metaloid atau nonlogam.

Bentuknya yang paling stabil, alotrop trigonal abu-abu, kadang-kadang disebut selenium "logam" karena konduktivitas listriknya beberapa kali lipat lebih besar daripada bentuk monoklinik merah. Karakter logam selenium lebih lanjut ditunjukkan oleh kilaunya, dan struktur kristalnya, yang diperkirakan mencakup ikatan antarrantai "logam" yang lemah. Selenium dapat ditarik menjadi benang tipis saat cair dan kental. Ia menunjukkan keengganan untuk memperoleh "karakteristik bilangan oksidasi positif tinggi dari nonlogam". Ia dapat membentuk polikation siklik (seperti Se2+8) ketika dilarutkan dalam oleum (suatu sifat yang dimiliki bersama dengan belerang dan telurium), dan garam kationik terhidrolisis dalam bentuk trihidroksoselenium(IV) perklorat [Se(OH)₃]⁺·ClO–4.

Sifat nonlogam selenium ditunjukkan oleh kerapuhannya dan konduktivitas listriknya yang rendah (~10⁻⁹ hingga 10⁻¹² S•cm⁻¹) dari bentuknya yang sangat murni. Ini sebanding dengan atau kurang dari bromin (7,95×10^–12 S•cm⁻¹), sebuah nonlogam. Selenium memiliki struktur pita elektronik semikonduktor dan mempertahankan sifat semikonduktornya dalam bentuk cair. Ia memiliki elektronegativitas yang relatif tinggi (skala Pauling revisi 2,55). Kimia reaksinya terutama dari bentuk anionik nonlogamnya Se²⁻, SeO2−3, dan SeO2−4.

Selenium umumnya digambarkan sebagai metaloid dalam literatur kimia lingkungan. Ia bergerak melalui lingkungan akuatik mirip dengan arsen dan antimon; garamnya yang larut dalam air, dalam konsentrasi yang lebih tinggi, memiliki profil toksikologi yang mirip dengan arsenik.

Polonium

Polonium jelas "bersifat metalik" dalam beberapa hal. Kedua bentuk alotropisnya adalah konduktor logam. Ia larut dalam asam, membentuk kation Po²⁺ berwarna mawar dan menggantikan hidrogen: Po + 2 H⁺ → Po²⁺ + H₂. Banyak garam polonium telah diketahui. Oksida PoO₂ sebagian besar bersifat basa. Polonium adalah agen pengoksidasi yang enggan, tidak seperti kongenernya yang paling ringan, oksigen: kondisi pereduksi yang tinggi diperlukan untuk pembentukan anion Po²⁻ dalam larutan berair.

Apakah polonium itu ulet atau rapuh tidaklah jelas. Ia diprediksi menjadi ulet berdasarkan konstanta elastisnya yang telah dihitung. Ia memiliki struktur kristal kubik sederhana. Struktur seperti ini memiliki sedikit sistem slip dan "mengarah pada keuletan yang sangat rendah dan ketahanan patahnya yang rendah".

Polonium menunjukkan karakter nonlogam dalam halidanya, dan dengan adanya polonida. Halidanya memiliki sifat yang umumnya merupakan karakteristik dari halida nonlogam (mudah menguap, mudah terhidrolisis, dan larut dalam pelarut organik). Banyak polonida logam, yang diperoleh dengan memanaskan polonium bersama-sama pada suhu 500–1,000 °C, dan yang mengandung anion Po²⁻, juga telah diketahui.

Astatin

Sebagai sebuah halogen, astatin cenderung diklasifikasikan sebagai nonlogam. Ia memiliki beberapa sifat logam yang ditandai dan kadang-kadang malah diklasifikasikan sebagai metaloid atau (lebih jarang) sebagai logam. Segera setelah produksinya pada tahun 1940, peneliti awal menganggapnya sebagai logam. Pada tahun 1949, logam ini disebut sebagai nonlogam yang paling mulia (sulit untuk direduksi) dan juga sebagai logam yang relatif mulia (sulit untuk dioksidasi). Pada tahun 1950, astatin dideskripsikan sebagai halogen dan (oleh karena itu) nonlogam reaktif. Pada tahun 2013, berdasarkan pemodelan relativistik, astatin diprediksi menjadi logam monoatomik, dengan struktur kristal kubik berpusat pada muka.

Beberapa penulis telah mengomentari sifat logam dari beberapa sifat astatin. Karena iodin adalah semikonduktor dalam arah bidangnya, dan karena halogen menjadi lebih logam dengan meningkatnya nomor atom, telah dianggap bahwa astatin akan menjadi logam jika dapat membentuk fase padat. Astatin mungkin bersifat metalik dalam keadaan cair atas dasar bahwa unsur-unsur dengan entalpi penguapan (∆H_vap) lebih besar dari ~42 kJ/mol adalah logam ketika cair. Unsur-unsur tersebut termasuk boron, silikon, germanium, antimon, selenium, dan telurium. Nilai perkiraan untuk ∆H_vap astatin diatomik adalah 50 kJ/mol atau lebih tinggi; iodin diatomik, dengan ∆H_vap 41,71, kurang dari angka ambang batas.

"Seperti logam biasa, ia [astatin] diendapkan oleh hidrogen sulfida bahkan dari larutan asam kuat dan dipindahkan dalam bentuk bebas dari larutan sulfat; ia disimpan di katode pada elektrolisis." Indikasi lebih lanjut dari kecenderungan astatin untuk berperilaku seperti logam (berat) adalah: "... pembentukan senyawa pseudohalida ... kompleks kation astatin ... anion kompleks astatin trivalen ... serta kompleks dengan berbagai senyawa pelarut organik". Juga telah dikemukakan bahwa astatin menunjukkan perilaku kationik, melalui bentuk At⁺ dan AtO⁺ yang stabil, dalam larutan berair yang sangat asam.

Beberapa sifat astatin yang dilaporkan adalah nonlogam. Ia telah diekstrapolasi untuk memiliki kisaran cairan sempit yang biasanya terkait dengan nonlogam (tl 302 °C; td 337 °C), meskipun indikasi eksperimental menunjukkan titik didih yang lebih rendah, sekitar 230±3 °C. Batsanov memberikan nilai energi sela pita yang dihitung untuk astatin sebesar 0,7 eV; nilai ini konsisten dengan nonlogam (dalam fisika) yang memiliki pita valensi dan konduksi yang terpisah dan dengan demikian menjadi semikonduktor atau insulator. Kimia astatin dalam larutan berair terutama ditandai dengan pembentukan berbagai spesies anionik. Sebagian besar senyawanya yang diketahui mirip dengan iodin, yang merupakan halogen dan nonlogam. Senyawa tersebut termasuk astatida (XAt), astatat (XAtO₃), dan senyawa antarhalogen monovalen.

Restrepo dkk. melaporkan bahwa astatin tampak lebih mirip polonium daripada seperti halogen. Mereka melakukannya berdasarkan studi komparatif terperinci tentang sifat-sifat 72 unsur yang diketahui dan telah diinterpolasi.

Dekat metaloid

 

Dalam tabel periodik, beberapa unsur yang berdekatan dengan metaloid yang umum dikenal, meskipun biasanya diklasifikasikan sebagai logam atau nonlogam, kadang-kadang disebut sebagai dekat metaloid atau dikenal karena karakter metaloid mereka. Di sebelah kiri garis pemisah logam–nonlogam, unsur-unsur tersebut termasuk galium, timah, dan bismut. Mereka menunjukkan struktur pengepakan yang tidak biasa, kimia kovalen yang ditandai (molekul atau polimer), dan amfoterisme. Di sebelah kanan garis pemisah adalah karbon, fosforus, selenium, dan iodin. Mereka menunjukkan kilau logam, sifat semikonduktor dan pita ikatan atau valensi dengan karakter terdelokalisasi. Ini berlaku untuk bentuk mereka yang paling stabil secara termodinamika di bawah kondisi sekitar: karbon sebagai grafit; fosforus sebagai fosforus hitam; dan selenium sebagai selenium abu-abu.

Alotrop

 

Bentuk kristal yang berbeda dari suatu unsur disebut alotrop. Beberapa alotrop, terutama unsur-unsur yang terletak (dalam tabel periodik) di samping atau di dekat garis pemisah antara logam dan nonlogam, menunjukkan perilaku logam, metaloid atau nonlogam yang lebih menonjol daripada yang lain. Keberadaan alotrop semacam ini dapat memperumit klasifikasi unsur-unsur yang terlibat.

Timah, misalnya, memiliki dua alotrop: timah-β "putih" tetragonal dan timah-α "abu-abu" kubik. Timah putih adalah logam yang sangat mengkilap, ulet dan mudah dibentuk. Ia adalah bentuk stabil pada atau di atas suhu kamar dan memiliki konduktivitas listrik 9,17 × 10⁴ S·cm⁻¹ (~1/6 dari tembaga). Timah abu-abu biasanya memiliki penampilan bubuk mikro-kristal abu-abu, dan juga dapat dibuat dalam bentuk kristal atau polikristalin semi-berkilau rapuh. Ini adalah bentuk stabil di bawah suhu 13,2 °C dan memiliki konduktivitas listrik antara (2–5) × 10² S·cm⁻¹ (~1/250 dari timah putih). Timah abu-abu memiliki struktur kristal yang sama dengan intan. Ia berperilaku sebagai semikonduktor (karena memiliki sela pita 0,08 eV), tetapi memiliki struktur pita elektronik semilogam. Ia telah disebut sebagai logam yang sangat miskin, metaloid, nonlogam, atau dekat metaloid.

Intan, sebuah alotrop karbon, jelas nonlogam, tembus cahaya, dan memiliki konduktivitas listrik yang rendah, sebesar 10⁻¹⁴ hingga 10⁻¹⁶ S·cm⁻¹. Grafit memiliki konduktivitas listrik 3 × 10⁴ S·cm⁻¹, suatu angka yang lebih khas dari logam. Fosforus, belerang, arsen, selenium, antimon, dan bismut juga memiliki alotrop yang kurang stabil yang menunjukkan perilaku yang berbeda.

Kelimpahan

Tabel tersebut memberikan kelimpahan kerak dari unsur-unsur yang umumnya jarang dikenali sebagai metaloid. Beberapa unsur lain disertakan untuk perbandingan: oksigen dan xenon (unsur yang memiliki isotop stabil paling melimpah dan paling tidak melimpah); besi dan logam koin (tembaga, perak, dan emas); serta renium, logam stabil yang paling tidak melimpah (aluminium biasanya merupakan logam yang paling melimpah). Berbagai perkiraan kelimpahan telah diterbitkan; beberapa diantaranya sering tidak setuju sampai batas tertentu.

Ekstraksi

Metaloid yang dikenal dapat diperoleh dengan reduksi kimia baik oksida atau sulfidanya. Metode ekstraksi yang lebih sederhana atau lebih kompleks dapat digunakan tergantung pada bentuk awal dan faktor ekonomi. Boron secara rutin diperoleh dengan mereduksi trioksidanya dengan magnesium: B₂O₃ + 3 Mg → 2 B + 3MgO; setelah pemrosesan sekunder, bubuk coklat yang dihasilkan memiliki kemurnian hingga 97%. Boron dengan kemurnian lebih tinggi (> 99%) dibuat dengan memanaskan senyawa boron yang mudah menguap, seperti BCl₃ atau BBr₃, baik dalam atmosfer hidrogen (2 BX₃ + 3 H₂ → 2 B + 6 HX) ataupun hingga titik dekomposisi termal. Silikon dan germanium diperoleh dari oksida mereka dengan memanaskan oksidanya dengan karbon atau hidrogen: SiO₂ + C → Si + CO₂; GeO₂ + 2 H₂ → Ge + 2 H₂O. Arsen diisolasi dari piritnya (FeAsS) atau pirit arsen (FeAs₂) dengan pemanasan; sebagai alternatif, ia dapat diperoleh dari oksidanya melalui reduksi dengan karbon: 2 As₂O₃ + 3 C → 2 As + 3 CO₂. Antimon diturunkan dari sulfidanya melalui reduksi dengan besi: Sb₂S₃ → 2 Sb + 3 FeS. Telurium dibuat dari oksidanya dengan melarutkannya dalam NaOH berair, menghasilkan telurit, kemudian dengan reduksi elektrolitik: TeO₂ + 2 NaOH → Na₂TeO₃ + H₂O; Na₂TeO₃ + H₂O → Te + 2 NaOH + O₂. Pilihan lain adalah reduksi oksidanya dengan memanggangnya dengan karbon: TeO₂ + C → Te + CO₂.

Metode produksi untuk unsur-unsur yang lebih jarang dikenal sebagai metaloid melibatkan pemrosesan alami, reduksi elektrolitik atau kimia, atau penyinaran. Karbon (sebagai grafit) terjadi secara alami dan diekstraksi dengan menghancurkan batuan induk dan mengapungkan grafit yang lebih ringan ke permukaan. Aluminium diekstraksi dengan melarutkan oksidanya Al₂O₃ dalam kriolit cair Na₃AlF₆ dan kemudian dengan reduksi elektrolitik suhu tinggi. Selenium diproduksi dengan memanggang selenida logam koin X₂Se (X = Cu, Ag, Au) dengan abu soda untuk menghasilkan selenit: X₂Se + O₂ + Na₂CO₃ → Na₂SeO₃ + 2 X + CO₂; selenida tersebut dinetralkan oleh asam sulfat H₂SO₄ untuk menghasilkan asam selenit H₂SeO₃; ini direduksi melalui penggelembungan dengan SO₂ untuk menghasilkan selenium elemental. Polonium dan astatin diproduksi dalam jumlah kecil dengan menyinari bismut.

Biaya

Metaloid yang dikenal dan tetangga mereka yang lebih dekat sebagian besar memiliki harga yang lebih murah daripada perak; hanya polonium dan astatin yang lebih mahal daripada emas, karena radioaktivitasnya yang signifikan. Mulai 5 April 2014, harga untuk sampel kecil (hingga 100 g) silikon, antimon dan telurium, serta grafit, aluminium, dan selenium, rata-rata sekitar sepertiga dari harga perak (AS$1,5 per gram atau sekitar AS$45 per ons). Sampel boron, germanium, dan arsen dihargai rata-rata sekitar tiga setengah kali harga perak. Polonium tersedia dengan harga sekitar AS$100 per mikrogram. Zalutsky dan Pruszynski memperkirakan biaya yang sama untuk memproduksi astatin. Harga untuk unsur-unsur yang berlaku yang diperdagangkan sebagai komoditas cenderung berkisar dari dua hingga tiga kali lebih murah daripada harga sampel (Ge), hingga hampir tiga ribu kali lebih murah (As).

• Brady JE, Humiston GE & Heikkinen H (1980), "Chemistry of the Representative Elements: Part II, The Metalloids and Nonmetals", in General Chemistry: Principles and Structure, ed. ke-2, SI version, John Wiley & Sons, New York, hlm. 537–91, ISBN 0-471-06315-0
• Chedd G (1969), Half-way Elements: The Technology of Metalloids, Doubleday, New York^{[tanpa ISBN]}
• Choppin GR & Johnsen RH (1972), "Group IV and the Metalloids", in Introductory Chemistry, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, hlm. 341–57
• Dunstan S (1968), "The Metalloids", in Principles of Chemistry, D. Van Nostrand Company, London, hlm. 407–39
• Goldsmith RH (1982), "Metalloids", Journal of Chemical Education, vol. 59, no. 6, hlm. 526527, DOI:10.1021/ed059p526
• Hawkes SJ (2001), "Semimetallicity", Journal of Chemical Education, vol. 78, no. 12, hlm. 1686–87, DOI:10.1021/ed078p1686
• Metcalfe HC, Williams JE & Castka JF (1974), "Aluminum and the Metalloids", in Modern Chemistry, Holt, Rinehart and Winston, New York, hlm. 538–57, ISBN 0-03-089450-6
• Miller JS (2019), "Viewpoint: Metalloids – An Electronic Band Structure Perspective", Chemistry – A European Perspective, preprint version, DOI:10.1002/chem.201903167
• Moeller T, Bailar JC, Kleinberg J, Guss CO, Castellion ME & Metz C (1989), "Carbon and the Semiconducting Elements", in Chemistry, with Inorganic Qualitative Analysis, ed. ke-3, Harcourt Brace Jovanovich, San Diego, pp. 742–75, ISBN 0-15-506492-4
• Parveen N dkk. (2020), "Metalloids in plants: A systematic discussion beyond description", Annals of Applied Biology, DOI:10.1111/aab.12666of
• Rieske M (1998), "Metalloids", in Encyclopedia of Earth and Physical Sciences, Marshall Cavendish, New York, vol. 6, hlm. 758–59, ISBN 0-7614-0551-8 (set)
• Rochow EG (1966), The Metalloids, DC Heath and Company, Boston^{[tanpa ISBN]}
• Vernon RE (2013), "Which Elements are Metalloids?", Journal of Chemical Education, vol. 90, no. 12, hlm. 1703–07, DOI:10.1021/ed3008457
• —— (2020,) "Organising the Metals and Nonmetals", Foundations of Chemistry, (akses terbuka)