半金属の主な特性: 総合ガイド

半金属としても知られる半金属は、周期表でユニークな位置を占めています。半金属は金属と非金属の中間の特性を示すため、さまざまな産業や技術の用途で多用途かつ貴重です。このガイドでは、半金属の基本的な特性、その発生、および用途について説明します。

半金属の紹介

半金属は、金属と非金属の中間の特性を持つ元素です。半金属は、金属と非金属を分ける周期表のジグザグ線に沿って配置されています。通常、ホウ素 (B)、シリコン (Si)、ゲルマニウム (Ge)、ヒ素 (As)、アンチモン (Sb)、テルル (Te) が含まれます。ポロニウム (Po) やアスタチン (At) も半金属と見なされることがあります。

金属の歴史的使用

半金属は何世紀にもわたって使用されてきました。

• アンチモン古代エジプトでは化粧品や着色料として使用され、1500 年代には半金属として分類されました。
• 砒素: 1250 年頃にアルベルトゥス・マグヌスによって初めて単離されたと考えられ、毒性が発見されるまで顔料として使用されていました。
• シリコン1823 年にイェンス・ヤコブ・ベルセリウスによって発見され、1954 年に初めて市販の半導体が製造されました。

半金属とはどのような元素ですか?

半金属は、金属と非金属の中間の特性を持つ元素です。広く認められている半金属は次のとおりです。

1. ホウ素（B）
2. ヒ素（As）
3. ゲルマニウム（Ge）
4. テルル（Te）
5. アンチモン（Sb）
6. シリコン（Si）

一部の科学者は、以下の元素も半金属に含めるが、その分類については議論の余地がある。

1. アスタチン
2. ポロニウム
3. ビスマス

メタロイドの主な特性は何ですか?

半金属は、金属と非金属の中間の特性を示します。この特性の組み合わせにより、半金属はさまざまな用途、特に電子工学や材料科学において不可欠なものとなっています。半金属の主な特性は次のとおりです。

金属光沢

半金属は光沢のある金属的な外観をしており、金属に似ています。この特徴的な金属光沢は、光を効果的に反射する能力の結果です。光が半金属の表面に当たると、材料内に存在する自由電子と相互作用します。これらの電子は振動して光を再放射し、材料に光沢のある反射特性を与えます。

ただし、その外観はさまざまです。ヒ素やアンチモンなどの一部の半金属は、結晶状や粉末状など、さまざまな形で存在することがあります。

画像例	要素
	ホウ素（B）
	シリコン（Si）
	ゲルマニウム（Ge）
	ヒ素（As）
	テルル（Te）
	アンチモン（Sb）

室温での固体

すべての半金属は室温では固体であり、融点が比較的高い。

1. ホウ素（B）: 融点2079°C
2. シリコン（Si）: 融点1410°C
3. ゲルマニウム（Ge）: 融点938.3°C
4. ヒ素（As）: 融点817°C
5. テルル（Te）: 融点449.5°C
6. アンチモン（Sb）: 融点631°C

もろさ

一般的に可鍛性と延性がある金属とは異なり、半金属はストレスや力を受けると壊れたり砕け散ったりする傾向があります。この脆さは、ハンマーで叩いたり、転がしたり、曲げたりといった一般的な金属成形技術では成形できないことを意味します。

硬度

半金属は非金属に比べて比較的硬い場合があります。

1. ホウ素（B）モース硬度約9.3で、最も硬い物質の一つとして知られています。
2. シリコン（Si）: モース硬度約 7 の適度な硬さで、硬度と電気特性のバランスが優れているため、半導体用途で重宝されています。
3. ゲルマニウム（Ge）モース硬度約6。
4. ヒ素（As）: モース硬度約3.5の柔らかい素材です。
5. テルル（Te）: モース硬度約2.5の柔らかい素材です。
6. アンチモン（Sb）: 柔らかくもろく、モース硬度は約 3 です。

半導体の特性

半金属は電気を通しますが、金属ほど効率的ではありません。この特性により、半金属は電子機器に不可欠な半導体として役立ちます。半金属の導電性は、「ドーピング」と呼ばれるプロセスによって強化できます。このプロセスでは、不純物を加えて電気特性を変更します。

非金属と同様の化学的挙動

半金属は陰イオンを形成し、複数の酸化状態を示し、共有結合を形成する傾向があります。化合物を形成するときに電子を共有します。

酸化状態の例:

1. ホウ素（B）: +3、+2、+1
2. シリコン（Si）: +4, 0
3. ゲルマニウム（Ge）: +2、+4
4. ヒ素（As）: +3、+5
5. テルル（Te）: +4、+6
6. アンチモン（Sb）: +3、+5

中間イオン化エネルギーと電気陰性度

半金属のイオン化エネルギーと電気陰性度は、金属と非金属の中間にあります。イオン化エネルギーは原子から電子を取り除くために必要なエネルギーであり、電気陰性度は化学結合で電子を引き付ける原子の能力の尺度です。

例の値:

1. ホウ素（B）: 第1イオン化エネルギー: 8.298 eV、電気陰性度: 2.04
2. シリコン（Si）: 第1イオン化エネルギー: 8.1517 eV、電気陰性度: 1.9
3. ゲルマニウム（Ge）: 第1イオン化エネルギー: 7.9 eV、電気陰性度: 2.01
4. ヒ素（As）: 第1イオン化エネルギー: 9.8152 eV、電気陰性度: 2.18
5. テルル（Te）: 第1イオン化エネルギー: 9.0096 eV、電気陰性度: 2.1
6. アンチモン（Sb）: 第1イオン化エネルギー: 8.64 eV、電気陰性度: 2.05

密度

密度は、物質の単位体積あたりの質量です。半金属の場合、密度は大きく異なります。

1. ホウ素（B）: 密度 2.46 g/cm³
2. シリコン（Si）: 密度 2.33 g/cm³
3. ゲルマニウム（Ge）: 密度 5.32 g/cm³
4. ヒ素（As）: 密度 5.73 g/cm³
5. テルル（Te）: 密度 6.24 g/cm³
6. アンチモン（Sb）： 密度6.69 g/cm³

半金属の物理的性質

半金属は、金属と非金属の中間的な位置にあることを反映した、独特の物理的特性を持っています。次の表は、その特性を明確に示しています。

プロパティ	ボロン	シリコン	ゲルマニウム	砒素	アンチモン	テルル
外観	ダークブラウン、メタリック	メタリックグレー	メタリックグレー	メタリックグレー	シルバーグレー	メタリックグレー
密度	2.46 g /cm³	2.33 g /cm³	5.32 g /cm³	5.72 g /cm³	6.70 g /cm³	6.24 g /cm³
融点	2075°C	1414°C	938°C	817°C（昇華）	631°C	449.5°C
沸点	4000°C	2355°C	2833°C	614°C	1587°C	988°C
硬度	とても厳しい	ハード	穏健派	変数	穏健派	穏健派
電気伝導性	不良（非金属）	中程度（半導体）	中程度（半導体）	不良（非金属）	不良（非金属）	不良（非金属）
室温の状態	コールテン	コールテン	コールテン	コールテン	コールテン	コールテン
結晶構造	様々（例：非晶質、結晶質）	ダイヤモンドキュービック	ダイヤモンドキュービック	各種（例：灰色、黄色）	菱面体	三角
原子番号	5	14	32	33	51	52
電気陰性	2.04	1.90	2.01	2.18	2.05	2.01
あなたが使用します	研磨剤、ホウケイ酸ガラス	半導体、太陽電池	半導体、赤外線光学	農薬、半導体	合金、難燃剤	熱電デバイス

半金属の化学的性質

半金属は、その中間的な性質を反映したさまざまな化学的性質を示します。半金属は中程度の電気陰性度とイオン化エネルギーを持ち、複数の酸化状態を示すことができ、酸と塩基の両方と反応します。半金属の化学的挙動は複雑になる場合があり、多くの場合、特定の条件と関連する化合物に依存します。

プロパティ	ボロン	シリコン	ゲルマニウム	砒素	アンチモン	テルル
電気陰性	2.04	1.90	2.01	2.18	2.05	2.1
イオン化エネルギー	穏健派	穏健派	穏健派	穏健派	穏健派	穏健派
酸化状態	+3	+4	+ 2 + 4	+ 3 + 5	+ 3 + 5	+ 2、+ 4、+ 6
酸との反応性	一般的に反応しない	強塩基と反応するが、酸とは反応しにくい	酸や塩基と反応する	酸と反応してヒ酸を形成する	酸や塩基と反応する	酸と反応してテルル酸（H₂TeO₄）を形成する
塩基との反応性	加熱すると強塩基と反応する	強塩基と反応する	酸や塩基と反応する	ヒ化物を形成する	三塩化アンチモンと五塩化アンチモンを形成する	強塩基とテルル化物を形成する
酸化物	酸化ホウ素 (B₂O₃)	二酸化ケイ素 (SiO₂)	二酸化ゲルマニウム（GeO₂）	三酸化ヒ素 (As₂O₃)	三酸化アンチモン (Sb₂O₃)	二酸化テルル (TeO₂)、四酸化テルル (TeO₄)
水素化物	ボラン（例：B₂H₆）	シラン（例：SiH₄）	ゲルマン（GeH₄）	アルシン (AsH₃)	スティビン (SbH₃)	テルル水素化物 (TeH₂)
ハロゲン化物	三塩化ホウ素 (BCl₃)	四フッ化ケイ素 (SiF₄)	四塩化ゲルマニウム (GeCl₄)	三塩化ヒ素 (AsCl₃)、五塩化ヒ素 (AsCl₅)	三塩化アンチモン (SbCl₃)、五塩化アンチモン (SbCl₅)	四塩化テルル (TeCl₄)、六フッ化テルル (TeF₆)

アプリケーション 半金属の

半金属は、そのユニークな特性により、さまざまな技術および産業用途で重要な役割を果たします。

• 電子: シリコンとゲルマニウムは半導体技術において極めて重要です。電気伝導性を制御する能力があるため、集積回路や太陽電池の製造に不可欠な要素となっています。
• 材質科学ホウ素のような半金属は、材料の硬度と強度を向上させるために使用されます。たとえば、炭化ホウ素は防弾チョッキやその他の高強度用途に使用されます。
• 化学: 半金属は、数多くの化学プロセスや化合物に関与しています。たとえば、ヒ素化合物は毒性があるにもかかわらず、殺虫剤や半導体産業で使用されています。

5つの半金属の代表的な用途

素子	説明	代表的なアプリケーション
ホウ素（B）	暗褐色または黒色の金属のような固体。硬く、脆く、融点が高い。	ガラス、セラミック、洗剤、合金、原子炉
シリコン（Si）	光沢のある金属灰色の固体。脆く、硬く、中程度の電気伝導性がある。	エレクトロニクス（半導体）、太陽電池、建設（コンクリート）、シリコーン
ゲルマニウム（Ge）	灰白色の金属のような固体。脆く半導体的な性質を持つ	電子工学（トランジスタ、ダイオード）、光学（赤外線レンズ）、光ファイバー
ヒ素（As）	灰色の金属固体または黄色の粉末。有毒、様々な化合物	農薬（歴史的）、半導体（ガリウムヒ素）、木材保存
アンチモン（Sb）	光沢のある銀灰色の金属。脆く、融点が低い。	合金（鉛蓄電池）、難燃剤、半導体
テルル（Te）	銀白色の脆い固体。半導体特性、高密度	エレクトロニクス（半導体）、太陽電池パネル（CdTeセル）、冶金

半金属の特徴は何ですか?

半金属は、金属と非金属の中間の特性を持つことによって区別されます。主な特徴は次のとおりです。

1. 中間プロパティ: 半金属は金属と非金属の特性が混在しています。
2. 半導体能力: 現代の電子回路にとって極めて重要な半導体として機能します。

これらのユニークな特徴により、半金属はテクノロジーやエレクトロニクスにおいて不可欠なものとなっています。

半金属を識別する最良の方法は何ですか?

半金属を識別するのに最も役立つ特性は、その金属的な外観です。半金属は金属光沢を帯びることが多いですが、他の元素の特性と重複するため、化学的特性で区別するのは困難です。

金属と非金属の違いは何ですか?

金属と非金属の違いは根本的なものであり、物理的および化学的特性に関係しています。包括的な比較を以下に示します。

物理的特性

プロパティ	金属	非金属
外観	光沢のあるメタリックな	鈍く反射しない
密度	高（例：鉄：7.87 g/cm³、金：19.32 g/cm³）	低い（例：炭素：2.267 g/cm³、酸素：0.00143 g/cm³）
融点	高温（例：タングステン：3422°C、鉄：1538°C）	低い（例：酸素：-218.79°C、臭素：-7.2°C）
沸点	高温（例：タングステン：5555°C、鉄：2862°C）	低い（例：酸素：-182.96°C、臭素：58.8°C）
硬度	様々です（例：鉄：モース硬度 4.0～4.5、金：2.5）	通常は柔らかい（例：硫黄：モース硬度1.5～2.0）
電気伝導性	高（例：銅：5.96 × 10⁷ S/m）	低（例：硫黄：1 × 10⁻¹⁶ S/m）
熱伝導率	高（例：銅：401 W/m·K）	低い（例：硫黄：0.2 W/m·K）
室温の状態	固体（水銀を除く：液体）	気体（窒素、酸素など）、液体（臭素など）、固体（硫黄など）
展性と延性	高い（例：金は薄い板状に叩くことができる）	低い（例：リン：脆い）

化学的性質

プロパティ	金属	非金属
電気陰性	低い（例：ナトリウム：0.93、鉄：1.83）	高（例：フッ素：3.98、酸素：3.44）
イオン化エネルギー	低い（例：ナトリウム：495.8 kJ/mol、鉄：762.5 kJ/mol）	高い（例：フッ素：1681 kJ/mol、酸素：1314 kJ/mol）
酸化状態	多くの場合陽性（例：鉄：+2、+3、ナトリウム：+1）	多くの場合、負またはゼロ（例：酸素：-2、窒素：-3）
酸との反応性	反応して水素ガスを放出する（例：亜鉛：Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂）	通常は反応しないか、酸を形成します（例：硫黄は塩基と反応して硫化物を形成します）
塩基との反応性	塩基と反応します（例：アルミニウムはNaOHと反応します：2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2NaAl(OH)₄ + 3H₂）	塩基と反応して酸を形成するか、反応性が低い（例：二酸化炭素は水と反応して炭酸を形成する）
酸化物の形成	塩基性酸化物（例：酸化ナトリウム：Na₂O）	酸性酸化物（例：二酸化炭素：CO₂）

半金属と非金属はどのような特性を共有していますか?

半金属は、次のような非金属といくつかの特性を共有しています。

1. 高い電気陰性度半金属は非金属と同様に、比較的高い電気陰性度を持っています。
2. 陰イオンの形成: 非金属に共通する特性として、電子を獲得して負イオン（アニオン）を形成することが多い。
3. 共有結合: 半金属は非金属と同様に、一般的に共有結合を形成します。
4. 可変酸化状態: 非金属と同様に、複数の酸化状態を示すことができます。

これらの共通の特性は、金属と非金属の間の半金属の中間的な性質を浮き彫りにします。

半金属をどのように分類しますか?

半金属は、金属と非金属の中間の特性に基づいて分類されます。通常、半金属は周期表上で金属と非金属を分ける対角線に沿って配置されます。半金属を分類するために使用される主な特性は次のとおりです。

1. 外観: 金属光沢を放つことが多い。
2. 物理的特性通常、室温では固体ですが、脆い場合があります。
3. 化学的性質半導体として機能し、金属と非金属の両方と重複する特性を持ちます。

これらの要素は、周期表上で半金属を識別および分類するのに役立ちます。

まとめ：

半金属は、金属と非金属のギャップを埋める魅力的な特性の組み合わせを示します。その中間的な物理的および化学的特性と、独自の電気的特性により、半金属はさまざまな科学分野や産業分野で非常に貴重なものとなっています。技術の進歩に伴い、半金属の役割は進化し続け、現代の科学と工学におけるその重要性が強調されています。

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