Semimetalli: Tavola Periodica degli Elementi, Caratteristiche e Proprietà

Semimetalli: un ponte tra Metalli e Non Metalli

I semimetalli, noti anche come metalloidi, occupano una posizione unica nella tavola periodica, fungendo da collegamento tra metalli e non metalli. Questi elementi particolari combinano proprietà fisiche e chimiche di entrambe le categorie, rendendoli essenziali in una vasta gamma di applicazioni scientifiche, tecnologiche e industriali.

Ma cosa li distingue? Quali sono e quali caratteristiche hanno?

Questo articolo esplorerà tutto ciò che devi sapere sui semimetalli, dalla loro posizione nella tavola periodica alle loro proprietà peculiari, passando per le loro applicazioni pratiche.

Cosa sono i semimetalli: definizione scientifica 

Si definisce semimetallo un elemento chimico che presenta proprietà intermedie tra metalli e non metalli. Sebbene abbiano alcune caratteristiche dei metalli, come la conducibilità elettrica, non le possiedono in modo completo, spesso mostrando un comportamento non metallico in specifiche condizioni chimiche o fisiche.

I semimetalli si trovano in una zona di transizione della tavola periodica, lungo la linea a gradini che separa metalli e non metalli. Questo gruppo include elementi come boro, silicio, germanio, arsenico, antimonio e tellurio.

Sono noti per la loro conducibilità elettrica variabile, che li rende indispensabili in ambito elettronico. Inoltre, sono spesso fragili e opachi come i non metalli, ma possono comportarsi come metalli in certe reazioni chimiche. Infine, si distinguono per le loro dimensioni atomiche moderate e valori intermedi di energia di ionizzazione ed elettronegatività, che conferiscono loro proprietà uniche.

In natura, i semimetalli si trovano comunemente nei minerali e nei composti utilizzati in tecnologie avanzate. Le loro applicazioni vanno dalla microelettronica ai materiali ottici, sottolineando la loro importanza per la società moderna.

I semimetalli nella tavola periodica

Dove si trovano

I semimetalli si trovano lungo la linea di divisione tra metalli e non metalli nella tavola periodica, spesso chiamata “linea a gradini” o “linea di divisione metallo-non metallo”. 

Questa posizione intermedia riflette la loro natura ibrida:

• Gruppo 13 (Boro): Il boro è un semimetallo chiave con proprietà uniche che lo rendono utile in materiali compositi e semiconduttori.
• Gruppo 14 (Silicio e Germanio): Entrambi sono fondamentali nell’industria elettronica. Il silicio, in particolare, è essenziale per i circuiti integrati e i pannelli solari.
• Gruppo 15 (Arsenico e Antimonio): L’arsenico è utilizzato in leghe speciali e semiconduttori, mentre l’antimonio trova applicazioni nei materiali ignifughi e nelle leghe metalliche.
• Gruppo 16 (Tellurio): Questo elemento è utilizzato nei materiali termoelettrici e nei semiconduttori avanzati.

Tutti i semimetalli della tavola periodica

Ecco un elenco dei principali semimetalli e della loro posizione nella tavola periodica:

• Boro (B): Gruppo 13, un elemento solido noto per la sua durezza e la capacità di formare composti utili in ambito industriale.
• Silicio (Si) e Germanio (Ge): Gruppo 14, utilizzati come semiconduttori nei dispositivi elettronici.
• Arsenico (As) e Antimonio (Sb): Gruppo 15, noti per le loro applicazioni in leghe metalliche e materiali ignifughi.
• Tellurio (Te): Gruppo 16, utilizzato in materiali termoelettrici e nelle tecnologie fotovoltaiche.

Esempio di come si legge un elemento della tavola periodica

Per comprendere come leggere un elemento nella tavola periodica, è importante considerare sia il numero atomico che le sue proprietà chimiche. La tavola periodica dispone gli elementi in base al numero di protoni nel nucleo (numero atomico) e alle loro caratteristiche specifiche.

Un esempio di semimetallo è il boro (B).

• Simbolo: B
• Numero atomico: 5 (significa che il boro ha 5 protoni e 5 elettroni)
• Peso atomico: circa 10.8 u
• Gruppo: 13 (fa parte dei metalli terrosi)
• Periodo: 2 (indica che il boro ha 2 strati di elettroni attorno al nucleo)

Il boro è un semimetallo situato nel gruppo 13 della tavola periodica. Con 3 elettroni nel suo strato di valenza, il boro ha una reattività che lo rende utile in vari composti, come nei materiali compositi e nei semiconduttori. La sua capacità di condurre l’elettricità in modo parziale è ciò che lo rende un materiale fondamentale nell’industria tecnologica.

La posizione del boro, così come quella degli altri semimetalli, indica che questi elementi presentano caratteristiche intermedie tra i metalli e i non metalli. Mentre i metalli tendono a condurre l’elettricità e i non metalli non lo fanno, i semimetalli come il boro possono condurre l’elettricità solo sotto certe condizioni, caratteristica che li rende particolarmente utili in applicazioni elettroniche e industriali.

Metalli, non metalli e semimetalli: la differenza

Quelle che seguono sono, in breve, tutte le differenze tra metalli, non metalli e semimetalli.

I metalli sono generalmente buoni conduttori di elettricità e calore, possiedono una lucentezza caratteristica e sono malleabili e duttili. Un esempio noto è il rame (Cu), utilizzato per i fili elettrici grazie alla sua elevata conduttività. Questi elementi tendono a perdere elettroni nei legami chimici, creando cationi e formando strutture di legami metallici, che conferiscono loro una resistenza meccanica elevata. I metalli possono reagire con l’aria e l’umidità per formare ossidi, come nel caso del ferro, che arrugginisce facilmente.

I non metalli, come il cloro (Cl) o il carbonio (C), sono privi di queste caratteristiche. Non conducono bene elettricità o calore e, a differenza dei metalli, sono spesso fragili o gassosi. La loro caratteristica principale è l’alta elettronegatività, che li spinge ad acquisire elettroni in una reazione chimica, generando ioni negativi. Il carbonio, ad esempio, è fondamentale per la vita organica, mentre il cloro è utilizzato in vari composti, tra cui i disinfettanti.

I semimetalli (o metalloidi) sono elementi che presentano una fusione di proprietà metalliche e non metalliche. Elementi come silicio (Si) e arsenico (As) hanno una capacità di conduzione elettrica che si colloca tra quella dei metalli e quella dei non metalli, il che li rende ideali per l’industria elettronica. Il silicio, in particolare, è utilizzato nei circuiti dei computer grazie alle sue proprietà semiconduttive. Sebbene abbiano anche una certa fragilità, simile ai non metalli, i semimetalli possono formare legami metallici e covalenti a seconda delle circostanze, una caratteristica che li rende estremamente versatili.

Come distinguere i semimetalli nella tavola periodica: la regola di Sanderson

La regola di Sanderson consente di distinguere con buona approssimazione la natura di un elemento basandosi sulla sua posizione nella tavola periodica e sul valore della sua elettronegatività.

L’elettronegatività misura la capacità di un atomo di attrarre a sé elettroni quando partecipa a un legame chimico. In generale, gli elementi con bassa elettronegatività tendono a comportarsi come metalli, mentre quelli con un valore elevato rientrano nella categoria dei non metalli.

Secondo la regola:

• Metalli: occupano la parte sinistra della tavola periodica e sono caratterizzati da una bassa elettronegatività. Ciò li rende inclini a cedere elettroni facilmente, formando legami metallici o ionici.
• Non metalli: si trovano nella parte destra della tavola periodica e hanno una elevata elettronegatività, che li porta a guadagnare elettroni, formando prevalentemente legami covalenti.
• Semimetalli (o metalloidi): Si trovano lungo una “linea di confine” diagonale tra i metalli e i non metalli nella tavola periodica. Hanno elettronegatività intermedia e proprietà chimiche e fisiche ibride, che variano in funzione delle condizioni.

Facciamo un esempio: elementi come il cloro (Cl) e il fosforo (P), collocati sul lato destro della tavola, sono riconosciuti come non metalli per la loro elevata tendenza ad attirare elettroni. Al contrario, il magnesio (Mg) e il calcio (Ca), situati più a sinistra, sono facilmente classificabili come metalli grazie alla loro propensione a perdere elettroni durante le reazioni chimiche.

Caratteristiche e proprietà dei semimetalli

• Conducibilità elettrica: moderata e variabile

I semimetalli, come il silicio e il germanio, sono noti per la loro capacità di condurre elettricità, ma non in modo tanto efficiente quanto i metalli. La loro conducibilità dipende da vari fattori, come la temperatura e l’impurità. A basse temperature, la loro conduttività è bassa, ma può aumentare in presenza di un campo elettrico o se vengono “drogati” con altri elementi. Questo li rende ideali come semiconduttori nei dispositivi elettronici, come nei circuiti integrati e nei microprocessori.

• Stato fisico: solidi a temperatura ambiente

Tutti i semimetalli sono solidi a temperatura ambiente. La loro struttura solida spesso li rende fragili e resistenti alla deformazione, anche se la loro durezza varia. Alcuni, come il boro, sono più duri e fragili, mentre altri, come il silicio, sono più duttili e facili da lavorare. In generale, i semimetalli tendono ad avere un aspetto lucido o metallico, ma la loro fragilità può renderli più difficili da manipolare rispetto ai metalli puri.

• Aspetto: intermedio tra metalli e non metalli

L’aspetto dei semimetalli varia in funzione dell’elemento specifico. Alcuni, come il tellurio e l’arsenico, hanno una lucentezza metallica simile a quella dei metalli, mentre altri, come il boro e l’antimonio, appaiono più opachi e fragili, simili ai non metalli. In generale, la loro superficie può essere lucida o opaca, a seconda della lavorazione e delle condizioni ambientali.

• Reattività chimica: moderata

I semimetalli presentano una reattività chimica che si colloca tra quella dei metalli e dei non metalli. Possono formare legami covalenti o metallici, a seconda delle circostanze. Ad esempio, il silicio tende a formare legami covalenti con altri elementi, mentre il boro può formare legami metallici in alcuni composti. La loro reattività con l’ossigeno e altre sostanze dipende dal semimetallo specifico e dalle condizioni chimiche in cui si trovano.

• Formazione di legami: flessibile

I semimetalli sono capaci di guadagnare, cedere o condividere elettroni in modo versatile, a seconda delle condizioni chimiche. Ciò li rende particolarmente utili in reazioni chimiche complesse, come quelle che avvengono nei processi industriali e nelle applicazioni elettroniche. Per esempio, il silicio è in grado di formare legami covalenti molto stabili, mentre altri semimetalli, come l’antimonio, possono comportarsi più simili ai metalli in alcune reazioni.

• Punto di fusione e punto di ebollizione: variabili

I semimetalli tendono ad avere punti di fusione e di ebollizione che sono superiori rispetto a quelli dei non metalli, ma inferiori rispetto a quelli dei metalli. Ad esempio, il silicio fonde a circa 1.414 °C, mentre il boro ha un punto di fusione di circa 2.300 °C. Questi valori indicano una certa resistenza al calore, ma non al livello dei metalli puri. La capacità di resistere al calore dipende dalla struttura atomica e dai legami chimici caratteristici di ciascun semimetallo.

• Conduttività termica: intermedia

I semimetalli possiedono una conduttività termica che si situa tra quella dei metalli e dei non metalli. Alcuni, come il silicio, sono buoni conduttori di calore, ma non tanto quanto i metalli come il rame. Altri, come il boro, hanno una conduttività termica più bassa, avvicinandosi di più ai non metalli. La conduttività termica dipende dalla struttura cristallina e dalla mobilità degli elettroni all’interno del materiale.

• Utilizzo industriale e tecnologico

I semimetalli sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni industriali e tecnologiche grazie alle loro proprietà uniche. Per esempio, il silicio è uno dei materiali più importanti nell’industria elettronica per la fabbricazione di microchip e pannelli solari. Il boro è utilizzato in ceramiche e vetri speciali, mentre l’arsenico è impiegato in leghe metalliche e nella produzione di semiconduttori.

Struttura atomica dei semimetalli

Gli elementi semimetallici hanno un’energia di ionizzazione e una elettronegatività che li pongono in una posizione intermedia rispetto ai metalli e ai non metalli. Questo conferisce loro proprietà ibride, che li rende capaci di comportarsi come metalli o non metalli a seconda delle condizioni chimiche e fisiche.

La configurazione elettronica di questi elementi permette loro di formare sia legami metallici che covalenti, a seconda del contesto. Questi legami sono cruciali per le loro applicazioni industriali ed elettroniche. Inoltre, i semimetalli possono guadagnare o perdere elettroni, comportandosi in modo simile ai metalli in alcuni casi, ma come non metalli in altri, a seconda della reazione chimica in atto.

I legami chimici

I semimetalli, grazie alla loro posizione intermedia nella tavola periodica, sono capaci di formare diversi tipi di legami chimici, tra cui:

Legami covalenti: i semimetalli come il silicio formano legami covalenti in cui gli atomi condividono coppie di elettroni. Questo è evidente nei composti organici come i siliconi (usati in molti prodotti industriali) o nei materiali inorganici come i silicati (componenti essenziali di molte rocce e minerali). Il silicio, in particolare, è un componente cruciale nei semiconduttori, dove la sua capacità di formare legami covalenti permette di controllare il flusso elettronico, essenziale per il funzionamento di dispositivi elettronici avanzati.

Legami metallici: alcuni semimetalli come l’arsenico e l’antimonio possono anche formare legami metallici, soprattutto quando si combinano con altri metalli. Ad esempio, l’arsenico è utilizzato nelle leghe di piombo e in altre leghe metalliche, migliorando la loro resistenza e durezza. Questi legami metallici conferiscono ai semimetalli la capacità di condurre elettricità, ma con un’efficienza inferiore rispetto ai metalli puri.

Un esempio significativo dell’uso dei semimetalli nei dispositivi elettronici è il silicio nei semiconduttori, dove la sua struttura cristallina, composta da legami covalenti, consente un controllo preciso del flusso di elettroni. Questo è fondamentale per la fabbricazione di microchip e transistor, che sono la base dell’elettronica moderna. La versatilità dei semimetalli nel formare diversi tipi di legami li rende indispensabili in molti settori tecnologici.

L’importanza dei semimetalli: i settori che li impiegano di più

I semimetalli rivestono un ruolo fondamentale in numerosi aspetti della nostra vita quotidiana. Le proprietà intermedie li rendono particolarmente adatti a una varietà di applicazioni che spaziano dall’elettronica all’energia, dai materiali avanzati alla medicina.

• Elettronica

Il silicio è uno dei semimetalli più noti e utilizzati, ed è alla base dei microchip e dei transistor. La sua capacità di condurre elettricità in modo controllato lo rende ideale per la produzione di dispositivi elettronici come computer, telefoni cellulari e dispositivi portatili. Le cellule solari a base di silicio sono anche un esempio dell’importanza di questo semimetallo nell’industria energetica.

• Energia

Il tellurio è un semimetallo impiegato nei materiali termoelettrici, che convertono il calore in elettricità. I dispositivi termoelettrici sono utilizzati in applicazioni come i sistemi di raffreddamento, il recupero di energia termica in impianti industriali, e in alcune applicazioni spaziali per produrre energia elettrica da fonti di calore esterne, come il calore solare o terrestre.

• Materiali

Il boro ha numerosi usi industriali, soprattutto nella produzione di compositi ad alta resistenza e vetri speciali. Grazie alla sua durezza e alla sua stabilità termica, il boro è utilizzato per la produzione di materiali resistenti agli urti e alle alte temperature. Ad esempio, i vetri borosilicati, come quelli utilizzati nelle stoviglie da cucina e in alcuni tipi di laboratorio, sono molto resistenti al calore e agli shock termici.

• Medicina 

L’arsenico, pur essendo un elemento tossico, ha trovato applicazione in alcuni trattamenti medici, in particolare nella trattamento di malattie rare. Un esempio è l’uso dell’arsenico nel trattamento della leucemia promielocitica acuta (LPA), una forma di cancro del sangue, dove composti a base di arsenico sono utilizzati per indurre la morte delle cellule tumorali.

In generale, i semimetalli sono alla base di molte delle innovazioni tecnologiche che plasmano il nostro mondo moderno. Con la loro combinazione di proprietà metalliche e non metalliche, rappresentano il futuro di molte tecnologie avanzate, dal miglioramento delle energie rinnovabili alla creazione di nuovi materiali per dispositivi elettronici e applicazioni mediche.