Metalloide erklärt: Hauptunterschiede, Eigenschaften und praktische Anwendungen

Haben Sie sich jemals gefragt, wie die spezielle Elemente die Ihr Smartphone zum Laufen bringen oder Solarzellen helfen, Energie von der Sonne zu sammeln? Diese sind wahrscheinlich Metalloide - eine einzigartige Gruppe von Elementen, die im Periodensystem zwischen Metallen und Nichtmetallen stehen. In diesem Artikel gehen wir der Frage nach, was Metalloide so besonders macht, wie sie sich voneinander unterscheiden und warum sie für unser tägliches Leben wichtig sind.

Was sind Metalloide?

Metalloide sind Elemente, die sowohl metallische und nichtmetallische Merkmale. Man kann sie sich als die "Zwischenelemente" vorstellen. Sie befinden sich entlang einer diagonalen Linie im Periodensystem zwischen den Metallen auf der linken Seite und den Nichtmetallen auf der rechten Seite.

Diese besonderen Elemente haben einige wesentliche Merkmale gemeinsam:

• Sie können Elektrizität teilweise leiten (nicht so gut wie Metalle, aber besser als Nichtmetalle)
• Sie sind spröde Feststoffe bei Raumtemperatur
• Ihre Elektronegativität liegt in der Regel zwischen 1,8 und 2,2
• Sie können bilden Legierungen mit Metallen

Es gibt 7 gängige Metalloide:

1. Bor (B)
2. Silizium (Si)
3. Germanium (Ge)
4. Arsen (As)
5. Antimon (Sb)
6. Tellur (Te)
7. Polonium (Po)

Metalloid-Vergleich: Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten

Schauen wir uns die einzelnen Metalloide an und was sie einzigartig und nützlich macht.

Bor

Bor ist ein leichtes, aber zähes Metalloid mit einem sehr hohen Schmelzpunkt von 2.076 °C. Es kommt in der Natur nicht frei vor, sondern ist oft mit Sauerstoff in Verbindungen wie Borax kombiniert.

Wichtigste Verwendungszwecke:

• Flammenhemmende Mittel für Stoffe und Materialien
• Borosilikatglas (wie Pyrex), die hohe Hitze aushalten können
• Neutronenschilde in Kernreaktoren
• Medizin als Antiseptika und Nahrungsergänzungsmittel

Der Weltmarkt für Bor hat einen Wert von etwa $2,1 Milliarden80% wird in der Glas- und Keramikproduktion verwendet.

Silizium

Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste und macht etwa 27,7% des Erdgewichts aus. Es ist das häufigste Metalloid und in der modernen Technologie äußerst wichtig.

Wichtigste Verwendungszwecke:

• Computerchips und elektronische Geräte
• Sonnenkollektoren die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln
• Produkte aus Silikon wie Dichtungsmittel und medizinische Implantate
• Glas Produktion

Silizium dominiert 95% des HalbleitermarktesDas macht sie zu einem der wichtigsten Elemente in unserer technikgetriebenen Welt.

Germanium

Germanium ist etwas Besonderes, weil es für infrarotes Licht durchlässig ist und trotzdem ein Halbleiter ist. Obwohl es in der Erdkruste nicht häufig vorkommt, hat es einzigartige optische Eigenschaften.

Wichtigste Verwendungszwecke:

• Faseroptische Kabel die Internetdaten übertragen
• Infrarot-Optik für Nachtsichtgeräte
• Transistoren und andere elektronische Komponenten

Etwa 35% Germanium werden in Glasfasern verwendet, wobei der Markt voraussichtlich ein Volumen von $390 Millionen bis 2027.

Arsen

Arsen ist dafür bekannt, dass es giftig ist, aber es hat wichtige Funktionen, wenn es sicher gehandhabt wird. Es bildet spröde Legierungen und wurde im Laufe der Geschichte immer wieder verwendet.

Wichtigste Verwendungszwecke:

• Halbleiter (insbesondere in Galliumarsenid-Chips)
• Holzschutzmittel (obwohl diese Verwendung zurückgegangen ist)
• Metall-Legierungen zur Erhöhung der Härte

Der Weltmarkt für Arsen hat sich um etwa 70% seit 2000 aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Toxizität und Verboten bestimmter Verwendungen.

Antimon

Antimon macht Legierungen härter und korrosionsbeständiger. Es ist seit dem Altertum bekannt und hat ein silbriges Aussehen.

Wichtigste Verwendungszwecke:

• Flammenhemmende Mittel für Textilien und Kunststoffe
• Blei-Säure-Batterien für Autos
• Zinn und andere Metall-Legierungen

Etwa 60% Antimon wird in Flammschutzmitteln verwendet, und in einigen Anoden von Lithium-Ionen-Batterien wird es immer wichtiger.

Tellur

Tellur ist photoleitend - es leitet Strom besser, wenn es Licht ausgesetzt wird. Es ist selten, aber wertvoll für spezielle Anwendungen.

Wichtigste Verwendungszwecke:

• Sonnenkollektoren (Cadmiumtellurid- oder CdTe-Paneele)
• Thermoelektrische Geräte die Wärme in Elektrizität umwandeln
• Metall-Legierungen zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit

Tellur hilft, den Wirkungsgrad von Solarzellen auf etwa 22% in CdTe-Paneelen. Etwa 40% des weltweiten Angebots stammen aus der Kupferraffination.

Polonium

Polonium ist radioaktiv und extrem selten. Es wurde 1898 von Marie Curie entdeckt. Aufgrund seiner Radioaktivität (es ist etwa 250.000-mal radioaktiver als Uran) wird es nur sehr eingeschränkt verwendet.

Wichtigste Verwendungszwecke:

• Statik-Eliminatoren in spezialisierten industriellen Umgebungen
• Nukleare Batterien für Raumfahrtanwendungen
• Forschung Zwecke

Polonium-210 hat eine Halbwertszeit von nur 138 Tageund wurde in der Vergangenheit in sowjetischen Mondrovern zum Heizen während der kalten Mondnächte verwendet.

Die wichtigsten Unterschiede auf einen Blick

Die nachstehende Tabelle zeigt die wichtigsten Eigenschaften dieser Metalloide im Vergleich:

Wichtigste industrielle und alltägliche Anwendungen

Der Weltmarktwert von Metalloiden zeigt ihre Bedeutung in der Industrie:

Elektronik

Silizium ist der König der Elektronik. Mehr als 95% aller elektronischen Geräte verwenden Siliziumhalbleiter in ihren Chips und Schaltkreisen. Von Ihrem Smartphone bis zum Computer in Ihrem Auto - Silizium macht es möglich. Germanium wird in speziellen Transistoren und anderen elektronischen Bauteilen verwendet.

Energie

Tellur ist für bestimmte Arten von Solarzellen entscheidend. CdTe-Solarmodule erzeugen 75% weniger Kohlenstoffemissionen als herkömmliche Siliziummodule. Inzwischen, Bor wird in Kernreaktoren als Neutronenabschirmung eingesetzt und trägt dazu bei, die Reaktionen sicher zu steuern.

Materialien

Antimon wird vielen Materialien als Flammschutzmittel zugesetzt. Wenn Ihre Möbel oder Kinderkleidung als "schwer entflammbar" gekennzeichnet sind, enthalten sie möglicherweise Antimonverbindungen. Silizium wird auch zur Herstellung von Silikonpolymeren verwendet, die von Küchenutensilien bis hin zu medizinischen Implantaten zu finden sind.

Medizin

Bor Verbindungen werden in Antiseptika und zur Behandlung von Arthritis verwendet. In der Vergangenheit wurde Arsen in Arzneimitteln verwendet, obwohl seine Verwendung heute aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Toxizität sehr eingeschränkt ist.

Sicherheit und Umweltaspekte

Metalloide ermöglichen zwar die moderne Technologie, doch einige von ihnen sind mit erheblichen Sicherheitsbedenken verbunden:

Arsen Besonders besorgniserregend ist die Tatsache, dass jährlich mehr als 20.000 Menschen durch arsenverseuchtes Grundwasser sterben, vor allem in Bangladesch und Teilen Indiens.

Polonium ist extrem gefährlich - schon ein Mikrogramm ist für den Menschen eine tödliche Dosis. Es erlangte 2006 öffentliche Aufmerksamkeit, als es zur Vergiftung des ehemaligen russischen Spions Alexander Litwinenko verwendet wurde.

Viele Länder haben strenge Vorschriften für die Verwendung dieser Elemente in Verbraucherprodukten. So ist Arsen in den Vereinigten Staaten seit 2003 in den meisten Holzschutzmitteln für Wohngebäude verboten.

Fallstudien aus der Praxis

Fallstudie 1: Silizium im M1-Chip von Apple

Die Halbleitereigenschaften von Silizium haben die Computertechnik revolutioniert. Der M1-Chip von Apple nutzt die 5-Nanometer-Prozesstechnologie, um 16 Milliarden Transistoren auf einen winzigen Chip zu packen. Diese fortschrittliche Siliziumdotierung (Hinzufügen kleiner Mengen anderer Elemente) reduziert den Stromverbrauch um 60% und verdoppelt gleichzeitig die Geschwindigkeit im Vergleich zu früheren Generationen.

Fallstudie 2: Tellur in den Panelen von First Solar

First Solar kontrolliert mit seinen CdTe-Modulen etwa 50% des Dünnschicht-Solarmarktes. Diese Paneele verwenden Tellur, um einen Wirkungsgrad von 22% zu erreichen, wodurch die Solarenergie erschwinglicher wird. Die Paneele des Unternehmens haben einen geringeren CO2-Fußabdruck als herkömmliche Siliziumpaneele.

Fallstudie 3: Bor in der nuklearen Sicherheit

Borkarbid wird in Steuerstäben in 100% kommerziellen Kernkraftwerken weltweit verwendet. Aufgrund seiner Fähigkeit, Neutronen zu absorbieren, ist es für die Verhinderung von Kernschmelzen in Notfallsituationen unerlässlich. Während der Katastrophe von Fukushima im Jahr 2011 wurde Bor in Reaktoren eingeleitet, um nukleare Kettenreaktionen zu verhindern.

Künftige Trends bei der Verwendung von Metalloiden

Die Zukunft sieht für Metalloide in mehreren zukunftsweisenden Bereichen rosig aus:

Quantencomputer

Sowohl Silizium als auch Germanium werden für die Verwendung in Quantenbits oder "Qubits" erforscht. Silizium-Quantenpunkte könnten die Grundlage für künftige Quantencomputer bilden, die Probleme lösen könnten, die für heutige Computer unmöglich sind.

Grüne Technologie

Tellur ist weiterhin wichtig für die Solarenergie. Forscher arbeiten daran, die Effizienz von tellurhaltigen thermoelektrischen Materialien zu erhöhen, die zur Rückgewinnung von Abwärme aus Industrieprozessen und Fahrzeugmotoren beitragen könnten.

Medizinischer Fortschritt

Die Borneutroneneinfangtherapie (BNCT) ist ein vielversprechendes Verfahren zur Behandlung bestimmter Krebsarten. Bei dieser Technik wird die Fähigkeit von Bor, Neutronen zu absorbieren, genutzt, um Krebszellen gezielt anzugreifen, wodurch die Nebenwirkungen im Vergleich zur herkömmlichen Strahlentherapie verringert werden könnten.

Schlussfolgerung

Metalloide sind wirklich besondere Elemente, die die Lücke zwischen Metallen und Nichtmetallen schließen. Ihre einzigartigen Eigenschaften machen sie für die moderne Technologie unverzichtbar, vom Silizium in Ihrem Computer bis zum Bor in Ihrem hitzebeständigen Kochgeschirr.

Einige Metalloide stellen zwar ein Sicherheitsrisiko dar, doch ihre Vorteile haben unsere Welt verändert. Im Zuge des technologischen Fortschritts werden diese vielseitigen Elemente weiterhin eine entscheidende Rolle in der Elektronik, Energie, Medizin und darüber hinaus spielen.

Wenn Sie das nächste Mal Ihr Smartphone benutzen oder eine Solaranlage bewundern, denken Sie an die Metalloiden, die hinter den Kulissen arbeiten, um diese Technologien zu ermöglichen!