Metalloids Explained: Principais diferenças, propriedades e aplicações no mundo real

Já alguma vez se interrogou sobre o elementos especiais que fazem o seu smartphone funcionar ou ajudam os painéis solares a recolher energia do sol? Esses são provavelmente metalóides - um grupo único de elementos que se situa entre os metais e os não-metais na tabela periódica. Neste artigo, vamos explorar o que torna os metalóides especiais, como diferem uns dos outros e porque são importantes na nossa vida quotidiana.

O que são metalóides?

Metalóides são elementos que mostram tanto traços metálicos e não metálicos. Pense neles como os elementos "intermédios". Situam-se ao longo de uma linha diagonal na tabela periódica, entre os metais, à esquerda, e os não-metais, à direita.

Estes elementos especiais partilham algumas caraterísticas fundamentais:

• Podem conduzir parcialmente a eletricidade (não tão bem como os metais, mas melhor do que os não metais)
• São eles sólidos frágeis à temperatura ambiente
• Os seus eletronegatividade varia normalmente entre 1,8 e 2,2
• Podem formar ligas com metais

Existem 7 metalóides comuns:

1. Boro (B)
2. Silício (Si)
3. Germânio (Ge)
4. Arsénio (As)
5. Antimónio (Sb)
6. Telúrio (Te)
7. Polónio (Po)

Comparação de metalóides: Propriedades e usos

Vejamos cada metaloide e o que o torna único e útil.

Boro

Boro é um metaloide leve mas resistente, com um ponto de fusão muito elevado de 2.076°C. Não se encontra livre na natureza, mas é frequentemente combinado com o oxigénio em compostos como o bórax.

Principais utilizações:

• Retardadores de chama para tecidos e materiais
• Vidro borossilicato (como Pyrex) que aguenta calor elevado
• Escudos de neutrões em reactores nucleares
• Medicina como anti-sépticos e suplementos

O mercado mundial do boro tem um valor de cerca de $2.1 mil milhõescom 80% utilizado na produção de vidro e cerâmica.

Silício

Silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, constituindo cerca de 27,7% do seu peso. É o metaloide mais comum e extremamente importante na tecnologia moderna.

Principais utilizações:

• Chips de computador e dispositivos electrónicos
• Painéis solares que convertem a luz solar em eletricidade
• Produtos de silicone como selantes e implantes médicos
• Vidro produção

O silício domina 95% do mercado dos semicondutorestornando-a um dos elementos mais importantes do nosso mundo tecnológico.

Germânio

Germânio é especial porque é transparente à luz infravermelha, sem deixar de ser um semicondutor. Embora não seja comum na crosta terrestre, tem propriedades ópticas únicas.

Principais utilizações:

• Cabos de fibra ótica que transportam dados da Internet
• Ótica de infravermelhos para dispositivos de visão nocturna
• Transístores e outros componentes electrónicos

Cerca de 35% de germânio são utilizados em fibras ópticas, prevendo-se que o mercado atinja $390 milhões de euros até 2027.

Arsénio

Arsénio é conhecido por ser tóxico, mas tem utilizações importantes quando manuseado com segurança. Forma ligas frágeis e tem sido utilizado ao longo da história.

Principais utilizações:

• Semicondutores (especialmente em pastilhas de arsenieto de gálio)
• Conservantes de madeira (embora esta utilização tenha diminuído)
• Ligas metálicas para aumentar a dureza

O mercado mundial de arsénio diminuiu cerca de 70% desde 2000 devido a preocupações com a toxicidade e à proibição de certas utilizações.

Antimónio

Antimónio torna as ligas mais duras e mais resistentes à corrosão. É conhecido desde a antiguidade e tem um aspeto prateado.

Principais utilizações:

• Retardadores de chama para têxteis e plásticos
• Baterias de chumbo-ácido para automóveis
• Estanho e outras ligas metálicas

Cerca de 60% de antimónio é utilizado em retardadores de chama e está a tornar-se importante em alguns ânodos de baterias de iões de lítio.

Telúrio

Telúrio é fotocondutor - conduz melhor a eletricidade quando exposto à luz. É raro, mas valioso para aplicações especializadas.

Principais utilizações:

• Painéis solares (painéis de telureto de cádmio ou CdTe)
• Dispositivos termoeléctricos que convertem calor em eletricidade
• Ligas metálicas para melhorar a maquinabilidade

O telúrio ajuda a aumentar a eficiência dos painéis solares para cerca de 22% em painéis de CdTe. Cerca de 40% do fornecimento global provém da refinação de cobre.

Polónio

Polónio é radioativo e extremamente raro. Foi descoberto por Marie Curie em 1898. Devido à sua radioatividade (é cerca de 250.000 vezes mais radioativo do que o urânio), tem utilizações muito restritas.

Principais utilizações:

• Eliminadores de estática em ambientes industriais especializados
• Baterias nucleares para aplicações espaciais
• Investigação objectivos

O polónio-210 tem uma meia-vida de apenas 138 diase foi historicamente utilizado nos rovers lunares soviéticos para aquecimento durante as frias noites lunares.

Principais diferenças num relance

A tabela abaixo mostra como estes metaloides se comparam em propriedades chave:

Principais aplicações industriais e quotidianas

O valor de mercado global dos metalóides demonstra a sua importância na indústria:

Eletrónica

Silício é o rei da eletrónica. Mais de 95% de todos os dispositivos electrónicos utilizam semicondutores de silício nos seus chips e circuitos. Desde o seu smartphone ao computador do seu carro, o silício torna tudo possível. O germânio é utilizado em transístores especializados e noutros componentes electrónicos.

Energia

Telúrio é crucial para certos tipos de painéis solares. Os painéis solares de CdTe produzem 75% menos emissões de carbono do que os painéis tradicionais de silício. Entretanto, boro é utilizado em reactores nucleares como escudo de neutrões, ajudando a controlar as reacções com segurança.

Materiais

Antimónio é adicionado a muitos materiais como retardador de chama. Quando a mobília ou o vestuário das crianças é rotulado como "resistente às chamas", pode conter compostos de antimónio. Silício é também utilizado para criar polímeros de silicone que se encontram em tudo, desde utensílios de cozinha a implantes médicos.

Medicina

Boro Os compostos de arsénio são utilizados em anti-sépticos e em tratamentos para a artrite. Historicamente, o arsénio era utilizado em medicamentos, embora a sua utilização atual seja muito limitada devido a preocupações com a toxicidade.

Considerações sobre segurança e ambiente

Embora os metaloides permitam a tecnologia moderna, alguns apresentam sérios problemas de segurança:

Arsénio é particularmente preocupante, com mais de 20 000 mortes por ano devido a águas subterrâneas contaminadas com arsénico, principalmente no Bangladesh e em partes da Índia.

Polónio é extremamente perigoso - apenas um micrograma é uma dose letal para os seres humanos. Ganhou a atenção do público em 2006, quando foi utilizado para envenenar o antigo espião russo Alexander Litvinenko.

Muitos países têm regulamentos rigorosos sobre a utilização destes elementos em produtos de consumo. Por exemplo, o arsénico foi banido da maioria dos produtos de conservação de madeira em ambientes residenciais nos Estados Unidos desde 2003.

Estudos de casos do mundo real

Estudo de caso 1: Silício no chip M1 da Apple

As propriedades semicondutoras do silício revolucionaram a computação. O chip M1 da Apple utiliza a tecnologia de processamento de 5 nanómetros para colocar 16 mil milhões de transístores num chip minúsculo. Esta dopagem avançada do silício (adição de pequenas quantidades de outros elementos) reduz o consumo de energia em 60%, duplicando a velocidade em comparação com as gerações anteriores.

Estudo de caso 2: Telúrio nos painéis da First Solar

A First Solar controla cerca de 50% do mercado solar de película fina com os seus painéis de CdTe. Estes painéis utilizam telúrio para atingir níveis de eficiência de 22%, tornando a energia solar mais acessível. Os painéis da empresa têm uma pegada de carbono mais pequena do que os painéis tradicionais de silício.

Estudo de caso 3: Boro na segurança nuclear

O carboneto de boro é utilizado em barras de controlo em 100% de centrais nucleares comerciais em todo o mundo. A sua capacidade de absorver neutrões torna-o essencial para evitar a fusão em situações de emergência. Durante o desastre de Fukushima em 2011, o boro foi despejado nos reactores para ajudar a parar as reacções nucleares em cadeia.

Tendências futuras na utilização de metaloides

O futuro parece promissor para os metaloides em vários domínios de ponta:

Computação quântica

Tanto o silício como o germânio estão a ser investigados para serem utilizados em bits quânticos ou "qubits". Os pontos quânticos de silício podem constituir a base de futuros computadores quânticos que poderão resolver problemas impossíveis de resolver pelos computadores actuais.

Tecnologia Verde

O telúrio continua a ser importante para a energia solar. Os investigadores estão a trabalhar para aumentar a eficiência dos materiais termoeléctricos que contêm telúrio, o que poderá ajudar a recuperar o calor residual dos processos industriais e dos motores dos veículos.

Avanços médicos

A terapia de captura de neutrões de boro (BNCT) é promissora no tratamento de certos tipos de cancro. Esta técnica utiliza a capacidade do boro de absorver neutrões para atingir especificamente as células cancerígenas, reduzindo potencialmente os efeitos secundários em comparação com a radioterapia tradicional.

Conclusão

Os metalóides são elementos verdadeiramente especiais que fazem a ponte entre os metais e os não-metais. As suas propriedades únicas tornam-nos essenciais para a tecnologia moderna, desde o silício no seu computador até ao boro nos seus utensílios de cozinha resistentes ao calor.

Embora alguns metaloides apresentem desafios de segurança, os seus benefícios transformaram o nosso mundo. À medida que a tecnologia avança, estes elementos versáteis continuarão a desempenhar papéis cruciais na eletrónica, energia, medicina e muito mais.

Da próxima vez que utilizares o teu smartphone ou admirares uma instalação de painéis solares, lembra-te dos metalóides que trabalham nos bastidores para tornar estas tecnologias possíveis!