メタロイド（半金属）は周期表のどこにある？ 明確な概要と代表元素
メタロイド（半金属）とは？
メタロイドとは、金属と非金属の中間的な性質を持つ元素です。半金属とも呼ばれます。周期表では、一般的に階段状の線に沿って配置される緑色で示される元素がメタロイドと見なされます。
アルミニウムがこの線に接していますが、そのすべての性質が金属と類似しているため金属と分類されます。
メタロイドの標準的な定義はなく、どの元素がメタロイドかについて完全な合意はありません。この曖昧さにもかかわらず、化学文献ではこの用語が使用され続けています。
一般的にメタロイドと認識されている6元素は、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルルです。あまり頻繁には分類されない5元素：炭素、アルミニウム、セレン、ポロニウム、アスタチン。
標準的な周期表では、これら11元素すべてが、左上のホウ素から右下のアスタチンまで、pブロックの対角線上の領域に位置します。一部の周期表には金属と非金属の境界線が引かれ、メタロイドはこの線の近くに見つかります。
元素の一部の同素体は、他より顕著に金属的、メタロイド的、非金属的振る舞いを示すことがあります。炭素のダイヤモンド同素体は非金属的ですが、黒鉛同素体は電気伝導性を持ちメタロイド的特性を示します。リン、スズ、セレン、ビスマスも境界線上の振る舞いを示す同素体を持ちます。
メタロイドは金属的外観を持ちますが、ほとんどの化学反応では非金属のように振る舞います。すべてのメタロイドは室温で固体です。金属よりはるかに脆いですが、電気伝導性は金属よりはるかに劣ります。メタロイドが持つハイブリッドな特性は、金属合金、難燃剤、半導体/エレクトロニクスなど幅広い実用用途を提供します。
周期表におけるメタロイドの位置
メタロイドは、金属と非金属の境界線の両側に位置します。この線は一部の周期表で様々な形で見られます。線の左下にある元素は一般に金属的性質が強まり、右上にある元素は非金属的性質が強まります。通常の階段状に提示される場合、各族で最も高い臨界温度を持つ元素（Li, Be, Al, Ge, Sb, Po）が線のすぐ下に位置します。
メタロイドは金属と非金属の間に位置します。周期表上のオレンジ色がメタロイドを表します。これらは金属と非金属の境界を形成します。
言い換えれば、メタロイド（半金属）は後遷移金属の右側、非金属の左側に位置します。また、周期表のpブロックの対角線領域に存在すると言えます。
メタロイドの一般的性質
メタロイドは非金属と金属の間の性質を持ちます。ほとんどのメタロイドは：
- 金属に類似した外観を持つ
- 金属より導電性が低い
- 金属より脆い
- 一般的に非金属的化学的性質を持つ
- 電気陰性度は非金属と金属の中間
- イオン化エネルギーも非金属と金属の中間
- 半金属/メタロイドは非金属と金属の両方の特性を持つ
- 反応性は相互作用する元素の性質に依存
- 優れた半導体になりやすい
- 金属光沢を持つこともあるが、非金属的外観を示す同素体も持つ
- 通常脆く、通常固体、稀な条件下でのみ非固体になる
- 化学反応では通常非金属のように振る舞い、金属と合金を形成できる
まとめると、メタロイドの物理的性質と化学的性質を簡単に見てみましょう。
メタロイドの物理的性質
物理的性質とは、元素の物質を変えず、分子群を物質に変えずに記録・観察できる特性です。凝固点や密度などが含まれます。
メタロイドの物理的性質は以下の通り：
- メタロイドは固体状態
- 一般に金属光沢を持つ。メタロイドは弾性が低く、非常に脆い
- 半導体要素であり、熱の平均的な伝導を許容する
メタロイドの化学的性質
化学的性質とは、物質が他物質とどう相互作用/反応するか、または一物質から別物質へどう変化するかを定義するものです。化学反応のときのみ元素の化学的性質を定量化できます。化学反応には錆び、燃焼、変色、爆発などが含まれます。
メタロイドの化学的性質は以下の通り：
- 酸化時に容易に気体を形成する
- 金属と結合して合金を形成できる
- 異なる金属的・非金属的同素体を持つ
- 融解時に一部は収縮する
- ハロゲンと反応して化合物を形成できる
メタロイドの特徴的性質
- メタロイドは固体
- 金属光沢があり、一般に金属のように見える
- 脆く、容易に砕ける
- 電気を通すが、金属ほどではない
- 化学的には非金属のように振る舞い、アニオンを容易に形成し、多くの酸化数を持ち、共有結合を形成する
- 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値
メタロイドは要素グループ中で圧倒的に最小で、確定的にメタロイドと分類されるのはわずか6元素です。最外殻エネルギー準位に3〜6個の価電子を持つことがあり、これが反応性/化学的振る舞いの駆動力となります。
価電子3個のみのホウ素は、化学反応では電子を放出し金属のように振る舞います。他のメタロイドは4個以上の価電子を持ち、反応で電子を獲得し非金属のように振る舞う傾向があります。
ホウ素から個々のメタロイドの事実を見ていきましょう。
周期表におけるメタロイドの例
1. ホウ素 (Boron)
ホウ素は多くの化合物に取り込まれる多才な元素です。ホウケイ酸ガラスは熱衝撃に極めて強く、ホウケイ酸塩を含む物体の急激な温度変化でも損傷が生じません（他のガラス組成なら割れたり砕けたりします）。
強度が高いため、ホウ素繊維は飛行機、ゴルフクラブ、釣り竿用の軽量高強度材料として使用されます。四硼酸ナトリウムはガラス繊維の断熱材として広く使用され、多くの洗剤とクリーナーにも採用されています。
2. ケイ素 (Silicon)
ケイ素は典型的なメタロイドです。金属のような光沢がありますが、非金属のように脆いです。ケイ素は金属と非金属の中間の電気伝導性を持つため、コンピュータチップやその他のエレクトロニクスに広く使用されます。
強力な半導体であり、高温でより効率的に電気を伝導します。ケイ酸塩と呼ばれるケイ素化合物は地球の地殻のほぼ90%を占め、純粋なケイ素は稀です。しかし小惑星、衛星、宇宙塵には比較的一般的です。ケイ酸塩はセメント、磁器、セラミックス製造に頻繁に使用されます。
21世紀において、ケイ素は半導体エレクトロニクスの発展における重要性を通じて世界経済に莫大な影響を与えてきました。純粋ケイ素は集積回路チップとトランジスタの開発に不可欠で、これらは携帯電話、テレビ、家電など現代電子デバイスの重要コンポーネントです。
3. ゲルマニウム (Germanium)
ゲルマニウムは光沢のある灰白色固体です。密度5.323g/cm³、硬く脆いです。室温ではほぼ非反応的ですが、熱濃硫酸または硝酸でゆっくり攻撃されます。溶融苛性ソーダと反応し、ゲルマン酸ナトリウムNa₂GeO₃と水素ガスを生成。融点938°C。
優れた半導体で、地球上では純粋な元素形態では稀にしか見つかりません。ゲルマニウムは頻繁にダイヤモンド構造で結晶化します。ドミトリ・メンデレーエフによって実際の発見より数年前に存在が予測され、周期的傾向の理解と他のメタロイド・近接元素の知識を用いて多くの性質も予測されました。
ケイ素と同様、ゲルマニウムも現代技術に不可欠ですが、主にメタロイドの従兄弟とは異なる用途で使用されます。ゲルマニウムは赤外線光学、太陽エネルギー、多数の金属合金によく用いられます。
4. ヒ素 (Arsenic)
ヒ素は灰色の金属的外観を持つ固体です。密度5.727g/cm³、脆く、中程度の硬さ（アルミニウムより硬く、鉄より軟らかい）。乾燥空気では安定だが、湿った空気では金色の青銅色パティナを生じ、さらなる暴露で黒化します。
硝酸と濃硫酸で攻撃される。熔融苛性ソーダと反応し、亜ヒ酸ナトリウムNa₃AsO₃と水素ガスを生成。ヒ素は615°Cで昇華。蒸気はレモンイエローでニンニク臭。38.6気圧下でのみ817°Cで融解。
非金属と容易に共有結合を形成。合金、エレクトロニクス、農薬/除草剤への応用があるが、ヒ素の毒性によりこれらの用途は減少傾向。
殺虫剤としての有効性から木材防腐剤として使用されてきた。グループA発癌物質に分類。毒性にもかかわらず、ごく微量のヒ素は人体代謝に必要だが、メカニズムは不明。
5. アンチモン (Antimony)
アンチモンは青みがかった銀白色固体で鮮やかな光沢を持ちます。密度6.697g/cm³、脆く中程度の硬さで電気の不良導体。室温で空気と湿気中で安定。鉛と共に使用すると混合物の硬度と強度を増加。この材料は電子・半導体デバイス製造で重要な役割を果たします。
工業用アンチモンの約半分は電池、弾丸、合金、ケーブル、配管機器の製造に使用。他のメタロイドと同様、高純度アンチモンは半導体技術に使用可能。
自然界ではヒ素の約1/5の豊度で存在。ヒ素と類似の原子構造を持ち、最外殻に3つの半分占有電子殻を持つ。通常共有結合を形成し、硫黄などハロゲンと高反応性で、燃焼時は鮮やかな青色炎を示す。
6. テルル (Tellurium)
テルルは銀白色の光沢ある固体です。密度6.24g/cm³、脆く、一般的に認識されるメタロイド中で最も軟らかく、硫黄よりわずかに硬い程度。大きなテルル塊は空気中で安定。微粉末は湿気存在下で空気酸化される。沸騰水、または新しく沈殿した場合は50°Cでも反応し、二酸化物と水素を生成。
テルルはアンチモンと類似した記述を持つメタロイド。硫黄とセレンと高反応性で、燃焼時は緑青色炎を示す。工業的に鋼添加剤として使用され、アルミニウム、銅、鉛、スズと合金化可能。
アンチモン同様、テルルも他金属を強化できるが、前述の金属に添加すると耐食性も向上させる。また、特に光照射下で強力な半導体として機能。自然界では大部分が石炭中に見られ、微量が一部植物に存在。
7. ポロニウム (Polonium)
ポロニウムはいくつかの点で「明確に金属的」です。両同素体形態が金属伝導体。酸に溶解し、バラ色のPo²⁺陽イオンを形成し水素を置換：Po + 2H⁺ → Po²⁺ + H₂。多くのポロニウム塩が知られる。酸化物PoO₂は主に塩基性。
ポロニウムは最軽族元素酸素とは異なり、消極的酸化剤。水溶液中でPo²⁻アニオン形成には強い還元条件が必要。
延性か脆性か不明確。計算された弾性定数に基づき延性と予測される。単純立方晶構造。この構造は滑り系が少なく「非常に低い延性、ゆえに低い破壊抵抗」を導く。
ハライドにおける非金属的性質とポロナイドの存在により非金属的性質も示す。ハライドは一般に非金属ハライドの特性を持つ。500–1,000°Cで元素を共加熱して得られる多くの金属ポロナイド（Po²⁻アニオン含有）も知られる。
8. アスタチン (Astatine)
ハロゲンとして、アスタチンは非金属に分類される傾向があります。しかし顕著な金属的性質も持ち、メタロイドまたは（稀に）金属として分類されることもあります。1940年の生成直後の初期研究者たちは金属と見なしました。
1949年には「最も貴性（還元困難）な非金属」かつ「比較的貴性（酸化困難）な金属」と呼ばれました。1950年にはハロゲン、ゆえに反応性非金属と記述。2013年、相対論的モデリングに基づき、面心立方結晶構造を持つ単原子金属と予測されました。
複数の著者がアスタチンの一部性質の金属的性質に言及。ヨウ素が面方向で半導体であり、ハロゲンは原子番号増加とともにより金属的になるため、凝縮相を形成できればアスタチンは金属になると推定されてきました。
蒸発エンタルピーが~42kJ/mol超の元素は液体状態で金属的になるため、アスタチンも液体状態で金属的である可能性があります。該当元素にはホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、アンチモン、セレン、テルルが含まれます。
よくある質問 (FAQ)
メタロイドとは？
メタロイドとは、金属と非金属の中間的な性質を持つ元素。半金属とも呼ばれる。周期表では、一般的に階段状の線に沿って配置される黄色で示される元素がメタロイドと見なされる。
周期表でメタロイドはどこ？
メタロイドは金属と非金属の境界線の両側に位置。一部の周期表で様々な形で見られる。線の左下の元素は一般に金属的性質が強まり、右上の元素は非金属的性質が強まる。
8つのメタロイドは？
ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルルが一般的にメタロイドと認識される。著者によりセレン、ポロニウム、アスタチンの1つ以上が追加されることもある。
メタロイドの特徴は？
メタロイドの特徴的性質：
- メタロイドは固体
- 金属光沢があり、一般に金属のように見える
- 脆く、容易に砕ける
- 電気を通すが、金属ほどではない
地球上で最も稀な元素は？
CERNのISOLDE核物理施設を用いた研究チームが、地球上で自然に存在する最も稀な元素アスタチンの電子親和力を初めて測定。
なぜポロニウムはメタロイド？
ポロニウムは周期表上の位置から金属、メタロイド、非金属のいずれにもなり得る。電気伝導度が温度上昇で低下するため金属と分類される。
周期表にいくつのメタロイドがある？
メタロイドはわずか6元素。ケイ素の他にホウ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル。メタロイドは周期表で金属と非金属の間に位置し、性質も金属と非金属の間にある。
メタロイドに関する5つの事実？
メタロイドの事実：
- 地殻で最も豊富なメタロイドはケイ素。全元素中第2位（第1位は酸素）。
- 天然メタロイドで最も稀少なのはテルル。
- メタロイドはエレクトロニクス産業で貴重。
- ヒ素とポロニウムは高毒性メタロイド。
メタロイドの5つの性質？
メタロイドの5つの主要性質
- 金属と非金属の中間的性質
- 物理的外観は金属に類似
- 電気の半導体
- 脆い
- 化学的性質は金属より非金属に類似
メタロイドは良い導体？
ほとんどのメタロイドは金属光沢を持つが、熱と電気の不良導体。
フランシウムは金属？
フランシウム(Fr)、周期表第1族（Ia）の最重元素、アルカリ金属グループ。
ポロニウムはメタロイド？
ホウ素(B)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、ポロニウム(Po)、アスタチン(At)がメタロイドと見なされる。
ホウ素はメタロイド？
ホウ素は記号B、原子番号5の化学元素。メタロイドに分類され、室温で固体。
はい、ホウ素(B)はメタロイドです。金属と非金属両方の特性を持つため。Na, Kなど高陽性金属と反応時は非金属として、Fと反応時(BF₃生成)は金属として振る舞う。
また非金属同様、ホウ素水素化物を形成（NaH/KHのようなイオン性ではなく、CH₄, PH₃のような共有結合性水素化物）。またB³⁺は境界線上の酸の例、B³⁺は「共生」を示す（BF₃は硬い酸、BH₃は柔らかい酸）、この事実もホウ素がメタロイド/半金属であることを示唆。
ケイ素はメタロイド？
炭素とは異なり、ケイ素はメタロイド、実際地球上で最も一般的なメタロイド。「メタロイド」は非金属より電子流/電気をよく通すが、金属ほどではない元素に適用される用語。
ケイ素は一部性質が金属に、一部が非金属に類似するためメタロイドに分類される。例：青灰色の金属光沢を持つが、優れた電気導体ではない。
アルミニウムはメタロイド？
定義の曖昧さにもかかわらず、化学文献では用語が使用され続ける。一般的に認識される6メタロイド：ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル。頻度は低いが分類される5元素：炭素、アルミニウム、セレン、ポロニウム、アスタチン。
アルミニウムは延性と展性を持つ金属。周期表上、金属・非金属・メタロイドを区別する線上に位置するため、いくつかの特異な性質があるもののメタロイドではない。
アスタチン(At)はメタロイド？
ホウ素(B)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)、ポロニウム(Po)、アスタチン(At)がメタロイドと見なされる。メタロイドは非金属と金属の中間で熱と電気を伝導し、一般に酸化物を形成。
さらにKozimor指摘通り、アスタチンは容易な化学的分類を拒む。周期表上ハロゲン族の列に位置するが、ホウ素やケイ素などメタロイドを含む対角線上にも位置する。反応では時にハロゲンのように、時に金属のように振る舞う。
アンチモンSbはメタロイド？
アンチモンは記号Sb、原子番号51の化学元素。メタロイドに分類され、室温で固体。
ゲルマニウムはメタロイド？
ゲルマニウムは炭素とケイ素、またスズと鉛と同じ族。ゲルマニウム自体はメタロイドに分類される。
メタロイドとして、ゲルマニウムは金属と非金属両方の性質を持つ。半導体であり、絶縁体と導体の間の電気伝導性を持つ。この特性がエレクトロニクス利用につながった。
炭素はメタロイド？
炭素は非金属、この族の残り元素は金属。第15族は窒素族。この族のメタロイドはヒ素とアンチモン。第15族には2非金属と1金属も含まれる。
周期表にいくつのメタロイドがある？
メタロイドはわずか6元素。ケイ素の他にホウ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル。メタロイドは周期表で金属と非金属の間に位置し、性質も金属と非金属の間にある。
金属