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メタロイドという言葉は、ラテン語のmetallum（「金属」）とギリシャ語のoeidḗs（「形や外観が似ている」）に由来する。 [ 1 ]しかし、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であるかについての完全な合意もない。明確さに欠けるにもかかわらず、この用語は文献で使用され続けている。
一般的に認識されている6つの半金属元素は、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルルです。炭素、アルミニウム、セレン、ポロニウム、アスタチンの5つの元素は、半金属元素として分類されることは少ないです。標準的な周期表では、11の元素すべてが、左上のホウ素から右下のアスタチンまで伸びるpブロックの対角線上の領域に位置しています。周期表によっては、金属と非金属を区切る境界線があり、半金属元素はこの境界線の近くに位置している場合があります。
典型的な半金属元素は金属的な外観を持ち、脆い場合があり、電気伝導性はそれほど高くありません。金属と合金を形成することができ、その他の多くの物理的性質や化学的性質は、金属元素と非金属元素の中間的な性質を示します。半金属元素とその化合物は、合金、生物剤、触媒、難燃剤、ガラス、光ストレージおよび光電子工学、花火、半導体、電子機器などに利用されています。
メタロイドという用語は元々非金属を指していました。中間的またはハイブリッドな性質を持つ元素のカテゴリーとしてのより新しい意味は、1940年から1960年の間に広く普及しました。メタロイドはセミメタルと呼ばれることもありますが、セミメタルという用語は物質の特定の種類の電子バンド構造としてより一般的に使用されているため、この慣習は推奨されていません[ 2 ] 。この文脈では、ヒ素とアンチモンだけがセミメタルであり、一般的にメタロイドとして認識されています。
半金属とは、金属と非金属の中間の性質を多く持つ、あるいはそれらの混合の性質を持つ元素であり、そのため金属または非金属のどちらにも分類することが難しい。これは、文献で一貫して引用されている半金属の属性に基づいた一般的な定義である。[ n 2 ]分類の難しさが重要な属性である。ほとんどの元素は金属的性質と非金属的性質の混合を持っており、[ 9 ]どちらの性質がより顕著かによって分類することができる。[ 10 ] [ n 3 ]金属的性質または非金属的性質のどちらかが十分に明確に優勢ではない、境界付近の元素のみが半金属として分類される。[ 14 ]
ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルルは一般的に半金属として認識されています。[ 15 ] [ 16 ] [ n4 ]著者によっては、セレン、ポロニウム、アスタチンのいずれか、または複数がリストに追加されることがあります。[ 18 ]ホウ素は単独で、またはケイ素とともに除外されることがあります。[ 19 ]テルルは半金属とはみなされないことがあります。[ 20 ]アンチモン、ポロニウム、アスタチンを半金属として含めることには疑問が呈されています。[ 21 ]
他のいくつかの元素も時折メタロイドに分類される。これらの元素には、 [ 22 ]水素、[ 23 ]ベリリウム、[ 24 ]窒素、[ 25 ]リン、[ 26 ]硫黄、[ 27 ]亜鉛、[ 28 ]ガリウム、[ 29 ]スズ、ヨウ素、[ 30 ]鉛、[ 31 ]ビスマス、[ 20 ] ラドン、[ 32 ]フレロビウム、モスコビウム、リバモリウム、 [ 33 ]テネシン、[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]およびオガネソンが含まれる。[ 34 ] [ 37 ] [ 38 ]しかし、相対論的効果と半減期が短いため、Fl から Og をメタロイドに分類するのは難しい。メタロイドという用語は、ヒ素、アンチモン、バナジウム、クロム、モリブデン、タングステン、スズ、鉛、アルミニウムなどの金属光沢と電気伝導性を示し、両性元素にも使用されてきました。[ 39 ] pブロック金属[ 40 ]や、金属と合金を形成できる非金属（炭素や窒素など）[ 41 ]や、金属の性質を変化させる非金属（ 42 ]も、時折メタロイドとして考えられてきました。
半金属の定義は広く受け入れられておらず、周期表を金属、半金属、非金属に分けることもできません。[ 45 ]ホークス[ 46 ]は、特定の定義を確立することの実現可能性に疑問を呈し、試みられたいくつかの構成には異常が見られると指摘しました。元素を半金属として分類することは、シャープ[ 47 ]によって「恣意的」であると説明されています。
半金属の数と種類は、どの分類基準が使用されるかによって異なります。Emsley [ 48 ]は 4 つの半金属 (ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、テルル) を認識しました。James ら[ 49 ]は 12 種類 (Emsley のものに加えて、ホウ素、炭素、ケイ素、セレン、ビスマス、ポロニウム、モスコビウム、リバモリウム) を挙げました。平均して、このようなリストには 7 つの元素が含まれています。個々の分類の取り決めは、共通点を共有し、曖昧な境界[ 50 ]で変化する傾向があります。[ n 5 ]
電気陰性度などの単一の定量的基準が一般的に使用されており、[ 52 ]半金属の電気陰性度は 1.8 または 1.9 から 2.2 の範囲です。[ 53 ]さらに例としては、充填効率(結晶構造内の体積のうち原子が占める割合) や Goldhammer–Herzfeld 基準比などがあります。 [ 54 ]一般的に認識されている半金属の充填効率は 34% から 41% の間です。[ n 6 ] Goldhammer–Herzfeld 比は、原子半径の 3 乗をモル体積で割った値にほぼ等しく、[ 62 ] [ n 7 ]元素の金属的性質を測る簡単な尺度であり、認識されている半金属の比率は 0.85 から 1.1 程度で、平均は 1.0 です。[ 64 ] [ n8 ] 他の著者らは、例えば原子伝導率[ n9 ] [ 68 ]やバルク配位数[ 69 ]に依拠している。
MastertonとSlowinski [ 70 ]は、一般的にメタロイドとして認識されている6つの元素を説明するために3つの基準を使用しました。メタロイドは、イオン化エネルギーが約200 kcal/mol（837 kJ/mol）で、電気陰性度が2.0に近い値です。また、メタロイドは一般的に半導体ですが、アンチモンとヒ素（物理学的には半金属）は金属に近い電気伝導率を持つとも述べています。セレンとポロニウムはこのスキームに含まれていないと疑われており、アスタチンの位置は不確かです。[ n 10 ]
この文脈において、ヴァーノンは、メタロイドとは、標準状態において、（a）半導体または半金属の電子バンド構造を持ち、（b）中間的な第一イオン化ポテンシャル（例えば750～1,000 kJ/mol）を持ち、（c）中間的な電気陰性度（1.9～2.2）を持つ化学元素であると提唱した。[ 73 ]
半金属は、金属と非金属の境界線の両側に位置します。これは、さまざまな配置で、いくつかの周期表で見つけることができます。境界線の左下にある元素は一般的に金属的性質が増し、右上にある元素は非金属的性質が増します。[ 74 ]規則的な階段状に表示される場合、そのグループで最も高い臨界温度を持つ元素（Li、Be、Al、Ge、Sb、Po）は境界線のすぐ下に位置します。[ 75 ]
半金属の斜めの配置は、類似した性質を持つ元素が垂直グループに現れる傾向があるという観察に対する例外である。[ 76 ]同様の効果は、リチウム-マグネシウム、ベリリウム-アルミニウム、ホウ素-シリコンなど、一部の元素とその右下の隣接元素との間の他の斜めの類似性にも見られる。Rayner-Canham [ 77 ]は、これらの類似性が炭素-リン、窒素-硫黄、および 3 つのd ブロック系列にまで及ぶと主張している。
この例外は、原子核電荷の水平方向と垂直方向の競合する傾向によって生じます。周期に沿って進むと、原子番号とともに原子核電荷は増加し、電子の数も増加します。原子核電荷が増加するにつれて外殻電子に加わる引力は、一般的に電子数の増加による遮蔽効果を上回ります。いくつかの不規則性はあるものの、原子は小さくなり、イオン化エネルギーは増加し、周期に沿って、強い金属的元素から弱い金属的元素、弱い非金属的元素、強い非金属的元素へと性質が徐々に変化します。[ 78 ]主族を下るにつれて、原子核電荷の増加効果は、一般的に、原子核から遠ざかる追加の電子の効果によって相殺されます。原子は一般的に大きくなり、イオン化エネルギーは低下し、金属的性質が増加します。[ 79 ]正味の効果は、族を下るにつれて金属-非金属遷移領域の位置が右にシフトすることであり、[ 76 ]同様の対角線上の類似性は、前述のように周期表の他の箇所でも見られます。[ 80 ]
金属と非金属の境界線に接する元素は必ずしも半金属として分類されるわけではなく、二元分類によって金属と非金属間の結合の種類を決定する規則を確立しやすくなることに留意する必要がある。[ 81 ]このような場合、関係する著者は、問題となっている元素の境界的な性質を気にするのではなく、分類の決定を行うために関心のある1つ以上の属性に焦点を当てている。彼らの考慮は明示されている場合もあれば、そうでない場合もあり、時には恣意的に見えるかもしれない。[ 47 ]半金属は金属とグループ化される場合もあれば、[ 82 ]非金属と見なされる場合もあり、[ 83 ]非金属のサブカテゴリとして扱われる場合もある。 [ 84 ] [ n 11 ]他の著者は、一部の元素を半金属として分類することは、「周期表を横切るか下るにつれて、性質が急激にではなく徐々に変化することを強調する」と提案している。[ 86 ]一部の周期表では、半金属である元素を区別し、金属と非金属の間に正式な境界線を表示していない。メタロイドは、斜めの帯状領域[ 87 ]または拡散領域[ 88 ]に存在すると示されている。重要な考慮事項は、使用されている分類の文脈を説明することである。
半金属は通常、金属のような外観をしていますが、その性質は非金属に大きく似ています。物理的には、光沢があり脆い固体で、中程度から比較的良好な電気伝導性を持ち、半金属または半導体の電子バンド構造を有しています。化学的には、主に（弱い）非金属として振る舞い、中間的なイオン化エネルギーと電気陰性度を持ち、両性酸化物または弱酸性酸化物です。その他の物理的および化学的性質のほとんどは、中間的な性質を示します。
金属、半金属、非金属の特性は表にまとめられています。[ 89 ]物理的性質は測定の容易さの順にリストされ、化学的性質は一般的なものから具体的なもの、そして記述的なものへと続きます。
上記の表は、半金属のハイブリッドな性質を反映している。金属と混合した場合の形状、外観、挙動は金属に近い。弾性や一般的な化学的挙動は非金属に近い。電気伝導性、バンド構造、イオン化エネルギー、電気陰性度、酸化物は両者の中間的な性質を示す。
半金属とその化合物は、合金、生物剤（毒性、栄養、医薬品）、触媒、難燃剤、ガラス（酸化物および金属）、光記憶媒体および光電子工学、花火、半導体、電子機器に使用されている。[ n 17 ]
金属間化合物の歴史の初期に執筆した英国の冶金学者セシル・デッシュは、「特定の非金属元素は金属と明らかに金属的な性質を持つ化合物を形成することができ、したがってこれらの元素は合金の組成に含まれる可能性がある」と述べている。彼は特にシリコン、ヒ素、テルルを合金形成元素と関連付けた。[ 111 ]フィリップスとウィリアムズ[ 112 ]は、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンとB金属の化合物は「おそらく合金として分類するのが最も適切だろう」と示唆した。
軽い半金属の中では、遷移金属との合金がよく見られます。ホウ素は、 n > 2の場合、M n Bの組成の金属間化合物や合金をそのような金属と形成することができます。 [ 113 ]フェロボロン (ホウ素 15%) は鋼にホウ素を導入するために使用され、ニッケル-ホウ素合金は、エンジニアリング産業向けの溶接合金や表面硬化組成物の成分です。シリコンと鉄、シリコンとアルミニウムの合金は、それぞれ鉄鋼産業と自動車産業で広く使用されています。ゲルマニウムは多くの合金を形成し、最も重要なのは貨幣金属との合金です。[ 114 ]
より重い半金属もこのテーマを引き継いでいます。ヒ素は、白金や銅などの金属と合金を形成することができます。[ 115 ]また、銅とその合金に添加して耐食性を向上させます[ 116 ]。マグネシウムに添加した場合も同様の効果があるようです。[ 117 ]アンチモンは、貨幣金属を含む合金形成剤としてよく知られています。その合金には、ピューター（アンチモンを最大20%含む錫合金）とタイプメタル（アンチモンを最大25%含む鉛合金）があります。[ 118 ]テルルは、フェロテルル（テルル50～58%）として鉄と、銅テルル（テルル40～50%）として銅と容易に合金を形成します。[ 119 ]フェロテルルは、鋼の鋳造における炭素の安定剤として使用されます。[ 120 ]メタロイドとして認識されることが少ない非金属元素のうち、セレンはフェロセレン（セレン含有量50～58％）の形でステンレス鋼の被削性を向上させるために使用されています。[ 121 ]
一般的にメタロイドとして認識されている6つの元素はすべて、毒性、食用、または薬用としての特性を持っています。[ 123 ]ヒ素化合物とアンチモン化合物は特に毒性が強く、ホウ素、ケイ素、そしておそらくヒ素は必須微量元素です。ホウ素、ケイ素、ヒ素、アンチモンには医療用途があり、ゲルマニウムとテルルには可能性が秘められていると考えられています。
ホウ素は殺虫剤[ 124 ]や除草剤[ 125 ]に使用されています。必須微量元素でもあります[ 126 ] 。ホウ酸としては、殺菌作用、抗真菌作用、抗ウイルス作用があります[ 127 ] 。
ケイ素は、毒性の強い殺鼠剤であるシラトランに含まれています。[ 128 ]シリカ粉塵を長期間吸入すると、肺の致命的な病気である珪肺症を引き起こします。ケイ素は必須微量元素です。 [ 126 ]シリコーンゲルは、重度の火傷を負った患者に塗布して瘢痕を軽減することができます。[ 129 ]
ゲルマニウム塩は、長期間摂取すると人間や動物に有害となる可能性がある。[ 130 ]ゲルマニウム化合物の薬理作用には関心が寄せられているが、今のところ認可された医薬品はない。[ 131 ]
ヒ素は毒性が強いことで知られており、超微量では必須元素である場合もある。 [ 132 ]第一次世界大戦中、両陣営は「ヒ素をベースとしたくしゃみや嘔吐剤」を用いて、敵兵にガスマスクを 外させ、その後マスタードガスやホスゲンガスを二度目に発射した。[ 133 ]ヒ素は、抗生物質が開発される以前の梅毒の治療など、古代から医薬品として使用されてきた。[ 134 ]ヒ素は、ヒトアフリカトリパノソーマ症または睡眠病の治療に使用される医薬品であるメラルソプロールの成分でもある。2003年には、三酸化ヒ素（商品名トリセノックス）が、血液と骨髄の癌である急性前骨髄球性白血病の治療薬として再導入された。 [ 134 ]肺がんや膀胱がんの原因となる飲料水中のヒ素は、乳がん死亡率の低下と関連付けられています。[ 135 ]
金属アンチモンは比較的毒性が低いが、ほとんどのアンチモン化合物は有毒である。[ 136 ] 2つのアンチモン化合物、スチボグルコン酸ナトリウムとスチボフェンは抗寄生虫薬として使用されている。[ 137 ]
元素テルルは特に毒性があるとは考えられていません。テルル酸ナトリウム2グラムを投与すると致死量になる可能性があります。[ 138 ]空気中のテルルに少量曝露された人は、不快で持続的なニンニクのような臭いを発します。[ 139 ]二酸化テルルは脂漏性皮膚炎の治療に使用されてきました。他のテルル化合物は、抗生物質が開発される前に抗菌剤として使用されていました。 [ 140 ]将来的には、細菌の耐性により効果がなくなった抗生物質の代わりに、このような化合物を使用する必要が生じるかもしれません。[ 141 ]
メタロイドとして認識されることが少ない元素のうち、ベリリウムと鉛は毒性で知られています。ヒ酸鉛は殺虫剤として広く使用されてきました。[ 142 ]硫黄は最も古い殺菌剤および殺虫剤の1つです。リン、硫黄、亜鉛、セレン、ヨウ素は必須栄養素であり、アルミニウム、スズ、鉛はそうである可能性があります。[ 132 ]硫黄、ガリウム、セレン、ヨウ素、ビスマスには医療用途があります。硫黄は、ニキビや尿路感染症などの症状に今でも広く使用されているスルホンアミド薬の成分です。 [ 143 ]硝酸ガリウムは癌の副作用の治療に使用されます。[ 144 ]放射性医薬品であるクエン酸ガリウムは、炎症を起こした身体部位の画像化を容易にします。[ 145 ]硫化セレンは薬用シャンプーや癜風などの皮膚感染症の治療に使用されます。[ 146 ]ヨウ素はさまざまな形で消毒剤として使用されます。ビスマスは一部の抗菌剤の成分です。[ 147 ]
三フッ化ホウ素と三塩化ホウ素は、有機合成や電子機器の均一系触媒として使用されています。三臭化ホウ素は、ジボランの製造に使用されています。[ 148 ]無毒のホウ素配位子は、一部の遷移金属触媒の有毒なリン配位子を置き換えることができます。[ 149 ]シリカ硫酸（SiO2OSO3H ）は、有機反応に使用されます。[ 150 ]二酸化ゲルマニウムは、容器用のPETプラスチックの製造における触媒として使用されることがあります。[ 151 ]食品や飲料のアンチモン汚染の懸念があるにもかかわらず、三酸化アンチモンや三酢酸アンチモンなどの安価なアンチモン化合物が、同じ目的でより一般的に使用されています。[ 152 ]三酸化ヒ素は、亜セレン酸やテルル酸と同様に、二酸化炭素の除去を促進するために天然ガスの製造に使用されてきました。[ 154 ]セレンは一部の微生物において触媒として作用する。[ 155 ]テルル、その二酸化テルル、およびその四塩化テルルは、500 °C を超える炭素の空気酸化の強力な触媒である。[ 156 ]酸化グラファイトは、イミンとその誘導体の合成における触媒として使用できる。[ 157 ]活性炭とアルミナは、天然ガスから硫黄汚染物質を除去するための触媒として使用されてきた。[ 158 ]チタンをドープしたアルミニウムは、工業用化学品の製造に使用される貴金属触媒の代替品として提案されている。 [ 159 ]
ホウ素、ケイ素、ヒ素、アンチモンの化合物は難燃剤として使用されてきました。ホウ素は、ホウ砂の形で、少なくとも18世紀から繊維の難燃剤として使用されてきました。[ 160 ]シリコーン、シラン、シルセスキオキサン、シリカ、ケイ酸塩などのケイ素化合物は、毒性の高いハロゲン化製品の代替品として開発されたものもあり、プラスチック材料の難燃性を大幅に向上させることができます。[ 161 ]亜ヒ酸ナトリウムやヒ酸ナトリウム などのヒ素化合物は、木材の難燃剤として効果的ですが、毒性があるため使用頻度は低くなっています。[ 162 ]三酸化アンチモンは難燃剤です。[ 163 ]水酸化アルミニウムは、1890年代から木質繊維、ゴム、プラスチック、繊維の難燃剤として使用されています。[ 164 ]水酸化アルミニウムを除けば、リン系難燃剤（例えば有機リン化合物）の使用量は、他の主要な難燃剤の種類を上回っている。これらはホウ素、アンチモン、またはハロゲン化炭化水素化合物を使用している。[ 165 ]
酸化物B 2 O 3、SiO 2、GeO 2、As 2 O 3、およびSb 2 O 3は容易にガラスを形成します。TeO 2 はガラスを形成しますが、これには「英雄的な急冷速度」[ 166 ]または不純物の添加が必要です。そうでない場合は結晶形になります。[ 166 ]これらの化合物は、化学、家庭用、および工業用ガラス器具[ 167 ]および光学[ 168 ] に使用されます。三酸化ホウ素はガラス繊維添加剤として使用され[ 169 ]、また、熱膨張率が低いため実験用ガラス器具や家庭用オーブンウェアに広く使用されているホウケイ酸ガラスの成分でもあります。 [ 170 ]ほとんどの一般的なガラス器具は二酸化ケイ素から作られています。[ 171 ]二酸化ゲルマニウムは、ガラス繊維添加剤として、また赤外線光学システムにも使用されます。[ 172 ]三酸化ヒ素はガラス産業で脱色剤および清澄剤（気泡除去用）として使用され、[ 173 ]三酸化アンチモンも同様である。[ 174 ]二酸化テルルはレーザーおよび非線形光学に応用されている。[ 175 ]
非晶質金属ガラスは、一般的に、構成成分の 1 つがホウ素、炭素、ケイ素、リン、ゲルマニウムなどのメタロイドまたは「準メタロイド」である場合に最も容易に作製できます。[ 176 ] [ n 18 ]極低温で堆積された薄膜を除けば、最初に知られている金属ガラスは、1960 年に報告された組成 Au 75 Si 25の合金でした。 [ 178 ]これまで見られなかった強度と靭性を持つ、組成 Pd 82.5 P 6 Si 9.5 Ge 2の金属ガラスが2011 年に報告されました。[ 179 ]
リン、セレン、鉛は、あまりメタロイドとして認識されていないが、ガラスにも使用されている。リン酸ガラスは、従来のケイ酸塩ガラスのシリカ（ SiO₂ ）ではなく、五酸化リン（ P₂O₅ ）を基材としている。例えば、ナトリウムランプの製造に使用されている。[ 180 ]セレン化合物は、脱色剤としても、ガラスに赤色を付ける剤としても使用できる。[ 181 ]伝統的な鉛ガラスで作られた装飾用ガラス製品には、少なくとも30%の酸化鉛（II）（PbO）が含まれている。放射線遮蔽に使用される鉛ガラスには、最大65%のPbOが含まれている場合がある。[ 182 ]鉛系ガラスは、電子部品、エナメル、シーリング材、グレージング材、太陽電池にも広く使用されている。ビスマス系酸化物ガラスは、これらの用途の多くにおいて、鉛の毒性の低い代替品として登場している。[ 183 ]
相変化材料の例として、組成が異なるGeSbTe（「GST合金」）とAgおよびInをドープしたSb2Te （ 「AIST合金」）は、書き換え可能な光ディスクや相変化メモリデバイスに広く使用されています。熱を加えることで、非晶質（ガラス状）状態と結晶状態を切り替えることができます。光学的および電気的特性の変化は、情報記憶の目的で使用できます。[ 184 ] GeSbTeの将来の用途には、「ナノメートルスケールのピクセルを備えた超高速の完全固体ディスプレイ、半透明の「スマート」グラス、「スマート」コンタクトレンズ、人工網膜デバイス」などが含まれる可能性があります。[ 185 ]
認識されている半金属は、火工品用途または関連する特性のいずれかを有しています。ホウ素とケイ素はよく見られます。[ 187 ]これらは金属燃料のように作用します。[ 188 ]ホウ素は、火工品の点火開始剤組成物（他の着火しにくい組成物を点火するため）や、一定速度で燃焼する遅延組成物に使用されます。 [ 189 ]炭化ホウ素は、発煙弾、信号弾、花火において、より毒性の高いバリウムまたはヘキサクロロエタン混合物の代替品として特定されています。 [ 190 ]ケイ素は、ホウ素と同様に、点火開始剤および遅延剤混合物の成分です。[ 189 ]ドープされたゲルマニウムは、可変速度テルミット燃料として作用することができます。[ n 19 ]三硫化ヒ素As 2 S 3は、古い海軍信号灯、花火で白い星を作るために使用されました。 [ 192 ]黄色の煙幕混合物、および点火開始剤組成物にも使用されました。[ 193 ]三硫化アンチモンSb 2 S 3は、白色光花火や閃光・音響混合物に含まれています。[ 194 ]テルルは、遅延混合物や雷管起爆剤組成物に使用されています。[ 195 ]
炭素、アルミニウム、リン、セレンもこのテーマを引き継いでいます。黒色火薬に含まれる炭素は、花火のロケット推進剤、爆発薬、効果混合物、軍用遅延信管および点火装置の構成要素です。[ 196 ] [ n 20 ]アルミニウムは一般的な火工品の成分であり、[ 187 ]テルミット混合物を含め、光と熱を発生させる能力のために広く使用されています。 [ 198 ] [ 199 ]リンは、発煙弾や焼夷弾、おもちゃの銃に使用される紙製のキャップ、パーティーポッパーに見られます。[ 200 ]セレンはテルルと同様の方法で使用されてきました。[ 195 ]
一般的に半金属（またはその化合物）として認識されているすべての元素は、半導体または固体電子産業で使用されています。[ 201 ]
ホウ素のいくつかの特性により、半導体としての利用が制限されている。融点が高く、単結晶を得るのが比較的難しく、制御された不純物を導入して保持することが困難である。[ 202 ]
シリコンは主要な商用半導体であり、現代の電子機器（標準的な太陽電池を含む）[ 203 ]や情報通信技術[ 204 ]の基盤を形成している。これは、20世紀初頭には半導体の研究が「汚れの物理学」と見なされ、綿密な注意を払うに値しないと考えられていたにもかかわらずである。[ 205 ]
半導体デバイスでは、ゲルマニウムはシリコンにほぼ置き換えられており、シリコンの方が安価で、動作温度が高いほど耐性があり、マイクロエレクトロニクス製造プロセスでの加工も容易である。[ 110 ]ゲルマニウムは依然として半導体シリコンゲルマニウム「合金」の構成要素であり、特に無線通信デバイスでその使用が増加している。このような合金はゲルマニウムの高いキャリア移動度を利用している。[ 110 ]グラムスケールの半導体ゲルマナンの合成が2013年に報告された。これは、グラファンに類似した、水素終端ゲルマニウム原子の1原子厚のシートで構成されている。シリコンよりも10倍以上、ゲルマニウムよりも5倍速く電子を伝導し、光電子およびセンシング用途の可能性を秘めていると考えられている。[ 206 ] 2014年に、リチウムイオン電池の容量を2倍以上にするゲルマニウム線ベースのアノードの開発が報告された。 [ 207 ]同年、Leeらは、電子用途に十分な大きさの欠陥のないグラフェン結晶をゲルマニウム基板上に成長させ、そこから取り外すことができると報告した。[ 208 ]
ヒ素とアンチモンは、標準状態では半導体ではありません。どちらも、原子あたりの平均価電子数が第14族元素と同じであるIII-V族半導体（GaAs、AlSb 、GaInAsSbなど）を形成しますが、直接バンドギャップを持ちます。これらの化合物は光学用途に好まれます。[ 209 ]アンチモンナノ結晶は、リチウムイオン電池をより強力なナトリウムイオン電池に置き換えることを可能にするかもしれません。[ 210 ]
標準状態では半導体であるテルルは、主にII/VI族半導体カルコゲナイドの構成要素として使用され、これらは電気光学や電子機器に応用されています。[ 211 ]テルル化カドミウム（CdTe）は、高い変換効率、低い製造コスト、および1.44 eVの大きなバンドギャップにより、幅広い波長を吸収できるため、太陽電池モジュールに使用されています。[ 203 ]セレンとアンチモンを合金化したテルル化ビスマス（Bi 2 Te 3 ）は、冷蔵や携帯型発電に使用される熱電デバイスの構成要素です。 [ 212 ]
携帯電話には、ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモンの 5 つの半金属元素が含まれています (少なくとも他の 39 種類の金属および非金属元素とともに)。[ 213 ]テルルも同様の用途が見込まれています。[ 214 ]あまり知られていない半金属元素のうち、リン、ガリウム (特に)、セレンは半導体用途があります。リンは、n 型半導体のドーパントとして微量に使用されます。[ 215 ]ガリウム化合物の商業的用途は、集積回路、携帯電話、レーザーダイオード、発光ダイオード、光検出器、太陽電池などの半導体用途が中心です。[ 216 ]セレンは、太陽電池の製造[ 217 ]および高エネルギーサージプロテクタに使用されます。[ 218 ]
ホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、アンチモン、テルル[ 219 ]、およびSm、Hg、Tl、Pb、Bi、Seなどのより重い金属や半金属[ 220 ]は、トポロジカル絶縁体に見られます。これらは合金[ 221 ]または化合物であり、極低温または室温（組成によって異なります）では、表面は金属導体ですが、内部は絶縁体です[ 222 ] 。ヒ化カドミウムCd3As2は、約1Kでディラック半金属（グラフェンのバルク電子アナログ）であり、電子は実質的に質量のない粒子として移動します[223]。これら2種類の材料は、量子コンピューティングへの応用が期待されています[ 224 ] 。
いくつかの名称は同義語として使われることがありますが、これらの中には必ずしも互換性のない他の意味を持つものもあります。両性元素[ 225 ] 、境界元素[ 226 ] 、中間元素[ 227 ]、金属近傍[ 228 ]、メタ金属[ 229 ]、半導体[ 230 ] 、半金属[ 231 ]、およびサブメタル[ 232 ]。 「両性元素」は、クロムやマンガンなどのオキシアニオンを形成できる遷移金属を含むように、より広く使われることがあります。[ 233 ]「メタ金属」は、標準周期表で半金属のすぐ左に位置する特定の金属（ Be、Zn、Cd、Hg、In、Tl、β-Sn、Pb ）を指すために代わりに使われることがあります。 [ 234 ]これらの金属は、結晶構造が歪んでおり、電気伝導率が金属のそれよりも低い値を示し、両性（弱塩基性）酸化物である傾向がある。[ 235 ]両性元素や半導体という名称は問題があり、メタロイドと呼ばれる元素の中には、最も安定な形態で顕著な両性挙動（例えばビスマス）[ 236 ]や半導体性（ポロニウム）[ 237 ]を示さないものがある。
メタロイドという用語の起源と使用法は複雑である。この名称は19世紀初頭にイェンス・ベルセリウスによって普及したが、彼は現在の意味では使用せず、むしろ多様な非金属元素のグループに対して使用した。 [ 238 ] 1864年に出版されたジェームズ・アプジョンの「メタロイドマニュアル」では、すべての元素が金属またはメタロイドに分類された。[ 239 ] : 31 20世紀半ば以降、中間または境界的な化学元素を指すために使用されている。[ 240 ]国際純正・応用化学連合（IUPAC）は以前、メタロイドという用語の使用を廃止し、代わりにセミメタルという用語の使用を提案した。[ 241 ]この提案にもかかわらず、1970年から2010年にかけて文献ではメタロイドという用語の使用が増加し、セミメタルはあまり普及しなかった。[ 238 ]セミメタルという用語の使用は、最近ではアトキンスらによって推奨されていない。[ 2 ]元素の全体的な分類ではなく、物質の電子バンド構造を指すより一般的な意味を持つため。命名法と用語に関する最新の IUPAC 出版物には、メタロイドまたはセミメタルという用語の使用に関する推奨事項は含まれていません。[ 242 ]
純粋なホウ素は、光沢のある銀灰色の結晶性固体です。[ 244 ]アルミニウムよりも密度が低く（2.34 g/cm³ 対 2.70 g/cm³ ）、硬くて脆いです。フッ素による攻撃を除いて、通常の条件下ではほとんど反応しません。[ 245 ]融点は2076 ° C です（鋼鉄は約 1370 °C と比較）。[ 246 ]ホウ素は半導体です。[ 247 ]室温での電気伝導率は 1.5 × 10⁻⁶ S・cm⁻¹ です（水道水の約 200 分の 1）[248]バンドギャップは約 1.56 eV です。[ 250 ] [ n 21 ]メンデレーエフは、「ホウ素は、金属と非金属の中間のいくつかの形態で自由状態で存在する」と述べています。[ 252 ]
ホウ素の構造化学は、その小さな原子サイズと比較的高いイオン化エネルギーによって支配されています。ホウ素原子1個あたり価電子が3個しかないため、単純な共有結合ではオクテット則を満たすことができません。[ 253 ]金属結合は、より重い同族元素の間では一般的な結果ですが、これは一般的に低いイオン化エネルギーを必要とします。[ 254 ]その代わりに、その小さなサイズと高いイオン化エネルギーのため、ホウ素（およびそのほぼすべての同素体） [ n 22 ]の基本構造単位は、正二十面体 B 12クラスターです。12 個のホウ素原子に関連する 36 個の電子のうち、26 個は 13 個の非局在化分子軌道に存在し、残りの 10 個の電子は、正二十面体間の 2 中心および 3 中心の共有結合を形成するために使用されます。[ 256 ]同じモチーフは、デルタ面体変形体や断片と同様に、金属ホウ化物や水素化物誘導体、および一部のハロゲン化物にも見られる。[ 257 ]
ホウ素の結合は、金属と非金属共有結合ネットワーク固体（ダイヤモンドなど）の中間的な挙動を示す特徴であると説明されている。[ 258 ] B、C、N、Si、Pを非金属状態から金属状態に変化させるのに必要なエネルギーは、それぞれ30、100、240、33、50 kJ/molと推定されている。これは、ホウ素が金属-非金属境界に近いことを示している。[ 259 ]
ホウ素の化学のほとんどは非金属的な性質を持つ。[ 259 ]より重い同族元素とは異なり、単純な B 3+または水和した [B(H 2 O) 4 ] 3+カチオンを形成することは知られていない。[ 260 ]ホウ素原子のサイズが小さいため、多くの格子間合金型ホウ化物を調製することができる。 [ 261 ]ホウ素と遷移金属との類似性は、錯体の形成、[ 262 ]および付加物（例えば、BH 3 + CO →BH 3 CO、同様に Fe(CO) 4 + CO →Fe(CO) 5）[ n 23 ]だけでなく、[B 6 H 6 ] 2−や [Ru 6 (CO) 18 ] 2−などのクラスター種の幾何学的および電子的構造にも見られる。[ 264 ] [ n 24 ]ホウ素の水溶液化学は、さまざまなポリホウ酸アニオンの形成によって特徴付けられます。[ 266 ]ホウ素は電荷対サイズ比が高いため、ほぼすべての化合物で共有結合します。[ 267 ]例外はホウ化物で、これらは組成に応じて、共有結合、イオン結合、および金属結合成分を含みます。[ 268 ] [ n 25 ]塩化ホウ素などの単純な二元化合物は、3 つの共有結合の形成により、ルイス塩基から供与された電子対で埋めることができるオクテットに穴が残るため、ルイス酸です。[ 253 ]ホウ素は酸素に対して強い親和性があり、それに伴いホウ酸塩化学も広範囲にわたります。[ 261 ]酸化物B₂O₃はポリマー構造であり、 [ 271 ]弱酸性であり、[ 272 ] [ n 26 ]ガラス形成物質である。[ 278 ]ホウ素の有機金属化合物[ n 27 ]は19世紀から知られている（有機ホウ素化学を）。 [ 280 ]
シリコンは青灰色の金属光沢を持つ結晶性固体です。[ 281 ]ホウ素と同様に、アルミニウムよりも密度が低く（2.33 g/cm 3 ）、硬くて脆いです。 [ 282 ]比較的反応性の低い元素です。[ 281 ]ロホウによれば、[ 283 ]塊状の結晶形（特に純粋な場合）は「フッ化水素酸を含むすべての酸に対して著しく不活性」です。[ n 28 ]純度の低いシリコンや粉末状のシリコンは、強酸や加熱された酸、水蒸気やフッ素による攻撃に対して、それぞれ異なる感受性を示します。[ 287 ]シリコンは、ベリリウム、アルミニウム、亜鉛、ガリウム、インジウムなどの金属と同様に、水素を発生しながら高温のアルカリ水溶液に溶解します。[ 288 ] [ 289 ]融点は1414 ℃です。シリコンは、10 −4 S•cm −1 [ 290 ]の電気伝導率と約 1.11 eVのバンドギャップを持つ半導体です。 [ 284 ]融解すると、シリコンは、液体水銀[ 292 ]と同様の1.0–1.3 × 10 4 S•cm −1の電気伝導率を持つ、適度な金属になります[ 291 ] 。
シリコンの化学は一般的に非金属（共有結合）の性質を持つ。[ 293 ]陽イオンを形成することは知られていない。[ 294 ] [ n 29 ]シリコンは鉄や銅などの金属と合金を形成することができる。[ 295 ]通常の非金属よりも陰イオン挙動を示す傾向が少ない。[ 296 ]その溶液化学はオキシアニオンの形成によって特徴付けられる。[ 297 ]シリコン-酸素結合の強さがシリコンの化学的挙動を支配している。[ 298 ]酸素原子を共有する四面体SiO4ユニットによって構築されるポリマーケイ酸塩は、シリコンの最も豊富で重要な化合物である。[ 299 ]連結した三角形および四面体BO3またはBO4ユニットからなるポリマーホウ酸塩は、同様の構造原理に基づいて構築されている。[ 300 ]酸化物 SiO 2はポリマー構造で、[ 271 ]弱酸性で、[ 301 ] [ n 30 ]ガラス形成物質です。[ 278 ]伝統的な有機金属化学には、ケイ素の炭素化合物が含まれます (有機ケイ素を参照)。[ 305 ]
ゲルマニウムは光沢のある灰白色の固体です。[ 306 ]密度は5.323 g/cm 3で、硬くて脆いです。[ 307 ]室温ではほとんど反応しませんが[ n 31 ] 、高温の濃硫酸または硝酸によってゆっくりと侵されます。[ 309 ]ゲルマニウムは溶融苛性ソーダとも反応してゲルマニウム酸ナトリウムNa 2 GeO 3と水素ガスを生成します。 [ 310 ]融点は938 °Cです。ゲルマニウムは半導体で、電気伝導率は約2 × 10 −2 S•cm −1 [ 309 ]、バンドギャップは0.67 eVです。[ 311 ]液体ゲルマニウムは金属導体で、電気伝導率は液体水銀と似ています。[ 312 ]
ゲルマニウムの化学のほとんどは非金属の特徴を示している。[ 313 ]いくつかの特殊な化合物にGe2 +イオンが存在することが報告されている以外は、ゲルマニウムが陽イオンを形成するかどうかは不明である。 [ n32 ]アルミニウムや金などの金属と合金を形成することができる。[ 326 ]通常の非金属よりも陰イオン挙動を示す傾向が少ない。[ 296 ]その溶液化学は、オキシアニオンの形成によって特徴づけられる。[ 297 ]ゲルマニウムは一般的に4価（IV）化合物を形成するが、より不安定な2価（II）化合物も形成することができ、その場合、ゲルマニウムは金属のように振る舞う。[ 327 ]主要なタイプのケイ酸塩のゲルマニウム類似体が調製されている。[ 328 ]ゲルマニウムの金属的性質は、さまざまなオキソ酸塩の形成によっても示唆される。リン酸塩 [(HPO 4 ) 2 Ge·H 2 O] と非常に安定なトリフルオロ酢酸塩 Ge(OCOCF 3 ) 4が報告されており、Ge 2 (SO 4 ) 2、Ge(ClO 4 ) 4および GeH 2 (C 2 O 4 ) 3も同様である。[ 329 ]酸化物 GeO 2はポリマー状で、[ 271 ]両性で、[ 330 ]ガラス形成性である。[ 278 ]二酸化ゲルマニウムは酸性溶液に溶解し (一酸化ゲルマニウム GeO はさらに溶解しやすい)、この性質はゲルマニウムを金属として分類するために用いられることがある。[ 331 ] 1930 年代まではゲルマニウムは導電性の低い金属と考えられていたが、[ 332 ]後世の著者によって時折金属として分類されている。[ 333 ]一般的にメタロイドとして認識されているすべての元素と同様に、ゲルマニウムには確立された有機金属化学がある（有機ゲルマニウム化学を参照）。[ 334 ]
ヒ素は灰色で金属光沢のある固体です。密度は 5.727 g/cm 3で脆く、中程度の硬さです (アルミニウムより硬く、鉄より硬くない)。[ 335 ]乾燥した空気中では安定していますが、湿った空気中では金色のブロンズ色の緑青を生じ、さらにさらされると黒くなります。ヒ素は硝酸と濃硫酸によって侵されます。溶融した苛性ソーダと反応してヒ酸塩 Na 3 AsO 3と水素ガスを生成します。[ 336 ]ヒ素は615 °C で昇華します 。蒸気はレモンイエローで、ニンニクのような臭いがします。[ 337 ]ヒ素は817 °C、 38.6 atmの圧力下でのみ融解します 。[ 338 ]約 3.9 × 10 4 S•cm −1 [ 339 ] の電気伝導率と 0.5 eVのバンド重なりを持つ半金属です。 [ 340 ] [ n 33 ]液体ヒ素は 0.15 eV のバンドギャップを持つ半導体です 。[ 342 ]
ヒ素の化学は主に非金属的である。[ 343 ]ヒ素が陽イオンを形成するかどうかは不明である。[ n 34 ]その多くの金属合金は、ほとんどが脆い。[ 351 ]通常の非金属よりも陰イオン挙動を示す傾向が少ない。[ 296 ]その溶液化学は、オキシアニオンの形成によって特徴付けられる。[ 297 ]ヒ素は一般的に、+3 または +5 の酸化状態を持つ化合物を形成する。[ 352 ]ハロゲン化物、酸化物、およびそれらの誘導体は、その例である。[ 299 ]三価の状態では、ヒ素は初期的な金属的性質を示す。[ 353 ]ハロゲン化物は水によって加水分解されるが、これらの反応、特に塩化物の反応は、ハロゲン化水素酸を加えることで可逆的である。[ 354 ]この酸化物は酸性ですが、後述するように（弱く）両性です。より不安定な高位の五価状態は、強い酸性（非金属）特性を示します。[ 355 ]リンと比較して、ヒ素のより強い金属的性質は、AsPO 4、As 2 (SO 4 ) 3 [ n 35 ]、および酢酸ヒ素 As(CH 3 COO) 3などのオキソ酸塩の形成によって示されます。[ 358 ]酸化物 As 2 O 3はポリマーであり、[ 271 ]両性であり、[ 359 ] [ n 36 ]ガラス形成物質です。[ 278 ]ヒ素は広範な有機金属化学を有しています（有機ヒ素化学を参照）。[ 362 ]
アンチモンは、青みがかった銀白色の固体で、鮮やかな光沢があります。[ 336 ]密度は 6.697 g/cm 3で、脆く、中程度の硬さです (ヒ素より硬く、鉄より硬く、銅とほぼ同じ)。[ 335 ]室温では空気と湿気に対して安定です。濃硝酸によって侵食され、水和五酸化物 Sb 2 O 5を生成します。王水によって五塩化物 SbCl 5が生成され、熱濃硫酸によって硫酸塩Sb 2 (SO 4 ) 3が生成されます。[ 363 ]溶融アルカリの影響を受けません。[ 364 ]アンチモンは加熱すると水から水素を置換することができます。2 Sb + 3 H 2 O → Sb 2 O 3 + 3 H 2。[ 365 ] 631 °C で融解します 。アンチモンは、約 3.1 × 10 4 S•cm −1 [ 366 ]の電気伝導率と 0.16 eV のバンド重なりを持つ半金属です 。[ 340 ] [ n 37 ]液体アンチモンは、約 5.3 × 10 4 S•cm −1の電気伝導率を持つ金属導体です。[ 368 ]
アンチモンの化学のほとんどは非金属の特徴である。[ 369 ]アンチモンには明確な陽イオン化学があり、[ 370 ]酸性水溶液中にSbO +とSb(OH) 2+が存在する。 [ 371 ] [ n38 ]ホモポリ陽イオンSb82+を含む化合物Sb8(GaCl4)2は2004年に合成された。 [ 373 ]アルミニウム、 [ 374 ]鉄、ニッケル、銅、亜鉛、スズ、鉛、ビスマスなどの1つ以上の金属と合金を形成することができる。 [ 375 ]アンチモンは、通常の非金属よりも陰イオン挙動を示す傾向が少ない。[ 296 ]その溶液化学は、オキシアニオンの形成によって特徴付けられる。[ 297 ]ヒ素と同様に、アンチモンは一般的に+3または+5の酸化状態を持つ化合物を形成する。[ 352 ]ハロゲン化物、酸化物、およびそれらの誘導体は、その例である。[ 299 ] +5の状態は+3よりも不安定であるが、ヒ素の場合よりも比較的容易に達成できる。これは、ヒ素原子核が3d 10電子によって遮蔽される効果が低いことによって説明される。これに対し、アンチモン（より重い原子）はより容易に酸化される傾向があるため、 4d 10殻の影響を部分的に相殺する。[ 376 ]三価アンチモンは両性であり、五価アンチモンは（主に）酸性である。[ 377 ]第15族元素では金属的性質が増加する傾向と一致して、アンチモンは酢酸塩Sb(CH₃CO₂ ) ₃ 、リン酸塩SbPO₄ 、硫酸塩Sb₂ (SO₄ ) ₃ 、過塩素酸塩Sb(ClO₄ ) ₃などの塩を形成する。[ 378 ]通常は酸性である五酸化物Sb₂O₅は、非常に酸性の溶液に溶解し、オキシカチオンを生成するという点で、ある程度の塩基性（金属的）挙動を示す。SbO + 2。[ 379 ]酸化物 Sb 2 O 3はポリマー状で、[ 271 ]両性であり、[ 380 ]ガラス形成物質です。[ 278 ]アンチモンは広範な有機金属化学を有しています (有機アンチモン化学を参照)。[ 381 ]
テルルは銀白色の光沢のある固体です。[ 383 ]密度は6.24 g/cm³で、脆く、一般的に認識されている半金属の中で最も柔らかく、硫黄よりわずかに硬いです。[ 335 ]テルルの大きな塊は空気中で安定しています。微粉末状のものは、水分が存在すると空気によって酸化されます。テルルは沸騰水と反応するか、または新たに沈殿した状態でも50 ℃で反応して、二酸化水素と水素を生成します。Te + 2 H 2 O → TeO 2 + 2 H 2。[ 384 ]硝酸、硫酸、塩酸と（程度は様々だが）反応して、スルホキシドTeSO 3やテルル酸H 2 TeO 3などの化合物、[ 385 ]塩基性硝酸塩 (Te 2 O 4 H) + (NO 3 ) −、[ 386 ]または酸化物硫酸塩 Te 2 O 3 (SO 4 ) を生成する。[ 387 ]沸騰アルカリに溶解してテルル酸塩とテルル化物を生成する。3 Te + 6 KOH = K 2 TeO 3 + 2 K 2 Te + 3 H 2 O、この反応は温度の上昇または下降に伴って進行または可逆的である。[ 388 ]
高温ではテルルは十分に可塑性があり、押し出すことができる。[ 389 ]融点は449.51 ℃である。結晶テルルは平行な無限らせん鎖からなる構造を持つ。鎖内の隣接する原子間の結合は共有結合であるが、異なる鎖の隣接する原子間には弱い金属的相互作用の証拠がある。[ 390 ]テルルは半導体であり、電気伝導率は約1.0 S・cm⁻¹ [ 391 ] 、バンドギャップは0.32～0.38 eVである。[ 392 ]液体テルルは半導体であり、融解時の電気伝導率は約1.9 × 10³ S・cm⁻¹である。[ 392 ]過熱された液体テルルは金属導体である。[ 393 ]
テルルの化学のほとんどは非金属の特徴である。[ 394 ] テルルはいくらか陽イオン的な挙動を示す。二酸化テルルは酸に溶解してトリヒドロキソテルル(IV) Te(OH) 3+イオンを生成する。[ 395 ] [ n 39 ]テルルがそれぞれフッ化硫酸(HSO3F )または液体二酸化硫黄(SO2 )で酸化されると、赤色の Te42 +イオンと黄橙色の Te62 +イオンが生成される。 [ 398 ]テルルはアルミニウム、銀、およびスズと合金を形成することができる。 [399]テルルは、通常の非金属よりも陰イオン的な挙動を示す傾向が少ない。[ 296 ]テルルの溶液化学は、オキシアニオンの形成によって特徴付けられる。[ 297 ]テルルは一般的に、 −2、+4、または +6 の酸化状態を持つ化合物を形成する。+4の状態が最も安定である。[ 384 ]組成 X x Te yのテルル化物は、他のほとんどの元素と容易に形成され、最も一般的なテルル鉱物です。非化学量論性は、特に遷移金属で広く見られます。多くのテルル化物は金属合金とみなすことができます。[ 400 ]より軽いカルコゲンと比較してテルルに見られる金属的性質の増加は、塩基性セレン酸塩 2TeO 2 ·SeO 3 や類似の過塩素酸塩および過ヨウ素酸塩2TeO 2 ·HXO 4などのさまざまな他のオキソ酸塩の形成が報告されていることにも反映されています。[ 401 ]テルルはポリマー、[ 271 ]両性、[ 380 ]ガラス形成酸化物[ 278 ] TeO 2を形成します。これは「条件付き」ガラス形成酸化物であり、ごく少量の添加物でガラスを形成します。[ 278 ]テルルは広範な有機金属化学を有しています（有機テルル化学を参照）。[ 402 ]
炭素は通常非金属に分類されますが[ 404 ]、金属的な性質も持ち、時折メタロイドに分類されます[ 405 ] 。六方晶グラファイト炭素（グラファイト）は、常温常圧下で最も熱力学的に安定な炭素の同素体です[ 406 ] 。光沢のある外観を持ち[ 407 ]、かなり優れた電気伝導体です[ 408 ] 。グラファイトは層状構造をしています。各層は、六角形の格子状に配置された他の3つの炭素原子と結合した炭素原子で構成されています。これらの層は、ファンデルワールス力と非局在化した価電子によって緩やかに結合して積み重なっています[ 409 ]。
グラファイトの電気伝導率は、その面と平行な方向では高く（25 °C で 30 kS/cm）、温度の上昇とともに低下し、その方向では半金属的挙動を示します。面に垂直な方向では、グラファイトは半導体として振る舞います。伝導率は低い（5 S/cm）ですが、温度の上昇とともに増加します。[ 410 ] [ n 40 ]グラファイトを含む炭素の同素体は、置換、挿入、またはドーピングによって、異種の原子または化合物を構造内に受け入れることができます。結果として得られる材料は、「炭素合金」と呼ばれることがあります。[ 414 ]炭素は、硫酸水素塩、過塩素酸塩、硝酸塩などのイオン塩を形成できます（C + 24 X − .2HX、ここで X = HSO 4、ClO 4 ; C + 24 NO – 3 .3HNO 3）。[ 415 ] [ n 41 ]有機化学では、炭素は炭素原子上に正電荷を持つ複雑なカチオン（カルボカチオンと呼ばれる）を形成することができ、例としてはCH + 3やCH + 5、およびそれらの誘導体がある。[ 416 ]
グラファイトは確立された固体潤滑剤であり、その面に対して垂直な方向では半導体として振る舞います。[ 410 ]その化学のほとんどは非金属です。[ 417 ]比較的高いイオン化エネルギーを持ち[ 418 ]、ほとんどの金属と比較して比較的高い電気陰性度を持っています。 [ 419 ]炭素は、主族1～ 3族の金属、およびランタニドとアクチニドとの化合物で、C4−（メタニド）、C2−2 （アセチリド）、C3−4 （セスキカルバイドまたはアリルニド）などの陰イオンを形成することができます。[ 420 ]その酸化物CO2は炭酸H2CO3を形成します。[ 421 ] [ n 42 ]
アルミニウムは通常、金属に分類されます。[ 424 ]光沢があり、展延性があり、電気伝導率と熱伝導率が高いです。ほとんどの金属と同様に、密に詰まった結晶構造を持ち、[ 425 ] 水溶液中では陽イオンを形成します。[ 426 ]
アルミニウムには金属としては珍しい性質がいくつかあり、それらを総合すると[ 427 ]、アルミニウムを半金属に分類する根拠として用いられることがある。[ 428 ]アルミニウムの結晶構造には方向性結合の証拠がいくつか見られる。[ 429 ]アルミニウムはほとんどの化合物で共有結合する。[ 430 ]酸化物Al2O3は両性物質であり[ 431 ]、条件付きガラス形成物質である。[ 278 ]アルミニウムは陰イオンアルミン酸塩を形成することができ、[ 427 ]このような挙動は非金属的性質を持つと考えられている。[ 74 ]
アルミニウムを半金属に分類することには、その多くの金属的性質を考慮すると異論がある[ 432 ]。したがって、金属と非金属の境界線に隣接する元素は半金属であるという覚え方の例外であると言えるだろう[ 433 ] [ n 43 ] 。
ストット[ 435 ]はアルミニウムを弱金属と分類している。アルミニウムは金属の物理的性質を持ちながら、非金属の化学的性質もいくつか持っている。スティール[ 436 ]はアルミニウムの逆説的な化学的挙動について、「両性酸化物であることや、多くの化合物が共有結合性であることから、弱金属に似ている …しかし、非常に電気陽性な金属であり 、高い負の電極電位を持つ」と述べている。ムーディー[ 437 ]は、「アルミニウムは化学的な意味で、金属と非金属の『対角線上の境界』に位置する」と述べている。
セレンは半金属または非金属の境界的な挙動を示す。[ 439 ] [ n44 ]
その最も安定な形態である灰色の三方晶系同素体は、電気伝導率が赤色の単斜晶系よりも数桁大きいため、「金属」セレンと呼ばれることがある。[ 442 ]セレンの金属的性質は、その光沢[ 443 ]や、弱い「金属的」鎖間結合を含むと考えられる結晶構造[ 444 ]によってもさらに示されている。溶融して粘性のあるセレンは、細い糸状に引き伸ばすことができる。[ 445 ]セレンは「非金属に特徴的な高い正の酸化数」を獲得しにくい。[ 446 ]オレウムに溶解すると環状多価カチオン（Se 2+ 8など）を形成する[ 447 ] （硫黄やテルルと共通する特性）、およびトリヒドロキソセレン(IV)過塩素酸塩[Se(OH) 3 ] + ·ClO – 4の形で加水分解カチオン塩を形成する[ 448 ]。
セレンの非金属的性質は、その脆さ[ 443 ]と、高純度形態の低い電気伝導率（約10⁻⁹ ～ 10⁻¹² S ・cm⁻¹ ）[ 98 ]によって示されています。これは、非金属である臭素（7.95 × 10⁻¹² S・cm⁻¹ ） [ 449 ]と同等かそれ以下です。セレンは半導体の電子バンド構造を持ち[ 450 ]、液体状態でも半導体特性を保持します[450]。比較的高い[ 451]電気陰性度（改訂ポーリング尺度で2.55）を持ちます。その反応化学は主に、非金属陰イオン形態Se²⁻、SeO²⁻³ 、 SeO²⁻⁴の反応化学です[ 452 ]。
セレンは環境化学の文献では一般的に半金属として記述されています。[ 453 ]水環境中をヒ素やアンチモンと同様に移動します。[ 454 ]高濃度の水溶性塩はヒ素と同様の毒性プロファイルを示します。[ 455 ]
ポロニウムはいくつかの点で「明らかに金属的」である。[ 237 ]その同素体は両方とも金属導体である。[ 237 ]酸に溶け、バラ色の Po 2+カチオンを形成し、水素を置換する。Po + 2 H + → Po 2+ + H 2。[ 456 ]多くのポロニウム塩が知られている。[ 457 ]酸化物PoO 2は主に塩基性である。[ 458 ]ポロニウムは、最も軽い同族元素である酸素とは異なり、酸化剤としては不活性である。水溶液中でPo 2−アニオンを形成するには、非常に還元的な条件が必要である。 [ 459 ]
ポロニウムが延性か脆性かは不明である。計算された弾性定数に基づくと延性であると予測されている。[ 460 ]ポロニウムは単純立方晶構造を持つ。このような構造はすべり系が少なく、「延性が非常に低く、したがって破壊抵抗も低い」[ 461 ] 。
ポロニウムはハロゲン化物において非金属的性質を示し、ポロニドの存在によってもその性質が明らかになる。ハロゲン化物は一般的に非金属ハロゲン化物に特徴的な性質（揮発性、加水分解されやすい、有機溶媒に溶解する）を持つ。[ 462 ]また、元素を500～1,000 ℃で一緒に加熱することによって得られ、Po 2−アニオンを含む多くの金属ポロニドも知られている。[ 463 ]
ハロゲンであるアスタチンは、非金属に分類される傾向がある。[ 464 ]顕著な金属的性質もいくつか持ち[ 465 ]、時には半金属[ 466 ]または（あまり一般的ではないが）金属[ n 45 ]に分類されることもある。 1940年に製造された直後、初期の研究者たちはそれを金属とみなした。[ 468 ] 1949年には、最も貴な（還元しにくい）非金属であると同時に、比較的貴な（酸化しにくい）金属であるとされた。[ 469 ] 1950年には、アスタチンはハロゲンであり、（したがって）反応性の高い非金属であると記述された。[ 470 ] 2013年には、相対論的モデリングに基づいて、アスタチンは面心立方結晶構造を持つ単原子金属であると予測された。[ 471 ]
アスタチンの性質の一部が金属的であることについては、複数の著者がコメントしている。ヨウ素は面の方向に半導体であり、ハロゲンは原子番号が増加するにつれて金属的になるので、アスタチンが凝縮相を形成できれば金属であると推測されている。[ 472 ] [ n46 ]蒸発エンタルピー（∆H vap）が約42 kJ/molを超える元素は液体のときに金属であるという根拠に基づいて、アスタチンは液体の状態で金属的である可能性がある。 [ 474 ]このような元素には、ホウ素、[ n47 ]シリコン、ゲルマニウム、アンチモン、セレン、テルルが含まれる。二原子アスタチンの∆H vapの推定値は50 kJ/mol以上である。[ 478 ]二原子ヨウ素は、ΔH vapが41.71であり、[ 479 ]閾値値にわずかに及ばない。
「典型的な金属と同様に、アスタチンは強酸性溶液からでも硫化水素によって沈殿し、硫酸塩溶液からは遊離した形で置換され、電気分解では陰極に析出する。」[ 480 ] [ n 48 ]アスタチンが（重）金属のように振る舞う傾向があることを示すさらなる証拠としては、「…擬ハロゲン化合物の形成…アスタチン陽イオンの錯体…三価アスタチンの錯陰イオン…およびさまざまな有機溶媒との錯体」[ 482 ]が挙げられる。また、アスタチンは強酸性水溶液中で安定な At +および AtO + の形で陽イオン挙動を示すとも主張されている。 [ 483 ]
アスタチンの報告されている特性の中には、非金属的なものがあります。非金属に通常関連付けられる狭い液体範囲（融点 302 °C、沸点 337 °C）を持つと推測されていますが、[ 484 ]実験的証拠は沸点が約 230±3 °C と低いことを示唆しています。Batsanov は、アスタチンの計算されたバンドギャップ エネルギーを 0.7 eV としています。[ 485 ]これは、非金属（物理学において）が分離した価電子帯と伝導帯を持ち、それによって半導体または絶縁体のいずれかであるという事実と一致しています。[ 486 ]水溶液中のアスタチンの化学は、主にさまざまな陰イオン種の形成によって特徴付けられます。[ 487 ]既知の化合物のほとんどは、ハロゲンであり非金属であるヨウ素の化合物に似ています。 [ 488 ] [ 489 ]このような化合物には、アスタチド（XAt）、アスタテート（XAtO3 ）、および一価ハロゲン間化合物が含まれる。[ 490 ]
レストレポら[ 491 ]は、アスタチンはハロゲンよりもポロニウムに似ているようだと報告した。彼らは、72元素の既知および補間された特性の詳細な比較研究に基づいてそう報告した。
周期表では、一般的に認識されている半金属に隣接する元素の中には、通常は金属または非金属に分類されるものの、準半金属[ 495 ]と呼ばれたり、半金属的な性質で注目されたりするものがある。金属と非金属の境界線の左側には、ガリウム[ 496 ]、スズ[ 497 ]、ビスマス[ 498 ]、フレロビウム、モスコビウム、リバモリウム、テネシン[ 34 ]などがある。これらの元素は、特異なパッキング構造[ 499 ]、顕著な共有結合化学（分子またはポリマー）[500]、両性[ 501 ]を示す。境界線の右側には、炭素[ 502 ]、リン[ 503 ]、セレン[ 504 ]、ヨウ素[ 505 ]、オガネソンがある。[ 34 ]それらは金属光沢、半導体特性[ n 50 ]、および非局在化特性を持つ結合または価電子帯を示します。これは、常温常圧下で最も熱力学的に安定な形態、すなわちグラファイトとしての炭素、黒リンとしてのリン[ n 51 ]、および灰色セレンとしてのセレンに当てはまります。
元素の異なる結晶形は同素体と呼ばれます。一部の同素体、特に（周期表で）金属と非金属の概念的な境界線のそばまたはその近くにある元素の同素体は、他の同素体よりも顕著な金属的、半金属的、または非金属的挙動を示します。[ 511 ]このような同素体の存在は、関係する元素の分類を複雑にする可能性があります。[ 512 ]
例えば、スズには正方晶系の「白色」βスズと立方晶系の「灰色」αスズの2つの同素体があります。白色スズは、非常に光沢があり、延性および展性に優れた金属です。室温以上で安定な形態であり、電気伝導率は9.17 × 10⁴ S ·cm⁻¹ （銅の約1/6）です。[ 513 ]灰色スズは通常、灰色の微結晶粉末の外観を持ち、脆い半光沢の結晶または多結晶の形態で製造することもできます。13.2 °C以下で安定な形態であり 、電気伝導率は（2～5）× 10² S ·cm⁻¹ （白色スズの約1/250）です。[ 514 ]灰色スズは、ダイヤモンドと同じ結晶構造を持っています。半導体として振る舞いますが（バンドギャップが0.08 eVであるかのように ）、電子バンド構造は半金属です。[ 515 ]非常に貧弱な金属、 [ 516 ]半金属、[ 517 ]非金属[ 518 ]または準半金属[ 498 ]と呼ばれてきた。
炭素のダイヤモンド同素体は明らかに非金属であり、半透明で、電気伝導率は 10 −14～ 10 −16 S·cm −1と低い。[ 519 ]グラファイトの電気伝導率は 3 × 10 4 S·cm −1であり、[ 520 ]金属に特徴的な値である。リン、硫黄、ヒ素、セレン、アンチモン、ビスマスにも、異なる挙動を示す不安定な同素体が存在する。[ 521 ]
この表は、一般的にメタロイドとして認識されている元素からまれに認識されている元素まで、地殻中の存在量を示しています。 [ 522 ]比較のために、他の元素もいくつか含まれています。酸素とキセノン（安定同位体を持つ元素の中で最も存在量が多いものと最も少ないもの）、鉄、貨幣金属である銅、銀、金、そして最も存在量の少ない安定金属であるレニウム（通常、最も存在量が多い金属はアルミニウムです）。さまざまな存在量推定値が発表されていますが、それらはしばしばある程度一致しません。[ 523 ]
認識されている半金属は、酸化物または硫化物の化学的還元によって得ることができます。出発形態と経済的要因に応じて、より単純な抽出方法またはより複雑な抽出方法が採用される場合があります。[ 524 ]ホウ素は、通常、三酸化物をマグネシウムで還元することによって得られます。B2O3 + 3Mg → 2B + 3MgO。二次処理後、得られる褐色の粉末の純度は最大97%です。[ 525 ]より高純度（>99%）のホウ素は、BCl3またはBBr3などの揮発性ホウ素化合物を、水素雰囲気中（2BX3 + 3H2 → 2B + 6HX）または熱分解するまで加熱することによって調製されます。ケイ素とゲルマニウムは、酸化物を炭素または水素で加熱することによって、酸化物から得られます。SiO2 + C → Si + CO2。 GeO 2 + 2 H 2 → Ge + 2 H 2 O。ヒ素は、黄鉄鉱 (FeAsS) または砒素黄鉄鉱 (FeAs 2 ) を加熱することによって分離されます。あるいは、酸化物から炭素で還元することによって得ることもできます。2 As 2 O 3 + 3 C → 2 As + 3 CO 2。[ 526 ]アンチモンは、硫化物から鉄で還元することによって得られます。Sb 2 S 3 → 2 Sb + 3 FeS。テルルは、酸化物を水酸化ナトリウム水溶液に溶解して亜テルル鉱を生成し、その後電解還元することによって調製されます。TeO 2 + 2 NaOH → Na 2 TeO 3 + H 2 O; [ 527 ] Na 2 TeO 3 + H 2 O → Te + 2 NaOH + O 2。[ 528 ]別の選択肢は、炭素で焙焼して酸化物を還元することです。TeO 2 + C → Te + CO 2。[ 529 ]
あまりメタロイドとして認識されない元素の製造方法には、天然処理、電解還元または化学還元、あるいは照射が含まれます。炭素（黒鉛として）は天然に存在し、母岩を粉砕して軽い黒鉛を表面に浮かせることによって抽出されます。アルミニウムは、その酸化物 Al 2 O 3を溶融氷晶石Na 3 AlF 6に溶解し、高温電解還元することによって抽出されます。セレンは、貨幣金属セレン化物 X 2 Se (X = Cu、Ag、Au) を炭酸ナトリウムで焙焼して亜セレン酸塩を生成することによって製造されます。X 2 Se + O 2 + Na 2 CO 3 → Na 2 SeO 3 + 2 X + CO 2 ; セレン化物は硫酸 H 2 SO 4で中和されて亜セレン酸H 2 SeO 3になります。これをSO 2でバブリングして還元すると、単体セレンが得られます。ポロニウムとアスタチンは、ビスマスを照射することによって微量に生成されます。[ 530 ]
認識されている半金属とその近縁元素は、ほとんどが銀よりも安価です。ポロニウムとアスタチンだけが、放射能が高いため金よりも高価です。2014年4月5日現在、シリコン、アンチモン、テルル、グラファイト、アルミニウム、セレンの小サンプル（最大100g）の価格は、銀の約3分の1（1グラムあたり1.5米ドル、または1オンスあたり約45米ドル）です。ホウ素、ゲルマニウム、ヒ素のサンプルは、銀の約3.5倍の価格です。[ n 52 ]ポロニウムは、1マイクログラムあたり約100ドルで入手できます。[ 531 ]ザルツキーとプルジンスキー[ 532 ]は、アスタチンの製造コストも同様と推定しています。商品として取引される該当元素の価格は、サンプル価格の2～3分の1（Ge）から、3千分の1近く（As）まで幅広くあります。[ n 53 ]