Características de los metaloides
- Los metaloides tienen una apariencia metálica.
- Son frágiles.
- Tienen una baja conductividad eléctrica.
- Los elementos de este grupo están dispuestos en diagonal en el bloque p de la tabla periódica.
Metaloides
Los metaloides: origen, propiedades, historia y toxicidad.
No existe una definición estándar de metaloide. La familia de los metaloides agrupa elementos químicos que tienen características intermedias entre los metales y los no metales. Su clasificación varía según los autores. Los más conocidos son el arsénico 33As, el antimonio 51Sb, el boro 5B, el germanio 32Ge, el silicio 14Si y el telurio 52Te. Elementos como el aluminio 13Al, el selenio 34Se y el polonio 84Po rara vez se clasifican como metaloides. El astato 85At, por su parte, es cada vez más aceptado como tal desde que se han estudiado sus propiedades físicas y químicas. Los elementos de este grupo están dispuestos en diagonal en el bloque p de la tabla periódica. Se encuentran a lo largo de una antigua línea de demarcación entre metales y no metales. Este tipo de presentación se puede encontrar en las tablas periódicas de la primera mitad del siglo XX.
Los metaloides tienen apariencia metálica, pero son frágiles. Tienen baja conductividad eléctrica. Desde el punto de vista químico, sus propiedades son similares a las de los no metales. Debido a su baja resistencia mecánica, no son adecuados para aplicaciones estructurales. Se utilizan principalmente en forma de aleaciones y como catalizadores. Combinados con metales, encuentran aplicaciones en optoelectrónica, pirotecnia, fabricación de vidrios y electrónica. Se utilizan en la fabricación de lectores de discos ópticos y semiconductores. También se utilizan en ignifugación. Gracias a las propiedades únicas del germanio y el silicio, la industria de los semiconductores prosperó en los años cincuenta. La electrónica de estado sólido comenzó a desarrollarse en 1960.
Origen de la palabra
El significado de la palabra “metaloide” ha evolucionado a lo largo de los años. Al principio, designaba elementos no metálicos. A mediados del siglo XX, el término se modificó para definir los elementos cuyas propiedades se sitúan entre las de los metales y los no metales. A menudo se confunden los metaloides con los semimetales. Sin embargo, estos dos términos tienen significados diferentes. De hecho, la palabra “semimetal” se refiere a la capacidad eléctrica de un material. En este sentido, el boro y el silicio se consideran metaloides. El estaño y el bismuto son semimetales, pero no pertenecen a la familia de los metaloides.
Propiedades físicas del metaloide
Algunos datos sobre el astato se han deducido de simulaciones numéricas debido a la falta de observaciones realizadas sobre este elemento. Su densidad a temperatura ambiente se ha obtenido a partir de modelos de cálculo. Las propiedades físicas de los metaloides se resumen en la siguiente tabla.
| Elemento | Masa atómica | Temperatura de fusión | Temperatura de ebullición | Densidad | Radio atómico | Configuración electrónica | Energía de ionización | Electronegatividad (Pauling) |
| Boro | 10,813 5 u | 2 076 °C | 3 927 °C | 2,08 g·cm-3 | 90 pm | [He] 2s2 2p1 | 800,6 kJ·mol-1 | 2,04 |
| Silicio | 28,085(1) u | 1 414 °C | 3 265 °C | 2,329 g·cm-3 | 111 pm | [Ne] 3s2 3p2 | 786,5 kJ·mol-1 | 1,90 |
| Germanio | 72,630(8) u | 938 °C | 2 833 °C | 5,323 g·cm-3 | 122 pm | [Ar] 4s2 3d10 4p2 | 762 kJ·mol-1 | 2,01 |
| Arsénico | 74,921 595 u | 615 °C | 5,727 g·cm-3 | 119 pm | [Ar] 4s2 3d10 4p3 | 947,0 kJ·mol-1 | 2.18 | |
| Antimonio | 121,760(1) u | 630,63 °C | 1 635 °C | 6,697 g·cm-3 | 140 pm | [Kr] 5s2 4d10 5p3 | 834 kJ·mol-1 | 2,05 |
| Telurio | 127,60(3) u | 449,51 °C | 988 °C | 6,24 g·cm-3 | 140 pm | [Kr] 5s2 4d10 5p4 | 869,3 kJ·mol-1 | 2,1 |
| Astato | [210] | 302 °C | 337 °C | 6,35 g·cm-3 | 150 pm | [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p5 | 899 kJ·mol-1 | 2,2 |
Los valores inscritos en la columna radio atómico son relativos a los radios de covalencia de estos elementos.
Historia del metaloide
Antes de 1964, los cuerpos simples se clasificaban en dos categorías: los metales y los no metales. Estos últimos se llamaban metaloides en aquella época. Los científicos definieron los metales por sus características físicas y químicas específicas. Estas hacían referencia a la dureza, el brillo metálico, la conducción de la electricidad y la capacidad del elemento para producir al menos un óxido básico. Los demás se clasificaban en el grupo de los metaloides. Esta categorización era ambigua y discutible en algunos casos. El estaño y el plomo pertenecen ambos a la familia de los metales, aunque este último elemento no posee brillo metálico. Asimismo, el caso del carbono es impreciso: el grafito (de naturaleza blanda) es un buen conductor de la electricidad, mientras que el diamante (sustancia dura) es un aislante eléctrico.
La clasificación de los elementos cambió en 1960. Se basó en la naturaleza de los enlaces: metálicos para los metales y covalentes para los metaloides. En aquella época, los elementos que tenían de 1 a 3 electrones en su banda de valencia se clasificaban como metales. Aquellos que poseían entre 4 y 7 electrones pertenecían a la familia de los metaloides. Estos últimos se encontraban en la parte derecha de la tabla periódica, a partir de la columna 13. Los metales generalmente se colocaban en la parte izquierda. Los metaloides ocupaban los grupos de las columnas VII B del flúor, VI B del oxígeno, V B del nitrógeno, IV B del carbono y III B del boro. El hidrógeno, al estar en forma gaseosa en condiciones normales, fue inicialmente considerado como un metaloide cuando se descubrió. Sin embargo, presenta todas las propiedades de un metal en estado sólido. Entonces se habla de hidrógeno metálico.
La enseñanza de la química estaba limitada al estudio de los metaloides en Francia antes de 1964. Los elementos enseñados en las clases preparatorias y en las grandes escuelas eran el nitrógeno, los halógenos, el hidrógeno, el arsénico, el carbono, el oxígeno, el azufre, el fósforo, el silicio y el boro. Los manuales de química estaban divididos en dos partes distintas: la química general y la química de los metaloides. En 1965, el estudio de los metales se introdujo en los programas escolares. Abordaba principalmente el hierro, así como el de algunos productos orgánicos. El término “metaloide” fue reemplazado por la expresión “no metales”. Los libros de química estaban divididos en química general, química orgánica y química inorgánica.
Concepto actual
El concepto actual de metaloide hace referencia a un elemento químico que no puede clasificarse ni en la categoría de los metales ni en la de los no metales. Sus propiedades físicas y químicas se sitúan entre las de los metales y las de los no metales. En algunos casos, son la combinación de ambos.
No existe una definición universal sobre los metaloides. Los elementos oficiales pertenecientes a su grupo son igualmente indeterminados. A diferencia de los términos metal y no metal, el metaloide no se cita en el libro de definiciones oficiales de química (Gold Book) de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada. Algunos libros recientes de química inorgánica no hacen referencia a este término, mientras que otros lo utilizan.
Los óxidos de los metaloides tienen propiedades anfóteras, es decir, pueden actuar tanto como ácido como base. Los de los metales son básicos, mientras que los de los no metales son más bien ácidos. El boro, el silicio y el germanio son particularmente conocidos por su comportamiento de semiconductor.
Los metaloides ocupan una posición particular en la tabla periódica, formando una banda oblicua entre los metales y los no metales. El orden de aparición de los elementos se presenta de la siguiente manera:
- Boro 5B en la segunda línea (período 2);
- Silicio 14Si en la tercera;
- Germanio 32Ge y Arsénico 33As en la cuarta;
- Antimonio 51Sb y Telurio 52Te en la quinta;
- Astato 85At en el período 6 (sexta línea).
A menudo se confunden los términos “metaloide”, “semi-metal” y “semiconductor”. El primero hace referencia a un grupo de elementos químicos. Los otros dos se utilizan para caracterizar materiales, incluidas las aleaciones metálicas y los compuestos orgánicos. Aunque los metaloides son semiconductores, no todos los semiconductores son metaloides. Algunos semi-metales tampoco son metaloides.
Algunos elementos que se encuentran cerca de la familia de los metaloides tienen diferentes formas (variedades alotrópicas). Sus características son similares a las de los metaloides, como el carbono grafito, el bismuto, el fósforo y el estaño.
Cada material posee una estructura atómica única que determina sus propiedades físicas y electrónicas. Los semiconductores tienen un número par de electrones por celda unitaria. Sus bandas de valencia deberían estar completamente ocupadas y sus bandas de conducción totalmente vacías. Para un semi-metal, las bandas de valencia y de conducción se superponen parcialmente. Algunos estados más altos de la banda de valencia se encuentran vacíos. Estados más bajos de la banda de conducción están parcialmente ocupados. El semi-metal es, por tanto, asimilado a un conductor en el cual los portadores de carga son de dos tipos. Pueden ser huecos dejados por los electrones en la banda de valencia. En otros casos, estos electrones se encuentran en la banda de conducción. Al aplicar presión sobre un elemento semiconductor, la estructura de banda de este último se modifica. Este proceso permite conferirle las propiedades de un semi-metal.
Toxicidad para el ser humano
En concentraciones elevadas, algunos metaloides pueden causar efectos nocivos para la salud. Es el caso del arsénico. En dosis muy pequeñas, juega un papel importante como oligoelemento y es necesario para el buen funcionamiento del organismo. Presentes individualmente o mezclados con otras sustancias químicas, los metaloides actúan como contaminantes en el agua, el aire y los suelos. Son responsables de abortos espontáneos, malformaciones congénitas, prematuridad, disminución del peso al nacer. Estas sustancias altamente tóxicas pueden provocar la muerte. Perturban el desarrollo del niño y causan problemas psicomotores. Perturban el desarrollo del niño y causan problemas psicomotores. Están implicados en trastornos de la fertilidad, deficiencias intelectuales y trastornos metabólicos. Aumentan el riesgo de desarrollar ciertos cánceres en la edad adulta. Sus efectos potenciales hacen de los metaloides un tema de preocupación en materia de salud pública e investigación.
Los más vulnerables a la exposición a estas sustancias son las mujeres embarazadas y los niños.
En el marco del programa nacional de biovigilancia, se realizó un estudio sobre la impregnación de las mujeres embarazadas por ciertos metales y metaloides en Francia en 2011. La recopilación de datos se efectuó a través del “Volet perinatal“. Este estudio se basó en el seguimiento de 4.145 mujeres embarazadas de la “Cohorte Elfe” que dieron a luz en Francia ese mismo año (excluyendo Córcega y los territorios de ultramar). Los metaloides estudiados fueron los considerados primordiales. Se trata del antimonio, el estaño, el cadmio, el cromo, el arsénico, el mercurio, el plomo, el cobalto, el cesio, el uranio, el níquel y el vanadio. El aluminio también suscitó interrogantes en el plano toxicológico. Sin embargo, fue excluido de la investigación debido a su omnipresencia en el medio ambiente. Este elemento se considera una fuente demasiado común de contaminación de las muestras.
Se realizaron análisis en muestras biológicas como sangre del cordón umbilical, orina, cabello y suero. Los resultados obtenidos complementan los de otro apartado del programa. Este último estaba principalmente centrado en los contaminantes orgánicos como el bisfenol A, los ftalatos, los pesticidas. Este segundo estudio también analizó la toxicidad de las dioxinas, los PCB, los furanos, los retardantes de llama y los compuestos perfluorados, así como sus efectos. Estos contaminantes tienen la capacidad de actuar de manera sinérgica con los metales y los metaloides, provocando así formas de toxicidad combinada.
Este estudio constituye una primicia para Francia. Ha permitido proporcionar indicadores, especialmente para la Francia metropolitana, sobre la presencia de metales y metaloides en las mujeres embarazadas.
Los resultados obtenidos pueden compararse con los de otros estudios realizados en el mundo para evaluar los niveles de impregnación a los metaloides. Destacan las tendencias de exposición de las madres, los fetos y los lactantes a estos elementos durante el período perinatal, a través de la lactancia. Otras investigaciones se han centrado en el meconio. Se trata de la primera deposición de los recién nacidos, constituida por materias acumuladas en el intestino. Estos estudios también buscaban identificar los niveles de intoxicación.
Efectos tóxicos sobre el medio ambiente
El arsénico es extremadamente tóxico y es ampliamente conocido como veneno. Puede contaminar fácilmente las aguas subterráneas, los suelos y los sedimentos debido a su capacidad para propagarse rápidamente. Estos estudios también buscaban identificar los niveles de intoxicación.
