类金属
lèi jīn shǔ
类金属是性质介于金属和非金属之间的元素,位于元素周期表的阶梯状分界线附近,硅是其中最有名的一种。
Definition
类金属是一部分性质像金属、一部分性质像非金属的元素:它可能外表有光泽,像金属一样,却会像玻璃一样碎裂。类金属(又称半金属)是分布在金属与非金属分界线两侧、呈锯齿状的一类元素,包括硼、硅、锗、砷、锑、碲,有时也包括钋和砹;它们外观呈金属光泽,却质地脆,属于半导体,导电性比非金属好,却不如金属,而且它们的导电性随温度升高而增强,这一点正好与金属相反。类金属的电离能和电负性都处于中等水平(硅在鲍林标度上为 $1.90$),能形成原子晶体,其价带与导带之间存在较窄的能隙,硅约为 $1.1\text{ eV}$,锗约为 $0.67\text{ eV}$。热激发或掺杂能使电子进入导带,因此可以通过掺入第 $13$ 族杂质(p 型)或第 $15$ 族杂质(n 型)来控制其导电性;类金属的氧化物大多呈两性或弱酸性。
Example
硅是最著名的类金属:呈灰色有光泽,但质地脆,是计算机芯片的主要成分。硅($Si$,原子序数 $14$)正好位于碳的下方,像碳一样形成四个共价键;纯硅几乎不导电,但只要掺入微量的磷或硼,就能变成每一个晶体管核心所依赖的半导体。掺入拥有五个价电子的磷,每个掺杂原子都会多提供一个自由电子(n 型);掺入只有三个价电子的硼,则会产生被称为空穴的电子空位(p 型);把两者结合在一起,就形成了 p-n 结,这正是构建太阳能电池和晶体管的基本二极管结构。
Key Insight
类金属沿着一条阶梯状分界线分布,这条线贯穿周期表右侧,正好位于金属与非金属之间。能够在导电与绝缘之间调节类金属的性质,正是计算机得以实现的关键,因为金属始终导电,非金属从不导电,只有半导体才能被开关。这种分类本身就是模糊的:金属键向共价键过渡并没有一条清晰的界线,锑和砷之类的元素归属至今仍有争议,即使表格画出了边界,化学性质本身仍然是连续变化的。