Propriedades de metais, metalóides e não metais - Properties of metals, metalloids and nonmetals

Parte de uma série no
Tabela periódica
A tabela periódica mostrando:  metais  na maior parte da esquerda e centro  metaloides  em uma estreita faixa diagonal  não metais  à direita, mais hidrogênio
Formulários de tabela periódica 18 colunas   · 32 colunas Formulários alternativos  e estendidos
Histórico da tabela periódica Dmitri Mendeleev previsões Descoberta de elementos Nomenclatura e etimologia para lugares para pessoas controvérsias ( no Leste Asiático ) Nomes de elementos sistemáticos
Conjuntos de elementos
Pela estrutura da tabela periódica Grupos (1–18) 1 ( metais alcalinos ) 2 (metais alcalino-terrosos) 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 (pnictogênios) 16 (calcogênios) 17 (halogênios) 18 (gases nobres) Pontos (1–7, ...) 1 2 3 4 5 6 7 8+ Blocos (s, p, d, f, ...) Orbitais atômicos Princípio Aufbau
Por classificação metálica Metais alcalino Terra alcalina transição pós-transição lantanídeo actinida ( superactinida ) Metalóides divisão de metais e não metais Não Metais não metais reativos gases nobres
Por outras características Metais de cunhagem Metais do grupo da platina Metais preciosos Metal de refração Metais pesados Metais leves Metais nativos Metais nobres Elementos do grupo principal Elementos de terras raras Transurânicos , transplutónios elementos Major , minor e trans- actinides
Elementos
Lista de elementos químicos por abundância ( no corpo humano ) por propriedades atômicas por estabilidade de isótopos por produção anual por símbolo
Propriedades dos elementos Peso atômico Estrutura de cristal Afinidade de elétron configuração Eletronegatividade ( Allen , Pauling ) Classificação Goldschmidt Nutrição Valência
Páginas de dados para elementos Abundância Raio atômico Ponto de ebulição Ponto crítico Densidade Elasticidade Resistividade elétrica Afinidade  /  configuração de elétrons  Eletro-negatividade Dureza Capacidade térmica   /  de fusão  /  de vaporização Energia de ionização Ponto de fusão Estado de oxidação Velocidade do som Coeficiente de condutividade térmica   /  expansão Pressão de vapor
Livro Categoria Portal de Química
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Os elementos químicos podem ser amplamente divididos em metais , metalóides e não metais de acordo com suas propriedades físicas e químicas compartilhadas . Todos os metais têm uma aparência brilhante (pelo menos quando recentemente polidos); são bons condutores de calor e eletricidade; formar ligas com outros metais; e tem pelo menos um óxido básico . Metalóides são sólidos frágeis de aparência metálica que são semicondutores ou existem em formas semicondutoras e têm óxidos anfotéricos ou fracamente ácidos . Os não-metais típicos têm uma aparência opaca, colorida ou incolor; são frágeis quando sólidos; são maus condutores de calor e eletricidade; e têm óxidos ácidos. A maioria ou alguns elementos em cada categoria compartilham uma série de outras propriedades; alguns elementos têm propriedades que são anômalas devido à sua categoria ou extraordinárias.

Propriedades

Metais

Lascas de ferro puro (99,97% +) , refinado eletroliticamente , acompanhado por um cubo de 1 cm ^{3 de} alta pureza (99,9999% = 6N)

Os metais parecem brilhantes (abaixo de qualquer pátina ); formam misturas ( ligas ) quando combinadas com outros metais; tendem a perder ou compartilhar elétrons quando reagem com outras substâncias; e cada um forma pelo menos um óxido predominantemente básico.

A maioria dos metais tem aparência prateada, alta densidade, sólidos relativamente macios e facilmente deformados com boa condutividade elétrica e térmica , estruturas compactas , baixas energias de ionização e eletronegatividades , e são encontrados naturalmente em estados combinados.

Alguns metais aparecem coloridos ( Cu , Cs , Au ), têm baixas densidades (por exemplo , Be , Al ) ou pontos de fusão muito altos (por exemplo , W , Nb ), são líquidos em ou perto da temperatura ambiente (por exemplo , Hg , Ga ), são quebradiços ( por exemplo , Os , Bi ), não são facilmente usinados (por exemplo , Ti , Re ), ou são nobres (difíceis de oxidar , por exemplo , Au , Pt ) ou têm estruturas não metálicas ( Mn e Ga são estruturalmente análogos a, respectivamente, P e I brancos ).

Os metais constituem a grande maioria dos elementos e podem ser subdivididos em várias categorias diferentes. Da esquerda para a direita na tabela periódica, essas categorias incluem os metais alcalinos altamente reativos ; os metais alcalino-terrosos menos reativos , lantanídeos e actinídeos radioativos ; os metais de transição arquetípicos e os metais pós-transição física e quimicamente fracos . Subcategorias especializadas como os metais refratários e os metais nobres também existem.

Metalóides

Telúrio , descrito por Dmitri Mendeleev como formando uma transição entre metais e não metais

Os metaloides são sólidos frágeis de aparência metálica; tendem a compartilhar elétrons quando reagem com outras substâncias; têm óxidos fracamente ácidos ou anfotéricos; e são normalmente encontrados naturalmente em estados combinados.

A maioria são semicondutores e condutores térmicos moderados e têm estruturas que são mais abertas do que a maioria dos metais.

Alguns metalóides ( As , Sb ) conduzem eletricidade como metais.

Os metalóides, como a menor categoria principal de elementos, não são subdivididos mais).

Não Metais

25 ml de bromo , um líquido castanho-avermelhado escuro à temperatura ambiente

Os não metais têm estruturas abertas (a menos que tenham sido solidificados nas formas gasosas ou líquidas); tendem a ganhar ou compartilhar elétrons quando reagem com outras substâncias; e não formam óxidos distintamente básicos.

A maioria são gases em temperatura ambiente; têm densidades relativamente baixas; são maus condutores elétricos e térmicos; têm energias de ionização e eletronegatividades relativamente altas; formar óxidos ácidos; e são encontrados naturalmente em estados não combinados em grandes quantidades.

Alguns não-metais ( C , P preto , S e Se ) são sólidos frágeis à temperatura ambiente (embora cada um deles também tenha alótropos maleáveis, flexíveis ou dúcteis).

Da esquerda para a direita na tabela periódica, os não metais podem ser divididos em não metais reativos e gases nobres. Os não-metais reativos próximos aos metaloides apresentam algum caráter metálico incipiente, como a aparência metálica de grafite, fósforo preto, selênio e iodo. Os gases nobres são quase completamente inertes.

Comparação de propriedades

Visão geral

As propriedades características de metais e não metais são bastante distintas, conforme mostrado na tabela abaixo. Os metalóides, abrangendo a borda metal-não-metal , são principalmente distintos de qualquer um, mas em algumas propriedades se assemelham a um ou outro, como mostrado no sombreamento da coluna metalóide abaixo e resumido na pequena tabela no topo desta seção.

Os autores diferem em onde eles dividem metais de não metais e se eles reconhecem uma categoria de metalóide intermediária . Alguns autores consideram os metalóides como não metais com propriedades fracamente não metálicas. Outros contam alguns dos metalóides como metais pós-transição .

Detalhes

Propriedades anômalas

Dentro de cada categoria, podem ser encontrados elementos com uma ou duas propriedades muito diferentes da norma esperada, ou que de outra forma sejam notáveis.

Metais

Sódio , potássio , rubídio , césio , bário , platina , ouro

• As noções comuns de que "íons de metais alcalinos (grupo 1A) sempre têm carga +1" e que "os elementos de transição não formam ânions" são erros de livros didáticos . A síntese de um sal cristalino do anião de sódio Na ^- foi relatada em 1974. Desde então, outros compostos ( " alkalides ") contendo aniões de todos os outros metais alcalinos , excepto Li e Pe , bem como a de Ba , foram preparados. Em 1943, Sommer relatou a preparação do composto amarelo transparente CsAu . Posteriormente, foi demonstrado que este consistia em cátions de césio (Cs ⁺ ) e ânions auride (Au ^- ), embora isso tenha se passado alguns anos antes que essa conclusão fosse aceita. Vários outros aurides (KAu, RbAu) foram sintetizados desde então, bem como o composto vermelho transparente Cs ₂ Pt que foi encontrado para conter íons Cs ⁺ e Pt ²⁻ .

Manganês

• Metais bem comportados têm estruturas cristalinas apresentando células unitárias com até quatro átomos. O manganês tem uma estrutura cristalina complexa com uma célula unitária de 58 átomos, efetivamente quatro raios atômicos diferentes e quatro números de coordenação diferentes (10, 11, 12 e 16). Ele foi descrito como semelhante a "um composto intermetálico quaternário com quatro tipos de átomos Mn se ligando como se fossem elementos diferentes". A camada 3d de manganês preenchida até a metade parece ser a causa da complexidade. Isso confere um grande momento magnético a cada átomo. Abaixo de 727 ° C, uma célula unitária de 58 átomos espacialmente diversos representa a forma mais energética de alcançar um momento magnético líquido zero. A estrutura cristalina do manganês o torna um metal duro e quebradiço, com baixa condutividade elétrica e térmica. Em temperaturas mais altas, "maiores vibrações de rede anulam os efeitos magnéticos" e o manganês adota estruturas menos complexas.

Ferro , cobalto , níquel , gadolínio , térbio , disprósio , hólmio , érbio , túlio

• Os únicos elementos fortemente atraídos por ímãs são ferro, cobalto e níquel em temperatura ambiente, gadolínio logo abaixo e térbio, disprósio, hólmio, érbio e túlio em temperaturas ultra frias (abaixo de −54 ° C, −185 ° C, - 254 ° C, −254 ° C e −241 ° C respectivamente).

Iridium

• O único elemento encontrado com um estado de oxidação de +9 é o irídio, no cátion [IrO ₄ ] ⁺ . Fora isso, o maior estado de oxidação conhecido é +8, em Ru , Xe , Os , Ir e Hs .

Ouro

• A maleabilidade do ouro é extraordinária: um pedaço do tamanho de um punho pode ser martelado e separado em um milhão de folhas de papel, cada uma com 10 nm de espessura, 1600 vezes mais fina do que a folha de alumínio comum para cozinha (0,016 mm de espessura).

Mercúrio

1. Os tijolos e as bolas de boliche flutuam na superfície do mercúrio graças a ele ter uma densidade 13,5 vezes maior que a da água. Da mesma forma, uma bola de boliche de mercúrio sólida pesaria cerca de 50 libras e, se pudesse ser mantida fria o suficiente, flutuaria na superfície do ouro líquido .
2. O único metal com energia de ionização superior a alguns não metais ( enxofre e selênio ) é o mercúrio.
3. O mercúrio e seus compostos têm uma reputação de toxicidade, mas em uma escala de 1 a 10, o dimetilmercúrio ((CH ₃ ) ₂ Hg) (abrev. DMM), um líquido incolor volátil, foi descrito como 15. É tão perigoso que os cientistas têm sido encorajados a usar compostos de mercúrio menos tóxicos sempre que possível. Em 1997, Karen Wetterhahn , professora de química especializada em exposição a metais tóxicos, morreu de envenenamento por mercúrio dez meses depois que algumas gotas de DMM caíram em suas luvas "protetoras" de látex. Embora Wetterhahn estivesse seguindo os procedimentos então publicados para lidar com esse composto, ele passou por suas luvas e pele em segundos. Sabe-se agora que o DMM é excepcionalmente permeável a luvas (comuns), pele e tecidos. E sua toxicidade é tal que menos de um décimo de ml aplicado na pele será gravemente tóxico.

Conduzir

• A expressão " cair como um balão de chumbo " está ancorada na visão comum do chumbo como um metal denso e pesado - sendo quase tão denso quanto o mercúrio. No entanto, é possível construir um balão feito de folha de chumbo, preenchido com uma mistura de hélio e ar, que irá flutuar e ser suficientemente flutuante para carregar uma pequena carga.

Bismuto

• O bismuto tem a meia-vida mais longa de qualquer elemento que ocorre naturalmente; seu único isótopo primordial , o bismuto-209 , foi encontrado em 2003 para ser ligeiramente radioativo , decaindo via decaimento alfa com uma meia-vida mais de um bilhão de vezes a idade estimada do universo . Antes dessa descoberta, o bismuto-209 era considerado o isótopo estável mais pesado de ocorrência natural; esta distinção agora pertence ao chumbo-208.

Urânio

• O único elemento com um isótopo natural capaz de sofrer fissão nuclear é o urânio. A capacidade do urânio-235 de sofrer fissão foi sugerida pela primeira vez (e ignorada) em 1934 e, posteriormente, descoberta em 1938.

Plutônio

• É uma crença comum que os metais reduzem sua condutividade elétrica quando aquecidos. O plutônio aumenta sua condutividade elétrica quando aquecido na faixa de temperatura de cerca de –175 a +125 ° C.

Metalóides

Boro

• O boro é o único elemento com estrutura parcialmente desordenada em sua forma cristalina mais estável termodinamicamente.

Boro , antimônio

• Esses elementos são detentores de recordes no campo da química dos superácidos . Por sete décadas, o ácido fluorossulfônico HSO ₃ F e o ácido trifluorometanossulfônico CF ₃ SO ₃ H foram os ácidos mais fortes conhecidos que poderiam ser isolados como compostos únicos. Ambos são cerca de mil vezes mais ácidos do que o ácido sulfúrico puro . Em 2004, um composto de boro bateu esse recorde em mil vezes com a síntese do ácido carborano H (CHB ₁₁ Cl ₁₁ ). Outro metalóide, o antimônio, apresenta no ácido mais forte conhecido, uma mistura 10 bilhões de vezes mais forte do que o ácido carborano. Este é o ácido fluoroantimônico H ₂ F [SbF ₆ ], uma mistura de pentafluoreto de antimônio SbF ₅ e ácido fluorídrico HF.

Silício

1. A condutividade térmica do silício é melhor do que a da maioria dos metais.
2. Uma forma porosa esponjosa de silício (p-Si) é tipicamente preparada pela gravação eletroquímica de bolachas de silício em uma solução de ácido fluorídrico . Flocos de p-Si às vezes aparecem vermelhos; tem um gap de 1,97–2,1 eV. Os muitos poros minúsculos no silício poroso conferem-lhe uma enorme área de superfície interna, de até 1.000 m ² / cm ³ . Quando exposto a um oxidante , especialmente um oxidante líquido, a alta relação entre área de superfície e volume de p-Si cria uma queima muito eficiente, acompanhada por nanoexplosões e, às vezes, por plasmóides semelhantes a raios de bola com, por exemplo, um diâmetro de 0,1–0,8 m, uma velocidade de até 0,5 m / se uma vida útil de até 1 s. A primeira análise espectrográfica de um evento de raio bola (em 2012) revelou a presença de silício, ferro e cálcio, elementos esses também presentes no solo.

Arsênico

• Diz-se que os metais são fusíveis , resultando em alguma confusão na química antiga sobre se o arsênico era um metal verdadeiro, ou não, ou algo entre os dois. É sublima em vez de padrão funde a pressão atmosférica , como a não-metais de carbono e de fósforo vermelho .

Antimônio

• Uma forma explosiva de antimônio de alta energia foi obtida pela primeira vez em 1858. É preparado pela eletrólise de qualquer um dos trihaletos de antimônio mais pesados ​​(SbCl ₃ , SbBr ₃ , SbI ₃ ) em uma solução de ácido clorídrico a baixa temperatura. É composto por antimônio amorfo com algum trihaleto de antimônio ocluído (7–20% no caso do tricloreto ). Quando arranhado, atingido, pulverizado ou aquecido rapidamente a 200 ° C, ele "se inflama, emite faíscas e é convertido de forma explosiva no antimônio cinza cristalino de baixa energia".

Não Metais

Hidrogênio

1. Água (H ₂ O), um conhecido óxido de hidrogênio, é uma anomalia espetacular. Extrapolando dos calcogenetos de hidrogênio mais pesados , ou seja, sulfeto de hidrogênio H ₂ S, seleneto de hidrogênio H ₂ Se e telureto de hidrogênio H ₂ Te, a água deveria ser "um gás fétido, venenoso e inflamável ... condensando-se em um líquido desagradável –100 ° C ". Em vez disso, devido às ligações de hidrogênio , a água é "estável, potável, inodora, benigna e ... indispensável à vida".
2. Menos conhecido dos óxidos de hidrogênio é o trióxido , H ₂ O ₃ . Berthelot propôs a existência desse óxido em 1880, mas sua sugestão foi logo esquecida, pois não havia como testá-lo usando a tecnologia da época. O trióxido de hidrogênio foi preparado em 1994 substituindo o oxigênio usado no processo industrial de fabricação do peróxido de hidrogênio pelo ozônio . O rendimento é de cerca de 40 por cento, a –78 ° C; acima de cerca de –40 ° C, ele se decompõe em água e oxigênio. Derivados do trióxido de hidrogênio, como F ₃ C – O – O – O – CF ₃ ("bis (trifluorometil) trióxido") são conhecidos; estes são metaestáveis à temperatura ambiente. Mendeleev deu um passo adiante, em 1895, e propôs a existência do tetróxido de hidrogênio HO – O – O – OH como um intermediário transitório na decomposição do peróxido de hidrogênio; este foi preparado e caracterizado em 1974, usando uma técnica de isolamento de matriz. Sais de ozoneto de metal alcalino do desconhecido ozoneto de hidrogênio (HO ₃ ) também são conhecidos; estes têm a fórmula MO ₃ .

Hélio

1. Em temperaturas abaixo de 0,3 e 0,8 K, respectivamente, o hélio-3 e o hélio-4 têm cada um uma entalpia de fusão negativa . Isso significa que, nas pressões constantes apropriadas, essas substâncias congelam com a adição de calor.
2. Até 1999, o hélio era considerado pequeno demais para formar um clatrato em gaiola - um composto no qual um átomo ou molécula hóspede é encapsulado em uma gaiola formada por uma molécula hospedeira - à pressão atmosférica. Naquele ano, a síntese de quantidades de microgramas de He @ C ₂₀ H ₂₀ representou o primeiro clatrato de hélio e (o que foi descrito como) o menor balão de hélio do mundo.

Carbono

1. O grafite é o não-metal mais eletricamente condutor, melhor do que alguns metais.
2. O diamante é o melhor condutor natural de calor; até parece frio ao toque. Sua condutividade térmica (2.200 W / m • K) é cinco vezes maior do que o metal mais condutor ( Ag em 429); 300 vezes maior que o metal menos condutor ( Pu em 6,74); e quase 4.000 vezes a da água (0,58) e 100.000 vezes a do ar (0,0224). Essa alta condutividade térmica é usada por joalheiros e gemologistas para separar os diamantes das imitações.
3. O aerogel de grafeno , produzido em 2012 por liofilização de uma solução de nanotubos de carbono e folhas de óxido de grafite e remoção química do oxigênio, é sete vezes mais leve que o ar e dez por cento mais leve que o hélio. É o sólido mais leve conhecido (0,16 mg / cm ³ ), condutor e elástico.

Fósforo

• A forma menos estável e mais reativa de fósforo é o alótropo branco . É uma substância perigosa, altamente inflamável e tóxica, que se inflama espontaneamente no ar e produz resíduos de ácido fosfórico . Portanto, normalmente é armazenado sob a água. O fósforo branco também é o alótropo mais comum, industrialmente importante e facilmente reproduzível e, por essas razões, é considerado o estado padrão do fósforo. A forma mais estável é o alótropo preto , que é um semicondutor de aparência metálica, quebradiço e relativamente não reativo (ao contrário do alótropo branco, que tem uma aparência branca ou amarelada, é flexível, altamente reativo e um semicondutor). Ao avaliar a periodicidade nas propriedades físicas dos elementos, deve-se ter em mente que as propriedades citadas do fósforo tendem a ser as de sua forma menos estável em vez de, como é o caso com todos os outros elementos, a forma mais estável.

Iodo

• O mais suave dos halogênios , o iodo é o ingrediente ativo na tintura de iodo , um desinfetante. Isso pode ser encontrado em armários de remédios domésticos ou kits de sobrevivência de emergência. A tintura de iodo dissolve rapidamente o ouro, uma tarefa que normalmente requer o uso de água régia (uma mistura altamente corrosiva de ácidos nítrico e clorídrico ).

Notas

Citações

Referências