شبه‌فلز: عنصری مرموز با دو چهره
شبه‌فلز چیست و کجای جدول تناوبی قرار دارد؟
تصور کنید یک ماده هم بتواند مانند فلزات، جریان برق را از خود عبور دهد و هم مانند نافلزات، در برابر عبور جریان برق مقاومت کند. این دقیقاً ویژگی اصلی شبه‌فلزات است. آن‌ها در یک ناحیهٔ خاص از جدول تناوبی، به صورت یک خط زیگزاگی بین فلزات و نافلزات قرار گرفته‌اند. اگر به جدول تناوبی نگاه کنید، این عناصر شامل بور6، سیلیسیم7، ژرمانیم8، آرسنیک9، آنتیموان10، تلوریم11 و پولونیم12 هستند.
برای درک بهتر، فلزاتی مانند مس یا آهن را در نظر بگیرید که سطح براق، چکش‌خواری و رسانای الکتریکی عالی دارند. در مقابل، نافلزاتی مانند گوگرد یا اکسیژن، معمولاً کدر، شکننده و عایق برق هستند. شبه‌فلزات دقیقاً بین این دو گروه قرار می‌گیرند؛ مثلاً سیلیسیم که جزء شبه‌فلزات است، ظاهری فلزی و براق دارد (شبیه فلز) اما از نظر شیمیایی تمایل دارد مانند نافلزات با سایر عناصر پیوند تشکیل دهد.
| ویژگی | فلزات | نافلزات | شبه‌فلزات |
|---|---|---|---|
| رسانایی الکتریکی | عالی | ضعیف (عایق) | متوسط (نیمه‌هادی) ویژگی کلیدی |
| درخشش سطح | بله | خیر | اغلب بله |
| شکل‌پذیری | چکش‌خوار و قابل تبدیل به ورق | شکننده | شکننده |
| نمونه‌های معروف | مس، آهن، طلا | اکسیژن، کربن، گوگرد | سیلیسیم، بور، آرسنیک |
چرا رسانایی شبه‌فلزات اینقدر مهم است؟ مفهوم نیمه‌هادی
مهم‌ترین ویژگی شبه‌فلزات، رسانایی الکتریکی آن‌هاست که به آن‌ها لقب نیمه‌هادی داده می‌شود. این ویژگی وابسته به دما و شرایط محیط است. برای مثال، سیلیسیم در دمای معمولی اتاق، رسانای ضعیف برق است، اما اگر گرم شود یا ناخالصی‌های خاصی به آن اضافه شود، رسانایی آن به شدت افزایش می‌یابد. این کنترل‌پذیری در رسانایی، پایه و اساس علم الکترونیک است.
این خاصیت باعث شده تا از شبه‌فلزات برای ساخت ترانزیستور14، آی‌سی15 (مدار مجتمع) و در نهایت تمام رایانه‌ها، تلفن‌های همراه و لوازم الکترونیکی مدرن استفاده شود. بدون سیلیسیم و ژرمانیم، انقلاب دیجیتال هرگز رخ نمی‌داد.
شبه‌فلزات در زندگی روزمره و صنعت
شبه‌فلزات به طور مستقیم و غیرمستقیم در بسیاری از محصولاتی که هر روز استفاده می‌کنیم، حضور دارند. در این بخش به چند نمونهٔ عینی و کاربردی اشاره می‌کنیم:
سیلیسیم: این عنصر، ستون فقرات صنعت الکترونیک است. از سیلیسیم خالص برای ساخت تراشه‌های رایانه‌ای، پردازنده‌ها و حافظه‌ها استفاده می‌شود. همچنین، ترکیب سیلیسیم با اکسیژن ($SiO_2$) شیشه می‌سازد که در پنجره‌ها، لنزهای دوربین و الیاف نوری به کار می‌رود.
بور: از ترکیبات بور در تولید شیشه‌های مقاوم (مثل پیرکس)، مواد شوینده و حتی به عنوان یک مادهٔ مغذی برای رشد گیاهان استفاده می‌شود.
آرسنیک: اگرچه آرسنیک سمی است، اما مقادیر بسیار کم و کنترل‌شدهٔ آن در ساخت برخی از انواع ترانزیستورها و دیودهای لیزری کاربرد دارد. همچنین از آن در ساخت آلیاژهای سرب برای ساچمه‌های تفنگ استفاده می‌شود تا ساچمه سخت‌تر شود.
ژرمانیم: از این شبه‌فلز در ساخت اولین ترانزیستورهای تاریخ و همچنین در برخی از سلول‌های خورشیدی و دیودهای نوری استفاده می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. آن‌ها دسته‌ای کاملاً مجزا هستند. اگرچه برخی از خواص فیزیکی شبه‌فلزات (مانند درخشش) شبیه فلزات است، اما خواص شیمیایی و رسانایی الکتریکی آن‌ها کاملاً متفاوت است و آن‌ها را در جایگاه منحصربه‌فردی قرار می‌دهد.
این یک اشتباه رایج است. گرافیت یکی از آلوتروپ‌های16 کربن است و کربن یک نافلز محسوب می‌شود. اگرچه گرافیت رسانای جریان برق است (ویژگی شبه‌فلزی)، اما سایر خواص شیمیایی آن کاملاً مطابق با نافلزات است، بنابراین در دسته‌بندی شبه‌فلزات قرار نمی‌گیرد.
بدون شک سیلیسیم مهم‌ترین شبه‌فلز است. صنعت چند میلیارد دلاری نیمه‌هادی‌ها و الکترونیک به شدت به این عنصر وابسته است. سیلیسیم پس از اکسیژن، دومین عنصر فراوان در پوسته زمین است که دسترسی به آن را نسبتاً آسان کرده است.
پاورقی
1 شبه‌فلز (Metalloid)
2 جدول تناوبی (Periodic Table)
3 فلزات (Metals)
4 نافلزات (Nonmetals)
5 نیمه‌هادی (Semiconductor)
6 بور (Boron)
7 سیلیسیم (Silicon)
8 ژرمانیم (Germanium)
9 آرسنیک (Arsenic)
10 آنتیموان (Antimony)
11 تلوریم (Tellurium)
12 پولونیم (Polonium)
13 شکاف انرژی (Band Gap)
14 ترانزیستور (Transistor)
15 آی‌سی (IC - Integrated Circuit)
16 آلوتروپ (Allotrope)