Halbmetalle

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Bor
• Silicium
• Arsen

Bevor du mit den Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen beginnst, solltest du sichergehen, dass du das Konzept von Oxidation und Reduktion verstehst.

Bor

Das Halbmetall Bor steht im Periodensystem der Elemente (PSE) an 5. Stelle. Es befindet sich in der 3. Hauptgruppe, der sogenannten Borgruppe, und der 2. Periode. Es steht genau zwischen den Metallen und Nichtmetallen. Reines Bor kommt in verschiedenen Modifikationen vor. Amorphes Bor ist ein braunes Pulver. Kristallines Bor gibt es in verschiedenen Formen, darunter ein metallisches Bor, welches schwarz und sehr hart ist.

Bor ist ein äußerst seltenes Element. Es kommt vor allem als Sauerstoffverbindung vor. Verschiedene Borerze sind Borax, Kernit und Colemanit. Reines Bor kann durch die Reduktion von Bortrioxid $(B_2O_3)$ mit Magnesiumpulver hergestellt werden. Bor besitzt die höchste Zugfestigkeit aller Elemente. Außerdem weist es eine sehr hohe Härte auf, die fast an die von Diamant heranreicht. Bor weist noch weitere Ähnlichkeiten mit Kohlenstoff auf. Es besitzt wie Graphit gute Schmiereigenschaften. Außerdem kann Bor räumliche Netzwerke mit sich selbst bilden. Ein wichtiges Forschungsgebiet sind daher die Borane. Dies sind Borwasserstoffverbindungen, die den Kohlenwasserstoffen ähneln. Verwendung findet Bor, in Form von Borax, in der Herstellung von Isolier- und Bleichstoffen. Elementares Bor wird als Additiv in Raketentreibstoff und zur Legierung mit speziellem Stahl benutzt. Aufgrund seiner hohen Zugfestigkeit wird Bor auch in Bauteilen von Hubschraubern eingesetzt.

Silicium

Der Name Silicium leitet sich vom lateinischen silex ab, was so viel wie Kieselstein bedeutet. Silicium steht im PSE an 14. Stelle. Es befindet sich in der 4. Hauptgruppe und der 3. Periode. Damit steht es direkt unterhalb von Kohlenstoff. Es weist dadurch Ähnlichkeiten mit diesem besonderen Element auf.

Silicium ist das zweithäufigste Element auf unserem Planeten. Ungefähr 90 % der Erdkruste besteht aus Siliciummineralien. Elementar kommt Silicium sehr selten vor. Meist findet man es in anorganischen Mineralien. Zu diesen Mineralien zählen Quarz (Siliciumdioxid) und Silicate wie Feldspat, Glimmer und Turmalin.

Silicium in seiner Reinform ist ein glänzendes, dunkelgraues Halbmetall. Es kann durch die Reduktion von Quarzsand mit Magnesiumpulver gewonnen werden. Es weist eine hohe Härte auf, die sich aufgrund der Gitterstruktur innerhalb des kristallinen Stoffes ergibt. Dadurch ist es aber auch sehr spröde. Silicium ist ein sehr guter thermischer Leiter. Wärme kann also sehr gut weitergeleitet werden. Allerdings ist die elektrische Leitfähigkeit sehr gering. Sie erhöht sich aber mit steigender Temperatur. Durch die Dotierung, das ist das Einbringen von Fremdatomen, mit Aluminium- oder Antimon-Atomen kann die elektrische Leitfähigkeit jedoch erhöht werden. So entsteht ein Halbleiter. Reines Silicium ist der Hauptrohstoff für die Herstellung von Mikrochips und damit der Grundstein für die gesamte heutige Elektronik.

Es werden große Silicium-Einkristalle hergestellt. Diese werden in dünne Scheiben geschnitten, die sogenannten Wafer. Aus diesen werden dann Mikrochips und auch Solarzellen für die Umwandlung von Sonnenenergie (Photovoltaik) hergestellt. Siliciumcarbid weist eine große Härte und Temperaturbeständigkeit auf. Daher wird es oft als Schleifmittel verwendet.

Arsen

Arsen ist das 33. Element im Periodensystem. Es befindet sich in der 5. Hauptgruppe, der Stickstoffgruppe, und der 4. Periode.

Arsen ist ein seltenes Halbmetall. Trotzdem kommt es beinahe überall im Boden vor, allerdings in sehr geringen Konzentrationen von 1,5 ppm (parts per million). Arsen kann in reiner Form gefunden werden, das ist aber äußerst selten. Meist kommt Arsen in Verbindungen wie Sulfiden vor. Das wichtigste Arsenerz ist der Arsenkies $(FeAsS)$. Arsenate (Salze der Arsensäure $H_3AsO_4$) kommen aufgrund der vergleichbaren Löslichkeit oft in phosphorhaltigen Gesteinen vor. Arsen zeigt Oxidationsstufen von -3 bis +5, dabei ist der Bindungspartner entscheidend. Es kann also Verbindungen mit Metallen sowie Nichtmetallen eingehen und weist daher eine große Bandbreite an möglichen Verbindungen auf. Reines Arsen besitzt mehrere Modifikationen. Diese unterscheiden sich in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften. Arsen wurde in früheren Zeiten gern als Gift eingesetzt. Heute ist diese Verwendung aufgrund der guten Nachweisbarkeit nicht mehr aktuell. Arsen wurde häufig in Legierungen für Kupfer eingesetzt, um es besser verarbeiten zu können. Heute spielt es eine Rolle bei der Dotierung von Halbleitern in der Elektronik.