Histoire de Germanio, propriétés, structure, obtenez, utilise

Il germanium Il s'agit d'un élément métalloïde qui est représenté par le symbole chimique GE et qui appartient au groupe 14 du tableau périodique. Il est sous le silicium et partage avec autant de ses propriétés physiques et chimiques; À tel point que son nom était Ekasilicio, prédit par Dmitri Mendelev lui-même.

Son nom actuel a été donné par Clemens à. Winkler, en l'honneur de sa patrie en Allemagne. Par conséquent, le Germanio est lié à ce pays, et que c'est la première image qui évoque l'esprit qui ne le connaît pas trop.

Germanio ultra échantillon. Source: Images haute résolution d'éléments chimiques [CC par 3.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / par / 3.0)]

Le Germanio, comme le silicium. De même, il peut être trouvé sous forme monochrystalline, dans laquelle ses grains sont grands, ou polyristalines, composés de centaines de petits cristaux.

C'est un élément semi-conducteur à pression ambiante, mais lorsqu'elle s'élève au-dessus des 120 kbar, elle devient un alotrope métallique; C'est-à-dire que les obligations GE-Ge sont peut-être brisées et qu'elles sont disponibles individuellement enveloppées dans la mer de leurs électrons.

Il est considéré comme un élément non toxique, car il peut être manipulé sans aucun vêtements de protection; Bien que son inhalation et son apport excessif puissent entraîner des symptômes classiques d'irritation chez les individus. Votre pression de vapeur est très faible, il est donc peu probable que votre fumée puisse provoquer un feu.

Cependant, les Allemands inorganiques (sels) et biologiques peuvent être dangereux pour l'organisme, malgré le fait que leurs atomes de Ge interagissent mystérieusement avec les matrices biologiques.

On ne sait pas vraiment si le germanio biologique peut être considéré comme un remède miraculeux pour traiter certains troubles comme un médicament alternatif. Cependant, les études scientifiques ne soutiennent pas ces déclarations, mais les rejettent et appellent cet élément même comme un cancérigène.

Germanio n'est pas seulement un semi-conducteur, accompagnant le silicium, le sélénium, le gallium et toute une série d'éléments dans le monde des matériaux semi-conducteurs et leurs applications; Mais aussi, il est transparent aux rayonnements infrarouges, il est donc utile pour la fabrication de détecteurs de chaleur de différentes sources ou régions.

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Histoire

Prédictions Mendeleev

Le Germanio était l'un des éléments dont l'existence a été prévue en 1869 par le chimiste russe Dmitri Mendeleev dans son tableau périodique. Provisoirement appelé ekasilicio et l'a placé dans un espace dans la table périodique entre l'étain et le silicium.

En 1886, Clemens A. Winkler a découvert Germanio dans un échantillon minéral d'une mine d'argent près de Freiberg, Saxe. C'était le minéral appelé Argirodita, pour sa haute teneur en argent, et nouvellement découvert en 1885.

L'échantillon Argirodite contenait 73 à 75% d'argent, 17-18% de soufre, 0,2% de mercure et 6 à 7% d'un nouvel élément, qui plus tard Winkler a nommé Germanio.

Mendeleev avait prédit que la densité de l'élément à découvrir doit être de 5,5 g / cm³ et son poids atomique vers 70. Ses prédictions se sont avérées assez proches de celles présentées par Germanio.

Isolement et nom

En 1886, Winkler a pu isoler le nouveau métal et l'a trouvé similaire à l'antimoine, mais a reconsidéré et réalisé que l'élément qu'il avait découvert correspondait à l'Ekasilicio.

Winkler a nommé l'élément «Germanio» provenant du mot latin «Germania», un mot qu'ils ont utilisé pour appeler l'Allemagne. Pour cette raison, Winkler a nommé le nouvel élément de Germanio, en l'honneur de son pays natal, l'Allemagne.

Détermination de ses propriétés

En 1887, Winkler a déterminé les propriétés chimiques de Germanio, trouvant un poids atomique de 72,32 à travers une analyse du pur tétrachlorure de Germanio (GECL₄).

Pendant ce temps, Lecoq de Boisbaudran a déduit un poids atomique de 72,3 en étudiant le spectre Spark de l'élément. Winkler a préparé plusieurs nouveaux composés de germanium, notamment des fluorures, des chlorures, des sulfures et des dioxydes.

Dans les années 1920, des recherches sur les propriétés électriques de Germanio ont produit le développement d'un germanio monochronique de haute pureté.

Ce développement a permis l'utilisation de Germanio dans les diodes, les redresseurs et les récepteurs radar micro-ondes pendant la Seconde Guerre mondiale.

Développement de vos applications

La première application industrielle s'est produite après la guerre en 1947, avec l'invention des transistors de Germanio par John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley, qui ont été utilisés dans les communications, les ordinateurs et les radios portables.

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En 1954, les transistors en silicium de haute pureté ont commencé à se déplacer vers les transistors de Germanio en raison des avantages électroniques qu'ils possédaient. Et pour les années 1960, les transistors Germanio avaient pratiquement disparu.

Le Germanio s'est avéré être un élément clé de l'élaboration des lentilles et fenêtres infrarouges (IR). Dans les années 1970, les cellules voltaïques (PVC) du silicium et du Germanio (SIGE) ont été produites qui restent essentielles pour les opérations satellites.

Dans les années 1990, le développement et l'expansion des fibres optiques ont augmenté la demande de Germanio. L'élément est utilisé pour former le noyau en verre des câbles à fibre optique.

En 2000, les PVC à haute efficacité et les diodes émettant de la lumière (LED) qui utilisent Germanio, ont produit une augmentation de la production et de la consommation de Germanio.

Proprietes physiques et chimiques

Apparence

Argent et blanc brillant. Lorsque leur solide est formé par de nombreux cristaux (Polyristaline), il a une surface arcte ou ridée, pleine de visions et d'ombres. Parfois, vous pouvez même donner l'apparence d'être aussi grisâtre ou noir que le silicium.

Dans des conditions standard, il s'agit d'un élément de luminosité semi-émétallique, cassant et métallique.

Germanio est un semi-conducteur, pas très ductile. Il a un indice de réfraction élevé pour la lumière visible, mais il est transparent pour le rayonnement infrarouge, utilisé dans les fenêtres de l'équipement pour détecter et mesurer ces rayonnements.

Poids atomique standard

72.63 u

Numéro atomique (z)

32

Point de fusion

938.25 ºC

Point d'ébullition

2.833 ºC

Densité

À température ambiante: 5 323 g / cm³

Au point de fusion (liquide): 5,60 g / cm³

Germanio ainsi que le silicium, le gallium, le bismuth, l'antimoine et l'eau se développent pour se solidifier. Pour cette raison, sa densité est plus élevée à l'état liquide que dans le solide.

Chaleur de fusion

36,94 kJ / mol

Chaleur de vaporisation

334 kJ / mol

Capacité calorique molaire

23 222 J / (mol · k)

La pression de vapeur

À une température 1.644 K Votre pression de vapeur n'est que 1 PA. Cela signifie que votre liquide émet à peine des vapeurs à cette température, donc cela n'implique pas un risque considéré comme inhalation.

Électronégativité

2.01 sur l'échelle Pauling

Énergies d'ionisation

-Premièrement: 762 kJ / mol

-Deuxième: 1.537 kJ / mol

-Troisième: 3.302.1 kJ / mol

Conductivité thermique

60,2 w / (m · k)

Résistivité électrique

1 Ω · m à 20 ºC

Conductivité électrique

3 S CM^-1

Ordre magnétique

Diamagnétique

Dureté

6.0 sur l'échelle Mohs

La stabilité

Relativement stable. Il n'est pas affecté par l'air à température ambiante et s'oxyde à des températures supérieures à 600 ºC.

Tension superficielle

6 · 10^-1 N / m a 1.673.1 K

Réactivité

Oxyde à des températures supérieures à 600 ºC pour former le dioxyde de Germanio (GEO₂). Germanio provient de deux formes d'oxydes: le dioxyde de Germanio (GEO₂) et le monoxyde de Germanio (Geo).

Les composés de germanium présentent généralement l'état d'oxydation + 4, bien que dans de nombreux composés, le Germanio soit présenté avec l'état d'oxydation +2. L'état d'oxydation - 4 est présenté, par exemple au magnésium allemand (Mg₂Ge).

Germanio réagit avec les halogènes pour former des tétrahaluros: Tetrafluorure de Germanio (GEF₄), composé gazeux; Germanio Tetrayoduro (GES₄), composé solide; Tétrachlorure de Germanio (GECL₄) et Germanio Tetrabromuro (Gebr₄), Les deux composés liquides.

Germanio est inerte contre l'acide chlorhydrique; Mais il est attaqué par l'acide nitrique et l'acide sulfurique. Bien que les hydroxydes de solution d'eau aient peu d'effet sur le Germanio, il se dissout facilement dans des hydroxydes fondus pour former des germanates.

Structure et configuration électroniques

Germanio et ses liens

Le Germanio possède quatre électrons de Valence selon sa configuration électronique:

[Ar] 3d^dix 4s² 4p²

Comme le carbone et le silicium, ses atomes GE hybrident ses orbitales 4S et 4P pour former quatre orbitales hybrides SP³. Avec ces orbitales, ils sont liés pour satisfaire l'octet de Valence et, par conséquent, ont le même nombre d'électrons que le noble gaz de la même période (Kripton).

De cette façon, les liaisons covalentes GE-Ge surviennent, et en ayant quatre pour chaque atome, les environnements tétraèdes sont définis (avec un GE au centre et les autres dans les sommets). Ainsi, un réseau à trois dimensions est établi en raison du déplacement de ces tétraèdres le long du verre covalent; qui se comporte comme s'il s'agissait d'une énorme molécule.

Alotropes

Le verre covalent de Germanio adopte la même structure cubique centrée sur les faces de diamant (et le silicium). Cet alotrope est connu sous le nom de α-ge. Si la pression augmente jusqu'à 120 kbar (environ 118.000 atm), la structure cristalline de α-ge devient un tétragonal centré sur le corps (BCT).

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Ces cristaux BCT correspondent au deuxième alotrope de Germanio: le β-ge, où les liens Ge-Ge sont cassés et isolés, comme cela se produit avec les métaux. Ainsi, α-GE est semitallique; tandis que β-ge est métallique.

Nombres d'oxydation

Le Germanio pourrait bien perdre ses quatre électrons de Valence, ou en gagner quatre autres pour devenir isoléctronique avec le Kripton.

Lorsque dans ses composés, il perd des électrons, il est dit qu'il a des nombres ou des états d'oxydation positifs, dans lesquels l'existence de cations est supposée avec les mêmes charges que ces chiffres. Parmi ceux-ci, nous avons +2 (ge²⁺), Le +3 (ge³⁺) et le +4 (ge⁴⁺).

Par exemple, les composés suivants ont un germanio avec des nombres d'oxydation positifs: GEO (GE²⁺SOIT^2-), Gee (ge²⁺Thé^2-), Ge₂CL₆ (GE₂³⁺CL₆^-), Geo₂ (GE⁴⁺SOIT₂^2-) et ges₂ (GE⁴⁺S₂^2-).

Alors que lorsque les électrons gagnent dans ses composés, il a des nombres d'oxydation négatifs. Parmi eux les plus communs, est -4; c'est-à-dire l'existence du GE^4-. Dans les allemandos, cela se produit, et comme des exemples d'entre eux, nous avons le Li₄Ge (li₄⁺Ge^4-) et mg₂Ge (mg₂²⁺Ge^4-).

Où est-il et obtenez

Minéraux sulfureux

Échantillon minéral argirodite, de peu d'abondance mais un minerai unique pour l'extraction de Germanio. Source: Rob Lavinsky, Irocks.com-cc-by-sa-3.0 [cc by-sa 3.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)]

Germanio est un élément relativement rare de la croûte terrestre. Il y a peu de minéraux qui en contiennent une quantité appréciable, parmi lesquels nous pouvons mentionner: Argirodita (4AG₂S · ges₂), Germanita (7cus · Fest₂), Briartita (cu₂Feges₄), Renierita et Canfieldita.

Ils ont tous quelque chose en commun: ce sont des minéraux soufrés ou sulfureux. Par conséquent, Germanio prédomine dans la nature (ou du moins ici sur terre), comme un geste₂ Et pas Geo₂ (Contrairement à son homologue Sio₂, silice, largement disséminée).

En plus des minéraux mentionnés ci-dessus, le Germanio a également été trouvé dans des concentrations de masse de 0,3% dans les dépôts de charbon. De plus, certains micro-organismes peuvent le traiter pour générer de petites quantités de GEH₂(Ch₃)₂ et Geh₃(Ch₃), qui finit par déplacé vers les rivières et les mers.

Germanio est un produit secondaire du traitement des métaux tels que le zinc et le cuivre. Pour l'obtenir, vous devez subir une série de réactions chimiques pour réduire votre sulfure dans le métal correspondant; c'est-à-dire enlever les ges₂ ses atomes de soufre pour qu'il soit simplement ge.

Grillé

Les minéraux sulfureux sont soumis à un processus rôti dans lequel ils chauffent avec l'air pour que les oxydations se produisent:

Gesme₂ + 3 o₂ → Geo₂ + 2 Alors₂

Pour séparer le Germanio du résidu, il devient son chlorure respectif, qui peut être distillé:

Géo₂ + 4 HCL → GECL₄ + 2 h₂SOIT

Géo₂ + 2 CL₂ → GECL₄ + SOIT₂

Comme on peut le voir, la transformation peut être effectuée à l'aide d'acide chlorhydrique ou de chlore. Le gecl₄ Il est ensuite hydrolysé à Geo₂, Alors précipite comme un solide blanchâtre. Enfin, l'oxyde réagit avec l'hydrogène pour réduire le germanium métallique:

Géo₂ + 2 h₂ → GE + 2 H₂SOIT

Réduction qui peut également être effectuée avec du charbon:

Géo₂ + C → GE + CO₂

Le Germanio obtenu se compose d'une poudre moulée ou apisisona dans des barres métalliques, dont les cristaux de Germanio peuvent pousser.

Isotopes

Germanio ne possède dans la nature aucun isotope de grande abondance. Au lieu de cela, il a cinq isotopes dont les abondances sont relativement faibles: ⁷⁰GE (20,52%), ⁷²GE (27,45%), ⁷³GE (7,76%), ⁷⁴Ge (36,7%) et ⁷⁶GE (7,75%). Notez que le poids atomique est de 72 630 U, ce qui fait en moyenne toutes les masses atomiques avec les abondances respectives des isotopes.

L'isotope ⁷⁶GE est en fait radioactif; Mais sa demi-vie est si grande (t_1/2= 1.78 × 10^vingt-et-un ans) qui compte pratiquement parmi les cinq isotopes de germanium les plus stables. D'autres radio-isotopes, comme ⁶⁸Ge et ⁷¹GE, tous deux synthétiques, ont des temps de vie plus courts (270,95 jours et 11,3 jours, respectivement).

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Des risques

Germanio élémentaire et inorganique

Les environnements de germanium sont un peu controversés. Étant un métal légèrement lourd, une propagation de ses ions à partir de sels solubles dans l'eau pourrait violer l'écosystème; c'est-à-dire que les animaux et les plantes peuvent être affectés par la consommation de GE³⁺.

Germanio élémentaire ne représente aucun risque tant qu'il n'est pas pulvérisé. S'il est en poudre, un courant d'air peut le faire glisser vers des sources de chaleur ou des substances hautement oxydantes; Et par conséquent, il y a un risque d'incendie ou d'explosion. De plus, leurs cristaux peuvent se terminer dans les poumons ou les yeux, provoquant de fortes irritations.

Une personne peut manipuler tranquillement un album allemand dans son bureau sans se soucier d'un accident. Cependant, on ne peut pas en dire autant de ses composés inorganiques; c'est-à-dire leurs sels, oxydes et hydrades. Par exemple, le GEH₄ ou allemand (analogue à Cho₄ Et oui₄), C'est un gaz assez irritant et inflammable.

Germanio biologique

Maintenant, il existe des sources biologiques de germanium; Parmi eux, il peut être mentionné à 2-carboxyéthylestilmasquiooxan ou germanio-132, un supplément alternatif connu pour traiter certaines maladies; bien qu'avec des preuves placées dans le doute.

Certains des effets médicinaux attribués à GermaniO-132 consistent à renforcer le système immunitaire, il aide donc à lutter contre le cancer, le VIH et le sida; Régularise les fonctions corporelles, ainsi que le degré d'oxygénation dans le sang, élimine les radicaux libres; Et guérit également l'arthrite, le glaucome et les maladies cardiaques.

Cependant, le Germanio biologique a été lié à de graves dommages aux reins, au foie et au système nerveux. C'est pourquoi il y a un risque latent lors de la consommation de ce supplément de Germanio; Bien qu'il y ait ceux qui le considèrent comme un remède miraculeux, il y en a d'autres qui avertissent qu'il n'offre aucun avantage scientifiquement prouvé.

Applications

Optique infrarouge

Certains capteurs de rayonnement infrarouge sont faits de Germanio ou de leurs alliages. Source: Adafruit Industries via Flickr.

Germanio est transparent pour le rayonnement infrarouge; c'est-à-dire qu'ils peuvent le transférer sans être absorbé.

Grâce à cela, les objectifs Germanio et le verre pour les appareils infrarouges optiques ont été construits; Par exemple, couplé à un détecteur IR pour l'analyse spectroscopique, dans les lentilles utilisées dans des télescopes spatiaux infrarouges distants pour étudier les étoiles les plus éloignées de l'univers, ou dans les capteurs de lumière et de température.

Le rayonnement infrarouge est associé à des vibrations moléculaires ou à des sources de chaleur; Ainsi, les appareils utilisés dans l'industrie militaire pour visualiser les objectifs avec la vision nocturne ont des composants fabriqués avec Germanio.

Matériau semi-conducteur

Diodes Germanio encapsulées dans du verre et utilisées dans les années 60 et 70. Source: Rolf Süssbrich [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)]

Germanio en tant que métalloïde semi-conducteur a été utilisé pour la construction de transistors, de circuits électriques, de diodes émettrices de lumière et de micropuces. Dans ce dernier, les alliages Germanio-Silicio, et même Germanio, ont en eux-mêmes commencé à remplacer le silicium, afin que des circuits de plus en plus petits et puissants puissent être conçus plus petits et plus.

Votre oxyde, Geo₂, En raison de son indice de réfraction élevé, du verre est ajouté afin qu'ils puissent être utilisés en microscopie, un grand angle et des fibres optiques.

Germanio a non seulement remplacé le silicium dans certaines applications électroniques, mais peut également être couplée au gallium arseniuro (GaAs). Ainsi, ce métalloïde est également présent dans les panneaux solaires.

Catalyseurs

Le géo₂ Il a été utilisé comme catalyseur pour les réactions de polymérisation; Par exemple, dans le nécessaire à la synthèse du téréphtalate de polyéthylène, du plastique avec lequel des bouteilles lumineuses commercialisées au Japon sont fabriquées.

De plus, les nanoparticules de leurs alliages avec le platine catalysent les réactions redox où elles impliquent la formation d'hydrogène gazeux, renvoyant ces cellules voltaïques plus efficaces.

Alliages

Enfin, il a été mentionné qu'il y a des alliages Ge-Si et Ge-PT. En plus de cela, leurs atomes de GE peuvent être ajoutés aux cristaux d'autres métaux, comme l'argent, l'or, le cuivre et le béryllium. Ces alliages présentent une plus grande ductilité et une résistance chimique que leurs métaux individuels.

Les références

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