le germanium C'est un élément métalloïde qui est représenté par le symbole chimique Ge et qui appartient au groupe 14 du tableau périodique. Il se trouve sous le silicium et partage beaucoup de ses propriétés physiques et chimiques avec lui; à tel point qu'autrefois son nom était Ekasilicio, prédit par Dmitri Mendeleev lui-même.
Son nom actuel a été donné par Clemens A. Winkler, en l'honneur de son pays natal, l'Allemagne. Par conséquent, le germanium est lié à ce pays, et que c'est la première image qui évoque à l'esprit ceux qui ne le connaissent pas trop..
Le germanium, comme le silicium, est constitué de cristaux covalents de réseaux tétraédriques tridimensionnels avec des liaisons Ge-Ge. De même, il peut se trouver sous forme monocristalline, dans laquelle ses grains sont gros, ou polycristallins, composés de centaines de petits cristaux..
C'est un élément semi-conducteur à pression ambiante, mais lorsqu'il dépasse 120 kbar, il devient un allotrope métallique; c'est-à-dire que les liaisons Ge-Ge sont peut-être rompues et elles sont disposées individuellement enveloppées dans la mer de leurs électrons.
Il est considéré comme un élément non toxique, car il peut être manipulé sans aucun type de vêtement de protection; bien que son inhalation et sa consommation excessive puissent conduire aux symptômes classiques d'irritation chez les individus. Sa pression de vapeur est très faible, donc sa fumée est peu susceptible de provoquer un incendie.
Cependant, les germaniums inorganiques (sels) et organiques peuvent être dangereux pour l'organisme, malgré le fait que leurs atomes de Ge interagissent de manière mystérieuse avec les matrices biologiques..
On ne sait pas vraiment si le germanium organique peut être considéré comme un remède miracle pour traiter certains troubles comme une médecine alternative. Cependant, les études scientifiques ne soutiennent pas ces allégations, mais les rejettent et qualifient cet élément même de cancérigène..
Le germanium 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 de leurs applications; Il est également transparent au rayonnement infrarouge, ce qui le rend utile pour fabriquer des détecteurs de chaleur à partir de différentes sources ou régions..
Index des articles
Le germanium était l'un des éléments dont l'existence a été prédite en 1869 par le chimiste russe Dmitri Mendeleev dans son tableau périodique. Il l'a provisoirement appelé ekasilicon et l'a placé dans un espace du tableau périodique entre l'étain et le silicium..
En 1886, Clemens A. Winkler a découvert du germanium dans un échantillon minéral d'une mine d'argent près de Freiberg, en Saxe. C'était le minéral appelé argyrodite, en raison de sa forte teneur en argent, et vient d'être découvert en 1885.
L'échantillon d'argyrodite contenait 73 à 75% d'argent, 17 à 18% de soufre, 0,2% de mercure et 6 à 7% d'un nouvel élément, que Winkler nomma plus tard germanium..
Mendeleev avait prédit que la densité de l'élément à découvrir devrait être de 5,5 g / cm3 et son poids atomique autour de 70. Ses prédictions se sont avérées assez proches de celles faites par le germanium.
En 1886, Winkler a pu isoler le nouveau métal et l'a trouvé semblable à l'antimoine, mais il a reconsidéré et s'est rendu compte que l'élément qu'il avait découvert correspondait à l'ekasilicon..
Winkler a nommé l'élément «germanium» provenant du mot latin «germania», un mot qu'ils utilisaient pour décrire l'Allemagne. Pour cette raison, Winkler a nommé le nouvel élément germanium, d'après son Allemagne natale..
En 1887, Winkler a déterminé les propriétés chimiques du germanium, trouvant un poids atomique de 72,32 par une analyse du tétrachlorure de germanium pur (GeCl4).
Pendant ce temps, Lecoq de Boisbaudran a déduit un poids atomique de 72,3 en étudiant le spectre d'étincelles de l'élément. Winkler a préparé plusieurs nouveaux composés à partir de germanium, notamment des fluorures, des chlorures, des sulfures et des dioxydes..
Dans les années 1920, des recherches sur les propriétés électriques du germanium ont conduit au développement de germanium monocristallin de haute pureté..
Ce développement a permis l'utilisation du germanium dans les diodes, les redresseurs et les récepteurs radar micro-ondes pendant la Seconde Guerre mondiale..
La première application industrielle est venue après la guerre en 1947, avec l'invention des transistors au germanium par John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley, qui étaient utilisés dans les équipements de communication, les ordinateurs et les radios portables..
En 1954, les transistors en silicium de haute pureté ont commencé à déplacer les transistors au germanium en raison des avantages électroniques qu'ils possédaient. Et dans les années 1960, les transistors au germanium avaient pratiquement disparu..
Le germanium s'est avéré être un élément clé dans la fabrication de lentilles et de fenêtres infrarouges (IR). Dans les années 1970, des cellules voltaïques (PVC) au silicium germanium (SiGe) ont été produites et restent essentielles pour l'exploitation des satellites..
Dans les années 90, le développement et l'expansion de la fibre optique ont accru la demande de germanium. L'élément est utilisé pour former le noyau de verre des câbles à fibres optiques.
À partir de 2000, les PVC à haut rendement et les diodes électroluminescentes (LED) utilisant du germanium ont entraîné une augmentation de la production et de la consommation de germanium..
Blanc argenté et brillant. Lorsque son solide est constitué de nombreux cristaux (polycristallins), il présente une surface écailleuse ou ridée, pleine de nuances et d'ombres. Parfois, il peut même apparaître comme grisâtre ou noir comme du silicium..
Dans des conditions standard, il s'agit d'un élément semi-métallique, éclat cassant et métallique..
Le germanium est un semi-conducteur, peu ductile. Il a un indice de réfraction élevé pour la lumière visible, mais est transparent pour le rayonnement infrarouge, étant utilisé dans les fenêtres des équipements pour détecter et mesurer ces rayonnements..
72,63 unités
32
938,25 ºC
2 833 ºC
À température ambiante: 5,323 g / cm3
Au point de fusion (liquide): 5,60 g / cm3
Le germanium, comme le silicium, le gallium, le bismuth, l'antimoine et l'eau, se dilate en se solidifiant. Pour cette raison, sa densité est plus importante à l'état liquide qu'à l'état solide..
36,94 kJ / mol
334 kJ / mol
23,222 J / (mol K)
À une température de 1 644 K, sa pression de vapeur n'est que de 1 Pa. Cela signifie que son liquide n'émet pratiquement pas de vapeurs à cette température, donc cela n'implique pas de risque d'inhalation..
2.01 sur l'échelle de Pauling
-Premier: 762 kJ / mol
-Deuxième: 1537 kJ / mol
-Troisième: 3302,1 kJ / mol
60,2 W / (m K)
1 Ω · m à 20 ºC
3S cm-1
Diamagnétique
6,0 sur l'échelle de Mohs
Relativement stable. Il n'est pas affecté par l'air à température ambiante et s'oxyde à des températures supérieures à 600 ºC.
6 10-1 N / m à 1673,1 K
Il s'oxyde à des températures supérieures à 600 ° C pour former du dioxyde de germanium (GeOdeux). Le germanium donne naissance à deux formes d'oxydes: le dioxyde de germanium (GeOdeux) et monoxyde de germanium (GeO).
Les composés de germanium présentent généralement l'état d'oxydation +4, bien que dans de nombreux composés, le germanium se présente avec l'état d'oxydation +2. L'état d'oxydation - 4 se produit, par exemple dans le germanure de magnésium (MgdeuxGe).
Le germanium réagit avec les halogènes pour former des tétrahalogénures: tétrafluorure de germanium (GeF4), composé gazeux; tétraiodure de germanium (GeI4), composé solide; tétrachlorure de germanium (GeCl4) et le tétrabromure de germanium (GeBr4), les deux composés liquides.
Le germanium est inerte vis-à-vis de l'acide chlorhydrique; mais il est attaqué par l'acide nitrique et l'acide sulfurique. Bien que les hydroxydes en solution aqueuse aient peu d'effet sur le germanium, ils se dissolvent facilement dans les hydroxydes fondus pour former des géronates..
Le germanium a quatre électrons de valence selon sa configuration électronique:
[Ar] 3ddix 4 sdeux 4pdeux
Comme le carbone et le silicium, leurs atomes de Ge hybrident leurs orbitales 4s et 4p pour former quatre orbitales hybrides sp.3. Avec ces orbitales, ils se lient pour satisfaire l'octet de valence et, par conséquent, ont le même nombre d'électrons que le gaz rare de la même période (krypton).
De cette façon, les liaisons covalentes Ge-Ge apparaissent, et ayant quatre d'entre eux pour chaque atome, les tétraèdres environnants sont définis (avec un Ge au centre et les autres aux sommets). Ainsi, un réseau tridimensionnel est établi par le déplacement de ces tétraèdres le long du cristal covalent; qui se comporte comme une énorme molécule.
Le cristal de germanium covalent adopte la même structure cubique à faces centrées que le diamant (et le silicium). Cet allotrope est appelé α-Ge. Si la pression augmente à 120 kbar (environ 118000 atm), la structure cristalline de α-Ge devient tétragonale centrée sur le corps (BCT, pour son acronyme en anglais: tétragonale centrée sur le corps).
Ces cristaux de BCT correspondent au deuxième allotrope du germanium: le β-Ge, où les liaisons Ge-Ge sont rompues et disposées isolément, comme cela se produit avec les métaux. Ainsi, α-Ge est semi-métallique; tandis que β-Ge est métallique.
Le germanium peut soit perdre ses quatre électrons de valence, soit en gagner quatre de plus pour devenir isoélectronique avec le krypton..
Lorsqu'il perd des électrons dans ses composés, on dit qu'il a des nombres positifs ou des états d'oxydation, dans lesquels l'existence de cations avec les mêmes charges que ces nombres est supposée. Parmi ceux-ci, nous avons le +2 (Gedeux+), le +3 (Ge3+) et le +4 (Ge4+).
Par exemple, les composés suivants ont du germanium avec des indices d'oxydation positifs: GeO (Gedeux+OU ALORSdeux-), GeTe (Gedeux+Thédeux-), GedeuxCl6 (Gedeux3+Cl6-), GeOdeux (Ge4+OU ALORSdeuxdeux-) et GeSdeux (Ge4+Sdeuxdeux-).
Alors que lorsqu'il gagne des électrons dans ses composés, il a des indices d'oxydation négatifs. Parmi eux, le plus courant est -4; c'est-à-dire que l'existence de l'anion Ge est supposée4-. En germanides, cela se produit, et comme exemples d'entre eux, nous avons le Li4Ge (Li4+Ge4-) et MgdeuxGe (mgdeuxdeux+Ge4-).
Le germanium est un élément relativement rare de la croûte terrestre. Peu de minéraux en contiennent une quantité appréciable, parmi lesquels on peut citer: l'argyrodite (4AgdeuxS · GeSdeux), germanite (7CuS · FeS · GeSdeux), briartite (CudeuxFeGeS4), reniérite et canfieldite.
Ils ont tous quelque chose en commun: ce sont du soufre ou des minéraux sulfureux. Par conséquent, le germanium prédomine dans la nature (ou du moins ici sur Terre), comme GeSdeux et pas GeOdeux (contrairement à son homologue SiOdeux, silice, largement répandue).
En plus des minéraux mentionnés ci-dessus, on a également trouvé du germanium à des concentrations massiques de 0,3% dans les gisements de charbon. En outre, certains micro-organismes peuvent le traiter pour générer de petites quantités de GeHdeux(CH3)deux et GeH3(CH3), qui finissent par se déplacer vers les rivières et les mers.
Le germanium est un sous-produit de la transformation de métaux tels que le zinc et le cuivre. Pour l'obtenir, il doit subir une série de réactions chimiques pour réduire son soufre en métal correspondant; c'est-à-dire emporter le GeSdeux ses atomes de soufre pour qu'il reste comme Ge simplement.
Les minéraux sulfureux subissent un processus de torréfaction dans lequel ils sont chauffés avec l'air pour que l'oxydation se produise:
GeSdeux + 3 Odeux → GeOdeux + 2 SOdeux
Pour séparer le germanium du résidu, il est transformé en son chlorure respectif, qui peut être distillé:
Géodeux + 4 HCl → GeCl4 + 2 heuresdeuxOU ALORS
Géodeux + 2 cldeux → GeCl4 + OU ALORSdeux
Comme on peut le voir, la transformation peut être effectuée à l'aide d'acide chlorhydrique ou de chlore gazeux. Le GeCl4 puis s'hydrolyse de nouveau en GeOdeux, il précipite donc sous forme de solide blanchâtre. Enfin, l'oxyde réagit avec l'hydrogène pour se réduire en germanium métallique:
Géodeux + 2 heuresdeux → Ge + 2 HdeuxOU ALORS
Réduction qui peut également être faite avec du charbon de bois:
Géodeux + C → Ge + COdeux
Le germanium obtenu est constitué d'une poudre qui est moulée ou tassée en barres métalliques, à partir de laquelle des cristaux de germanium radiants peuvent être développés..
Le germanium ne possède aucun isotope d'une grande abondance dans la nature. 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 la moyenne de toutes les masses atomiques avec les abondances respectives des isotopes.
Isotope 76Ge est en fait radioactif; mais sa demi-vie est si grande (t1/2= 1,78 × 10vingt-et-un ans) qui fait pratiquement partie des cinq isotopes les plus stables du germanium. D'autres radio-isotopes, tels que 68Ge et 71Ge, tous deux synthétiques, ont des demi-vies plus courtes (270,95 jours et 11,3 jours, respectivement).
Les risques environnementaux pour le germanium sont quelque peu controversés. Étant un métal légèrement lourd, une propagation de ses ions à partir de sels solubles dans l'eau pourrait infliger des dommages à l'écosystème; c'est-à-dire que les animaux et les plantes peuvent être affectés par la consommation d'ions Ge3+.
Le germanium élémentaire est sans danger tant qu'il n'est pas en poudre. S'il est dans la poussière, un courant d'air peut l'entraîner vers des sources de chaleur ou des substances hautement oxydantes; et par conséquent il existe un risque d'incendie ou d'explosion. De même, ses cristaux peuvent se retrouver dans les poumons ou les yeux, provoquant de graves irritations..
Une personne peut manipuler en toute sécurité un disque de germanium 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 ses sels, oxydes et hydrures. Par exemple, le GeH4 ou germanique (analogue à CH4 et YesH4), c'est un gaz très irritant et inflammable.
Il existe maintenant des sources organiques de germanium; Parmi eux, on peut citer le 2-carboxyéthylgermasquioxane ou le germanium-132, une alternative complémentaire connue pour traiter certaines affections; bien qu'avec des preuves mises en doute.
Certains des effets médicinaux attribués au germanium-132 sont de renforcer le système immunitaire, c'est pourquoi il aide à combattre le cancer, le VIH et le sida; régule les fonctions du corps, améliore le degré d'oxygénation du sang, élimine les radicaux libres; et guérit également l'arthrite, le glaucome et les maladies cardiaques.
Cependant, le germanium organique a été associé à de graves dommages aux reins, au foie et au système nerveux. C'est pourquoi il existe un risque latent lorsqu'il s'agit de consommer ce supplément de germanium; Eh bien, bien qu'il y ait ceux qui le considèrent comme un remède miracle, il y en a d'autres qui préviennent qu'il n'offre aucun avantage scientifiquement prouvé.
Le germanium est transparent au rayonnement infrarouge; c'est-à-dire qu'ils peuvent le traverser sans être absorbés.
Grâce à cela, des lunettes et des lentilles en germanium ont été conçues pour les dispositifs optiques infrarouges; par exemple, couplé à un détecteur IR pour l'analyse spectroscopique, dans des lentilles utilisées dans les télescopes spatiaux infrarouges lointains pour étudier les étoiles les plus éloignées de l'Univers, ou dans des capteurs de lumière et de température.
Le rayonnement infrarouge est associé à des vibrations moléculaires ou à des sources de chaleur; donc les appareils utilisés dans l'industrie militaire pour visualiser les cibles avec vision nocturne ont des composants en germanium.
Le germanium en tant que métalloïde semi-conducteur a été utilisé pour construire des transistors, des circuits électriques, des diodes électroluminescentes et des micropuces. Dans ce dernier, les alliages germanium-silicium, et même le germanium, ont commencé à eux seuls à remplacer le silicium, de sorte que des circuits plus petits et plus puissants peuvent être conçus..
Sa rouille, GeOdeux, En raison de son indice de réfraction élevé, il est ajouté aux verres afin qu'ils puissent être utilisés en microscopie, objectifs grand angle et fibre optique..
Le germanium est non seulement venu remplacer le silicium dans certaines applications électroniques, mais il peut également être couplé à l'arséniure de gallium (GaAs). Ainsi, ce métalloïde est également présent dans les panneaux solaires.
Le GeOdeux il a été utilisé comme catalyseur pour des réactions de polymérisation; par exemple, dans celui nécessaire à la synthèse du polyéthylène téréphtalate, un plastique avec lequel sont fabriquées les bouteilles brillantes vendues au Japon.
De même, les nanoparticules de leurs alliages de platine catalysent des réactions redox où elles impliquent la formation d'hydrogène gazeux, rendant ces cellules voltaïques plus efficaces..
Enfin, il a été mentionné qu'il existe des alliages Ge-Si et Ge-Pt. En plus de cela, ses atomes de Ge peuvent être ajoutés aux cristaux d'autres métaux, tels que l'argent, l'or, le cuivre et le béryllium. Ces alliages présentent une ductilité et une résistance chimique supérieures à celles de leurs métaux individuels..
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