Il germanio È un elemento metalloide rappresentato dal simbolo chimico Ge e che appartiene al gruppo 14 della tavola periodica. Si trova sotto il silicio e condivide con esso molte delle sue proprietà fisiche e chimiche; tanto che una volta il suo nome era Ekasilicio, predetto dallo stesso Dmitri Mendeleev.
Il suo nome attuale è stato dato da Clemens A. Winkler, in onore della sua terra natale, la Germania. Quindi il germanio è legato a questo paese, e questa è la prima immagine che evoca alla mente chi non lo conosce troppo..
Il germanio, come il silicio, è costituito da cristalli covalenti di reticoli tetraedrici tridimensionali con legami Ge-Ge. Allo stesso modo, può essere trovato in forma monocristallina, in cui i suoi grani sono grandi, o policristallini, composti da centinaia di piccoli cristalli..
È un elemento semiconduttore a pressione ambiente, ma quando supera i 120 kbar diventa un allotropo metallico; cioè, forse i legami Ge-Ge sono rotti e sono disposti individualmente avvolti nel mare dei loro elettroni.
È considerato un elemento non tossico, in quanto può essere maneggiato senza alcun tipo di indumento protettivo; sebbene la sua inalazione e l'assunzione eccessiva possano portare ai classici sintomi di irritazione negli individui. La sua pressione di vapore è molto bassa, quindi è improbabile che il suo fumo provochi un incendio.
Tuttavia, i germani inorganici (sali) e organici possono essere pericolosi per il corpo, nonostante i loro atomi di Ge interagiscano in modo misterioso con le matrici biologiche..
Non è proprio noto se il germanio organico possa essere considerato una cura miracolosa per il trattamento di alcuni disturbi come medicina alternativa. Tuttavia, gli studi scientifici non supportano queste affermazioni, ma le rifiutano e marchiano questo elemento anche come cancerogeno..
Il germanio non è solo un semiconduttore, che accompagna silicio, selenio, gallio e tutta una serie di elementi nel mondo dei materiali semiconduttori e delle loro applicazioni; È anche trasparente alla radiazione infrarossa, rendendolo utile per la produzione di rilevatori di calore da diverse fonti o regioni..
Indice articolo
Il germanio era uno degli elementi la cui esistenza era stata predetta nel 1869 dal chimico russo Dmitri Mendeleev nella sua tavola periodica. Lo chiamò provvisoriamente ekasilicon e lo mise in uno spazio della tavola periodica tra stagno e silicio..
Nel 1886, Clemens A. Winkler scoprì il germanio in un campione di minerale proveniente da una miniera d'argento vicino a Freiberg, in Sassonia. Era il minerale chiamato argyrodite, a causa del suo alto contenuto di argento, e appena scoperto nel 1885.
Il campione di argyrodite conteneva il 73-75% di argento, il 17-18% di zolfo, lo 0,2% di mercurio e il 6-7% di un nuovo elemento, che in seguito Winkler chiamò germanio..
Mendeleev aveva previsto che la densità dell'elemento da scoprire dovrebbe essere di 5,5 g / cm3 e il suo peso atomico intorno a 70. Le sue previsioni si sono rivelate molto vicine a quelle fatte dal germanio.
Nel 1886, Winkler riuscì a isolare il nuovo metallo e lo trovò simile all'antimonio, ma riconsiderò e si rese conto che l'elemento che aveva scoperto corrispondeva all'ekasilicon..
Winkler ha chiamato l'elemento "germanio" derivato dalla parola latina "germania", una parola che hanno usato per descrivere la Germania. Per questo motivo, Winkler ha chiamato il nuovo elemento germanio, dopo la sua nativa Germania..
Nel 1887, Winkler determinò le proprietà chimiche del germanio, trovando un peso atomico di 72,32 mediante un'analisi del tetracloruro di germanio puro (GeCl4).
Nel frattempo, Lecoq de Boisbaudran ha dedotto un peso atomico di 72,3 studiando lo spettro della scintilla dell'elemento. Winkler ha preparato diversi nuovi composti dal germanio, inclusi fluoruri, cloruri, solfuri e diossidi..
Negli anni '20, le indagini sulle proprietà elettriche del germanio portarono allo sviluppo di germanio monocristallino di elevata purezza.
Questo sviluppo ha consentito l'uso del germanio in diodi, raddrizzatori e ricevitori radar a microonde durante la seconda guerra mondiale..
La prima applicazione industriale arrivò dopo la guerra nel 1947, con l'invenzione dei transistor al germanio di John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, che furono utilizzati nelle apparecchiature di comunicazione, nei computer e nelle radio portatili..
Nel 1954, i transistor al silicio di elevata purezza iniziarono a sostituire i transistor al germanio a causa dei vantaggi elettronici che possedevano. E negli anni '60, i transistor al germanio erano quasi del tutto scomparsi..
Il germanio si è rivelato un componente chiave nella realizzazione di lenti e finestre a infrarossi (IR). Negli anni '70 sono state prodotte celle voltaiche (PVC) al silicio germanio (SiGe) che rimangono fondamentali per le operazioni satellitari..
Negli anni '90, lo sviluppo e l'espansione delle fibre ottiche ha aumentato la domanda di germanio. L'elemento viene utilizzato per formare l'anima di vetro dei cavi in fibra ottica.
A partire dal 2000, PVC ad alta efficienza e diodi luminosi (LED) che utilizzano germanio hanno portato ad un aumento della produzione e del consumo di germanio..
Bianco argenteo e lucido. Quando il suo solido è composto da molti cristalli (policristallini), ha una superficie squamosa o rugosa, piena di sfumature e ombre. A volte può anche apparire grigiastro o nero come il silicio..
In condizioni standard è un elemento semimetallico, fragile e lucentezza metallica..
Il germanio è un semiconduttore, non molto duttile. Ha un alto indice di rifrazione per la luce visibile, ma è trasparente per la radiazione infrarossa, essendo utilizzato nelle finestre delle apparecchiature per rilevare e misurare queste radiazioni..
72.63 u
32
938,25 ºC
2.833 ºC
A temperatura ambiente: 5,323 g / cm3
Al punto di fusione (liquido): 5,60 g / cm3
Il germanio, come il silicio, il gallio, il bismuto, l'antimonio e l'acqua, si espande mentre si solidifica. Per questo motivo, la sua densità è maggiore allo stato liquido che allo stato solido..
36,94 kJ / mol
334 kJ / mol
23,222 J / (mol K)
Ad una temperatura di 1.644 K, la sua tensione di vapore è di solo 1 Pa. Ciò significa che il suo liquido non emette quasi nessun vapore a quella temperatura, quindi non implica il rischio di inalazione..
2.01 della scala Pauling
-Primo: 762 kJ / mol
-Secondo: 1.537 kJ / mol
-Terzo: 3.302,1 kJ / mol
60,2 W / (m · K)
1 Ω · ma 20 ºC
3S cm-1
Diamagnetico
6.0 sulla scala di Mohs
Relativamente stabile. Non è influenzato dall'aria a temperatura ambiente e si ossida a temperature superiori a 600 ºC.
6 10-1 N / ma 1.673,1 K.
Si ossida a temperature superiori a 600 ° C per formare biossido di germanio (GeODue). Il germanio dà origine a due forme di ossidi: il biossido di germanio (GeODue) e monossido di germanio (GeO).
I composti del germanio mostrano generalmente lo stato di ossidazione +4, sebbene in molti composti il germanio si presenti con lo stato di ossidazione +2. Lo stato di ossidazione - 4 si verifica, ad esempio nel germanuro di magnesio (MgDueGe).
Il germanio reagisce con gli alogeni per formare tetraalogenuri: il tetrafluoruro di germanio (GeF4), composto gassoso; tetraioduro di germanio (GeI4), composto solido; tetracloruro di germanio (GeCl4) e tetrabromuro di germanio (GeBr4), entrambi composti liquidi.
Il germanio è inerte nei confronti dell'acido cloridrico; ma è attaccato da acido nitrico e acido solforico. Sebbene gli idrossidi in soluzione acquosa abbiano scarso effetto sul germanio, si dissolve facilmente in idrossidi fusi per formare geronati..
Il germanio ha quattro elettroni di valenza in base alla sua configurazione elettronica:
[Ar] 3d10 4sDue 4pDue
Come il carbonio e il silicio, i loro atomi di Ge ibridano i loro orbitali 4s e 4p per formare quattro orbitali ibridi sp.3. Con questi orbitali si legano per soddisfare l'ottetto di valenza e, di conseguenza, hanno lo stesso numero di elettroni del gas nobile dello stesso periodo (krypton).
In questo modo sorgono i legami covalenti Ge-Ge, e avendone quattro per ogni atomo, vengono definiti i tetraedri circostanti (con un Ge al centro e gli altri ai vertici). Quindi, una rete tridimensionale è stabilita dallo spostamento di questi tetraedri lungo il cristallo covalente; che si comporta come se fosse un'enorme molecola.
Il cristallo di germanio covalente adotta la stessa struttura cubica centrata sulla faccia del diamante (e del silicio). Questo allotropo è noto come α-Ge. Se la pressione sale a 120 kbar (circa 118.000 atm), la struttura cristallina di α-Ge diventa body-centered tetragonal (BCT, per il suo acronimo in inglese: Body-centered tetragonal).
Questi cristalli BCT corrispondono al secondo allotropo del germanio: β-Ge, dove i legami Ge-Ge sono rotti e disposti isolatamente, come accade con i metalli. Quindi, α-Ge è semimetallico; mentre β-Ge è metallico.
Il germanio può perdere i suoi quattro elettroni di valenza o guadagnarne altri quattro per diventare isoelettronico con krypton..
Quando perde elettroni nei suoi composti, si dice che abbia numeri positivi o stati di ossidazione, in cui si presume l'esistenza di cationi con le stesse cariche di questi numeri. Tra questi abbiamo il +2 (GeDue+), il +3 (Ge3+) e il +4 (Ge4+).
Ad esempio, i seguenti composti hanno germanio con numeri di ossidazione positivi: GeO (GeDue+ODue-), GeTe (GeDue+TèDue-), GeDueCl6 (GeDue3+Cl6-), GeODue (Ge4+ODueDue-) e GeSDue (Ge4+SDueDue-).
Mentre quando guadagna elettroni nei suoi composti, ha numeri di ossidazione negativi. Tra questi il più comune è -4; cioè, si presume l'esistenza dell'anione Ge4-. In germanides questo accade, e come esempi abbiamo il Li4Ge (Li4+Ge4-) e MgDueGe (MgDueDue+Ge4-).
Il germanio è un elemento relativamente raro nella crosta terrestre. Pochi minerali ne contengono una quantità apprezzabile, tra cui possiamo citare: l'argyrodite (4AgDueS · GeSDue), germanite (7CuS · FeS · GeSDue), briartite (CuDueFeGeS4), renierite e canfieldite.
Hanno tutti qualcosa in comune: sono zolfo o minerali solforosi. Pertanto, il germanio predomina in natura (o almeno qui sulla Terra), come GeSDue e non GeODue (in contrasto con la sua controparte SiODue, silice, ampiamente diffusa).
Oltre ai minerali sopra menzionati, è stato trovato anche germanio in concentrazioni di massa dello 0,3% nei depositi di carbone. Inoltre, alcuni microrganismi possono elaborarlo per generare piccole quantità di GeHDue(CH3)Due e GeH3(CH3), che finiscono per spostarsi verso fiumi e mari.
Il germanio è un sottoprodotto della lavorazione di metalli come lo zinco e il rame. Per ottenerlo, deve subire una serie di reazioni chimiche per ridurre il suo zolfo al metallo corrispondente; cioè, togli il GeSDue i suoi atomi di zolfo in modo che rimanga semplicemente come Ge.
I minerali solforosi subiscono un processo di tostatura in cui vengono riscaldati insieme all'aria affinché avvenga l'ossidazione:
GeSDue + 3 ODue → GeODue + 2 SODue
Per separare il germanio dal residuo, viene trasformato nel suo rispettivo cloruro, che può essere distillato:
GeoDue + 4 HCl → GeCl4 + 2 hDueO
GeoDue + 2 ClDue → GeCl4 + ODue
Come si può vedere, la trasformazione può essere effettuata utilizzando acido cloridrico o cloro gassoso. Il GeCl4 quindi idrolizza di nuovo a GeODue, quindi precipita come un solido biancastro. Infine, l'ossido reagisce con l'idrogeno per ridursi al germanio metallico:
GeoDue + 2 hDue → Ge + 2 HDueO
Riduzione che si può fare anche con carbone di legna:
GeoDue + C → Ge + CODue
Il germanio ottenuto è costituito da una polvere che viene modellata o pressata in barre metalliche, dalle quali si possono formare cristalli radianti di germanio..
Il germanio non possiede alcun isotopo di grande abbondanza in natura. Invece, ha cinque isotopi le cui abbondanze sono relativamente basse: 70Ge (20,52%), 72Ge (27,45%), 73Ge (7,76%), 74Ge (36,7%) e 76Ge (7,75%). Si noti che il peso atomico è 72,630 u, che media tutte le masse atomiche con le rispettive abbondanze degli isotopi.
Isotopo 76Ge è effettivamente radioattivo; ma la sua emivita è così grande (t1/2= 1,78 × 10ventuno anni) che è praticamente tra i cinque isotopi più stabili del germanio. Altri radioisotopi, come 68Ge e 71Ge, entrambi sintetici, hanno un'emivita più breve (270,95 giorni e 11,3 giorni, rispettivamente).
I rischi ambientali per il germanio sono alquanto controversi. Essendo un metallo leggermente pesante, una propagazione dei suoi ioni da sali idrosolubili potrebbe arrecare danni all'ecosistema; cioè, animali e piante possono essere influenzati dal consumo di ioni Ge3+.
Il germanio elementare è sicuro fintanto che non è in polvere. Se è in polvere, una corrente d'aria può trascinarlo verso fonti di calore o sostanze altamente ossidanti; e di conseguenza c'è il rischio di incendio o esplosione. Allo stesso modo, i suoi cristalli possono finire nei polmoni o negli occhi, provocando gravi irritazioni..
Una persona può maneggiare in sicurezza un disco di germanio nel suo ufficio senza preoccuparsi di eventuali incidenti. Tuttavia, lo stesso non si può dire per i suoi composti inorganici; cioè i suoi sali, ossidi e idruri. Ad esempio, il GeH4 o germanico (analogo a CH4 e SìH4), è un gas molto irritante e infiammabile.
Ora ci sono fonti organiche di germanio; Tra questi, si può menzionare il 2-carbossietilgermasquiossano o il germanio-132, un integratore alternativo noto per il trattamento di alcuni disturbi; sebbene con prove messe in dubbio.
Alcuni degli effetti medicinali attribuiti al germanio-132 è quello di rafforzare il sistema immunitario, motivo per cui aiuta a combattere il cancro, l'HIV e l'AIDS; regola le funzioni del corpo, oltre a migliorare il grado di ossigenazione del sangue, elimina i radicali liberi; e cura anche l'artrite, il glaucoma e le malattie cardiache.
Tuttavia, il germanio organico è stato collegato a gravi danni ai reni, al fegato e al sistema nervoso. Ecco perché c'è un rischio latente quando si tratta di consumare questo integratore di germanio; Ebbene, anche se c'è chi la considera una cura miracolosa, ce ne sono altri che avvertono che non offre alcun beneficio scientificamente provato.
Il germanio è trasparente alla radiazione infrarossa; cioè possono attraversarlo senza essere assorbiti.
Grazie a ciò, sono stati costruiti occhiali e lenti in germanio per dispositivi ottici a infrarossi; ad esempio, accoppiato a un rivelatore IR per analisi spettroscopiche, in lenti usate nei telescopi spaziali del lontano infrarosso per studiare le stelle più distanti dell'Universo, o in sensori di luce e temperatura.
La radiazione infrarossa è associata a vibrazioni molecolari o sorgenti di calore; quindi i dispositivi utilizzati nell'industria militare per visualizzare i bersagli con la visione notturna hanno componenti realizzati con germanio.
Il germanio come metalloide semiconduttore è stato utilizzato per costruire transistor, circuiti elettrici, diodi emettitori di luce e microchip. In quest'ultimo, le leghe germanio-silicio, e persino germanio, da sole hanno iniziato a sostituire il silicio, in modo che possano essere progettati circuiti più piccoli e più potenti..
È ruggine, GeODue, A causa del suo alto indice di rifrazione, viene aggiunto agli occhiali in modo che possano essere utilizzati in microscopia, obiettivi grandangolari e fibre ottiche..
Il germanio non solo è venuto a sostituire il silicio in alcune applicazioni elettroniche, ma può anche essere accoppiato con arseniuro di gallio (GaAs). Pertanto, questo metalloide è presente anche nei pannelli solari.
Il GeODue è stato utilizzato come catalizzatore per reazioni di polimerizzazione; ad esempio in quello necessario per la sintesi del polietilentereftalato, plastica con cui vengono realizzate le bottiglie lucide vendute in Giappone.
Allo stesso modo, le nanoparticelle delle loro leghe di platino catalizzano le reazioni redox in cui implicano la formazione di idrogeno gassoso, rendendo queste celle voltaiche più efficaci..
Infine, è stato detto che esistono leghe Ge-Si e Ge-Pt. Oltre a questo, i suoi atomi di Ge possono essere aggiunti ai cristalli di altri metalli, come argento, oro, rame e berillio. Queste leghe mostrano una maggiore duttilità e resistenza chimica rispetto ai loro singoli metalli..
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