- història
- Prediccions de Mendeleev
- Aïllament i nom
- Determinació de les seves propietats
- Desenvolupament de les seves aplicacions
- Propietats físiques i químiques
- aparença
- Pes atòmic estàndard
- Nombre atòmic (Z)
- Punt de fusió
- Punt d'ebullició
- densitat
- Calor de fusió
- Calor de vaporització
- Capacitat calòrica molar
- Pressió de vapor
- electronegativitat
- Energies d'ionització
- conductivitat tèrmica
- resistivitat elèctrica
- conductivitat elèctrica
- ordre magnètic
- duresa
- estabilitat
- tensió superficial
- reactivitat
- Estructura i configuració electrònica
- El germani i els seus enllaços
- al·lòtrops
- Números d'oxidació
- On es troba i obtenció
- minerals sulfurosos
- torrat
- isòtops
- Riscos
- Germani elemental i inorgànic
- Germani orgànic
- usos
- òptica infraroja
- material semiconductor
- catalitzadors
- aliatges
- referències
El germani és un element metal·loide que ve representat pel símbol químic Ge i que pertany a el grup 14 de la taula periòdica. Es troba sota el silici, i comparteix amb aquest moltes de les seves propietats físiques i químiques; tal és així que antany el seu nom era ekasilicio, predit pel mateix Dmitri Mendeleev.
El seu nom actual va ser donat per Clemens A. Winkler, en honor a la seva terra natal Alemanya. D'allí que el germani es trobi lligat a aquest país, i que sigui la primera imatge que evoqui a la ment els que no el coneixen massa.
Mostra ultra pura de germani. Font: Hi-Res Images ofChemical Elements
El germani, a l'igual que el silici, consisteix de cristalls covalents de xarxes tetraèdriques tridimensionals amb enllaços Ge-Ge. Així mateix, pot trobar-se en forma monocristalina, en la qual els seus grans són grans, o policristalina, composta per centenars de cristalls petits.
És un element semiconductor a pressió ambient, però quan aquesta s'eleva per sobre dels 120 kbar es transforma en un al·lòtrop metàl·lic; és a dir, possiblement es trenquin els enllaços Ge-Ge i els seus es disposin de manera individual embolicats en el mar dels seus electrons.
Es considera un element no tòxic, ja que pot manipular sense cap tipus d'indumentària protectora; encara que la seva inhalació i ingesta excessives pot comportar els símptomes clàssics d'irritació en els individus. La seva pressió de vapor és molt baixa, pel que és poc probable que el seu fum pugui ocasionar un incendi.
No obstant això, els germanios inorgànics (sals) i orgànics sí que poden resultar perillosos per a l'organisme, tot i que els seus àtoms Ge interaccionen de manera misteriosa amb les matrius biològiques.
No se sap realment si el germani orgànic pugui considerar-se una cura miraculosa per tractar certs trastorns com a medicina alternativa. No obstant això, estudis científics no donen suport aquestes afirmacions, sinó que les rebutgen, i titllen a aquest element inclusivament com cancerigen.
El germani no només és un semiconductor, acompanyant el silici, seleni, gal·li i tot un seguit d'elements en el món dels materials semiconductors i les seves aplicacions; sinó que a més, és transparent a la radiació infraroja, de manera que és útil per a les fabricacions de detectors de calor de diferents fonts o regions.
història
Prediccions de Mendeleev
El germani era un dels elements la existència va ser predita en 1869 pel químic rus Dmitri Mendeleev en la seva taula periòdica. Provisionalment el va anomenar ekasilicio i ho va situar en un espai a la taula periòdica entre l'estany i el silici.
En 1886, Clemens A. Winkler va descobrir el germani en una mostra mineral d'una mina de plata a prop de Freiberg, Sajonia. Es tractava de l'mineral anomenat argirodita, pel seu alt contingut de plata, i acabat de descobrir en l'any 1885.
La mostra de la argirodita contenia 73-75% de plata, 17-18% de sofre, 0,2% de mercuri i 6-7% d'un nou element, el qual posteriorment Winkler va nomenar germani.
Mendeleev havia predit que la densitat de l'element a ser descobert devia ser de 5,5 g / cm 3 i el seu pes atòmic al voltant de 70. Les seves prediccions van resultar ser força properes a les presentades pel germani.
Aïllament i nom
En 1886, Winkler va poder aïllar el nou metall i el va trobar similar a l'antimoni, però va recapacitar i es va adonar que l'element que ell havia descobert corresponia amb el ekasilicio.
Winkler va nomenar a l'element 'germani' originat de la paraula llatina 'germania', paraula que usaven per a denominar a Alemanya. Per aquesta raó, Winkler va nomenar a el nou element com germani, en honor al seu país natal, Alemanya.
Determinació de les seves propietats
En 1887, Winkler va determinar les propietats químiques de l'germani, trobant un pes atòmic de 72,32 mitjançant una anàlisi de l'tetraclorur de germani pur (GeCl 4).
Mentrestant, Lecoq de Boisbaudran va deduir un pes atòmic de 72,3 mitjançant l'estudi de l'espectre d'espurna de l'element. Winkler va preparar diversos compostos nous de l'germani, incloent fluorurs, clorurs, sulfurs i diòxids.
En la dècada de 1920, les investigacions sobre les propietats elèctriques de l'germani van produir el desenvolupament de l'germani monocristal·lí d'alta puresa.
Aquest desenvolupament va permetre la utilització de l'germani en díodes, rectificadors i receptors de radar de microones durant la Segona Guerra Mundial.
Desenvolupament de les seves aplicacions
La primera aplicació industrial es va produir després de la guerra el 1947, amb la invenció dels transistors de germani per John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley, els que es van usar en equips de comunicacions, ordinadors i ràdios portàtils.
El 1954, els transistors de silici d'alta puresa van començar a desplaçar als transistors de germani pels avantatges electròniques que posseïen. I ja per a la dècada de 1960, pràcticament havien desaparegut els transistors de germani.
El germani va resultar ser un component clau en l'elaboració de les lents i finestres d'infraroig (IR). En la dècada de 1970, es van produir cèl·lules fotovoltaiques (PVC) de silici i germani (SiGe) que segueixen sent crítiques per a les operacions de satèl·lit.
En la dècada de 1990, el desenvolupament i l'expansió de la fibra òptica, va augmentar la demanda de germani. L'element s'utilitza per formar el nucli de vidre dels cables de fibra òptica.
A partir del 2000, els PVC d'alta eficiència i els díodes emissors de llum (LED) que utilitzen germani, van produir un increment en la producció i consum de l'germani.
Propietats físiques i químiques
aparença
Blanc platejat i brillant. Quan el seu sòlid està format per molts vidres (policristal), llueix una superfície escamosa o arrugada, plena de aspectes i ombres. De vegades, fins i tot pot donar l'aparença de ser tan grisenc o negre com el silici.
En condicions estàndard és un element semimetálico, trencadís i lluentor metàl·lica.
El germani és un semiconductor, poc dúctil. Té un índex de refracció alt per a la llum visible, però és transparent per a la radiació infraroja, sent utilitzat en finestres d'equips per detectar i mesurar aquestes radiacions.
Pes atòmic estàndard
72,63 o
Nombre atòmic (Z)
32
Punt de fusió
938,25 ºC
Punt d'ebullició
2.833 ºC
densitat
A temperatura ambient: 5,323 g / cm 3
En el punt de fusió (líquid): 5,60 g / cm 3
El germani a l'igual que el silici, el gal·li, el bismut, l'antimoni i l'aigua s'expandeix a l'solidificar-se. Per aquesta raó, la seva densitat és més gran en l'estat líquid que en el sòlid.
Calor de fusió
36,94 kJ / mol
Calor de vaporització
334 kJ / mol
Capacitat calòrica molar
23,222 J / (mol · K)
Pressió de vapor
A una temperatura 1.644 K la seva pressió de vapor és tan sols d'1 Pa. Això significa que el seu líquid emet prou feines vapors a aquesta temperatura, de manera que no implica un risc considerat d'inhalació.
electronegativitat
2,01 en l'escala de Pauling
Energies d'ionització
-Primera: 762 kJ / mol
-Segona: 1.537 kJ / mol
-Tercera: 3302,1 kJ / mol
conductivitat tèrmica
60,2 W / (m · K)
resistivitat elèctrica
1 Ω · ma 20 ºC
conductivitat elèctrica
3 S cm -1
ordre magnètic
diamagnético
duresa
6,0 en l'escala de Mohs
estabilitat
Relativament estable. No és afectat per l'aire a temperatura ambient i s'oxida a temperatures superiors a 600 ºC.
tensió superficial
6 · 10 -1 N / ma 1.673,1 K
reactivitat
S'oxida a temperatures majors a 600 ºC per formar el diòxid de germani (GeO 2). El germani origina dues formes d'òxids: el diòxid de germani (GeO 2) i el monòxid de germani (GeO).
Els compostos de l'germani, generalment, exhibeixen l'estat d'oxidació +4, encara que en molts compostos el germani es presenta amb l'estat d'oxidació +2. L'estat d'oxidació - 4 es presenta, per exemple en el germanuro de magnesi (Mg 2 Ge).
El germani reacciona amb els halògens per formar tetrahaluros: tetrafluorur de germani (GEF 4), compost gasós; tetrayoduro de germani (GEH 4), compost sòlid; tetraclorur de germani (GeCl 4) i tetrabromuro de germani (Gebr 4), tots dos compostos líquids.
El germani és inert enfront de l'àcid clorhídric; però és atacat per l'àcid nítric i l'àcid sulfúric. Tot i que els hidròxids en solució aquosa tenen poc efecte sobre el germani, es dissol fàcilment en els hidròxids fosos per formar els germanatos.
Estructura i configuració electrònica
El germani i els seus enllaços
El germani té quatre electrons de valència d'acord a la seva configuració electrònica:
3d 10 4s 2 4p 2
A l'igual que el carboni i el silici, els seus àtoms Ge hibridizan seus orbitals 4s i 4p per formar quatre orbitales híbrids sp 3. Amb aquests orbitals s'enllacen per satisfer l'octet de valència i, en conseqüència, tenir el mateix nombre d'electrons que el gas noble de el mateix període (criptó).
D'aquesta manera, sorgeixen els enllaços covalents Ge-Ge, i havent-hi quatre d'ells per cada àtom, es defineixen tetraedres entorns a ells (amb un Ge al centre i els altres en els vèrtexs). Així, s'estableix una xarxa tridimensional pel desplaçament d'aquests tetraedres al llarg de l'cristall covalent; el qual, es comporta com si fos una molècula enorme.
al·lòtrops
El cristall covalent de germani adopta la mateixa estructura cúbica centrada en les cares de el diamant (i de l'silici). Aquest al·lòtrop es coneix com α-Ge. Si la pressió augmenta fins a 120 kbar (unes 118.000 atm), l'estructura cristal·lina de l'α-Ge passa a ser tetragonal centrat en el cos (BCT, per les seves sigles en anglès: Body-centered tetragonal).
Aquests cristalls BCT corresponen a el segon al·lòtrop de l'germani: el β-Ge, on els enllaços Ge-Ge es trenquen i es disposen aïllats, tal com succeeix amb els metalls. Així doncs, el α-Ge és semimetálico; mentre que el β-Ge és metàl·lic.
Números d'oxidació
El germani pot bé perdre els seus quatre electrons de valència, o de guanyar quatre més per tornar-isoelectrónico amb el criptó.
Quan en els seus compostos perd electrons, es diu que té números o estats d'oxidació positius, en els quals s'assumeix l'existència de cations amb les mateixes càrregues que aquests nombres. Entre aquests tenim a l'+2 (Ge 2+), el +3 (Ge 3+) i el +4 (Ge 4+).
Per exemple, els següents compostos tenen a l'germani amb nombres d'oxidació positius: GeO (Ge 2+ O 2-), Gete (Ge 2+ Et 2-), Ge 2 Cl 6 (Ge 2 3+ Cl 6 -), GeO 2 (Ge 4+ O 2 2-) i Ges 2 (Ge 4+ S 2 2-).
Mentre que quan en els seus compostos guanya electrons, té números d'oxidació negatius. Entre ells el més comú és el -4; és a dir, s'assumeix l'existència de l'anió Ge 4-. En els germanuros succeeix això, i com a exemples d'ells tenim a l'Li abril Ge (Li abril + Ge 4-) i Mg 2 Ge (Mg 2 2+ Ge 4-).
On es troba i obtenció
minerals sulfurosos
Mostra de mineral argirodita, d'escassa abundància però una mena única per a l'extracció de l'germani. Font: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0
El germani és un element relativament rar en l'escorça terrestre. Són pocs els minerals que contenen una quantitat apreciable de la mateixa, entre els quals podem esmentar: argirodita (4Ag 2 S · Ges 2), germanita (7CuS · FES · Ges 2), briartita (Cu 2 FeGeS 4), renierita i canfieldita.
Tots ells tenen una cosa en comú: són minerals de sofre o sulfurosos. Per tant, el germani predomina en la naturalesa (o al menys aquí a la Terra), com ges 2 i no GeO 2 (en contrast amb el seu homòleg SiO 2, la sílice, àmpliament difosa).
A més dels minerals esmentats a dalt, s'ha trobat que el germani també es troba en concentracions màssiques de 0,3% en dipòsits de carbó. Així mateix, alguns microorganismes poden processar per generar petites quantitats de GeH 2 (CH 3) 2 i GeH 3 (CH 3), els quals acaben desplaçats cap als rius i mars.
El germani és un producte secundari de l'processament de metalls tals com el zinc i coure. Per obtenir-lo, ha de patir una sèrie de reaccions químiques per reduir el seu sulfur en el corresponent metall; és a dir, llevar-li a l'Ges 2 seus àtoms de sofre perquè quedi com Ge simplement.
torrat
Els minerals sulfurosos se sotmeten a un procés de torrat en el qual s'escalfen juntament amb l'aire perquè tinguin lloc les oxidacions:
Ges 2 + 3 O 2 → GeO 2 + 2 SO 2
Per separar el germani de el residu, es transforma en el seu respectiu clorur, el qual pot destil·lar:
GeO 2 + 4 HCl → GeCl 4 + 2 H 2 O
GeO 2 + 2 Cl 2 → GeCl 4 + O 2
Com es pot veure, la transformació es pot dur a terme utilitzant àcid clorhídric o gas clor. El GeCl 4 s'hidrolitza després novament a GeO 2, de manera que precipita com un sòlid blanquinós. Finalment, l'òxid reacciona amb l'hidrogen per reduir-se a l'germani metàl·lic:
GeO 2 + 2 H 2 → Ge + 2 H 2 O
Reducció que també pot realitzar-se amb carbó:
GeO 2 + C → Ge + CO 2
El germani obtingut consisteix d'un pols que es modela o picona en barres metàl·liques, de les quals poden fer-se créixer radiants cristalls de germani.
isòtops
El germani no posseeix en la naturalesa cap isòtop de gran abundància. En el seu lloc, posseeix cinc isòtops les abundàncies són relativament baixes: 70 Ge (20,52%), 72 Ge (27,45%), 73 Ge (7,76%), 74 Ge (36,7%) i 76 Ge (7,75%). Cal notar que el pes atòmic és de 72,630 u, el qual fa la mitjana totes les masses atòmiques amb les respectives abundàncies dels isòtops.
L'isòtop 76 Ge en realitat és radioactiu; però el seu temps de vida mitjana és tan gran (t 1/2 = 1.78 × 10 21 anys) que pràcticament compta entre els cinc isòtops de l'germani més estables. Altres radioisòtops, com el 68 Ge i 71 Ge, tots dos sintètics, tenen temps de vida mitjana més curtes (270,95 dies i 11,3 dies, respectivament).
Riscos
Germani elemental i inorgànic
Els riscos entorns a l'germani són una mica controversiales. Sent un metall lleugerament pesat, un propagació de les seves ions provinents de sals solubles en aigua pogués infringir danys en l'ecosistema; és a dir, els animals i plantes es poden veure afectats a l'consumir els ions Ge 3+.
El germani elemental no representa cap risc sempre que no estigui polvoritzat. Si es troba en pols, un corrent d'aire pot arrossegar-lo a fonts de calor o de substàncies altament oxidants; i en conseqüència, hi ha el risc d'incendi o explosió. Així mateix, els seus cristalls poden acabar en els pulmons o ulls, causant fortes irritacions.
Una persona pot manipular tranquil·lament un disc de germani a la seva oficina sense preocupar-se de cap accident. No obstant això, no es pot dir el mateix dels seus compostos inorgànics; és a dir, les seves sals, òxids i hidrurs. Per exemple, el GeH 4 o germànic (anàleg a el CH 4 i SiH 4), és un gas bastant irritant i inflamable.
Germani orgànic
Ara bé, hi ha fonts orgàniques de germani; entre elles, pot esmentar-se a l'2-carboxietilgermasquioxano o germani-132, suplement alternatiu conegut per tractar certes malalties; encara que amb evidències posades en tela de dubte.
Alguns dels efectes medicinals que se li atribueixen a l'germani-132 és el d'enfortir el sistema immune, per la qual cosa ajuda a combatre el càncer, VIH i SIDA; regularitza les funcions de el cos, així com també millora el grau d'oxigenació a la sang, elimina els radicals lliures; ia més cura l'artritis, el glaucoma i les malalties de cor.
No obstant això, a l'germani orgànic se l'ha vinculat amb greus danys als ronyons, fetge i sistema nerviós. És per això que hi ha un risc latent a l'hora de consumir aquest suplemente de germani; doncs si bé hi ha qui ho consideren una cura miraculosa, hi ha altres que adverteixen que no ofereix cap benefici científicament comprovat.
usos
òptica infraroja
Alguns sensors de radiació infraroja estan fets de germani o dels seus aliatges. Font: Adafruit Industries via Flickr.
El germani és transparent per a les radiacions infraroges; és a dir, poden traspassar sense que sigui absorbit.
Gràcies a això s'han construït lents i vidres de germani per a dispositius òptics d'infraroig; per exemple, acoblat amb un detector IR per a anàlisi espectroscòpic, en lents utilitzats en telescopis espacials d'infraroig llunyà per estudiar les estrelles més llunyanes de l'Univers, o en sensors de llum i temperatura.
Les radiacions infraroges estan associades a les vibracions moleculars o fonts de calor; de manera que els dispositius usats en la indústria militar per a visualitzar objectius amb visió nocturna posseeixen components fets amb germani.
material semiconductor
Díodes de germani encapsulats en vidre i utilitzats en les dècades 60 i 70. Font: Rolf Süssbrich
El germani com metal·loide semiconductor s'ha utilitzat per a la construcció de transistors, circuits elèctrics, díodes emissors de llum i microxips. En aquests últims, els aliatges germani-silici, i inclusivament el germani, per si mateix han començat a substituir el silici, de manera que puguin dissenyar circuits cada vegada més petits i potents.
El seu òxid, GeO 2, a causa del seu alt índex de refracció, se li addiciona als vidres perquè puguin utilitzar-se en microscòpia, gran angular i en fibres òptiques.
El germani no només ha arribat a substituir el silici en certes aplicacions electròniques, sinó a més pot acoblar-se amb l'arsenur de gal·li (GaAs). Així, aquest metal·loide també està present en els panells solars.
catalitzadors
El GeO 2 s'ha utilitzat com a catalitzador per a reaccions de polimerització; per exemple, en la necessària per a la síntesi de l'tereftalat de polietilè, plàstic amb el qual es fabriquen ampolles brillants comercialitzades al Japó.
Així mateix, les nanopartícules de les seves aliatges amb platí catalitzen reaccions redox on involucren la formació d'hidrogen gasós, tornant aquestes cel·les voltaiques més efectives.
aliatges
Per finalitzar, s'han esmentat que existeixen aliatges Ge-Si i Ge-Pt. A més d'aquesta, els seus àtoms Ge poden addicionar als vidres d'altres metalls, com ara la plata, or, coure i beril·li. Aquests aliatges mostren major ductilitat i resistència química que els seus metalls individuals.
referències
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019). Germanium. Recuperat de: en.wikipedia.org
- PhysicsOpenLab. (2019). Silicon & germanium crystal structure. Recuperat de: physicsopenlab.org
- Susan York Morris. (19 de juliol de 2016). Is Germanium a Miracle Cure? Healthline Mitjana. Recuperat de: healthline.com
- Lenntech BV (2019). Periodic table: germanium. Recuperat de: lenntech.com
- National Center for Biotechnology Information. (2019). Germanium. PubChem Database. CID = 6.326.954. Recuperat de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
- Dr. Doug Stewart. (2019). Germanium Element Facts. Chemicool. Recuperat de: chemicool.com
- Emil Venere. (08 d'desembre de 2014). Germanium menges home to Purdue for semiconductor milestone. Recuperat de: purdue.edu
- Marques Miquel. (Sf). Germanium. Recuperat de: nautilus.fis.uc.pt
- Rosenberg, I. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: environmental occurrence, importance and speciation. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x