Elemento chimico germanio

Germanio (Ge), un elemento chimico tra silicio e stagno nel gruppo 14 (IVa) della tavola periodica, un metalloide grigio-argenteo, intermedio nelle proprietà tra i metalli e i non metalli. Sebbene il germanio non fu scoperto fino al 1886 da Clemens Winkler, un chimico tedesco, la sua esistenza, proprietà e posizione nel sistema periodico erano state predette nel 1871 dal chimico russo Dmitry Ivanovich Mendeleyev, che chiamò l'elemento ipotetico ekasilicon. (Il nome germanio deriva dalla parola latina Germania [Germania] e fu dato all'elemento da Winkler.) Il germanio non divenne economicamente significativo fino al 1945, quando le sue proprietà di semiconduttore furono riconosciute come di valore nell'elettronica. Molte altre sostanze ora vengono utilizzate anche come semiconduttori, ma il germanio rimane di primaria importanza nella produzione di transistor e componenti per dispositivi come raddrizzatori e fotocellule.

elemento del gruppo di carbonio

(C), silicio (Si), germanio (Ge), stagno (Sn), piombo (Pb) e flerovium (Fl).

In base al peso, il germanio è un elemento scarso ma non estremamente raro (circa 1,5 parti per milione) nella crosta terrestre, pari in abbondanza a berillio, molibdeno e cesio e superiore agli elementi arsenico, cadmio, antimonio e mercurio. Nel cosmo l'abbondanza atomica di germanio è 50,5 (basata su Si = 1 × 10 ⁶), un valore approssimativamente uguale a quelli per il kripton e lo zirconio e solo leggermente inferiore a quello per il selenio. L'abbondanza cosmica è molto inferiore a quella di un numero di elementi più pesanti; ad es. bromo, stronzio, stagno, bario, mercurio e piombo. Tutti gli elementi con una carica nucleare inferiore rispetto al germanio, tranne il berillio, il boro, lo scandio e il gallio, sono cosmicamente più abbondanti del germanio. Cosmicamente, si ritiene che il germanio sia uno dei tanti elementi formati dall'assorbimento dei neutroni dopo i processi iniziali di combustione dell'idrogeno e dell'elio e l'assorbimento delle particelle alfa.

Il germanio è ampiamente distribuito in natura ma è troppo reattivo per essere libero. I minerali primari includono argyrodite (da cui fu isolato per la prima volta), germanite, renierite e canfieldite, tutti rari; solo la germanite e la renierite sono state usate come fonti commerciali per l'elemento. Tracce di germanio si trovano in alcune miscele di zinco, nei minerali solfidici di rame e arsenico e nei carboni, questi ultimi probabilmente una conseguenza della concentrazione dell'elemento da parte delle piante del periodo carbonifero nella storia geologica. È noto che alcune piante attuali concentrano il germanio. Sia i concentrati di zinco che le polveri di ceneri e fumi provenienti da impianti a carbone forniscono fonti commerciali di germanio.

Nella raffinazione del germanio, i residui di bassa qualità ottenuti dai suoi minerali vengono trattati con acido cloridrico forte e il risultante tetracloruro di germanio viene distillato, purificato da ripetute ridistillazioni e idrolizzato per formare biossido di germanio, che viene quindi ridotto dall'idrogeno in una forma polverosa del metallo che viene fuso a una temperatura di circa 1.100 ° C (2.000 ° F [in atmosfera inerte]) e gettato in lingotti o billette.

L'elemento è fragile piuttosto che duttile; gli atomi nei suoi cristalli sono disposti così come gli atomi di carbonio nel diamante. Le caratteristiche elettriche e dei semiconduttori del germanio sono paragonabili a quelle del silicio. Non viene attaccato dall'aria a temperatura ambiente ma viene ossidato a 600 ° –700 ° C (1.100 ° –1.300 ° F) e reagisce rapidamente con gli alogeni formando tetraalidi. Tra gli acidi, solo l'acido nitrico o solforico concentrato o aqua regia (una miscela di acidi nitrico e cloridrico) attaccano sensibilmente il germanio. Sebbene le soluzioni acquose caustiche producano poco effetto su di esso, il germanio si dissolve rapidamente in idrossido di sodio fuso o idrossido di potassio, formando così i rispettivi germanati.

Il germanio forma stati di ossidazione stabili di +2 e +4, i composti di quest'ultimo sono più stabili e numerosi. I due composti più importanti del germanio sono il biossido (GeO ₂) e il tetracloruro (GeCl ₄). I germanates, formati riscaldando il biossido con ossidi basici, includono lo germanato di zinco (Zn ₂ GeO ₄), usato come fosforo (una sostanza che emette luce quando eccitata dalle radiazioni). Il tetracloruro, già menzionato come intermedio nell'ottenere germanio dalle sue fonti naturali, è un liquido volatile e incolore che si congela a circa -50 ° C (-58 ° F) e bolle a 84 ° C (183,2 ° F).

Per l'uso in dispositivi elettronici, lingotti o billette di germanio richiedono ulteriore purificazione, che di solito viene effettuata con la tecnica della raffinazione di zona. Il germanio altamente puro viene quindi fuso e "drogato" mediante l'aggiunta di minuscole quantità di arsenico, gallio o altri elementi per produrre le caratteristiche elettroniche desiderate. Infine, i singoli cristalli vengono generati dal fuso a temperature attentamente controllate, usando un cristallo di seme come nucleo. I singoli cristalli di germanio vengono coltivati in atmosfera di azoto o elio dal materiale fuso. Questi vengono poi trasformati in semiconduttori essendo drogati (infusi) con atomi di donatore di elettroni o di accettori, incorporando le impurità nel fuso durante la crescita del cristallo o diffondendo le impurità nel cristallo dopo che si è formato.

I composti di germanio in cui il germanio si trova nello stato di ossidazione +2 sono ben caratterizzati come solidi e in generale sono prontamente ossidati. Il germanio elementare può essere elettrodeposto da molte soluzioni e fondere i suoi composti. È interessante notare che appena un milligrammo di germanio disciolto per litro interferisce seriamente con l'elettrodeposizione di zinco.

Oltre alle sue applicazioni nei dispositivi elettronici, il germanio viene utilizzato come componente di leghe e fosfori per lampade fluorescenti. Poiché il germanio è trasparente alle radiazioni infrarosse, viene impiegato nelle apparecchiature utilizzate per rilevare e misurare tali radiazioni, come finestre e lenti. L'alto indice di rifrazione del biossido di germanio lo rende prezioso come componente degli occhiali utilizzati nei dispositivi ottici, come obiettivi grandangolari per obiettivi di telecamere e microscopi. La tossicologia del germanio e dei suoi composti è scarsamente definita.

I cinque isotopi stabili del germanio si presentano nelle seguenti quantità relative: germanio-70, 20,5 percento; germanio-72, 27,4 per cento; germanio-73, 7,8 per cento; germanio-74, 36,5 percento; e germanio-76, 7,8 per cento. Sono stati segnalati nove isotopi radioattivi.

Proprietà elemento

numero atomico	32
peso atomico	72.59
punto di fusione	937,4 ° C (1.719,3 ° F)
punto di ebollizione	2.830 ° C (5.130 ° F)
densità	5,323 g / cm ³
stati di ossidazione	+2, +4
configurazione elettronica.	1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ²