Germânio - Germanium

Germânio,  32 Ge
Bloco lustroso acinzentado com superfície clivada irregular
Germânio
Pronúncia / ɜr m n i ə m / ( jur- PODE -nee-əm )
Aparência branco acinzentado
Peso atômico padrão A r, std (Ge) 72.630 (8)
Germânio na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Si

Ge

Sn
gáliogermânioarsênico
Número atômico ( Z ) 32
Grupo grupo 14 (grupo carbono)
Período período 4
Bloquear   bloco p
Configuração de elétron [ Ar ] 3d 10 4s 2 4p 2
Elétrons por camada 2, 8, 18, 4
Propriedades físicas
Fase em  STP sólido
Ponto de fusão 1211,40  K (938,25 ° C, 1720,85 ° F)
Ponto de ebulição 3106 K (2833 ° C, 5131 ° F)
Densidade (próximo à  rt ) 5,323 g / cm 3
quando líquido (em  mp ) 5,60 g / cm 3
Calor de fusão 36,94  kJ / mol
Calor da vaporização 334 kJ / mol
Capacidade de calor molar 23,222 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 mil 10 k 100 k
em  T  (K) 1644 1814 2023 2287 2633 3104
Propriedades atômicas
Estados de oxidação −4 −3, −2, −1, 0, +1, +2 , +3, +4 (um óxido anfotérico )
Eletro-negatividade Escala de Pauling: 2,01
Energias de ionização
Raio atômico empírico: 122  pm
Raio covalente 122 pm
Raio de Van der Waals 211 pm
Linhas de cores em uma faixa espectral
Linhas espectrais de germânio
Outras propriedades
Ocorrência natural primordial
Estrutura de cristal de face centrada de diamante cúbico
Estrutura de cristal cúbico de diamante para germânio
Velocidade do som haste fina 5400 m / s (a 20 ° C)
Expansão térmica 6,0 µm / (m⋅K)
Condutividade térmica 60,2 W / (m⋅K)
Resistividade elétrica 1 Ω⋅m (a 20 ° C)
Gap de banda 0,67  eV (a 300 K)
Ordenação magnética diamagnético
Suscetibilidade magnética molar −76,84 × 10 −6  cm 3 / mol
Módulo de Young 103 GPa
Módulo de cisalhamento 41 GPa
Módulo de massa 75 GPa
Coeficiente de Poisson 0,26
Dureza de Mohs 6,0
Número CAS 7440-56-4
História
Nomeação depois da Alemanha, pátria do descobridor
Predição Dmitri Mendeleev (1869)
Descoberta Clemens Winkler (1886)
Principais isótopos de germânio
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
68 ge syn 270,95 d ε 68 Ga
70 ge 20,52% estábulo
71 ge syn 11,3 d ε 71 Ga
72 ge 27,45% estábulo
73 ge 7,76% estábulo
74 ge 36,7% estábulo
76 ge 7,75% 1,78 × 10 21  y β - β - 76 Se
Categoria Categoria: Germânio
| referências

O germânio é um elemento químico com o símbolo Ge e número atômico 32. É um metalóide lustroso, duro-quebradiço e branco-acinzentado do grupo do carbono , quimicamente semelhante ao seu grupo vizinho ao silício e ao estanho . O germânio puro é um semicondutor com aparência semelhante ao silício elementar. Como o silício, o germânio reage naturalmente e forma complexos com o oxigênio na natureza.

Como raramente aparece em alta concentração, o germânio foi descoberto relativamente tarde na história da química . O germânio está próximo ao quinquagésimo quinto em abundância relativa dos elementos da crosta terrestre . Em 1869, Dmitri Mendeleev previu sua existência e algumas de suas propriedades a partir de sua posição em sua tabela periódica , e chamou o elemento de ekasilicon . Quase duas décadas depois, em 1886, Clemens Winkler encontrou o novo elemento junto com prata e enxofre , em um mineral incomum chamado argirodita . Embora o novo elemento se parecesse um pouco com o arsênico e o antimônio na aparência, as proporções de combinação nos compostos concordavam com as previsões de Mendeleev para um parente do silício. Winkler deu ao elemento o nome de seu país, a Alemanha . Hoje, o germânio é extraído principalmente de esfalerita (o principal minério de zinco ), embora o germânio também seja recuperado comercialmente de minérios de prata , chumbo e cobre .

O germânio elementar é usado como semicondutor em transistores e vários outros dispositivos eletrônicos. Historicamente, a primeira década da eletrônica de semicondutores foi inteiramente baseada no germânio. Atualmente, os principais usos finais são sistemas de fibra ótica , ótica infravermelha , aplicações de células solares e diodos emissores de luz (LEDs). Os compostos de germânio também são usados ​​para catalisadores de polimerização e, mais recentemente, encontraram uso na produção de nanofios . Este elemento forma um grande número de compostos organogermânicos , como o tetraetilgermânio , úteis na química organometálica . O germânio é considerado um elemento de tecnologia crítica .

O germânio não é considerado um elemento essencial para qualquer organismo vivo . Alguns compostos orgânicos complexos de germânio estão sendo investigados como possíveis produtos farmacêuticos, embora nenhum deles tenha se mostrado bem sucedido. Semelhante ao silício e ao alumínio, os compostos de germânio de ocorrência natural tendem a ser insolúveis em água e, portanto, têm pouca toxicidade oral . No entanto, os sais de germânio sintéticos solúveis são nefrotóxicos e os compostos sintéticos de germânio quimicamente reativos com halogênios e hidrogênio são irritantes e toxinas.

História

Predição de germânio, "? = 70" (tabela periódica de 1869)

Em seu relatório sobre A Lei Periódica dos Elementos Químicos em 1869, o químico russo Dmitri Mendeleev previu a existência de vários elementos químicos desconhecidos , incluindo um que preencheria uma lacuna na família do carbono , localizada entre o silício e o estanho . Por causa de sua posição em sua tabela periódica, Mendeleev o chamou de ekasilicon (Es) e estimou seu peso atômico em 70 (mais tarde 72).

Em meados de 1885, em uma mina perto de Freiberg, Saxônia , um novo mineral foi descoberto e denominado argirodita por causa de seu alto teor de prata . O químico Clemens Winkler analisou este novo mineral, que provou ser uma combinação de prata, enxofre e um novo elemento. Winkler conseguiu isolar o novo elemento em 1886 e descobriu que era semelhante ao antimônio . Ele inicialmente considerou o novo elemento como eka-antimônio, mas logo se convenceu de que era eka-silício. Antes de Winkler publicar seus resultados sobre o novo elemento, ele decidiu que nomearia seu elemento como neptúnio , uma vez que a recente descoberta do planeta Netuno em 1846 também havia sido precedida por previsões matemáticas de sua existência. No entanto, o nome "neptúnio" já havia sido dado a outro elemento químico proposto (embora não o elemento que hoje leva o nome de neptúnio , que foi descoberto em 1940). Então, em vez disso, Winkler nomeou o novo elemento germânio (da palavra latina , Germania , para Alemanha) em homenagem a sua pátria. Argirodita provou empiricamente ser Ag 8 GeS 6 . Como esse novo elemento apresentava algumas semelhanças com os elementos arsênio e antimônio, seu lugar apropriado na tabela periódica estava sendo considerado, mas suas semelhanças com o elemento predito "ekasilicon" de Dmitri Mendeleev confirmaram esse lugar na tabela periódica. Com mais material de 500 kg de minério das minas na Saxônia, Winkler confirmou as propriedades químicas do novo elemento em 1887. Ele também determinou um peso atômico de 72,32 analisando o tetracloreto de germânio puro ( GeCl
4
), enquanto Lecoq de Boisbaudran deduziu 72,3 por uma comparação das linhas no espectro da centelha do elemento.

Winkler foi capaz de preparar vários novos compostos de germânio, incluindo fluoretos , cloretos , sulfetos , dióxido e tetraetilgermano (Ge (C 2 H 5 ) 4 ), o primeiro organogermano. Os dados físicos desses compostos - que corresponderam bem às previsões de Mendeleev - tornaram a descoberta uma importante confirmação da ideia de Mendeleev de periodicidade dos elementos . Aqui está uma comparação entre a previsão e os dados de Winkler:

Propriedade Predição de Ekasilicon
Mendeleev
(1871)
Descoberta de Winkler de Germânio (1887)

massa atômica 72,64 72,63
densidade (g / cm 3 ) 5,5 5,35
ponto de fusão (° C) Alto 947
cor cinzento cinzento
tipo de óxido dióxido refratário dióxido refratário
densidade de óxido (g / cm 3 ) 4,7 4,7
atividade de óxido debilmente básico debilmente básico
ponto de ebulição do cloreto (° C) menos de 100 86 (GeCl 4 )
densidade de cloreto (g / cm 3 ) 1,9 1,9

Até o final da década de 1930, pensava-se que o germânio era um metal pouco condutor . O germânio não se tornou economicamente significativo até depois de 1945, quando suas propriedades como semicondutor eletrônico foram reconhecidas. Durante a Segunda Guerra Mundial , pequenas quantidades de germânio foram usadas em alguns dispositivos eletrônicos especiais , principalmente diodos . O primeiro uso importante foram os diodos Schottky de ponto de contato para detecção de pulso de radar durante a guerra. As primeiras ligas de silício-germânio foram obtidas em 1955. Antes de 1945, apenas algumas centenas de quilos de germânio eram produzidos em fundições a cada ano, mas no final da década de 1950, a produção mundial anual havia chegado a 40 toneladas métricas (44 toneladas curtas ) .

O desenvolvimento do transistor de germânio em 1948 abriu as portas para inúmeras aplicações da eletrônica de estado sólido . De 1950 até o início dos anos 1970, esta área forneceu um mercado crescente para o germânio, mas então o silício de alta pureza começou a substituir o germânio em transistores, diodos e retificadores . Por exemplo, a empresa que se tornou a Fairchild Semiconductor foi fundada em 1957 com o propósito expresso de produzir transistores de silício. O silício tem propriedades elétricas superiores, mas requer pureza muito maior que não poderia ser alcançada comercialmente nos primeiros anos da eletrônica de semicondutores .

Enquanto isso, a demanda por germânio para redes de comunicação de fibra óptica , sistemas infravermelhos de visão noturna e catalisadores de polimerização aumentou dramaticamente. Esses usos finais representaram 85% do consumo mundial de germânio em 2000. O governo dos EUA até mesmo designou o germânio como um material estratégico e crítico, exigindo um suprimento de 146  toneladas (132  toneladas ) no estoque de defesa nacional em 1987.

O germânio difere do silício porque o fornecimento é limitado pela disponibilidade de fontes exploráveis, enquanto o fornecimento de silício é limitado apenas pela capacidade de produção, uma vez que o silício vem de areia comum e quartzo . Enquanto o silício podia ser comprado em 1998 por menos de US $ 10 o quilo, o preço do germânio era quase US $ 800 o quilo.

Características

Sob condições padrão , o germânio é um elemento semimetálico frágil, branco prateado. Essa forma constitui um alótropo conhecido como α-germânio , que possui brilho metálico e estrutura cristalina cúbica de diamante , a mesma do diamante . Enquanto na forma de cristal, o germânio tem uma energia de limiar de deslocamento de . Em pressões acima de 120 kbar , o germânio torna-se o alótropo β-germânio com a mesma estrutura do β- estanho . Como o silício, o gálio , o bismuto , o antimônio e a água , o germânio é uma das poucas substâncias que se expande à medida que se solidifica (ou seja, congela ) a partir do estado fundido.

O germânio é um semicondutor . As técnicas de refino de zona levaram à produção de germânio cristalino para semicondutores que tem uma impureza de apenas uma parte em 10 10 , tornando-o um dos materiais mais puros já obtidos. O primeiro material metálico descoberto (em 2005) a se tornar um supercondutor na presença de um campo eletromagnético extremamente forte foi uma liga de germânio, urânio e ródio .

Germânio puro é conhecido por expelir espontaneamente deslocamentos de parafuso muito longos , conhecidos como bigodes de germânio . O crescimento desses bigodes é uma das principais razões para a falha de diodos e transistores mais antigos feitos de germânio, pois, dependendo do que eles eventualmente tocarem, eles podem levar a um curto-circuito .

Química

O germânio elementar começa a oxidar lentamente no ar por volta de 250 ° C, formando GeO 2 . O germânio é insolúvel em ácidos e álcalis diluídos , mas se dissolve lentamente em ácidos sulfúrico e nítrico concentrados quentes e reage violentamente com os álcalis fundidos para produzir germanatos ( [GeO
3
]2−
) O germânio ocorre principalmente no estado de oxidação +4, embora muitos compostos +2 sejam conhecidos. Outros estados de oxidação são raros: +3 é encontrado em compostos como Ge 2 Cl 6 , e +3 e +1 são encontrados na superfície de óxidos, ou estados de oxidação negativos em germanidas , como −4 em Mg
2
Ge
. Ânions de agrupamento de germânio ( íons Zintl ) como Ge 4 2− , Ge 9 4− , Ge 9 2− , [(Ge 9 ) 2 ] 6− foram preparados pela extração de ligas contendo metais alcalinos e germânio na amônia líquida em a presença de etilenodiamina ou uma cripta . Os estados de oxidação do elemento nesses íons não são inteiros - semelhantes aos ozonídeos O 3 - .

Dois óxidos de germânio são conhecidos: dióxido de germânio ( GeO
2
, germânia) e monóxido de germânio ( GeO ). O dióxido, GeO 2, pode ser obtido torrando dissulfeto de germânio ( GeS
2
), e é um pó branco que é apenas ligeiramente solúvel em água, mas reage com álcalis para formar germanatos. O monóxido, óxido germanoso, pode ser obtido pela reação de alta temperatura do GeO 2 com o metal Ge. O dióxido (e os óxidos e germanatos relacionados) exibe a propriedade incomum de ter um alto índice de refração para a luz visível, mas transparência para a luz infravermelha . Germanato de bismuto , Bi 4 Ge 3 O 12 , (BGO) é usado como um cintilador .

Compostos binários com outros calcogênios também são conhecidos, como o di- sulfeto ( GeS
2
), di seleneto ( GeSe
2
), e o monossulfeto (GeS), seleneto (GeSe) e telureto (GeTe). GeS 2 forma-se como um precipitado branco quando o sulfeto de hidrogênio é passado através de soluções fortemente ácidas contendo Ge (IV). O dissulfeto é apreciavelmente solúvel em água e em soluções de álcalis cáusticos ou sulfetos alcalinos. No entanto, não é solúvel em água ácida, o que permitiu a Winkler descobrir o elemento. Ao aquecer o dissulfeto em uma corrente de hidrogênio , forma-se o monossulfeto (GeS), que sublima em finas placas de cor escura e brilho metálico, e é solúvel em soluções de álcalis cáusticos. Após a fusão com carbonatos alcalinos e enxofre , os compostos de germânio formam sais conhecidos como tiogermanatos.

Estrutura química esquelética de uma molécula tetraédrica com átomo de germânio em seu centro ligado a quatro átomos de hidrogênio.  A distância Ge-H é de 152,51 picômetros.
Germane é semelhante ao metano .

Quatro tetra halogenetos são conhecidos. Em condições normais, GeI 4 é um sólido, GeF 4 um gás e os outros líquidos voláteis. Por exemplo, o tetracloreto de germânio , GeCl 4 , é obtido como um líquido fumegante incolor com ebulição a 83,1 ° C por aquecimento do metal com cloro. Todos os tetrahaletos são prontamente hidrolisados ​​em dióxido de germânio hidratado. GeCl 4 é usado na produção de compostos organogermaniais. Todos os quatro di-haletos são conhecidos e, em contraste com os tetra-haletos, são sólidos poliméricos. Além disso, Ge 2 Cl 6 e alguns compostos superiores de fórmula Ge n Cl 2 n +2 são conhecidos. Foi preparado o composto incomum Ge 6 Cl 16 que contém a unidade Ge 5 Cl 12 com uma estrutura de neopentano .

Germane (GeH 4 ) é um composto de estrutura semelhante ao metano . São conhecidos polígermanos - compostos semelhantes a alcanos - com a fórmula Ge n H 2 n +2 contendo até cinco átomos de germânio. Os germanos são menos voláteis e menos reativos do que seus análogos de silício correspondentes. GeH 4 reage com metais alcalinos em amoníaco líquido para formar cristalino branco MGeH 3 que contêm o GeH 3 - anião . Os hidrohaletos de germânio com um, dois e três átomos de halogênio são líquidos reativos incolores.

Estruturas químicas esqueléticas delineando uma reação química aditiva, incluindo um composto organogermanio.
Adição nucleofílica com um composto organogermânio.

O primeiro composto organogermanio foi sintetizado por Winkler em 1887; a reação de tetracloreto de germânio com dietilzinco produziu tetraetilgermano ( Ge (C
2
H
5
)
4
) Organogermanos do tipo R 4 Ge (em que R é um alquil ), como tetrametilgermano ( Ge (CH
3
)
4
) e tetraetilgermano são acessados ​​por meio do precursor de germânio mais barato tetracloreto de germânio e alquil nucleófilos. Hidretos de germânio orgânicos, como isobutilgermane ( (CH
3
)
2
CHCH
2
GeH
3
) foram considerados menos perigosos e podem ser usados ​​como um substituto líquido para o gás tóxico alemão em aplicações de semicondutores . Muitos germânio intermediários reactivos são conhecidos: germilo radicais livres , germylenes (semelhantes a carbenos ), e germynes (semelhantes a carbynes ). O composto organogermanio 2-carboxietilgermasesquioxano foi relatado pela primeira vez na década de 1970, e por um tempo foi usado como um suplemento dietético e possivelmente possuía qualidades antitumorais.

Usando um ligante chamado Eind (1,1,3,3,5,5,7,7-octaetil-s-hidrindacen-4-il) germânio é capaz de formar uma ligação dupla com o oxigênio (germanona). O hidreto de germânio e o tetra-hidreto de germânio são muito inflamáveis ​​e até explosivos quando misturados com o ar.

Isótopos

O germânio ocorre em 5 isótopos naturais :70
Ge
, 72
Ge
, 73
Ge
, 74
Ge
, e 76
Ge
. Destes,76
Ge
é muito ligeiramente radioativo, decaindo por decaimento beta duplo com meia-vida de1,78 × 10 21  anos .74
Ge
é o isótopo mais comum, tendo uma abundância natural de aproximadamente 36%.76
Ge
é o menos comum com uma abundância natural de aproximadamente 7%. Quando bombardeado com partículas alfa, o isótopo72
Ge
irá gerar estável 77
Se
, liberando elétrons de alta energia no processo. Por causa disso, ele é usado em combinação com o radônio para baterias nucleares .

Pelo menos 27 radioisótopos também foram sintetizados, variando em massa atômica de 58 a 89. O mais estável deles é68
Ge
, decaindo por captura de elétrons com meia-vida de270,95 dias . O menos estável é60
Ge
, com meia-vida de 30  ms . Enquanto a maioria dos radioisótopos de germânio decaem por decaimento beta ,61
Ge
e 64
Ge
decadência por
β+
emissão de prótons atrasada .84
Ge
Através dos 87
Ge
isótopos também exibem menor
β-
trajetórias de decaimento de emissão de nêutrons atrasadas .

Ocorrência

O germânio é criado pela nucleossíntese estelar , principalmente pelo processo s em estrelas gigantes assintóticas . O processo s é uma captura lenta de nêutrons de elementos mais leves dentro de estrelas gigantes vermelhas pulsantes . O germânio foi detectado em algumas das estrelas mais distantes e na atmosfera de Júpiter.

A abundância de germânio na crosta terrestre é de aproximadamente 1,6  ppm . Apenas alguns minerais como argirodita , briartita , germanita , renierita e esfalerita contêm quantidades apreciáveis ​​de germânio. Apenas alguns deles (especialmente a germanita) são, muito raramente, encontrados em quantidades lavráveis. Alguns corpos de minério de zinco-cobre-chumbo contêm germânio suficiente para justificar a extração do concentrado de minério final. Um processo de enriquecimento natural incomum causa alto teor de germânio em algumas camadas de carvão, descoberto por Victor Moritz Goldschmidt durante uma ampla pesquisa de depósitos de germânio. A maior concentração já encontrada foi em cinzas de carvão de Hartley com até 1,6% de germânio. Os depósitos de carvão perto de Xilinhaote , Mongólia Interior , contêm cerca de 1600  toneladas de germânio.

Produção

Cerca de 118  toneladas de germânio foram produzidas em 2011 em todo o mundo, principalmente na China (80 t), Rússia (5 t) e Estados Unidos (3 t). O germânio é recuperado como um subproduto dos minérios de zinco esfalerita onde está concentrado em quantidades tão grandes quanto 0,3%, especialmente de depósitos massivos de Zn - Pb - Cu (- Ba ) hospedados em sedimentos de baixa temperatura e Zn - hospedados em carbonato Depósitos de chumbo. Um estudo recente descobriu que pelo menos 10.000 t de germânio extraível estão contidos em reservas conhecidas de zinco, particularmente aquelas hospedadas por depósitos do tipo Vale do Mississippi , enquanto pelo menos 112.000 t serão encontradas em reservas de carvão. Em 2007, 35% da demanda foi atendida com germânio reciclado.

Ano Custo
( $ / kg)
1999 1.400
2000 1.250
2001 890
2002 620
2003 380
2004 600
2005 660
2006 880
2007 1.240
2008 1.490
2009 950
2010 940
2011 1.625
2012 1.680
2013 1.875
2014 1.900
2015 1.760
2016 950
2017 1.358
2018 1.300
2019 1.240
2020 1.000

Embora seja produzido principalmente a partir da esfalerita , também é encontrado nos minérios de prata , chumbo e cobre . Outra fonte de germânio são as cinzas volantes de usinas de energia movidas a depósitos de carvão que contêm germânio. A Rússia e a China usaram isso como fonte de germânio. Os depósitos da Rússia estão localizados no extremo leste da Ilha Sakhalin e a nordeste de Vladivostok . Os depósitos na China estão localizados principalmente nas minas de lignito perto de Lincang , Yunnan ; o carvão também é extraído perto de Xilinhaote , na Mongólia Interior .

Os concentrados de minério são principalmente sulfídicos ; eles são convertidos em óxidos por aquecimento sob ar em um processo conhecido como torrefação :

GeS 2 + 3 O 2 → GeO 2 + 2 SO 2

Parte do germânio é deixado na poeira produzida, enquanto o resto é convertido em germanatos, que são então lixiviados (junto com o zinco) das cinzas pelo ácido sulfúrico. Após a neutralização, apenas o zinco permanece em solução, enquanto o germânio e outros metais precipitam. Depois de remover parte do zinco do precipitado pelo processo Waelz , o óxido Waelz residual é lixiviado uma segunda vez. O dióxido é obtido como precipitado e convertido com gás cloro ou ácido clorídrico em tetracloreto de germânio , que tem um ponto de ebulição baixo e pode ser isolado por destilação:

GeO 2 + 4 HCl → GeCl 4 + 2 H 2 O
GeO 2 + 2 Cl 2 → GeCl 4 + O 2

O tetracloreto de germânio é hidrolisado em óxido (GeO 2 ) ou purificado por destilação fracionada e, em seguida, hidrolisado. O GeO 2 altamente puro agora é adequado para a produção de vidro de germânio. É reduzido ao elemento reagindo com hidrogênio, produzindo germânio adequado para óptica infravermelha e produção de semicondutores:

GeO 2 + 2 H 2 → Ge + 2 H 2 O

O germânio para a produção de aço e outros processos industriais é normalmente reduzido usando carbono:

GeO 2 + C → Ge + CO 2

Formulários

Os principais usos finais para o germânio em 2007, em todo o mundo, foram estimados em: 35% para fibras ópticas , 30% ópticas infravermelhas , 15% para catalisadores de polimerização e 15% para aplicações eletrônicas e elétricas solares. Os 5% restantes foram para usos como fósforo, metalurgia e quimioterapia.

Óptica

Um desenho de quatro cilindros concêntricos.
Uma fibra óptica monomodo típica. O óxido de germânio é um contaminante da sílica central (Item 1).
  1. Núcleo 8 µm
  2. Revestimento 125 µm
  3. Tampão 250 µm
  4. Jaqueta 400 µm

As propriedades notáveis de germânia (GEO 2 ) são o seu elevado índice de refracção e seu baixo dispersão óptica . Isso o torna especialmente útil para lentes de câmera grande angular , microscopia e a parte central das fibras ópticas . Substituiu o titânio como dopante para a fibra de sílica, eliminando o subsequente tratamento térmico que tornava as fibras quebradiças. No final de 2002, a indústria de fibra óptica consumia 60% do uso anual de germânio nos Estados Unidos, mas isso é menos de 10% do consumo mundial. GeSbTe é um material de mudança de fase usado por suas propriedades ópticas, como aquelas usadas em DVDs regraváveis .

Como o germânio é transparente nos comprimentos de onda do infravermelho, é um material óptico infravermelho importante que pode ser facilmente cortado e polido em lentes e janelas. É especialmente usado como ótica frontal em câmeras de imagem térmica trabalhando na faixa de 8 a 14  mícrons para imagens térmicas passivas e para detecção de pontos quentes em aplicações militares, visão noturna móvel e combate a incêndio. É usado em espectroscópios infravermelhos e outros equipamentos ópticos que requerem detectores infravermelhos extremamente sensíveis . Possui índice de refração muito alto (4,0) e deve ser revestido com agentes anti-reflexos. Particularmente, um revestimento anti-reflexo especial muito duro de carbono tipo diamante (DLC), índice de refração 2.0, é uma boa combinação e produz uma superfície dura como diamante que pode suportar muitos abusos ambientais.

Eletrônicos

As ligas de silício-germânio estão se tornando rapidamente um importante material semicondutor para circuitos integrados de alta velocidade. Os circuitos que utilizam as propriedades das junções Si-SiGe podem ser muito mais rápidos do que aqueles que usam apenas silício. O silício-germânio está começando a substituir o arsenieto de gálio (GaAs) em dispositivos de comunicação sem fio. Os chips SiGe, com propriedades de alta velocidade, podem ser feitos com técnicas de produção bem estabelecidas e de baixo custo da indústria de chips de silício .

Os painéis solares são um dos principais usos do germânio. O germânio é o substrato dos wafers para células fotovoltaicas multifuncionais de alta eficiência para aplicações espaciais. LEDs de alto brilho, usados ​​em faróis de automóveis e para iluminar telas LCD, são uma aplicação importante.

Como o germânio e o arsenieto de gálio têm constantes de rede muito semelhantes, os substratos de germânio podem ser usados ​​para fazer células solares de arsenieto de gálio . Os Mars Exploration Rovers e vários satélites usam arsenieto de gálio de junção tripla em células de germânio.

Substratos de germânio sobre isolante (GeOI) são vistos como um substituto potencial para o silício em chips miniaturizados. Circuito CMOS baseado em substratos GeOI foi relatado recentemente. Outros usos em eletrônica incluem fósforo em lâmpadas fluorescentes e diodos emissores de luz de estado sólido (LEDs). Os transistores de germânio ainda são usados ​​em alguns pedais de efeitos por músicos que desejam reproduzir o caráter tonal distinto do "fuzz" -tone do início da era do rock and roll , mais notavelmente o Dallas Arbiter Fuzz Face .

Outros usos

O dióxido de germânio também é usado em catalisadores para polimerização na produção de tereftalato de polietileno (PET). O alto brilho desse poliéster é especialmente recomendado para garrafas PET comercializadas no Japão. Nos Estados Unidos, o germânio não é usado para catalisadores de polimerização.

Devido à semelhança entre a sílica (SiO 2 ) e o dióxido de germânio (GeO 2 ), a fase estacionária de sílica em algumas colunas de cromatografia gasosa pode ser substituída por GeO 2 .

Nos últimos anos, o germânio tem visto um uso crescente em ligas de metais preciosos. Em ligas de prata esterlina , por exemplo, reduz a escala de fogo , aumenta a resistência ao embaçamento e melhora o endurecimento por precipitação. Uma liga de prata à prova de manchas, com a marca registrada Argentium, contém 1,2% de germânio.

Os detectores de semicondutores feitos de germânio de alta pureza de cristal único podem identificar com precisão as fontes de radiação - por exemplo, na segurança de aeroportos. O germânio é útil para monocromadores para linhas de luz usadas em espalhamento de nêutrons de cristal único e difração de raios-X síncrotron . A refletividade tem vantagens sobre o silício em aplicações de nêutrons e raios-X de alta energia . Cristais de germânio de alta pureza são usados ​​em detectores para espectroscopia gama e na busca de matéria escura . Os cristais de germânio também são usados ​​em espectrômetros de raios-X para a determinação de fósforo, cloro e enxofre.

O germânio está emergindo como um material importante para aplicações de spintrônica e computação quântica baseada em spin . Em 2010, os pesquisadores demonstraram o transporte de spin à temperatura ambiente e, mais recentemente, os spins de elétrons do doador no germânio mostraram ter tempos de coerência muito longos .

Germânio e saúde

O germânio não é considerado essencial para a saúde de plantas ou animais. O germânio no meio ambiente tem pouco ou nenhum impacto na saúde. Isso ocorre principalmente porque geralmente ocorre apenas como um oligoelemento em minérios e materiais carbonáceos , e as várias aplicações industriais e eletrônicas envolvem quantidades muito pequenas que provavelmente não serão ingeridas. Por razões semelhantes, o germânio de uso final tem pouco impacto no meio ambiente como um risco biológico. Alguns compostos intermediários reativos de germânio são venenosos (consulte as precauções abaixo).

Suplementos de germânio, feitos de germânio orgânico e inorgânico, têm sido comercializados como um medicamento alternativo capaz de tratar a leucemia e o câncer de pulmão . Não há, entretanto, nenhuma evidência médica de benefício; algumas evidências sugerem que tais suplementos são ativamente prejudiciais.

Alguns compostos de germânio têm sido administrados por médicos alternativos como soluções injetáveis ​​não permitidas pelo FDA. Formas inorgânicas solúveis de germânio usadas no início, notavelmente o sal citrato-lactato, resultaram em alguns casos de disfunção renal , esteatose hepática e neuropatia periférica em indivíduos que os usaram por um longo prazo. As concentrações de germânio no plasma e na urina nesses indivíduos, vários dos quais morreram, eram várias ordens de magnitude maiores do que os níveis endógenos . Uma forma orgânica mais recente, o sesquióxido de beta-carboxietilgermânio ( propagermânio ), não exibiu o mesmo espectro de efeitos tóxicos.

A pesquisa da Food and Drug Administration dos EUA concluiu que o germânio inorgânico, quando usado como suplemento nutricional , "apresenta risco potencial à saúde humana ".

Certos compostos de germânio têm baixa toxicidade para mamíferos , mas têm efeitos tóxicos contra certas bactérias .

Precauções para compostos de germânio quimicamente reativos

Alguns dos compostos produzidos artificialmente do germânio são bastante reativos e apresentam um perigo imediato para a saúde humana quando expostos. Por exemplo, cloreto de germânio e pertinente (GeH 4 ) são um líquido e de gás, respectivamente, que pode ser muito irritante para os olhos, pele, pulmões, e garganta.

Veja também

Notas

Referências

links externos