El germanio es un elemento químico con el símbolo Ge y número atómico 32. Es un metaloide brillante, duro, quebradizo, blanco grisáceo en el grupo del carbono , químicamente similar a sus vecinos del grupo silicio y estaño . El germanio puro es un semiconductor con una apariencia similar al silicio elemental. Al igual que el silicio, el germanio reacciona de forma natural y forma complejos con el oxígeno en la naturaleza.
Germanio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Pronunciación | / Dʒ ər m eɪ n i ə m / | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Apariencia | blanco grisáceo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Peso atómico estándar A r, std (Ge) | 72.630 (8) [1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Germanio en la tabla periódica | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número atómico ( Z ) | 32 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupo | grupo 14 (grupo de carbono) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Período | período 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cuadra | bloque p | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configuración electronica | [ Ar ] 3d 10 4s 2 4p 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electrones por capa | 2, 8, 18, 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fase en STP | sólido | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de fusion | 1211,40 K (938,25 ° C, 1720,85 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de ebullición | 3106 K (2833 ° C, 5131 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Densidad (cerca de rt ) | 5.323 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
cuando es líquido (a mp ) | 5,60 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de fusión | 36,94 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de vaporización | 334 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 23,222 J / (mol · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estados de oxidación | −4 −3, −2, −1, 0, [2] +1, +2 , +3, +4 (un óxido anfótero ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegatividad | Escala de Pauling: 2,01 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energías de ionización |
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Radio atómico | empírico: 122 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radio covalente | 122 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radio de Van der Waals | 211 p. M. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Líneas espectrales de germanio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Otras propiedades | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ocurrencia natural | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estructura cristalina | diamante cúbico centrado en la cara | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Velocidad de sonido varilla fina | 5400 m / s (a 20 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Expansión térmica | 6,0 µm / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conductividad térmica | 60,2 W / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Resistividad electrica | 1 Ω⋅m (a 20 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Brecha de banda | 0,67 eV (a 300 K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Orden magnético | diamagnético [3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Susceptibilidad magnética molar | −76,84 × 10 −6 cm 3 / mol [4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
El módulo de Young | 103 GPa [5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Módulo de corte | 41 GPa [5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Módulo de volumen | 75 GPa [5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Relación de Poisson | 0,26 [5] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza de Mohs | 6.0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7440-56-4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Historia | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nombrar | después de Alemania, patria del descubridor | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Predicción | Dmitri Mendeleev (1869) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Descubrimiento | Clemens Winkler (1886) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Isótopos principales del germanio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Debido a que rara vez aparece en alta concentración, el germanio se descubrió relativamente tarde en la historia de la química . El germanio se ubica cerca del quincuagésimo lugar en abundancia relativa de los elementos en la corteza terrestre . En 1869, Dmitri Mendeleev predijo su existencia y algunas de sus propiedades desde su posición en su tabla periódica , y llamó al elemento ekasilicon . Casi dos décadas después, en 1886, Clemens Winkler encontró el nuevo elemento junto con la plata y el azufre , en un mineral poco común llamado argyrodita . Aunque el nuevo elemento se parecía un poco al arsénico y al antimonio en apariencia, las proporciones de combinación en los compuestos coincidían con las predicciones de Mendeleev para un pariente del silicio. Winkler nombró al elemento en honor a su país, Alemania . Hoy en día, el germanio se extrae principalmente de la esfalerita (el mineral principal del zinc ), aunque el germanio también se recupera comercialmente de los minerales de plata , plomo y cobre .
El germanio elemental se utiliza como semiconductor en transistores y varios otros dispositivos electrónicos. Históricamente, la primera década de la electrónica de semiconductores se basó completamente en germanio. Actualmente, los principales usos finales son los sistemas de fibra óptica , la óptica infrarroja , las aplicaciones de células solares y los diodos emisores de luz (LED). Los compuestos de germanio también se utilizan para catalizadores de polimerización y recientemente se han utilizado en la producción de nanocables . Este elemento forma una gran cantidad de compuestos de organogermanio , como el tetraetilgermanio , útiles en la química organometálica . El germanio se considera un elemento tecnológico crítico . [6]
No se cree que el germanio sea un elemento esencial para ningún organismo vivo . Se están investigando algunos compuestos orgánicos complejos de germanio como posibles productos farmacéuticos, aunque ninguno ha demostrado su eficacia. Al igual que el silicio y el aluminio, los compuestos de germanio de origen natural tienden a ser insolubles en agua y, por lo tanto, tienen poca toxicidad oral . Sin embargo, las sales de germanio solubles sintéticas son nefrotóxicas , y los compuestos de germanio sintéticos químicamente reactivos con halógenos e hidrógeno son irritantes y toxinas.
Historia
En su informe sobre La ley periódica de los elementos químicos de 1869, el químico ruso Dmitri Mendeleev predijo la existencia de varios elementos químicos desconocidos , incluido uno que llenaría un vacío en la familia del carbono , ubicado entre el silicio y el estaño . [7] Debido a su posición en su tabla periódica, Mendeleev lo llamó ekasilicon (Es) , y estimó que su peso atómico era 70 (luego 72).
A mediados de 1885, en una mina cerca de Freiberg, Sajonia , se descubrió un nuevo mineral que se denominó argyrodita debido a su alto contenido de plata . [nota 1] El químico Clemens Winkler analizó este nuevo mineral, que resultó ser una combinación de plata, azufre y un nuevo elemento. Winkler pudo aislar el nuevo elemento en 1886 y lo encontró similar al antimonio . Inicialmente consideró que el nuevo elemento era eka-antimonio, pero pronto se convenció de que era eka-silicio. [9] [10] Antes de que Winkler publicara sus resultados sobre el nuevo elemento, decidió que nombraría su elemento neptunio , ya que el reciente descubrimiento del planeta Neptuno en 1846 había sido precedido de manera similar por predicciones matemáticas de su existencia. [nota 2] Sin embargo, el nombre "neptunio" ya se había dado a otro elemento químico propuesto (aunque no al elemento que hoy lleva el nombre de neptunio , que fue descubierto en 1940). [nota 3] Entonces, en cambio, Winkler nombró al nuevo elemento germanio (de la palabra latina , Germania , para Alemania) en honor a su tierra natal. [10] Argyrodite demostró empíricamente ser Ag 8 GeS 6 . Debido a que este nuevo elemento mostraba algunas similitudes con los elementos arsénico y antimonio, se estaba considerando su lugar apropiado en la tabla periódica, pero sus similitudes con el elemento predicho de Dmitri Mendeleev "ekasilicon" confirmaron ese lugar en la tabla periódica. [10] [17] Con más material de 500 kg de mineral de las minas de Sajonia, Winkler confirmó las propiedades químicas del nuevo elemento en 1887. [9] [10] [18] También determinó un peso atómico de 72,32 por analizar tetracloruro de germanio puro ( GeCl
4), mientras que Lecoq de Boisbaudran dedujo 72,3 mediante una comparación de las líneas en el espectro de chispa del elemento. [19]
Winkler pudo preparar varios compuestos nuevos de germanio, incluidos fluoruros , cloruros , sulfuros , dióxido y tetraetilgermane (Ge (C 2 H 5 ) 4 ), el primer organogermane. [9] Los datos físicos de esos compuestos, que se correspondían bien con las predicciones de Mendeleev, hicieron del descubrimiento una confirmación importante de la idea de la periodicidad de los elementos de Mendeleev . Aquí hay una comparación entre la predicción y los datos de Winkler: [9]
Propiedad | Ekasilicio Predicción de Mendeleev (1871) | Germanio Descubrimiento de Winkler (1887) |
---|---|---|
masa atomica | 72,64 | 72,63 |
densidad (g / cm 3 ) | 5.5 | 5.35 |
punto de fusión (° C) | elevado | 947 |
color | gris | gris |
tipo de óxido | dióxido refractario | dióxido refractario |
densidad de óxido (g / cm 3 ) | 4,7 | 4,7 |
actividad de óxido | débilmente básico | débilmente básico |
punto de ebullición del cloruro (° C) | menos de 100 | 86 (GeCl 4 ) |
densidad de cloruro (g / cm 3 ) | 1,9 | 1,9 |
Hasta finales de la década de 1930, se pensaba que el germanio era un metal de mala conducción . [20] El germanio no se volvió económicamente significativo hasta después de 1945 cuando se reconocieron sus propiedades como semiconductor electrónico . Durante la Segunda Guerra Mundial , se utilizaron pequeñas cantidades de germanio en algunos dispositivos electrónicos especiales , principalmente diodos . [21] [22] El primer uso importante fueron los diodos Schottky de contacto puntual para la detección de pulsos de radar durante la Guerra. [20] Las primeras aleaciones de silicio-germanio se obtuvieron en 1955. [23] Antes de 1945, solo se producían unos pocos cientos de kilogramos de germanio en las fundiciones cada año, pero a fines de la década de 1950, la producción mundial anual había alcanzado 40 unidades métricas. toneladas (44 toneladas cortas ). [24]
El desarrollo del transistor de germanio en 1948 [25] abrió la puerta a innumerables aplicaciones de la electrónica de estado sólido . [26] Desde 1950 hasta principios de la década de 1970, esta área proporcionó un mercado creciente para el germanio, pero luego el silicio de alta pureza comenzó a reemplazar al germanio en transistores, diodos y rectificadores . [27] Por ejemplo, la empresa que se convirtió en Fairchild Semiconductor se fundó en 1957 con el propósito expreso de producir transistores de silicio. El silicio tiene propiedades eléctricas superiores, pero requiere una pureza mucho mayor que no se podía lograr comercialmente en los primeros años de la electrónica de semiconductores . [28]
Mientras tanto, la demanda de germanio para redes de comunicación de fibra óptica , sistemas de visión nocturna por infrarrojos y catalizadores de polimerización aumentó drásticamente. [24] Estos usos finales representaron el 85% del consumo mundial de germanio en 2000. [27] El gobierno de Estados Unidos incluso designó al germanio como material estratégico y crítico, solicitando un suministro de 146 toneladas (132 toneladas ) en las existencias de defensa nacional en 1987. [24]
El germanio se diferencia del silicio en que el suministro está limitado por la disponibilidad de fuentes explotables, mientras que el suministro de silicio está limitado solo por la capacidad de producción, ya que el silicio proviene de arena y cuarzo ordinarios . Si bien el silicio se podía comprar en 1998 por menos de 10 dólares el kg, [24] el precio del germanio era de casi 800 dólares el kg. [24]
Caracteristicas
En condiciones estándar , el germanio es un elemento semimetálico de color blanco plateado quebradizo. [29] Esta forma constituye un alótropo conocido como α-germanio , que tiene un brillo metálico y una estructura cristalina cúbica de diamante , al igual que el diamante . [27] Mientras está en forma de cristal, el germanio tiene un umbral de energía de desplazamiento de. [30] A presiones superiores a 120 kbar , el germanio se convierte en el alótropo β-germanio con la misma estructura que el β- estaño . [31] Al igual que el silicio, el galio , el bismuto , el antimonio y el agua , el germanio es una de las pocas sustancias que se expande a medida que se solidifica (es decir, se congela ) a partir del estado fundido. [31]
El germanio es un semiconductor . Las técnicas de refinación de zonas han llevado a la producción de germanio cristalino para semiconductores que tiene una impureza de solo una parte en 10 10 , [32] lo que lo convierte en uno de los materiales más puros jamás obtenidos. [33] El primer material metálico descubierto (en 2005) para convertirse en un superconductor en presencia de un campo electromagnético extremadamente fuerte fue una aleación de germanio, uranio y rodio . [34]
Se sabe que el germanio puro extruye espontáneamente dislocaciones de tornillo muy largas , conocidas como bigotes de germanio . El crecimiento de estos bigotes es una de las principales razones del fallo de los diodos y transistores más antiguos hechos de germanio, ya que, dependiendo de lo que finalmente toquen, pueden provocar un cortocircuito eléctrico . [35]
Química
El germanio elemental comienza a oxidarse lentamente en el aire a alrededor de 250 ° C, formando GeO 2 . [36] El germanio es insoluble en ácidos y álcalis diluidos , pero se disuelve lentamente en ácidos nítrico y sulfúrico concentrados calientes y reacciona violentamente con los álcalis fundidos para producir germanatos ( [GeO
3]2−
). El germanio se encuentra principalmente en el estado de oxidación +4, aunque se conocen muchos compuestos +2. [37] Otros estados de oxidación son raros: +3 se encuentra en compuestos como Ge 2 Cl 6 , y +3 y +1 se encuentran en la superficie de óxidos, [38] o estados de oxidación negativos en germanuros , como −4 en Mg
2Ge . Los aniones de racimo de germanio ( iones Zintl ) como Ge 4 2− , Ge 9 4− , Ge 9 2− , [(Ge 9 ) 2 ] 6− se han preparado mediante la extracción de aleaciones que contienen metales alcalinos y germanio en amoníaco líquido en la presencia de etilendiamina o un criptand . [37] [39] Los estados de oxidación del elemento en estos iones no son números enteros-similares a los ozónidos O 3 - .
Se conocen dos óxidos de germanio: dióxido de germanio ( GeO
2, germania) y monóxido de germanio , ( GeO ). [31] El dióxido, GeO 2 se puede obtener tostando disulfuro de germanio ( GeS
2), y es un polvo blanco que es solo ligeramente soluble en agua pero que reacciona con los álcalis para formar germanates. [31] El monóxido, óxido germanous, se puede obtener mediante la reacción a alta temperatura de GeO 2 con Ge metal. [31] El dióxido (y los óxidos y germinados relacionados) exhibe la propiedad inusual de tener un índice de refracción alto para la luz visible, pero transparencia para la luz infrarroja . [40] [41] El germanato de bismuto , Bi 4 Ge 3 O 12 , (BGO) se utiliza como centelleador . [42]
También se conocen compuestos binarios con otros calcógenos , como el di sulfuro ( GeS
2), di seleniuro ( GeSe
2) y el monosulfuro (GeS), seleniuro (GeSe) y telururo (GeTe). [37] GeS 2 se forma como un precipitado blanco cuando se hace pasar sulfuro de hidrógeno a través de soluciones fuertemente ácidas que contienen Ge (IV). [37] El disulfuro es apreciablemente soluble en agua y en soluciones de álcalis cáusticos o sulfuros alcalinos. Sin embargo, no es soluble en agua ácida, lo que permitió a Winkler descubrir el elemento. [43] Al calentar el disulfuro en una corriente de hidrógeno , se forma el monosulfuro (GeS), que se sublima en láminas delgadas de color oscuro y brillo metálico, y es soluble en soluciones de álcalis cáusticos. [31] Al fundirse con carbonatos alcalinos y azufre , los compuestos de germanio forman sales conocidas como tiogermanatos. [44]
Cuatro tetra haluros son conocidos. En condiciones normales, el GeI 4 es un sólido, el GeF 4 un gas y los demás líquidos volátiles. Por ejemplo, el tetracloruro de germanio , GeCl 4 , se obtiene como un líquido fumante incoloro que hierve a 83,1 ° C calentando el metal con cloro. [31] Todos los tetrahaluros se hidrolizan fácilmente a dióxido de germanio hidratado. [31] El GeCl 4 se utiliza en la producción de compuestos de organogermanio. [37] Los cuatro dihaluros son conocidos y, a diferencia de los tetrahaluros, son sólidos poliméricos. [37] Además, se conocen Ge 2 Cl 6 y algunos compuestos superiores de fórmula Ge n Cl 2 n +2 . [31] Se ha preparado el compuesto inusual Ge 6 Cl 16 que contiene la unidad Ge 5 Cl 12 con una estructura de neopentano . [45]
Germane (GeH 4 ) es un compuesto de estructura similar al metano . Se conocen los poligemanes, compuestos que son similares a los alcanos, con fórmula Ge n H 2 n +2 que contiene hasta cinco átomos de germanio. [37] Los germanes son menos volátiles y menos reactivos que sus correspondientes análogos de silicio. [37] GeH 4 reacciona con metales alcalinos en amoníaco líquido para formar MGeH 3 cristalino blanco que contiene el anión GeH 3 - . [37] Los hidrohaluros de germanio con uno, dos y tres átomos de halógeno son líquidos reactivos incoloros. [37]
El primer compuesto de organogermanio fue sintetizado por Winkler en 1887; la reacción de tetracloruro de germanio con dietilzinc produjo tetraetilgermane ( Ge (C
2H
5)
4). [9] Organogermanes del tipo R 4 Ge (donde R es un alquilo ) como tetrametilgermane ( Ge (CH
3)
4) y tetraetilgermane se accede a través del precursor de germanio tetracloruro de germanio y los alquil nucleófilos más baratos disponibles . Hidruros orgánicos de germanio como isobutilgermane ( (CH
3)
2CHCH
2GeH
3) resultaron ser menos peligrosos y se pueden utilizar como sustituto líquido del gas tóxico relacionado con las aplicaciones de semiconductores . Se conocen muchos intermedios reactivos del germanio : radicales libres germílicos , germilenos (similares a los carbenos ) y germinos (similares a los carbinos ). [46] [47] El compuesto de organogermanio 2-carboxietilgermasesquioxano se informó por primera vez en la década de 1970, y durante un tiempo se usó como suplemento dietético y se pensó que posiblemente tenía cualidades antitumorales. [48]
El uso de un ligando llamado Eind (1,1,3,3,5,5,7,7-octaetil-s-hidrindacen-4-il) germanio es capaz de formar un doble enlace con oxígeno (germanona). El hidruro de germanio y el tetrahidruro de germanio son muy inflamables e incluso explosivos cuando se mezclan con el aire. [49]
Isótopos
El germanio se encuentra en 5 isótopos naturales :70
Ge
, 72
Ge
, 73
Ge
, 74
Ge
, y 76
Ge
. De estos,76
Ge
es muy ligeramente radiactivo, decayendo por doble desintegración beta con una vida media de1,78 × 10 21 años .74
Ge
es el isótopo más común, con una abundancia natural de aproximadamente el 36%.76
Ge
es el menos común con una abundancia natural de aproximadamente el 7%. [50] Cuando se bombardea con partículas alfa, el isótopo72
Ge
generará estable 77Se, liberando electrones de alta energía en el proceso. [51] Debido a esto, se usa en combinación con radón para baterías nucleares . [51]
También se han sintetizado al menos 27 radioisótopos , cuya masa atómica varía de 58 a 89. El más estable de ellos es68
Ge
, decayendo por captura de electrones con una vida media de270,95 días . El menos estable es60
Ge
, con una vida media de 30 ms . Mientras que la mayoría de los radioisótopos de germanio se desintegran por desintegración beta ,61
Ge
y 64
Ge
decadencia por β+emisión retardada de protones . [50] 84
Ge
mediante 87
Ge
isótopos también exhiben menores β-trayectorias retardadas de desintegración de las emisiones de neutrones . [50]
Ocurrencia
El germanio se crea por nucleosíntesis estelar , principalmente por el proceso s en estrellas asintóticas de ramas gigantes . El proceso s es una lenta captura de neutrones de elementos más ligeros dentro de estrellas gigantes rojas pulsantes . [52] Se ha detectado germanio en algunas de las estrellas más distantes [53] y en la atmósfera de Júpiter. [54]
La abundancia de germanio en la corteza terrestre es de aproximadamente 1,6 ppm . [55] Sólo unos pocos minerales como argirita , briartita , germanita , renierita y esfalerita contienen cantidades apreciables de germanio. [27] [56] Sólo unos pocos de ellos (especialmente germanita) se encuentran, muy raramente, en cantidades explotables. [57] [58] [59] Algunos cuerpos minerales de zinc-cobre-plomo contienen suficiente germanio para justificar la extracción del concentrado de mineral final. [55] Un proceso de enriquecimiento natural inusual causa un alto contenido de germanio en algunas vetas de carbón, descubierto por Victor Moritz Goldschmidt durante un amplio estudio de depósitos de germanio. [60] [61] La concentración más alta jamás encontrada fue en las cenizas de carbón Hartley con hasta un 1,6% de germanio. [60] [61] Los depósitos de carbón cerca de Xilinhaote , Mongolia Interior , contienen aproximadamente 1600 toneladas de germanio. [55]
Producción
En 2011 se produjeron alrededor de 118 toneladas de germanio en todo el mundo, principalmente en China (80 t), Rusia (5 t) y Estados Unidos (3 t). [27] El germanio se recupera como subproducto de los minerales de zinc de esfalerita, donde se concentra en cantidades de hasta el 0,3%, [62] especialmente de depósitos masivos de Zn - Pb - Cu (- Ba ) alojados en sedimentos a baja temperatura. y depósitos de Zn – Pb alojados en carbonatos. [63] Un estudio reciente encontró que al menos 10,000 t de germanio extraíble están contenidas en reservas conocidas de zinc, particularmente aquellas alojadas en depósitos tipo Mississippi-Valley , mientras que al menos 112,000 t se encontrarán en reservas de carbón. [64] [65] En 2007, el 35% de la demanda se cubrió con germanio reciclado. [55]
Año | Costo ( $ / kg) [66] |
---|---|
1999 | 1.400 |
2000 | 1250 |
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 | 1900 |
2015 | 1.760 |
2016 | 950 |
2017 | 1,358 |
2018 | 1300 |
2019 | 1.240 |
2020 | 1.000 |
Si bien se produce principalmente a partir de esfalerita , también se encuentra en minerales de plata , plomo y cobre . Otra fuente de germanio son las cenizas volantes de las centrales eléctricas alimentadas con depósitos de carbón que contienen germanio. Rusia y China utilizaron esto como fuente de germanio. [67] Los depósitos de Rusia se encuentran en el extremo este de la isla Sakhalin y al noreste de Vladivostok . Los depósitos en China se encuentran principalmente en las minas de lignito cerca de Lincang , Yunnan ; El carbón también se extrae cerca de Xilinhaote , Mongolia Interior . [55]
Los concentrados de mineral son en su mayoría sulfídicos ; se convierten en óxidos calentándolos bajo el aire en un proceso conocido como tostado :
- GeS 2 + 3 O 2 → GeO 2 + 2 SO 2
Parte del germanio se deja en el polvo producido, mientras que el resto se convierte en germinados, que luego se lixivian (junto con el zinc) de la ceniza mediante ácido sulfúrico. Después de la neutralización, solo el zinc permanece en solución mientras que el germanio y otros metales precipitan. Después de eliminar parte del zinc en el precipitado mediante el proceso de Waelz , el óxido de Waelz residente se lixivia por segunda vez. El dióxido se obtiene como precipitado y se convierte con cloro gaseoso o ácido clorhídrico en tetracloruro de germanio , que tiene un punto de ebullición bajo y puede aislarse por destilación: [67]
- GeO 2 + 4 HCl → GeCl 4 + 2 H 2 O
- GeO 2 + 2 Cl 2 → GeCl 4 + O 2
El tetracloruro de germanio se hidroliza a óxido (GeO 2 ) o se purifica mediante destilación fraccionada y luego se hidroliza. [67] El GeO 2 de alta pureza ahora es adecuado para la producción de vidrio de germanio. Se reduce al elemento haciéndolo reaccionar con hidrógeno, produciendo germanio apto para óptica infrarroja y producción de semiconductores:
- GeO 2 + 2 H 2 → Ge + 2 H 2 O
El germanio para la producción de acero y otros procesos industriales se reduce normalmente utilizando carbono: [68]
- GeO 2 + C → Ge + CO 2
Aplicaciones
Se estimó que los principales usos finales del germanio en 2007, en todo el mundo, fueron: 35% para fibra óptica , 30% óptica infrarroja , 15% catalizadores de polimerización y 15% aplicaciones de electrónica y electricidad solar. [27] El 5% restante se destinó a usos como fósforos, metalurgia y quimioterapia. [27]
Óptica
Las propiedades notables de la germania (GeO 2 ) son su alto índice de refracción y su baja dispersión óptica . Esto lo hace especialmente útil para lentes de cámaras de gran angular , microscopía y la parte central de las fibras ópticas . [69] [70] Ha reemplazado a la titania como dopante para la fibra de sílice, eliminando el posterior tratamiento térmico que hizo que las fibras se volvieran quebradizas. [71] A finales de 2002, la industria de la fibra óptica consumía el 60% del uso anual de germanio en los Estados Unidos, pero esto es menos del 10% del consumo mundial. [70] GeSbTe es un material de cambio de fase utilizado por sus propiedades ópticas, como el que se utiliza en los DVD regrabables . [72]
Debido a que el germanio es transparente en las longitudes de onda infrarrojas, es un material óptico infrarrojo importante que se puede cortar y pulir fácilmente para obtener lentes y ventanas. Se utiliza especialmente como óptica frontal en cámaras termográficas que funcionan en el rango de 8 a 14 micrones para imágenes térmicas pasivas y para detección de puntos calientes en aplicaciones militares, de visión nocturna móvil y de extinción de incendios. [68] Se utiliza en espectroscopios infrarrojos y otros equipos ópticos que requieren detectores infrarrojos extremadamente sensibles . [70] Tiene un índice de refracción muy alto (4.0) y debe recubrirse con agentes antirreflejos. Particularmente, un recubrimiento antirreflectante especial muy duro de carbono tipo diamante (DLC), índice de refracción 2.0, es una buena combinación y produce una superficie dura como el diamante que puede soportar mucho abuso ambiental. [73] [74]
Electrónica
Las aleaciones de silicio-germanio se están convirtiendo rápidamente en un importante material semiconductor para circuitos integrados de alta velocidad. Los circuitos que utilizan las propiedades de las uniones Si-SiGe pueden ser mucho más rápidos que los que utilizan silicio solo. [75] El silicio-germanio está comenzando a reemplazar al arseniuro de galio (GaAs) en los dispositivos de comunicaciones inalámbricas. [27] Los chips SiGe, con propiedades de alta velocidad, pueden fabricarse con técnicas de producción bien establecidas y de bajo costo de la industria de chips de silicio . [27]
Los paneles solares son un uso importante del germanio. El germanio es el sustrato de las obleas de células fotovoltaicas multifunción de alta eficiencia para aplicaciones espaciales. Los LED de alto brillo, utilizados para los faros de los automóviles y para iluminar las pantallas LCD, son una aplicación importante. [27]
Debido a que el germanio y el arseniuro de galio tienen constantes de celosía muy similares, se pueden usar sustratos de germanio para fabricar células solares de arseniuro de galio . [76] Los Mars Exploration Rovers y varios satélites utilizan arseniuro de galio de triple unión en células de germanio. [77]
Los sustratos de germanio sobre aislante (GeOI) se consideran un reemplazo potencial del silicio en chips miniaturizados. [27] Recientemente se ha informado sobre circuitos CMOS basados en sustratos GeOI. [78] Otros usos en electrónica incluyen fósforos en lámparas fluorescentes [32] y diodos emisores de luz (LED) de estado sólido. [27] Los transistores de germanio todavía se utilizan en algunos pedales de efectos por músicos que desean reproducir el carácter tonal distintivo del tono "fuzz" de la era temprana del rock and roll , sobre todo el Dallas Arbiter Fuzz Face . [79]
Otros usos
El dióxido de germanio también se utiliza en catalizadores para la polimerización en la producción de tereftalato de polietileno (PET). [80] El alto brillo de este poliéster se ve especialmente favorecido por las botellas de PET comercializadas en Japón. [80] En los Estados Unidos, el germanio no se usa para catalizadores de polimerización. [27]
Debido a la similitud entre la sílice (SiO 2 ) y el dióxido de germanio (GeO 2 ), la fase estacionaria de sílice en algunas columnas de cromatografía de gases puede reemplazarse por GeO 2 . [81]
En los últimos años, el germanio se ha utilizado cada vez más en aleaciones de metales preciosos. En las aleaciones de plata esterlina , por ejemplo, reduce la escala de fuego , aumenta la resistencia al deslustre y mejora el endurecimiento por precipitación. Argentium, una aleación de plata resistente al deslustre, contiene un 1,2% de germanio. [27]
Los detectores de semiconductores fabricados con germanio monocristalino de alta pureza pueden identificar con precisión las fuentes de radiación, por ejemplo, en la seguridad de los aeropuertos. [82] El germanio es útil para monocromadores para líneas de luz utilizadas en la dispersión de neutrones de cristal único y la difracción de rayos X de sincrotrón . La reflectividad tiene ventajas sobre el silicio en aplicaciones de rayos X de neutrones y de alta energía . [83] Los cristales de germanio de alta pureza se utilizan en detectores para espectroscopía gamma y la búsqueda de materia oscura . [84] Los cristales de germanio también se utilizan en espectrómetros de rayos X para la determinación de fósforo, cloro y azufre. [85]
El germanio está emergiendo como un material importante para la espintrónica y las aplicaciones de computación cuántica basadas en espines . En 2010, los investigadores demostraron el transporte de espín a temperatura ambiente [86] y, más recientemente, se ha demostrado que los espines de electrones donantes en germanio tienen tiempos de coherencia muy largos . [87]
Germanio y salud
El germanio no se considera esencial para la salud de plantas o animales. [88] El germanio en el medio ambiente tiene poco o ningún impacto en la salud. Esto se debe principalmente a que generalmente se presenta solo como un oligoelemento en minerales y materiales carbonosos , y las diversas aplicaciones industriales y electrónicas involucran cantidades muy pequeñas que no es probable que se ingieran. [27] Por razones similares, el germanio de uso final tiene poco impacto en el medio ambiente como riesgo biológico. Algunos compuestos intermedios reactivos del germanio son venenosos (véanse las precauciones a continuación). [89]
Los suplementos de germanio, hechos de germanio orgánico e inorgánico, se han comercializado como una medicina alternativa capaz de tratar la leucemia y el cáncer de pulmón . [24] Sin embargo, no hay evidencia médica de beneficio; alguna evidencia sugiere que tales suplementos son activamente dañinos. [88]
Algunos compuestos de germanio han sido administrados por médicos alternativos como soluciones inyectables no permitidas por la FDA. Las formas inorgánicas solubles de germanio que se usaron al principio, en particular la sal de citrato-lactato, dieron como resultado algunos casos de disfunción renal , esteatosis hepática y neuropatía periférica en personas que las usaban durante un período prolongado. Las concentraciones de germanio en plasma y orina en estos individuos, varios de los cuales murieron, fueron varios órdenes de magnitud mayores que los niveles endógenos . Una forma orgánica más reciente, el sesquióxido de beta-carboxietilgermanio ( propagermanio ), no ha mostrado el mismo espectro de efectos tóxicos. [90]
La investigación de la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos ha concluido que el germanio inorgánico, cuando se usa como suplemento nutricional , "presenta un riesgo potencial para la salud humana ". [48]
Ciertos compuestos de germanio tienen baja toxicidad para los mamíferos , pero tienen efectos tóxicos contra ciertas bacterias . [29]
Precauciones para compuestos de germanio químicamente reactivos
Algunos de los compuestos de germanio producidos artificialmente son bastante reactivos y presentan un peligro inmediato para la salud humana por exposición. Por ejemplo, cloruro de germanio y germane (GEH 4 ) son un líquido y gas, respectivamente, que puede ser muy irritante para los ojos, la piel, los pulmones, y la garganta. [91]
Ver también
- Vitrain
- Historia del transistor
Notas
- ^ Del griego, argyrodite significa que contiene plata . [8]
- ↑ Tal como se había predicho la existencia del nuevo elemento, la existencia del planeta Neptuno había sido predicha aproximadamente en 1843 por los dos matemáticos John Couch Adams y Urbain Le Verrier , utilizando los métodos de cálculo de la mecánica celeste . Hicieron esto en un intento de explicar el hecho de que el planeta Urano , tras una observación muy de cerca, parecía estar siendo sacado ligeramente de su posición en el cielo. [11] James Challis comenzó a buscarlo en julio de 1846 y avistó este planeta el 23 de septiembre de 1846. [12]
- ↑ R. Hermann publicó afirmaciones en 1877 sobre su descubrimiento de un nuevo elemento debajo del tantalio en la tabla periódica, al que llamó neptunio , en honor al dios griego de los océanos y los mares. [13] [14] Sin embargo,más tarde se reconoció queeste metal era una aleación de los elementos niobio y tantalio. [15] El nombre " neptunio " se le dio más tarde al elemento sintético un paso más allá del uranio en la Tabla Periódica, que fue descubierto porinvestigadores de física nuclear en 1940. [16]
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enlaces externos
- Germanio en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
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