Germaniul este un element chimic, notat cu simbolul Ge, al cărui număr atomic este 32. Este un metaloid lucios, dens, de culoare gri, ce posedă proprietăți chimice similare cu staniul și siliciul. Germaniul pur este un semiconductor, având un aspect similar cu siliciul. Germaniul reacționează cu oxigenul, formând numeroși compuși, fiind astfel mult prea reactiv pentru a fi găsit în stare nativă pe Pământ. Principalele minerale ale germaniului sunt germanit, argirodit, renierit si canfieldit, toate fiind foarte rareThe History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide By Robert E. Krebs, pagina 199.
Datorită concentrației sale reduse în componența mineralelor, descoperirea germaniului a avut loc târziu. Germaniul ocupă locul 52 ca și abundență în compoziția scoarței terestreThe History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide By Robert E. Krebs, pagina 199. În 1869, Dâmitri Mendeleev a prezis existența elementului, precum și unele proprietăți ale acestuia pe baza poziției sale in Tabelul periodic, numindu-l ekasiliciu. Aproape două decenii mai târziu, Clemens Winkler descoperă germaniul (alături de argint si sulf), în argirodit. Deși acest element semăna cu arsenul și stibiul ca și aspect, proprietățile sale chimice de combinare confirmau proprietățile similare cu siliciul, confirmând astfel predicția lui Mendeleev. Winkler va numit elementul după țara sa, Germania. În zilele noastre, germaniul este extras în principal din sfalerit (principalul minereu al zincului), cu toate că germaniul mai poate fi extras din minereuri de argint, plumb și cupru.
Germaniul metalic este utilizat ca și semiconductor în tranzistori, precum și alte dispozitive electronice. Primul deceniu al electronicii s-a bazat pe utilizarea germaniului ca și element constituent al tranzistorilor. Cu toate acestea, în prezent, doar 2% din producția de germaniu este alocată acestui domeniu, unde siliciul de puritate înaltă este preponderent utilizat. Utilizările curente ale germaniului includ încorporarea sa în sistemele de fibră optică și celule solare. Compușii germanici sunt de asemenea utilizați ca și catalizatori, precum și materiale pentru nanofire. Acest element formează o gamă largă de compuși organometalici, precum tetraetilgermanul, de asemenea util în chimia organometalică.
Acest element nu are o funcție vitală pentru organisme, iar unii compuși organici ai germaniului au fost testați ca și posibile produse farmaceutice, însă fără nici un rezultat. Similar cu siliciul și aluminiul, compușii germanici tind să fie insolubili în apă, având astfel un potențial scăzut de toxicitate orală. Cu toate acestea, sărurile sintetice de germaniu sunt compuși nefrotoxici, iar compușii sintetici ai germaniului cu halogenii și hidrogenul devin toxine și au proprietăți iritante.
Istoric
thumb|left|Mostre de compuși ai germaniului preparate de descoperitorul elementului, Clemens Winkler În raportul său Legea Periodică a Elementelor Chimice din 1869, chimistul rus Dâmitri Ivanovici Mendeleev a prezis existența unor elemente chimice necunoscute, inclusiv cea a unui element care ar fi completat un loc vacant în grupa carbonului din Tabelul Periodic al Elementelor, plasat între siliciu și staniu. Datorită poziției în Tabelul Periodic, Mendeleev a numit elementul ekasilicon (Es), estimându-i greutatea atomică la valoarea de 72.
La mijlocul anului 1885 d.C., la o mină aflată lângă orașul saxon Freiberg, un nou mineral a fost descoperit, fiind numit argirodit datorită conținutului înalt de argint. Chimistul Clemens Winkler a analizat acest nou mineral, care s-a dovedit a fi o combinație de argint, sulf și un nou element; acesta va fi izolat de Winkler în 1886, determinându-se caracteristici similare cu cele ale stibiului. Înainte de publicarea rezultatelor privind noul element, Winkler a decis ca elementul să fie numit neptunium, din moment ce recenta descoperire a planetei Neptun în 1846 a fost anunțată de predicții matematice. Cu toate acestea, numele de "neptuniu" a fost deja stabilit unui alt element (cu toate că nu este adresat elementului ce poartă numele de neptuniu, descoperit în 1940). Ca urmare, Winkler numește noul element germanium (din latinescul Germania), în onoarea țării sale. Argiroditul a fost dovedit empiric a avea formula Ag8GeS6.
Deoarece acest nou element prezenta anumite similarități cu arsenul și stibiul, se avea în vedere plasarea acestuia la locul său potrivit, dar similaritățile cu "ekasilicon" a confirmat acel loc. Pe baza a 500 kg de minereu din minele Saxoniei, Winkler a reușit să confirme proprietățile chimice ale noului element în 1887. Totodată a determinat masa atomică de 72,32 prin analiza tetraclorurii de germaniu (), în timp ce Lecoq de Boisbaudran a ajuns la valoarea de 72,3 pe baza comparației liniior spectrale ale elementului.
Winkler a reușit să prepare câțiva compuși noi ai germaniului, inclusiv fluoruri, cloruri, sulfuri, dioxid de germaniu și tetraetilgerman (Ge(C2H5)4), primul organogerman. Informațiile fizice ale acestor compuși - care echivalau cu predicțiile lui Mendeleev - au făcut ca această descoperire să fie o validare importantă a ideii lui Mendeleev de periodicitate a elementelor. Mai jos, se poate observa o comparație între informațiile prezise și cele stabilite de Winkler:
Proprietate Ekasilicon Germaniu masa atomică 72,64 72,59 densitate (g/cm3) 5,5 5,35 punct de topire (°C) înalt 947 culoare gri gri tipul de oxid dioxid refractor dioxid refractor densitatea oxidului (g/cm3) 4,7 4.7 activitatea oxidului ușor bazică ușor bazică punctul de fierbere al clorurii (°C) sub 100 86 (GeCl4) densitatea clorurii (g/cm3) 1,9 1,9
Până spre finalul anilor 30, germaniul era considerat un metal slab conductor. Importanța economică a germaniului nu a crescut decât după anul 1945, când proprietățile lui au condus la utilizarea lui ca și semiconductor eletronic. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, cantități mici de germaniu erau folosite în unele dispozitive electronice, în principal în diode. Prima utlizare majoră a fost în cadrul diodelor Schottky, utilizate în detectarea radar din timpul războiului. Primele aliaje din siliciu și germaniu au fost produse în 1955. Înainte de 1945, doar câteva sute de kilograme de germaniu erau produse în topitorii anual, însă spre finalul anilor 50, producția anuală la nivel global ajunsese la 40 tone metrice.
Dezvoltarea tranzistorului pe bază de germaniu, în 1948, a permis dezvoltarea aplicațiilor electronice. Începând cu anul 1950 până la începutul anilor 1970, acest domeniu a creat o piață crescândă pentru germaniu, acesta fiind ulterior înlocuit de siliciu de înaltă calitate în componența tranzistorilor, diodelor și redresoarelor. De exemplu, compania care ulterior va deveni "Fairchild Semiconductor" a fost fondată în 1957, cu scopul de a produce tranzistori pe bază de siliciu. Siliciul prezintă proprietăți electrice superioare, dar necesită o puritate înaltă, care nu putea fi obținută în mod comercial la începutul electronicii semiconductoare.
Între timp, cererea pentru germaniu în comunicarea pe bază de fibră optică, sisteme cu infraroșu și catalizatori polimerici a crescut dramatic. Aceste utilizări reprezentau 85% din consumul de germaniu la nivel global în 2000. Guvernul american desemnase germaniul ca material strategic și critic, cerând suplimentarea a 132 tone metrice în rezerva națională pentru apărare, în 1987.
Germaniul diferă de siliciu în privința disponibilității surselor de exploatare, în timp ce rezerva de siliciu este limitată doar de capacitatea de producție (din moment ce siliciul provide din nisip și cuarț). În timp ce prețul siliciului era mai puțin de 10$/kg în 1988 , prețul germaniului era de aproape 800$/kg.
Structura atomică Structură atomică a germaniului este determinată de numărul nucleonilor din nucleul atomic, astfel că pentru izotopul său natural, 74Ge, germaniul are 32 de protoni și 42 de neutroni; pentru că germaniul prezintă mai mulți izotopi naturali, acest număr al neutronilor diferă. Raza atomică medie, precum si raza de covalență, este de 122 pm, iar volumul molar al acestuia este de 23,322 m³/kmol. Configurația electronică a atomului de germaniu este următoarea:
configurație electronică stratul electronic K: 1s2
stratul electronic L: 2s2p6
stratul electronic M: 3s2p6d10
stratul electronic N: 4s2p2</div>
Izotopi Germaniul este intalnit sub forma a 5 izotopi naturali: 70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge si 76Ge. Dintre acestia, 76Ge este usor radioactiv, avand un timp de injumatarire de . Cel mai intalnit izotop este 74Ge, raspandit pe Pamant in procent de aproximativ 36%. 76Ge este cel mai putin intalnit izotop, cu o raspandire de aproximativ 7%. Atunci cand este bombardat cu particule alfa, izotopul 72Ge va genera 77Se, eliberand o cantitate mare de electroni in urma acestui proces. Din aceasta cauza, este folosit in combinatie cu radonul in bateriile nucleare.Perreault, Bruce A. "Alpha Fusion Electrical Energy Valve", US Patent 7800286, issued September 21, 2010.
Cel putin 27 radioizotopi au fost sintetizati, cu mase atomice ce variaza de la 58 la 89. Cel mai stabil dintre acestia este68Ge, injumatatindu-se prin captura de electroni in . Cel mai putin stabil este 60Ge, cu un timp de injumatatire de . In timp ce majoritatea radioizotopilor de germaniu se dezintegreaza prin dezintegrare beta, 61Ge si 64Ge sunt dezintegrati prin emisie de protoni intarziata. De la 84Ge la 87Ge de asemnea indica emisii minore de neutroni.
Proprietăți Fizice In conditii standard, germaniul este un element semi-metalic, casant, de culoare alb-argintiu. Aceasta forma constituie o forma alotropa numita α-germaniu, ce prezinta un luciu metalic si o structura cubica asemenatoare cu a diamantului. In forma cristalina, germaniul prezinta energie de prag de deplasare de . La presiuni mai mari de 120 kbar, germaniul devine forma alotropa β-germaniu cu aceeasi structura ca si β-staniu. Asemeni siliciului, galiului, bismutului, antimoniului si apei, germaniul este printre putinele substante care isi maresc volumul la solidificare (de exemplu, inghet).
Germaniul este un semiconductor. Tehnici de rafinare zonala au condus la producerea cristalelor de germaniu pentru semiconductori, ce prezinta o impuritate de 1 parte in 1010, facandu-l unul din cele mai pure materiale obtinute vreodata Primul material metalic descoperit (in 2005) ce devine un superconductor in prezenta unui camp eletromagnetic extrem de puternic a fost un aliaj de germaniu, uraniu si rodiu.
In stare pura, germaniuul este cunoscut sa extrudeze dislocatii lungi, numite mustati de germaniu. Cresterea acestora este unul din principalele cauze de cedare a diodelor si tranzistorilor vechi din germaniu, putand cauza scurtcircuite.
Chimice
Germaniul elementar începe oxidarea lentă în aer în jurul temperaturii de 250 °C, formând GeO2. Germaniul este insolubil în acizi diluați și alcalii, însă se dizolvă lent în acid sulfuric și nitric concentrați, reacționând violent cu alcalii topite pentru a produce germanați (). Germaniul prezintă preponderent un număr de oxidare +4, deși prezintă mulți compuși cu numărul +2. Alte numere de oxidare sunt rare: +3 este întâlnit în compuși precum Ge2Cl6, iar +3 și +1 sunt prezente la suprafața oxizilor, sau numerele negative de oxidare în germanizi, precum −4 în . Grupări atomice de germaniu (Zintl ions) precum Ge42−, Ge94−, Ge92−, [(Ge9)2]6− au fost preparați prin extracția aliajelor ce conțineau metale alcaline și germaniu în amoniu lichid, în prezența unei etilenediamine sau criptanzi. Numerele de oxidare ale elementului din acești ioni nu sunt integers—similar cu ozonidele O3−.