Germanio

Il germanio è l'elemento chimico di numero atomico 32 e il suo simbolo è Ge. È un elemento del quarto periodo e il terzo nel gruppo del carbonio, collocato tra silicio e stagno, la cui esistenza fu prevista da Mendeleev.

Germanio
32 Ge                                                                                                                                                                                                                                               gallio ← germanio → arsenico
Aspetto
Aspetto dell'elemento bianco-grigiastro
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	germanio, Ge, 32
Serie	semimetallo
Gruppo, periodo, blocco	14 (IVA), 4, p
Densità	5 323 kg/m³
Durezza	6,0
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	^3P0
Proprietà atomiche
Peso atomico	72,64
Raggio atomico (calc.)	125(125) pm
Raggio covalente	122 pm
Configurazione elettronica	[Ar]3d^10 4s^2 4p^2
e^− per livello energetico	2, 8, 18, 4
Stati di ossidazione	4 (anfotero), 2, 0, -4
Struttura cristallina	cubica a facce centrate
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido
Punto di fusione	1 211,4 K (938,3 °C)
Punto di ebollizione	3 093 K (2 820 °C)
Volume molare	13,63×10^−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	330,9 kJ/mol
Calore di fusione	36,94 kJ/mol
Tensione di vapore	74,6 μPa a 1 210 K
Velocità del suono	5400 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-56-4
Elettronegatività	2,01 (Scala di Pauling)
Calore specifico	320 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	1,45/(m·Ω)
Conducibilità termica	59,9 (W/(m·K))
Energia di prima ionizzazione	762 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 537,5 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	3 302,1 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	4 411 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione	9 020 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP ^70Ge 20,52% Ge è stabile con 38 neutroni ^72Ge 27,45% Ge è stabile con 40 neutroni ^73Ge 7,76% Ge è stabile con 41 neutroni ^74Ge 36,52% Ge è stabile con 42 neutroni ^76Ge 7,75% 2 β-; 1,78×10^21 a
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

È un metalloide lucido, duro, fragile, bianco-argenteo, dal comportamento chimico intermedio tra quello di Si e quello di Sn. Come quest'ultimo, forma un gran numero di composti organometallici. Come il silicio, è un semiconduttore e per questo in passato fu largamente usato in elettronica per la fabbricazione di diodi e transistor. Insieme al vicino gallio e all'indio, è considerato un elemento di importanza critica in tecnologia.

Fu trovato per la prima volta nel 1886 nel minerale argirodite.

Caratteristiche

Il germanio ha un aspetto metallico lucido, ha la stessa struttura cristallina del diamante ed è un semiconduttore. Allo stato puro il germanio è cristallino, fragile e mantiene il suo aspetto lustro se esposto all'aria a temperatura ambiente. Tecniche di hanno permesso la creazione di germanio cristallino per semiconduttori con solo una parte di impurità su 10 milioni.

Storia

Ciotola in germanio.

Nel 1871 il germanio (dal latino Germania) fu uno degli elementi di cui Dmitrij Mendeleev predisse l'esistenza; poiché nella sua tavola periodica la casella dell'analogo del silicio era vuota, egli predisse che si sarebbe trovato un nuovo elemento che in via provvisoria battezzò ekasilicio. L'elemento in questione fu più tardi scoperto da Clemens Winkler nel 1886. Questa scoperta fu un'importante conferma dell'idea di Mendeleev della periodicità degli elementi.

Proprietà	Ekasilicio	Germanio
massa atomica	72,64	72,63
volume atomico	13	13,22
densità (g/cm³)	5,5	5,35
punto di fusione (°C)	alto	947 °C
colore	grigio	grigio
calore specifico	0,073	0,076
Tipo di ossido	EsO2, refrattario	GeO2, refrattario
densità dell'ossido (g/cm³)	4,7	4,7
punto ebollizione del tetracloruro	< 100 °C	86 °C
densità del tetracloruro	1,9	1,9

Lo sviluppo del transistor al germanio aprì la porta a tantissime applicazioni dell'elettronica allo stato solido: dal 1950 fino al 1970 circa il mercato del germanio per semiconduttori crebbe costantemente. Durante gli anni settanta venne gradualmente sostituito dal silicio, le cui prestazioni come semiconduttore sono superiori anche se richiede cristalli molto più puri, che non potevano essere fabbricati facilmente nei primi anni del dopoguerra. Nel frattempo aumentò moltissimo la domanda di germanio per fibre ottiche per reti di comunicazioni, per sistemi di visione notturna agli infrarossi e catalizzatori per reazioni di polimerizzazione; questi tre usi hanno rappresentato l'85% del consumo mondiale di germanio nel 2000.

Applicazioni

Diversamente dalla maggior parte dei semiconduttori, il germanio ha un piccolo intervallo di banda proibita, cosa che gli permette di rispondere in modo efficiente anche alla luce infrarossa. Viene quindi usato nella spettroscopia infrarossa e in altri equipaggiamenti ottici che necessitano di rivelatori di infrarossi estremamente sensibili. Le più notevoli caratteristiche fisiche dell'ossido di germanio (GeO₂) sono il suo elevato indice di rifrazione e la sua bassa dispersione ottica, che lo rendono specialmente utile nelle lenti degli obiettivi grandangolari delle macchine fotografiche, in microscopia e per il nucleo centrale (core) delle fibre ottiche.

I transistor al germanio sono ancora utilizzati nella costruzione di alcuni effetti a pedale per chitarra elettrica (principalmente riconducibili alla categoria dei Fuzz) dai musicisti che vogliono ricreare il carattere autentico di certe sonorità tipiche del rock degli anni sessanta e settanta.

La lega (SiGe) sta diventando rapidamente un importante materiale semiconduttore per l'uso in circuiti integrati ad alta velocità: i circuiti integrati basati su giunzioni Si-SiGe possono essere molto più veloci di quelli che usano solo silicio. Un'applicazione attuale del germanio è nell'ambito delle memorie a cambiamento di fase, come elemento della lega GeSbTe.

Un'altra applicazione tecnologica del germanio come cristallo singolo ad alta purezza (Hyperpure Germanium, HpGe) è nei rivelatori per spettroscopia gamma, in cui il suo ridotto band gap lo rende più adatto del silicio per rilevare radiazioni gamma ottenendo maggiori risoluzione e sensibilità; tuttavia, al contrario del silicio, il germanio deve essere mantenuto raffreddato alla temperatura dell'azoto liquido (77 K).

Altri usi:

• Come agente legante;
• Come fosforo in lampade fluorescenti;
• Come catalizzatore.

Alcuni composti del germanio hanno bassa tossicità per i mammiferi e molto alta per certi batteri: perciò sono stati creati medicinali basati su questi composti.

Isotopi

Il germanio (₃₂Ge) è il 53° elemento per abbondanza sulla crosta terrestre (≈ 1,5 ppm).

Di questo elemento si conoscono almeno 32 isotopi, con numeri di massa che vanno da A = 58, ad A = 89. Tra questi, quelli presenti In natura sono i cinque isotopi che seguono, ⁷⁰Ge (20,37%, spin 0, ) e ⁷²Ge (27,31%, spin 0), ⁷³Ge (7,76%, spin 9/2), ⁷⁴Ge (36,73%, spin 0, il più abbondante), ⁷⁶Ge (7,83%, spin 0).

Isotopi naturali

I primi quattro isotopi naturali sono stabili; l'ultimo, il ⁷⁶Ge (spin 0), sebbene sia quasi osservativamente stabile, è soggetto al doppio decadimento beta negativo (2β⁻), che lo trasforma in selenio-76, stabile; l'energia di decadimento Q è di 2.039 keV, con un'emivita stimata in 2,022×10²¹ anni, circa 100 miliardi di volte l'età stimata dell'Universo.

Dal primo all'ultimo, l'eccesso dei neutroni sui protoni va da 6 a 12.

Il ⁷⁰Ge è prodotto dai decadimenti di altri nuclidi radioattivi, quali Zn-70 (2β⁻,1,3×10¹⁶ anni) Ga-70 (β⁻, 21,1 minuti) e As-70 (ε/β⁺), 52,7 minuti.

Il ⁷²Ge è usato per produrre, tramite reazioni nucleari, i radioisotopi arsenico-72 e selenio-73, che sono usati in abito farmaceutico o medico. Di questo isotopo è noto uno stato metastabile, eccitato di 691,43 keV rispetto al livello fondamentale (^72mGa, spin 0, isomero nucleare) che decade allo stato fondamentale emettendo radiazione γ (decadimento gamma), con un'emivita brevissima, 444,2 nanosecondi.

Il ⁷³Ge è l'unico isotopo ad avere uno spin nucleare e, in quanto tale, può essere usato per la risonanza magnetica nucleare del germanio (⁷³Ge-RMN). Tuttavia, il nuclide ⁷³Ge mostra bassa sensitività e il valore del suo spin, maggiore di 1/2, comporta la presenza di momento di quadrupolo nucleare, che non permette di avere alta risoluzione negli spettri, per cui le indagini sono limitate di fatto a molecole molto simmetriche. Di questo isotopo sono noti due stati metastabili, il ^73m1Ge, di 13,2845 keV sopra lo stato fondamentale, che si diseccita con emivita di 2,91 microsecondi e il ^73m2Ge, di 66,725 keV sopra lo stato fondamentale, che si diseccita con emivita di 499 millisecondi.

Il ⁷⁴Ge è il più abbondante tra gli isotopi del germanio. La sua irradiazione con neutroni veloci (14-15 MeV) ha due esiti: il germanio-73 (reazione nucleare n,2n) e il gallio-74 (reazione nucleare n,p); reazioni analoghe sono state studiate anche per gli altri isotopi e in tutti i casi sono state acquisite le relative sezioni d'urto.

Isotopi radioattivi

Il ⁶⁶Ge (spin 0) decade in modalità mista, cattura elettronica o emissione di positrone (ε/β⁺, 76,4% / 23,6%), a gallio-66 (Q = 1.077,8 keV; T_1/2 = 2,261 ore); il gallio-66 così prodotto è instabile e decade a sua volta in modalità mista (ε/β⁺) a zinco-66, stabile.

Il ⁶⁷Ge (spin 1/2-) decade in modalità mista (ε/β⁺, 6,7% / 90,3%), a gallio-67 (Q = 3.200 keV; T_1/2 = 18,9 minuti); il gallio-67 così prodotto è instabile e decade a sua volta per sola cattura elettronica (ε), a zinco-67, stabile.

Il ⁶⁸Ge (spin 0) decade per cattura elettronica (ε) a gallio-68 (Q = 106,34 keV; T_1/2 = 270,95 giorni); il gallio-68 così prodotto è instabile e decade a sua volta in modalità mista, cattura elettronica o emissione di positrone (ε/β⁺), a zinco-68, stabile.

Il ⁶⁹Ge (spin 5/2-) decade in modalità mista (ε/β⁺) a gallio-69, stabile (Q = 1.205 keV; T_1/2 = 1,627 giorni).

Il ⁷¹Ge (spin 1/2-) decade per cattura elettronica (ε) a gallio-71, stabile (Q = 232,51 keV; T_1/2 = 11,43 giorni).

Il ⁷⁵Ge (spin 1/2-) decade beta negativo (β⁻) a arsenico-75, stabile (Q = 1.175,98 keV; T_1/2 = 1,380 ore = 82,8 minuti).

Il ⁷⁷Ge (spin 7/2) decade beta negativo (β⁻) ad arsenico-77 (Q = 2.702,5 keV; T_1/2 = 11,305 ore); l'arsenico-77 così prodotto è instabile e decade a sua volta β⁻ a selenio-77, stabile.

Il ⁷⁸Ge (spin 0) decade beta negativo (β⁻) ad arsenico-78 (Q = 955,2 keV; T_1/2 = 1,472 ore = 88,32 minuti); l'arsenico-78 così prodotto è instabile e decade a sua volta β⁻ a selenio-78, stabile.

Il ⁷⁹Ge (spin 1/2-) decade beta negativo (β⁻) ad arsenico-79 (Q = 4.148 keV; T_1/2 = 18,98 secondi); l'arsenico-79 così prodotto è instabile e decade a sua volta β⁻ a selenio-79, che poi decade ancora β⁻ a bromo-79, stabile.

Il ⁸⁰Ge (spin 0) decade beta negativo (β⁻) ad arsenico-80 (Q = 2.644,1 keV; T_1/2 = 29,5 secondi); l'arsenico-80 così prodotto è instabile e decade a sua volta β⁻ a selenio-80, che poi decade ancora (doppio decadimento beta negativo, 2β⁻) a kripton-80, stabile.

Disponibilità

Il germanio si trova nell'argirodite (solfuro di germanio e argento), nel carbone, nella germanite, in minerali di zinco e in altri minerali ancora.

Il germanio si ricava commercialmente dalla polvere di lavorazione dei minerali di zinco e dai sottoprodotti di combustione di certi tipi di carbone. Una grande riserva di germanio è costituita dalle miniere di carbone.

Lo si può estrarre anche da altri minerali per distillazione frazionata del suo tetracloruro volatile. Questa tecnica permette la produzione di germanio ultrapuro. Nel 1997 il costo commerciale del germanio è stato di 3 dollari al grammo. Nel 2000 il prezzo del germanio era 1,15 dollari al grammo (o di 1 150 dollari per chilogrammo).

Note

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4. ^ (EN) Klaus Volke, Clemens Winkler – zum 100. Todestag, in Chemie in unserer Zeit, vol. 38, n. 5, 2004-10, pp. 360-361, DOI:10.1002/ciuz.200490078. URL consultato l'11 luglio 2024.
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23. ^ Isotope data for germanium-75 in the Periodic Table, su periodictable.com. URL consultato il 10 marzo 2025.
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26. ^ Isotope data for germanium-79 in the Periodic Table, su periodictable.com. URL consultato il 10 marzo 2025.
27. ^ Isotope data for germanium-80 in the Periodic Table, su periodictable.com. URL consultato il 10 marzo 2025.

Bibliografia

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).
• Kenneth S. Krane, Introductory Nuclear Physics, U.S.A., John Wiley & Sons, Inc., 1988, ISBN 978-0-471-80553-3.

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Collegamenti esterni

• germanio, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) Germanio, su WebElements.com.
• (EN) Germanio, su EnvironmentalChemistry.com.
• (EN) Germanio, su periodic.lanl.gov, Los Alamos National Laboratory. URL consultato il 29 gennaio 2005 (archiviato dall'url originale il 10 giugno 2008).

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