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En la tabla periódica de Mendeleiev, el germanio tiene el número atómico 32. Se encuentra en el grupo 14, en el período 4 y en el bloque p. De símbolo Ge, constituye un elemento semimetal perteneciente a la familia de los cristalógenos.
Este elemento químico posee 13 isómeros nucleares así como 32 isótopos conocidos. Entre estos últimos, cinco están presentes en la naturaleza: 70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge y 76Ge.
El germanio es un semiconductor de tipo n intrínseco y posee la misma estructura cristalina que el silicio y el diamante. De hecho, fue el primer material utilizado en electrónica, particularmente en 1948, como sustrato semiconductor de los primeros transistores.
Casi la totalidad del elemento Ge tiene su origen en los minerales de zinc.
El germanio es un semimetal blanco o plateado que es conocido por ser frágil. Entre 600 y 700 °C, se oxida en el aire y reacciona intensamente con los halógenos para formar tetrahalogenuros. Se disuelve rápidamente en bases alcalinas fundidas para dar germanitos. Sin embargo, el germanio resiste a los ácidos, excepto a los ácidos sulfúrico y nítrico. Constituye uno de los raros elementos químicos que aumenta en volumen cuando pasa del estado líquido al estado sólido.
El químico ruso Dmitri Ivanovich Mendeleiev había previsto la existencia de este elemento químico en 1871. Había predicho algunas de sus propiedades basándose en su posición en la tabla periódica. En efecto, éstas son análogas a las del silicio, de ahí la primera denominación de este elemento desconocido “ekasilicio”.
El germanio fue posteriormente descubierto por Clemens Alexander Winkler el 6 de febrero de 1886. Este científico alemán logró aislarlo e identificarlo a partir de la argirodita (Ag8GeS6) procedente de la mina de plata de Himmelsfürst en Sajonia. Propuso nombrar este elemento en homenaje a su país, concretamente la palabra “germanio” que deriva del latín Germania que significa Germania (Alemania). Sin embargo, esta denominación fue objeto de controversia, ya que resulta de un error semántico. Winkler creyó que el elemento químico anterior, el galio, fue nombrado debido a la nacionalidad de su descubridor, el químico francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. Este último provenía efectivamente de la Galia, Gallia en latín. Pero el nombre “gallium” no deriva de Gallia, sino de gallus que significa gallo, nombre latinizado de Paul-Émile.
Durante la apertura de la mina de Saint-Salvy-de-la-Balme, uno de los primeros productores mundiales de germanio fue la Société minière et métallurgique de Peñarroya.
El germanio cuenta con 32 isótopos conocidos con un número de masa comprendido entre 58 y 89. Sus isótopos más estables son:
Este último isótopo es ligeramente radiactivo y se desintegra por doble desintegración beta en selenio 76 con una vida media de 1,78 x 1021 años. Esto corresponde a 130 mil millones de veces la edad del Universo.
Es posible encontrar germanio en varios lugares. Actualmente, se recupera como subproducto de la fusión en los minerales de zinc. También se encuentra en la renierita (sistema cristalino tetragonal) y la germanita (mineral compuesto también de sulfuro de cobre y hierro). También está presente en la argirodita así como en otros minerales no explotados.
El germanio es un metal raro, ya que su contenido en la corteza terrestre es solamente de aproximadamente 1,5 ppm. Está presente en forma de trazas en las cenizas de ciertos carbones llamados “vitrain”. En territorio francés, también se encuentra en filones de Pb-Zn.
En 2004, su producción mundial se estimaba en 40 t, siendo China y Estados Unidos los mayores consumidores. En 2006, China producía el 79% del suministro mundial debido a su producción de carbón.
Es posible purificar el germanio metal o su óxido a partir del tetracloruro de germanio. También llamado cloruro de germanio (IV), este líquido es un compuesto químico volátil con una temperatura de ebullición de 86 °C. Esta técnica permite producir germanio de extrema pureza. Los métodos de refinado de zona permiten producir germanio cristalino para semiconductor de pureza 10-9 (99,999 999 99% con solo 0,1 ppb de impureza).
En 2007, el germanio se utilizaba en la fabricación de fibras ópticas (35%) y en el campo del infrarrojo (20%). Sus otras aplicaciones concernían a los catalizadores (20%), la electrónica (15%) y algunos tipos de células fotovoltaicas.
En los años ochenta, este elemento formaba parte de las ocho materias primas estratégicas más indispensables, tanto en tiempo de paz como de guerra.
La polarización de la unión PN inversa por una débil corriente eléctrica llamada efecto transistor fue observada en 1948 en el germanio. Esto permitió a este elemento servir de sustrato semiconductor hasta 1970, fecha en la que el silicio tomó el relevo. Hasta 2020, los transistores de germanio todavía se utilizaban como componentes principales de ciertos pedales de efecto para guitarra eléctrica. La razón era que su sonoridad se consideraba particular y muy apreciada por los amantes de los sonidos “años sesenta”.
En la actualidad, el germanio se emplea en el campo de las altas frecuencias y para la realización de diodos de baja caída en un puesto de diodo. También se utiliza en las células fotovoltaicas multi-unión para fines espaciales y terrestres. Este elemento químico está presente en estado de multicapas o de aleación con el silicio (SiGe) para la creación de circuitos integrados de alto rendimiento. Inicialmente, su depósito en alternancia con el silicio se basaba en la posibilidad de hacer directa la banda prohibida del silicio y del germanio. Este método es el mismo que se utiliza cuando se introducen restricciones que mejoran la movilidad de los portadores en los transistores de efecto de campo. Los transistores que utilizan SiGe son modelos bipolares de heterounión que son aclamados para las aplicaciones de amplificación de potencia.
El germanio tiene una importancia práctica en la fabricación de componentes ópticos gracias a su transparencia al infrarrojo. En efecto, puede transmitir radiaciones del infrarrojo cercano de longitud de onda comprendida entre 1,6 µm y 18 µm. En cambio, el germanio no es transparente en el espectro visible. Las lentes a base de este material permiten una apertura numérica elevada gracias a su índice de refracción de 4.
Al igual que para el acero, es imposible destruir por radiación neutrónica la estructura del germanio. Sin embargo, su irradiación con neutrones rápidos genera defectos puntuales que recocen hacia 200 °C. Además, este elemento químico pierde sus cualidades ópticas a partir de 100 °C. Generalmente, una capa de protección cristalina a base de carbono viene a reforzar la superficie exterior de los componentes ópticos de germanio. Este tratamiento DLC (Diamond Like Carbon) le asegura una dureza que se aproxima a la del diamante.
El germanio está esencialmente presente en:
Según la FNCLCC o Federación Nacional de Centros de Lucha Contra el Cáncer, “el germanio tiene efectos tóxicos graves sobre los nervios y sobre todo los riñones”. También añadió que puede incluso provocar la muerte por insuficiencia renal.
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