Germanio

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Germanio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
bianco-grigiastro
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico germanio, Ge, 32
Serie metalloidi
Gruppo, periodo, blocco 14 (IVA), 4, p
Densità 5323 kg/m3
Durezza 6,0
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 72,64 amu
Raggio atomico (calc.) 125 (125) pm
Raggio covalente 122 pm
Configurazione elettronica [Ar]3d10 4s2 4p2
e per livello energetico 2, 8, 18, 4
Stati di ossidazione 4 (anfotero)
Struttura cristallina cubica a facce centrate
Proprietà fisiche
Stato della materia solido
Punto di fusione 1211,4 K (938,3 °C)
Punto di ebollizione 3093 K (2820 °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 0,0000746 Pa a 1210 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·ohm)
Conducibilità termica 59,9 W/(m*K)
Energia di prima ionizzazione 762 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione 1537,5 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione 3302,1 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione 4411 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione 9020 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP
70Ge 21,23% Ge è stabile con 38 neutroni
72Ge 27,66% Ge è stabile con 40 neutroni
73Ge 7,73% Ge è stabile con 41 neutroni
74Ge 35,94% Ge è stabile con 42 neutroni
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Il germanio è l'elemento chimico di numero atomico 32. Il suo simbolo è Ge. È un metalloide lucido, duro, bianco-argenteo dal comportamento chimico simile a quello dello stagno; come esso, forma un gran numero di composti organometallici. Venne largamente usato per la fabbricazione di transistor nel passato, grazie alle sue proprietà di semiconduttore.

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Il germanio ha un aspetto metallico lucido, e la stessa struttura cristallina del diamante. Inoltre è importante notare che tale elemento è un semiconduttore, con proprietà intermedie fra quelle di un conduttore e di un isolante. Allo stato puro, il germanio è cristallino, fragile e mantiene il suo aspetto lustro se esposto all'aria a temperatura ambiente. Tecniche di raffinamento a zona hanno permesso la creazione di germanio cristallino per semiconduttori con solo una parte di impurità su 10 milioni.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Ciotola in germanio.

Nel 1871 il germanio (dal latino Germania) fu uno degli elementi di cui Dmitri 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 72,00 72,59
densità (g/cm3) 5,50 5,35
punto di fusione (°C) alto 947
colore grigio grigio

Lo sviluppo del transistor al germanio aprì la porta ad infinite applicazioni dell'elettronica allo stato solido: dal 1950 fino al 1970 circa il mercato del germanio per semiconduttori crebbe costantemente. Durante gli anni '70 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[modifica | modifica sorgente]

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 '60 e '70.

La lega germaniuro di silicio (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 principe di una lega calcogenura denominata GST.

Altri usi:

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

Isotopi[modifica | modifica sorgente]

Il germanio è presente in natura in cinque isotopi: 70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge, 76Ge. Di questi, il 76Ge è debolissimamente radioattivo: decade per doppio decadimento beta e ha una emivita di 1,78 × 1021  anni. Il 74Ge è l'isotopo più comune con un'abbondanza relativa del 36% circa; il meno comune invece è il 76Ge con il 7%.[1] Quando viene bombardato con particelle alfa, l'isotopo 72Ge genera nuclei stabili di 77Se, emettendo elettroni ad alta energia nel processo.[2] Per questo motivo, si usa insieme al radon nelle batterie nucleari.[2]

Sono stati sintetizzati almeno 27 radioisotopi, con masse atomiche da 58 a 89. Il più stabile è il 68Ge, che decade per cattura elettronica e ha una emivita di 270,95 giorni. Il meno stabile è il 60Ge con emivita di 30 ms. Anche se la maggior parte degli isotopi del germanio decadono per decadimento beta, il 61Ge e il 64Ge decadono per emissione di un positrone, e gli isotopi dal 84Ge al 87Ge hanno anche cammini di decadimento attraverso decadimento beta ed emissione di neutrone ritardata β.

Disponibilità[modifica | modifica sorgente]

Il germanio si trova nell'argirodite (solfuro di germanio e argento) e anche 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, in effetti, dalle miniere di carbone.

Questo metalloide 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 americani al grammo. Nel 2000 il prezzo del germanio era 1,15 dollari al grammo (o di 1.150 dollari per chilogrammo).

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ G. Audi, Nubase2003 Evaluation of Nuclear and Decay Properties in Nuclear Physics A, vol. 729, nº 1, Atomic Mass Data Center, 2003, pp. 3–128, Bibcode:2003NuPhA.729....3A, DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
  2. ^ a b Alpha Fusion Electrical Energy Valve (PDF), Nu Energy Research Institute. URL consultato il 10 settembre 2008.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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