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Germanium

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Germanium
Image illustrative de l’article Germanium
Germanium polycristallin.
Gallium←Germanium→Arsenic
Si
Structure cristalline cubique diamant

32		 Ge
↑
Ge
↓
Sn
Tableau complet•Tableau étendu
Position dans letableau périodique
Symbole Ge
Nom Germanium
Numéro atomique 32
Groupe 14
Période 4epériode
Bloc Bloc p
Famille d'éléments Métalloïde
Configuration électronique [Ar] 3d104s24p2
Électronsparniveau d’énergie 2, 8, 18, 4
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique 72,64± 0,02u[1]
Rayon atomique(calc) 125pm(125pm)
Rayon de covalence 120± 4pm[2]
État d’oxydation 4, 2
Électronégativité(Pauling) 2,01
Oxyde amphotère
Énergies d’ionisation[1]
1re:7,899 43eV 2e:15,934 61eV
3e:34,224 1eV 4e:45,713 1eV
5e:93,5eV
Isotopes les plus stables
IsoANPériodeMDEdPD
MeV
70Ge21,23%stableavec 38neutrons
72Ge27,66%stableavec 40neutrons
73Ge7,76%stableavec 41neutrons
74Ge35,94%stableavec 42neutrons
76Ge7,61%~1×1021a2β-76Se
Propriétés physiques ducorps simple
État ordinaire Solidediamagnétique
Allotropeà l'état standard Germanium α (cubique diamant)
Autres allotropes Germanium β (tétragonal)
Masse volumique 5,323g·cm-3(25°C)[1]
Système cristallin Cubique diamant
Dureté(Mohs) 6
Couleur gris blanc
Point de fusion 938,25°C[1]
Point d’ébullition 2 833°C[1]
Énergie de fusion 36,94kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 334kJ·mol-1(1atm,2 833°C)[1]
Volume molaire 13,63×10-6m3·mol-1
Pression de vapeur 74,6×10-6Pa
à936,85°C
Vitesse du son 5 400m·s-1à20°C
Chaleur massique 320J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 1,45S·m-1
Conductivité thermique 59,9W·m-1·K-1
Divers
NoCAS 7440-56-4[3]
NoECHA 100.028.331
NoCE 231-164-3
Précautions
SGH[4]
État pulvérulent:
SGH02 : Inflammable
Danger
H228etP210
Transport[4]
État pulvérulent:
-
Unités duSI&CNTP,sauf indication contraire.
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Legermaniumest l'élément chimiquedenuméro atomique32, desymboleGe. Il pos sắc de cinqisotopes naturels,dont76Ge, faiblementradioactif.Au moins 27radioisotopesont été synthétisés.

Le germanium appartient augroupe 14 du tableau périodique,c'est unmétalloïde.À l'état solideil estsemi-conducteuret cristallise avec la même structure que lediamant,tout comme lesilicium.

La quasi-totalité du germanium est récupérée dans lesfonderiesdezinc(sous-produitdefusion).

Les premierstransistorsavaient commesubstratle germanium.

Histoire de sa découverte, dénomination et production

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Argyrodite - Mine Himmelsfürst,Brand-Erbisdorf

Le savantallemandClemens Winklera découvert le germanium le.Winkler l'a isolé et identifié à partir duminéralargyroditeprovenant de lamined'argentHimmelsfürst près deFreiberg(Saxe).

En 1871,Dmitri Mendeleïevavait prévu son existence[5](il appela cet élément inconnu « ékasiliciumEs»[6]) et quelques-unes de ses propriétés en se fondant sur sa position sur sontableau périodique.

Winkler a nommé le nouvel élément du nom de sa patrie, par analogie avec le nom deGallium(dérivé deGaule) choisi par le savantfrançaisPaul-Émile Lecoq de Boisbaudran.Mais l'origine du nom du gallium est controversée. Il pourrait en effet dériver, non du pays, mais de la forme latinisée du nom de son découvreurgallus(coq,en latin); Winkler aurait alors été victime d'une méprisesémantique[6].Cette théorie est pourtant en opposition avec l'affirmation même de Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran dans son article sur sa découverte où il affirme avoir donné ce nom à l'élément« en l'honneur de la France »[7].

LaSociété minière et métallurgique de Peñarroyaa été l'un des premiers producteurs mondiaux de germanium durant toute la durée de vie de la mine deSaint-Salvy-de-la-Balme[8].

Isotopes

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Article détaillé:Isotopes du germanium.

Le germanium pos sắc de 32 isotopes connus, denombre de massevariant de 58 à 89, ainsi que 13isomères nucléaires.Cinq de ces isotopes sont présents dans la nature70Ge,72Ge,73Ge,74Ge et76Ge, ce dernier étant très légèrement radioactif, se désintégrant pardouble désintégration bêtaensélénium 76avec unedemi-viede 1,78 × 1021années[9](130 milliards de fois l'âge de l'univers). L'isotope stable74Ge est le plus commun, avec uneabondance naturelled'environ 36 %, le moins commun étant76Ge (environ 7 %)

Gisement

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Le germanium peut être trouvé en beaucoup d'endroits. Actuellement, il est récupéré comme sous-produit à partir demineraisde zincsphalérite(formule chimiquedu minéral:ZnS,cubique).

Il est présent dans lagermanite(qui en contient jusqu'à 9 %, cubique), lareniérite[10](tétragonale), l'argyrodite(4Ag2S · GeS2,soit Ag8GeS6,orthorhombique) et dans d'autres minerais[11],qui ne sont pas exploités.

C'est un élément rare, sa teneur dans lacroûte terrestreest très faible, environ 1,5ppm[12],[5].On le trouve à l'état de traces dans les cendres de certains types decharbon(nommés «vitrain»(en)) après affinage de ceux-ci. En France, il est aussi présent dans des filonsPb-Zn.

La production mondiale, en 2004, était estimée à 40t(Chine, USA, etc.)[5].La Chine produisait en 2006 grâce à sa production decharbon,79 % de l'approvisionnement mondial[13],[14].

Letétrachlorure de germanium(un liquide volatil qui bout à86°Cet peut êtredistillé) est un intermédiaire pour la purification du germanium métal ou de sonoxyde,GeO2.La technique permet la production de germanium d'ultra-hautepureté.Des techniques d'affinagede zone ont conduit à la production de germanium cristallin pour semi-conducteur de pureté 10−9:99,999 999 99%(seulement 0,1ppbd'impureté)[5].

Applications

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En 2007, les applications principales étaient la fabrication defibres optiques(35 %), l'optique dans le domaine de l'infrarouge (20 %), les catalyseurs (20 %)[15],l'électronique (15 %) et certains types de cellules photovoltaïques.


Dans les années 1980, le germanium était considéré comme l'une des huitmatières premièresstratégiquesindispensables en temps de guerre comme en temps de paix[16].

Électronique

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Bol en germanium

L'effettransistora été observé en1948dans du germanium[5].Il a servi de substrat semi-conducteur jusqu'à ce que le silicium prenne sa place, vers lesannées 1970.Des transistors au germanium sont encore employés dans les années 2020 comme composants principaux de certainespédales d'effetpour guitare électrique, en particulier lesfuzz,pour leur sonorité supposée particulière et qui serait appréciée des amateurs de sons « années 1960 ». Aujourd'hui, il est plus utilisé dans le domaine deshautes fréquences,pour la réalisation dediodesà faible chute (0,3Venviron, application en détection) duposte à diodeet dans lescellules photovoltaïquesmulti-jonction pour utilisations spatiale et terrestre après concentration. On le trouve également à l'état d'alliage ou de multicouches avec le silicium (SiGe). À l'origine, les motivations de son dépôt en alternance avec le Si reposaient sur la possibilité de rendre labande interditedu Si et du Gedirecte(cette propriété étant importante pour les applicationsopto-électroniques). Cette technique est aussi utilisée pour introduire des contraintes qui améliorent la mobilité des porteurs dans les transistors à effet de champ. Les transistors SiGe sont des transistors bipolaires àhétérojonctionqui sont couramment utilisés dans le domaine deshyperfréquencesen amplification faibles signaux (facteur de bruitfaible).

Optique

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Le germanium est utilisé pour la réalisation de composants optiques du fait de sa bonne transmission de 1,6µmà 18µm[17]dans l'infrarouge,par contre la matière n'est pas transparente dans lespectre visible.Ayant unindice de réfractionélevé de 4[18]leslentillesen germanium permettent uneouverture numériqueélevée. La structure du germanium ne peut être détruite par lerayonnement neutronique,comme pour l'acier.Par contre, l'irradiation aux neutrons rapides introduit desdéfauts ponctuelsqui recuisent vers200°C.En outre les qualités optiques du germanium se détériorent dès100°Cet sont inutilisables aux hautes températures. Les composants optiques en germanium sont couramment renforcés sur leur surface extérieure avec un traitement DLC (Diamond Like Carbon) créant une couche de protection cristalline à base de carbone ayant une dureté proche de celle du diamant.

Présence alimentaire

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LaFNCLCCrappelle pour sa part que « […] le germanium a des effets toxiques graves sur les nerfs et surtout les reins, certains ayant entraîné la mort par insuffisance rénale. C’est donc un produit inactif et toxique. »[19]

Il est principalement contenu dans l'ail(754mg kg−1), les grosses racines deginsengde Corée (jusqu'à 4 000mg kg−1[20]), leschampignonsdu genreGanoderma(Ling Shing) qui en contiennent jusqu'à 2,5mg kg−1,l'algueChlorellaet dans la boisson traditionnellekombucha.

Notes et références

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  1. ↑abcdeetf(en)David R. Lide,CRC Handbook of Chemistry and Physics,CRC Press Inc.,,90eéd.,2804p.,Relié(ISBN978-1-420-09084-0)
  2. ↑(en)Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez,«Covalent radii revisited»,Dalton Transactions,‎,p.2832 - 2838(DOI10.1039/b801115j)
  3. ↑Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  4. ↑aetbFicheSigma-Aldrichdu composéGermanium powder, −100 mesh, ≥99.999% trace metals basis,consultée le 23 août 2018.
  5. ↑abcdete(en)FrançoisCardarelli,Materials Handbook: A Concise Desktop Reference,Springer Verlag,,2eéd.,1340p.(ISBN978-1-84628-668-1,lire en ligne),p.469
  6. ↑aetbFrançoisDagognet,Tableaux et langages de la chimie: Essai sur la représentation,Seyssel, Champ Vallon,,210p.(ISBN2-87673-343-9,lire en ligne),p.95.
  7. ↑[1]
  8. ↑Gilbert Troly, « La Société minière et métallurgique de Peñarroya » dansLa France et les mines d'Outre-mer,août 2008lire en ligne.
  9. ↑ A. M. Bakalyarov, A. Ya. Balysh, S. T. Belyaev, V. I. Lebedev, S. V. Zhukov, «Results of the experiment on investigation of Germanium-76 double beta decay»,Phys.Part.Nucl.Lett.; Pisma Fiz.Elem.Chast.Atom.Yadra 1-8,vol.2,no2,‎,p.77–81(Bibcode2003hep.ex....9016B,arXivhep-ex/0309016)
  10. ↑Nommée d'après legéologuebelge Armand Renier, Directeur duBelgian Geological Survey,qui l'a découverte en 1948.
  11. ↑(en)George Stuart Brady, Henry R. Clauser, John A. Vaccari,Materials Handbook,McGraw-Hill,,15eéd.,1244p.(ISBN0-07-136076-X,lire en ligne),p.79, 437
  12. ↑(en)D. C. Ayres et D. G. Hellier,Dictionary of Environmentally Important Chemicals,Londres, Blackie Academic and Professional,,1reéd.,332p.(ISBN0-7514-0256-7,lire en ligne),p.154
  13. ↑Arnaud de la Grange, «Pékin joue de l'arme des « terres rares »», Le Figaro, le 25 octobre 2010
  14. ↑UCLouvain,Prof. Eric Pirard,(lire en ligne)
  15. ↑Le dioxyde de germanium est très employé comme catalyseur de polymérisation pour la production dePET:fibres textiles,bouteilles en plastique,films, etc.
  16. ↑Avec letitane(sous-marins de chasse, alliage extrêmement résistant);magnésium(explosifs);platine(contacts aussi conducteurs que l'or pour l'aviation, circuits avec contacts rapides);mercure(chimie nucléaire, instruments de mesure);molybdène(acier);cobalt(chimie nucléaire);colombium(alliages spéciaux extrêmement rares). (Christine Ockrentetcomte de Marenches,Dans le secret des princes,éd. Stock, 1986,p.193)
  17. ↑https:// techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/materiaux-th11/elaboration-et-recyclage-des-metaux-non-ferreux-42370210/metallurgie-du-germanium-m2372/principales-utilisations-du-germanium-m2372niv10004.html
  18. ↑https://sinoptix.eu/fr/2021/09/13/optiques-germanium-guide-achat/
  19. ↑Simon Schraub,Germanium,FNCLCC- Le dictionnaire des cancers de A à Z, 16/5/2002, mis à jour le 15/12/2005
  20. ↑(en)Gary Stephan Bañuelos, Zhi-Qing Lin,Development and Uses of Biofortified Agricultural Products,CRC Press,,297p.(ISBN978-1-4200-6005-8,lire en ligne),p.273

Voir aussi

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Articles connexes

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Liens externes

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8 119 120 *
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