Germanium

Le germanium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Ge et de numéro atomique 32.

Catégories :

Élément chimique - Métalloïde - Cristallogène - Matériau semi-conducteur - Oligo-élément - Minéral

Germanium
Gallium ← Germanium → Arsenic
Si
   

32		 Ge
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
↑
Ge
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Sn
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Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Germanium, Ge, 32
Série chimique métalloïde
Groupe, Période, Bloc 14, 4, p
Masse volumique 5, 323 g·cm-3 (25 °C) [1]
Dureté 6
Couleur gris blanc
N° CAS 7440-56-4 [2]
N° EINECS 231-164-3
Propriétés atomiques
Masse atomique 72, 64 ± 0, 02 u [1]
Rayon atomique (calc) 125 pm (125 pm)
Rayon de covalence 1, 20 ± 0, 04 Å [3]
Configuration électronique [Ar] 3d10 4s2 4p2
Électrons par niveau d'énergie 2, 8, 18, 4
État (s) d'oxydation 4, 2
Oxyde amphotère
Structure cristalline diamant
Propriétés physiques
État ordinaire solide diamagnétique
Point de fusion 938, 25 °C [1]
Point d'ébullition 2 833 °C [1]
Énergie de fusion 36, 94 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 334 kJ·mol-1 (1 atm, 2 833 °C) [1]
Volume molaire 13, 63×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 74, 6×10-6 Pa
à 936, 85 °C
Vitesse du son 5 400 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 2, 01
Chaleur massique 320 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 1, 45 S·m-1
Conductivité thermique 59, 9 W·m-1·K-1
Énergies d'ionisation
1re : 7, 89943 eV [1] 2e : 15, 93461 eV [1]
3e : 34, 2241 eV [1] 4e : 45, 7131 eV [1]
5e : 93, 5 eV [1]
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
70Ge 21, 23 % stable avec 38 neutrons
72Ge 27, 66 % stable avec 40 neutrons
73Ge 7, 76 % >1, 8×1023 a β-
74Ge 35, 94 % stable avec 42 neutrons
76Ge 7, 61 % ∼1×1021 a 2β-
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le germanium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Ge et de numéro atomique 32.

Ce métalloïde est semi-conducteur et a la structure du diamant, comme le silicium. Il possède cinq isotopes naturels, dont le 76Ge, qui est faiblement radioactif. Au moins 27 radioisotopes ont été synthétisés.

La quasi-totalité du germanium est récupérée dans les fonderies de zinc (sous-produit de fusion).

Les premiers transistors avaient comme base le germanium.

Découverte et appellation

Argyrodite - Mine Himmelsfürst, Brand-Erbisdorf

Le savant allemand Clemens Winkler a découvert le germanium le 6 février 1886. Winkler l'a isolé et identifié à partir du minéral argyrodite provenant de la mine d'argent Himmelsfürst près de Freiberg (Saxe) . En 1871, Dmitri Mendeleïev avait prévu son existence[4] (il nomma cet élément inconnu «ékasilicium Es»[5]) et quelques-unes de ses propriétés en se fondant sur sa position sur son tableau périodique.

L'origine de son nom résulte d'une méprise sémantique[5]. Winkler avait cru que l'élément précédent, le gallium, avait été ainsi appelé à cause de la nationalité du chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (Gallia, Gaule, en latin), son découvreur. Il baptisa par conséquent le nouvel élément chimique «germanium» en l'honneur de son pays (Germania, Allemagne, en latin). Cependant, Winkler s'était trompé : le nom «gallium» ne dérive pas de Gallia mais de gallus (coq, en latin), nom latinisé du chimiste homonyme.

Gisement

Le germanium peut être trouvé en énormément de lieux. Aujourd'hui, il est récupéré comme sous-produit à partir de minerais de zinc sphalérite (formule chimique du minéral : ZnS, cubique). Il est présent dans la germanite (qui en contient jusqu'à 9 %, cubique), la renierite[6] (tétragonale), l'argyrodite (4Ag2S · GeS2, soit Ag8GeS6, orthorhombique) et dans d'autres minerais[7], qui ne sont pas exploités.

C'est un élément rare, sa teneur dans la croûte terrestre est particulièrement faible, à peu près 1, 5 ppm[8], [4]. On le trouve à l'état de traces dans les cendres de certains types de charbon (nommés «vitrain» (en) ) après affinage de ceux-ci. En France, il est aussi présent dans des filons Pb-Zn.

La production mondiale en 2004 était estimée à 40 t (Chine, USA, etc) [4]. La Chine produisait en 2006 79 % de l'approvisionnement mondial[9].

Le tétrachlorure de germanium (un liquide volatil qui bout à 86 °C et peut être distillé) est un intermédiaire pour la purification du germanium métal ou de son oxyde, GeO2. La technique permet la production de germanium d'ultra-haute pureté. En réalité, des techniques d'affinage de zone ont conduit à la production de germanium cristallin pour semi-conducteur de pureté 10-9 : 99, 99999999 % (uniquement 0, 1 ppb d'impureté) [4].

Applications

Bol en germanium

L'effet transistor a été observé en 1948 dans du germanium[4]. Il a servi de substrat semi-conducteur jusqu'à ce que le silicium prenne sa place, vers les années 1970. Actuellement, il n'est plus utilisé que dans le domaine des hautes fréquences, pour la réalisation de diodes à faible chute (0, 3 V à peu près, application en détection) du poste à diode et dans les cellules photovoltaïques multi-jonction pour utilisations spatiale et le 1er décembre 2009, terrestre sous forte concentration. Dans le domaine de la recherche, on le trouve aussi à l'état d'alliage ou de multicouches avec le silicium (SiGe). Au départ, les motivations de son dépôt en alternance avec le Si reposaient sur la possibilité de rendre la bande interdite du Si et du Ge directe. Cette propriété étant importante pour les applications opto-électroniques. Les transistors SiGe sont fréquemment utilisés dans le domaine des hyperfréquences en augmentcation faibles signaux (facteur de bruit faible).

Sa deuxième utilisation se trouve dans les verres, grâce à sa transparence à l'infrarouge. La structure du germanium ne peut être détruite par le rayonnement neutronique, comme pour l'acier.

Des transistors au germanium sont toujours employés aujourd'hui comme composants principaux de certaines pédales d'effet pour guitare électrique, dites «fuzz», pour leur sonorité spécifique et particulièrement appréciée des amateurs de sons «70's».

En 2007, les applications principales étaient la fabrication de fibres optiques (35 %), l'optique dans le domaine de l'infrarouge (20 %), les catalyseurs (20 %) [10], l'électronique (15 %) et certains types de cellules photovoltaïques.

Dans les années 1980, le germanium était reconnu comme l'une des huit matières premières stratégiques indispensables en temps de guerre comme en temps de paix[11].

Utilisations médicales

La FNCLCC rappelle pour sa part que «[…] le germanium a des effets toxiques graves sur les nerfs et en particulier les reins, certains ayant entraîné la mort par insuffisance rénale. C'est par conséquent un produit inactif et toxique.»[12]

Il est essentiellement contenu dans l'ail (754 mg·kg-1), les grosses racines de ginseng de Corée (jusqu'à 4 000 mg·kg-1 [13]), les champignons du genre Ganoderma (Ling Shing) qui en contiennent jusqu'à 2, 5 mg·kg-1, l'algue Chlorella et dans la boisson respectant les traditions kombucha.

Notes et références

  1. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc., 2009, 90e éd. , Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)  
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, «Covalent radii revisited», dans Dalton Transactions, 2008, p.  2832 - 2838 [ lien DOI ] 
  4. (en) François Cardarelli, Materials Handbook : A Concise Desktop Reference, Springer Verlag, 2008, 2e éd. , 1340 p. (ISBN 9781846286681) [lire en ligne], p.  469 
  5. François Dagognet, Tableaux et langages de la chimie : Essai sur la représentation, Champ Vallon, 2002, 210 p. (ISBN 2-87673-343-9) [lire en ligne], p.  95 
  6. Appelée selon le géologue belge Armand Renier, Directeur du Belgian Geological Survey, qui l'a découverte en 1948.
  7. (en) George Stuart Brady, Henry R. Clauser, John A. Vaccari, Materials Handbook, McGraw-Hill, 2002, 15e éd. , 1244 p. (ISBN 0-07-136076-X) [lire en ligne], p.  79, 437 
  8. (en) D. C. Ayres, D. G. Hellier, Dictionary of Environmentally Important Chemicals, Blackie Academic and Professional, 1998, 1re éd. , 332 p. (ISBN 0-7514-0256-7) [lire en ligne], p.  154 
  9. Arnaud de la Grange, «Pékin joue de l'arme des «terres rares»», Le Figaro, le 25 octobre 2010
  10. Le dioxyde de germanium est particulièrement employé comme catalyseur de polymérisation pour la production de PET : fibres textiles, bouteilles en plastique, films, etc.
  11. Avec le titane (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 Ockrent et comte de Marenches, Dans le secret des princes, éd. Stock, 1986, p. 193)
  12. Simon Schraub, Germanium, FNCLCC - Le dictionnaire des cancers de A à Z, 16/5/2002, mis à jour le 15/12/2005
  13. (en) Gary Stephan Bañuelos, Zhi-Qing Lin, Development and Uses of Biofortified Agricultural Products, CRC Press, 2009, 297 p. (ISBN 978-1-4200-6005-8) [lire en ligne], p.  273 

Annexes


  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
  ↓  
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés

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"of Silicon, Element 14,"
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