Germanium

Germanium
Gallium ← Germanium → Arsenic Si     32 Ge                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               ↑ Ge ↓ Sn Table complète • Table étendue
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
No CAS	7440-56-4 [2]
No 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[1]
1re : 7,89943 eV	2e : 15,93461 eV
3e : 34,2241 eV	4e : 45,7131 eV
5e : 93,5 eV
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-
Précautions
Directive 67/548/EEC[4]
État pulvérulent : F
Symboles : F : Facilement inflammable Phrases R : R11 : Facilement inflammable.
Phrases R : 11,
SGH[4]
Danger H228, P210, H228 : Matière solide inflammable P210 : Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. — Ne pas fumer.
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.

[modifier] Histoire de sa découverte, dénomination et production

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^[5] (il appela cet élément inconnu « ékasilicium Es »^[6]) 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^[6]. Winkler avait cru que l'élément précédent, le gallium, avait été ainsi nommé en raison de la nationalité du chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (Gallia, Gaule, en latin), son découvreur. Il baptisa donc 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.

Jusque durant la seconde guerre mondiale, le cartel chimique allemande Bayer devait payer des redevances à Rhône-Poulenc selon un accord signé le 24 novembre 1929 sur la mise en commun des brevets sur le Germanium et le Moranyl^[7]..

[modifier] Gisement

Le germanium peut être trouvé en beaucoup d'endroits. Actuellement, 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^[8] (tétragonale), l'argyrodite (4Ag₂S · GeS₂, soit Ag₈GeS₆, orthorhombique) et dans d'autres minerais^[9], qui ne sont pas exploités.

C'est un élément rare, sa teneur dans la croûte terrestre est très faible, environ 1,5 ppm^[10],[5]. 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)^[5]. La Chine produisait en 2006 79 % de l'approvisionnement mondial^[11].

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 fait, des techniques d'affinage de zone ont conduit à la production de germanium cristallin pour semi-conducteur de pureté 10-9 : 99,99999999 % (seulement 0,1 ppb d'impureté)^[5].

[modifier] Applications

Bol en germanium

L'effet transistor a été observé en 1948 dans du germanium^[5]. Il a servi de substrat semi-conducteur jusqu'à ce que le silicium prenne sa place, vers les années 1970. Des transistors au germanium sont encore employés de nos jours comme composants principaux de certaines pédales d'effet pour guitare électrique, dites « fuzz », pour leur sonorité particulière et très appréciée des amateurs de sons « 70's ». Aujourd'hui, il est plus utilisé dans le domaine des hautes fréquences, pour la réalisation de diodes à faible chute (0,3 V environ, application en détection) du poste à diode et dans les cellules photovoltaïques multi-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 la bande interdite du Si et du Ge directe (cette propriété étant importante pour les applications opto-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 bipolaire à hétérojonction qui sont couramment utilisés dans le domaine des hyperfréquences en amplification 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.

En 2007, les applications principales étaient la fabrication de fibres optiques (35 %), l'optique dans le domaine de l'infrarouge (20 %), les catalyseurs (20 %)^[12], l'électronique (15 %) et certains types de cellules photovoltaïques.

Dans les années 1980, le germanium était considéré comme l'une des huit matières premières stratégiques indispensables en temps de guerre comme en temps de paix^[13].

[modifier] Utilisations médicales

La FNCLCC rappelle 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. »^[14]

Il est principalement contenu dans l'ail (754 mg·kg^-1), les grosses racines de ginseng de Corée (jusqu'à 4 000 mg·kg^{-1 [15]}), les champignons du genre Ganoderma (Ling Shing) qui en contiennent jusqu'à 2,5 mg·kg^-1, l'algue Chlorella et dans la boisson traditionnelle kombucha.

[modifier] Notes et références

[modifier] Annexes

• Germanate de bismuth

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