Germanium

Germanium

Caractéristiques du germanium

Symbole : Ge
Masse atomique : 72,64 ± 0,02 u
Numéro CAS : 7440-56-4
Configuration électronique : [Ar] 4d¹⁰ 4s² 4p²
Numéro atomique : 32
Groupe : 14
Bloc : Bloc p
Famille d’éléments : Métalloïde
Électronégativité : 1,81
Point de fusion : 938,25 °C

Le germanium, élément atomique n°32 de symbole Ge : ses propriétés, son histoire, ses isotopes, son exploitation et ses utilisations.

Dans le tableau périodique de Mendeleïev, le germanium porte le numéro atomique 32. Il se trouve dans le groupe 14, sur la période 4 et dans le bloc p. De symbole Ge, il constitue un élément semi-métal appartenant à la famille des cristallogènes.

Cet élément chimique possède 13 isomères nucléaires ainsi que 32 isotopes connus. Parmi ces derniers, cinq sont présents dans la nature : ⁷⁰Ge, ⁷²Ge, ⁷³Ge, ⁷⁴Ge et ⁷⁶Ge.

Le germanium est un semi-conducteur de type n intrinsèque et possède la même structure cristalline que le silicium et le diamant. D’ailleurs, il fut le premier matériau à avoir été utilisé en électronique, notamment en 1948, en tant que substrat semi-conducteur des premiers transistors.

La quasi-totalité de l’élément Ge puise sa source dans les minerais de zinc.

Propriétés du germanium

Le germanium est un semi-métal blanc ou argenté qui est connu pour être fragile. Entre 600 et 700 °C, il s’oxyde à l’air et réagit vivement avec les halogènes pour former des tétra-halogénures. Il se dissout rapidement dans les bases alcalines fondues afin de donner des germanites. Toutefois, le germanium résiste aux acides, sauf aux acides sulfurique et nitrique. Il constitue l’un des rares éléments chimiques à augmenter en volume lorsqu’il passe de l’état liquide à l’état solide.

Histoire de la découverte, appellation et production du germanium

Le chimiste russe Dmitri Ivanovitch Mendeleïev avait prévu l’existence de cet élément chimique en 1871. Il avait notamment prédit certaines de ses propriétés sur la base de son rang dans le tableau périodique. En effet, celles-ci sont analogues à celles du silicium, d’où la première dénomination de cet élément inconnu « ékasilicium ».

Le germanium a ensuite été découvert par Clemens Alexandre Winkler le 6 février 1886. Ce savant allemand a réussi à l’isoler et à l’identifier à partir de l’argyrodite (Ag₈GeS₆) issu de la mine d’argent de Himmelsfürst en Saxe. Il proposa de nommer cet élément en hommage à son pays, notamment le mot « germanium » qui dérive du latin Germania signifiant Germanie (Allemagne). Toutefois, cette appellation fut l’objet d’une controverse, car elle résulte d’une erreur sémantique. Winkler crut que l’élément chimique précédent, le gallium, fut nommé en raison de la nationalité de son découvreur, le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. Ce dernier venait effectivement de Gaule, Gallia en latin. Or, le nom « gallium » ne dérive pas de Gallia, mais de gallus signifiant coq, nom latinisé de Paul-Émile.

Pendant l’ouverture de la mine de Saint-Salvy-de-la-Balme, l’un des premiers producteurs mondiaux de germanium a été la Société minière et métallurgique de Peñarroya.

Isotopes

Le germanium compte 32 isotopes connus ayant un nombre de masse compris entre 58 et 89. Ses isotopes les plus stables sont :

le ⁷⁴Ge avec 42 neutrons (abondance naturelle de 35,94 %) ;
le ⁷²Ge avec 40 neutrons (27,66 %) ;
le ⁷⁰Ge avec 38 neutrons (21,23 %) ;
le ⁷³Ge avec une demi-vie de plus de 1,8 x 10²³ années (7,76 %) ;
le ⁷⁶Ge avec une demi-vie de 10²¹ années (7,61 %).

Ce dernier isotope est légèrement radioactif et se désagrège par double désintégration bêta en sélénium 76 avec une demi-vie de 1,78 x 10²¹ années. Cela correspond à 130 milliards de fois l’âge de l’Univers.

Gisement et exploitation

Il est possible de trouver du germanium à plusieurs endroits. Actuellement, il est récupéré en tant que sous-produit de fusion dans les minerais de zinc. On en trouve également dans la reniérite (système cristallin tétragonal) et la germanite (minéral composé également de sulfure de cuivre et de fer). Il est aussi présent dans l’argyrodite ainsi que dans d’autres minerais non exploités.

Le germanium est un métal rare, car sa teneur dans la croûte terrestre est seulement d’environ 1,5 ppm. Il est présent sous forme de traces dans les cendres de certains charbons appelés « vitrain ». Sur le territoire français, il se trouve aussi dans des filons Pb-Zn.

En 2004, sa production mondiale était estimée à 40 t, avec la Chine et les États-Unis comme plus gros consommateurs. En 2006, la Chine produisait 79 % de l’approvisionnement mondial en raison de sa production de charbon.

Il est possible de purifier le germanium métal ou son oxyde à partir du tétrachlorure de germanium. Également appelé chlorure de germanium (IV), ce liquide est un composé chimique volatil ayant une température d’ébullition de 86 °C. Cette technique permet de produire du germanium d’une extrême pureté. Des méthodes d’affinage de zone permettent de produire du germanium cristallin pour semi-conducteur de pureté 10^-9 (99,999 999 99 % avec seulement 0,1 ppb d’impureté).

Applications

En 2007, le germanium était utilisé dans la fabrication de fibres optiques (35 %) et dans le domaine de l’infrarouge (20 %). Ses autres applications concernaient les catalyseurs (20 %), l’électronique (15 %) et quelques types de cellules photovoltaïques.

Dans les années quatre-vingt, cet élément faisait partie des huit matières premières stratégiques les plus indispensables, que ce soit en temps de paix ou de guerre.

Électronique

La polarisation de la jonction PN inverse par un faible courant électrique appelée effet transistor a été observée en 1948 dans du germanium. Cela a permis à cet élément de servir de substrat semi-conducteur jusqu’en 1970, date à laquelle le silicium a pris le relais. Jusqu’en 2020, des transistors en germanium étaient encore utilisés comme composants principaux de certaines pédales d’effet pour guitare électrique. La raison était que leur sonorité était considérée comme particulière et fortement appréciée par les amateurs de sons « années soixante ».

De nos jours, le germanium est employé dans le domaine des hautes fréquences et pour la réalisation de diodes à faible chute d’un poste à diode. Il est aussi utilisé dans les cellules photovoltaïques multi-jonctions à des fins spatiales et terrestres. Cet élément chimique est présent à l’état de multicouches ou d’alliage avec le silicium (SiGe) pour la création de circuits intégrés à haute performance. Initialement, son dépôt en alternance avec le silicium reposait sur la possibilité de rendre directe la bande interdite du silicium et du germanium. Cette méthode est la même que celle utilisée lorsqu’on introduit des contraintes qui améliorent la mobilité des porteurs dans les transistors à effet de champ. Les transistors utilisant du SiGe sont des modèles bipolaires à hétérojonction qui sont plébiscités pour les applications d’amplification de puissance.

Optique

Le germanium a une importance pratique dans la fabrication de composants optiques grâce à sa transparence à l’infrarouge. En effet, il peut transmettre des radiations de l’infrarouge proche de la longueur d’onde comprise entre 1,6 µm et 18 µm. En revanche, le germanium n’est pas transparent dans le spectre visible. Les lentilles à base de cette matière permettent une ouverture numérique élevée grâce à son indice de réfraction de 4.

Tout comme pour l’acier, il est impossible de détruire par rayonnement neutronique la structure du germanium. Cependant, son irradiation aux neutrons rapides génère des défauts ponctuels qui recuisent vers 200 °C. De plus, cet élément chimique perd ses qualités optiques dès 100 °C. Généralement, une couche de protection cristalline à base de carbone vient renforcer la surface extérieure des composants optiques en germanium. Ce traitement DLC (Diamond Like Carbon) lui assure une dureté avoisinant celle du diamant.

Présence alimentaire

Le germanium est essentiellement présent dans :

l’ail (754 mg/kg⁻¹) ;
les champignons de type Ganoderma (jusqu’à 2,5 mg kg⁻¹) ;
les racines de ginseng de Corée (jusqu’à 4 000 mg kg⁻¹) ;
l’algue chlorella ;
le kombucha, une boisson traditionnelle réputée dans plusieurs pays.

Selon la FNCLCC ou Fédération nationale des centres de lutte contre le cancer, « le germanium a des effets toxiques graves sur les nerfs et surtout les reins ». Elle a également ajouté qu’elle peut même entraîner la mort par insuffisance rénale.

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Lien : https://www.france-mineraux.fr/tableau-periodique-des-elements/germanium/

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