Germanio

¿Qué es el germanio?

El germanio es un elemento metaloide representado por el símbolo Ge, y que pertenece al grupo 14 de la tabla periódica. Está debajo del silicio, y comparte con este muchas de sus propiedades físicas y químicas, tanto que antes su nombre era ekasilicio, predicho por el mismo Dmitri Mendeleev.

Su nombre actual fue dado por Clemens A. Winkler, en honor a su tierra natal, Alemania. De allí que el germanio se halle ligado a ese país, y que sea la primera imagen que llegue a la mente de quienes no lo conocen demasiado.

El germanio, igual que el silicio, consiste en cristales covalentes de redes tetraédricas tridimensionales con enlaces Ge-Ge. Asimismo, puede hallarse en forma monocristalina, en la cual sus granos son grandes, o policristalina, compuesta por cientos de cristales pequeños.

Es un elemento semiconductor a presión ambiente, pero cuando esta se eleva por encima de los 120 kbar se transforma en un alótropo metálico, es decir, posiblemente se rompan los enlaces Ge-Ge y se dispongan de manera individual envueltos en el mar de sus electrones.

Se considera un elemento no tóxico, pues puede manipularse sin ningún tipo de indumentaria protectora, aunque su inhalación e ingesta excesivas puede acarrear los síntomas clásicos de irritación en los individuos. Su presión de vapor es muy baja, por lo que es poco probable que su humo pueda ocasionar un incendio.

No obstante, los germanios inorgánicos (sales) y orgánicos pueden resultar peligrosos para el organismo, a pesar de que sus átomos Ge interaccionan de manera misteriosa con las matrices biológicas.

El germanio no solo es un semiconductor, acompañando al silicio, selenio, galio y toda una serie de elementos en el mundo de los materiales semiconductores y sus aplicaciones, también es transparente a la radiación infrarroja, por lo que resulta útil para fabricar detectores de calor de diferentes fuentes o regiones.

Historia del germanio

• Predicciones de Mendeleev. El germanio era uno de los elementos cuya existencia fue predicha en 1869 por el químico ruso Dmitri Mendeleev en su tabla periódica. Provisionalmente lo llamó ekasilicio y lo ubicó en un espacio en la tabla periódica entre el estaño y el silicio. En 1886, Clemens A. Winkler descubrió el germanio en una muestra mineral de una mina de plata cerca de Freiberg, Sajonia. Se trataba del mineral llamado argirodita, por su alto contenido de plata, y recién descubierto en 1885. La muestra de la argirodita contenía 73-75% de plata, 17-18% de azufre, 0,2% de mercurio y 6-7% de un nuevo elemento, el cual posteriormente Winkler nombró germanio. Mendeleev había predicho que la densidad del elemento a ser descubierto debía de ser de 5,5 g/cm³ y su peso atómico alrededor de 70. Sus predicciones resultaron ser bastantes cercanas a las presentadas por el germanio.
• Aislamiento y nombre. En 1886, Winkler pudo aislar el nuevo metal y lo encontró similar al antimonio, pero se dio cuenta de que el elemento que había descubierto correspondía con el ekasilicio. Winkler nombró al elemento ‘germanio’ originado de la palabra latina ‘germania’, palabra que usaban para denominar a Alemania. Por ello, Winkler nombró al nuevo elemento germanio, en honor a su país natal, Alemania.
• Determinación de sus propiedades. En 1887, Winkler determinó las propiedades químicas del germanio, hallando un peso atómico de 72,32 mediante un análisis del tetracloruro de germanio puro (GeCl₄). Mientras, Lecoq de Boisbaudran dedujo un peso atómico de 72,3 mediante el estudio del espectro de chispa del elemento. Winkler preparó varios compuestos nuevos del germanio, incluyendo fluoruros, cloruros, sulfuros y dióxidos. En la década de 1920, las investigaciones sobre las propiedades eléctricas del germanio produjeron el desarrollo del germanio monocristalino de alta pureza. Este desarrollo permitió la utilización del germanio en diodos, rectificadores y receptores de radar de microondas durante la Segunda Guerra Mundial.
• Desarrollo de sus aplicaciones. La primera aplicación industrial se produjo después de la guerra en 1947, con la invención de los transistores de germanio por John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, que se usaron en equipos de comunicaciones, computadoras y radios portátiles. En 1954, los transistores de silicio de alta pureza comenzaron a desplazar a los transistores de germanio por las ventajas electrónicas que poseían. Y ya para la década de 1960, prácticamente habían desaparecido los transistores de germanio. El germanio resultó ser un componente clave en la elaboración de las lentes y ventanas de infrarrojo (IR). En la década de 1970, se produjeron células voltaicas (PVC) de silicio y germanio (SiGe) que siguen siendo críticas para las operaciones satelitales. En los 90, el desarrollo y la expansión de la fibra óptica aumentó la demanda de germanio. El elemento se utiliza para formar el núcleo de vidrio de los cables de fibra óptica. A partir del 2000, los PVC de alta eficiencia y los diodos emisores de luz (LED) que utilizan germanio, produjeron un incremento en la producción y consumo del germanio.

Propiedades físicas y químicas del germanio

• Apariencia. Blanco plateado y brillante. Cuando su sólido está formado por muchos cristales (policristalino), luce una superficie escamosa o arrugada, llena de visos y sombras. A veces, inclusive puede dar la apariencia de ser tan grisáceo o negro como el silicio. En condiciones estándares es un elemento semimetálico, quebradizo y brillo metálico. El germanio es un semiconductor, poco dúctil. Tiene un índice de refracción alto para la luz visible, pero es transparente para la radiación infrarroja, siendo utilizado en ventanas de equipos para detectar y medir estas radiaciones.
• Peso atómico estándar. 72,63 u.
• Número atómico (Z). 32.
• Punto de fusión. 938,25 ºC.
• Punto de ebullición. 2.833 ºC.
• Densidad. A temperatura ambiente: 5,323 g/cm³. En el punto de fusión (líquido): 5,60 g/cm³. El germanio, al igual que el silicio, el galio, el bismuto, el antimonio y el agua, se expande al solidificarse. Por esta razón, su densidad es mayor en el estado líquido que en el sólido.
• Calor de fusión. 36,94 kJ/mol.
• Calor de vaporización. 334 kJ/mol.
• Capacidad calórica molar. 23,222 J/(mol·K).
• Presión de vapor. A una temperatura 1.644 K su presión de vapor es tan solo de 1 Pa. Esto significa que su líquido emite apenas vapores a esa temperatura, por lo que no implica un riesgo considerado de inhalación.
• Electronegatividad. 2,01 en la escala de Pauling.
• Energías de ionización. Primera: 762 kJ/mol. Segunda: 1.537 kJ/mol. Tercera: 3.302,1 kJ/mol.
• Conductividad térmica. 60,2 W/(m·K).
• Resistividad eléctrica. 1 Ω·m a 20 ºC.
• Conductividad eléctrica. 3 S cm^-1
• Orden magnético. Diamagnético.
• Dureza. 6,0 en la escala de Mohs.
• Estabilidad. Relativamente estable. No es afectado por el aire a temperatura ambiente y se oxida a temperaturas superiores a 600 ºC.
• Tensión superficial. 6·10^-1 N/m a 1.673,1 K.
• Reactividad. Se oxida a temperaturas mayores a 600 ºC para formar el dióxido de germanio (GeO₂). El germanio origina dos formas de óxidos: el dióxido de germanio (GeO₂) y el monóxido de germanio (GeO). Los compuestos del germanio, generalmente, exhiben el estado de oxidación +4, aunque en muchos compuestos se presenta con el estado de oxidación +2. El estado de oxidación -4 se presenta, por ejemplo en el germanuro de magnesio (Mg₂Ge). Reacciona con los halógenos para formar tetrahaluros: tetrafluoruro de germanio (GeF₄), compuesto gaseoso, tetrayoduro de germanio (GeI₄), compuesto sólido, tetracloruro de germanio (GeCl₄) y tetrabromuro de germanio (GeBr₄), ambos compuestos líquidos. Es inerte frente al ácido clorhídrico, pero es atacado por el ácido nítrico y el ácido sulfúrico. Aunque los hidróxidos en solución acuosa tienen poco efecto sobre el germanio, se disuelve fácilmente en los hidróxidos fundidos para formar los germanatos.

Estructura y configuración electrónica del germanio

• El germanio y sus enlaces. El germanio tiene cuatro electrones de valencia de acuerdo a su configuración electrónica: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p². Al igual que el carbono y el silicio, sus átomos Ge hibridizan sus orbitales 4s y 4p para formar cuatro orbitales híbridos sp³. Con estos orbitales se enlazan para satisfacer el octeto de valencia y, en consecuencia, tener el mismo número de electrones que el gas noble del mismo período (kriptón). De esta manera, surgen los enlaces covalentes Ge-Ge, y habiendo cuatro de ellos por cada átomo, se definen tetraedros en torno a ellos (con un Ge en el centro y los otros en los vértices). Así, se estable una red tridimensional por el desplazamiento de estos tetraedros a lo largo del cristal covalente, el cual se comporta como si fuera una molécula enorme.
• Alótropos. El cristal covalente de germanio adopta la misma estructura cúbica centrada en las caras del diamante (y del silicio). Este alótropo se conoce como α-Ge. Si la presión aumenta hasta 120 kbar (unas 118.000 atm), la estructura cristalina del α-Ge pasa a ser tetragonal centrado en el cuerpo (BCT, por sus siglas en inglés: Body-centered tetragonal). Estos cristales BCT corresponden al segundo alótropo del germanio: el β-Ge, en donde los enlaces Ge-Ge se rompen y se disponen aislados, como sucede con los metales. Así pues, el α-Ge es semimetálico, mientras que el β-Ge es metálico.
• Números de oxidación. El germanio puede bien perder sus cuatro electrones de valencia, o ganar cuatro más para volverse isoelectrónico con el kriptón. Cuando en sus compuestos pierde electrones, se dice que tiene números o estados de oxidación positivos, en los cuales se asume la existencia de cationes con las mismas cargas que estos números. Entre estos tenemos al +2 (Ge²⁺), el +3 (Ge³⁺) y el +4 (Ge⁴⁺). Por ejemplo, los siguientes compuestos tienen al germanio con números de oxidación positivos: GeO (Ge²⁺O^2-), GeTe (Ge²⁺Te^2-), Ge₂Cl₆ (Ge₂³⁺Cl₆^–), GeO₂ (Ge⁴⁺O₂^2-) y GeS₂ (Ge⁴⁺S₂^2-). Mientras que cuando en sus compuestos gana electrones, tiene números de oxidación negativos. Entre ellos, el más común es el -4, es decir, se asume la existencia del anión Ge^4-. En los germanuros sucede esto, y como ejemplos tenemos al Li₄Ge (Li₄⁺Ge^4-) y Mg₂Ge (Mg₂²⁺Ge^4-).

Dónde se encuentra y obtención del germanio

• Minerales sulfurosos. El germanio es un elemento relativamente raro en la corteza terrestre. Son pocos los minerales que contienen una cantidad apreciable del mismo, entre los cuales podemos mencionar: argirodita (4Ag₂S·GeS₂), germanita (7CuS·FeS·GeS₂), briartita (Cu₂FeGeS₄), renierita y canfieldita. Todos ellos tienen algo en común: son minerales de azufre o sulfurosos. Por lo tanto, el germanio predomina en la naturaleza (o al menos en la Tierra), como GeS₂ y no GeO₂ (en contraste con su homólogo SiO₂, la sílice, ampliamente difundida). Además de los minerales mencionados, se ha visto que también se encuentra en concentraciones másicas de 0,3% en depósitos de carbón. Asimismo, algunos microorganismos pueden procesarlo para generar pequeñas cantidades de GeH₂(CH₃)₂ y GeH₃(CH₃), los cuales terminan desplazados hacia ríos y mares. El germanio es un producto secundario del procesamiento de metales como zinc y cobre. Para obtenerlo, debe sufrir una serie de reacciones químicas para reducir su sulfuro en el correspondiente metal, es decir, quitarle al GeS₂ sus átomos de azufre para que quede como Ge simplemente.
• Tostado. Los minerales sulfurosos se someten a un proceso de tostado en el cual se calientan junto con el aire para que ocurran las oxidaciones: GeS₂ + 3 O₂ → GeO₂ + 2 SO₂. Para separar el germanio del residuo, se transforma en su respectivo cloruro, el cual puede destilarse: GeO₂ + 4 HCl → GeCl₄ + 2 H₂O  /  GeO₂ + 2 Cl₂ → GeCl₄ + O₂. Como puede verse, la transformación puede llevarse a cabo utilizando ácido clorhídrico o gas cloro. El GeCl₄ se hidroliza luego nuevamente a GeO₂, por lo que precipita como un sólido blanquecino. Finalmente, el óxido reacciona con el hidrógeno para reducirse al germanio metálico: GeO₂ + 2 H₂ → Ge + 2 H₂O. Reducción que también puede realizarse con carbón: GeO₂ + C → Ge + CO₂. El germanio obtenido consiste en un polvo que se moldea o apisona en barras metálicas, con las que pueden hacerse crecer radiantes cristales de germanio.

Isótopos de germanio

El germanio no posee en la naturaleza ningún isótopo de gran abundancia. En su lugar, posee cinco isótopos cuyas abundancias son relativamente bajas: ⁷⁰Ge (20,52%), ⁷²Ge (27,45%), ⁷³Ge (7,76%), ⁷⁴Ge (36,7%) y ⁷⁶Ge (7,75%). Nótese que el peso atómico es de 72,630 u, el cual promedia todas las masas atómicas con las respectivas abundancias de los isótopos.

El isótopo ⁷⁶Ge en realidad es radiactivo, pero su tiempo de vida media es tan grande (t_1/2= 1.78×10²¹ años) que prácticamente cuenta entre los cinco isótopos del germanio más estables. Otros radioisótopos, como el ⁶⁸Ge y ⁷¹Ge, ambos sintéticos, tienen tiempos de vida media más cortas (270,95 días y 11,3 días, respectivamente).

Riesgos del germanio

• Germanio elemental e inorgánico. Los riesgos en torno al germanio son algo controversiales. Siendo un metal ligeramente pesado, una propagación de sus iones provenientes de sales solubles en agua pudiera infligir daños en el ecosistema, es decir, los animales y plantas pueden verse afectados al consumir los iones Ge³⁺. El germanio elemental no representa ningún riesgo siempre y cuando no esté pulverizado. Si está en polvo, una corriente de aire puede arrastrarlo a fuentes de calor o de sustancias altamente oxidantes, y en consecuencia, existe el riesgo de incendio o explosión. Asimismo, sus cristales pueden terminar en los pulmones u ojos, causando fuertes irritaciones. Una persona puede manipular tranquilamente un disco de germanio en su oficina sin preocuparse de ningún accidente. Sin embargo, no puede decirse lo mismo de sus compuestos inorgánicos, es decir, sus sales, óxidos e hidruros. Por ejemplo, el GeH₄ o germano (análogo al CH₄ y SiH₄), es un gas bastante irritante e inflamable.
• Germanio orgánico. Ahora bien, existen fuentes orgánicas de germanio; entre ellas, puede mencionarse al 2-carboxietilgermasquioxano o germanio-132, suplemento alternativo conocido por tratar ciertas dolencias, aunque con evidencias puestas en duda. Algunos de los efectos medicinales que se le atribuyen al germanio-132 es el de fortalecer el sistema inmune, por lo que ayuda a combatir el cáncer, VIH y SIDA, regulariza las funciones del cuerpo, mejora el grado de oxigenación en la sangre, elimina los radicales libres, y además cura la artritis, el glaucoma y las enfermedades cardiacas. No obstante, al germanio orgánico se le ha vinculado con graves daños a los riñones, hígado y sistema nervioso. Por eso existe un riesgo latente a la hora de consumir este suplemento de germanio, pues si bien hay quienes lo consideran una cura milagrosa, hay otros que advierten que no ofrece ningún beneficio científicamente comprobado.

Usos del germanio

• Óptica infrarroja. El germanio es transparente para las radiaciones infrarrojas, es decir, pueden traspasarlo sin que sea absorbido. Gracias a esto se han construido lentes y vidrios de germanio para dispositivos ópticos de infrarrojo, por ejemplo, acoplado con un detector IR para análisis espectroscópico, en lentes utilizados en telescopios espaciales de infrarrojo lejano para estudiar las estrellas más lejanas del Universo, o en sensores de luz y temperatura. Las radiaciones infrarrojas están asociadas a las vibraciones moleculares o fuentes de calor, por lo que los dispositivos usados en la industria militar para visualizar objetivos con visión nocturna poseen componentes hechos con germanio.

• Material semiconductor. El germanio como metaloide semiconductor se ha utilizado para la construcción de transistores, circuitos eléctricos, diodos emisores de luz y microchips. En estos últimos, las aleaciones germanio-silicio, e inclusive el germanio, por sí mismo, han comenzado a sustituir al silicio, de manera que puedan diseñarse circuitos cada vez más pequeños y potentes. Su óxido, GeO₂, debido a su alto índice de refracción, se le adiciona a los vidrios para que puedan utilizarse en microscopía, objetivos gran angular y en fibras ópticas. El germanio no solo ha llegado a sustituir al silicio en ciertas aplicaciones electrónicas, sino que puede acoplarse con el arseniuro de galio (GaAs). Así, este metaloide también está presente en los paneles solares.
• Catalizadores. El GeO₂ se ha utilizado como catalizador para reacciones de polimerización. Por ejemplo, en la necesaria para la síntesis del tereftalato de polietileno, plástico con el cual se fabrican botellas brillantes comercializadas en Japón. Asimismo, las nanopartículas de sus aleaciones con platino catalizan reacciones redox donde involucran la formación de hidrógeno gaseoso, volviendo estas celdas voltaicas más efectivas.
• Aleaciones. Existen aleaciones Ge-Si y Ge-Pt. Además de esta, sus átomos Ge pueden adicionarse a los cristales de otros metales, como plata, oro, cobre y berilio. Estas aleaciones muestran mayor ductilidad y resistencia química que sus metales individuales.

Referencias

1. Shiver & Atkins. Química Inorgánica. (Cuarta edición). McGraw Hill.
2. Germanium. Recuperado de en.wikipedia.org.
3. Silicon & germanium crystal structure. Recuperado de physicsopenlab.org.
4. Is Germanium a Miracle Cure? Recuperado de healthline.com.
5. Periodic table: germanium. Recuperado de lenntech.com.