Introduction
Le germanium (symbole Ge, numéro atomique 32) est un élément chimique fascinant qui se situe dans le groupe 14 (groupe du carbone) du tableau périodique, entre le silicium et l'étain. Classé comme métalloïde, il possède des propriétés intermédiaires entre les métaux et les non-métaux. Son histoire est intimement liée aux prédictions de Dmitri Mendeleïev, qui avait anticipé son existence et ses caractéristiques sous le nom d'« eka-silicium ». Aujourd'hui, il est un matériau stratégique dans les technologies de pointe, notamment pour ses propriétés semi-conductrices et sa transparence aux rayonnements infrarouges.
Description
Le germanium est un solide cristallin, dur et cassant, de couleur gris-blanc brillant. Il présente une structure cristalline de type diamant, similaire à celle du silicium et du diamant. En tant que semi-conducteur intrinsèque, sa conductivité électrique augmente avec la température. Sa bande interdite (environ 0,67 eV à température ambiante) est plus petite que celle du silicium, ce qui le rend sensible à des longueurs d'onde plus grandes, notamment dans l'infrarouge. Il est relativement inerte à l'air à température ambiante, mais s'oxyde à des températures plus élevées pour former du dioxyde de germanium (GeO2). Il n'est pas présent à l'état natif mais est principalement obtenu comme sous-produit du traitement de minerais de zinc et de cuivre, ainsi que de certaines cendres de charbon. Ses principaux composés comprennent le tétrachlorure de germanium (GeCl4) et les hydrures de germanium (germanes).
Histoire
L'histoire du germanium est un triomphe de la périodicité chimique. En 1869, Dmitri Mendeleïev, en élaborant son tableau périodique, laissa une case vide sous le silicium, qu'il nomma « eka-silicium », et prédit avec une précision remarquable ses propriétés (masse atomique, densité, couleur). Ce n'est qu'en 1886 que le chimiste allemand Clemens Winkler, analysant un minerai d'argent rare appelé argyrodite, isola le nouvel élément. Fidèle à la tradition, il le nomma « germanium » en l'honneur de sa patrie, l'Allemagne (Germania en latin). La confirmation des prédictions de Mendeleïev renforça considérablement la validité du tableau périodique. Pendant des décennies, le germanium resta une curiosité de laboratoire, jusqu'à ce que ses propriétés semi-conductrices soient exploitées. Le premier transistor à jonction, inventé en 1947 par Bardeen, Brattain et Shockley aux Laboratoires Bell, était fabriqué en germanium, marquant le début de la révolution électronique.
Caracteristiques
Numéro atomique : 32. Masse atomique : 72,63 u. Point de fusion : 938,25 °C. Point d'ébullition : 2833 °C. Densité : 5,323 g/cm³. Configuration électronique : [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p². Il possède cinq isotopes naturels stables : ⁷⁰Ge, ⁷²Ge, ⁷³Ge, ⁷⁴Ge et ⁷⁶Ge. Le germanium est un semi-conducteur avec une mobilité des électrons supérieure à celle du silicium, ce qui le rendait initialement attractif pour les transistors haute fréquence. Il est transparent aux rayonnements infrarouges entre 2 et 14 micromètres, une propriété critique pour les optiques infrarouges (lentilles, fenêtres). Chimiquement, il forme principalement des composés au degré d'oxydation +4, mais aussi des composés au degré +2, moins stables. Son oxyde (GeO2) est utilisé dans la fabrication de verres spéciaux à indice de réfraction élevé.
Importance
L'importance du germanium est immense dans plusieurs secteurs technologiques clés. Bien que largement supplanté par le silicium, moins coûteux et plus facile à oxyder, pour la microélectronique grand public, il conserve des niches vitales. 1) Optique infrarouge : Ses lentilles et fenêtres sont indispensables pour les systèmes de vision nocturne, la thermographie, les satellites d'observation et la spectroscopie. 2) Fibres optiques : Le dioxyde de germanium est dopé dans le cœur des fibres optiques pour en augmenter l'indice de réfraction, permettant la transmission efficace de la lumière sur de longues distances. 3) Électronique : Il est utilisé dans certains transistors haute vitesse, détecteurs et cellules solaires à haut rendement (notamment pour applications spatiales). 4) Catalyse : Le dioxyde de germanium est un catalyseur dans la production de plastiques PET. 5) Santé : Certains composés organométalliques du germanium sont étudiés en pharmacologie, bien que son rôle biologique essentiel ne soit pas établi. Son approvisionnement est considéré comme critique par de nombreux pays en raison de sa concentration géographique (Chine, Russie, Belgique) et de son rôle dans les technologies de défense et de communication.
