Raro e caro: conheça um semimetal chamado germânio
Jurii, CC BY 3.0, via Wikimedia Commons
Germânio: prateado e quebradiço
A maioria dos elementos da tabela periódica divide-se entre metais ou não metais. O germânio é um semimetal, e está no mesmo grupo do carbono e do silício, que são não metais, além do estanho e do chumbo, que são metais. Ele é um sólido rígido em temperatura ambiente e parece metálico, tem brilho prateado acinzentado e é um semicondutor, sem as principais propriedades de um metal. [1]
Seu número atômico é 32, seu símbolo é Ge e seu ponto de fusão é 938,25° C. Em sua forma metálica o germânio é duro e quebradiço, estável no ar e na água. O germânio está no grupo 14 e no período 4 da Tabela Periódica. [2]
Eka-silício
A existência do germânio foi prevista por Dimitri Mendeleev quando construiu sua tabela periódica , antes mesmo do elemento ser isolado. Em 1869 Mendeleev desenhou uma tabela rudimentar com os elementos conhecidos, arranjando-os conforme suas propriedades químicas e massa atômica. Mas a tabela tinha alguns espaços vazios. Mendeleev previu que nesses espaços entrariam elementos ainda desconhecidos na época. Ele deu nome a eles usando a substância que ficava acima do espaço em branco, e adicionando o prefixo eka, que em sânscrito significa número um. Para Mendeleev, deveria existir o eka-boro, o eka-alumínio, o eka-manganês e o eka-silício. [1]
Dmitri Mendeleev, Public domain, via Wikimedia Commons
Tabela periódica de Mendeleev de 1869: lacunas para os elementos desconhecidos e o lugar previsto para o germânio
De todas essas previsões, a mais acertada foi para o eka-silício, no lugar hoje destinado ao germânio. Mendeleev calculou que sua massa atômica seria 72, e quase acertou: seu atual valor é 72,6, sendo a média ponderada de seus isótopos estáveis, 70, 72, 73 e 74. Ele também foi bem preciso ao prever sua densidade e previu que aquele elemento deveria ter alto ponto de fusão; disse também que sua cor seria cinzenta. [1]
Dezessete anos depois, em 1886, o químico alemão Clemens Winkler isolou o elemento de um mineral recém-descoberto chamado argirodita (Ag8GeS6), encontrado numa mina perto da cidade onde vivia, Freiburg, na Saxônia. Winkler deu nome ao novo elemento em homenagem a seu país, usando o nome latino Germânia para Alemanha. [1]
Por mais de 50 anos o germânio não foi mais que uma anotação na tabela periódica: não tinha utilidade. Foi apenas com o desenvolvimento dos equipamentos eletrônicos que se descobriu o valor do germânio como um semicondutor muito eficiente. Um semicondutor é um material com condutividade mediana, entre um condutor e um isolante, cuja condutividade pode ser alterada por uma influência externa, como um campo elétrico ou a luz. [1]
Leia mais sobre os semicondutores no artigo sobre silício publicado aqui no Química Viva.
Usos
O primeiro uso do germânio em larga escala foi em substituição a um componente eletrônico das válvulas a vácuo, o diodo. A partir de 1947 o germânio foi utilizado amplamente na invenção que mudaria o mundo para sempre: o transistor. Foi uma invenção de John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, ganhadores do Prêmio Nobel de Física em 1956, que logo foi utilizada em todos os equipamentos eletrônicos existentes. Mas o transistor de germânio tinha um defeito: falhava a altas temperaturas, e por isso ele começou a ser substituído a partir de 1954 pelo silício, mais acessível e por isso mais barato, para a fabricação deste componente. [2]
Mister rf, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Transistor de germânio
Quando parecia que o germânio seria relegado a segundo plano, deu-se o oposto, porque hoje ele continua sendo um elemento importante, principalmente em eletrônicos especializados, como equipamentos para visão noturna. Com o avanço das comunicações no início da era digital, na década de 1990, o elemento passou a ser utilizado na fabricação da fibra óptica. Este tipo de conexão demonstrou ser a melhor solução para conexões de alta velocidade, o que provocou uma alta demanda por este raro semimetal. Mas as aplicações do germânio estão limitadas por seu alto custo e em muitos casos estuda-se a sua substituição por materiais mais econômicos. [2,3]
Torre Eiffel/Wikimedia Commons
Germânio é usado para produção de lentes fotográficas grandes angulares e lentes para microscópios
Ao contrário de outros elementos, não existem muitos compostos de germânio utilizados pela indústria. O dióxido de germânio pode ser usado como catalisador na produção de plástico PET na fabricação de garrafas, mas ele é raramente usado para este fim na Europa e nos Estados Unidos.
O óxido de germânio tem alto índice de refração e dispersão, tornando-o útil para uso em lentes grandes angulares de câmeras e lentes objetivas para microscópios. O germânio também é utilizado em ligas. Adicionar 1% de germânio à prata impede que ela escureça. Ele também é usado em lâmpadas fluorescentes e como catalisador. Tanto o germânio quanto o óxido de germânio são transparentes à radiação infravermelha e por isso são usados em espectroscópios infravermelhos. [1]
Assista o vídeo produzido pela Universidade de Nottingham sobre as características do germânio:
A reprodução do vídeo foi autorizada pelos autores. Legendas: Professor Luís Brudna - Unipampa/RS
O germânio não tem papel biológico conhecido e é um elemento não-tóxico. Certos compostos de germânio têm baixa toxicidade em mamíferos e são eficazes contra algumas bactérias, o que levou alguns cientistas a estudarem seu uso em medicamentos. Produtos farmacêuticos contendo germânio são vendidos em farmácias do Brasil e dos Estados Unidos como suplementos nutricionais para uma variedade de indicações, mas não há provas científicas de que funcionem. Pesquisas médicas publicadas até agora não conseguiram encontrar evidências da ação terapêutica do germânio. Na verdade, há evidências científicas de que o uso prolongado desses suplementos pode causar problemas renais e por isso seu uso não é recomendado. [1,4]
Produção
De acordo com o Serviço Geológico dos Estados Unidos, a produção mundial de germânio foi de 140 toneladas em 2021. Naquele ano os preços do germânio aumentaram 21%, e o quilo do elemento foi vendido por 1.315 dólares, em média. Os principais países produtores são China e Rússia. Os Estados Unidos possuem reservas consideráveis no Alaska, Tennessee e Washington. [5]
Rob Lavinsky, iRocks.com, via Wikimedia Commons
Raro mineral de germanita e ranierita obtido na mina de Tsumeb, na Namíbia
Os minerais rentáveis para a extração do germânio são a germanita (69% de germânio) e ranierita (7-8% do elemento). Ele também está presente no carvão e outros minerais em quantidades menores. A maior quantidade é obtida como subproduto da produção do zinco, na forma de óxido de germânio (GeO2). [3]
Para usos em equipamentos eletrônicos o germânio deve ser obtido com pureza de 99,99%, através do processo de fusão fracionada. Em uma escala global, apenas 3% do germânio contido nos concentrados de zinco é recuperado. Quantidades significativas de germânio são encontradas nas cinzas e no processamento dos gases residuais gerados pela combustão de certos tipos de carvão usado para geração de energia. O silício é um substituto mais barato para o germânio em algumas aplicações eletrônicas e o antimônio e o titânio são substitutos para uso como catalisador na produção de polímeros. [3]
ATENÇÃO
Os experimentos com substâncias químicas mostrados nos vídeos aqui incluídos só devem ser reproduzidos na presença de um profissional ou professor de química, e em ambiente controlado. Não tente reproduzir esses experimentos por conta própria.
Artigo produzido pela Assessoria de Comunicação e Marketing do CRQ-IV,
sob orientação técnica de Karem Soraia Garcia Marquez,
docente do Centro Universitário Fundação Santo André.
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