Raro e caro: conheça um semimetal chamado germânio

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]

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]

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]

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:

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]

Referências

[1] – Germanium. Disponível em https://www.rsc.org/periodic-table/element/32/germanium. Acesso em 17/05/2022.

[2] – Germanio, Su historia. Disponível em https://transistores.info/germanio-su-historia-propiedades-y-aplicaciones/. Acesso em 17/05/2022.

[3] – Germânio. Disponível em https://idmbrasil.org.br/item/germanio/138/. Acesso em 18/05/2022.

[4] – Germanium use and associated adverse effects: a review. Disponível em https://www.cochranelibrary.com/central/doi/10.1002/central/CN-01723430/full?highlightAbstract=germanium. Acesso em 18/05/2022.

[5] – Germanium Statistics and Information. Disponível em https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/germanium-statistics-and-information. Acesso em 18/05/2022.

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/SP,
sob orientação técnica de Karem Soraia Garcia Marquez,
docente do Centro Universitário Fundação Santo André.
Publicado em 10/08/2022