APLICACIONES EN LA INGENIERIA

QUÍMICA DEL GERMANIO
Elemento químico, metálico, gris plata, quebradizo, símbolo Ge, número atómico 32, peso atómico 72.59, punto de fusión 937.4ºC (1719ºF) y punto de ebullición 2830ºC (5130ºF), con propiedades entre el silicio y estaño. El germanio se encuentra muy distribuido en la corteza terrestre con una abundancia de 6.7 partes por millon (ppm). El germanio se halla como sulfuro o está asociado a los sulfuros minerales de otros elementos, en particular con los del cobre, zinc, plomo, estaño y antimonio.
El germanio tiene una apariencia metálica, pero exhibe las propiedades físicas y químicas de un metal sólo en condiciones especiales, dado que está localizado en la tabla periódica en donde ocurre la transición de metales a no metales. A temperatura ambiente hay poca indicación de flujo plástico y, en consecuencia, se comporta como un material quebradizo.
El germanio es divalente o tetravalente. Los compuestos divalentes (óxido, sulfuro y los halogenuros) se oxidan o reducen con facilidad. Los compuestos tetravalentes son más estables. Los compuestos organogermánicos son numerosos y, en este aspecto, el germanio se parece al silicio. El interés en los compuestos organogermánicos se centra en su acción biológica. El germanio y sus derivados parecen tener una toxicidad menor en los mamíferos que los compuestos de estaño o plomo.
Las propiedades del germanio son tales que este elemento tiene varias aplicaciones importantes, especialmente en la industria de los semiconductores. El primer dispositivo de estado sólido, el transistor, fue hecho de germanio. Los cristales especiales de germanio se usan como sustrato para el crecimiento en fase vapor de películas finas de Ga As y Ga As P? en algunos diodos emisores de luz. Se emplean lentes y filtros de germanio en aparatos que operan en la región infrarroja del espectro. Mercurio y cobre impregnados de germanio son utilizados en detectores infrarrojos; los granates sintéticos con propiedades magnéticas pueden tener aplicaciones en los dispositivos de microondas para alto poder y memoria de burbuja magnética; los aditivos de germanio incrementa los amper-horas disponibles en acumuladores.






Características principales
Es un metaloide sólido duro, cristalino, de color blanco grisáceo lustroso, quebradizo, que conserva el brillo a temperaturas ordinarias. Presenta la misma estructura cristalina que el diamante y resiste a los ácidos y álcalis.
Forma gran número de compuestos organometálicos y es un importante material semiconductor utilizado en transistores y fotodetectores. A diferencia de la mayoría de semiconductores, el germanio tiene una pequeña banda prohibida (band gap) por lo que responde de forma eficaz a la radiación infrarroja y puede usarse en amplificadores de baja intensidad.
Aplicaciones
Las aplicaciones del germanio se ven limitadas por su elevado costo y en muchos casos se investiga su sustitución por materiales más económicos.
• Fibra óptica.
• Electrónica: radares y amplificadores de guitarras eléctricas usados por músicos nostálgicos del sonido de la primera época del rock and roll; aleaciones SiGe en circuitos integrados de alta velocidad. También se utilizan compuestos sandwich Si/Ge para aumentar la movilidad de los electrones en el silicio (streched silicon)
• Óptica de infrarrojos: Espectroscopios, sistemas de visión nocturna y otros equipos.
• Lentes, con alto índice de refracción, de ángulo ancho y para microscopios.
• En joyería se usa la aleación Au con 12% de germanio.
• Como elemento endurecedor del aluminio, magnesio y estaño.
• Quimioterapia.
• El teratracloruro de germanio es un ácido de Lewis y se usa como catalizador en la síntesis de polímeros (PET).






QUIMICA DEL GALIO
Es un elemento metálico que se mantiene en estado líquido en un rango de temperatura más amplio que cualquier otro elemento. El galio se encuentra en el grupo 13 (o IIIA) del sistema periódico. Su número atómico es 3.
Fue descubierto espectroscópicamente por el químico francés Paul Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, que aisló al año siguiente el elemento en su estado metálico. El galio presenta un color gris azulado en estado sólido y un color plateado en estado líquido. Es uno de los pocos metales que se mantienen en estado líquido a temperatura ambiente. Como el agua, puede ser enfriado a baja temperatura y se expande al congelarse. Ocupa el lugar 34 en abundancia en la corteza terrestre. Su punto de fusión es de 30 °C, y su punto de ebullición es de 2.403 °C. Tiene una densidad de 5,9 g/cm3, y su masa atómica es 69,2.
El galio aparece en pequeñas cantidades en algunas variedades de blendas de cinc, bauxita, pirita, magnetita y caolín. Se asemeja al aluminio en la formación de sales y óxidos trivalentes. También forma algunos compuestos monovalentes y divalentes. Su bajo punto de fusión y su alto punto de ebullición lo hacen idóneo para fabricar termómetros de alta temperatura. Algunos compuestos del galio son excelentes semiconductores y se han utilizado ampliamente en rectificadores, transistores, fotoconductores y diodos de láser y máser.

Características principales
El galio es un metal blando, grisáceo en estado líquido y plateado brillante al solidificar, sólido deleznable a bajas temperaturas que funde a temperaturas cercanas a la de la ambiente (como cesio, mercurio y rubidio) e incluso cuando se lo agarra con la mano por su bajo punto de fusión (28,56 °C). El rango de temperatura en el que permanece líquido es uno de los más altos de los metales (2174 °C separan sus punto de fusión y ebullición) y la presión de vapor es baja incluso a altas temperaturas. El metal se expande un 3,1% al solidificar y flota en el líquido al igual que el hielo en el agua.
Presenta una acusada tendencia a subenfriarse por debajo del punto de fusión (permaneciendo aún en estado líquido) por lo que es necesaria una semilla (un pequeño sólido añadido al líquido) para solidificar el líquido. La cristalización no se produce en ninguna de las estructuras simples; la fase estable en condiciones normales es ortorrómbica, con 8 átomos en cada celda unitaria en la que cada átomo sólo tiene otro en su vecindad más próxima a una distancia de 2,44 Å y estando los otros seis a 2,83 Å. En esta estructura el enlace químico formado entre los átomos más cercanos es covalente siendo la molécula Ga2 la que realmente forma el entramado cristalino.
A otra presión y temperatura se han encontrado numerosas fases estables y metaestables distintas.
El galio corroe otros metales al difundirse en sus redes cristalinas.
Aplicaciones
La principal aplicación del galio (arseniuro de galio) es la construcción de circuitos integrados y dispositivos optoelectrónicos como diodos láser y LED.
• Se emplea para dopar materiales semiconductores y construir dispositivos diversos como transistores.
• En termómetros de alta temperatura por su bajo punto de fusión.
• El galio se alea con facilidad con la mayoría de los metales y se usa en aleaciones de bajo punto de fusión.
• El isótopo Ga-67 se usa en medicina nuclear.
• Se ha descubierto recientemente que aleaciones galio-aluminio en contacto con agua produce una reacción química dando como resultado hidrógeno. Este método para la obtención de hidrógeno no es rentable, ni ecológico, ya que requiere la doble fundición del aluminio, con el consiguiente gasto energético.






QUÍMICA DEL SILICIO
Las propiedades de un elemento químico están determinadas por la distribución de los electrones en su capa mas externa. Ello significa que todos los elementos situados en la misma columna de la tabla periódica tienen propiedades semejantes, puesto que comparten la misma distribución electrónica en esa ultima capa. Por lo tanto, el silicio, situado justo debajo del carbono, es el elemento que más similitudes presenta con él. Este fue, probablemente, el pensamiento del guionista de la serie Star Trek cuando la tripulación del U.S.S. Enterprise acudió al planeta Janus IV para ayudar a los mineros amenazados por “el Horta”, una extraña forma de vida basada en el silicio.
Lamentablemente, la sustitución de un elemento por otro no es tan sencilla. La química del silicio está dominada por el enlace Si-O (los silicatos son los óxidos más abundantes en la corteza terrestre) frente a la estabilidad del enlace C-C que permite la formación de largas y complejas cadenas. Sin embargo, las últimas investigaciones en este campo proponen una solución ingeniosa. En lugar de quedarnos bloqueados ante una pregunta sin respuesta debemos enfocar el problema desde otro punto de vista ¿Para qué basarse en la bioquímica tradicional?. ¿Por qué no utilizar las bondades del enlace de Si-O en lugar de lamentar su existencia?
La tareas básicas de la vida son posibles gracias a los enzimas, que no son sino una serie de catalizadores (moléculas formadas por una unión entre un ion y un metal) con sus correspondientes soportes (las proteínas). La naturaleza ha desarrollado toda una colección de ellos, cada uno especializado en una función, como por ejemplo la hemoglobina, encargada del intercambio del oxígeno o las ferridoxinas cuya misión es la transferencia electrónica. La idea original consiste en sustituir estos enzimas por moléculas basadas en el silicio.
En muchas ocasiones, para lograr una reacción específica necesitamos crear un sitio con el tamaño adecuado para contener las moléculas que queremos que interaccionen, es decir, necesitamos unos vasos de reacción de tamaño molecular. De esta forma evitaremos que otras moléculas interfieran impidiendo obtener el producto deseado. La solución viene de la mano de las zeolitas. Estos materiales son una especie de arcillas que tienen una estructura molecular en forma de red en tres dimensiones, formada por tetraedros de Si O 4? y Al O 4? unidos entre sí. Este entramado tiene poros y cavidades de tamaño molecular por lo que solo pueden ser atravesado por aquellas moléculas con el tamaño lo suficientemente pequeño. Por eso también se les llama tamizadores moleculares. Las zeolitas tienen un gran número de similitudes estructurales con las proteínas naturales. Utilizando estas similitudes podemos desarrollar nuevos catalizadores que combinen las características de robustez y estabilidad química de las zeolitas con la gran selectividad y actividad molecular de los enzimas. En el Departamento Central de Investigación y Desarrollo de la empresa Du Pont, se han conseguido zeolitas capaces de simular el comportamiento de la hemoglobina, el citocromo P450 y la proteína hierro-azufre.
La ciencia ficción ya había sido pionera en la utilización parcial de compuestos de silicio en un ser vivo. Como se describe en la autopsia del primer vector del monstruo en Alien: el 8º pasajero de Ridley Scott, su sangre, formada por “ácido molecular”, podía circular por el interior de su cuerpo sin destruir los tejidos gracias a las estructuras polisiliconadas de sus conducciones. También el empleo de estas siliconas en el recubrimiento externo le permitía sobrevivir en una amplia variedad de ambientes… incluyendo el vacío espacial.




Características
Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio. En forma cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo. Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos. El silicio transmite más del 95% de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.
Se prepara en forma de polvo amorfo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un punto de fusión de 1.411 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086.
Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4 (ver flúor), y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio no es atacado por el aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una capa de sílice que impide que continúe la reacción. A altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio respectivamente.
El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El mineral cuarzo, sus variedades (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfíboles, piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircón, topacio y turmalina.
Silicio como base bioquímica
Sus características compartidas con el carbono, como estar en la misma familia 14, no ser metal propriamente dicho, poder construir compuestos parecidos a las enzimas (zeolitas), otros compuestos largos con oxigeno (siliconas) y poseer los mismos cuatro enlaces básicos, le confiere cierta oportunidad en llegar a ser base de seres vivos, aunque no sea en la tierra, en una bioquímica hipotética.
Aplicaciones
Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la industria de la cerámica técnica y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. El silicio es un elemento vital en numerosas industrias. El dióxido de silicio (arena y arcilla) es un importante constituyente del hormigón y los ladrillos, y se emplea en la producción de cemento portland. Por sus propiedades semiconductoras se usa en la fabricación de transistores, células solares y todo tipo de dispositivos semiconductores; por esta razón se conoce como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática. Otros importantes usos del silicio son:
• Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados.
• Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la agricultura.
• Como elemento de aleación en fundiciones.
• Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes.
• El carburo de silicio es uno de los abrasivos más importantes.
• Se usa en láseres para obtener una luz con una longitud de onda de 456 nm.
• La silicona se usa en medicina en implantes de seno y lentes de contacto.
Se utiliza en la industria del acero como componente de las aleaciones de silicio-acero. Para fabricar el acero, se desoxida el acero fundido añadiéndole pequeñas cantidades de silicio; el acero común contiene menos de un 0,03% de silicio. El acero de silicio, que contiene de 2,5 a 4% de silicio, se usa para fabricar los núcleos de los transformadores eléctricos, pues la aleación presenta baja histéresis (ver Magnetismo). Existe una aleación de acero, el durirón, que contiene un 15% de silicio y es dura, frágil y resistente a la corrosión; el durirón se usa en los equipos industriales que están en contacto con productos químicos corrosivos. El silicio se utiliza también en las aleaciones de cobre, como el bronce y el latón.
El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura ambiente varía entre la de los metales y la de los aislantes. La conductividad del silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de impurezas llamadas dopantes. La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio y su abundancia en la naturaleza han posibilitado el desarrollo y aplicación de los transistores y circuitos integrados que se utilizan en la industria electrónica.
La sílice y los silicatos se utilizan en la fabricación de vidrio, barnices, esmaltes, cemento y porcelana, y tienen importantes aplicaciones individuales. La sílice fundida, que es un vidrio que se obtiene fundiendo cuarzo o hidrolizando tetracloruro de silicio, se caracteriza por un bajo coeficiente de dilatación y una alta resistencia a la mayoría de los productos químicos. El gel de sílice es una sustancia incolora, porosa y amorfa; se prepara eliminando parte del agua de un precipitado gelatinoso de ácido silícico, SiO2•H2O, el cual se obtiene añadiendo ácido clorhídrico a una disolución de silicato de sodio. El gel de sílice absorbe agua y otras sustancias y se usa como agente desecante y decolorante.
El silicato de sodio (Na2SiO3), también llamado vidrio, es un silicato sintético importante, sólido amorfo, incoloro y soluble en agua, que funde a 1088 °C. Se obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a alta temperatura, o calentando arena con hidróxido de sodio concentrado a alta presión. La disolución acuosa de silicato de sodio se utiliza para conservar huevos; como sustituto de la cola o pegamento para hacer cajas y otros contenedores; para unir gemas artificiales; como agente incombustible, y como relleno y adherente en jabones y limpiadores. Otro compuesto de silicio importante es el carborundo, un compuesto de silicio y carbono que se utiliza como abrasivo.
El monóxido de silicio, SiO, se usa para proteger materiales, recubriéndolos de forma que la superficie exterior se oxida al dióxido, SiO2. Estas capas se aplican también a los filtros de interferencias.
El silicio proviene del latín. Fue identificado por primera vez por Antoine Lavoisier en 1787.