GERMANIUM: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, ZÍSKAVANIE, POUŽITIA - CHÉMIA - 2026

Germánium je polokovy prvok je reprezentovaný chemickej značky Ge a patriaci do skupiny 14 periodickej tabuľky prvkov. Nachádza sa pod kremíkom a zdieľa s ním mnoho svojich fyzikálnych a chemických vlastností; natoľko, že kedysi bol názov Ekasilicio, ktorý predpovedal samotný Dmitri Mendeleev.

Súčasný názov dostal Clemens A. Winkler na počesť svojej vlasti Nemecko. Preto je germánie spojené s touto krajinou a je to prvý obraz, ktorý evokuje myseľ tým, ktorí to dobre nevedia.

Vzorka z ultračistého germánia. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvkov

Germánium, podobne ako kremík, pozostáva z kovalentných kryštálov trojrozmerných štvorstenných mriežok s Ge-Ge väzbami. Podobne ho možno nájsť v monokryštalickej forme, v ktorej sú jeho zrná veľké alebo polykryštalické, pozostávajúce zo stoviek malých kryštálov.

Je to polovodičový prvok pri okolitom tlaku, ale keď stúpne nad 120 kbar, stáva sa kovovým allotropom; to znamená, že možno sú Ge-Ge zväzky zlomené a sú usporiadané jednotlivo zabalené do mora svojich elektrónov.

Považuje sa za netoxický prvok, pretože sa s ním môže manipulovať bez ochranného odevu; hoci jeho vdýchnutie a nadmerný príjem môžu u jednotlivcov viesť k klasickým symptómom podráždenia. Jeho tlak pary je veľmi nízky, takže je nepravdepodobné, že by jeho dym spôsobil požiar.

Anorganické (soli) a organické germánium však môžu byť pre organizmus nebezpečné, napriek skutočnosti, že ich Ge atómy záhadne interagujú s biologickými matricami.

Nie je vôbec známe, či sa organické germánium môže považovať za zázračný liek na liečbu určitých porúch ako alternatívny liek. Vedecké štúdie však tieto tvrdenia nepodporujú, ale ich odmietajú a označujú tento prvok za karcinogénny.

Germanium nie je iba polovodičom, ktorý sprevádza kremík, selén, gálium a celý rad prvkov vo svete polovodičových materiálov a ich aplikácií; Je tiež priehľadný pre infračervené žiarenie, čo ho robí užitočným pri výrobe tepelných detektorov z rôznych zdrojov alebo regiónov.

histórie

Mendeleevove predpovede

Germanium bolo jedným z prvkov, ktorých existenciu predpovedal ruský chemik Dmitrij Mendeleev vo svojej periodickej tabuľke v roku 1869. Predbežne ho nazval ekasilikón a umiestnil ho do medzery na periodickej tabuľke medzi cínom a kremíkom.

V roku 1886 Clemens A. Winkler objavil germánium vo vzorke minerálu zo striebornej bane neďaleko mesta Sasko. Bol to minerál nazývaný argyrodit, ktorý bol kvôli svojmu vysokému obsahu striebra objavený až nedávno, v roku 1885.

Vzorka argyroditu obsahovala 73-75% striebra, 17-18% síry, 0,2% ortuti a 6-7% nový prvok, ktorý Winkler neskôr pomenoval germánium.

Mendelejev predpovedal, že hustota prvku na objavenie by mal byť 5,5 g / cm ³ a jeho atómová hmotnosť okolo 70. Jeho predpoveď sa ukázalo byť veľmi blízke tým germánium.

Izolácia a názov

V roku 1886 bol Winkler schopný izolovať nový kov a zistil, že je podobný antimónu, ale prehodnotil a uvedomil si, že prvok, ktorý objavil, zodpovedá ekasilikónu.

Winkler pomenoval prvok „germanium“ pochádzajúci z latinského slova „germania“, ktoré označovali Nemecko. Z tohto dôvodu Winkler pomenoval nový prvok germanium po svojom rodnom Nemecku.

Stanovenie jeho vlastností

V roku 1887, Winkler určí chemické vlastnosti germánia, nájdenie atómovú hmotnosťou 72.32 analýza čistého germánia chloridu (GeCl ₄ ).

Medzitým Lecoq de Boisbaudran odvodil atómovú hmotnosť 72,3 štúdiom iskierového spektra prvku. Winkler pripravil niekoľko nových zlúčenín z germánia, vrátane fluoridov, chloridov, sulfidov a dioxidov.

V 20. rokoch 20. storočia viedli výskumy elektrických vlastností germánia k vývoju vysoko čistého monokryštalického germánium.

Tento vývoj umožnil použitie germánia v diódach, usmerňovačoch a mikrovlnných radarových prijímačoch počas druhej svetovej vojny.

Vývoj vašich aplikácií

Prvá priemyselná aplikácia prišla po vojne v roku 1947 s vynálezom germániových tranzistorov Johna Bardeena, Waltera Brattaina a Williama Shockleyho, ktoré sa používali v komunikačných zariadeniach, počítačoch a prenosných rádiách.

V roku 1954 začali kremíkové tranzistory s vysokou čistotou vytlačiť germániové tranzistory z dôvodu elektronických výhod, ktoré mali. A v 60. rokoch 20. storočia nemecké tranzistory prakticky zmizli.

Germanium sa ukázalo byť kľúčovým prvkom pri výrobe infračervených (IR) šošoviek a okien. V sedemdesiatych rokoch boli vyrobené vulkanické články z kremíka a germánia (SiGe) (PVC), ktoré zostávajú kritické pre satelitné operácie.

V 90. rokoch 20. storočia vývoj a rozširovanie optických vlákien zvyšovali dopyt po germániu. Tento prvok sa používa na vytvorenie skleneného jadra káblov z optických vlákien.

Od roku 2000 viedli vysokoúčinné PVC a svetelné diódy (LED) s germániom k zvýšeniu výroby a spotreby germánia.

Fyzikálne a chemické vlastnosti

vzhľad

Strieborne biele a lesklé. Keď je jeho pevná látka tvorená mnohými kryštálmi (polykryštalická), má šupinatú alebo pokrčenú plochu, plnú podtónov a tieňov. Niekedy sa dokonca môže javiť ako sivý alebo čierny ako kremík.

V štandardných podmienkach je to polokovový prvok, krehký a kovový lesk.

Germanium je polovodič, nie príliš ťažký. Má vysoký index lomu viditeľného svetla, je však priehľadný pre infračervené žiarenie a používa sa v oknách zariadení na detekciu a meranie tohto žiarenia.

Štandardná atómová hmotnosť

72,63 u

Atómové číslo (Z)

32

Bod topenia

938,25 ° C

Bod varu

2 833 ° C

Hustota

Pri izbovej teplote: 5.323 g / cm ³

Na bod topenia (kvapalina): 5,60 g / cm ³

Germánium, ako kremík, gálium, bizmut, antimón a voda, sa po stuhnutí rozširuje. Z tohto dôvodu je jeho hustota vyššia v kvapalnom stave ako v pevnom stave.

Teplo fúzie

36,94 kJ / mol

Odparovacie teplo

334 kJ / mol

Molárna kalorická kapacita

23,222 J / (mol K)

Tlak vodnej pary

Pri teplote 1 644 K je jeho tlak pary iba 1 Pa. To znamená, že pri tejto teplote jeho kvapalina takmer nevytvára výpary, takže neznamená riziko vdýchnutia.

electronegativity

2,01 v Paulingovej stupnici

Ionizačné energie

-Prvé: 762 kJ / mol

-Sekúnd: 1 537 kJ / mol

-Third: 3 302,1 kJ / mol

Tepelná vodivosť

60,2 W / (m K)

Elektrický odpor

1 Ωm pri 20 ° C

Elektrická vodivosť

3S cm- ¹

Magnetické usporiadanie

Diamagnetic

tvrdosť

6,0 na Mohsovej stupnici

stabilita

Relatívne stabilný. Pri izbovej teplote nie je ovplyvňovaný vzduchom a pri teplotách nad 600 ° C oxiduje.

Povrchové napätie

6 10 ^-1 N / m pri 1 673,1 K

reaktivita

Oxiduje sa pri teplotách nad 600 oC za vzniku oxidu germánia (GeO ₂ ). Germanium produkuje dve formy oxidov: kysličník germaničitý (GeO ₂ ) a kysličník germannatý (GeO).

Zlúčeniny germánia všeobecne vykazujú oxidačný stav +4, hoci v mnohých zlúčeninách sa germánium vyskytuje v oxidačnom stave +2. Oxidačný stav - 4 sa vyskytuje napríklad v germanide horečnatom (Mg ₂ Ge).

Germanium reaguje s halogénmi za vzniku tetrahalogenidov: germaniumtetrafluorid (GeF ₄ ), plynná zlúčenina; germánium zinočnatého (GEI ₄ ), pevná zlúčenina; germánium chlorid (GeCl ₄ ) a germánium bromid (Gebr ₄ ), obe kvapalné zlúčeniny.

Germánium je inertné voči kyseline chlorovodíkovej; ale je napadnutá kyselinou dusičnou a kyselinou sírovou. Aj keď hydroxidy vo vodnom roztoku majú malý vplyv na germánium, v roztavených hydroxidoch sa ľahko rozpúšťajú za vzniku geronátov.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Germanium a jeho väzby

Germanium má podľa svojej elektronickej konfigurácie štyri valenčné elektróny:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Ako uhlíka a kremíka a ich atómy Ge hybridizují ich 4s a 4p orbitály pre vytvorenie štyroch sp ³ hybridný orbitály . S týmito orbitálmi sa viažu, aby uspokojili valenčný oktet, a preto majú rovnaký počet elektrónov ako vzácny plyn rovnakého obdobia (kryptón).

Týmto spôsobom vznikajú kovalentné väzby Ge-Ge, ktoré majú štyri z nich pre každý atóm, sú definované štvorhedra (s jedným Ge v strede a ostatnými v vrcholoch). Teda trojrozmerná sieť sa vytvorí premiestnením týchto tetraedier pozdĺž kovalentného kryštálu; ktoré sa správajú, akoby to bola obrovská molekula.

allotropes

Kovalentný germánium kryštál má rovnakú kubickú štruktúru diamantu (a kremíka) zameranú na tvár. Tento allotrop je známy ako a-Ge. Ak sa tlak zvýši na 120 kbar (asi 118 000 atm), kryštalická štruktúra a-Ge sa stane tetragonálnym centrom zameraným na telo (BCT, pre jeho skratku v angličtine: tetragonal so zameraním na telo).

Tieto kryštály BCT zodpovedajú druhému alotrópu germánia: ß-Ge, kde sú väzby Ge-Ge prerušované a usporiadané izolovane, ako sa to deje s kovmi. Preto je a-Ge polokovový; zatiaľ čo p-Ge je kovový.

Oxidačné čísla

Germanium môže buď stratiť svoje štyri valenčné elektróny, alebo získať ďalšie štyri, aby sa stalo izoelektronickým s kryptónom.

Keď stráca elektróny vo svojich zlúčeninách, hovorí sa, že má kladné čísla alebo oxidačné stavy, v ktorých sa predpokladá existencia katiónov s rovnakými nábojmi, ako sú tieto čísla. Medzi nimi máme +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) a +4 (Ge ⁴⁺ ).

Napríklad nasledujúce zlúčeniny majú germánium s kladnými oxidačných čísel GEO (Gn ²⁺ O ^2- ), Gete (Ge ²⁺ Te ^2- ), Ge ₂ Cl ₆ (Gn ₂ ³⁺ Cl ₆ ^- ), GEO ₂ (Ge ⁴⁺ O ₂ ² ) a GES ₂ (Gn ⁴⁺ S ₂ ² ).

Zatiaľ čo v zlúčeninách získava elektróny, má záporné oxidačné čísla. Medzi nimi je najbežnejšia -4; to znamená, že existencia Ge ^4- predpokladá aniónu . V germanides sa to stane, a ako príklady ich máme Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ⁴ ) a Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ⁴ ).

Kde nájsť a získať

Sírne minerály

Vzorka minerálov argyroditu s nízkym výskytom, ale jedinečnou rudou na extrakciu germánia. Zdroj: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germánium je relatívne vzácnym prvkom zemskej kôry. Niekoľko minerály obsahujú značné množstvo nej, medzi ktorými možno uviesť: argyrodite (4AG ₂ S · GES ₂ ), Germania (7CuS · FeS · GES ₂ ), briartite (Cu ₂ FeGeS ₄ ), a renierite canfieldite.

Všetci majú niečo spoločné: sú to síra alebo sírne minerály. Z tohto dôvodu, germánia prevažuje v prírode (alebo aspoň na Zemi), ako GES ₂ a nie Geo ₂ (na rozdiel od jeho rozšírenom, SiO ₂ náprotivok , oxid kremičitý).

Okrem vyššie uvedených minerálov sa zistilo, že germánium sa nachádza tiež v hmotnostných koncentráciách 0,3% v ložiskách uhlíka. Podobne niektoré mikroorganizmy môžu spracovať na generovanie malé množstvo GEH ₂ (CH ₃ ) ₂ a GEH ₃ (CH ₃ ), ktorý skončí tým posunutý smerom riekach a moriach.

Germánium je vedľajší produkt pri spracovaní kovov ako je zinok a meď. Na jeho získanie musí podstúpiť rad chemických reakcií, aby znížila svoju síru na zodpovedajúci kov; to znamená odstrániť GeS ₂ jeho atómy síry, takže je to jednoducho Ge.

opečený

Sírne minerály podliehajú procesu praženia, pri ktorom sa zohrievajú spolu so vzduchom, aby došlo k oxidácii:

Ges ₂ + 3 O ₂ → Geo ₂ + 2 SO ₂

Na oddelenie germánia od zvyšku sa transformuje na príslušný chlorid, ktorý sa dá destilovať:

GEO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GEO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Ako je zrejmé, transformácia sa môže uskutočňovať pomocou kyseliny chlorovodíkovej alebo plynného chlóru. GeCl ₄ sa potom hydrolyzuje späť na geo ₂ , čím sa vyzráža vo forme špinavo bielej pevnej látky. Oxid nakoniec reaguje s vodíkom a redukuje na kovové germánium:

GEO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Zníženie, ktoré je možné vykonať aj s aktívnym uhlím:

GEO ₂ + C → Ge + CO ₂

Získané germánium pozostáva z prášku, ktorý sa formuje alebo stlačí do kovových tyčiniek, z ktorých sa môžu pestovať žiarivé germániové kryštály.

izotopy

Germánium nemá vysoko bohatý izotop. Namiesto toho má päť izotopov, ktorých početnosť je pomerne nízka: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) a ⁷⁶ Ge (7,75%). Uvedomte si, že atómová hmotnosť je 72,630 u, čo je priemer všetkých atómových hmotností s príslušným množstvom izotopov.

Izotop ⁷⁶ Ge je v skutočnosti rádioaktívny; ale jeho polčas rozpadu je taký dlhý (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ rokov), takže je prakticky jedným z piatich najstabilnejších izotopov germánia. Ostatné rádioizotopy, ako napríklad ⁶⁸ Ge a ⁷¹ Ge, obidve syntetické, majú kratší polčas (270,95 dní, resp. 11,3 dňa).

riziká

Elementárne a anorganické germánium

Environmentálne riziká pre germánium sú trochu kontroverzné. Šírenie jeho iónov z solí rozpustných vo vode, ktoré sú mierne ťažkými kovmi, by mohli spôsobiť poškodenie ekosystému; to znamená, že zvieratá a rastliny môžu byť ovplyvnené konzumáciou iónov Ge ³⁺ .

Elementárne germánium je bezpečné, pokiaľ nie je práškové. Ak je prach v prachu, môže ho prenášať do zdrojov tepla alebo vysoko oxidačných látok; a preto existuje riziko požiaru alebo výbuchu. Jeho kryštály tiež môžu skončiť v pľúcach alebo očiach a spôsobiť vážne podráždenie.

Osoba môže bezpečne manipulovať s nemeckým diskom vo svojej kancelárii bez obáv z akejkoľvek nehody. To isté sa však nedá povedať o anorganických zlúčeninách; to znamená jej soli, oxidy a hydridy. Napríklad, GEH ₄ alebo germánsky (analogické CH ₄ a SiH ₄ ), je pomerne dráždivý a horľavý plyn.

Organické germánium

Teraz existujú organické zdroje germánia; Medzi nimi možno uviesť 2-karboxyetylgermasquioxán alebo germánium-132, alternatívny doplnok, ktorý je známy na liečenie určitých ochorení; hoci s dôkazmi sú spochybnené.

Niektoré z liečivých účinkov, ktoré sa pripisujú germániu-132, sú na posilnenie imunitného systému, a tým na pomoc v boji proti rakovine, HIV a AIDS; reguluje funkcie tela a zlepšuje stupeň okysličenia v krvi, odstraňuje voľné radikály; a tiež lieči artritídu, glaukóm a srdcové choroby.

Organické germánium sa však spája so závažným poškodením obličiek, pečene a nervového systému. Preto pri konzumácii tohto doplnku germánia existuje latentné riziko; Aj keď existujú ľudia, ktorí to považujú za zázračný liek, sú aj iní, ktorí varujú, že to neposkytuje žiadne vedecky dokázané výhody.

aplikácia

Infračervená optika

Niektoré snímače infračerveného žiarenia sú vyrobené z germánia alebo jeho zliatin. Zdroj: Adafruit Industries cez Flickr.

Germánium je priehľadné pre infračervené žiarenie; to znamená, že ním môžu prechádzať bez toho, aby boli absorbované.

Vďaka tomu boli germaniové okuliare a šošovky vyrobené pre infračervené optické zariadenia; napríklad v spojení s infračerveným detektorom na spektroskopickú analýzu, v šošovkách používaných v ďalekohľadoch s ďalekým infračerveným žiarením na štúdium najvzdialenejších hviezd vo vesmíre alebo v senzoroch svetla a teploty.

Infračervené žiarenie je spojené s molekulárnymi vibráciami alebo zdrojmi tepla; takže zariadenia používané vo vojenskom priemysle na sledovanie cieľov nočného videnia majú komponenty vyrobené z germánia.

Polovodičový materiál

Germaniové diódy zapuzdrené v skle a používané v 60. a 70. rokoch Zdroj: Rolf Süssbrich

Germánium ako polovodičový metaloid sa používa na stavbu tranzistorov, elektrických obvodov, svetelných diód a mikročipov. V posledne menovanom prípade začali zliatiny germánia a kremíka, a dokonca aj germánium, nahrádzať kremík, takže je možné navrhnúť stále menšie a výkonnejšie obvody.

Jeho oxid GeO ₂ sa vďaka svojmu vysokému indexu lomu pridáva do pohárov, takže ich možno použiť v mikroskopii, širokouhlých objektívoch a optických vláknach.

Germánium nielen nahradil kremík v určitých elektronických aplikáciách, ale môže sa tiež spojiť s arzenidom gália (GaAs). Tento metaloid je teda tiež prítomný v solárnych paneloch.

katalyzátory

Geo ₂ bol použitý ako katalyzátor pre polymerizačnej reakcie; napríklad v plastovom materiáli potrebnom na syntézu polyetylén tereftalátu sa vyrábajú plasty, z ktorých sa vyrábajú lesklé fľaše predávané v Japonsku.

Podobne nanočastice ich zliatin platiny katalyzujú redoxné reakcie, pri ktorých dochádza k tvorbe plynného vodíka, čím sa tieto voltické bunky stanú účinnejšími.

zliatiny

Nakoniec bolo uvedené, že existujú zliatiny Ge-Si a Ge-Pt. Okrem toho sa jeho atómy Ge môžu pridávať do kryštálov iných kovov, ako je striebro, zlato, meď a berýlium. Tieto zliatiny vykazujú väčšiu ťažnosť a chemickú odolnosť ako ich jednotlivé kovy.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germánium. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Štruktúra kremíka a germánia. Získané z: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19. júla 2016). Je Germanium zázračným liekom? Healthline Media. Získané z: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Periodická tabuľka: germánium. Obnovené z: lenntech.com
6. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Germánium. PubChem Database. CID = 6326954. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Doug Stewart. (2019). Fakty z germánia. Chemicool. Získané z: chemicool.com
8. Emil Venere. (8. decembra 2014). Germanium sa vracia domov do Purdue na polovodičový medzník. Získané z: purdue.edu
9. Marques Miguel. (SF). Germánium. Získané z: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: environmentálny výskyt, význam a špekulácia. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x