GERMANIJ: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, PRIDOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2026

Germanij je metaloidni element prikazan s kemičnim simbolom Ge in pripada skupini 14 periodnega sistema. Najdemo ga pod silikonom in si z njim deli številne fizikalne in kemijske lastnosti; toliko, da je nekoč ime bilo Ekasilicio, ki ga je napovedal sam Dmitri Mendeleev.

Trenutno ime je dobil Clemens A. Winkler, v čast svoje domovine Nemčije. Torej je germanij povezan s to državo in je prva podoba, ki v mislih vzbudi tiste, ki tega ne poznajo dobro.

Ultra čist vzorec germanija. Vir: Hi-Res slike kemičnih elementov

Germanij, tako kot silicij, je sestavljen iz kovalentnih kristalov tridimenzionalnih tetraedrskih rešetk z Ge-Ge vezmi. Prav tako ga lahko najdemo v monokristalni obliki, v kateri so njegova zrna velika, ali polikristalna, sestavljena iz stotih majhnih kristalov.

To je polprevodniški element pri zunanjem tlaku, ko pa se dvigne nad 120 kbar, postane kovinski alotrop; to pomeni, da se verjetno Ge-Ge vezi pretrgajo in so razporejene posamično zavite v morje svojih elektronov.

Velja za nestrupen element, saj je z njim mogoče ravnati brez kakršnih koli zaščitnih oblačil; čeprav lahko njegovo vdihavanje in čezmerni vnos pri posameznih povzroči klasične simptome draženja. Njegov parni tlak je zelo nizek, zato njegov dim verjetno ne bo povzročil požara.

Vendar so anorganski (soli) in organski germaniji lahko nevarni za telo, kljub temu, da njihovi Ge-atomi na skrivnosten način sodelujejo z biološkimi matricami.

Ni res znano, ali lahko organski germanij velja za čudežno zdravilo za zdravljenje določenih motenj kot alternativno zdravilo. Vendar znanstvene študije teh trditev ne podpirajo, ampak jih zavračajo in ta element označujejo celo kot rakotvornega.

Germanij ni le polprevodnik, ki spremlja silicij, selen, galij in celo vrsto elementov v svetu polprevodniških materialov in njihovih aplikacij; Je tudi pregleden za infrardeče sevanje, zato je uporaben za izdelavo detektorjev toplote iz različnih virov ali regij.

Zgodovina

Mendelejev napovedi

Germanij je bil eden izmed elementov, katerega obstoj je leta 1869 v svoji periodični tabeli napovedal ruski kemik Dmitri Mendeleev. Začasno ga je poimenoval ekasilicon in ga namestil v prostor na periodični tabeli med kositrom in silicijem.

Leta 1886 je Clemens A. Winkler odkril germanij v vzorcu minerala iz rudnika srebra v bližini Freiberga na Saškem. To je bil mineral, imenovan argyrodit, zaradi visoke vsebnosti srebra in odkrit šele leta 1885.

Vzorec argyrodita je vseboval 73-75% srebra, 17-18% žvepla, 0,2% živega srebra in 6-7% novega elementa, ki ga je Winkler pozneje poimenoval germanij.

Mendeleev je predvideval, da mora biti gostota elementa, ki ga je treba odkriti, 5,5 g / cm ^3, njegova atomska teža pa okoli 70. Izkazalo se je, da so njegove napovedi precej blizu tistim iz germanija.

Osamitev in ime

Leta 1886 je Winklerju lahko izoliral novo kovino in ugotovil, da je podobna antimonu, vendar je premislil in spoznal, da element, ki ga je odkril, ustreza ekasiliconu.

Winkler je element imenoval „germanium“, ki izvira iz latinske besede „germania“, besede, ki so jo uporabljali za opisovanje Nemčije. Zaradi tega je Winkler novi element poimenoval germanij, po svoji rodni Nemčiji.

Določitev njegovih lastnosti

Leta 1887 je Winkler določil kemijske lastnosti germanija, tako da je z analizo čistega germanijevega tetraklorida (GeCl ₄ ) ugotovil atomsko maso 72,32 .

Medtem je Lecoq de Boisbaudran določil atomsko maso 72,3 s preučevanjem spektra spektra. Winkler je iz germanija pripravil več novih spojin, vključno s fluoridi, kloridi, sulfidi in dioksidi.

V dvajsetih letih prejšnjega stoletja so raziskave električnih lastnosti germanija pripeljale do razvoja monokristalnega germanija visoke čistosti.

Ta razvoj je med drugo svetovno vojno omogočil uporabo germanija v diodah, usmernikih in mikrovalovnih radarskih sprejemnikih.

Razvoj vaših aplikacij

Prva industrijska uporaba je prišla po vojni leta 1947, z izumom germanijskih tranzistorjev John Bardeen, Walter Brattain in William Shockley, ki so bili uporabljeni v komunikacijski opremi, računalnikih in prenosnih radijih.

Leta 1954 so silicijski tranzistorji visoke čistosti začeli izpodrivati ​​germanijeve tranzistorje zaradi elektronskih prednosti, ki so jih imeli. In do šestdesetih let so germanijevi tranzistorji praktično izginili.

Germanij se je izkazal za ključno sestavino pri izdelavi infrardečih (IR) leč in oken. V 70. letih prejšnjega stoletja so bile izdelane voltaične celice silicijevega germanija (SiGe) (PVC), ki ostajajo kritične za satelitske operacije.

V devetdesetih letih sta razvoj in širitev optičnih vlaken povečala povpraševanje po germaniju. Element se uporablja za oblikovanje steklenega jedra iz optičnih kablov.

Od leta 2000 so visoko učinkoviti PVC-ji in svetleče diode (LED), ki uporabljajo germanij, povzročili povečanje proizvodnje in porabe germanija.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Videz

Srebrno bele in sijoče. Kadar je njena trdna snov sestavljena iz številnih kristalov (polikristalnih), ima luskasto ali nagubano površino, polno podtonov in senc. Včasih se lahko zdi celo sivkasto ali črno kot silicij.

V standardnih pogojih je polkovinski element, krhek in kovinski lesk.

Germanij je polprevodnik, ni zelo duktil. Ima visok indeks loma za vidno svetlobo, pregleden pa je za infrardeče sevanje, ki se uporablja v oknih opreme za zaznavanje in merjenje teh sevanj.

Standardna atomska teža

72,63 u

Atomska številka (Z)

32

Tališče

938,25 ° C

Vrelišče

2.833 ºC

Gostota

Pri sobni temperaturi: 5.323 g / cm ³

Na tališče (tekočina): 5,60 g / cm ³

Germanij se, podobno kot silicij, galij, bizmut, antimon in voda, širi, ko se strdi. Zaradi tega je njegova gostota večja v tekočem stanju kot v trdnem stanju.

Vročina fuzije

36,94 kJ / mol

Toplota izparevanja

334 kJ / mol

Molarna kalorična zmogljivost

23.222 J / (mol K)

Parni tlak

Pri temperaturi 1.644 K njegov parni tlak znaša le 1 Pa, kar pomeni, da njegova tekočina pri tej temperaturi ne odda skoraj nobenih hlapov, zato ne pomeni nevarnosti vdihavanja.

Elektronegativnost

2.01 po Paulingovi lestvici

Ionizacijske energije

-Prvi: 762 kJ / mol

-Sekunda: 1.537 kJ / mol

-Tretje: 3.302,1 kJ / mol

Toplotna prevodnost

60,2 W / (m K)

Električni upor

1 Ωm pri 20 ºC

Električna prevodnost

3S cm ^-1

Magnetni red

Diamagnetno

Trdota

6,0 po Mohsovi lestvici

Stabilnost

Sorazmerno stabilen. Pri zraku pri sobni temperaturi ne vpliva zrak in oksidira pri temperaturah nad 600 ° C.

Površinska napetost

6 10 ^-1 N / m pri 1.673,1 K

Reaktivnost

Pri temperaturi nad 600 ° C oksidira in tvori germanij dioksid (GeO ₂ ). Germanij proizvaja dve obliki oksidov: germanij dioksid (GeO ₂ ) in germanijev monoksid (GeO).

Germanijeve spojine ponavadi kažejo +4 oksidacijsko stanje, čeprav se v mnogih spojinah germanij pojavi z +2 oksidacijskim stanjem. Oksidacijsko stanje - 4 se pojavlja na primer v magnezijevem germanidu (Mg ₂ Ge).

Germanij reagira s halogeni in tvori tetrahalide: germanijev tetrafluorid (GeF ₄ ), plinasto spojino; germanij tetraiodid (GeI ₄ ), trdna spojina; germanijev tetraklorid (GeCl ₄ ) in germanijev tetrabromid (GeBr ₄ ), obe tekoči spojini.

Germanij je inerten do klorovodikove kisline; vendar ga napadata dušikova kislina in žveplova kislina. Čeprav hidroksidi v vodni raztopini slabo vplivajo na germanij, se zlahka raztopijo v staljenih hidroksidih in tvorijo geronete.

Struktura in elektronska konfiguracija

Germanij in njegove vezi

Germanij ima glede na svojo elektronsko konfiguracijo štiri valenčne elektrone:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Tako kot ogljik in silicij tudi njihovi Ge atomi hibridizirajo svojo 4s in 4p orbitalo, tako da tvorijo štiri hibridne orbitale sp ³ . S temi orbitali se vežejo, da zadovoljijo valenčni oktet in imajo posledično enako število elektronov kot žlahtni plin istega obdobja (kripton).

Na ta način nastanejo kovalentne vezi Ge-Ge, ki imajo štiri atome za vsak atom, okoliške tetraedre so definirane (z enim Ge v središču in drugim v konicah). Tako se s premikom teh tetraedrov vzdolž kovalentnega kristala vzpostavi tridimenzionalna mreža; ki se obnaša, kot da je ogromna molekula.

Alotropi

Kovalentni kristali germanija prevzamejo enaka obrazno usmerjena kubična struktura diamanta (in silicija). Ta alotrop je znan kot α-Ge. Če se tlak poveča na 120 kbar (približno 118.000 atm), kristalna struktura α-Ge postane tetragonalna v telesu (BCT, v angleščini kratica: Body-centered tetragonal).

Ti kristali BCT ustrezajo drugemu atrotropu germanija: β-Ge, kjer se vezi Ge-Ge pretrgajo in razporedijo izolirano, kot se zgodi s kovinami. Tako je α-Ge polkovinski; medtem ko je β-Ge kovinski.

Oksidacijske številke

Germanij lahko izgubi svoje štiri valenčne elektrone ali pridobi še štiri, da postanejo krieleton izoelektronski.

Ko izgubi elektrone v svojih spojinah, naj bi imelo število ali pozitivna oksidacijska stanja, v katerih domneva obstoj kationov z enakimi naboji kot ta števila. Med njimi imamo +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) in +4 (Ge ⁴⁺ ).

Na primer, naslednje spojine imajo germanij s pozitivno oksidacijsko številko: GeO (Ge ²⁺ O ^2- ), GeTe (Ge ²⁺ Te ^2- ), Ge ₂ Cl ₆ (Ge ₂ ³⁺ Cl ₆ ^- ), GeO ₂ (Ge ⁴⁺ O ₂ ^2- ) in GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Medtem ko v svojih spojinah pridobi elektrone, ima negativne oksidacijske številke. Med njimi je najpogostejša -4; to pomeni, da se domneva obstoj Ge ^4- aniona . Pri germanidih se to dogaja in kot primere zanje imamo Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) in Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Kje najti in pridobiti

Žveplovi minerali

Argyroditin mineralni vzorec z majhno količino, vendar edinstvena ruda za pridobivanje germanija. Vir: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanij je relativno redek element v zemeljski skorji. Malo mineralov vsebuje precejšnjo količino le-tega, med njimi lahko omenimo: argyrodit (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanit (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartit (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renierit in canfieldit.

Vsi imajo nekaj skupnega: gre za žveplo ali žveplove minerale. Zato germanij prevladuje v naravi (ali vsaj tukaj na Zemlji), kot GeS ₂ in ne GeO ₂ (v nasprotju s široko razširjenim SiO _{2 proti} silicijevim dioksidom).

Poleg zgoraj omenjenih mineralov je bilo ugotovljeno, da je germanij v masnih koncentracijah ogljika v masnih koncentracijah 0,3%. Podobno lahko nekatere mikroorganizme obdelati za ustvarjanje majhne količine GEH ₂ (CH ₃ ) ₂ in GEH ₃ (CH ₃ ), ki se potem premakne proti rek in morij.

Germanij je stranski proizvod predelave kovin, kot sta cink in baker. Za pridobitev mora opraviti vrsto kemijskih reakcij, da se žveplo zmanjša na ustrezno kovino; to je, da odstranimo GeS ₂ njegove žveplove atome, tako da je preprosto Ge.

Toasted

Žveplovi minerali so praženi, pri čemer se segrejejo skupaj z zrakom, da pride do oksidacij:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Za ločitev germanija od ostanka se pretvori v ustrezen klorid, ki ga lahko destiliramo:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + ₂ H20

Geo ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Kot je razvidno, lahko transformacijo izvedemo s klorovodikovo kislino ali klorovim plinom. GeCl ₄ se nato hidrolizira nazaj v GeO ₂ , pri čemer se obori kot bela trdna snov. Končno oksid reagira z vodikom in tako zmanjša kovinski germanij:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Zmanjšanje, ki ga je mogoče storiti tudi z ogljem:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Dobljeni germanij je sestavljen iz prahu, ki ga vlivajo ali zataknejo v kovinske palice, iz katerih se lahko gojijo sijoči kristali germanija.

Izotopi

Germanij v naravi nima nobenega zelo obilnega izotopa. Namesto tega ima pet izotopov, katerih številčnost je sorazmerno majhna: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) in ⁷⁶ Ge (7,75%). Upoštevajte, da je atomska teža 72.630 u, kar v povprečju predstavlja vse atomske mase z ustreznimi številčnostmi izotopov.

Izotop ⁷⁶ Ge je dejansko radioaktiven; vendar je njegova razpolovna doba tako dolga (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ let), da je praktično med petimi najbolj stabilnimi izotopi germanija. Drugi radioizotopi, kot sta ⁶⁸ Ge in ⁷¹ Ge, oba sintetična, imata krajši razpolovni čas (270,95 dni oziroma 11,3 dni).

Tveganja

Elementarni in anorganski germanij

Okoljska tveganja za germanij so nekoliko sporna. Zaradi rahle težke kovine bi lahko širjenje njegovih ionov iz vodotopnih soli povzročilo škodo ekosistemu; torej na živali in rastline lahko vplivamo z uživanjem Ge ³⁺ ionov .

Elementarni germanij je varen, dokler ni v prahu. Če je v prahu, lahko tok zraka odnese do virov toplote ali močno oksidirajočih snovi; posledično obstaja nevarnost požara ali eksplozije. Prav tako se lahko njegovi kristali končajo v pljučih ali očeh, kar povzroči hudo draženje.

Oseba lahko varno ravna z germanijskim diskom v svoji pisarni, ne da bi skrbela za kakšno nesrečo. Vendar pa tega ne moremo reči za njegove anorganske spojine; torej njene soli, oksidi in hidridi. Na primer, GeH ₄ ali germanska (analogna CH ₄ in SiH ₄ ) je precej dražljiv in vnetljiv plin.

Organski germanij

Zdaj obstajajo organski viri germanija; Med njimi je mogoče omeniti 2-karboksietilgermaskioksan ali germanij-132, alternativno dopolnilo, ki je znano za zdravljenje nekaterih bolezni; čeprav z dokazi dvomi.

Nekateri zdravilni učinki, ki jih pripisujemo germaniju-132, je krepitev imunskega sistema in tako pomaga v boju proti raku, virusu HIV in aidsu; uravnava funkcije telesa, pa tudi izboljša stopnjo oksigenacije v krvi, odpravlja proste radikale; zdravi pa tudi artritis, glavkom in bolezni srca.

Vendar pa je organski germanij povezan z resnimi poškodbami ledvic, jeter in živčnega sistema. Zato obstaja latentno tveganje, ko gre za uživanje tega dodatka germanija; No, čeprav obstajajo tisti, ki menijo, da je čudežno zdravilo, obstajajo tudi drugi, ki opozarjajo, da ne ponuja nobene znanstveno dokazane koristi.

Prijave

Infrardeča optika

Nekateri senzorji infrardečega sevanja so izdelani iz germanija ali njegovih zlitin. Vir: Adafruit Industries prek Flickr.

Germanij je pregleden do infrardečega sevanja; to pomeni, da lahko skozi to preidejo, ne da bi se absorbirali.

Zahvaljujoč temu so za infrardeče optične naprave zgrajena germanijeva očala in leče; na primer, skupaj z IR detektorjem za spektroskopsko analizo, v objektivih, ki se uporabljajo v daljinsko infrardečih vesoljskih teleskopih za preučevanje najbolj oddaljenih zvezd vesolja, ali v senzorjih svetlobe in temperature.

Infrardeče sevanje je povezano z molekularnimi vibracijami ali toplotnimi viri; zato imajo naprave v vojaški industriji za ogled ciljev nočnega vida sestavne dele iz germanija.

Polprevodniški material

Germanijeve diode, kapsulirane v steklu in uporabljene v 60. in 70. letih Vir: Rolf Süssbrich

Germanij kot polprevodniški metaloid je bil uporabljen za gradnjo tranzistorjev, električnih vezij, svetlečih diod in mikročipov. V slednjem so germanij-silicijeve zlitine in celo germanij že same po sebi začele nadomeščati silicij, tako da se lahko oblikujejo vedno manjši in močnejši tokokrogi.

Njegov oksid, GeO ₂ , zaradi visokega indeksa lomnosti dodaja kozarcem, da jih lahko uporabimo pri mikroskopiji, širokokotnih ciljih in optičnih vlaken.

Germanij ni samo nadomestil silicij v nekaterih elektronskih aplikacijah, ampak ga je mogoče povezati tudi z arzijedom galija (GaAs). Tako je ta metaloid prisoten tudi v sončnih panelih.

Katalizatorji

GeO ₂ se uporablja kot katalizator za reakcije polimerizacije; na primer v tistem, ki je potreben za sintezo polietilen tereftalata, plastiko, iz katere izdelujejo sijoče steklenice, ki se prodaja na Japonskem.

Prav tako nanodelci njihovih platinskih katalizatorjev katalizirajo redoks reakcije, pri katerih gre za tvorbo vodikovega plina, zaradi česar so te voltajske celice učinkovitejše.

Zlitine

Nazadnje je bilo omenjeno, da obstajajo zlitine Ge-Si in Ge-Pt. Poleg tega se lahko njeni atomi Ge dodajo kristalom drugih kovin, kot so srebro, zlato, baker in berilij. Te zlitine kažejo večjo duktilnost in kemično odpornost kot njihove posamezne kovine.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedija. (2019). Germanij. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Kristalna struktura silicija in germanija. Pridobljeno: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19. julij 2016). Je Germanij čudežno zdravilo? Healthline Media. Pridobljeno: zdravjeline.com
5. Lenntech BV (2019). Periodična tabela: germanij. Pridobljeno: lenntech.com
6. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Germanij. Baza podatkov PubChem. CID = 6326954. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Dejstva o elementu Germanij. Kemikool. Pridobljeno: chemicool.com
8. Emil Venere. (8. december 2014). Germanium pride domov v Purdue zaradi polprevodniškega mejnika. Pridobljeno: purdue.edu
9. Marques Miguel. (sf). Germanij. Pridobljeno iz: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environment Sci Biotechnol. (2009). Germanij: pojav v okolju, pomen in specifikacija. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x