GERMANIUM: HISTORIA, OMINAISUUDET, RAKENNE, HANKINTA, KÄYTTÖ - KEMIA - 2025

Germanium on metalloidi elementti edustaa kemiallinen merkki Ge ja ryhmään kuuluvat 14 jaksollisen. Se on piin alapuolella, ja sillä on sen kanssa fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksistaan ​​monia; niin paljon, että kerran sen nimi oli Ekasilicio, Dmitri Mendelejev itse ennustaa.

Sen nykyisen nimen antoi Clemens A. Winkler kotimaansa Saksan kunniaksi. Siksi germanium on yhteydessä tähän maahan, ja se on ensimmäinen kuva, joka herättää mielessä niitä, jotka eivät tiedä sitä hyvin.

Erittäin puhdas germaniumnäyte. Lähde: Hi-Res-kuvat kemiallisista elementeistä

Germaanium koostuu piin tavoin kolmiulotteisten tetraedristen hilan kovalenttisista kiteistä, joissa on Ge-Ge-sidokset. Samoin sitä voidaan löytää monokiteisessä muodossa, jossa sen jyvät ovat suuria, tai monikiteisessä muodossa, joka koostuu sadoista pienistä kiteistä.

Se on ympäristön paineessa oleva puolijohde-elementti, mutta kun se nousee yli 120 kbar, siitä tulee metallinen allotrooppi; toisin sanoen mahdollisesti Ge-Ge-sidokset rikkoutuvat ja ne on järjestetty erikseen käärittynä elektroniensa mereen.

Sitä pidetään myrkyttömänä elementtinä, koska sitä voidaan käsitellä ilman minkäänlaista suojavaatetusta; vaikka sen hengittäminen ja liiallinen nauttiminen voivat johtaa klassisiin ärsytyksen oireisiin yksilöillä. Sen höyrynpaine on erittäin alhainen, joten sen savu ei todennäköisesti aiheuta tulipaloa.

Epäorgaaniset (suolat) ja orgaaniset germaniumit voivat kuitenkin olla vaarallisia keholle huolimatta siitä, että niiden Ge-atomit ovat vuorovaikutuksessa salaperäisellä tavalla biologisten matriisien kanssa.

Ei oikeastaan ​​tiedetä voidaanko orgaanista germaniumia pitää ihmelääkkeenä tiettyjen häiriöiden hoidossa vaihtoehtoisena lääketieteenä. Tieteelliset tutkimukset eivät kuitenkaan tue näitä väitteitä, vaan hylkäävät ne ja merkitsevät tämän elementin jopa syöpää aiheuttaviksi.

Germaanium ei ole vain puolijohde, joka seuraa piitä, seleeniä, galliumia ja kokonaista sarjaa elementtejä puolijohdemateriaalien ja niiden sovellusten maailmassa; Se on myös läpinäkyvä infrapunasäteilylle, mikä tekee siitä hyödyllisen lämpölämpöilmaisimien valmistuksessa eri lähteistä tai alueilta.

Historia

Mendelejevin ennusteet

Germanium oli yksi niistä elementeistä, joiden olemassaolon ennusti vuonna 1869 venäläinen kemisti Dmitri Mendeleev jaksollisessa taulukossaan. Hän kutsui sitä väliaikaisesti ekasiliconiksi ja asetti sen jaksotaulun tilaan tinan ja piin välille.

Vuonna 1886 Clemens A. Winkler löysi germaniumin mineraalinäytteestä hopeakaivoksesta lähellä Freibergia, Saksi. Se oli mineraaliksi nimeltään argyrodite johtuen korkeasta hopeapitoisuudestaan, ja se löydettiin vasta äskettäin vuonna 1885.

Argyrodiittinäyte sisälsi 73-75% hopeaa, 17-18% rikkiä, 0,2% elohopeaa ja 6 - 7% uutta alkuainetta, jonka Winkler myöhemmin nimitti germaniumiksi.

Mendelejev oli ennustanut, että löydettävän alkuaineen tiheyden tulisi olla 5,5 g / cm ³ ja sen atomipaino noin 70. Hänen ennusteidensa osoittautui olevan melko lähellä germaniumin.

Eristäminen ja nimi

Vuonna 1886 Winkler pystyi eristämään uuden metallin ja havaitsi sen olevan samanlainen kuin antimoni, mutta hän harkitsi uudelleen ja huomasi löytämänsä elementin vastaavan ekasiliconia.

Winkler nimitti alkuaineeksi 'germanium', joka oli peräisin latinalaisesta sanasta 'germania', sana, jota he käyttivät kuvaamaan Saksaa. Tästä syystä Winkler nimitti uuden elementin germaniumiksi kotimaisensa Saksan jälkeen.

Sen ominaisuuksien määrittäminen

Vuonna 1887, Winkler määritetään kemialliset ominaisuudet germanium, löytää atomipaino 72,32 analysoimalla puhdasta germaniumia tetrakloridia (GeCl ₄).

Samaan aikaan Lecoq de Boisbaudran päätteli atomipainon 72,3 tutkimalla elementin kipinöspektriä. Winkler valmisti germaniumista useita uusia yhdisteitä, mukaan lukien fluoridit, kloridit, sulfidit ja dioksidit.

1920-luvulla germaniumin sähköisten ominaisuuksien tutkimukset johtivat erittäin puhtaan monokiteisen germaniumin kehittämiseen.

Tämä kehitys mahdollisti germaniumin käytön diodeissa, tasasuuntaajissa ja mikroaaltotutkavastaanottimissa toisen maailmansodan aikana.

Sovellustesi kehittäminen

Ensimmäinen teollisuussovellus tuli sodan jälkeen vuonna 1947, kun John Bardeen, Walter Brattain ja William Shockley keksivät germaniumtransistorit, joita käytettiin viestintälaitteissa, tietokoneissa ja kannettavissa radioissa.

Vuonna 1954 korkealaatuiset piitransistorit alkoivat syrjäyttää germaniumtransistoreita niillä olevien elektronisten etujen takia. Ja 1960-luvulle mennessä germaniumtransistorit olivat käytännössä kadonneet.

Germanium osoittautui avaintekijäksi infrapuna (IR) -linssien ja ikkunoiden valmistuksessa. 1970-luvulla tuotettiin pi germanium (SiGe) voltaic cell (PVC), jotka ovat edelleen kriittisiä satelliittitoimintojen kannalta.

1990-luvulla kuituoptiikan kehitys ja laajeneminen lisäsivät germaniumin kysyntää. Elementtiä käytetään kuituoptisten kaapeleiden lasisydämen muodostamiseen.

Vuodesta 2000 alkaen germaniumia käyttävät tehokkaat PVC: t ja valoa emittoivat diodit (LEDit) johtivat germaniumin tuotannon ja kulutuksen lisääntymiseen.

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Ulkomuoto

Hopeanhohtoinen valkoinen ja kiiltävä. Kun kiinteä aine koostuu monista kiteistä (monikiteinen), siinä on hilseilevä tai ryppyinen pinta, täynnä yläääniä ja varjoja. Joskus se voi näyttää jopa harmahtavalta tai mustalta kuin pii.

Vakio-olosuhteissa se on puolimetallinen elementti, hauras ja metalli kiilto.

Germaanium on puolijohde, ei kovin taipuisa. Sillä on korkea näkyvän valon taitekerroin, mutta se on läpinäkyvä infrapunasäteilylle, ja sitä käytetään laiteikkunoissa tämän säteilyn havaitsemiseksi ja mittaamiseksi.

Vakio atomipaino

72,63 u

Atominumero (Z)

32

Sulamispiste

938,25 ° C

Kiehumispiste

2833 ° C

Tiheys

Huoneen lämpötilassa: 5,323 g / cm ³

On sulamispiste (neste): 5,60 g / cm ³

Germaanium, kuten pii, gallium, vismutti, antimoni ja vesi, laajenee, kun se jähmettyy. Tästä syystä sen tiheys on suurempi nestemäisessä tilassa kuin kiinteässä tilassa.

Fuusion lämpö

36,94 kJ / mol

Höyrystymislämpö

334 kJ / mol

Kaloriarvo

23,222 J / (mol K)

Höyrynpaine

1644 K: n lämpötilassa sen höyrynpaine on vain 1 Pa. Tämä tarkoittaa, että sen neste emittoi tuskin yhtään höyryä tässä lämpötilassa, joten se ei merkitse hengitysvaaraa.

elektronegatiivisuus

2.01 Paulingin asteikolla

Ionisaatioenergiat

- Ensin: 762 kJ / mol

-Toinen: 1 537 kJ / mol

- Kolmas: 3 302,1 kJ / mol

Lämmönjohtokyky

60,2 W / (mK)

Sähkövastus

1 atm lämpötilassa 20 ºC

Sähkönjohtavuus

3S cm- ¹

Magneettinen järjestys

diamagneettisesta

Kovuus

6,0 Mohsin asteikolla

pysyvyys

Suhteellisen vakaa. Huoneenlämpöinen ilma ei vaikuta siihen ja hapettuu yli 600ºC lämpötiloissa.

Pintajännitys

6 10 - ¹ N / m 1 673,1 K: ssa

reaktiivisuus

Se hapettuu yli 600 ºC: n lämpötiloissa muodostaen germaniumdioksidia (GeO ₂). Germaanium tuottaa kahta muotoa oksideja: germaniumdioksidia (GeO ₂) ja germaniummonoksidia (GeO).

Germaaniumyhdisteillä on yleensä +4 hapetustila, vaikka monissa yhdisteissä germanium tapahtuu +2 hapetustilassa. Hapetustila - 4 esiintyy esimerkiksi magnesiumgermanidissa (Mg ₂ Ge).

Germanium reagoi halogee- muodossa tetrahalogenidit: germanium dista (GEF ₄), kaasumaisen yhdisteen; germanium tetrajodidi (gei ₄), kiinteä yhdiste; germanium tetrakloridia (GeCl ₄) ja germanium bromidin (Gebr ₄), sekä nestemäiset yhdisteet.

Germaanium on inertti suolahappoa vastaan; mutta typpihappo ja rikkihappo hyökkäävät siihen. Vaikka vesiliuoksessa olevilla hydroksidilla on vain vähän vaikutusta germaniumiin, se liukenee helposti sulaan hydroksidiin muodostaen geronaatteja.

Rakenne ja elektroninen kokoonpano

Germaanium ja sen sidokset

Germaaniumissa on neljä valenssielektronia sen elektronisen kokoonpanon mukaan:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Kuten hiili ja pii, niiden Ge-atomit hybridisoivat 4s ja 4p kiertoradallaansa muodostaen neljä sp ³ hybridirataa. Näillä kiertoradalla ne sitoutuvat tyydyttämään valenssikehikon ja siten, että niillä on sama määrä elektronia kuin saman ajanjakson jalokaasulla (krypton).

Tällä tavalla syntyy kovalenttisia Ge-Ge-sidoksia, ja koska niitä on neljä jokaiselle atomille, määritetään ympäröivät tetraedrat (yhden Ge: n ollessa keskellä ja muiden kärkien kohdalla). Siten kolmiulotteinen verkko muodostetaan siirtämällä nämä tetraedreita pitkin kovalenttia kideä; joka käyttäytyy ikään kuin se olisi valtava molekyyli.

allotropes

Kovalenttisella germaniumkiteellä on sama timantin (ja piin) kasvopohjainen kuutiorakenne. Tämä allotrooppi tunnetaan nimellä α-Ge. Jos paine nousee 120 kbar: iin (noin 118 000 atm), α-Ge: n kiderakenne muuttuu kehonkeskeiseksi tetragonaaliksi (BCT, sen lyhennettä varten englanniksi: Body-centered tetragonal).

Nämä BCT-kiteet vastaavat germaniumin toista allotrooppia: β-Ge, jossa Ge-Ge-sidokset ovat hajonneet ja järjestetty eristyksessä, kuten metallien kanssa tapahtuu. Siten a-Ge on puolimetallinen; kun taas p-Ge on metalli.

Hapetusnumerot

Germaanium voi joko menettää neljä valenssielektroniaan tai saada lisää neljä enemmän tullakseen isoelektroniseksi kriptonin kanssa.

Kun se menettää elektroneja yhdisteissään, sen sanotaan olevan positiivisilla lukuilla tai hapetustiloilla, joissa oletetaan, että on olemassa kationeja, joilla on samat varaukset kuin nämä luvut. Näiden joukossa meillä on +2 (Ge ²⁺), +3 (Ge ³⁺) ja +4 (Ge ⁴⁺).

Esimerkiksi seuraavat yhdisteet ovat germanium positiivinen hapetusluvut: GeO (Ge ²⁺ O ^2-), GETE (Ge ²⁺ Te ^2-), Ge ₂: lla ₆ (Ge ₂ ³⁺: lla ₆ ^-), GeO ₂ (Ge ^{4 +} O ₂ ²) ja GeS ₂ (Ge ^{4 +} S ₂ ²).

Kun taas se saavuttaa elektroneja yhdisteissään, sillä on negatiiviset hapetusluvut. Niistä yleisin on -4; että on olemassaolo Ge ^4- anioni on oletettu. Germanideissa tämä tapahtuu, ja esimerkkeinä niistä meillä on Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4-) ja Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4-).

Mistä löytää ja saada

Rikkipitoiset mineraalit

Argyrodite-mineraalinäyte, vähän runsasta, mutta ainutlaatuinen malmi germaniumin uuttamiseen. Lähde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germaanium on suhteellisen harvinainen elementti maakuoressa. Harvat mineraaleja sisältävät huomattavan määrän siitä, joista voidaan mainita: argyrodite (4Ag ₂ S · GES ₂), germanite (7CuS · FeS · GES ₂), briartite (Cu ₂ FeGeS ₄), renierite ja canfieldite.

Heillä kaikilla on jotain yhteistä: ne ovat rikkiä tai rikkipitoisia mineraaleja. Näin ollen, germanium vallitseva luonnossa (tai ainakin täällä maan päällä), kuten GES ₂ ja ei GeO ₂ (toisin kuin sen laajalle levinnyt SiO ₂ vastine, piidioksidi).

Edellä mainittujen mineraalien lisäksi germaniumin on todettu olevan myös 0,3%: n massapitoisuuksina hiilivarastoissa. Samoin, jotkut mikro-organismit voivat käsitellä sitä tuottaa pieniä määriä geh ₂ (CH ₃) ₂ ja geh ₃ (CH ₃), joka lopulta siirtymään kohti jokien ja merien.

Germaanium on sivutuote metallien, kuten sinkin ja kuparin, prosessoinnissa. Sen saamiseksi se on läpikäynyt kemiallisten reaktioiden sarjan rikkinsa pelkistämiseksi vastaavaksi metalliksi; joka on, poistaa GES ₂ sen rikkiatomia niin, että se on yksinkertaisesti Ge.

Paahdettu

Rikkimineraalit käyvät läpi paahtomenetelmän, jossa ne lämmitetään yhdessä ilman kanssa hapettumisten tapahtumiseksi:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Germanium erotetaan jäännöksestä, se muunnetaan vastaavaksi kloridiksi, joka voidaan tislata:

GeO ₂ + 4 HCl: lla → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Kuten voidaan nähdä, muuntaminen voidaan suorittaa käyttämällä suolahappoa tai kloorikaasua. GeCl ₄ hydrolysoidaan sitten takaisin GeO ₂, jolloin se saostuu kiinteänä aineena. Lopuksi, oksidi reagoi vedyn kanssa pelkistämällä metalliseksi germaniumiksi:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Vähennys, joka voidaan tehdä myös puuhiilellä:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Saatu germanium koostuu jauheesta, joka on muovattu tai muokattu metallitankoiksi, josta voidaan kasvattaa säteileviä germaniumkiteitä.

isotoopit

Germaaniumilla ei ole luonnossa mitään erityisen runsasta isotooppia. Sen sijaan siinä on viisi isotooppia, joiden esiintyvyys on suhteellisen pieni: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) ja ⁷⁶ Ge (7,75%). Huomaa, että atomipaino on 72 630 u, mikä keskittää kaikki atomimassat vastaaviin isotooppien määriin.

⁷⁶ Ge -isotooppi on todella radioaktiivinen; mutta sen puoliintumisaika on niin pitkä (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ vuotta), että se on käytännössä germaniumin viiden vakaimman isotoopin joukossa. Muilla radioisotoopeilla, kuten ⁶⁸ Ge ja ⁷¹ Ge, molemmilla synteettisillä, on lyhyempi puoliintumisaika (vastaavasti 270,95 päivää ja 11,3 päivää).

riskit

Alkuperäinen ja epäorgaaninen germanium

Germaniumin ympäristöriskit ovat hiukan kiistanalaiset. Koska se on hiukan raskas metalli, sen ionien eteneminen vesiliukoisista suoloista voi vahingoittaa ekosysteemiä; toisin sanoen, ge ³⁺ -ionien kulutus voi vaikuttaa eläimiin ja kasveihin.

Alkuperäinen germanium on turvallinen niin kauan kuin sitä ei jauheta. Jos se on pölyssä, ilmavirta voi viedä sen lämmön tai voimakkaasti hapettavien aineiden lähteisiin; ja tästä johtuen on olemassa tulipalo- tai räjähdysvaara. Lisäksi sen kiteet voivat päästä keuhkoihin tai silmiin, aiheuttaen voimakkaita ärsytyksiä.

Henkilö voi turvallisesti käsitellä germaniumlevyä toimistossaan huolehtimatta onnettomuuksista. Tätä ei kuitenkaan voida sanoa sen epäorgaanisista yhdisteistä; eli sen suolat, oksidit ja hydridit. Esimerkiksi, geh ₄ tai germaaninen (analoginen CH ₄ ja SiH ₄), on melko ärsyttäviä ja helposti syttyvä kaasu.

Orgaaninen germanium

Nyt germaniumista on orgaanisia lähteitä; Niistä voidaan mainita 2-karboksietyyligermaskioksaani tai germanium-132, vaihtoehtoinen lisäravinne, jonka tiedetään hoitavan tiettyjä vaivoja; tosin todisteiden kanssa kyseenalaistaa.

Osa germanium-132: lle omistavista lääkevaikutuksista on immuunijärjestelmän vahvistaminen, mikä auttaa torjumaan syöpää, HIV: tä ja aidsia; säätelee kehon toimintoja sekä parantaa veren happipitoisuutta, eliminoi vapaat radikaalit; ja se parantaa myös niveltulehduksia, glaukoomaa ja sydänsairauksia.

Orgaaniseen germaniumiin on kuitenkin liitetty vakavia munuaisten, maksan ja hermostovaurioita. Siksi tämän germaniumlisäaineen kulutuksessa on piilevä riski; No, vaikka jotkut pitävät sitä ihonhoidona, jotkut varoittavat, ettei se tarjoa mitään tieteellisesti todistettua hyötyä.

Sovellukset

Infrapunaoptiikka

Jotkut infrapunasäteilyanturit ovat germaniumia tai sen seoksia. Lähde: Adafruit Industries Flickrin kautta.

Germaanium on läpinäkyvä infrapunasäteilylle; toisin sanoen he voivat kulkea sen läpi ilman imeytymistä.

Tämän ansiosta germaniumlasit ja linssit on rakennettu infrapunaoptisille laitteille; esimerkiksi yhdistettynä IR-ilmaisimeen spektroskooppista analyysiä varten, linsseissä, joita käytetään kauko-infrapuna-avaruus teleskoopeissa tutkimaan maailmankaikkein kaikkeimpia tähtiä, tai valo- ja lämpötila-antureissa.

Infrapunasäteily liittyy molekyylin värähtelyihin tai lämmönlähteisiin; joten sotilasalalla yönäkökohteiden katsomiseen käytetyissä laitteissa on germaniumista valmistettuja komponentteja.

Puolijohdemateriaali

Lasi kapseloidut germaaniumdiodit, joita käytettiin 60-70-luvuilla. Lähde: Rolf Süssbrich

Germaniumia puolijohdemetallina on käytetty rakentamaan transistoreita, sähköpiirejä, valoa lähettäviä diodeja ja mikrosiruja. Viimeksi mainitussa germanium-piiseokset ja jopa germanium ovat jo itsessään alkaneet korvata piitä, jotta voidaan suunnitella yhä pienempiä ja tehokkaampia piirejä.

Sen oksidia, GeO ₂, suuren taitekertoimensa vuoksi lisätään laseihin, jotta niitä voidaan käyttää mikroskopiassa, laajakulmaobjekteissa ja kuituoptiikassa.

Germaanium ei ole vain tullut korvaamaan piitä tietyissä sähköisissä sovelluksissa, vaan se voidaan myös kytkeä gallium-arsenidiin (GaAs). Siksi tämä metalloidi on läsnä myös aurinkopaneeleissa.

katalysaattorit

GeO ₂ on käytetty katalyyttinä polymerointireaktioi-; esimerkiksi polyetyleenitereftalaatin synteesille välttämättömässä muovi, jolla valmistetaan Japanissa myytäviä kiiltäviä pulloja.

Samoin niiden platinaseosten nanohiukkaset katalysoivat redox-reaktioita, joissa niihin sisältyy vetykaasun muodostuminen, tehden näistä voltaattisista soluista tehokkaampia.

Alloys

Lopuksi on mainittu, että on olemassa Ge-Si- ja Ge-Pt-seoksia. Tämän lisäksi sen Ge-atomeja voidaan lisätä muiden metallien kiteisiin, kuten hopea, kulta, kupari ja beryllium. Nämä seokset osoittavat suurempaa taipuisuutta ja kemiallista kestävyyttä kuin niiden yksittäiset metallit.

Viitteet

1. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Pii- ja germaniumkiteiden rakenne. Palautettu osoitteesta: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19. heinäkuuta 2016). Onko Germanium ihonhoito? Healthline Media. Palautettu sivustolta: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Jaksollinen taulukko: germanium. Palautettu sivustolta: lenntech.com
6. Kansallinen bioteknologiatietokeskus. (2019). Germanium. PubChem-tietokanta. CID = 6326954. Palautettu: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Germanium-elementti tosiasiat. Chemicool. Palautettu osoitteesta: chemicool.com
8. Emil Venere. (8. joulukuuta 2014). Germanium saapuu kotiin Purduelle puolijohteiden välitavoitteen saavuttamiseksi. Palautettu osoitteesta: purdue.edu
9. Marques Miguel. (SF). Germanium. Palautettu: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev. Environ Sci Biotechnol. (2009). Germaanium: esiintyminen ympäristössä, merkitys ja spesifikaatio. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x