GERMÁNIUM: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, MEGSZERZÉS, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2026

A germánium egy metalloid elem, amelyet a Ge kémiai szimbólum ábrázol, és amely a periódusos rendszer 14. csoportjába tartozik. A szilícium alatt található, és fizikai és kémiai tulajdonságainak sokkal megosztja vele; annyira, hogy egyszer a neve Ekasilicio volt, amit maga Dmitri Mendelejev megjósolt.

Jelenlegi nevét Clemens A. Winkler adta szülőföldjének, Németországnak a tiszteletére. Ezért a germánium kapcsolódik ehhez az országhoz, és ez az első kép, amely az elmédre hívja fel azokat, akik nem ismerik jól.

Ultra tiszta germánium minta. Forrás: Kémiai elemek nagy felbontású képei

A germánium, mint a szilícium, háromdimenziós tetraéderrácsok kovalens kristályaiból áll, Ge-Ge kötésekkel. Hasonlóképpen megtalálható monokristályos formában is, amelyben a szemcsék nagyok, vagy polikristályos, több száz apró kristályból állva.

Ez egy félvezető elem környezeti nyomáson, de amikor 120 kbar fölé emelkedik, fémes allotropré válik; vagyis valószínűleg a Ge-Ge kötések megsérülnek, és külön-külön vannak elrendezve az elektronok tengerébe csomagolva.

Nem mérgező elemnek tekintik, mivel bármilyen védőruházat nélkül kezelhető; bár a belélegzése és a túlzott bevitel az egyének klasszikus irritációs tüneteihez vezethet. Gőznyomása nagyon alacsony, ezért a füst nem valószínű, hogy tüzet okozna.

A szervetlen (sók) és a szerves germániumok azonban veszélyesek lehetnek a testre, annak ellenére, hogy Ge-atomjaik rejtélyes módon kölcsönhatásba lépnek a biológiai mátrixokkal.

Nem igazán ismert, hogy az organikus germánium csodás gyógymódnak tekinthető-e bizonyos rendellenességek alternatív gyógyszerként történő kezeléseként. A tudományos kutatások azonban nem támogatják ezeket az állításokat, hanem elutasítják őket, és ezt az elemet rákkeltőnek is nevezik.

A germánium nem csupán félvezető, amely szilíciumot, szelént, galliumot és egy sor elemet kísér a félvezető anyagok és alkalmazásuk világában; Átlátszó az infravörös sugárzással szemben, és hasznos lehet hőforrások detektálására különböző forrásokból vagy régiókból.

Történelem

Mendelejev jóslatok

A germánium volt az egyik elem, amelynek létezését 1869-ben az orosz vegyész, Dmitri Mendelejev jósolta periódusában. Ideiglenesen ekaszilikonnak nevezte, és egy helyre helyezte a periódusos asztalon ón és szilícium között.

1886-ban Clemens A. Winkler felfedezte a germániumot egy ásványi mintából egy ezüst bányából Freiberg közelében, Szászországban. Magas ezüsttartalma miatt ez volt az argyrodit nevű ásvány, amelyet csak nemrégiben fedeztek fel 1885-ben.

Az argyroditmintában 73-75% ezüst, 17-18% kén, 0,2% higany és 6-7% új elem volt, amelyet Winkler később germániumnak nevezött.

Mendelejev azt jósolta, hogy a felfedezésre váró elem sűrűsége 5,5 g / cm ^{3 legyen}, atomsúlya pedig körülbelül 70 legyen. Jóslatai meglehetősen közel álltak a germániuméhoz.

Elkülönítés és név

1886-ban Winkler képes volt az új fémet izolálni, és az antimonhoz hasonlónak találta, ám átgondolta és rájött, hogy a felfedezett elem megfelel az ekaszilikonnak.

Winkler a „germánium” elemet nevezte el, amely a „germania” latin szóból származott, amely szó Németországot jellemezte. Ezért Winkler az új elem germániumot nevezte született Németországának.

Tulajdonságainak meghatározása

1887-ben, Winkler meghatározva a kémiai tulajdonságai germánium, megállapító atomsúlya 72,32 elemzése útján tiszta germánium-tetraklorid (GeCl ₄).

Eközben Lecoq de Boisbaudran az atom szikra-spektrumának tanulmányozásával 72,3 atomtömeget vonta le. Winkler számos új vegyületet készített germániumból, beleértve a fluoridokat, kloridokat, szulfidokat és dioxidokat.

Az 1920-as években a germánium elektromos tulajdonságainak vizsgálata nagy tisztaságú monokristályos germánium kialakulásához vezetett.

Ez a fejlődés lehetővé tette a germánium használatát diódákban, egyenirányítókban és mikrohullámú radarvevőkben a második világháború idején.

Alkalmazásainak fejlesztése

Az első ipari alkalmazás 1947-ben a háború után jött létre, amikor John Bardeen, Walter Brattain és William Shockley germánium-tranzisztorokat talált fel, amelyeket kommunikációs berendezésekben, számítógépekben és hordozható rádiókban használtak.

1954-ben a nagy tisztaságú szilícium-tranzisztorok az általuk kínált elektronikai előnyök miatt elmozdították a germánium-tranzisztorokat. Az 1960-as évekre a germánium-tranzisztorok gyakorlatilag eltűntek.

Kiderült, hogy a germánium kulcsszerepet játszik az infravörös (IR) lencsék és ablakok gyártásában. Az 1970-es években olyan szilícium-germánium (SiGe) voltaikus cellákat (PVC) állítottak elő, amelyek továbbra is kritikus fontosságúak a műholdas műveletek szempontjából.

Az 1990-es években a száloptika fejlesztése és kibővítése növelte a germánium iránti igényt. Az elemet üvegszálas üvegszál kialakításához használják.

2000-től kezdve a germániumot használó nagy hatékonyságú PVC-k és világító diódák (LED-ek) a germánium termelésének és fogyasztásának növekedéséhez vezettek.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Megjelenés

Ezüstös fehér és fényes. Amikor a szilárd anyag sok kristályból (polikristályból) áll, hámlamos vagy ráncos felülettel rendelkezik, felszínekkel és árnyékokkal tele. Időnként akár szürkés vagy fekete is lehet, mint a szilícium.

Szabványos körülmények között ez egy fémes elem, törékeny és fémes fény.

A germánium félvezető, nem nagyon rugalmas. Magas fénytörési mutatója van a látható fénynek, de átlátszó az infravörös sugárzás esetén, és a berendezés ablakaiban használják ezen sugárzás észlelésére és mérésére.

Szabványos atomtömeg

72,63 u

Atomszám (Z)

32

Olvadáspont

938,25 ºC

Forráspont

2833 ° C

Sűrűség

Szobahőmérsékleten: 5,323 g / cm ³

A Olvadáspont (folyadék): 5,60 g / cm ³

A germánium, például a szilícium, gallium, bizmut, antimon és víz, megnövekszik, amikor megszilárdul. Ezért sűrűsége nagyobb folyékony állapotban, mint szilárd állapotban.

A fúziós hő

36,94 kJ / mol

A párolgás hője

334 kJ / mol

Moláris kalóriakapacitás

23,222 J / (mol K)

Gőznyomás

1644 K hőmérsékleten gőznyomása csak 1 Pa. Ez azt jelenti, hogy folyadéka ezen a hőmérsékleten alig bocsát ki gőzöket, tehát nem jelenti a belélegzés kockázatát.

elektronegativitás

2.01 a Pauling skálán

Ionizációs energiák

-Első: 762 kJ / mol

-Második: 1,537 kJ / mol

-Harmadik: 3 302,1 kJ / mol

Hővezető

60,2 W / (mK)

Elektromos ellenállás

1 Ωm 20 ºC-on

Elektromos vezetőképesség

3S cm- ¹

Mágneses sorrend

diamágnesesek

Keménység

6,0 a Mohs skálán

Stabilitás

Viszonylag stabil. Szobahőmérsékleten nem befolyásolja azt, és 600ºC feletti hőmérsékleten oxidálódik.

Felületi feszültség

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

Reakcióképesség

Oxidálódik 600 ° C feletti hőmérsékleten germánium-dioxiddá (GeO ₂). A germánium kétféle oxidot termel: germánium-dioxidot (GeO ₂) és germánium-monoxidot (GeO).

A germániumvegyületek általában +4 oxidációs állapotot mutatnak, bár sok vegyületben a germánium +2 oxidációs állapotú. Az oxidációs állapot - 4 például a magnézium-germanidben (Mg ₂ Ge) fordul elő.

A germánium halogénekkel reagál tetrahalogenideket képez: germánium-tetrafluorid (GeF ₄), egy gáznemű vegyület; germánium tetrajodidot (Gei ₄), szilárd vegyület; germánium-tetraklorid (GeCl ₄) és a germánium-tetrabromidot (Gebr ₄), mind a folyékony vegyületek.

A germánium inert a sósavval szemben; de salétromsav és kénsav támadja meg. Noha a vizes oldatban levő hidroxidok csekély hatással vannak a germániumra, az olvadt hidroxidokban könnyen feloldódik, és így geronátokat képez.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

Germánium és kötései

A germániumnak az elektronikus konfigurációja szerint négy vegyérték-elektron van:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Hasonlóan a szénhez és a szilíciumhoz, Ge atomjai hibridizálják 4s és 4p pályájukat, így négy sp ³ hibrid pályát képeznek. Ezekkel az orbitálokkal összekapcsolódnak, hogy kielégítsék a valencia oktettet, és következésképpen ugyanannyi elektronmal rendelkeznek, mint az ugyanazon időszak nemesgáza (kripton).

Ily módon a Ge-Ge kovalens kötések jönnek létre, és amelyeknek mindegyikénél négy atom van, meghatározva a körülvevő tetraédereket (az egyik Ge közepén, a többi a csúcsokon). Így háromdimenziós hálózatot hoznak létre ezeknek a tetraédereknek a kovalens kristály mentén történő elmozdításával; amely úgy viselkedik, mintha egy hatalmas molekula lenne.

allotropes

A kovalens germánium kristály ugyanazzal az arc-központú kockával rendelkezik, mint a gyémánt (és a szilícium). Ezt az allotrópot α-Ge néven ismerték. Ha a nyomás 120 kbar-ra (kb. 118 000 atm) növekszik, az α-Ge kristályszerkezete testközpontú tetragonálissá válik (BCT, rövidítése angolul: Body-centered tetragonal).

Ezek a BCT kristályok megfelelnek a germánium második alotrópjának: β-Ge, ahol a Ge-Ge kötések el vannak törve és elszigetelten vannak elrendezve, mint a fémekkel. Így az α-Ge félfém; míg a β-Ge fémes.

Oxidációs számok

A germánium elveszítheti négy vegyérték-elektronát, vagy további négyet szerezhet, hogy izoelektroniká váljon a kriptonnal.

Amikor elveszíti elektronjait vegyületeiben, azt állítják, hogy pozitív számmal vagy oxidációs állapotmal rendelkezik, amelyben feltételezik, hogy léteznek kationok, amelyek töltése megegyezik ezekkel a számokkal. Ezek között van a +2 (Ge ²⁺), a +3 (Ge ³⁺) és a +4 (Ge ⁴⁺).

Például, az alábbi vegyületek germánium pozitív oxidációs számmal: 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-) és GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ²).

Míg miközben elektronokat nyer a vegyületeiben, negatív oxidációs száma van. Közülük a leggyakoribb -4; azaz, hogy létezik a Ge ^4- anion feltételezzük. A germanidekben ez megtörténik, és ezekre példaként Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ⁴) és Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ⁴) képesek.

Hol található és szerezhető be

Kéntartalmú ásványok

Argyrodite ásványminta, alacsony mennyiségben, de egyedi érc a germánium kinyerésére. Forrás: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

A germánium viszonylag ritka elem a földkéregben. Kevés ásványi anyag tartalmaz számottevő mennyiségű belőle, ezek közül megemlíthetjük: argyrodit (4Ag ₂ S · GeS ₂), germanit (7CuS · FeS · GeS ₂), briartit (Cu ₂ FeGeS ₄), renierit és canfieldite.

Mindegyikben van valami közös: kén vagy kénes ásványok. Ezért a germánium dominál a természetben (vagy legalábbis itt a Földön), mint például a GeS _2, és nem a GeO ₂ (ellentétben a széles körben elterjedt SiO ₂ megfelelőjével, a szilícium-dioxiddal).

A fent említett ásványok mellett a germániumban 0,3% tömegkoncentrációban is megtalálhatók a szénlerakódások. Hasonlóképpen, néhány mikroorganizmus képes feldolgozni a létrehozása kis mennyiségű GEH ₂ (CH ₃) ₂ és a GEH ₃ (CH ₃), amely a végén kényszerült a folyókba és a tengerek.

A germánium a fémek, például a cink és a réz feldolgozásának mellékterméke. Ennek előállításához kémiai reakciók sorozatán kell átesnie, hogy kénje a megfelelő fémré redukálódjon. vagyis eltávolítani a GeS ₂ kénatomjait úgy, hogy egyszerűen Ge legyen.

Pirított

A kén ásványi anyagok pörkölési folyamaton mennek keresztül, amelyben hevítik őket a levegővel az oxidáció bekövetkezéséhez:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

A germánium elkülönítése a maradéktól a megfelelő kloriddá alakul át, amely desztillálható:

GeO ₂ + 4 HCI → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Amint látható, az átalakítást sósavval vagy klórgázzal hajthatjuk végre. A GeCl ₄ ezután hidrolizáljuk vissza GeO ₂, miáltal csapódik ki törtfehér szilárd anyag formájában. Végül az oxid hidrogénnel reagál, hogy fémes germániumré redukálódjon:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Csökkentés, amelyet faszénen is meg lehet tenni:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

A kapott germánium egy olyan porból áll, amelyet fémrúdokká formálnak vagy sajtolnak, és amelyből sugárzó germánium kristályok állíthatók elő.

Izotóp

A germánium nem rendelkezik semmilyen rendkívül bőséges izotóppal a természetben. Ehelyett öt izotópja van, amelyek aránya viszonylag alacsony: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) és ⁷⁶ Ge (7,75%). Vegye figyelembe, hogy az atomtömeg 72 630 u, amely az összes atomtömeg átlagát az izotópok megfelelő mennyiségével számolja.

A ⁷⁶ Ge izotóp valójában radioaktív; de a felezési ideje olyan hosszú (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ év), hogy gyakorlatilag a germánium öt legstabilabb izotópja közé tartozik. Más radioizotópok, például a ⁶⁸ Ge és a ⁷¹ Ge, mindkettő szintetikus, rövidebb felezési idejűek (270,95 nap, illetve 11,3 nap).

kockázatok

Elemi és szervetlen germánium

A germánium környezeti kockázata kissé ellentmondásos. Mivel kissé nehéz fém, az ionjainak vízben oldódó sóiból történő szaporodása károsíthatja az ökoszisztémát; vagyis az állatokat és a növényeket befolyásolhatja a Ge ³⁺ ionok fogyasztása.

Az elemi germánium biztonságos, ha nem porított. Ha porban van, a levegőáram hő- vagy erősen oxidáló anyagokhoz vezethet; ennek következtében tűz vagy robbanás veszélye áll fenn. Kristályai a tüdőben vagy a szemben is végbemenhetnek, súlyos irritációt okozva.

Az ember az irodájában biztonságosan kezelheti a germánium lemezt anélkül, hogy bármilyen baleset miatt aggódna. Ugyanez nem mondható el a szervetlen vegyületekről; vagyis sói, oxidjai és hidridjei. Például, GEH ₄ vagy germán (analóg CH ₄ és SiH ₄), egy meglehetősen irritáló és gyúlékony gáz.

Szerves germánium

Most vannak germánium szerves forrásai; Ezek közül megemlíthetjük a 2-karboxi-etil-germaszioxánt vagy a germánium-132-t, egy alternatív kiegészítőt, amely ismert bizonyos betegségek kezelésére; bár bizonyítékokkal kétséges.

A germánium-132-nek tulajdonított gyógyhatások egy része az immunrendszer erősítése, ezáltal segítve a rák, a HIV és az AIDS elleni küzdelmet; szabályozza a test működését, javítja a vér oxigénellátásának mértékét, kiküszöböli a szabad gyököket; és gyógyítja az ízületi gyulladást, glaukómát és szívbetegségeket is.

A szerves germániumot azonban a vesék, a máj és az idegrendszer súlyos károsodása váltotta össze. Ezért van egy látens kockázat, ha e germánium-kiegészítőt fogyasztják; Nos, bár vannak olyanok, akik ezt csodás gyógyításnak tekintik, vannak olyanok, akik figyelmeztetik, hogy ez nem jár tudományosan bizonyított előnyökkel.

Alkalmazások

Infravörös optika

Néhány infravörös sugárzás-érzékelő germániumból vagy annak ötvözeteiből készül. Forrás: Adafruit Industries a Flickr-en keresztül.

A germánium átlátszó az infravörös sugárzástól; vagyis átjuthatnak rajta anélkül, hogy felszívódnának.

Ennek köszönhetően germánium üvegeket és lencséket építettek infravörös optikai eszközökhöz; Például, IR-detektorral a spektroszkópiai elemzéshez, a lencsékben, amelyeket távoli infravörös űrteleszkópokban használnak az univerzum legtávolabbi csillagjainak tanulmányozására, vagy fény- és hőmérséklet-érzékelőkben.

Az infravörös sugárzás molekuláris rezgésekkel vagy hőforrásokkal jár; tehát a katonai iparban az éjjellátó célpontok megtekintésére használt eszközök germániumból készültek.

Félvezető anyag

Üvegbe kapszulázott germánium diódák, amelyeket a 60-as és 70-es években használtak Forrás: Süssbrich Rolf

A germániumot, mint félvezető metalloidot, tranzisztorok, elektromos áramkörök, fénykibocsátó diódák és mikrochipok építésére használják. Az utóbbiban a germánium-szilícium ötvözetek és még a germánium önmagukban is megkezdték a szilícium helyettesítését, így egyre kisebb és erősebb áramkörök tervezhetők.

Oxidját, a GeO _2-t, a magas törésmutatója miatt, hozzáadják az üvegekhez, hogy mikroszkópiában, széles látószögű objektívekben és száloptikában felhasználhatók legyenek.

A germánium nemcsak arra szolgál, hogy helyettesítse a szilíciumot bizonyos elektronikus alkalmazásokban, hanem gallium-arzeniddel (GaAs) is összekapcsolható. Így ez a metalloid a napelemekben is megtalálható.

katalizátorok

GeO ₂ óta használják, mint egy katalizátor polimerizációs reakciók; például a polietilén-tereftalát szintéziséhez szükséges műanyagban egy műanyagot gyártanak, amelyben Japánban értékesített fényes palackokat gyártanak.

Hasonlóképpen, a platinaötvözetek nanorészecskéi katalizálják a redox reakciókat, amikor hidrogén-gáz képződésével járnak, és ezek a vulkánikus cellák hatékonyabbak.

ötvözetek

Végül megemlítették, hogy vannak Ge-Si és Ge-Pt ötvözetek. Ezen felül Ge-atomjai hozzáadhatók más fémek, például ezüst, arany, réz és berillium kristályaihoz. Ezek az ötvözetek nagyobb rugalmasságot és kémiai ellenállást mutatnak, mint az egyes fémek.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germánium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Szilícium és germánium kristályszerkezete. Helyreállítva a következőtől: fizicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (2016. július 19.). A Germanium csodás gyógymód? Healthline Media. Helyreállítva: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Periódusos rendszer: germánium. Helyreállítva: lenntech.com
6. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Germánium. PubChem adatbázis. CID = 6326954. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Germánium elem tények. Chemicool. Helyreállítva: chemicool.com
8. Emil Venere. (2014. december 8.). A germánium a félvezető mérföldkőhöz érkezik a Purdue-nál. Helyreállítva: purdue.edu
9. Marques Miguel. (Sf). Germánium. Helyreállítva: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germánium: környezeti előfordulás, jelentőség és specifikáció. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x