GERMANIJ: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, DOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2026

Germanija je metaloid element predstavljen kemijskom simbolom Ge i pripadaju skupini 14 periodičkog sustava. Nalazi se ispod silicija i s njim dijeli mnoga njegova fizička i kemijska svojstva; toliko da je nekoć ime bilo Ekasilicio, što ga je predvidio i sam Dmitri Mendeleev.

Njegovo sadašnje ime dao je Clemens A. Winkler, u čast svoje domovine Njemačke. Dakle, germanij je povezan sa ovom zemljom i to je prva slika koja evocira na um onima koji je ne poznaju dobro.

Ultra čist uzorak germanija. Izvor: Hi-Res slike kemijskih elemenata

Germanij se poput silicijuma sastoji od kovalentnih kristala trodimenzionalnih tetraedarskih rešetki s Ge-Ge vezama. Isto tako, može se naći u monokristalnom obliku, u kojem su zrna krupna, ili polikristalinična, sastavljena od stotina malih kristala.

To je poluvodički element pri tlaku okoline, ali kad se popne iznad 120 kbar, postaje metalni alotrop; to jest, verovatno su Ge-Ge veze prekinute i posložene su pojedinačno umotane u more svojih elektrona.

Smatra se netoksičnim elementom, jer se s njim može rukovati bez ikakve zaštitne odjeće; iako njegovo udisanje i prekomjerni unos mogu dovesti do klasičnih simptoma iritacije kod pojedinaca. Tlak pare vrlo je nizak, tako da njegov dim vjerojatno neće izazvati požar.

Međutim, anorganski (soli) i organski germaniji mogu biti opasni za tijelo, unatoč činjenici da njihovi Ge atomi na misteriozan način reagiraju s biološkim matricama.

Zapravo nije poznato može li se organski germanij smatrati čudesnim lijekom za liječenje određenih poremećaja kao alternativnog lijeka. Međutim, znanstvene studije ne podržavaju ove tvrdnje, ali ih odbacuju i ovaj element označavaju čak kancerogenim.

Germanij nije samo poluvodič, koji prati silicij, selen, galij i čitav niz elemenata u svijetu poluvodičkih materijala i njihove primjene; Također je prozirno infracrvenom zračenju što ga čini korisnim za proizvodnju detektora topline iz različitih izvora ili regija.

Povijest

Mendeleev predviđanja

Germanij je bio jedan od elemenata čije je postojanje 1869. predvidio ruski kemičar Dmitri Mendeleev u svojoj periodičnoj tablici. Privremeno ga je nazvao ekasilicijom i stavio ga u prostor na periodičnoj tablici između kositra i silicija.

1886. Clemens A. Winkler otkrio je germanij u uzorku minerala iz rudnika srebra u blizini Freiberga u Saksoniji. Bio je to mineral nazvan argyrodite zbog visokog sadržaja srebra, a otkriven je tek 1885. godine.

Uzorak argyrodita sadržavao je 73-75% srebra, 17-18% sumpora, 0,2% žive i 6-7% novog elementa, koji je Winkler kasnije nazvao germanijem.

Mendeljejev je predvidio da je gustoća elementa treba biti otkrivena treba biti 5,5 g / cm ³ i njegova atomska težina oko 70. Njegova predviđanja ispostavilo se sasvim blizu onima germanija.

Izolacija i ime

Winkler je 1886. uspio izolirati novi metal i našao ga sličnim antimonu, ali je preispitao i shvatio da element koji je otkrio odgovara ekasiliciju.

Winkler je element nazvao „germanium“, a potječe od latinske riječi „germania“, riječi kojom su se koristili za opisivanje Njemačke. Zbog toga je Winkler novi element nazvao germanium, po svojoj rodnoj Njemačkoj.

Određivanje njegovih svojstava

Godine 1887. Winkler je utvrdio kemijska svojstva germanija, pronalazeći atomsku masu od 72,32 analizom čistog germanijevog tetraklorida (GeCl ₄).

U međuvremenu, Lecoq de Boisbaudran utvrdio je atomsku masu od 72,3, proučavajući spektar iskrenja elementa. Winkler je iz germanija pripremio nekoliko novih spojeva, uključujući fluoride, kloride, sulfide i diokside.

U 1920-im godinama su istraživanja električnih svojstava germanija dovela do razvoja monokristalnog germanija visoke čistoće.

Taj je razvoj omogućio uporabu germanija u diodama, ispravljačima i mikrovalnim radarskim prijemnicima tijekom Drugog svjetskog rata.

Razvoj vaših aplikacija

Prva industrijska primjena uslijedila je nakon rata 1947., izumom germanijskih tranzistora Johna Bardeena, Waltera Brattaina i Williama Shockleyja koji su korišteni u komunikacijskoj opremi, računalima i prijenosnim radio uređajima.

Godine 1954. silicijski tranzistori visoke čistoće počeli su istiskivati ​​germanijske tranzistore zbog svojih elektronskih prednosti. I do 1960-ih, germanijski tranzistori su praktički nestali.

Germanij se pokazao kao ključna komponenta u izradi infracrvenih (IR) leća i prozora. U 1970-im godinama su izrađene voltaične stanice silicijum germanij (SiGe) (PVC) koje su i dalje kritične za satelitske operacije.

U devedesetima razvoj i širenje optičkih vlakana povećali su potražnju za germanijem. Element se koristi za oblikovanje staklene jezgre vlakana od optičkih kabela.

Počevši od 2000. godine, visoko učinkoviti PVC-i i svjetlosne diode (LED) pomoću germanija doveli su do povećanja proizvodnje i potrošnje germanija.

Fizička i kemijska svojstva

Izgled

Srebrno bijele i sjajne. Kad se njegova kruta tvar sastoji od mnogih kristala (polikristalnih), ima ljuskavu ili naboranu površinu, punu preljeva i sjena. Ponekad se čak može pojaviti i sivkasto ili crno poput silicija.

U standardnim je uvjetima polu-metalni element, krhak i metalik sjaj.

Germanij je poluvodič, ne baš duktilni. Ima visok indeks loma za vidljivu svjetlost, ali je transparentan za infracrveno zračenje, pa se koristi u prozorima opreme za otkrivanje i mjerenje tih zračenja.

Standardna atomska težina

72,63 u

Atomski broj (Z)

32

Talište

938,25 ° C

Vrelište

2.833 ºC

Gustoća

Na sobnoj temperaturi: 5.323 g / cm ³

Pri talište (tekućina): 5,60 g / cm ³

Germanij, poput silicijuma, galija, bizmuta, antimona i vode, širi se kako se stvrdnjava. Zbog toga je njegova gustoća veća u tekućem stanju nego u krutom.

Toplina fuzije

36,94 kJ / mol

Toplina isparavanja

334 kJ / mol

Molarni kalorijski kapacitet

23.222 J / (mol K)

Tlak pare

Pri temperaturi od 1.644 K, njegov parni tlak je samo 1 Pa. To znači da njegova tekućina pri toj temperaturi ne emitira gotovo nikakve pare, tako da ne podrazumijeva rizik od udisanja.

Elektronegativnost

2.01 na Paulingovoj skali

Ionizirajuće energije

-Prvo: 762 kJ / mol

-Sekunda: 1.537 kJ / mol

-Treće: 3,302,1 kJ / mol

Toplinska vodljivost

60,2 W / (m K)

Električni otpor

1 Ωm pri 20 ºC

Električna vodljivost

3S cm ^-1

Magnetski red

dijamagnetski

Tvrdoća

6,0 na Mohsovoj skali

Stabilnost

Relativno stabilna. Na njega ne utječe zrak sobne temperature i oksidira pri temperaturama iznad 600 ° C.

Površinska napetost

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

Reaktivnost

Ona oksidira na temperaturama iznad 600ºC u obliku germanija dioksid (GEO ₂). Germanij proizvodi dva oblika oksida: germanij dioksid (GeO ₂) i germanijum monoksid (GeO).

Germanijevi spojevi općenito pokazuju +4 oksidacijsko stanje, iako se u mnogim spojevima germanij javlja sa +2 oksidacijskim stanjem. Oksidacijsko stanje - 4, događa se, na primjer, u magnezijevom germanidu (Mg ₂ Ge).

Germanij reagira s halogenima kako bi tvorio tetrahalide: germanijev tetrafluorid (GeF ₄), plinovit spoj; germanij tetraiodid (GeI ₄), čvrsti spoj; germanijev tetraklorid (GeCl ₄) i germanijev tetrabromid (GeBr ₄), oba tekuća spoja.

Germanij je inertan prema klorovodičnoj kiselini; ali ga napadaju dušična i sumporna kiselina. Iako hidroksidi u vodenoj otopini imaju malo utjecaja na germanij, on se lako otapa u rastopljenim hidroksidima i tvori geronete.

Struktura i elektronička konfiguracija

Germanij i njegove veze

Germanij prema svojoj elektroničkoj konfiguraciji ima četiri valentna elektrona:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Poput ugljika i silicija, njihovih atoma Ge hibridizira njihove 4S i 4P orbitale da tvore četiri sp ³ hibridne orbitale. Pomoću ovih orbitala vezuju se valentni oktet i, prema tome, imaju isti broj elektrona kao plemeniti plin istog razdoblja (kripton).

Na taj način nastaju kovalentne veze Ge-Ge, koje imaju četiri za svaki atom, okolne tetraedre (jedan Ge u sredini, a drugi u vrhovima). Tako se trodimenzionalna mreža uspostavlja pomicanjem ovih tetraedra duž kovalentnog kristala; koja se ponaša kao da je to ogromna molekula.

Allotropes

Kovalentni kristal germanija prihvaća istu kubičnu strukturu dijamanata (i silicija) u središtu lica. Ovaj alotrop poznat je kao α-Ge. Ako se tlak poveća na 120 kbar (oko 118 000 atm), kristalna struktura α-Ge postaje tetragonalna u središtu tijela (BCT, zbog njezine kratice na engleskom: Body-centered tetragonal).

Ti kristali BCT odgovaraju drugom alotropu germanija: β-Ge, gdje su veze Ge-Ge razbijene i složene izolirano, kao što se događa s metalima. Stoga je α-Ge polu-metalni; dok je β-Ge metalni.

Oksidacijski brojevi

Germanij može ili izgubiti svoja četiri valentna elektrona, ili dobiti još četiri da postane izoelektronski s kriptonom.

Kad izgube elektrone u svojim spojevima, kaže se da imaju pozitivne brojeve ili oksidacijska stanja, u kojima se pretpostavlja postojanje kationa s istim nabojima kao i ovi brojevi. Među njima imamo +2 (Ge ²⁺), +3 (Ge ³⁺) i +4 (Ge ⁴⁺).

Na primjer, sljedeći spojevi imaju germanij s pozitivnim oksidacijskim brojevima: 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-) i GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2-).

Dok kad dobije elektrone u svojim spojevima, ima negativne oksidacijske brojeve. Među njima najčešća je -4; to je, postojanje Ge ^4- aniona pretpostavlja. U germanidima se to događa, a kao primjere za njih imamo Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4-) i Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4-).

Gdje pronaći i nabaviti

Sumporni minerali

Argyroditin mineralni uzorak, malog obilja, ali jedinstvene rude za ekstrakciju germanija. Izvor: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanij je relativno rijedak element u zemljinoj kori. Malo minerala sadrži njegovu znatnu količinu, a među njima možemo spomenuti: argyrodit (4Ag ₂ S · GeS ₂), germanit (7CuS · FeS · GeS ₂), briartit (Cu ₂ FeGeS ₄), renierit i kanfildit.

Svi imaju nešto zajedničko: sumpor ili sumporni minerali. Stoga, germanij prevladava u prirodi (ili barem ovdje na Zemlji), poput GeS _2, a ne GeO ₂ (za razliku od široko rasprostranjenog SiO ₂ kolege, silicija).

Pored gore spomenutih minerala, nađeno je i da se germanij nalazi u masnim koncentracijama od 0,3% u naslagama ugljika. Isto tako, neki mikroorganizmi mogu obraditi da se dobiju male količine GeH ₂ (CH ₃) ₂ i GeH ₃ (CH ₃), koji završavaju u rijekama i pomakne morima.

Germanij je nusproizvod obrade metala poput cinka i bakra. Da bi se dobio mora proći niz kemijskih reakcija da bi se njegov sumpor smanjio u odgovarajući metal; to jest ukloniti GeS ₂ njegove atome sumpora tako da je to jednostavno Ge.

Pržen

Sumporni minerali prolaze postupak prženja u kojem se zagrijavaju zajedno sa zrakom da bi došlo do oksidacija:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Za odvajanje germanija od ostatka, pretvara se u njegov klorid koji može biti destiliran:

Geo ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

Geo ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Kao što se može vidjeti, transformacija se može provesti pomoću klorovodične kiseline ili plina klora. GeCl ₄ se zatim hidrolizira natrag geo ₂, pri čemu se taloži u obliku prljavo bijele krute tvari. Konačno, oksid reagira s vodikom da bi se smanjio u metalni germanij:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + ₂ H20

Redukcija koja se može učiniti i drvenim ugljenom:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Dobiveni germanij sastoji se od praha koji se oblikuje ili utapa u metalne šipke, iz kojih se mogu uzgajati zračeći kristali germanija.

izotopi

Germanij ne posjeduje nikakve jako obilne izotope u prirodi. Umjesto toga, ima pet izotopa čija su obilježja relativno mala: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) i ⁷⁶ Ge (7,75%). Imajte na umu da je atomska težina 72.630 u, što u prosjeku daje sve atomske mase s pripadajućim obiljem izotopa.

Izotop ⁷⁶ Ge zapravo je radioaktivan; ali njegov je poluživot toliko dug (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ godina) da je praktički među pet najstabilnijih izotopa germanija. Ostali radioizotopi, poput ⁶⁸ Ge i ⁷¹ Ge, oba sintetička, imaju kraći poluživot (270,95 dana i 11,3 dana, respektivno).

rizici

Elementarni i anorganski germanij

Okolišni rizici za germanij pomalo su kontroverzni. Kao malo teški metal, širenje njegovih iona iz vode topivih u vodi moglo bi nanijeti štetu ekosustavu; to jest, na životinje i biljke može utjecati konzumiranje Ge ³⁺ iona.

Elementarni germanij je siguran sve dok nije u prahu. Ako je u prašini, struja zraka može je odvesti do izvora topline ili vrlo oksidirajućih tvari; te posljedično postoji opasnost od požara ili eksplozije. Također, njegovi kristali mogu završiti u plućima ili očima, uzrokujući jake iritacije.

Osoba može sigurno rukovati germanijevim diskom u svom uredu, bez brige o nezgodi. Međutim, isto se ne može reći za njegove anorganske spojeve; to jest njegove soli, oksidi i hidridi. Na primjer GeH ₄ ili Germanic (analogno CH ₄ i SIH ₄), je vrlo iritirajuće i zapaljiv plin.

Organski germanij

Sada postoje organski izvori germanija; Među njima se može spomenuti 2-karboksietilgermaskvioksan ili germanij-132, alternativni dodatak za liječenje određenih bolesti; iako s dokazima koji su postavljeni u dvojbu.

Neki od ljekovitih učinaka koji se pripisuju germaniju-132 jest jačanje imunološkog sustava, pomažući u borbi protiv raka, HIV-a i AIDS-a; regulira funkcije tijela, kao i poboljšava stupanj oksigenacije u krvi, uklanja slobodne radikale; a liječi i artritis, glaukom i srčane bolesti.

Međutim, organski germanij povezan je s ozbiljnim oštećenjima bubrega, jetre i živčanog sustava. Zato postoji latentni rizik kada je u pitanju konzumiranje ovog dodatka germaniju; Pa, iako ima i onih koji to smatraju čudesnim lijekom, ima i drugih koji upozoravaju da to ne nudi nikakvu znanstveno dokazanu korist.

Prijave

Infracrvena optika

Neki senzori infracrvenog zračenja izrađeni su od germanija ili njegovih legura. Izvor: Adafruit Industries putem Flickr-a.

Germanij je transparentan na infracrveno zračenje; to jest, mogu proći kroz njega a da se ne apsorbiraju.

Zahvaljujući tome, izgrađene su germanijeve naočale i leće za infracrvene optičke uređaje; na primjer, zajedno s IR detektorom za spektroskopsku analizu, u lećama koje se koriste u dalekom infracrvenim svemirskim teleskopima za proučavanje najudaljenijih zvijezda u Svemiru ili u senzorima svjetla i temperature.

Infracrveno zračenje povezano je s molekularnim vibracijama ili izvorima topline; tako da uređaji koji se koriste u vojnoj industriji za gledanje ciljeva noćnog vida imaju komponente izrađene od germanija.

Poluvodički materijal

Germanijeve diode inkapsulirane u staklu i korištene u 60-ima i 70-ima Izvor: Rolf Süssbrich

Germanij kao poluvodički metaloid korišten je za izgradnju tranzistora, električnih kola, svjetlosnih dioda i mikročipova. U potonjem, germanij-silicijske legure, pa čak i germanij, same su počele zamjenjivati ​​silicij, tako da se mogu oblikovati sve manji i moćniji krugovi.

Njegov oksid, GeO ₂, zbog visokog indeksa loma, dodaje se čašama tako da se mogu koristiti u mikroskopiji, širokokutnim ciljevima i optičkim vlaknima.

Germanij nije samo zamijenio silicij u određenim elektroničkim aplikacijama, već se može povezati i s galijevim arsenidom (GaAs). Dakle, ovaj metaloid prisutan je i u solarnim pločama.

katalizatori

Geo ₂ se koristi kao katalizator reakcije polimerizacije; na primjer, u onom koji je potreban za sintezu polietilen tereftalata, plastiku s kojom se izrađuju sjajne boce koje se prodaju u Japanu.

Isto tako, nanočestice njihovih platinskih kataloga kataliziraju redoks reakcije gdje uključuju stvaranje vodikovog plina, čineći ove voltaične stanice učinkovitijima.

legure

Konačno, spomenuto je da postoje Ge-Si i Ge-Pt legure. Pored toga, njegovi Ge atomi mogu se dodati kristalima drugih metala, kao što su srebro, zlato, bakar i berilij. Te legure pokazuju veću duktilnost i kemijsku otpornost od pojedinačnih metala.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanij. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Kristalna struktura silicija i germanija. Oporavilo od: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19. srpnja 2016.). Je li Germanij čudo lijeka? Healthline Media. Oporavilo od: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Periodna tablica: germanij. Oporavilo od: lenntech.com
6. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2019). Germanij. PubChem baza podataka. CID = 6326954. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Činjenice o germaniju. Chemicool. Oporavilo od: chemicool.com
8. Emil Venere. (8. prosinca 2014.). Germanium dolazi kući u Purdue zbog poluvodičke prekretnice. Oporavak od: purdue.edu
9. Marques Miguel. (SF). Germanij. Oporavak od: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environment Sci Biotechnol. (2009). Germanij: pojava u okolini, važnost i specifikacija. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x