GERMANIUM: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, OPNÅELSE, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den germanium er et metalloid element er repræsenteret ved det kemiske symbol Ge og tilhører gruppen 14 i det periodiske system. Det findes under silicium og deler mange af dets fysiske og kemiske egenskaber med det; så meget, at det engang hed navnet Ekasilicio, forudsagt af Dmitri Mendeleev selv.

Dets nuværende navn blev givet af Clemens A. Winkler, til ære for hans hjemland Tyskland. Derfor er germanium knyttet til dette land, og det er det første billede, der fremkalder sindet dem, der ikke kender det godt.

Ultra ren germanium-prøve. Kilde: Hi-Res-billeder af kemiske elementer

Germanium består ligesom silicium af kovalente krystaller af tredimensionelle tetraedriske gitter med Ge-Ge-bindinger. Ligeledes kan det findes i monokrystallinsk form, hvor dets korn er store eller polykrystallinske, sammensat af hundreder af små krystaller.

Det er et halvlederelement ved omgivelsestryk, men når det stiger over 120 kbar bliver det en metallisk allotrope; det vil sige, muligvis er Ge-Ge-båndene brudt, og deres er arrangeret individuelt indpakket i deres elektroner.

Det betragtes som et ikke-giftigt element, da det kan håndteres uden nogen form for beskyttelsesbeklædning; selvom indånding og overdreven indtagelse kan føre til de klassiske symptomer på irritation hos personer. Dens damptryk er meget lavt, så det er usandsynligt, at dets røg ikke forårsager brand.

Uorganiske (salte) og organiske germaniums kan imidlertid være farlige for kroppen, til trods for at deres Ge-atomer interagerer på en mystisk måde med biologiske matrixer.

Det vides ikke rigtig, om organisk germanium kan betragtes som en mirakelkur til behandling af visse lidelser som en alternativ medicin. Imidlertid understøtter videnskabelige studier ikke disse påstande, men afviser dem og mærker dette element selv som kræftfremkaldende.

Germanium er ikke kun en halvleder, der ledsager silicium, selen, gallium og en hel række elementer i verden af ​​halvledermaterialer og deres anvendelser; Det er også gennemsigtigt over for infrarød stråling, hvilket gør det nyttigt til fremstilling af varmedetektorer fra forskellige kilder eller regioner.

Historie

Mendeleev forudsigelser

Germanium var et af elementerne, hvis eksistens blev forudsagt i 1869 af den russiske kemiker Dmitri Mendeleev i hans periodiske tabel. Han kaldte det foreløbigt ekasilicon og placerede det i et rum på det periodiske bord mellem tin og silicium.

I 1886 opdagede Clemens A. Winkler germanium i en mineralprøve fra en sølvgruve nær Freiberg, Sachsen. Det var mineralet kaldet argyrodite på grund af det høje sølvindhold og blev først for nylig opdaget i 1885.

Argyroditprøven indeholdt 73-75% sølv, 17-18% svovl, 0,2% kviksølv og 6-7% et nyt element, som Winkler senere benævnt germanium.

Mendelejev havde forudsagt, at densiteten af elementet at blive opdaget bør være 5,5 g / cm ³ og dets atomvægt omkring 70. Hans forudsigelser viste sig at være ganske tæt på dem af germanium.

Isolering og navn

I 1886 var Winkler i stand til at isolere det nye metal og fandt det svarende til antimon, men han overvejede og indså, at det element, han havde opdaget, svarede til ekasilicon.

Winkler kaldte elementet 'germanium' stammede fra det latinske ord 'germania', et ord, de brugte til at beskrive Tyskland. Af denne grund opkaldte Winkler det nye element Germanium efter sit hjemland Tyskland.

Bestemmelse af dens egenskaber

I 1887, Winkler bestemmes de kemiske egenskaber af germanium, finde en atomvægt 72,32 af en analyse af ren germaniumtetrachlorid (GECL ₄).

I mellemtiden deducerede Lecoq de Boisbaudran en atomvægt på 72,3 ved at studere elementets gnistspektrum. Winkler fremstillede flere nye forbindelser fra germanium, herunder fluorider, chlorider, sulfider og dioxider.

I 1920'erne førte undersøgelser af de elektriske egenskaber ved germanium til udviklingen af ​​monokrystallinsk germanium med høj renhed.

Denne udvikling muliggjorde brugen af ​​germanium i dioder, ensrettere og mikrobølge radarmodtagere under 2. verdenskrig.

Udvikling af dine applikationer

Den første industrielle anvendelse kom efter krigen i 1947 med opfindelsen af ​​germanium-transistorer af John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley, som blev brugt i kommunikationsudstyr, computere og bærbare radioer.

I 1954 begyndte siliciumtransistorer med høj renhed at fortrænge germanium-transistorer på grund af de elektroniske fordele, de havde. Og i 1960'erne var germanium-transistorer praktisk taget forsvundet.

Germanium viste sig at være en nøglekomponent i fremstilling af infrarøde linser og vinduer. I 1970'erne blev der produceret silicium germanium (SiGe) voltaiske celler (PVC), der forbliver kritiske for satellitoperationer.

I 1990'erne øgede udviklingen og udvidelsen af ​​fiberoptik efterspørgslen efter germanium. Elementet bruges til at danne glaskerne i fiberoptiske kabler.

Fra og med 2000 førte højeffektiv PVC og lysemitterende dioder (LED) ved anvendelse af germanium til en stigning i produktionen og forbruget af germanium.

Fysiske og kemiske egenskaber

Udseende

Sølvfarvet og skinnende. Når dets faste stof består af mange krystaller (polykrystallinsk), har det en skællende eller rynket overflade, fuld af overtoner og skygger. Undertiden kan det endda virke så grålig eller sort som silicium.

Under standardbetingelser er det et semi-metallisk element, sprødt og metallisk glans.

Germanium er en halvleder, ikke meget duktil. Det har et højt brydningsindeks for synligt lys, men er gennemsigtig for infrarød stråling, der bruges i udstyrsvinduer til at detektere og måle denne stråling.

Standard atomvægt

72,63 u

Atomnummer (Z)

32

Smeltepunkt

938,25 ºC

Kogepunkt

2.833 ºC

Massefylde

Ved stuetemperatur: 5,323 g / cm ³

Ved smeltepunkt (væske): 5,60 g / cm ³

Germanium, som silicium, gallium, vismut, antimon og vand, udvides, når det størkner. Af denne grund er dens densitet højere i den flydende tilstand end i fast tilstand.

Fusionsvarme

36,94 kJ / mol

Fordampningsvarme

334 kJ / mol

Molær kalorikapacitet

23.222 J / (mol K)

Damptryk

Ved en temperatur på 1.644 K er dens damptryk kun 1 Pa. Det betyder, at dens væske næsten ikke udsender dampe ved den temperatur, så det indebærer ikke risiko for indånding.

elektronegativitet

2.01 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

-Først: 762 kJ / mol

-Sekund: 1.537 kJ / mol

-Tredde: 3.302,1 kJ / mol

Varmeledningsevne

60,2 W / (mK)

Elektrisk modstand

1 atm ved 20 ºC

Elektrisk ledningsevne

3S cm- ¹

Magnetisk orden

diamagnetisk

Hårdhed

6,0 i Mohs-skalaen

Stabilitet

Relativt stabilt. Det påvirkes ikke af luft ved stuetemperatur og oxideres ved temperaturer over 600 ° C.

Overfladespænding

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

Reaktivitet

Det oxideres ved temperaturer over 600 ° C til dannelse af germaniumdioxid (GeO ₂). Germanium producerer to former for oxider: germaniumdioxid (GeO ₂) og germaniummonoxid (GeO).

Germaniumforbindelser udviser generelt +4-oxidationstilstanden, selvom Germanium i mange forbindelser forekommer med +2-oxidationstilstanden. Oxidationstilstanden - 4 forekommer for eksempel i magnesiumgermanid (Mg ₂ Ge).

Germanium reagerer med halogener til dannelse tetrahalides: germanium tetrafluorid (GEF ₄), en gasformig forbindelse; germanium -tetraiodid (GEI ₄), fast forbindelse; germaniumtetrachlorid (GECL ₄) og germanium bromid (Gebr ₄), både flydende forbindelser.

Germanium er inert over for saltsyre; men den angribes af salpetersyre og svovlsyre. Selvom hydroxider i vandig opløsning har ringe virkning på germanium, opløses de let i smeltede hydroxider til dannelse af geronater.

Struktur og elektronisk konfiguration

Germanium og dets obligationer

Germanium har fire valenselektroner i henhold til dets elektroniske konfiguration:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Lignende kulstof og silicium, deres Ge-atomer hybridiserer deres 4s og 4p orbitaler for at danne fire sp ³ hybridorbitaler. Med disse orbitaler binder de sig til for at tilfredsstille valenceokteten og har følgelig det samme antal elektroner som den ædle gas i samme periode (krypton).

På denne måde opstår Ge-Ge-kovalente bindinger, og med fire af dem for hvert atom er omgivende tetrahedra defineret (med en Ge i midten og de andre i knudepunkterne). Således etableres et tredimensionelt netværk ved forskydning af disse tetraedre langs den kovalente krystal; som opfører sig som om det var et kæmpe molekyle.

Allotropes

Den kovalente germaniumkrystall vedtager den samme ansigt-centrerede kubiske struktur af diamant (og silicium). Denne allotrope er kendt som a-Ge. Hvis trykket stiger til 120 kbar (ca. 118.000 atm), bliver krystalstrukturen af ​​α-Ge kropscentreret tetragonal (BCT, for dets akronym på engelsk: Body-centreret tetragonal).

Disse BCT-krystaller svarer til den anden allotrope af germanium: ß-Ge, hvor Ge-Ge-bindingerne brydes og arrangeres isoleret, som det sker med metaller. Således er a-Ge semimetallisk; mens ß-Ge er metallisk.

Oxidationsnumre

Germanium kan enten miste sine fire valenselektroner eller få fire mere til at blive isoelektronisk med krypton.

Når det mister elektroner i dets forbindelser, siges det at det har positive antal eller oxidationstilstande, hvor eksistensen af ​​kationer med de samme ladninger som disse antages. Blandt disse har vi +2 (Ge ²⁺), +3 (Ge ³⁺) og +4 (Ge ⁴⁺).

For eksempel har de følgende forbindelser germanium med positive oxidationsnumre: 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-) og GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2-).

Mens det når det vinder elektroner i dets forbindelser, har det negative oxidationsnumre. Blandt dem er den mest almindelige -4; dvs. eksistensen af Ge ^4- antages anion. I germanides sker dette, og som eksempler på dem har vi Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4-) og Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4-).

Hvor man kan finde og skaffe

Svovlholdige mineraler

Argyrodite mineralprøve, med lav forekomst, men en unik malm til ekstraktion af germanium. Kilde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanium er et relativt sjældent element i jordskorpen. Få mineraler indeholder en mærkbar mængde af den, blandt hvilke vi kan nævne: argyrodite (4Ag ₂ S · GeS ₂), germanit (7CuS · FeS · GeS ₂), briartit (Cu ₂ FeGeS ₄), renierit og canfieldite.

De har alle noget til fælles: de er svovl eller svovlholdige mineraler. Derfor dominerer germanium i naturen (eller i det mindste her på Jorden), ligesom GeS ₂ og ikke GeO ₂ (i modsætning til dets vidt udbredte SiO _2- modstykke, silica).

Ud over de mineraler, der er nævnt ovenfor, har vi også fundet, at der findes germanium i massekoncentrationer på 0,3% i kulstofaflejringer. Ligeledes kan nogle mikroorganismer behandle den til at generere små mængder GEH ₂ (CH ₃) ₂ og GEH ₃ (CH ₃), som ender forskudt ind floder og have.

Germanium er et biprodukt til forarbejdning af metaller som zink og kobber. For at opnå det skal det gennemgå en række kemiske reaktioner for at reducere dets svovl til det tilsvarende metal; det vil sige at fjerne GeS ₂ dets svovlatomer, så det blot er Ge.

Ristede

Svovlmineraler gennemgår en ristningsproces, hvor de opvarmes sammen med luften for at oxidering kan ske:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

For at adskille germanium fra remanensen omdannes det til dets respektive chlorid, som kan destilleres:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + ₂ H20

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Som det kan ses, kan transformationen udføres under anvendelse af saltsyre eller klorgas. Den GECL ₄ hydrolyseres derefter tilbage til GeO ₂, hvorved det udfældes som et hvidligt fast stof. Endelig reagerer oxidet med brint for at reducere til metallisk germanium:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Reduktion, der også kan udføres med trækul:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Det opnåede germanium består af et pulver, der er støbt eller formet til metalstænger, hvorfra strålende germaniumkrystaller kan dyrkes.

isotoper

Germanium har ikke nogen meget rigelig isotop i naturen. I stedet har den fem isotoper, hvis overflod er relativt lav: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) og ⁷⁶ Ge (7,75%). Bemærk, at atomvægten er 72.630 u, hvilket gennemsnit alle atommasser med de respektive forekomster af isotoper.

Den ⁷⁶ Ge isotop er faktisk radioaktiv; men dens halveringstid er så lang (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ år), at den praktisk talt er blandt de fem mest stabile isotoper af germanium. Andre radioisotoper, såsom ⁶⁸ Ge og ⁷¹ Ge, begge syntetiske, har kortere halveringstid (henholdsvis 270,95 dage og 11,3 dage).

Risici

Elementært og uorganisk germanium

Miljørisikoen for germanium er lidt kontroversiel. Da det er et let tungmetal, kan en udbredelse af dets ioner fra vandopløselige salte påføre økosystemet skader; dvs. dyr og planter kan påvirkes ved at indtage Ge ³⁺ -ioner.

Elementært germanium er sikkert, så længe det ikke er pulveriseret. Hvis det er i støv, kan en strøm af luft føre den til varmekilder eller stærkt oxiderende stoffer; og derfor er der risiko for brand eller eksplosion. Desuden kan dens krystaller ende i lungerne eller øjnene og forårsage alvorlige irritationer.

En person kan med sikkerhed håndtere en germanium-disk på sit kontor uden at bekymre sig om nogen ulykke. Det samme kan imidlertid ikke siges for dets uorganiske forbindelser; dets salte, oxider og hydrider. For eksempel GEH ₄ eller germansk (analog med CH ₄ og SiH ₄), er en helt irriterende og brændbar gas.

Organisk germanium

Nu er der organiske kilder til germanium; Blandt dem kan nævnes 2-carboxyethylgermasquioxan eller germanium-132, et alternativt supplement, der er kendt for at behandle visse lidelser; skønt der med tvivl er sat tvivl.

Nogle af de medicinske virkninger, der tilskrives germanium-132, er at styrke immunforsvaret og således hjælpe med at bekæmpe kræft, HIV og AIDS; regulerer kroppens funktioner såvel som forbedrer graden af ​​iltning i blodet, eliminerer frie radikaler; og det kurerer også gigt, glaukom og hjertesygdom.

Imidlertid er organisk germanium blevet knyttet til alvorlig skade på nyrer, lever og nervesystem. Derfor er der en latent risiko, når det gælder forbrug af dette germanium-supplement; Selvom der er dem, der betragter det som en mirakelkur, er der andre, der advarer om, at det ikke giver nogen videnskabeligt bevist fordel.

Applikationer

Infrarød optik

Nogle infrarøde strålingssensorer er lavet af germanium eller dets legeringer. Kilde: Adafruit Industries via Flickr.

Germanium er gennemsigtig for infrarød stråling; det vil sige, de kan passere gennem det uden at blive optaget.

Takket være dette er germanium-briller og linser bygget til infrarøde optiske enheder; for eksempel kombineret med en IR-detektor til spektroskopisk analyse i linser, der bruges i fjerninfrarøde rumteleskoper til at studere de fjerneste stjerner i universet, eller i lys- og temperatursensorer.

Infrarød stråling er forbundet med molekylære vibrationer eller varmekilder; så enheder, der bruges i den militære industri til at se nattesynsmål, har komponenter fremstillet af germanium.

Halvledermateriale

Germanium-dioder indkapslet i glas og brugt i 60'erne og 70'erne. Kilde: Rolf Süssbrich

Germanium som halvledermetalloid er blevet brugt til at opbygge transistorer, elektriske kredsløb, lysemitterende dioder og mikrochips. I sidstnævnte er germanium-siliciumlegeringer og endda germanium i sig selv begyndt at erstatte silicium, så stadig mindre og mere kraftfulde kredsløb kan designes.

Dets oxid, GeO ₂, sættes på grund af dets høje brydningsindeks til briller, så de kan bruges i mikroskopi, vidvinkelmål og fiberoptik.

Germanium er ikke kun kommet til at erstatte silicium i visse elektroniske applikationer, men kan også forbindes med galliumarsenid (GaA'er). Denne metalloid er således også til stede i solcellepaneler.

Katalysatorer

GeO ₂ er blevet anvendt som katalysator til polymerisationsreaktioner; for eksempel i den, der er nødvendig til syntese af polyethylenterephthalat, en plast, hvormed skinnende flasker, der sælges i Japan, er fremstillet.

Ligeledes katalyserer nanopartiklerne af deres platinlegeringer redoxreaktioner, hvor de involverer dannelse af brintgas, hvilket gør disse voltaiske celler mere effektive.

Legeringer

Endelig er det blevet nævnt, at der er Ge-Si- og Ge-Pt-legeringer. Derudover kan dens Ge-atomer føjes til krystaller af andre metaller, såsom sølv, guld, kobber og beryllium. Disse legeringer viser større duktilitet og kemisk resistens end deres individuelle metaller.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Silicon & germanium krystal struktur. Gendannes fra: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19. juli 2016). Er Germanium en mirakelkur? Healthline Media. Gendannes fra: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Periodisk tabel: germanium. Gendannes fra: lenntech.com
6. National Center for Biotechnology Information. (2019). Germanium. PubChem-database. CID = 6326954. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Germanium Element Facts. Chemicool. Gendannes fra: chemicool.com
8. Emil Venere. (8. december 2014). Germanium kommer hjem til Purdue for halvledermilepæl. Gendannes fra: purdue.edu
9. Marques Miguel. (Sf). Germanium. Gendannes fra: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: miljøforekomst, betydning og specifikation. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x