ГЕРМАНИЈУМ: ИСТОРИЈА, СВОЈСТВА, СТРУКТУРА, ДОБИЈАЊЕ, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2025

Германијум је металлоид елемент представљен хемијским симболом Ге и припада групи 14. периодног система. Налази се испод силицијума и дели с њим многа физичка и хемијска својства; толико, да је једном име било Екасилицио, што је предвидио и сам Дмитри Менделеев.

Његово садашње име дао је Цлеменс А. Винклер, у част своје домовине Немачке. Дакле, германијум је повезан са овом земљом и прва је слика која евокутира ум онима који је не познају добро.

Ултра чист узорак германија. Извор: Хи-Рес слике хемијских елемената

Германијум се, попут силицијума, састоји од ковалентних кристала тродимензионалне тетраедарске решетке са Ге-Ге везама. Исто тако, може се наћи у монокристалном облику, у коме су зрна крупна, или поликристална, састављена од стотина малих кристала.

То је полуводички елемент при атмосферском притиску, али када се подигне изнад 120 кбар, постаје метални алотроп; то јест, вероватно су Ге-Ге везе прекинуте и распоређене су појединачно умотане у море својих електрона.

Сматра се нетоксичним елементом, јер се са њим може руковати без икакве заштитне одеће; иако његово удисање и прекомерни унос могу довести до класичних симптома иритације код појединаца. Притисак паре је врло низак, тако да његов дим вероватно неће изазвати пожар.

Међутим, неоргански (соли) и органски германијуми могу бити опасни за организам, упркос чињеници да њихови Ге атоми на мистериозан начин комуницирају с биолошким матрицама.

Није заиста познато да ли се органски германијум може сматрати чудесним леком за лечење одређених поремећаја као алтернативног лека. Међутим, научне студије не подржавају ове тврдње, већ их одбацују и овај елемент називају чак канцерогеним.

Германијум није само полуводич, који прати силицијум, селен, галијум и читав низ елемената у свету полуводичких материјала и њихове примене; Такође је транспарентан инфрацрвеном зрачењу, што га чини корисним за производњу детектора топлоте из различитих извора или региона.

Историја

Менделеев предвиђања

Германијум је био један од елемената чије је постојање 1869. године предвидио руски хемичар Дмитри Менделеев у својој периодичној табели. Привремено га је назвао екасилицијом и ставио га у простор на периодичној табли између калаја и силицијума.

1886. године, Цлеменс А. Винклер открио је германијум у узорку минерала из рудника сребра у близини Фреиберга у Саксонији. Био је то минерал зван аргиродит, због високог садржаја сребра, а тек недавно откривен 1885.

Узорак аргиродита садржавао је 73-75% сребра, 17-18% сумпора, 0,2% живе и 6-7% новог елемента, који је Винклер касније назвао германијум.

Менделеев је предвидио да би густина елемента који треба открити требало да буде 5,5 г / цм ^3, а његова атомска тежина око 70. Испоставило се да су његова предвиђања прилично блиска оним германијума.

Изолација и име

1886. Винклер је успео да изолује нови метал и нађе га сличног антимону, али је преиспитао и схватио да елемент који је открио одговара екасилицијуму.

Винклер је елемент назвао „германијум“, а потиче од латинске речи „германија“, речи коју су користили да опишу Немачку. Из тог разлога, Винклер је нови елемент назвао германијум, по својој родној Немачкој.

Одређивање његових својстава

Године 1887. Винклер је утврдио хемијска својства германија, проналазећи атомску масу од 72,32 анализом чистог германијум-тетраклорида (ГеЦл ₄ ).

У међувремену, Лецок де Боисбаудран извукао је атомску масу од 72,3, проучавајући спектар искре. Винклер је припремио неколико нових једињења из германија, укључујући флуориде, хлориде, сулфиде и диоксиде.

У 1920-има, истраживања електричних својстава германија довела су до развоја монокристалног германијума високе чистоће.

Овај развој омогућио је употребу германијума у ​​диодама, исправљачима и пријемницима микроталасних радара током Другог светског рата.

Развој ваших апликација

Прва индустријска примена уследила је после рата 1947., Проналаском германијумских транзистора Јохн Бардеен-а, Валтера Браттаин-а и Виллиама Схоцклеи-а који су коришћени у комуникацијској опреми, рачунарима и преносним радио уређајима.

1954. силицијски транзистори високе чистоће почели су да измичу германијум транзисторе због електронских предности које поседују. И до 1960-их, германијум транзистори су практично нестали.

Германијум се показао као кључна компонента у изради инфрацрвених (ИР) сочива и прозора. Седамдесетих година прошлог века произведене су волтаичне ћелије силицијум германијум (СиГе) (ПВЦ) које и даље остају критичне за сателитске операције.

Током деведесетих година прошлог века, развој и ширење оптичких влакана повећали су потражњу за германијумом. Елемент се користи за формирање стаклене језгре оптичких каблова.

Почев од 2000. године, високо ефикасни ПВЦ-и и светлеће диоде (ЛЕД) помоћу германијума довели су до повећања производње и потрошње германија.

Физичка и хемијска својства

Изглед

Сребрно беле и сјајне. Када се њена чврста супстанца састоји од многих кристала (поликристалних), има љускаву или наборану површину, пуну претензија и сенки. Понекад се може појавити чак сивкасто или црно као силицијум.

У стандардним условима је полу-метални елемент, ломљив и металик сјај.

Германијум је полуводич, не баш дуктилни. Има висок индекс лома за видљиву светлост, али је транспарентан за инфрацрвено зрачење, па се користи у прозорима опреме за откривање и мерење тих зрачења.

Стандардна атомска тежина

72.63 у

Атомски број (З)

32

Тачка топљења

938,25 ºЦ

Тачка кључања

2.833 ºЦ

Густина

На собној температури: 5.323 г / цм ³

Ат Тачка топљења (течност): 5.60 г / цм ³

Германијум, као што је силицијум, галијум, бизмут, антимон и вода, шири се како се укрућује. Из тог разлога, густина му је већа у течном стању него у чврстом.

Топлина фузије

36,94 кЈ / мол

Топлина испаравања

334 кЈ / мол

Моларни калоријски капацитет

23.222 Ј / (мол К)

Притисак паре

При температури од 1.644 К, његов парни притисак је само 1 Па. То значи да његова течност при тој температури не емитује готово никакве паре, тако да не подразумева ризик од удисања.

Електронегативност

2.01 на Паулинг скали

Енергије јонизације

-Прво: 762 кЈ / мол

-Секунда: 1,537 кЈ / мол

-Треће: 3,302,1 кЈ / мол

Топлотна проводљивост

60,2 В / (м К)

Електрична отпорност

1 Ωм на 20 ºЦ

Електрична проводљивост

3С цм ^-1

Магнетни ред

Диамагнетиц

Тврдоћа

6.0 по Мохосовој скали

Стабилност

Релативно стабилна. На њу не утиче ваздух собне температуре и оксидира на температурама изнад 600 ° Ц.

Површински напон

6 10 ^-1 Н / м при 1.673,1 К

Реактивност

Она оксидира на температурама изнад 600ºЦ формирати германијум диоксид (ГЕО ₂ ). Германијум производи два облика оксида: германијум диоксид (ГеО ₂ ) и германијум моноксид (ГеО).

Једињења германија углавном показују +4 оксидационо стање, мада се у многим једињењима германијум јавља са +2 оксидационим стањем. Оксидационо стање-4 настаје, на пример, у магнезијумовом германиду (Мг ₂ Ге).

Германијум реагира са халогеном да би формирао тетрахалиде: германијум тетрафлуорид (ГеФ ₄ ), гасовито једињење; германијум тетраиодид (ГеИ ₄ ), чврсто једињење; германијум тетраклорид (ГеЦл ₄ ) и германијум тетрабромид (ГеБр ₄ ), оба течна једињења.

Германијум је инертан према хлороводоничној киселини; али га нападају азотна киселина и сумпорна киселина. Иако хидроксиди у воденом раствору имају мало утицаја на германијум, он се лако раствара у растопљеним хидроксидима да би формирао геронете.

Структура и електронска конфигурација

Германијум и његове везе

Германијум има четири валентна електрона у складу са својом електронском конфигурацијом:

3д ¹⁰ 4с ² 4п ²

Попут угљеника и силицијума, њихови Ге атоми хибридизује своје 4с и 4П орбитала формирају четири сп ³ хибридних орбитала . Помоћу ових орбитала везују се за валентни октет и, сходно томе, имају исти број електрона као и племенити гас истог периода (криптон).

На тај начин настају ковалентне везе Ге-Ге, ​​које имају четири за сваки атом, околне тетраедре су дефинисане (с једним Ге у средини, а други у врховима). Тако се тродимензионална мрежа успоставља премештањем ових тетраедра дуж ковалентног кристала; која се понаша као да је огроман молекул.

Алотропи

Ковалентни кристал германијума има исту кубну структуру дијаманта (и силицијума) усредсређену на лице. Овај алотроп је познат као α-Ге. Ако се притисак повећа на 120 кбар (око 118 000 атм), кристална структура α-Ге постаје тетрагонално центрирана у тело (БЦТ, на њеној кратици на енглеском: Боди-центеред тетрагонал).

Ови кристали БЦТ одговарају другом алотропу германијума: β-Ге, где су Ге-Ге везе прекинуте и поређане изоловано, као што је случај са металима. Стога је α-Ге полу-метални; док је β-Ге метални.

Оксидациони бројеви

Германијум може или изгубити своја четири валентна електрона, или добити још четири да постане изоелектронски са криптоном.

Када изгубе електроне у својим једињењима, каже се да имају бројеве или позитивна оксидациона стања, у којима се претпоставља постојање катиона са истим набојима као и ови бројеви. Међу њима имамо +2 (Ге ²⁺ ), +3 (Ге ³⁺ ) и +4 (Ге ⁴⁺ ).

На пример, следећа једињења имају германијум са позитивним оксидационим бројевима: ГеО (Ге ²⁺ О ^2- ), ГеТе (Ге ²⁺ Те ^2- ), Ге ₂ Цл ₆ (Ге ₂ ³⁺ Цл ₆ ^- ), ГеО ₂ (Ге ⁴⁺ О ₂ ^2- ) и ГеС ₂ (Ге ⁴⁺ С ₂ ^2- ).

Док када добије електроне у својим једињењима, има негативне оксидационе бројеве. Међу њима најчешћа је -4; односно постојање Ге ^4- ањона се претпоставља . У германидама се то дешава, а као примере за њих имамо Ли ₄ Ге (Ли ₄ ⁺ Ге ^4- ) и Мг ₂ Ге (Мг ₂ ²⁺ Ге ^4- ).

Где се могу наћи и набавити

Сумпорни минерали

Аргиродитни минерални узорак, малог обиља, али јединствене руде за екстракцију германија. Извор: Роб Лавински, иРоцкс.цом - ЦЦ-БИ-СА-3.0

Германијум је релативно редак елемент у земљиној кори. Мало минерала садржи његову знатну количину, а међу њима можемо поменути: аргиродит (4Аг ₂ С · ГеС ₂ ), германит (7ЦуС · ФеС · ГеС ₂ ), бриартит (Цу ₂ ФеГеС ₄ ), рениерит и канфилдит.

Сви имају нешто заједничко: сумпор или сумпорни минерали. Због тога, германијум доминира у природи (или бар овде на Земљи), попут ГеС _2, а не ГеО ₂ (за разлику од широко распрострањеног СиО ₂ колеге , силицијума).

Поред горе наведених минерала, пронађено је и да се германијум налази у масним концентрацијама од 0,3% у наслагама угљеника. Исто тако, неки микроорганизми могу обрадити за стварање мале количине гех ₂ (ЦХ ₃ ) ₂ и гех ₃ (ЦХ ₃ ), који заврши као расељена према ријекама и морима.

Германијум је нуспроизвод обраде метала попут цинка и бакра. Да би се добио мора проћи низ хемијских реакција да би се сумпор смањио у одговарајући метал; то јест, уклонити ГеС ₂ његове атоме сумпора тако да је то једноставно Ге.

Тост

Сумпорни минерали пролазе процес печења током кога се загревају заједно са ваздухом да би се оксидације појавиле:

ГеС ₂ + 3 О ₂ → ГеО ₂ + 2 СО ₂

Да би одвојио германијум од остатка, он се претвара у његов хлорид који може да се дестилира:

ГеО ₂ + 4 ХЦл → ГеЦл ₄ + 2 Х ₂ О

ГеО ₂ + 2 Цл ₂ → ГеЦл ₄ + О ₂

Као што се може видети, трансформација се може извршити коришћењем хлороводоничне киселине или гаса хлора. ГеЦл ₄ је онда хидролизује назад Гео ₂ , при чему се таложи као беличасту чврсту супстанцу. Коначно, оксид реагује са водоником да би се смањио у метални германијум:

ГеО ₂ + 2 Х ₂ → Ге + 2 Х ₂ О

Редукција која се такође може извршити дрвеним угљеном:

ГеО ₂ + Ц → Ге + ЦО ₂

Добивени германијум састоји се од праха који се улива или затвара у металне шипке, из кога се могу узгајати зрачећи кристали германијума.

Изотопи

Германијум не поседује високо обилне изотопе у природи. Уместо тога, има пет изотопа чија су обиља релативно мала: ⁷⁰ Ге (20,52%), ⁷² Ге (27,45%), ⁷³ Ге (7,76%), ⁷⁴ Ге (36,7%) и ⁷⁶ Ге (7,75%). Имајте на уму да је атомска тежина 72.630 у, што у просеку даје све атомске масе са одговарајућим обиљем изотопа.

Изотоп ⁷⁶ Ге је заправо радиоактиван; али његов полуживот је толико дуг (т _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ година) да је практично међу пет најстабилнијих изотопа германија. Остали радиоизотопи, попут ⁶⁸ Ге и ⁷¹ Ге, оба синтетичка, имају краћи полуживот (270,95 дана и 11,3 дана, респективно).

Ризици

Елементарни и неоргански германијум

Еколошки ризици за германијум су мало контроверзни. Будући да је мало тешки метал, ширење његових јона из соли растворљивих у води може нанети штету екосистему; то јест, на животиње и биљке може се утицати конзумирањем Ге ³⁺ јона .

Елементарни германијум је сигуран све док није у праху. Ако је у прашини, струја ваздуха може да је одведе до извора топлоте или јако оксидационих материја; и последично постоји опасност од пожара или експлозије. Такође, његови кристали могу завршити у плућима или очима што изазива јаке иритације.

Особа може сигурно руковати германијевим диском у својој канцеларији без бриге о незгоди. Међутим, исто се не може рећи за њена неорганска једињења; то јест, његове соли, оксиди и хидриди. На пример, Гех ₄ или Германска (аналогно ЦХ ₄ и СИХ ₄ ), је прилично иритира и запаљиви гас.

Органиц германиум

Сада постоје органски извори германијума; Међу њима се може поменути 2-карбоксиетилгермаскиоксан или германијум-132, алтернативни додатак за лечење одређених тегоба; иако је са доказима доведен у питање.

Неки од лековитих ефеката који се приписују германију-132 јесте јачање имунолошког система, помажући у борби против рака, ХИВ-а и АИДС-а; регулише функције тела, као и побољшава степен оксигенације у крви, елиминише слободне радикале; и такође лечи артритис, глауком и срчане болести.

Међутим, органски германијум је повезан са озбиљним оштећењима бубрега, јетре и нервног система. Зато постоји латентни ризик када је у питању конзумирање овог додатка германијума; Па, иако има и оних који то сматрају чудесним леком, има и других који упозоравају да он не нуди никакву научно доказану корист.

Апликације

Инфрацрвена оптика

Неки сензори инфрацрвеног зрачења израђени су од германијума или његових легура. Извор: Адафруит Индустриес путем Флицкр-а.

Германијум је транспарентан на инфрацрвено зрачење; то јест, могу проћи кроз њега а да не буду апсорбирани.

Захваљујући томе, изграђене су наочаре и сочива за германију за инфрацрвене оптичке уређаје; на пример, заједно са ИР детектором за спектроскопску анализу, у сочивима која се користе у далеком инфрацрвеним свемирским телескопима за проучавање најудаљенијих звезда у Универзуму, или у сензорима светлости и температуре.

Инфрацрвено зрачење је повезано са молекуларним вибрацијама или изворима топлоте; па уређаји који се користе у војној индустрији за гледање циљева ноћног вида имају компоненте направљене од германија.

Полупроводнички материјал

Германијеве диоде инкапсулиране у стаклу и коришћене 60-их и 70-их. Извор: Ролф Суссбрицх

Германијум као полуводички металоид коришћен је за изградњу транзистора, електричних кола, светлећих диода и микрочипова. У последњем, легуре германијум-силицијум, па чак и германијум, саме су почеле да замењују силицијум, тако да могу да се конструишу све мањи и моћнији кругови.

Његов оксид, ГеО ₂ , због високог индекса лома, додаје се чашама тако да се могу користити у микроскопији, ширококутним циљевима и оптичким влакнима.

Германијум није само заменио силицијум у одређеним електронским апликацијама, већ се може спојити и са галијум-арсенидом (ГаАс). Стога је овај металоид присутан и у соларним плочама.

Катализатори

ГеО ₂ се користи као катализатор за полимеризацију реакције; на пример, у оном неопходном за синтезу полиетилен терефталата, пластике са којом се праве сјајне боце које се продају у Јапану.

Исто тако, наночестице њихових легура платине катализују редокс реакције тамо где укључују стварање водоничног гаса, чинећи ове волтаичне ћелије ефикаснијим.

Легуре

Коначно, поменуто је да постоје Ге-Си и Ге-Пт легуре. Поред овога, његови Ге атоми могу се додати кристалима других метала, као што су сребро, злато, бакар и берилијум. Ове легуре показују већу дуктилност и хемијску отпорност од појединачних метала.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија . (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Википедиа. (2019). Германијум. Опоравак од: ен.википедиа.орг
3. ПхисицсОпенЛаб. (2019). Кристална структура силицијума и германија. Опоравак од: пхисицсопенлаб.орг
4. Сусан Иорк Моррис. (19. јула 2016.). Да ли је Германијум чудо? Хеалтхлине Медиа. Опораван од: хеалтхлине.цом
5. Леннтецх БВ (2019). Периодна табела: германијум. Опоравак од: леннтецх.цом
6. Национални центар за информације о биотехнологији. (2019). Германијум. ПубЦхем база података. ЦИД = 6326954. Опоравак од: пубцхем.нцби.нлм.них.гов
7. Др Доуг Стеварт. (2019). Чињенице о немачком елементу. Цхемицоол. Опоравак од: цхемицоол.цом
8. Емил Венере. (8. децембар 2014.). Германијум долази кући у Пурдуе због полуводичке прекретнице. Опоравак од: пурдуе.еду
9. Маркуес Мигуел. (сф) Германијум. Опоравак од: наутилус.фис.уц.пт
10. Росенберг, Е. Рев Енвиронмент Сци Биотецхнол. (2009). Германијум: појава у околини, значај и спецификација. 8: 29. дои.орг/10.1007/с11157-008-9143-к