GERMANIUM: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, INNHENTING, BRUK - KJEMI - 2026

Den germanium er et metalloid element er representert ved den kjemiske betegnelsen Ge, og som hører til gruppe 14 i det periodiske system. Det finnes under silisium, og deler mange av dets fysiske og kjemiske egenskaper med det; så mye at det en gang het Ekasilicio, spådd av Dmitri Mendeleev selv.

Dets nåværende navn ble gitt av Clemens A. Winkler, til ære for hjemlandet Tyskland. Derfor er germanium knyttet til dette landet, og det er det første bildet som vekker tankene de som ikke kjenner det godt.

Ultren ren germaniumprøve. Kilde: Hi-Res Images of Chemical Elements

Germanium, som silisium, består av kovalente krystaller av tredimensjonale tetraedriske gitter med Ge-Ge-bindinger. På samme måte kan den finnes i monokrystallinsk form, der dens korn er store, eller polykrystallinske, sammensatt av hundrevis av små krystaller.

Det er et halvlederelement ved omgivelsestrykk, men når det stiger over 120 kbar blir det en metallisk allotrope; det vil si, muligens blir Ge-Ge-bindinger brutt og deres ordnet individuelt innpakket i havet av deres elektroner.

Det regnes som et ikke-giftig element, da det kan håndteres uten noen form for verneklær; selv om innånding og overdreven inntak kan føre til klassiske symptomer på irritasjon hos individer. Damptrykket er veldig lavt, så det er usannsynlig at røyk vil forårsake brann.

Uorganiske (salter) og organiske germaniums kan imidlertid være farlige for kroppen, til tross for at deres Ge-atomer interagerer på en mystisk måte med biologiske matriser.

Det er egentlig ikke kjent om organisk germanium kan betraktes som en mirakelkur for å behandle visse lidelser som en alternativ medisin. Vitenskapelige studier støtter imidlertid ikke disse påstandene, men avviser dem, og merker dette elementet selv som kreftfremkallende.

Germanium er ikke bare en halvleder, medfølgende silisium, selen, gallium og en hel rekke elementer i verden av halvledermaterialer og deres anvendelser; Det er også gjennomsiktig for infrarød stråling, noe som gjør det nyttig å produsere varmedetektorer fra forskjellige kilder eller regioner.

Historie

Mendeleev spådommer

Germanium var et av elementene hvis eksistens ble spådd i 1869 av den russiske kjemikeren Dmitri Mendeleev i hans periodiske tabell. Han kalte det foreløpig ekasilicon og plasserte det i et rom på det periodiske bordet mellom tinn og silisium.

I 1886 oppdaget Clemens A. Winkler germanium i en mineralprøve fra en sølvgruve i nærheten av Freiberg, Sachsen. Det var mineralet kalt argyrodite, på grunn av det høye sølvinnholdet, og ble nylig oppdaget i 1885.

Argyrodittprøven inneholdt 73-75% sølv, 17-18% svovel, 0,2% kvikksølv og 6-7% et nytt element, som Winkler senere ga navnet germanium.

Mendelejev hadde spådd at tettheten av elementet for å bli oppdaget bør være 5,5 g / cm ³ og dets atomvekt rundt 70. Hans spådommer viste seg å være ganske nær de av germanium.

Isolasjon og navn

I 1886 klarte Winkler å isolere det nye metallet og fant det lik antimon, men han vurderte på nytt og innså at elementet han hadde oppdaget tilsvarte ekasilicon.

Winkler kalte elementet 'germanium' stammet fra det latinske ordet 'germania', et ord de brukte for å beskrive Tyskland. Av denne grunn kalt Winkler det nye elementet germanium, etter sitt hjemland Tyskland.

Bestemmelse av dens egenskaper

I 1887, Winkler bestemmes de kjemiske egenskaper av germanium, å finne en atomvekt på 72,32 ved en analyse av rent germanium-tetraklorid (GeCl ₄ ).

I mellomtiden dedikerte Lecoq de Boisbaudran en atomvekt på 72,3 ved å studere elementets gnistspekter. Winkler fremstilte flere nye forbindelser fra germanium, inkludert fluorider, klorider, sulfider og dioksider.

På 1920-tallet førte undersøkelser av de elektriske egenskapene til germanium til utviklingen av monokrystallinsk germanium med høy renhet.

Denne utviklingen tillot bruk av germanium i dioder, likerettere og mikrobølge radar mottakere under andre verdenskrig.

Utvikling av applikasjonene dine

Den første industrielle applikasjonen kom etter krigen i 1947, med oppfinnelsen av germanium-transistorer av John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley, som ble brukt i kommunikasjonsutstyr, datamaskiner og bærbare radioer.

I 1954 begynte silisiumtransistorer med høy renhet å fortrenge germanium-transistorer på grunn av de elektroniske fordelene de hadde. Og på 1960-tallet hadde germanium-transistorer praktisk talt forsvunnet.

Germanium viste seg å være en sentral komponent i fremstilling av infrarøde linser og vinduer. På 1970-tallet ble silicium germanium (SiGe) voltaiske celler (PVC) produsert som fortsatt er kritiske for satellittoperasjoner.

På 1990-tallet økte utviklingen og utvidelsen av fiberoptikk etterspørselen etter germanium. Elementet brukes til å danne glasskjernen til fiberoptiske kabler.

Fra og med 2000 førte høyeffektive PVC og lysemitterende dioder (LED) ved bruk av germanium til en økning i produksjonen og forbruket av germanium.

Fysiske og kjemiske egenskaper

Utseende

Sølvfarget hvitt og skinnende. Når det faste stoffet består av mange krystaller (polykrystallinsk), har det en skjellende eller rynket overflate, full av overtoner og skygger. Noen ganger kan det til og med virke så gråaktig eller svart som silisium.

Under standardforhold er det et halvmetallisk element, sprøtt og metallisk glans.

Germanium er en halvleder, ikke veldig duktil. Den har en høy brytningsindeks for synlig lys, men er gjennomsiktig for infrarød stråling, og brukes i utstyrsvinduer for å oppdage og måle denne strålingen.

Standard atomvekt

72,63 u

Atomnummer (Z)

32

Smeltepunkt

938,25 ºC

Kokepunkt

2.833 ºC

tetthet

Ved romtemperatur: 5.323 g / cm ³

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

Germanium, som silisium, gallium, vismut, antimon og vann, utvides når det stivner. Av denne grunn er dens densitet høyere i flytende tilstand enn i fast tilstand.

Fusjonsvarme

36,94 kJ / mol

Fordampingsvarme

334 kJ / mol

Molær kalorikapasitet

23.222 J / (mol K)

Damptrykk

Ved en temperatur på 1644 K er damptrykket bare 1 Pa. Dette betyr at væsken nesten ikke avgir damp ved den temperaturen, så det innebærer ikke fare for innånding.

elektro

2.01 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

-Først: 762 kJ / mol

-Sekund: 1.537 kJ / mol

-Tredde: 3.302,1 kJ / mol

Termisk ledningsevne

60,2 W / (m K)

Elektrisk resistivitet

1 atm ved 20 ºC

Elektrisk ledningsevne

3S cm ^-1

Magnetisk orden

diamagnetic

hardhet

6,0 på Mohs-skalaen

Stabilitet

Relativt stabil. Det påvirkes ikke av luft ved romtemperatur og oksiderer ved temperaturer over 600 ºC.

Overflatespenning

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

reaktivitet

Det oksiderer ved temperaturer over 600 ºC for å danne germanium dioxide (GeO ₂ ). Germanium produserer to former for oksider: germanium dioxide (GeO ₂ ) og germanium monoxide (GeO).

Germanforbindelser oppviser generelt +4 oksidasjonstilstand, selv om det i mange forbindelser forekommer germanium med +2 oksidasjonstilstand. Oksidasjonstilstanden - 4 forekommer for eksempel i magnesiumtyskid (Mg ₂ Ge).

German reagerer med halogener og danner tetrahalogenider: germanium tetrafluorid (GeF ₄ ), en gassforbindelse ; germanium tetraiodide GEI ( ₄ ), fast forbindelse; germanium-tetraklorid (GeCl ₄ ) og germanium tetrabromid (Gebr ₄ ), både flytende forbindelser.

Germanium er inert mot saltsyre; men den blir angrepet av salpetersyre og svovelsyre. Selv om hydroksider i vandig løsning har liten effekt på germanium, løses de lett opp i smeltede hydroksider for å danne geronater.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Germanium og dens bindinger

Germanium har fire valenselektroner i henhold til den elektroniske konfigurasjonen:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

I likhet med karbon og silisium, hybridiserer Ge-atomene deres 4s og 4p orbitaler for å danne fire sp ³ hybrid orbitals . Med disse orbitalene binder de seg for å tilfredsstille valensoktetten, og har følgelig samme antall elektroner som edelgassen i samme periode (krypton).

På denne måten oppstår Ge-Ge-kovalente bindinger, og som har fire av dem for hvert atom, er omgivende tetraedre definert (med en Ge i sentrum og de andre i hjørnene). Dermed etableres et tredimensjonalt nettverk ved forskyvning av disse tetraedrene langs den kovalente krystallen; som oppfører seg som om det var et enormt molekyl.

allotropes

Den kovalente germaniumkrystallen vedtar den samme ansiktssentrerte kubiske strukturen av diamant (og silisium). Denne allotropen er kjent som α-Ge. Hvis trykket øker til 120 kbar (ca. 118 000 atm), blir krystallstrukturen til α-Ge kroppssentrert tetragonal (BCT, for sitt akronym på engelsk: Body-centered tetragonal).

Disse BCT-krystallene tilsvarer den andre allotropen av germanium: ß-Ge, der Ge-Ge-bindingene brytes og arrangeres isolert, som det skjer med metaller. Dermed er α-Ge halvmetallisk; mens β-Ge er metallisk.

Oksidasjonsnummer

Germanium kan enten miste sine fire valenselektroner, eller få fire til for å bli isoelektronisk med krypton.

Når den mister elektroner i forbindelsene sine, sies det å ha tall eller positive oksidasjonstilstander, der eksistensen av kationer med de samme ladningene som disse tallene antas. Blant disse har vi +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) og +4 (Ge ⁴⁺ ).

For eksempel har følgende forbindelser germanium med positive oksidasjonsnummer: 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 den får elektroner i forbindelsene sine, har den negative oksidasjonsnummer. Blant dem er den vanligste -4; det vil si, eksistensen av Ge ^4- er anion antatt . I germanides skjer 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 å finne og skaffe

Svovelholdige mineraler

Argyrodite mineralprøve, med lite overflod, men en unik malm for ekstraksjon av germanium. Kilde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanium er et relativt sjeldent element i jordskorpen. Få mineraler inneholder en betydelig mengde av den, blant hvilke vi kan nevne: argyrodite (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanitt (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartitt (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renieritt og canfieldite.

De har alle noe til felles: De er svovel eller svovelholdige mineraler. Derfor dominerer germanium i naturen (eller i det minste her på jorden), som GeS ₂ og ikke GeO ₂ (i motsetning til dens vidt spredte SiO _2- motstykke , silica).

I tillegg til mineralene nevnt over, har vi også funnet germium i massekonsentrasjoner på 0,3% i karbonforekomster. På samme måte kan noen mikroorganismer behandle den for å generere små mengder GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ og GeH ₃ (CH ₃ ), som ender opp med å fortrenge i elver og hav.

Germanium er et biprodukt fra prosessering av metaller som sink og kobber. For å oppnå det må den gjennomgå en serie kjemiske reaksjoner for å redusere svovel til det tilsvarende metall; det vil si å fjerne GeS ₂ sine svovelatomer slik at det ganske enkelt er Ge.

ristet

Svovelmineraler gjennomgår en stekeprosess der de varmes opp sammen med luften for at oksidasjoner skal oppstå:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

For å skille germanium fra resten omdannes det til dets respektive klorid, som kan destilleres:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + ₂ H20

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Som det kan sees, kan transformasjonen utføres ved bruk av saltsyre eller klorgass. Den GeCl ₄ hydrolyseres deretter tilbake til Geo ₂ , hvorved det utfelles som et gråhvitt, fast stoff. Til slutt reagerer oksydet med hydrogen for å redusere til metallisk germanium:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Reduksjon som også kan gjøres med trekull:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Det oppnådde germanium består av et pulver som er støpt eller tampet til metallstenger, hvorfra strålende germaniumkrystaller kan dyrkes.

isotoper

Germanium har ingen rikelig 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%). Legg merke til at atomvekten er 72.630 u, noe som er gjennomsnittlig alle atommassene med de respektive overflodene av isotopen.

⁷⁶ Ge- isotopen er faktisk radioaktiv; men halveringstiden er så lang (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ år) at den praktisk talt er blant de fem mest stabile isotoper av germanium. Andre radioisotoper, som ⁶⁸ Ge og ⁷¹ Ge, begge syntetiske, har kortere halveringstid (henholdsvis 270,95 dager og 11,3 dager).

risiko

Elementært og uorganisk germanium

Miljørisikoen for germanium er litt kontroversiell. Å være et lite tungmetall, kan en forplantning av ionene fra vannoppløselige salter påføre økosystemet skader; det vil si at dyr og planter kan bli påvirket av å konsumere Ge ³⁺ -ioner .

Elementært germanium er trygt, så lenge det ikke er pulverisert. Hvis det er i støv, kan en strøm av luft føre den til varmekilder eller sterkt oksiderende stoffer; og derfor er det fare for brann eller eksplosjon. Dessuten kan krystallene havne i lungene eller øynene og forårsake alvorlige irritasjoner.

En person kan trygt håndtere en germanium-disk på kontoret sitt uten å bekymre seg for noen ulykke. Det samme kan ikke sies for sine uorganiske forbindelser; det vil si salter, oksider og hydrider. For eksempel, geh ₄ eller tyske (analogt med CH ₄ og SiH ₄ ), er en ganske irriterende og brennbar gass.

Organisk germanium

Nå er det organiske kilder til germanium; Blant dem kan nevnes 2-karboksyetylgermasquioxane eller germanium-132, et alternativt supplement kjent for å behandle visse plager; selv om bevis er satt i tvil.

Noen av de medisinske virkningene som tilskrives germanium-132 er å styrke immunforsvaret, og dermed bidra til å bekjempe kreft, HIV og AIDS; regulerer kroppens funksjoner, samt forbedrer oksygengraden i blodet, eliminerer frie radikaler; og det kurerer også leddgikt, glaukom og hjertesykdom.

Imidlertid har organisk germanium blitt knyttet til alvorlig skade på nyrer, lever og nervesystem. Det er derfor det er en latent risiko når det gjelder å konsumere dette germanium-tilskuddet; Selv om det er de som anser det som en mirakelkur, er det andre som advarer om at det ikke gir noen vitenskapelig bevist fordel.

applikasjoner

Infrarød optikk

Noen infrarøde strålingssensorer er laget av germanium eller legeringer. Kilde: Adafruit Industries via Flickr.

Germanium er gjennomsiktig for infrarød stråling; det vil si at de kan passere gjennom det uten å bli absorbert.

Takket være dette er germanium-briller og linser bygget for infrarøde optiske enheter; for eksempel kombinert med en IR-detektor for spektroskopisk analyse, i linser som brukes i fjerninfrarøde romteleskoper for å studere de fjerneste stjernene i universet, eller i lys- og temperatursensorer.

Infrarød stråling er assosiert med molekylære vibrasjoner eller varmekilder; slik at enhetene som brukes i militærindustrien for å vise nattsynsmål har komponenter laget av germanium.

Halvledermateriale

Germanium-dioder innkapslet i glass og brukt på 60- og 70-tallet. Kilde: Rolf Süssbrich

Germanium som halvledermetalloid er blitt brukt til å bygge transistorer, elektriske kretser, lysemitterende dioder og mikrobrikker. I de siste har germanium-silisiumlegeringer, og til og med germanium, i seg selv begynt å erstatte silisium, slik at stadig mindre og kraftigere kretsløp kan utformes.

På grunn av den høye brytningsindeksen tilsettes oksydet, GeO ₂ , til glassene slik at de kan brukes i mikroskopi, vidvinkelmål og fiberoptikk.

Germanium har ikke bare kommet til å erstatte silisium i visse elektroniske applikasjoner, men kan også kobles med galliumarsenid (GaAs). Dermed er denne metalloiden også til stede i solcellepaneler.

Katalysatorer

GeO ₂ har blitt brukt som katalysator for polymerisasjonsreaksjoner; for eksempel i den som er nødvendig for syntese av polyetylentereftalat, en plast som blanke flasker som selges i Japan er laget med.

På samme måte katalyserer nanopartiklene i platina-legeringene sine redoksreaksjoner der de involverer dannelse av hydrogengass, noe som gjør disse voltaiske cellene mer effektive.

legeringer

Endelig har det blitt nevnt at det er Ge-Si og Ge-Pt legeringer. I tillegg til dette kan Ge-atomer legges til krystallene av andre metaller, som sølv, gull, kobber og beryllium. Disse legeringene viser større duktilitet og kjemisk motstand enn deres individuelle metaller.

referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Silisium- og germaniumkrystallstruktur. Gjenopprettet fra: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19. juli 2016). Er Germanium en mirakelkur? Healthline Media. Gjenopprettet fra: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Periodisk tabell: germanium. Gjenopprettet fra: lenntech.com
6. Nasjonalt senter for informasjon om bioteknologi. (2019). Germanium. PubChem-databasen. CID = 6326954. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Germanium Element Facts. Chemicool. Gjenopprettet fra: chemicool.com
8. Emil Venere. (8. desember 2014). Germanium kommer hjem til Purdue for halvleder milepæl. Gjenopprettet fra: purdue.edu
9. Marques Miguel. (SF). Germanium. Gjenopprettet fra: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: miljøforekomst, viktighet og spesiasjon. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x