GERMANIUM: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, ZÍSKÁVÁNÍ, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Germanium je metaloid prvek je reprezentován chemické značky Ge a patřící do skupiny 14 periodické tabulky prvků. Nachází se pod křemíkem a sdílí s ním mnoho svých fyzikálních a chemických vlastností; natolik, že kdysi se jmenoval Ekasilicio, předpovídal sám Dmitri Mendeleev.

Jeho aktuální jméno bylo dáno Clemensem A. Winklerem, na počest jeho vlasti Německa. Proto je germanium spojeno s touto zemí a je to první obraz, který evokuje mysl těm, kteří to dobře neznají.

Vzorek z ultračistého germania. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvků

Germanium, jako křemík, sestává z kovalentních krystalů trojrozměrných tetrahedrálních mříží s Ge-Ge vazbami. Podobně je to v monokrystalické formě, ve které jsou jeho zrna velká nebo polykrystalická, složená ze stovek malých krystalů.

Je to polovodičový prvek při okolním tlaku, ale když stoupne nad 120 kbar, stává se kovovým allotropem; to znamená, že Ge-Ge svazky jsou pravděpodobně rozbité a jsou uspořádány jednotlivě zabalené do moře svých elektronů.

Je považován za netoxický prvek, protože s ním lze manipulovat bez jakéhokoli typu ochranného oděvu; i když jeho vdechování a nadměrný příjem mohou u jedinců vést k klasickým symptomům podráždění. Jeho tlak par je velmi nízký, takže je nepravděpodobné, že by kouř způsobil požár.

Anorganické (soli) a organická germania však mohou být pro organismus nebezpečná, přestože jejich atomy Ge záhadně interagují s biologickými matricemi.

Není opravdu známo, zda lze organické germanium považovat za zázračný lék pro léčbu určitých poruch jako alternativní medicíny. Vědecké studie však tato tvrzení nepodporují, ale je odmítají a označují tento prvek jako karcinogenní.

Germanium není jen polovodič, doprovodný křemík, selen, gallium a celá řada prvků ve světě polovodičových materiálů a jejich aplikace; Je také transparentní pro infračervené záření, což je užitečné pro výrobu tepelných detektorů z různých zdrojů nebo oblastí.

Dějiny

Mendeleevovy předpovědi

Germanium bylo jedním z prvků, jejichž existenci předpovídal ruský chemik Dmitrij Mendeleev ve své periodické tabulce v roce 1869. Prozatímně to nazval ekasilicon a umístil jej do mezery na periodické tabulce mezi cínem a křemíkem.

V roce 1886 Clemens A. Winkler objevil germánium v ​​minerálním vzorku ze stříbrného dolu poblíž Freibergu v Sasku. Byl to minerál zvaný argyrodit, kvůli jeho vysokému obsahu stříbra, a teprve nedávno byl objeven v roce 1885.

Vzorek argyroditu obsahoval 73-75% stříbra, 17-18% síry, 0,2% rtuti a 6-7% nový prvek, který Winkler později pojmenoval germanium.

Mendělejev předpověděl, že hustota prvku na objevení by měl být 5,5 g / cm ³ a jeho atomová hmotnost kolem 70. Jeho předpovědi se ukázalo být velmi blízké těm germanium.

Izolace a název

V 1886, Winkler byl schopný izolovat nový kov a našel to podobné antimonu, ale on přemýšlel a uvědomil si, že element, který objevil, odpovídal ekasilicon.

Winkler pojmenoval prvek „germanium“ pocházející z latinského slova „germania“, což je slovo, které použili k popisu Německa. Z tohoto důvodu Winkler pojmenoval nový prvek germanium po svém rodném Německu.

Stanovení jeho vlastností

V roce 1887, Winkler určí chemické vlastnosti germania, nalezení atomovou hmotností 72.32 analýza čistého germania chloridu (GeCl ₄).

Mezitím Lecoq de Boisbaudran odvodil atomovou hmotnost 72,3 studiem jiskra spektra prvku. Winkler připravil několik nových sloučenin z germania, včetně fluoridů, chloridů, sulfidů a dioxidů.

Ve dvacátých letech vedlo zkoumání elektrických vlastností germania k vývoji vysoce čistého monokrystalického germania.

Tento vývoj umožnil použití germania v diodách, usměrňovačích a mikrovlnných radarových přijímačích během druhé světové války.

Vývoj vašich aplikací

První průmyslová aplikace přišla po válce v roce 1947, s vynálezem germaniových tranzistorů Johnem Bardeenem, Walterem Brattainem a Williamem Shockleym, které byly použity v komunikačních zařízeních, počítačích a přenosných rádiích.

V roce 1954 začaly křemíkové tranzistory s vysokou čistotou přemístit germaniové tranzistory kvůli elektronickým výhodám, které měly. A v 60. letech minulého století tranzistory germania prakticky zmizely.

Germanium se ukázal být klíčovou součástí při výrobě infračervených (IR) čoček a oken. V 70. letech 20. století byly vyrobeny vulkanické články z křemíku germanium (SiGe) (PVC), které zůstávají pro satelitní operace kritické.

V 90. letech 20. století vývoj a rozšiřování optických vláken zvýšilo poptávku po germaniu. Tento prvek se používá k vytvoření skleněného jádra z optických kabelů.

Počínaje rokem 2000 vedly vysoce účinné PVC a diody emitující světlo (LED) s germaniem ke zvýšení produkce a spotřeby germania.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Vzhled

Stříbřitě bílé a lesklé. Když je její pevná látka tvořena mnoha krystaly (polykrystalickými), má šupinatý nebo zvrásněný povrch, plný podtónů a stínů. Někdy se může dokonce jevit jako šedivý nebo černý jako křemík.

Ve standardních podmínkách je to polokovový prvek, křehký a kovový lesk.

Germanium je polovodič, ne příliš tažný. Má vysoký index lomu pro viditelné světlo, ale je transparentní pro infračervené záření, protože se používá v oknech zařízení k detekci a měření tohoto záření.

Standardní atomová hmotnost

72,63 u

Atomové číslo (Z)

32

Bod tání

938,25 ° C

Bod varu

2,833 ° C

Hustota

Při pokojové teplotě: 5.323 g / cm ³

Na bod tání (kapalina): 5,60 g / cm ³

Germanium, jako křemík, gallium, vizmut, antimon a voda, se rozšiřuje, jak tuhne. Z tohoto důvodu je jeho hustota v kapalném stavu vyšší než v pevném stavu.

Teplo fúze

36,94 kJ / mol

Odpařovací teplo

334 kJ / mol

Molární kalorická kapacita

23,222 J / (mol K)

Tlak páry

Při teplotě 1 644 K je jeho tlak par pouze 1 Pa. To znamená, že její kapalina při této teplotě nevytváří téměř žádné páry, takže neznamená riziko vdechnutí.

Elektronegativita

2,01 v Paulingově stupnici

Ionizační energie

-První: 762 kJ / mol

-Second: 1 537 kJ / mol

-Third: 3 302,1 kJ / mol

Tepelná vodivost

60,2 W / (m K)

Elektrický odpor

1 Ωm při 20 ° C

Elektrická vodivost

3S cm ^-1

Magnetický řád

Diamagnetický

Tvrdost

6,0 na Mohsově stupnici

Stabilita

Relativně stabilní. Při pokojové teplotě není ovlivňován vzduchem a při teplotách nad 600 ° C oxiduje.

Povrchové napětí

6 10 ^-1 N / m při 1 673,1 K

Reaktivita

Oxiduje při teplotách nad 600 ° C za vzniku oxidu germannatého (GeO ₂). Germanium produkuje dvě formy oxidů: oxid germaničitý (GeO ₂) a oxid germannatý (GeO).

Sloučeniny Germanium obecně vykazují oxidační stav +4, ačkoli v mnoha sloučeninách se germanium vyskytuje se oxidačním stavem +2. Oxidační stav - 4 se vyskytuje například v germanidu hořečnatém (Mg ₂ Ge).

Germanium reaguje s halogeny za vzniku tetrahalogenidů: germaniumtetrafluorid (GeF ₄), plynná sloučenina; germanium zinečnatého (GEI ₄), pevná sloučenina; germanium tetrachlorid (GeCl ₄) a germanium tetrabromid (GeBr ₄), obě kapalné sloučeniny.

Germanium je vůči kyselině chlorovodíkové inertní; ale je napaden kyselinou dusičnou a kyselinou sírovou. Ačkoli hydroxidy ve vodném roztoku mají malý vliv na germanium, snadno se rozpustí v roztavených hydroxidech za vzniku geronátů.

Struktura a elektronická konfigurace

Germanium a jeho svazky

Germanium má podle své elektronické konfigurace čtyři valenční elektrony:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Podobně jako uhlík a křemík, jejich Ge atomy hybridizují své 4s a 4p orbitaly za vzniku čtyř sp ³ hybridních orbitálů. S těmito orbity se spojují, aby uspokojili valenční oktet, a proto mají stejný počet elektronů jako ušlechtilý plyn stejného období (krypton).

Tímto způsobem vznikají kovalentní vazby Ge-Ge a mají čtyři z nich pro každý atom, jsou definovány obklopující čtyřstěny (s jedním Ge ve středu a ostatními ve vrcholech). Tudíž je vytvořena trojrozměrná síť přemístěním těchto čtyřstěnů podél kovalentního krystalu; který se chová, jako by to byla obrovská molekula.

Allotropes

Kovalentní germánium krystal zaujímá stejnou krychlovou strukturu diamantu (a křemíku) zaměřenou na obličej. Tento allotrope je známý jako a-Ge. Pokud se tlak zvýší na 120 kbar (asi 118 000 atm), krystalická struktura α-Ge se stane tetragonálním zaměřením na tělo (BCT, pro jeho zkratku v angličtině: tetragonálním zaměřením na tělo).

Tyto krystaly BCT odpovídají druhému allotropu germania: β-Ge, kde jsou Ge-Ge vazby přerušeny a uspořádány izolovaně, jako je tomu u kovů. Tedy, a-Ge je polokovový; zatímco β-Ge je kovový.

Oxidační čísla

Germanium může buď ztratit své čtyři valenční elektrony, nebo získat další čtyři, aby se stal izoelektronickým s kryptonem.

Když ztratí elektrony ve svých sloučeninách, říká se, že mají čísla nebo pozitivní oxidační stavy, ve kterých se předpokládá existence kationtů se stejnými náboji, jako jsou tato čísla. Mezi nimi máme +2 (Ge ²⁺), +3 (Ge ³⁺) a +4 (Ge ⁴⁺).

Například následující sloučeniny mají germanium s kladnými oxidačních čísel GEO (Gn ²⁺ O ^2-), GeTe (Ge ²⁺ Te ^2-), Ge ₂ Cl ₆ (Gn ₂ ³⁺ Cl ₆ ^-), GEO ₂ (Ge ⁴⁺ O ₂ ²) a GES ₂ (Gn ⁴⁺ S ₂ ²).

Zatímco když získává elektrony ve svých sloučeninách, má záporná oxidační čísla. Mezi nimi je nejčastější -4; to znamená, že se předpokládá existence Ge ^- anionu. V germanides se to stane, a jako příklady jejich máme Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ⁴) a Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ⁴).

Kde najít a získat

Sírné minerály

Vzorek minerálů argyroditu, s nízkým výskytem, ​​ale jedinečnou rudou pro extrakci germania. Zdroj: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanium je relativně vzácným prvkem v zemské kůře. Málo minerálů obsahuje značné množství, mezi které můžeme zmínit: argyrodit (4Ag ₂ S · GeS ₂), germanit (7CuS · FeS · GeS ₂), briartit (Cu ₂ FeGeS ₄), renierit a canfieldit.

Všichni mají něco společného: jsou to síra nebo sirné minerály. Z tohoto důvodu, germania převažuje v přírodě (nebo alespoň na Zemi), jako GES ₂ a ne Geo ₂ (na rozdíl od jeho rozšířeném, SiO ₂ protějšek, oxid křemičitý).

Kromě výše uvedených minerálů bylo také zjištěno, že germanium se nachází v hmotnostních koncentracích 0,3% v ložiskách uhlíku. Podobně některé mikroorganismy mohou zpracovat ke generování malé množství GEH ₂ (CH ₃) ₂ a GEH ₃ (CH ₃), který skončí tím posunut směrem řekách a mořích.

Germanium je vedlejší produkt při zpracování kovů, jako je zinek a měď. K jeho získání musí podstoupit řadu chemických reakcí, aby snížila svou síru na odpovídající kov; to znamená, odstranit GeS ₂ jeho atomy síry tak, že je to prostě Ge.

Opékané

Sírové minerály procházejí procesem pražení, ve kterém jsou zahřívány společně se vzduchem, aby došlo k oxidacím:

Ges ₂ + 3 O ₂ → Geo ₂ + 2 SO ₂

K oddělení germania od zbytku se přeměňuje na příslušný chlorid, který lze destilovat:

GEO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GEO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Jak je vidět, transformace může být provedena pomocí kyseliny chlorovodíkové nebo plynného chloru. GeCl ₄ se potom hydrolyzuje zpět na geo ₂, čímž se vysráží ve formě špinavě bílé pevné látky. Nakonec oxid reaguje s vodíkem a redukuje se na kovové germanium:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Snížení, které lze také provést pomocí dřevěného uhlí:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Získané germanium se skládá z prášku, který se formuje nebo stlačuje do kovových tyčinek, ze kterých lze pěstovat zářivé germaniové krystaly.

Izotopy

Germanium nemá vysoce bohatý izotop v přírodě. Místo toho má pět izotopů, jejichž hojnost je relativně nízká: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) a ⁷⁶ Ge (7,75%). Všimněte si, že atomová hmotnost je 72,630 u, což průměruje všechny atomové hmotnosti s příslušným množstvím izotopů.

Izotop ⁷⁶ Ge je ve skutečnosti radioaktivní; ale jeho poločas je tak dlouhý (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ let), takže je prakticky mezi pěti nejstabilnějšími izotopy germania. Jiné radioizotopy, jako je ⁶⁸ Ge a ⁷¹ Ge, oba syntetické, mají kratší poločasy (270,95 dní, respektive 11,3 dne).

Rizika

Elementární a anorganické germanium

Environmentální rizika pro germánium jsou trochu kontroverzní. Propagace jeho iontů z ve vodě rozpustných solí může být poněkud těžkým kovem a způsobit poškození ekosystému; to znamená, že zvířata a rostliny mohou být ovlivněny konzumací iontů Ge ³⁺.

Elementární germanium je bezpečné, pokud není v prášku. Pokud je v prachu, může jej proud vzduchu přenášet ke zdrojům tepla nebo vysoce oxidujícím látkám; v důsledku toho existuje riziko požáru nebo výbuchu. Také její krystaly mohou skončit v plicích nebo očích a způsobit vážné podráždění.

Člověk může bezpečně manipulovat s germaniovým diskem ve své kanceláři, aniž by se obával jakékoli nehody. Totéž však nelze říci o jeho anorganických sloučeninách; to znamená, jeho soli, oxidy a hydridy. Například GeH ₄ nebo germánský (analogický k CH ₄ a SiH ₄) je velmi dráždivý a hořlavý plyn.

Organické germanium

Nyní existují organické zdroje germania; Mezi nimi lze zmínit 2-karboxyethylgermasquioxan nebo germanium-132, alternativní doplněk známý pro léčbu určitých onemocnění; i když s důkazy byly zpochybněny.

Některé z léčivých účinků přisuzovaných germaniu-132 mají posílit imunitní systém, a tak pomáhat v boji proti rakovině, HIV a AIDS; reguluje funkce těla, zlepšuje hladinu kyslíku v krvi, eliminuje volné radikály; a také léčí artritidu, glaukom a srdeční choroby.

Organické germanium však bylo spojeno se závažným poškozením ledvin, jater a nervového systému. Proto při konzumaci tohoto doplňku germania existuje latentní riziko; Přestože existují lidé, kteří to považují za zázračný lék, existují i ​​jiní, kteří varují, že nenabízí žádné vědecky prokázané výhody.

Aplikace

Infračervená optika

Některé snímače infračerveného záření jsou vyrobeny z germania nebo jeho slitin. Zdroj: Adafruit Industries přes Flickr.

Germanium je transparentní pro infračervené záření; to znamená, že to mohou projít, aniž by byly pohlceny.

Díky tomu byly germaniové brýle a čočky postaveny pro infračervená optická zařízení; například ve spojení s infračerveným detektorem pro spektroskopickou analýzu, v čočkách používaných ve dalekohledech s velkým infračerveným prostorem ke studiu nejvzdálenějších hvězd ve vesmíru nebo ve světelných a teplotních senzorech.

Infračervené záření je spojeno s molekulárními vibracemi nebo zdroji tepla; takže zařízení používaná ve vojenském průmyslu k zobrazení cílů pro noční vidění mají součásti vyrobené z germania.

Polovodičový materiál

Germaniové diody zapouzdřené ve skle a používané v 60. a 70. letech Zdroj: Rolf Süssbrich

Germanium jako polovodičový metaloid se používá k budování tranzistorů, elektrických obvodů, světelných diod a mikročipů. V posledně jmenovaném případě začaly slitiny germanium-křemík a dokonce germanium samy nahradit křemík, takže lze navrhnout stále menší a výkonnější obvody.

Jeho oxid GeO ₂ se díky vysokému indexu lomu přidává do brýlí, takže je lze použít v mikroskopii, širokoúhlých objektivech a optických vláknech.

Germanium nejen nahradil křemík v určitých elektronických aplikacích, ale může být také spojen s arsenidem gallia (GaAs). Tento metaloid je tedy také přítomen v solárních panelech.

Katalyzátory

Geo ₂ byl použit jako katalyzátor pro polymerační reakce; například v plastu, který je nezbytný pro syntézu polyethylen tereftalátu, se vyrobí plast, pomocí kterého se vyrábějí lesklé lahve prodávané v Japonsku.

Podobně nanočástice jejich slitin platiny katalyzují redoxní reakce, při nichž dochází k tvorbě plynného vodíku, čímž jsou tyto voltické buňky účinnější.

Slitiny

Nakonec bylo zmíněno, že existují slitiny Ge-Si a Ge-Pt. Kromě toho mohou být její Ge atomy přidány do krystalů jiných kovů, jako je stříbro, zlato, měď a berylium. Tyto slitiny vykazují větší tažnost a chemickou odolnost než jejich jednotlivé kovy.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Struktura křemíku a germania. Obnoveno z: physicsopenlab.org
4. Susan York Morrisová. (19. července 2016). Je Germanium zázračný lék? Healthline Media. Obnoveno z: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Periodická tabulka: germanium. Obnoveno z: lenntech.com
6. Národní centrum pro biotechnologické informace. (2019). Germanium. PubChem Database. CID = 6326954. Obnoveno z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta o prvku Germanium. Chemicool. Obnoveno z: chemicool.com
8. Emil Venere. (8. prosince 2014). Germanium přichází domů do Purdue na polovodičový milník. Obnoveno z: purdue.edu
9. Marques Miguel. (sf). Germanium. Obnoveno z: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: environmentální výskyt, význam a speciace. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x