GERMANIUMAS: ISTORIJA, SAVYBĖS, STRUKTŪRA, GAVIMAS, PANAUDOJIMAS - CHEMIJA - 2025

Germanio yra Metaloid elementas yra atstovaujama cheminis simbolis Ge ir priklausanti 14 grupės periodinės lentelės. Jis randamas po siliciu ir turi daug jo fizikinių bei cheminių savybių; tiek, kad kadaise jos vardas buvo Ekasilicio, numatė pats Dmitrijus Mendelejevas.

Dabartinį jos vardą tėvynės Vokietijos garbei davė Clemensas A. Winkleris. Taigi germanis yra susijęs su šia šalimi, ir tai yra pirmasis įvaizdis, primenantis tuos, kurie to gerai nepažįsta.

Itin grynas germanio mėginys. Šaltinis: Hi-Res vaizdai iš cheminių elementų

Germaniumą, kaip ir silicį, sudaro kovalentiniai trijų matmenų tetraedrinių gardelių kristalai su Ge-Ge jungtimis. Taip pat jį galima rasti monokristalinėje formoje, kurio grūdai yra dideli, arba polikristaliniame pavidale, sudarytame iš šimtų mažų kristalų.

Tai yra puslaidininkinis elementas esant aplinkos slėgiui, tačiau pakilęs virš 120 kbar jis tampa metaline allotrope; T. y., galbūt Ge-Ge jungtys nutrūksta ir yra išdėstytos atskirai, įvyniotos į jų elektronų jūrą.

Tai laikoma netoksišku elementu, nes su juo galima elgtis be jokių apsauginių drabužių; nors jo įkvėpimas ir gausus vartojimas gali sukelti klasikinius dirginimo simptomus asmenims. Jo garų slėgis yra labai žemas, todėl mažai tikėtina, kad jo dūmai sukels gaisrą.

Tačiau neorganinės (druskos) ir organinės germanijos gali būti pavojingos kūnui, nepaisant to, kad jų Ge atomai mįslingai sąveikauja su biologinėmis matricomis.

Nelabai žinoma, ar organinis germanis gali būti laikomas stebuklingu vaistu gydant tam tikrus sutrikimus kaip alternatyvią mediciną. Tačiau moksliniai tyrimai nepatvirtina šių teiginių, tačiau juos atmeta ir šį elementą vadina net kancerogeniniu.

Germanis yra ne tik puslaidininkis, lydintis silicį, seleną, galilį ir visą eilę elementų puslaidininkinių medžiagų pasaulyje ir jų pritaikymą; Jis taip pat yra skaidrus infraraudoniesiems spinduliams, todėl yra naudingas gaminant šilumos detektorius iš skirtingų šaltinių ar regionų.

Istorija

Mendelejevo prognozės

Germaniumas buvo vienas iš elementų, kurio egzistavimą savo periodinėje lentelėje 1869 m. Numatė rusų chemikas Dmitrijus Mendelejevas. Jis laikinai jį pavadino ekasiliciu ir įdėjo į tarpą ant periodinės lentelės tarp alavo ir silicio.

1886 m. Clemensas A. Winkleris atrado germanį mineralinio pavyzdžio iš sidabro kasyklos netoli Freibergo, Saksonijoje. Tai buvo mineralas, vadinamas argyroditu, dėl didelio sidabro kiekio ir tik neseniai atrastas 1885 m.

Argyrodito mėginyje buvo 73–75% sidabro, 17–18% sieros, 0,2% gyvsidabrio ir 6–7% naujo elemento, kurį Winkleris vėliau pavadino germaniu.

Mendelejevas numatė, kad aptinkamo elemento tankis turėtų būti 5,5 g / cm ^3, o jo atominis svoris - apie 70. Jo prognozės pasirodė gana panašios į germanio.

Izoliacija ir vardas

1886 m. Winkleris sugebėjo išskirti naują metalą ir rado jį panašų į stibį, tačiau jis dar kartą apsvarstė ir suprato, kad jo atrastas elementas atitinka ekasilikoną.

Winkleris pavadino elementą „germanium“, kilusį iš lotyniško žodžio „germania“ - žodžio, kuriuo jie apibūdino Vokietiją. Dėl šios priežasties Winkleris pavadino naują elementą germaniu, savo gimtosios Vokietijos vardu.

Jo savybių nustatymas

1887 m. Winkleris nustatė germanio chemines savybes, atlikdamas gryno germanio tetrachlorido (GeCl ₄ ) analizę, kad atomo masė būtų 72,32 .

Tuo tarpu Lecoq de Boisbaudran, ištyręs elemento kibirkšties spektrą, nustatė 72,3 atominę masę. Winkleris iš germanio paruošė keletą naujų junginių, įskaitant fluoridus, chloridus, sulfidus ir dioksidus.

1920-aisiais, atlikus germanio elektrinių savybių tyrimus, atsirado labai grynas monokristalinis germanis.

Ši raida leido naudoti germanį dioduose, lygintuvuose ir mikrobangų radaro imtuvuose per Antrąjį pasaulinį karą.

Jūsų programų tobulinimas

Pirmasis pramoninis pritaikymas įvyko po karo 1947 m., John John Bardeen, Walter Brattain ir William Shockley išradus germanio tranzistorius, kurie buvo naudojami ryšių įrangoje, kompiuteriuose ir nešiojamuose radijuose.

1954 m. Aukšto grynumo silicio tranzistoriai pradėjo išstumti germanio tranzistorius dėl jų turimų elektroninių pranašumų. Ir iki 1960 m. Germanio tranzistoriai praktiškai išnyko.

„Germanium“ pasirodė esąs pagrindinis komponentas gaminant infraraudonųjų (IR) objektyvus ir langus. Aštuntajame dešimtmetyje buvo gaminamos silicio germanio (SiGe) volitinės ląstelės (PVC), kurios išlieka kritiškos atliekant palydovo operacijas.

Dešimtajame dešimtmetyje, plėtojant ir plečiant optinę optiką, padidėjo germanio poreikis. Elementas naudojamas stiklo pluošto optinių kabelių šerdies formavimui.

Nuo 2000 m. Didelio efektyvumo PVC ir šviesos diodai (LED), kuriuose naudojamas germanis, padidino germanio gamybą ir suvartojimą.

Fizinės ir cheminės savybės

Išvaizda

Sidabriškai balta ir blizganti. Kai jos kietą medžiagą sudaro daugybė kristalų (polikristalinių), jos paviršius yra žvynuotas ar raukšlėtas, pilnas viršūnių ir šešėlių. Kartais jis gali pasirodyti pilkšvas arba juodas kaip silicis.

Standartinėmis sąlygomis tai yra pusiau metalinis elementas, trapus ir metalinis blizgesys.

Germanis yra puslaidininkis, nelabai elastingas. Jis turi aukštą matomos šviesos lūžio rodiklį, tačiau yra skaidrus infraraudonosios spinduliuotės atžvilgiu, naudojamas įrangos languose šiai spinduliuotei aptikti ir išmatuoti.

Standartinis atominis svoris

72,63 u

Atominis skaičius (Z)

32

Lydymosi temperatūra

938,25 ºC

Virimo taškas

2833 ºC

Tankis

Kambario temperatūroje: 5,332 g / cm ³

Lydymosi temperatūroje (skystas): 5,60 g / cm ³

Germanis, kaip ir silicis, galis, bismutas, stibis ir vanduo, plečiasi, kai kietėja. Dėl šios priežasties jo tankis yra didesnis skystoje būsenoje nei kietoje būsenoje.

Lydymosi šiluma

36,94 kJ / mol

Garinimo šiluma

334 kJ / mol

Molinė kalorinė talpa

23,222 J / (mol K)

Garų slėgis

1644 K temperatūroje jo garų slėgis yra tik 1 Pa. Tai reiškia, kad jo skystis toje temperatūroje beveik neišskiria garų, todėl jis nereiškia įkvėpimo pavojaus.

Elektronegatyvumas

2.01 pagal Paulingo skalę

Jonizacijos energijos

-Pirma: 762 kJ / mol

-Antra: 1,537 kJ / mol

-Trečia: 3 302,1 kJ / mol

Šilumos laidumas

60,2 W / (m K)

Elektrinė varža

1 Ωm esant 20 ºC

Elektros laidumas

3S cm ^-1

Magnetinė tvarka

Diamagnetinis

Kietumas

6,0 pagal Moho skalę

Stabilumas

Santykinai stabilus. Kambario temperatūros oras neturi įtakos oksiduojasi aukštesnėje nei 600ºC temperatūroje.

Paviršiaus įtempimas

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

Reaktyvumas

Aukščiau nei 600ºC temperatūroje jis oksiduojasi ir sudaro germanio dioksidą (GeO ₂ ). Iš germanio gaminami dviejų formų oksidai: germanio dioksidas (GeO ₂ ) ir germanio monoksidas (GeO).

Germio junginiai paprastai turi +4 oksidacijos būseną, nors daugelyje junginių germanis vyksta esant +2 oksidacijos būsenai. Oksidacijos būsena - 4 įvyksta, pavyzdžiui, magnio germanide (Mg ₂ Ge).

Germanis reaguoja su halogenais, sudarydamas tetrahalidus: germanio tetrafluoridą (GeF ₄ ), dujinį junginį; germanio tetrajodidas (GEI ₄ ), kietas junginys; germanio tetrachloridas (GeCl ₄ ) ir germanio tetrabromidas (GeBr ₄ ) - abu skysti junginiai.

Germanis yra inertiškas druskos rūgšties atžvilgiu; tačiau jį puola azoto rūgštis ir sieros rūgštis. Nors vandeniniuose tirpaluose esantys hidroksidai nedaro jokio poveikio germaniui, jis lengvai ištirpsta išlydytuose hidroksiduose ir sudaro geronatus.

Struktūra ir elektroninė konfigūracija

Germanis ir jo jungtys

Germaniumas turi keturis valentinius elektronus pagal savo elektroninę konfigūraciją:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Kaip ir anglis ir silicis, jų Ge atomai hibridizuoja savo 4s ir 4p orbitalės, sudarydami keturis sp ³ hibridinius orbitalius . Su šiais orbitalais jie jungiasi, kad patenkintų valentinį oktetą, ir todėl turi tą patį elektronų skaičių kaip ir to paties laikotarpio tauriosios dujos (kriptonas).

Tokiu būdu atsiranda „Ge-Ge“ kovalentiniai ryšiai ir, turint keturis iš jų kiekvienam atomui, yra nustatomos aplinkinės tetraedros (su viena „Ge“ centre, o kitos - viršūnėse). Taigi, trimatis tinklas sukuriamas išstumiant šias tetraedras išilgai kovalentinio kristalo; kuri elgiasi taip, lyg tai būtų didžiulė molekulė.

Allotropes

Kovalentinis germanio kristalas įgauna tą pačią į veidą orientuotą deimantų (ir silicio) kubinę struktūrą. Ši allotrope yra žinoma kaip α-Ge. Jei slėgis padidėja iki 120 kbar (apie 118 000 atm), α-Ge kristalų struktūra tampa į centrą orientuota tetragonalė (BCT, jos santrumpa angliškai: Body-centered tetragonal).

Šie BCT kristalai atitinka antrąją germanio allotropą: β-Ge, kur Ge-Ge jungtys yra suskaidytos ir išdėstytos izoliuotai, kaip atsitinka su metalais. Taigi α-Ge yra pusmetalis; o β-Ge yra metalinis.

Oksidacijos skaičiai

Germaniumas gali arba prarasti keturis valentinius elektronus, arba dar keturis įgyti, kad taptų isoelektroninis kartu su kriptonu.

Kai jis praranda elektronus savo junginiuose, sakoma, kad jame yra skaičiai arba teigiamos oksidacijos būsenos, kai manoma, kad egzistuoja katijonai su tokiais pat krūviais, kaip ir šie skaičiai. Tarp jų turime +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) ir +4 (Ge ⁴⁺ ).

Pavyzdžiui, šie junginiai turi germanį su teigiamu oksidacijos skaičiumi: 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- ) ir GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ² ).

Tuo tarpu kai junginiuose jis įgyja elektronų, jo neigiami oksidacijos skaičiai yra neigiami. Tarp jų labiausiai paplitęs yra –4; tai yra, daroma prielaida, kad yra Ge ^- anionas . Germaniduose tai atsitinka, ir kaip jų pavyzdžius mes turime Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) ir Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Kur rasti ir gauti

Sieros mineralai

Argyrodito mineralų mėginys, mažai gausus, tačiau unikali rūda germaniui išgauti. Šaltinis: Robas Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanis yra gana retas žemės plutos elementas. Nedaug mineralų turi nemažą jo kiekį, tarp kurių galime paminėti: argyroditą (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanitą (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartitą (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renieritą ir canfielditą.

Jie visi turi kažką bendro: jie yra siera arba sieros mineralai. Todėl gamtoje (arba bent jau čia Žemėje) vyrauja germanis, kaip GeS _2, o ne GeO ₂ (priešingai nei plačiai paplitęs SiO ₂ atitikmuo , silicio dioksidas).

Be jau minėtų mineralų, taip pat nustatyta, kad germanio masės koncentracija anglies telkiniuose yra 0,3%. Taip pat, kai kurie mikroorganizmai gali apdoroti jį generuoti maži Geh ₂ (CH ₃ ) ₂ ir Geh ₃ (CH ₃ ) galas, kuris iki perkeltų į upes ir jūras.

Germanis yra šalutinis metalų, tokių kaip cinkas ir varis, perdirbimo produktas. Norint jį gauti, jame turi būti atlikta keletas cheminių reakcijų, kad siera būtų sumažinta iki atitinkamo metalo; ty pašalinti GeS ₂ jo sieros atomus, kad jis būtų tiesiog Ge.

Skrudinta

Sieros mineralai skrudinami, kai jie kaitinami kartu su oru, kad įvyktų oksidacija:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Norėdami atskirti germanį nuo likučio, jis paverčiamas atitinkamu chloridu, kurį galima distiliuoti:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Kaip matyti, transformaciją galima atlikti naudojant druskos rūgštį arba chloro dujas. GeCl ₄ yra tada hidrolizuotas atgal į Ģeo ₂ , pagal kurią ji iškrenta į nuosėdas kuris yra nevisai balta kieta medžiaga. Galiausiai oksidas reaguoja su vandeniliu ir virsta metaliniu germaniu:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Sumažinimas, kurį taip pat galima padaryti su medžio anglimi:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Gautą germanį sudaro milteliai, suformuoti arba sutvirtinti į metalinius strypus, iš kurių galima išauginti spindulinius germanio kristalus.

Izotopai

Germanis gamtoje neturi jokio labai gausaus izotopo. Vietoj to, jis turi penkis izotopus, kurių gausu palyginti nedaug: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) ir ⁷⁶ Ge (7,75%). Atminkite, kad atominis svoris yra 72 630 u, o tai visų atominių masių vidurkis yra atitinkamas izotopų gausumas.

⁷⁶ Ge izotopas iš tikrųjų yra radioaktyvus; bet jo pusinės eliminacijos laikas yra toks ilgas (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ metų), kad jis yra praktiškai tarp penkių stabiliausių germanio izotopų. Kitų radioizotopų, tokių kaip ⁶⁸ Ge ir ⁷¹ Ge, abu sintetiniai, pusinės eliminacijos periodai yra trumpesni (atitinkamai 270,95 dienos ir 11,3 dienos).

Pavojai

Elementinis ir neorganinis germanis

Germanio keliama rizika aplinkai yra šiek tiek prieštaringa. Būdamas šiek tiek sunkiųjų metalų, jo jonų sklidimas iš vandenyje tirpių druskų gali pakenkti ekosistemai; ty gyvūnus ir augalus gali paveikti sunaudojantys Ge ³⁺ jonai .

Elementinis germanis yra saugus tol, kol nėra miltelių. Jei jis yra dulkėse, oro srovė gali jį nukreipti į šilumos ar labai oksiduojančių medžiagų šaltinius; todėl kyla gaisro ar sprogimo pavojus. Taip pat jo kristalai gali patekti į plaučius ar akis, sukeldami stiprų sudirginimą.

Žmogus gali saugiai tvarkyti germanio diską savo biure, nesijaudindamas dėl kokių nors avarijų. Tačiau to paties negalima pasakyti apie jo neorganinius junginius; tai yra, jo druskos, oksidai ir hidridai. Pavyzdžiui, „GeH _4“ arba „germanų kalba“ (analogiški CH ₄ ir SiH ₄ ) yra gana dirginančios ir degios dujos.

Organinis germanis

Dabar yra organinių germanio šaltinių; Tarp jų galima paminėti 2-karboksietilgermasquioxane arba germanium-132 - alternatyvų papildą, žinomą tam tikriems negalavimams gydyti; nors su įrodymais kelia abejonių.

Kai kurie germanium-132 priskiriami vaistai stiprina imuninę sistemą, taip padėdami kovoti su vėžiu, ŽIV ir AIDS; reguliuoja kūno funkcijas, taip pat pagerina deguonies kiekį kraujyje, pašalina laisvuosius radikalus; jis taip pat gydo artritą, glaukomą ir širdies ligas.

Tačiau organinis germanis buvo susijęs su rimta inkstų, kepenų ir nervų sistemos žala. Štai kodėl vartojant šį germanio papildą kyla latentinė rizika; Na, nors yra tokių, kurie mano, kad tai stebuklingas vaistas, tačiau kai kurie perspėja, kad tai neteikia jokios moksliškai įrodomos naudos.

Programos

Infraraudonųjų spindulių optika

Kai kurie infraraudonosios spinduliuotės jutikliai yra pagaminti iš germanio ar jo lydinių. Šaltinis: „Adafruit Industries“ per „Flickr“.

Germanis yra skaidrus infraraudoniesiems spinduliams; tai yra, jie gali praeiti pro ją neįsisavinami.

Dėl šios priežasties infraraudonųjų spindulių optiniams prietaisams buvo sukurti germanio akiniai ir lęšiai; pavyzdžiui, kartu su IR detektoriumi spektroskopinei analizei, objektyvuose, naudojamuose tolimųjų infraraudonųjų spindulių kosminiuose teleskopuose, kad būtų tiriamos tolimiausios Visatos žvaigždės, arba šviesos ir temperatūros davikliuose.

Infraraudonoji spinduliuotė yra susijusi su molekulių virpesiais ar šilumos šaltiniais; taigi karo pramonėje naktinio matymo taikiniams žiūrėti naudojami įtaisai turi komponentus, pagamintus iš germanio.

Puslaidininkių medžiaga

Į stiklą kapsuliuoti germanio diodai, naudojami 60–70-aisiais Šaltinis: Rolfas Süssbrichas

Germanis kaip puslaidininkinis metaloidas buvo naudojamas tranzistoriams, elektros grandinėms, šviesos diodams ir mikroschemoms kurti. Pastarojoje germanio-silicio lydiniai ir netgi germanium savaime pradėjo pakeisti silicį, kad būtų galima suprojektuoti vis mažesnes ir galingesnes grandines.

Jo oksidas GeO ₂ dėl didelio lūžio rodiklio pridedamas prie akinių, kad juos būtų galima naudoti mikroskopijoje, plačiakampiuose objektyvuose ir skaidulinėje optikoje.

Germaniumas ne tik pakeitė silicį tam tikrose elektroninėse programose, bet ir gali būti sujungtas su galio arsenidu (GaAs). Taigi šio metaloido taip pat yra saulės baterijose.

Katalizatoriai

GeO ₂ buvo naudojamas kaip polimerizacijos reakcijų katalizatorius; pavyzdžiui, tame, kuris reikalingas polietileno tereftalato sintezei, yra plastikas, iš kurio gaminami blizgantys buteliai, parduodami Japonijoje.

Panašiai, jų platinos lydinių nanodalelės katalizuoja redokso reakcijas, kai jos sudaro vandenilio dujas, todėl šios voltakinės ląstelės yra efektyvesnės.

Lydiniai

Galiausiai buvo paminėta, kad yra „Ge-Si“ ir „Ge-Pt“ lydinių. Be to, jo Ge atomai gali būti dedami į kitų metalų, tokių kaip sidabras, auksas, varis ir berilis, kristalus. Šie lydiniai pasižymi didesniu lankstumu ir cheminiu atsparumu nei jų atskiri metalai.

Nuorodos

1. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas). Mc Graw Hill.
2. Vikipedija. (2019 m.). Germanis. Atkurta iš: en.wikipedia.org
3. „PhysicsOpenLab“. (2019 m.). Silicio ir germanio kristalų struktūra. Atkurta iš: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (2016 m. Liepos 19 d.). Ar „Germanium“ yra stebuklingas vaistas? „Healthline Media“. Atgauta iš: healthline.com
5. „Lenntech BV“ (2019 m.). Periodinė lentelė: germanis. Atkurta iš: lenntech.com
6. Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras. (2019 m.). Germanis. „PubChem“ duomenų bazė. CID = 6326954. Atkurta iš: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr Doug Stewart. (2019 m.). Faktai apie germanį. Chemikolas. Atkurta iš: chemicool.com
8. Emilis Venere. (2014 m. Gruodžio 8 d.). „Germanium“ grįžta į Purdue namus dėl puslaidininkių gairių. Atkurta iš: purdue.edu
9. Marquesas Miguelis. (sf). Germanis. Atkurta iš: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germaniumas: aplinkos atsiradimas, svarba ir specifikacija. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x