GERMAN: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, BUDOWA, OTRZYMYWANIE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Germanu jest niemetalu element jest reprezentowany przez symbol chemicznej Ge, należących do grupy 14 układu okresowego pierwiastków. Występuje pod krzemem i ma wiele wspólnych właściwości fizycznych i chemicznych; do tego stopnia, że ​​kiedyś jego imię brzmiało Ekasilicio, przepowiedziane przez samego Dmitrija Mendelejewa.

Jego obecna nazwa została nadana przez Clemensa A. Winklera na cześć jego ojczyzny, Niemiec. Stąd german jest powiązany z tym krajem i jest to pierwszy obraz, który przywołuje na myśl tych, którzy go dobrze nie znają.

Ultra czysta próbka germanu. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

German, podobnie jak krzem, składa się z kowalencyjnych kryształów trójwymiarowych tetraedrycznych sieci z wiązaniami Ge-Ge. Podobnie można go znaleźć w postaci monokrystalicznej, w której jego ziarna są duże lub polikrystalicznego, złożonego z setek małych kryształów.

Jest elementem półprzewodnikowym przy ciśnieniu otoczenia, ale gdy wzrośnie powyżej 120 kbar, staje się metalicznym alotropem; to znaczy, być może wiązania Ge-Ge są zerwane, a ich układy są indywidualnie owinięte w morzu ich elektronów.

Uważany jest za element nietoksyczny, ponieważ można go obsługiwać bez żadnego rodzaju odzieży ochronnej; chociaż jego wdychanie i nadmierne spożycie może prowadzić do klasycznych objawów podrażnienia u osób. Jego prężność par jest bardzo niska, więc jego dym raczej nie spowoduje pożaru.

Jednak nieorganiczne (sole) i organiczne germany mogą być niebezpieczne dla organizmu, mimo że ich atomy Ge oddziałują w tajemniczy sposób z biologicznymi matrycami.

Nie wiadomo, czy organiczny german można uznać za cudowne lekarstwo na niektóre schorzenia jako lek alternatywny. Jednak badania naukowe nie potwierdzają tych twierdzeń, ale je odrzucają i piętnują ten element nawet jako rakotwórczy.

German to nie tylko półprzewodnik, towarzyszący krzemowi, selenowi, galowi i całemu szeregowi pierwiastków w świecie materiałów półprzewodnikowych i ich zastosowaniach; Jest również przepuszczalny dla promieniowania podczerwonego, dzięki czemu jest przydatny do produkcji detektorów ciepła z różnych źródeł lub regionów.

Historia

Prognozy Mendelejewa

German był jednym z pierwiastków, których istnienie przewidział w 1869 roku rosyjski chemik Dmitrij Mendelejew w swoim układzie okresowym. Tymczasowo nazwał go ekasilicon i umieścił w przestrzeni w układzie okresowym między cyną a krzemem.

W 1886 roku Clemens A. Winkler odkrył german w próbce minerału z kopalni srebra niedaleko Freibergu w Saksonii. Był to minerał zwany argyrodytem ze względu na wysoką zawartość srebra, odkryty niedawno w 1885 roku.

Próbka argyrodytu zawierała 73-75% srebra, 17-18% siarki, 0,2% rtęci i 6-7% nowego pierwiastka, który Winkler nazwał później germanem.

Mendelejew przewidział, że gęstość odkrytego pierwiastka powinna wynosić 5,5 g / cm ^3, a jego masa atomowa około 70. Jego przewidywania okazały się dość zbliżone do tych dotyczących germanu.

Izolacja i imię

W 1886 roku Winkler był w stanie wyodrębnić nowy metal i uznał go za podobny do antymonu, ale ponownie przemyślał i zdał sobie sprawę, że pierwiastek, który odkrył, odpowiada ekasilikonowi.

Winkler nazwał ten element „germanium”, który wywodzi się od łacińskiego słowa „germania”, którego używali do opisania Niemiec. Z tego powodu Winkler nazwał nowy pierwiastek germanem, po swoich rodzinnych Niemczech.

Określenie jego właściwości

W 1887 roku Winkler określił właściwości chemiczne germanu, uzyskując masę atomową 72,32 na podstawie analizy czystego czterochlorku germanu (GeCl ₄ ).

Tymczasem Lecoq de Boisbaudran wydedukował masę atomową 72,3, badając widmo iskry pierwiastka. Winkler przygotował kilka nowych związków z germanu, w tym fluorki, chlorki, siarczki i dwutlenki.

W latach dwudziestych XX wieku badania właściwości elektrycznych germanu doprowadziły do ​​opracowania monokrystalicznego germanu o wysokiej czystości.

Rozwój ten pozwolił na zastosowanie germanu w diodach, prostownikach i odbiornikach radarów mikrofalowych podczas II wojny światowej.

Rozwój Twoich aplikacji

Pierwsze przemysłowe zastosowanie pojawiło się po wojnie w 1947 roku, wraz z wynalezieniem przez Johna Bardeena, Waltera Brattaina i Williama Shockleya tranzystorów germanowych, które były używane w sprzęcie komunikacyjnym, komputerach i przenośnych radiotelefonach.

W 1954 roku tranzystory krzemowe o wysokiej czystości zaczęły wypierać tranzystory germanowe ze względu na posiadane zalety elektroniczne. W latach sześćdziesiątych tranzystory germanowe praktycznie zniknęły.

German okazał się kluczowym składnikiem w produkcji soczewek i okien na podczerwień (IR). W latach 70. wyprodukowano ogniwa galwaniczne (PVC) z germanu krzemowego (SiGe), które nadal mają krytyczne znaczenie dla operacji satelitarnych.

W latach dziewięćdziesiątych rozwój i ekspansja światłowodów zwiększyły zapotrzebowanie na german. Element służy do formowania rdzenia szklanego kabli światłowodowych.

Począwszy od 2000 r. Wysokowydajne PVC i diody elektroluminescencyjne (LED) wykorzystujące german doprowadziły do ​​wzrostu produkcji i zużycia germanu.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd

Srebrzysto-biały i błyszczący. Kiedy jego ciało stałe składa się z wielu kryształów (polikrystalicznych), ma łuskowatą lub pomarszczoną powierzchnię, pełną podtekstów i cieni. Czasami może nawet wydawać się szarawy lub czarny jak silikon.

W normalnych warunkach jest to element półmetaliczny, kruchy i metaliczny połysk.

German jest półprzewodnikiem, mało plastycznym. Ma wysoki współczynnik załamania światła widzialnego, ale jest przezroczysty dla promieniowania podczerwonego, ponieważ jest używany w oknach urządzeń do wykrywania i pomiaru tego promieniowania.

Standardowa masa atomowa

72,63 u

Liczba atomowa (Z)

32

Temperatura topnienia

938,25 ° C

Temperatura wrzenia

2833 ° C

Gęstość

W temperaturze pokojowej: 5,323 g / cm ³

W temperaturze topnienia (ciecz): 5,60 g / cm ³

German, podobnie jak krzem, gal, bizmut, antymon i woda, rozszerza się w miarę zestalania. Z tego powodu jego gęstość jest wyższa w stanie ciekłym niż w stanie stałym.

Ciepło topnienia

36,94 kJ / mol

Ciepło parowania

334 kJ / mol

Molowa pojemność kaloryczna

23,222 J / (mol K)

Ciśnienie pary

W temperaturze 1644 K jego prężność par wynosi zaledwie 1 Pa. Oznacza to, że ciecz prawie nie wydziela oparów w tej temperaturze, więc nie stwarza ryzyka wdychania.

Elektroujemność

2,01 w skali Paulinga

Energie jonizacji

-Pierwszy: 762 kJ / mol

-Druga: 1537 kJ / mol

-Trzecie: 3302,1 kJ / mol

Przewodność cieplna

60,2 W / (m · K)

Rezystancja

1 Ωm przy 20 ºC

Przewodność elektryczna

3S cm ^-1

Porządek magnetyczny

Diamagnetyczny

Twardość

6,0 w skali Mohsa

Stabilność

Relatywnie stabilny. Nie ma na niego wpływu powietrze w temperaturze pokojowej i utlenia się w temperaturach powyżej 600ºC.

Napięcie powierzchniowe

6 10 ^-1 N / m w 1,673.1 K

Reaktywność

Utlenia się w temperaturach powyżej 600ºC tworząc dwutlenek germanu (GeO ₂ ). German wytwarza dwie formy tlenków: dwutlenek germanu (GeO ₂ ) i tlenek germanu (GeO).

Związki germanu na ogół wykazują stopień utlenienia +4, chociaż w wielu związkach german występuje na stopniu utlenienia +2. Stan utlenienia - 4 występuje np. W germanku magnezu (Mg ₂ Ge).

German reaguje z halogenami tworząc tetrahalogenki: tetrafluorek germanu (GeF ₄ ), związek gazowy; tetrajodek germanu (GeI ₄ ), związek stały; tetrachlorek germanu (GeCl ₄ ) i tetrabromek germanu (GeBr ₄ ), oba związki ciekłe.

German jest obojętny wobec kwasu solnego; ale jest atakowany przez kwas azotowy i kwas siarkowy. Chociaż wodorotlenki w roztworze wodnym mają niewielki wpływ na german, łatwo rozpuszczają się w stopionych wodorotlenkach, tworząc weronaty.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

German i jego wiązania

German ma cztery elektrony walencyjne zgodnie z jego konfiguracją elektroniczną:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Podobnie jak węgiel i krzem, ich atomy Ge hybrydyzują swoje orbitale 4s i 4p, tworząc cztery orbitale hybrydowe sp ³ . Z tymi orbitaliami łączą się, aby spełnić oktet walencyjny, a tym samym mają taką samą liczbę elektronów jak gaz szlachetny z tego samego okresu (krypton).

W ten sposób powstają wiązania kowalencyjne Ge-Ge, a mając cztery z nich na każdy atom, definiuje się otaczające czworościany (z jednym Ge w środku, a pozostałe w wierzchołkach). W ten sposób trójwymiarowa sieć jest tworzona przez przemieszczenie tych czworościanów wzdłuż kryształu kowalencyjnego; która zachowuje się tak, jakby była ogromną cząsteczką.

Allotropy

Kowalencyjny kryształ germanu przyjmuje tę samą, centrowaną na twarzy, sześcienną strukturę diamentu (i krzemu). Ten alotrop jest znany jako α-Ge. Jeśli ciśnienie wzrośnie do 120 kbar (około 118 000 atm), struktura krystaliczna α-Ge stanie się tetragonalna w centrum ciała (BCT, od angielskiego akronimu: Body-centered tetragonal).

Te kryształy BCT odpowiadają drugiemu alotropowi germanu: β-Ge, w którym wiązania Ge-Ge są zrywane i układane w izolacji, jak to ma miejsce w przypadku metali. Zatem α-Ge jest półmetaliczna; podczas gdy β-Ge jest metaliczny.

Liczby utleniania

German może stracić cztery elektrony walencyjne lub zyskać cztery kolejne, aby stać się izoelektronicznym z kryptonem.

Kiedy traci elektrony w swoich związkach, mówi się, że ma liczby lub dodatnie stany utlenienia, w których zakłada się istnienie kationów o takich samych ładunkach, jak te liczby. Wśród nich mamy +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) i +4 (Ge ⁴⁺ ).

Na przykład następujące związki mają german z dodatnimi stopniami utlenienia: 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- ) i GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Podczas gdy pozyskuje elektrony w swoich związkach, ma ujemne stopnie utlenienia. Wśród nich najczęściej jest -4; to znaczy, zakłada się istnienie anionu Ge ⁴ . W germanidach tak się dzieje, a jako ich przykłady mamy Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) i Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Gdzie znaleźć i uzyskać

Minerały siarkowe

Próbka minerału argyrodytu, występująca w niewielkiej ilości, ale unikalna ruda do ekstrakcji germanu. Źródło: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

German jest stosunkowo rzadkim pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Niewiele minerałów zawiera znaczną jego ilość, wśród których możemy wymienić: argyrodyt (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanit (7CuS · FeS · GeS ₂ ), bryartyt (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renieryt i canfieldit.

Wszystkie mają coś wspólnego: są to minerały siarkowe lub siarkowe. Dlatego w naturze dominuje german (a przynajmniej tutaj na Ziemi), jak GeS _2, a nie GeO ₂ (w przeciwieństwie do jego szeroko rozpowszechnionego odpowiednika SiO ₂ , krzemionki).

Oprócz wyżej wymienionych minerałów stwierdzono również obecność germanu w stężeniach masowych 0,3% w złożach węgla. Podobnie, niektóre mikroorganizmy mogą go przetwarzać w celu wytworzenia niewielkich ilości GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ i GeH ₃ (CH ₃ ), które ostatecznie są przemieszczane w kierunku rzek i mórz.

German jest produktem ubocznym przetwarzania metali, takich jak cynk i miedź. Aby go uzyskać, musi przejść szereg reakcji chemicznych, aby zredukować swoją siarkę do odpowiedniego metalu; to znaczy usunąć GeS _{2 z} jego atomów siarki, tak aby był po prostu Ge.

Opieczony

Minerały siarkowe poddawane są procesowi prażenia, w którym wraz z powietrzem są podgrzewane w celu utleniania:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Aby oddzielić german od pozostałości, przekształca się go w odpowiedni chlorek, który można destylować:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Jak widać, transformację można przeprowadzić za pomocą kwasu solnego lub chloru gazowego. GeCl ₄ jest następnie hydrolizowany z powrotem do obszaru GEO ₂ , w wyniku czego wytrąca się w postaci białawego ciała stałego. Wreszcie tlenek reaguje z wodorem, aby zredukować do metalicznego germanu:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Redukcja, którą można również zrobić za pomocą węgla drzewnego:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Uzyskany german składa się z proszku, który jest formowany lub ubity w metalowe pręty, z których można wyhodować promienne kryształy germanu.

Izotopy

German nie posiada w przyrodzie żadnego bardzo licznego izotopu. Zamiast tego ma pięć izotopów, których liczebność jest stosunkowo niska: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) i ⁷⁶ Ge (7,75%). Zauważ, że masa atomowa wynosi 72,630 u, co oznacza średnią wszystkich mas atomowych z odpowiednimi obfitościami izotopów.

Izotop ⁷⁶ Ge jest w rzeczywistości radioaktywny; ale jego okres półtrwania jest tak długi (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ lat), że jest praktycznie jednym z pięciu najbardziej stabilnych izotopów germanu. Inne radioizotopy, takie jak ⁶⁸ Ge i ⁷¹ Ge, oba syntetyczne, mają krótsze okresy półtrwania (odpowiednio 270,95 dnia i 11,3 dnia).

Ryzyka

Elementarny i nieorganiczny german

Zagrożenia środowiskowe dla germanu są nieco kontrowersyjne. Będąc metalem lekko ciężkim, rozprzestrzenianie się jego jonów z rozpuszczalnych w wodzie soli może spowodować szkody w ekosystemie; to znaczy, że spożywanie jonów Ge ³⁺ może mieć wpływ na zwierzęta i rośliny .

Elementarny german jest bezpieczny, o ile nie jest sproszkowany. Jeśli znajduje się w pyle, prąd powietrza może przenosić go do źródeł ciepła lub substancji silnie utleniających; iw konsekwencji istnieje ryzyko pożaru lub wybuchu. Ponadto jego kryształy mogą dostać się do płuc lub oczu, powodując poważne podrażnienia.

Osoba może bezpiecznie posługiwać się dyskiem germanowym w swoim biurze, nie martwiąc się o wypadek. Jednak tego samego nie można powiedzieć o jego związkach nieorganicznych; to znaczy jego sole, tlenki i wodorki. Na przykład GeH ₄ lub germański (analogiczny do CH ₄ i SiH ₄ ) jest dość drażniącym i łatwopalnym gazem.

Organiczny german

Obecnie istnieją organiczne źródła germanu; Wśród nich można wymienić 2-karboksyetylogermaskwioksan lub german-132, alternatywny suplement znany z leczenia niektórych dolegliwości; chociaż z dowodami wątpliwymi.

Niektóre z efektów leczniczych przypisywanych germanowi-132 to wzmocnienie układu odpornościowego, pomagając w ten sposób w walce z rakiem, HIV i AIDS; reguluje funkcje organizmu, a także poprawia stopień dotlenienia krwi, eliminuje wolne rodniki; a także leczy zapalenie stawów, jaskrę i choroby serca.

Jednak organiczny german jest powiązany z poważnymi uszkodzeniami nerek, wątroby i układu nerwowego. Dlatego istnieje ukryte ryzyko, jeśli chodzi o spożywanie tego dodatku germanu; Cóż, chociaż są tacy, którzy uważają to za cudowne lekarstwo, są inni, którzy ostrzegają, że nie oferuje on żadnych naukowo udowodnionych korzyści.

Aplikacje

Optyka na podczerwień

Niektóre czujniki promieniowania podczerwonego są wykonane z germanu lub jego stopów. Źródło: Adafruit Industries za pośrednictwem Flickr.

German jest przezroczysty dla promieniowania podczerwonego; to znaczy mogą przez nią przejść, nie będąc wchłoniętymi.

Dzięki temu zbudowano okulary i soczewki germanowe do urządzeń optycznych na podczerwień; na przykład w połączeniu z detektorem podczerwieni do analizy spektroskopowej, w soczewkach używanych w teleskopach dalekiej podczerwieni do badania najbardziej odległych gwiazd we Wszechświecie lub w czujnikach światła i temperatury.

Promieniowanie podczerwone jest związane z wibracjami molekularnymi lub źródłami ciepła; tak więc urządzenia używane w przemyśle wojskowym do obserwacji celów noktowizyjnych mają elementy wykonane z germanu.

Materiał półprzewodnikowy

Diody germanowe zatopione w szkle stosowane w latach 60. i 70. Źródło: Rolf Süssbrich

German jako metaloid półprzewodnikowy był używany do budowy tranzystorów, obwodów elektrycznych, diod elektroluminescencyjnych i mikroczipów. W tym drugim przypadku stopy germanowo-krzemowe, a nawet german, same zaczęły zastępować krzem, dzięki czemu można projektować coraz mniejsze i mocniejsze obwody.

Jego tlenek, GeO ₂ , ze względu na wysoki współczynnik załamania światła jest dodawany do okularów, dzięki czemu można je stosować w mikroskopii, obiektywach szerokokątnych i światłowodach.

German nie tylko zastąpił krzem w niektórych zastosowaniach elektronicznych, ale może również łączyć się z arsenkiem galu (GaAs). Zatem ten metaloid jest również obecny w panelach słonecznych.

Katalizatory

GeO ₂ zastosowano jako katalizator reakcji polimeryzacji; na przykład w tym niezbędnym do syntezy politereftalanu etylenu, tworzywa sztucznego, z którego wykonuje się błyszczące butelki sprzedawane w Japonii.

Podobnie nanocząstki ich stopów platyny katalizują reakcje redoks, w których tworzą się gazowy wodór, zwiększając skuteczność ogniw galwanicznych.

Stopy

Wreszcie wspomniano, że istnieją stopy Ge-Si i Ge-Pt. Oprócz tego jego atomy Ge mogą być dodawane do kryształów innych metali, takich jak srebro, złoto, miedź i beryl. Stopy te wykazują większą ciągliwość i odporność chemiczną niż ich poszczególne metale.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). German. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Struktura krystaliczna krzemu i germanu. Odzyskane z: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19 lipca 2016). Czy german jest cudownym lekarstwem? Healthline Media. Odzyskany z: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Układ okresowy: german. Odzyskany z: lenntech.com
6. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). German. Baza danych PubChem. CID = 6326954. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr Doug Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastka germanu. Chemicool. Źródło: chemicool.com
8. Emil Venere. (8 grudnia 2014). German wraca do Purdue po kamień milowy w dziedzinie półprzewodników. Odzyskany z: purdue.edu
9. Marques Miguel. (sf). German. Odzyskany z: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). German: występowanie w środowisku, znaczenie i specjacja. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x