GERMANIUM: HISTORIA, EGENSKAPER, STRUKTUR, ERHÅLLANDE, ANVÄNDNING - KEMI - 2026

Den germanium är en metalloid elementet representeras av den kemiska symbolen Ge och hör till gruppen 14 i det periodiska systemet. Det finns under kisel och delar många av dess fysikaliska och kemiska egenskaper med det; så mycket att det en gång hette Ekasilicio, förutsagt av Dmitri Mendeleev själv.

Dess nuvarande namn gavs av Clemens A. Winkler, för att hedra sitt hemland Tyskland. Därför är germanium kopplat till detta land, och det är den första bilden som framkallar dem som inte vet det väl.

Ultren rent germaniumprov. Källa: Hi-Res Images of Chemical Elements

Germanium, som kisel, består av kovalenta kristaller av tredimensionella tetraedrala galler med Ge-Ge-bindningar. På samma sätt kan den hittas i monokristallin form, där dess korn är stora eller polykristallina, bestående av hundratals små kristaller.

Det är ett halvledarelement vid omgivande tryck, men när det stiger över 120 kbar blir det en metallisk allotrop; det vill säga, möjligen bryts Ge-Ge-bindningarna och deras är arrangerade individuellt lindade i deras elektroner.

Det anses vara ett icke-giftigt element, eftersom det kan hanteras utan någon typ av skyddskläder; även om dess inandning och överdrivet intag kan leda till klassiska symtom på irritation hos individer. Dess ångtryck är mycket lågt, så det är troligt att dess rök inte orsakar brand.

Oorganiska (salter) och organiska germanium kan emellertid vara farliga för kroppen, trots att deras Ge-atomer interagerar på ett mystiskt sätt med biologiska matriser.

Det är inte riktigt känt om organiskt germanium kan betraktas som ett mirakelläkemedel för att behandla vissa störningar som en alternativ medicin. Vetenskapliga studier stöder emellertid inte dessa påståenden utan avvisar dem och märker detta element till och med som cancerframkallande.

Germanium är inte bara en halvledare, medföljande kisel, selen, gallium och en hel serie element i världen av halvledarmaterial och deras tillämpningar; Det är också transparent för infraröd strålning, vilket gör det användbart för tillverkning av värmedetektorer från olika källor eller regioner.

Historia

Mendeleev förutsägelser

Germanium var ett av elementen vars existens förutsades 1869 av den ryska kemisten Dmitri Mendeleev i hans periodiska tabell. Han kallade det preliminärt ekasilicon och placerade det i ett utrymme på det periodiska bordet mellan tenn och kisel.

1886 upptäckte Clemens A. Winkler germanium i ett mineralprov från en silvergruva nära Freiberg, Sachsen. Det var mineralet som heter argyrodite på grund av dess höga silverinnehåll och upptäcktes nyligen 1885.

Argyrodite-provet innehöll 73-75% silver, 17-18% svavel, 0,2% kvicksilver och 6-7% ett nytt element, som Winkler senare kallade germanium.

Mendeleev förutspådde att tätheten för det element som skulle upptäckas borde vara 5,5 g / cm ^{^} och dess atomvikt omkring 70. Hans förutsägelser visade sig vara ganska nära de från germanium.

Isolering och namn

1886 kunde Winkler isolera den nya metallen och tyckte att den liknar antimon, men han övervägde igen och insåg att elementet som han hade upptäckt motsvarade ekasilicon.

Winkler kallade elementet 'germanium' härstammar från det latinska ordet 'germania', ett ord de brukade för att beskriva Tyskland. Av denna anledning utnämnde Winkler det nya elementet germanium, efter sitt hemland Tyskland.

Bestämning av dess egenskaper

I 1887, Winkler bestäms de kemiska egenskaperna hos germanium, att hitta en atomvikt av 72,32 genom en analys av ren germaniumtetraklorid (GeCl ₄ ).

Samtidigt drar Lecoq de Boisbaudran en atomvikt på 72,3 genom att studera elementets gnistspektrum. Winkler framställde flera nya föreningar från germanium, inklusive fluorider, klorider, sulfider och dioxider.

Under 1920-talet ledde undersökningar av de elektriska egenskaperna hos germanium till utvecklingen av monokristallint germanium med hög renhet.

Denna utveckling möjliggjorde användning av germanium i dioder, likriktare och mikrovågsradarmottagare under andra världskriget.

Utveckling av dina applikationer

Den första industriella tillämpningen kom efter kriget 1947, med uppfinningen av germanium-transistorer av John Bardeen, Walter Brattain och William Shockley, som användes i kommunikationsutrustning, datorer och bärbara radioapparater.

1954 började kiseltransistorer med hög renhet förflytta Germanium-transistorer på grund av de elektroniska fördelarna de hade. Och på 1960-talet hade germanium-transistorer praktiskt taget försvunnit.

Germanium visade sig vara en viktig komponent i tillverkningen av infraröda linser och fönster. På 1970-talet producerades kiselgladium (SiGe) voltaiceller (PVC) som förblir kritiska för satellitoperationer.

Under 1990-talet ökade utvecklingen och utvidgningen av fiberoptik efterfrågan på germanium. Elementet används för att bilda glaskärnan i fiberoptiska kablar.

Från och med 2000 ledde högeffektiva PVC-skivor och ljusemitterande dioder (LED) med användning av germanium till en ökning av produktion och förbrukning av germanium.

Fysiska och kemiska egenskaper

Utseende

Silvrig vit och blank. När det fasta materialet består av många kristaller (polykristallint) har det en skalig eller rynkig yta, full av övertoner och skuggor. Ibland kan det till och med verka lika gråaktig eller svart som kisel.

Under standardförhållanden är det ett halvmetalliskt element, sprött och metalliskt glans.

Germanium är en halvledare, inte särskilt mjuk. Den har ett högt brytningsindex för synligt ljus, men är transparent för infraröd strålning och används i utrustningsfönster för att upptäcka och mäta denna strålning.

Atomvikt standard

72,63 u

Atomnummer (Z)

32

Smältpunkt

938,25 ºC

Kokpunkt

2 833 ºC

Densitet

Vid rumstemperatur: 5,323 g / cm ³

Vid smältpunkt (vätska): 5,60 g / cm ^{^}

Germanium, som kisel, gallium, vismut, antimon och vatten, expanderar när det stelnar. Av denna anledning är densiteten högre i flytande tillstånd än i fast tillstånd.

Smältvärme

36,94 kJ / mol

Förångningsvärme

334 kJ / mol

Molär kalorikapacitet

23,222 J / (mol K)

Ångtryck

Vid en temperatur på 1 644 K är dess ångtryck bara 1 Pa. Detta innebär att dess vätska knappast avger några ångor vid den temperaturen, så det innebär inte risk för inandning.

Elektronnegativitet

2.01 på Pauling-skalan

Ioniseringsenergier

-Först: 762 kJ / mol

-Sekund: 1,537 kJ / mol

-Tredde: 3,302,1 kJ / mol

Värmeledningsförmåga

60,2 W / (mK)

Elektrisk resistans

1 atm vid 20 ºC

Elektrisk konduktivitet

3S cm ^-1

Magnetisk ordning

diamagnetiska

Hårdhet

6,0 på Mohs-skalan

Stabilitet

Relativt stabil. Den påverkas inte av luft vid rumstemperatur och oxiderar vid temperaturer över 600 ° C.

Ytspänning

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

Reaktivitet

Den oxiderar vid temperaturer över 600 ºC för att bilda germaniumdioxid (GeO ₂ ). Germanium producerar två former av oxider: germaniumdioxid (GeO ₂ ) och germaniummonoxid (GeO).

Germaniumföreningar uppvisar i allmänhet +4-oxidationstillståndet, även om det i många föreningar förekommer germanium med +2-oxidationstillståndet. Oxidationstillståndet - 4 inträffar till exempel i magnesiumtyskid (Mg ₂ Ge).

Germanium reagerar med halogener till formulär tetrahalogenider: germanium tetrafluorid (GEF ₄ ), en gasformig förening; germanium -tetrajodid (GEI ₄ ), fast förening; germanium tetraklorid (GeCl ₄ ) och germanium tetrabromid (GeBr ₄ ), båda flytande föreningar.

Germanium är inert mot saltsyra; men den attackeras av salpetersyra och svavelsyra. Även om hydroxider i vattenlösning har liten effekt på germanium, löses de lätt upp i smälta hydroxider för att bilda geronater.

Struktur och elektronisk konfiguration

Germanium och dess obligationer

Germanium har fyra valenselektroner enligt dess elektroniska konfiguration:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Liksom kol och kisel hybridiserar deras Ge-atomer deras 4s och 4p orbitaler för att bilda fyra sp ³ hybridbana . Med dessa orbitaler binds de för att tillfredsställa valensoktetten och har följaktligen samma antal elektroner som den ädla gasen från samma period (krypton).

På detta sätt uppstår de Ge-Ge-kovalenta bindningarna, och med fyra av dem för varje atom definieras omgivande tetraedrar (med en Ge i mitten och de andra vid topparna). Således etableras ett tredimensionellt nätverk genom förskjutningen av dessa tetraedrar längs den kovalenta kristallen; som uppträder som om det var en enorm molekyl.

allotropes

Den kovalenta germaniumkristallen antar samma ansiktscentrerade kubiska struktur av diamant (och kisel). Denna allotrop kallas α-Ge. Om trycket ökar till 120 kbar (cirka 118 000 atm) blir kristallstrukturen för α-Ge kroppcentrerad tetragonal (BCT, för dess förkortning på engelska: Body-centrerad tetragonal).

Dessa BCT-kristaller motsvarar den andra allotropen av germanium: ß-Ge, där Ge-Ge-bindningarna bryts och arrangeras isolerat, som händer med metaller. Således är a-Ge halvmetalliskt; medan ß-Ge är metalliskt.

Oxidationsnummer

Germanium kan antingen förlora sina fyra valenselektroner eller få fyra till för att bli isoelektroniska med krypton.

När den förlorar elektroner i sina föreningar sägs det ha positiva antal eller oxidationstillstånd, i vilka det finns antagande av katjoner med samma laddningar som dessa nummer. Bland dessa har vi +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) och +4 (Ge ⁴⁺ ).

Exempelvis har följande föreningar germanium med positiva oxidationsnummer: 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- ) och GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

När den får elektron i sina föreningar har den negativa oxidationsnummer. Bland dem är den vanligaste -4; det vill säga förekomsten av Ge ^4- är anjon antas . På tyskland händer detta, och som exempel på dem har vi Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) och Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Var att hitta och få

Svavelhaltiga mineraler

Argyrodite mineralprov, med låg mängd men en unik malm för extraktion av germanium. Källa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanium är ett relativt sällsynt element i jordskorpan. Få mineraler innehåller en märkbar mängd av den, bland vilka vi kan nämna: argyrodite (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanit (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartit (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renierit och canfieldite.

De har alla något gemensamt: det är svavel eller svavelhaltiga mineraler. Därför dominerar germanium i naturen (eller åtminstone här på jorden), som GeS ₂ och inte GeO ₂ (i motsats till dess breda SiO _2- motsvarighet , kiseldioxid).

Utöver de mineraler som nämnts ovan har man också hittat germanium i masskoncentrationer på 0,3% i kolavlagringar. På samma sätt kan vissa mikroorganismer bearbeta den för att generera små mängder av GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ och GeH ₃ (CH ₃ ), som hamna förskjuts mot floder och hav.

Germanium är en biprodukt för bearbetning av metaller som zink och koppar. För att få den måste den genomgå en serie kemiska reaktioner för att reducera dess svavel till motsvarande metall; det vill säga att ta bort GeS ₂ dess svavelatomer så att det helt enkelt är Ge.

rostat

Svavelmineraler genomgår en rostningsprocess där de värms upp tillsammans med luften för att oxidering ska ske:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

För att separera germanium från återstoden omvandlas det till dess respektive klorid, som kan destilleras:

GeOa ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Såsom kan ses kan transformationen utföras med användning av saltsyra eller klorgas. Den GeCl ₄ hydrolyseras därefter tillbaka till GeO ₂ , varigenom det faller ut som ett benvitt fast ämne. Slutligen reagerar oxiden med väte för att reducera till metalliskt germanium:

GeOa ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Minskning som också kan göras med träkol:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Det erhållna germaniet består av ett pulver som formas eller formas till metallstänger, från vilka strålande germaniumkristaller kan odlas.

isotoper

Germanium har ingen mycket riklig isotop i naturen. I stället har den fem isotoper vars överflöd är relativt låga: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) och ⁷⁶ Ge (7,75%). Observera att atomvikten är 72,630 u, vilket är medelvärdena alla atommassorna med respektive mängder av isotoperna.

⁷⁶ Ge- isotopen är faktiskt radioaktiv; men dess halveringstid är så lång (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ år) att den är praktiskt taget bland de fem mest stabila isotoperna i germanium. Andra radioisotoper, såsom ⁶⁸ Ge och ⁷¹ Ge, båda syntetiska, har kortare halveringstid (270,95 dagar respektive 11,3 dagar).

risker

Elementära och oorganiska germanium

Miljöriskerna för germanium är lite kontroversiella. Att vara en lätt tungmetall, en spridning av dess joner från vattenlösliga salter kan skada ekosystemet; djur och växter kan påverkas genom att konsumera Ge ³⁺ -joner .

Elementärt germanium är säkert så länge det inte är pulverformigt. Om det är i damm kan en ström av luft transportera den till värmekällor eller starkt oxiderande ämnen; och följaktligen finns det risk för brand eller explosion. Dessutom kan kristallerna hamna i lungorna eller ögonen och orsaka allvarliga irritationer.

En person kan säkert hantera en germanium-disk på sitt kontor utan att oroa sig för någon olycka. Detsamma kan emellertid inte sägas för dess oorganiska föreningar; det vill säga dess salter, oxider och hydrider. Till exempel, GeH ₄ eller germanska (analogt med CH ₄ och SiH ₄ ), är en ganska irriterande och brandfarlig gas.

Organisk germanium

Nu finns det organiska källor till germanium; Bland dem kan nämnas 2-karboxietylgermasquioxan eller germanium-132, ett alternativt komplement som är känt för att behandla vissa sjukdomar; även om bevis med tvivel.

Några av de medicinska effekterna som tillskrivs germanium-132 är att stärka immunförsvaret och därmed hjälpa till att bekämpa cancer, HIV och AIDS; reglerar kroppens funktioner, samt förbättrar graden av syresättning i blodet, eliminerar fria radikaler; och det botar också artrit, glaukom och hjärtsjukdom.

Organiskt germanium har emellertid varit kopplat till allvarliga skador på njurarna, levern och nervsystemet. Det finns därför en latent risk när det gäller att konsumera detta germanium-tillägg; Tja, även om det finns de som anser att det är ett mirakelläkemedel, finns det andra som varnar för att det inte ger någon vetenskapligt bevisad nytta.

tillämpningar

Infraröd optik

Vissa infraröda strålningssensorer är gjorda av germanium eller dess legeringar. Källa: Adafruit Industries via Flickr.

Germanium är transparent för infraröd strålning; det vill säga att de kan passera genom det utan att bli upptagna.

Tack vare detta har germaniumglas och linser byggts för infraröda optiska enheter; till exempel, i kombination med en IR-detektor för spektroskopisk analys, i linser som används i långt-infraröda rymdteleskoper för att studera de mest avlägsna stjärnorna i universum, eller i ljus- och temperatursensorer.

Infraröd strålning är associerad med molekylära vibrationer eller värmekällor; så enheterna som används i den militära industrin för att visa nattsynsmål har komponenter tillverkade av germanium.

Halvledarmaterial

Germanium-dioder inkapslade i glas och används på 60- och 70-talet. Källa: Rolf Süssbrich

Germanium som halvledarmetalloid har använts för att bygga transistorer, elektriska kretsar, ljusemitterande dioder och mikrochips. I det senare har germanium-kisellegeringar och till och med germanium i sig börjat ersätta kisel, så att allt mindre och kraftfullare kretsar kan utformas.

Dess oxid, GeO ₂ , läggs på glas på grund av dess höga brytningsindex så att de kan användas i mikroskopi, vidvinkelmål och fiberoptik.

Germanium har inte bara kommit att ersätta kisel i vissa elektroniska applikationer, utan kan också kopplas till galliumarsenid (GaAs). Således finns denna metalloid också i solpaneler.

katalysatorer

GeO ₂ har använts som katalysator för polymerisationsreaktioner; till exempel i den som är nödvändig för syntesen av polyetylentereftalat, en plast med vilken glänsande flaskor som säljs i Japan tillverkas.

På samma sätt katalyserar nanopartiklarna i deras platinlegeringar redoxreaktioner där de involverar bildning av vätgas, vilket gör dessa voltaiska celler effektivare.

Alloys

Slutligen har det nämnts att det finns Ge-Si och Ge-Pt-legeringar. Utöver detta kan dess Ge-atomer läggas till kristallerna i andra metaller, såsom silver, guld, koppar och beryllium. Dessa legeringar visar större duktilitet och kemisk resistens än deras enskilda metaller.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Återställd från: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Kisel- och germaniumkristallstruktur. Återställd från: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19 juli 2016). Är Germanium en mirakelkur? Healthline Media. Återställd från: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Periodisk tabell: germanium. Återställd från: lenntech.com
6. National Center for Biotechnology Information. (2019). Germanium. PubChem-databas. CID = 6326954. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr Doug Stewart. (2019). Germanium Element Facts. Chemicool. Återställd från: chemicool.com
8. Emil Venere. (8 december 2014). Germanium kommer hem till Purdue för halvledars milstolpe. Återställd från: purdue.edu
9. Marques Miguel. (Sf). Germanium. Återställd från: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: miljöhändelse, vikt och specifikation. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x