ГЕРМАНИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРОЕНИЕ, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Германий является металлоидом элемента представлен химическим символом Ge и принадлежащим к группе 14 периодической таблицы. Он находится под кремнием и разделяет с ним многие его физические и химические свойства; Настолько, что когда-то его назвали Экасиличио, предсказанное самим Дмитрием Менделеевым.

Нынешнее название он дал Клеменс А. Винклер в честь своей родины, Германии. Таким образом, германий связан с этой страной, и это первый образ, который вызывает в памяти тех, кто не знает его.

Образец сверхчистого германия. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Германий, как и кремний, состоит из ковалентных кристаллов трехмерной тетраэдрической решетки со связями Ge-Ge. Точно так же его можно найти в монокристаллической форме, в которой его зерна большие, или в поликристаллической форме, состоящей из сотен мелких кристаллов.

При атмосферном давлении это полупроводниковый элемент, но когда оно поднимается выше 120 кбар, он становится металлическим аллотропом; иными словами, возможно, связи Ge-Ge разорваны, и они располагаются индивидуально, покрытые морем своих электронов.

Он считается нетоксичным элементом, так как с ним можно работать без какой-либо защитной одежды; хотя его вдыхание и чрезмерное употребление может привести к классическим симптомам раздражения у людей. Его давление пара очень низкое, поэтому его дым вряд ли вызовет пожар.

Однако неорганический (соли) и органический германий могут быть опасны для организма, несмотря на то, что их атомы Ge загадочным образом взаимодействуют с биологическими матрицами.

На самом деле не известно, можно ли считать органический германий чудодейственным средством для лечения определенных заболеваний в качестве альтернативной медицины. Однако научные исследования не подтверждают эти утверждения, но отвергают их и называют этот элемент канцерогенным.

Германий - это не только полупроводник, связанный с кремнием, селеном, галлием и целым рядом элементов в мире полупроводниковых материалов и их приложений; Он также прозрачен для инфракрасного излучения, что делает его полезным для изготовления тепловых извещателей из разных источников или регионов.

история

Прогнозы Менделеева

Германий был одним из элементов, существование которого было предсказано в 1869 году русским химиком Дмитрием Менделеевым в его периодической таблице. Он условно назвал его экасиликом и поместил в периодической таблице между оловом и кремнием.

В 1886 году Клеменс А. Винклер обнаружил германий в образце минерала из серебряного рудника недалеко от Фрайберга, Саксония. Это был минерал под названием аргиродит из-за высокого содержания серебра, который был обнаружен совсем недавно, в 1885 году.

Образец аргиродита содержал 73-75% серебра, 17-18% серы, 0,2% ртути и 6-7% нового элемента, который Винклер позже назвал германием.

Менделеев предсказал, что плотность открываемого элемента должна быть 5,5 г / см ^3, а его атомный вес около 70. Его предсказания оказались довольно близкими к предсказаниям германия.

Изоляция и имя

В 1886 году Винклер смог выделить новый металл и обнаружил, что он похож на сурьму, но он пересмотрел и понял, что обнаруженный им элемент соответствует экасилицию.

Винклер назвал элемент «германий», происходящий от латинского слова «германия», слова, которое они использовали для описания Германии. По этой причине Винклер назвал новый элемент германием в честь своей родной Германии.

Определение его свойств

В 1887 году Винклер определил химические свойства германия, найдя атомный вес 72,32 путем анализа чистого тетрахлорида германия (GeCl ₄ ).

Между тем, Лекок де Буабодран вывел атомный вес 72,3, изучая спектр искры элемента. Винклер приготовил несколько новых соединений из германия, включая фториды, хлориды, сульфиды и диоксиды.

В 1920-х годах исследования электрических свойств германия привели к созданию монокристаллического германия высокой чистоты.

Эта разработка позволила использовать германий в диодах, выпрямителях и микроволновых радиолокационных приемниках во время Второй мировой войны.

Разработка ваших приложений

Первое промышленное применение появилось после войны в 1947 году, когда Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели германиевые транзисторы, которые использовались в коммуникационном оборудовании, компьютерах и портативных радиоприемниках.

В 1954 году кремниевые транзисторы высокой чистоты начали вытеснять германиевые транзисторы из-за электронных преимуществ, которыми они обладали. А к 1960-м годам германиевые транзисторы практически исчезли.

Германий оказался ключевым компонентом в создании инфракрасных (ИК) линз и окон. В 1970-х годах были произведены кремниево-германиевые (SiGe) гальванические элементы (PVC), которые остаются критически важными для работы спутников.

В 1990-х годах развитие и распространение волоконной оптики увеличило спрос на германий. Элемент используется для формирования стеклянной сердцевины волоконно-оптических кабелей.

Начиная с 2000 года использование высокоэффективных ПВХ и светодиодов с использованием германия привело к увеличению производства и потребления германия.

Физические и химические свойства

Внешность

Серебристо-белый и блестящий. Когда его твердое тело состоит из множества кристаллов (поликристаллических), оно имеет чешуйчатую или морщинистую поверхность, полную оттенков и теней. Иногда он может даже казаться сероватым или черным, как кремний.

В стандартных условиях это полуметаллический элемент, хрупкий и металлический блеск.

Германий - полупроводник, не очень пластичный. Он имеет высокий показатель преломления для видимого света, но прозрачен для инфракрасного излучения и используется в окнах оборудования для обнаружения и измерения этого излучения.

Стандартный атомный вес

72,63 ед.

Атомный номер (Z)

32

Температура плавления

938,25 ºC

Точка кипения

2,833 ºC

плотность

При комнатной температуре: 5,323 г / см ^3.

При температуре плавления (жидкость): 5,60 г / см ^3.

Германий, как кремний, галлий, висмут, сурьма и вода, расширяется при затвердевании. По этой причине его плотность в жидком состоянии выше, чем в твердом.

Теплота плавления

36,94 кДж / моль

Теплота испарения

334 кДж / моль

Молярная калорийность

23,222 Дж / (моль К)

Давление газа

При температуре 1644 К его давление пара составляет всего 1 Па. Это означает, что его жидкость практически не испускает пар при этой температуре, поэтому это не означает риска вдыхания.

Электроотрицательность

2,01 по шкале Полинга

Энергии ионизации

-Первый: 762 кДж / моль

-Второй: 1537 кДж / моль

-Третий: 3302,1 кДж / моль

Теплопроводность

60,2 Вт / (м · К)

Удельное электрическое сопротивление

1 Ом · м при 20 ºC

Электропроводность

3S см ^-1

Магнитный заказ

диамагнитный

твердость

6.0 по шкале Мооса

стабильность

Относительно стабильный. Он не подвергается воздействию воздуха при комнатной температуре и окисляется при температуре выше 600 ° C.

Поверхностное натяжение

6 ^10-1 Н / м при 1673,1 К

Реактивность

Он окисляется при температуре выше 600ºC с образованием диоксида германия (GeO ₂ ). Германий производит две формы оксидов: диоксид германия (GeO ₂ ) и моноксид германия (GeO).

Соединения германия обычно проявляют степень окисления +4, хотя во многих соединениях германий встречается со степенью окисления +2. Степень окисления - 4 встречается, например, в германиде магния (Mg ₂ Ge).

Германий реагирует с галогенами с образованием тетрагалогенидов: тетрафторида германия (GeF ₄ ), газообразного соединения; тетраиодид германия (GeI ₄ ), твердое соединение; тетрахлорид германия (GeCl ₄ ) и тетрабромид германия (GeBr ₄ ), оба жидкие соединения.

Германий инертен по отношению к соляной кислоте; но он поражается азотной и серной кислотами. Хотя гидроксиды в водном растворе мало влияют на германий, он легко растворяется в расплавленных гидроксидах с образованием геронатов.

Структура и электронная конфигурация

Германий и его связи

В соответствии с его электронной конфигурацией, германий имеет четыре валентных электрона:

3д ¹⁰ 4с ² 4п ²

Подобно углероду и кремнию, их атомы Ge гибридизуют свои 4s- и 4p-орбитали с образованием четырех гибридных sp ^3- орбиталей . С этими орбиталями они связаны, удовлетворяя октету валентности, и, следовательно, имеют такое же количество электронов, что и благородный газ того же периода (криптон).

Таким образом, возникают ковалентные связи Ge-Ge, и, имея четыре из них для каждого атома, определяются окружающие тетраэдры (с одним Ge в центре и другими в вершинах). Таким образом, трехмерная сетка устанавливается путем смещения этих тетраэдров вдоль ковалентного кристалла; который ведет себя так, как будто это огромная молекула.

аллотропов

Ковалентный кристалл германия имеет ту же гранецентрированную кубическую структуру алмаза (и кремния). Этот аллотроп известен как α-Ge. Если давление увеличивается до 120 кбар (около 118 000 атм), кристаллическая структура α-Ge становится объемно-центрированной тетрагональной (BCT, аббревиатура на английском языке: Body -centered tetragonal).

Эти кристаллы BCT соответствуют второму аллотропу германия: β-Ge, где связи Ge-Ge разорваны и расположены изолированно, как это происходит с металлами. Таким образом, α-Ge является полуметаллическим; а β-Ge - металлический.

Числа окисления

Германий может либо потерять свои четыре валентных электрона, либо получить еще четыре, чтобы стать изоэлектронным с криптоном.

Когда он теряет электроны в своих соединениях, он, как говорят, имеет числа или положительные степени окисления, в которых предполагается существование катионов с такими же зарядами, как эти числа. Среди них у нас есть +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) и +4 (Ge ⁴⁺ ).

Например, следующие соединения имеют германий с положительной степенью окисления: 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- ) и GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Тогда как, когда он получает электроны в своих соединениях, он имеет отрицательную степень окисления. Среди них наиболее часто встречается -4; то есть предполагается существование аниона Ge ^4- . В германидах это происходит, и в качестве их примеров мы имеем Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) и Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Где найти и получить

Сернистые минералы

Образец минерала аргиродита с низким содержанием, но уникальная руда для извлечения германия. Источник: Роб Лавинский, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Германий - относительно редкий элемент в земной коре. Немногие минералы содержат его в заметном количестве, среди которых можно назвать: аргиродит (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), германит (7CuS · FeS · GeS ₂ ), бриартит (Cu ₂ FeGeS ₄ ), рениерит и канфилдит.

Все они имеют что-то общее: это сера или сернистые минералы. Следовательно, в природе (или, по крайней мере, здесь, на Земле) преобладает германий, как и GeS _2, а не GeO ₂ (в отличие от его широко распространенного аналога SiO ₂ , кремнезема).

В дополнение к упомянутым выше минералам, германий также обнаружен в углеродных отложениях в массовой концентрации 0,3%. Точно так же некоторые микроорганизмы могут перерабатывать его с образованием небольших количеств GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ и GeH ₃ (CH ₃ ), которые в конечном итоге перемещаются в реки и моря.

Германий - побочный продукт обработки металлов, таких как цинк и медь. Чтобы получить его, он должен пройти ряд химических реакций, чтобы восстановить свою серу до соответствующего металла; то есть удалить из GeS ₂ его атомы серы так, чтобы он стал просто Ge.

поджаренный

Минералы серы подвергаются процессу обжига, в ходе которого они нагреваются вместе с воздухом, чтобы произошло окисление:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Чтобы отделить германий от остатка, он превращается в соответствующий хлорид, который можно перегонять:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Как видно, преобразование можно проводить с использованием соляной кислоты или газообразного хлора. Затем GeCl ₄ снова гидролизуется до GeO ₂ , в результате чего он осаждается в виде грязно-белого твердого вещества. Наконец, оксид реагирует с водородом и восстанавливается до металлического германия:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Уменьшение, которое также можно сделать с помощью древесного угля:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Полученный германий состоит из порошка, который формуют или утрамбовывают в металлические стержни, из которых можно выращивать излучающие кристаллы германия.

Изотопы

В природе германий не содержит изотопов с высоким содержанием изобилия. Вместо этого в нем пять изотопов, содержание которых относительно невелико: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) и ⁷⁶ Ge (7,75%). Обратите внимание, что атомный вес составляет 72,630 ед., Что является средним значением всех атомных масс с соответствующими содержаниями изотопов.

Изотоп ⁷⁶ Ge на самом деле радиоактивен; но его период полураспада настолько велик (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ года), что он практически входит в пятерку самых стабильных изотопов германия. Другие радиоизотопы, такие как ⁶⁸ Ge и ⁷¹ Ge, оба синтетические, имеют более короткие периоды полураспада (270,95 суток и 11,3 суток соответственно).

риски

Элементарный и неорганический германий

Экологические риски для германия несколько противоречивы. Поскольку он является слегка тяжелым металлом, распространение его ионов из водорастворимых солей может нанести ущерб экосистеме; то есть животные и растения могут пострадать от потребления ионов Ge ³⁺ .

Элементарный германий безопасен, пока он не измельчен. Если он находится в пыли, поток воздуха может унести его к источникам тепла или сильно окисляющим веществам; и, следовательно, существует опасность возгорания или взрыва. Кроме того, его кристаллы могут попадать в легкие или глаза, вызывая сильное раздражение.

Человек может безопасно обращаться с германиевым диском в своем офисе, не беспокоясь ни о каких авариях. Однако этого нельзя сказать о его неорганических соединениях; то есть его соли, оксиды и гидриды. Например, GeH ₄ или германский (аналог CH ₄ и SiH ₄ ) является довольно раздражающим и легковоспламеняющимся газом.

Органический германий

Теперь есть органические источники германия; Среди них можно упомянуть 2-карбоксиэтилгермасквиоксан или германий-132, альтернативную добавку, известную для лечения определенных заболеваний; хотя с доказательствами ставятся под сомнение.

Некоторые из лечебных эффектов, приписываемых германию-132, заключаются в укреплении иммунной системы, что помогает бороться с раком, ВИЧ и СПИДом; регулирует функции организма, а также улучшает степень оксигенации крови, устраняет свободные радикалы; а также излечивает артрит, глаукому и болезни сердца.

Однако органический германий был связан с серьезным повреждением почек, печени и нервной системы. Вот почему существует скрытый риск, когда дело доходит до употребления этой добавки германия; Что ж, хотя есть те, кто считает это чудодейственным лекарством, есть другие, которые предупреждают, что оно не дает никаких научно доказанных преимуществ.

Приложения

Инфракрасная оптика

Некоторые датчики инфракрасного излучения изготовлены из германия или его сплавов. Источник: Adafruit Industries через Flickr.

Германий прозрачен для инфракрасного излучения; то есть они могут проходить через него, не впитываясь.

Благодаря этому были созданы германиевые очки и линзы для инфракрасных оптических устройств; например, в сочетании с ИК-детектором для спектроскопического анализа в линзах, используемых в космических телескопах дальнего инфракрасного диапазона для изучения самых далеких звезд во Вселенной, или в датчиках света и температуры.

Инфракрасное излучение связано с молекулярными колебаниями или источниками тепла; Таким образом, устройства, используемые в военной промышленности для наблюдения за целями ночного видения, содержат компоненты, изготовленные из германия.

Полупроводниковый материал

Германиевые диоды, заключенные в стекло и использовавшиеся в 60-х и 70-х годах. Источник: Rolf Süssbrich.

Германий как полупроводниковый металлоид используется для создания транзисторов, электрических схем, светодиодов и микрочипов. В последнем случае германий-кремниевые сплавы и даже германий сами по себе начали заменять кремний, так что могут быть разработаны все более компактные и более мощные схемы.

Его оксид GeO ₂ из-за его высокого показателя преломления добавляется в стекла, чтобы их можно было использовать в микроскопии, широкоугольных объективах и волоконной оптике.

Германий пришел не только на замену кремнию в некоторых электронных устройствах, но также может быть связан с арсенидом галлия (GaAs). Таким образом, этот металлоид также присутствует в солнечных батареях.

Катализаторы

GeO ₂ использовался в качестве катализатора реакций полимеризации; например, в той, что необходима для синтеза полиэтилентерефталата, пластика, из которого изготавливаются блестящие бутылки, продаваемые в Японии.

Точно так же наночастицы их платиновых сплавов катализируют окислительно-восстановительные реакции, в которых они включают образование газообразного водорода, что делает эти гальванические элементы более эффективными.

сплавы

Наконец, было упомянуто, что существуют сплавы Ge-Si и Ge-Pt. Помимо этого, его атомы Ge можно добавлять в кристаллы других металлов, таких как серебро, золото, медь и бериллий. Эти сплавы обладают большей пластичностью и химической стойкостью, чем отдельные металлы.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2019). Германий. Получено с: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Кристаллическая структура кремния и германия. Получено с: Physicsopenlab.org
4. Сьюзан Йорк Моррис. (19 июля 2016 г.). Германий - чудодейственное средство? Healthline Media. Получено с: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Таблица Менделеева: германий. Получено с: lenntech.com
6. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Германий. База данных PubChem. CID = 6326954. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе германия. Chemicool. Получено с: chemicool.com
8. Эмиль Венере. (8 декабря 2014 г.). Германий приходит домой в Purdue для создания полупроводниковой вехи. Получено с: purdue.edu
9. Маркес Мигель. (SF). Германий. Получено с: nautilus.fis.uc.pt
10. Розенберг, Э. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Германий: присутствие в окружающей среде, значение и видообразование. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x