ГЕРМАНИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧАВАНЕ, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2025

В германий е металоид елемент е представен чрез химически символ Ge и принадлежаща към групата 14 от периодичната таблица. Той се намира под силиций и споделя много от неговите физични и химични свойства; дотолкова, че веднъж името му беше Ekasilicio, предсказано от самия Дмитрий Менделеев.

Сегашното му име е дадено от Клеменс А. Уинклер, в чест на родината му Германия. Следователно германийът е свързан с тази страна и това е първият образ, който предизвиква ума тези, които не го познават добре.

Ултра чиста проба от германий. Източник: Hi-Res изображения на химически елементи

Германий, подобно на силиция, се състои от ковалентни кристали от триизмерни тетраедрични решетки с Ge-Ge връзки. По същия начин той може да бъде открит в монокристална форма, в която зърната му са едри или поликристални, съставени от стотици малки кристали.

Той е полупроводников елемент при околно налягане, но когато се издигне над 120 kbar, той се превръща в метален алотроп; тоест, евентуално връзките на Ge-Ge са прекъснати и те са подредени поотделно, увити в морето на своите електрони.

Счита се за нетоксичен елемент, тъй като с него може да се борави без всякакъв вид защитно облекло; въпреки че вдишването и прекомерният му прием могат да доведат до класическите симптоми на дразнене при индивидите. Парното му налягане е много ниско, така че димът му е малко вероятно да предизвика пожар.

Въпреки това, неорганичните (соли) и органичните германии могат да бъдат опасни за организма, въпреки факта, че техните Ge атоми взаимодействат по мистериозен начин с биологични матрици.

Всъщност не е известно дали органичният германий може да се счита за чудодейно лекарство за лечение на определени разстройства като алтернативно лекарство. Научните изследвания обаче не подкрепят тези твърдения, но ги отхвърлят и маркират този елемент дори като канцерогенен.

Германий е не само полупроводник, придружаващ силиций, селен, галий и цяла серия от елементи в света на полупроводникови материали и техните приложения; Той е прозрачен и за инфрачервено лъчение, което го прави полезен за производството на топлинни детектори от различни източници или региони.

история

Менделеев прогнози

Германий е един от елементите, чието съществуване е предсказано през 1869 г. от руския химик Дмитрий Менделеев в неговата периодична таблица. Той временно го нарече ekasilicon и го постави в пространство на периодичната таблица между калай и силиций.

През 1886 г. Клеменс А. Винклер открива германий в минерална проба от сребърна мина край Фрайберг, Саксония. Това беше минералът, наречен аргиродит, поради високото си съдържание на сребро и едва наскоро открит през 1885г.

Пробата от аргиродит съдържа 73-75% сребро, 17-18% сяра, 0,2% живак и 6-7% нов елемент, който по-късно Уинклер нарече германий.

Менделеев беше предвидил, че плътността на елемента, който трябва да бъде открит, трябва да бъде 5,5 g / cm ^3, а атомното му тегло около 70. Прогнозите му се оказаха доста близки до тези на германий.

Изолация и име

През 1886 г. Уинклер успял да изолира новия метал и го намерил подобен на антимона, но той преразгледал и разбрал, че откритият от него елемент съответства на ekasilicon.

Уинклер нарече елемента „германий“, произхождащ от латинската дума „германия“, дума, която използваха за описание на Германия. Поради тази причина Уинклер нарече новия елемент германий, след като е родна Германия.

Определяне на неговите свойства

През 1887 г. Уинклер определя химичните свойства на германия, като намира атомно тегло 72,32 чрез анализ на чист германиев тетрахлорид (GeCl ₄).

Междувременно Lecoq de Boisbaudran изведе атомна тежест от 72,3, като изучи искрата на спектъра на елемента. Уинклер подготви няколко нови съединения от германий, включително флуориди, хлориди, сулфиди и диоксиди.

През 20-те години изследванията на електрическите свойства на германия водят до развитието на висококристален монокристален германий.

Това развитие позволи използването на германий в диоди, токоизправители и микровълнови радарни приемници по време на Втората световна война.

Разработване на вашите приложения

Първото индустриално приложение идва след войната през 1947 г., с изобретяването на германиеви транзистори от Джон Бардин, Уолтър Братайн и Уилям Шокли, които се използват в комуникационно оборудване, компютри и преносими радиостанции.

През 1954 г. силициевите транзистори с висока чистота започват да изместват германиевите транзистори поради електронните предимства, които притежават. И до 60-те години германиевите транзистори практически изчезнаха.

Германийът се оказа ключов компонент в изработката на инфрачервени (инфрачервени) лещи и прозорци. През 70-те години се създават волтови клетки от силициев германий (SiGe) (PVC), които остават критични за сателитните операции.

През 90-те години развитието и разширяването на оптичните влакна увеличават търсенето на германий. Елементът се използва за формиране на стъклената сърцевина от оптични кабели.

От 2000 г. високоефективните PVC и светодиоди (LED), използващи германий, доведоха до увеличаване на производството и потреблението на германий.

Физични и химични свойства

Външен вид

Сребристо бяло и лъскаво. Когато твърдото му вещество е съставено от много кристали (поликристални), то има люспеста или набръчкана повърхност, пълна с тонове и сенки. Понякога дори може да изглежда сивкав или черен като силиций.

В стандартните условия това е полуметален елемент, крехък и метален блясък.

Германий е полупроводник, не много пластичен. Той има висок коефициент на пречупване на видима светлина, но е прозрачен за инфрачервено лъчение, използва се в прозорците на оборудването за откриване и измерване на тези лъчения.

Стандартно атомно тегло

72,63 ф

Атомно число (Z)

32

Точка на топене

938,25 ° C

Точка на кипене

2833 ° C

плътност

При стайна температура: 5.323 гр / см ³

В точка на топене (течност): 5.60 гр / см ³

Германийът като силиций, галий, бисмут, антимон и вода се разширява, докато се втвърдява. Поради тази причина плътността му е по-висока в течно състояние, отколкото в твърдо състояние.

Топлина от синтез

36,94 kJ / mol

Топлина от изпаряване

334 kJ / mol

Моларен калоричен капацитет

23.222 J / (мол K)

Парно налягане

При температура 1644 K, налягането на парата му е само 1 Па. Това означава, че течността му не изпуска почти никакви изпарения при тази температура, така че не предполага риск от вдишване.

Електроотрицателност

2.01 по скалата на Полинг

Йонизационни енергии

-Първо: 762 kJ / mol

-Втора: 1,537 kJ / mol

-Трето: 3,302,1 kJ / mol

Топлопроводимост

60,2 W / (m K)

Електрическо съпротивление

1 Ωm при 20 ºC

Електрическа проводимост

3S cm ^-1

Магнетичен ред

диамагнитно

твърдост

6.0 по скалата на Mohs

стабилност

Сравнително стабилен. Не се влияе от въздуха при стайна температура и се окислява при температури над 600 ° C.

Повърхностно напрежение

6 10 ^-1 N / m при 1,673.1 K

реактивност

Той се окислява при температури над 600ºC до форма германий диоксид (GEO ₂). Германий произвежда две форми на оксиди: германиев диоксид (GeO ₂) и германиев моноксид (GeO).

Германиевите съединения обикновено проявяват +4 окислително състояние, въпреки че в много съединения германий се среща със +2 окислително състояние. Окислителното състояние - 4 се случва например в магнезиев германид (Mg ₂ Ge).

Германийът реагира с халогени, за да образува тетрахалиди: германиев тетрафлуорид (GeF ₄), газообразно съединение; германиев тетрайодид (GeI ₄), твърдо съединение; германиев тетрахлорид (GeCl ₄) и германиев тетрабромид (GeBr ₄), и двете течни съединения.

Германий е инертен към солна киселина; но е атакуван от азотна киселина и сярна киселина. Въпреки че хидроксидите във воден разтвор имат малък ефект върху германия, той лесно се разтваря в разтопени хидроксиди, като образува геронати.

Структура и електронна конфигурация

Германий и неговите връзки

Германийът има четири валентни електрона според своята електронна конфигурация:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Подобно на въглерод и силиций, техните Ge атоми хибридизират своите 4s и 4p орбитали, образувайки четири sp ³ хибридни орбитали. С тези орбитали те се свързват, за да задоволят валентния октет и следователно имат същия брой електрони като благородния газ от същия период (криптон).

По този начин възникват ковалентните връзки на Ge-Ge и имат четири от тях за всеки атом, заобикалящи тетраедри (с един Ge в центъра, а останалите в върховете). По този начин, триизмерна мрежа се установява чрез изместване на тези тетраедри по протежение на ковалентния кристал; което се държи така, сякаш е огромна молекула.

алотропия

Ковалентният германиев кристал възприема една и съща в центъра кубична структура на диамант (и силиций). Този алотроп е известен като α-Ge. Ако налягането се увеличи до 120 kbar (около 118 000 атм), кристалната структура на α-Ge става тетрагонална, ориентирана към тялото (BCT, за съкращението му на английски: Body-centered tetragonal).

Тези кристали BCT съответстват на втория алотроп на германий: β-Ge, където връзките на Ge-Ge са прекъснати и подредени изолирано, както се случва с металите. По този начин, α-Ge е полуметален; докато β-Ge е метален.

Окислителни числа

Германий може или да загуби своите четири валентни електрона, или да спечели още четири, за да стане изоелектрон с криптон.

Когато губи електрони в съединенията си, се казва, че има положителни числа или окислителни състояния, в които се приема наличието на катиони със същите заряди като тези числа. Сред тях имаме +2 (Ge ²⁺), +3 (Ge ³⁺) и +4 (Ge ⁴⁺).

Например, следните съединения имат германий с положителни окислителни числа: 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-).

Докато когато натрупва електрони в своите съединения, той има отрицателни окислителни числа. Сред тях най-често срещаният е -4; т. е. предполага се съществуването на Ge ^4- аниона. При германидите това се случва и като примери за тях имаме Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4-) и Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4-).

Къде да намеря и получавам

Сярни минерали

Аргиродитна минерална проба, с ниско изобилие, но уникална руда за добив на германий. Източник: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Германий е сравнително рядък елемент в земната кора. Малко минерали съдържат значително количество от него, сред които можем да споменем: аргиродит (4Ag ₂ S · GeS ₂), германит (7CuS · FeS · GeS ₂), бриарит (Cu ₂ FeGeS ₄), рениерит и канфилит.

Всички те имат нещо общо: те са сяра или серни минерали. Следователно германий преобладава в природата (или поне тук на Земята), като GeS _2, а не GeO ₂ (за разлика от широко разпространения си SiO ₂ колега, силициев диоксид).

В допълнение към споменатите по-горе минерали, германийът също е открит в масови концентрации от 0,3% във въглеродните отлагания. Също така, някои микроорганизми може да се обработват за генериране на малки количества Geh ₂ (CH ₃) ₂ и Geh ₃ (СН ₃), който в крайна сметка измества в реки и морета.

Германийът е страничен продукт от обработката на метали като цинк и мед. За да го получи, той трябва да премине серия от химични реакции, за да намали сярата си до съответния метал; тоест да се премахне GeS ₂ неговите серни атоми, така че да е просто Ge.

Препечена

Сярните минерали преминават през процес на изпичане, при който се нагряват заедно с въздуха, за да настъпят окисления:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

За да отдели германия от остатъка, той се трансформира в съответния му хлорид, който може да се дестилира:

GEO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GEO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Както се вижда, трансформацията може да се извърши с помощта на солна киселина или хлорен газ. В GeCl ₄ след това се хидролизира обратно GEO ₂, с което се утаява като мръсно бяло твърдо вещество. И накрая, оксидът реагира с водород, за да се редуцира до метален германий:

GEO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Намаление, което може да се направи и с дървени въглища:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Полученият германий се състои от прах, който се формова или уплътнява в метални пръти, от който могат да се отглеждат сияещи кристали на германий.

Изотопи

Германий не притежава високо изобилен изотоп в природата. Вместо това той има пет изотопа, чието изобилие е сравнително малко: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) и ⁷⁶ Ge (7.75%). Обърнете внимание, че атомното тегло е 72.630 u, което е средно всички атомни маси със съответните изобилия на изотопите.

Изотопът ⁷⁶ Ge всъщност е радиоактивен; но полуразпадът му е толкова дълъг (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ години), че на практика е сред петте най-стабилни изотопи на германий. Други радиоизотопи, като ⁶⁸ Ge и ⁷¹ Ge, и двата синтетични, имат по-кратък полуразпад (съответно 270.95 дни и 11.3 дни).

Рискове

Елементарен и неорганичен германий

Екологичните рискове за германия са малко противоречиви. Като леко тежък метал, разпространението на неговите йони от водоразтворими соли може да нанесе вреда на екосистемата; това означава, че животните и растенията могат да бъдат засегнати от консумацията на Ge ³⁺ йони.

Елементарният германий е безопасен, стига да не е на прах. Ако е в прах, въздушен поток може да го пренася към източници на топлина или силно окисляващи вещества; и следователно съществува риск от пожар или експлозия. Също така кристалите му могат да попаднат в белите дробове или очите, причинявайки силни раздразнения.

Човек може спокойно да борави с германиев диск в кабинета си, без да се притеснява от някакъв инцидент. Същото обаче не може да се каже за неговите неорганични съединения; тоест неговите соли, оксиди и хидриди. Например, Geh ₄ или германски (аналогичен на СН ₄ и SiH ₄), е доста дразни и запалим газ.

Органичен германий

Сега има органични източници на германий; Сред тях може да се спомене 2-карбоксиетилгермасквиоксан или германий-132, алтернативна добавка, известна за лечение на някои заболявания; макар и с доказателства, поставени под съмнение.

Някои от лекарствените ефекти, приписвани на германий-132, са за укрепване на имунната система, като по този начин помага за борба с рака, ХИВ и СПИН; регулира функциите на организма, както и подобрява степента на оксигенация в кръвта, елиминира свободните радикали; и също така лекува артрит, глаукома и сърдечни заболявания.

Органичният германий обаче е свързан със сериозно увреждане на бъбреците, черния дроб и нервната система. Ето защо има латентен риск, когато става дума за консумация на тази добавка за германий; Е, въпреки че има и такива, които го смятат за чудодейно лекарство, има и други, които предупреждават, че той не предлага никаква научно доказана полза.

Приложения

Инфрачервена оптика

Някои сензори за инфрачервено лъчение са изработени от германий или неговите сплави. Източник: Adafruit Industries чрез Flickr.

Германий е прозрачен за инфрачервено лъчение; тоест те могат да преминат през него, без да бъдат погълнати.

Благодарение на това са създадени германиеви очила и лещи за инфрачервени оптични устройства; например, съчетан с инфрачервен детектор за спектроскопски анализ, в лещи, използвани в далеко инфрачервени космически телескопи за изследване на най-отдалечените звезди във Вселената, или в сензори за светлина и температура.

Инфрачервеното излъчване се свързва с молекулни вибрации или източници на топлина; така че устройствата, използвани във военната индустрия за преглед на целите за нощно виждане, имат компоненти, изработени от германий.

Полупроводников материал

Германиеви диоди, капсулирани в стъкло и използвани през 60-те и 70-те г. Източник: Rolf Süssbrich

Германийът като полупроводников металоид се използва за изграждане на транзистори, електрически вериги, светодиоди и микрочипове. В последното, германиево-силициевите сплави и дори германий сами по себе си са започнали да заменят силиция, така че да могат да се проектират все по-малки и по-мощни вериги.

Неговият оксид, GeO ₂, поради високия си коефициент на пречупване, се добавя към очилата, така че те да могат да се използват в микроскопия, широкоъгълни цели и оптични влакна.

Германий не само е заместил силиция в някои електронни приложения, но може да бъде съчетан и с галиев арсенид (GaAs). По този начин този металоид присъства и в слънчевите панели.

Катализатори

GEO ₂ се използва като катализатор за полимеризация реакции; например в този, необходим за синтеза на полиетилен терефталат, се прави пластмаса, с която се правят лъскави бутилки, продавани в Япония.

По същия начин, наночастиците на техните платинени сплави катализират редокс-реакции, когато те включват образуването на водороден газ, което прави тези волтови клетки по-ефективни.

сплави

Накрая беше споменато, че има сплави Ge-Si и Ge-Pt. В допълнение към това, неговите атоми на Ge могат да се добавят към кристалите на други метали, като сребро, злато, мед и берилий. Тези сплави показват по-голяма пластичност и химическа устойчивост от техните отделни метали.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Германий. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Силициева и германиева кристална структура. Възстановено от: physicsopenlab.org
4. Сюзън Йорк Морис. (19 юли 2016 г.). Дали германийът е чудо-лек? Healthline Media. Възстановени от: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Периодична таблица: германий. Възстановена от: lenntech.com
6. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Германий. PubChem база данни. CID = 6326954. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Д-р Дъг Стюарт. (2019). Факти за елемент от германий. Chemicool. Възстановено от: chemicool.com
8. Емил Венере. (8 декември 2014 г.). Германий се прибира в Пърдю за полупроводников крайъгълен камък. Възстановена от: purdue.edu
9. Маркес Мигел. (SF). Германий. Възстановено от: nautilus.fis.uc.pt
10. Розенберг, Е. Rev Environment Sci Biotechnol. (2009 г.). Германий: поява на околната среда, значение и спецификация. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x