Germanium historie, egenskaper, struktur, innhenting, bruksområder

1630
Anthony Golden

De germanium Det er et metalloid element som er representert av det kjemiske symbolet Ge og som tilhører gruppe 14 i det periodiske systemet. Det finnes under silisium, og deler mange av dets fysiske og kjemiske egenskaper med det; så mye at en gang navnet hans var Ekasilicio, spådd av Dmitri Mendeleev selv.

Dets nåværende navn ble gitt av Clemens A. Winkler, til ære for hjemlandet Tyskland. Derfor er germanium knyttet til dette landet, og at det er det første bildet som fremkaller tankene de som ikke vet det for mye..

Ultrarent germaniumprøve. Kilde: Hi-Res Images of Chemical Elements [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Germanium, i likhet med silisium, består av kovalente krystaller av tredimensjonale tetraedriske gitter med Ge-Ge-bindinger. På samme måte kan den finnes i monokrystallinsk form, der kornene er store, eller polykrystallinske, sammensatt av hundrevis av små krystaller..

Det er et halvlederelement ved omgivelsestrykk, men når det stiger over 120 kbar blir det en metallisk allotrop; det vil si at muligens Ge-Ge-bindingene er ødelagte og de er ordnet individuelt innpakket i havet av deres elektroner.

Det regnes som et giftfritt element, da det kan håndteres uten noen form for beskyttende klær; selv om innånding og overdreven inntak kan føre til klassiske symptomer på irritasjon hos individer. Damptrykket er veldig lavt, så det er lite sannsynlig at det vil forårsake brann.

Uorganiske (salter) og organiske germaniums kan imidlertid være farlige for kroppen, til tross for at deres Ge-atomer samhandler på en mystisk måte med biologiske matriser..

Det er egentlig ikke kjent om organisk germanium kan betraktes som en mirakelkur for å behandle visse lidelser som en alternativ medisin. Imidlertid støtter ikke vitenskapelige studier disse påstandene, men avviser dem, og merker dette elementet selv som kreftfremkallende..

Germanium er ikke bare en halvleder, som følger med silisium, selen, gallium og en hel rekke elementer i verden av halvledermaterialer og deres applikasjoner; Den er også gjennomsiktig for infrarød stråling, noe som gjør den nyttig for produksjon av varmedetektorer fra forskjellige kilder eller regioner..

Artikkelindeks

  • 1 Historie
    • 1.1 Mendeleevs spådommer
    • 1.2 Isolasjon og navn
    • 1.3 Bestemmelse av dens egenskaper
    • 1.4 Utvikle applikasjonene dine
  • 2 Fysiske og kjemiske egenskaper
    • 2.1 Utseende
    • 2.2 Standard atomvekt
    • 2.3 Atomnummer (Z)
    • 2.4 Smeltepunkt
    • 2.5 Kokepunkt
    • 2.6 Tetthet
    • 2.7 Fusjonsvarme
    • 2.8 Fordampningsvarme
    • 2,9 Molar varmekapasitet
    • 2.10 Damptrykk
    • 2.11 Elektronegativitet
    • 2.12 Ioniseringsenergier
    • 2.13 Varmeledningsevne
    • 2.14 Elektrisk motstand
    • 2.15 Elektrisk ledningsevne
    • 2.16 Magnetisk rekkefølge
    • 2.17 Hardhet
    • 2.18 Stabilitet
    • 2.19 Overflatespenning
    • 2.20 Reaktivitet
  • 3 Struktur og elektronisk konfigurasjon
    • 3.1 Germanium og dets obligasjoner
    • 3.2 Allotropes
    • 3.3 oksidasjonstall
  • 4 Hvor å finne og skaffe
    • 4.1 Svovelholdige mineraler
    • 4.2 Steking
  • 5 isotoper
  • 6 Risiko
    • 6.1 Elementært og uorganisk germanium
    • 6.2 Organisk Germanium
  • 7 bruksområder
    • 7.1 Infrarød optikk
    • 7.2 Halvledermateriale
    • 7.3 Katalysatorer
    • 7.4 Legeringer
  • 8 Referanser

Historie

Mendeleev spådommer

Germanium var et av elementene hvis eksistens ble spådd i 1869 av den russiske kjemikeren Dmitri Mendeleev i sitt periodiske system. Han kalte det foreløpig ekasilicon og plasserte det i et mellomrom på periodisk bord mellom tinn og silisium..

I 1886 oppdaget Clemens A. Winkler germanium i en mineralprøve fra en sølvgruve nær Freiberg, Sachsen. Det var mineralet kalt argyroditt på grunn av dets høye sølvinnhold, og ble nettopp oppdaget i 1885.

Argyrodittprøven inneholdt 73-75% sølv, 17-18% svovel, 0,2% kvikksølv og 6-7% et nytt element, som Winkler senere kalte germanium..

Mendeleev hadde spådd at tettheten til elementet som skulle oppdages skulle være 5,5 g / cm3 og dets atomvekt rundt 70. Hans spådommer viste seg å være ganske nær de som ble gjort av germanium.

Isolasjon og navn

I 1886 klarte Winkler å isolere det nye metallet og syntes det lignet på antimon, men han revurderte og innså at elementet han hadde oppdaget tilsvarte ekasilicon..

Winkler kalte elementet 'germanium' stammer fra det latinske ordet 'germania', et ord de pleide å beskrive Tyskland. Av denne grunn utnevnte Winkler det nye elementet germanium, etter sitt hjemland Tyskland..

Bestemmelse av dens egenskaper

I 1887 bestemte Winkler de kjemiske egenskapene til germanium, og fant en atomvekt på 72,32 ved en analyse av rent germaniumtetraklorid (GeCl4).

I mellomtiden trakk Lecoq de Boisbaudran en atomvekt på 72,3 ved å studere elementets gnistspektrum. Winkler forberedte flere nye forbindelser fra germanium, inkludert fluorider, klorider, sulfider og dioksider..

På 1920-tallet førte undersøkelser av de elektriske egenskapene til germanium til utvikling av monokrystallinsk germanium med høy renhet.

Denne utviklingen tillot bruk av germanium i dioder, likerettere og mikrobølgeradarmottakere under andre verdenskrig..

Utvikling av applikasjonene dine

Den første industrielle applikasjonen kom etter krigen i 1947, med oppfinnelsen av germanium-transistorer av John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley, som ble brukt i kommunikasjonsutstyr, datamaskiner og bærbare radioer..

I 1954 begynte silikon-transistorer med høy renhet å fortrenge germanium-transistorer på grunn av de elektroniske fordelene de hadde. Og på 1960-tallet hadde germanium-transistorer nesten forsvunnet..

Germanium viste seg å være en nøkkelkomponent i fremstillingen av infrarøde (IR) linser og vinduer. På 1970-tallet ble silisiumgermanium (SiGe) voltaiske celler (PVC) produsert som fortsatt er kritiske for satellittoperasjoner..

På 1990-tallet økte utviklingen og utvidelsen av fiberoptikk etterspørselen etter germanium. Elementet brukes til å danne glasskjernen til fiberoptiske kabler.

Fra og med 2000 førte høyeffektive PVC-er og lysdioder (LED) som bruker germanium til en økning i produksjonen og forbruket av germanium..

Fysiske og kjemiske egenskaper

Utseende

Sølvhvitt og skinnende. Når det faste stoffet består av mange krystaller (polykrystallinske), har det en skjellete eller rynket overflate, full av overtoner og skygger. Noen ganger kan det til og med virke så gråaktig eller svart som silisium..

Under standard forhold er det et halvmetallisk element, sprø og metallisk glans..

Germanium er en halvleder, ikke veldig duktil. Den har høy brytningsindeks for synlig lys, men er gjennomsiktig for infrarød stråling, og brukes i utstyrsvinduer for å oppdage og måle denne strålingen..

Standard atomvekt

72,63 u

Atomnummer (Z)

32

Smeltepunkt

938,25 ºC

Kokepunkt

2.833 ºC

Tetthet

Ved romtemperatur: 5,323 g / cm3

Ved smeltepunkt (væske): 5,60 g / cm3

Germanium, som silisium, gallium, vismut, antimon og vann, utvides når det stivner. Av denne grunn er dens tetthet større i flytende tilstand enn i fast tilstand..

Fusjonsvarme

36,94 kJ / mol

Fordampningsvarme

334 kJ / mol

Molar varmekapasitet

23,222 J / (mol K)

Damptrykk

Damptrykket er bare 1 Pa ved en temperatur på 1644 K. Dette betyr at væsken avgir knapt noen damp ved den temperaturen, så det innebærer ingen risiko for innånding..

Elektronegativitet

2.01 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

-Først: 762 kJ / mol

-Andre: 1.537 kJ / mol

-Tredje: 3,302,1 kJ / mol

Termisk ledningsevne

60,2 W / (m K)

Elektrisk motstand

1 Ω · m ved 20 ºC

Elektrisk ledningsevne

3S cm-1

Magnetisk rekkefølge

Diamagnetisk

Hardhet

6.0 på Mohs-skalaen

Stabilitet

Relativt stabil. Den påvirkes ikke av luft ved romtemperatur og oksyderer ved temperaturer over 600 ºC.

Overflatespenning

6 10-1 N / m ved 1.673,1 K

Reaktivitet

Den oksyderer ved temperaturer over 600 ° C for å danne germaniumdioksid (GeOto). Germanium gir opphav til to former for oksider: germaniumdioksid (GeOto) og germaniummonoksid (GeO).

Germaniumforbindelser viser generelt +4 oksidasjonstilstand, selv om germanium i mange forbindelser forekommer med +2 oksidasjonstilstand. Oksidasjonstilstanden - 4 forekommer, for eksempel i magnesiumgermanid (MgtoGe).

Germanium reagerer med halogener for å danne tetrahalider: germaniumtetrafluorid (GeF4gassformet forbindelse; germaniumtetraiodid (GeI4fast forbindelse; germaniumtetraklorid (GeCl4) og germaniumtetrabromid (GeBr4), begge flytende forbindelser.

Germanium er inert mot saltsyre; men det angripes av salpetersyre og svovelsyre. Selv om hydroksider i vandig løsning har liten effekt på germanium, oppløses det lett i smeltede hydroksider for å danne geronater..

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Germanium og dets obligasjoner

Germanium har fire valenselektroner i henhold til den elektroniske konfigurasjonen:

[Ar] 3d10 4sto 4pto

I likhet med karbon og silisium hybridiserer Ge-atomer deres 4s og 4p orbitaler for å danne fire sp hybrid orbitaler.3. Med disse orbitalene binder de seg for å tilfredsstille valensoktet og har følgelig samme antall elektroner som edelgassen fra samme periode (krypton).

På denne måten oppstår Ge-Ge kovalente bindinger, og med fire av dem for hvert atom, som omgir tetraeder er definert (med en Ge i sentrum og de andre i toppunktene). Dermed etableres et tredimensjonalt nettverk ved forskyvning av disse tetraedrene langs den kovalente krystall; som oppfører seg som om det var et enormt molekyl.

Allotropes

Den kovalente germaniumkrystallen vedtar den samme ansiktssentrerte kubiske strukturen av diamant (og silisium). Denne allotropen er kjent som α-Ge. Hvis trykket øker til 120 kbar (ca. 118 000 atm), blir krystallstrukturen til α-Ge kroppssentrert tetragonal (BCT, for akronymet på engelsk: Body-centered tetragonal).

Disse BCT-krystallene tilsvarer den andre allotropen av germanium: β-Ge, hvor Ge-Ge-bindingene brytes og arrangeres isolert, slik det skjer med metaller. Dermed er α-Ge halvmetallisk; mens β-Ge er metallisk.

Oksidasjonsnumre

Germanium kan enten miste sine fire valenselektroner, eller få fire til for å bli isoelektronisk med krypton..

Når det mister elektroner i forbindelsene, sies det at det har positive tall eller oksidasjonstilstander, hvor det antas at det er kationer med samme ladninger som disse tallene. Blant disse har vi +2 (Geto+), +3 (Ge3+) og +4 (Ge4+).

For eksempel har følgende forbindelser germanium med positive oksidasjonstall: GeO (Geto+ELLERto-), GeTe (Geto+Teto-), GetoCl6 (Geto3+Cl6-), GeOto (Ge4+ELLERtoto-) og GeSto (Ge4+Stoto-).

Mens den får elektroner i forbindelsene, har den negative antall oksidasjoner. Blant dem er de vanligste -4; det vil si at eksistensen av anionen Ge antas4-. På tysker skjer dette, og som eksempler på dem har vi Li4Ge (Li4+Ge4-) og MgtoGe (Mgtoto+Ge4-).

Hvor å finne og skaffe

Svovelholdige mineraler

Argyrodite mineralprøve, med lav overflod, men en unik malm for utvinning av germanium. Kilde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Germanium er et relativt sjeldent element i jordskorpen. Få mineraler inneholder en betydelig mengde av det, blant annet kan vi nevne: argyroditt (4AgtoS · GeSto), germanitt (7CuS · FeS · GeSto), briartitt (CutoFeGeS4), renierite og canfieldite.

De har alle noe til felles: de er svovel- eller svovelholdige mineraler. Derfor dominerer germanium i naturen (eller i det minste her på jorden), som GeSto og ikke GeOto (i motsetning til motparten SiOto, silika, vidt spredt).

I tillegg til mineralene nevnt ovenfor, har germanium også vist seg å bli funnet i massekonsentrasjoner på 0,3% i kullavsetninger. Noen mikroorganismer kan også bearbeide den for å generere små mengder GeHto(CH3)to og GeH3(CH3), som ender opp med fordrevne mot elver og hav.

Germanium er et biprodukt fra prosessering av metaller som sink og kobber. For å oppnå det, må det gjennomgå en rekke kjemiske reaksjoner for å redusere svovelet til det tilsvarende metallet; det vil si ta bort GeSto svovelatomer slik at den forblir som Ge ganske enkelt.

Ristet

Svovelholdige mineraler gjennomgår en stekeprosess der de varmes opp sammen med luften for at oksidasjon skal oppstå:

GeSto + 3 Oto → GeOto + 2 SÅto

For å skille germanium fra resten transformeres det til dets respektive klorid, som kan destilleres:

Geoto + 4 HCl → GeCl4 + 2 timertoELLER

Geoto + 2 Clto → GeCl4 + ELLERto

Som det kan sees, kan transformasjonen utføres ved bruk av saltsyre eller klorgass. GeCl4 hydrolyserer deretter tilbake til GeOto, så det faller ut som et hvitt fast stoff. Til slutt reagerer oksidet med hydrogenet for å redusere det til metallisk germanium:

Geoto + 2 timerto → Ge + 2 HtoELLER

Reduksjon som også kan gjøres med kull:

Geoto + C → Ge + COto

Det oppnådde germanium består av et pulver som er støpt eller tampet i metallstenger, hvorfra det kan dyrkes strålende germaniumkrystaller..

Isotoper

Germanium har ingen isotoper med stor overflod i naturen. I stedet har den fem isotoper hvis overflod er relativt lav: 70Ge (20,52%), 72Ge (27,45%), 73Ge (7,76%), 74Ge (36,7%) og 76Ge (7,75%). Merk at atomvekten er 72,630 u, som gjennomsnitt av alle atommassene med de respektive overflodene av isotopene.

Isotop 76Ge er faktisk radioaktiv; men halveringstiden er så stor (t1/2= 1,78 × 10tjueen år) som praktisk talt er blant de fem mest stabile isotoper av germanium. Andre radioisotoper, som f.eks 68Ge og 71Ge, begge syntetiske, har kortere halveringstider (henholdsvis 270,95 dager og 11,3 dager).

Risiko

Elementært og uorganisk germanium

Miljørisikoen for germanium er noe kontroversiell. Å være et litt tungmetall, kan en formering av ionene fra vannløselige salter forårsake skade på økosystemet; det vil si at dyr og planter kan bli påvirket av å konsumere Ge-ioner3+.

Elementært germanium er trygt så lenge det ikke er pulverisert. Hvis det er i støv, kan en luftstrøm trekke den til varmekilder eller sterkt oksiderende stoffer; og følgelig er det fare for brann eller eksplosjon. På samme måte kan krystallene havne i lungene eller øynene og forårsake alvorlige irritasjoner..

En person kan trygt håndtere en germanium-disk på kontoret sitt uten å bekymre seg for noen ulykke. Det samme kan imidlertid ikke sies for dets uorganiske forbindelser; det vil si salter, oksider og hydrider. For eksempel GeH4 eller germansk (analog med CH4 og YesH4), er det en veldig irriterende og brennbar gass.

Organisk germanium

Nå er det organiske kilder til germanium; Blant dem kan nevnes 2-karboksyletylgermaskvioksan eller germanium-132, et alternativt supplement kjent for å behandle visse plager; selv om det er tvil om bevis.

Noen av de medisinske effektene som tilskrives germanium-132 er å styrke immunforsvaret, og det er derfor det hjelper til å bekjempe kreft, HIV og AIDS; regulerer kroppens funksjoner, samt forbedrer graden av oksygenering i blodet, eliminerer frie radikaler; og kurerer også leddgikt, glaukom og hjertesykdom.

Imidlertid har organisk germanium vært knyttet til alvorlig skade på nyrene, leveren og nervesystemet. Det er derfor det er en latent risiko når det gjelder å konsumere dette germaniumtilskuddet; Selv om det er noen som anser det som en mirakelkur, er det andre som advarer om at det ikke gir noen vitenskapelig bevist fordel..

applikasjoner

Infrarød optikk

Noen infrarøde strålesensorer er laget av germanium eller dets legeringer. Kilde: Adafruit Industries via Flickr.

Germanium er gjennomsiktig for infrarød stråling; det vil si at de kan passere gjennom den uten å bli absorbert.

Takket være dette er det bygget germanium-briller og linser for infrarøde optiske enheter; for eksempel kombinert med en IR-detektor for spektroskopisk analyse, i linser som brukes i langt-infrarøde romteleskoper for å studere de fjerneste stjernene i universet, eller i lys- og temperatursensorer.

Infrarød stråling er assosiert med molekylære vibrasjoner eller varmekilder; slik at enhetene som brukes i militærindustrien for å se mål med nattesyn, har komponenter laget med germanium.

Halvledermateriale

Germanium-dioder innkapslet i glass og brukt på 1960- og 1970-tallet. Kilde: Rolf Süssbrich [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Germanium som halvledermetalloid har blitt brukt til å bygge transistorer, elektriske kretser, lysdioder og mikrochips. I sistnevnte har germanium-silisiumlegeringer, og til og med germanium, i seg selv begynt å erstatte silisium, slik at mindre og kraftigere kretser kan utformes..

Dens rust, GeOto, På grunn av den høye brytningsindeksen tilsettes den briller slik at de kan brukes i mikroskopi, vidvinkelmål og fiberoptikk..

Germanium har ikke bare kommet til å erstatte silisium i visse elektroniske applikasjoner, men det kan også kobles med galliumarsenid (GaAs). Dermed er denne metalloid også tilstede i solcellepaneler.

Katalysatorer

GeOto den har blitt brukt som en katalysator for polymerisasjonsreaksjoner; for eksempel i den som er nødvendig for syntesen av polyetylentereftalat, en plast som det fremstilles skinnende flasker som selges i Japan.

Likeledes katalyserer nanopartiklene i deres platina-legeringer redoksreaksjoner der de involverer dannelse av hydrogengass, noe som gjør disse voltaiske cellene mer effektive..

Legeringer

Til slutt har det blitt nevnt at det er Ge-Si og Ge-Pt legeringer. Foruten dette, kan Ge-atomer tilsettes krystallene til andre metaller, som sølv, gull, kobber og beryllium. Disse legeringene viser større smidighet og kjemisk motstand enn deres individuelle metaller..

Referanser

  1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
  2. Wikipedia. (2019). Germanium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
  3. FysikkOpenLab. (2019). Struktur av silisium og germanium. Gjenopprettet fra: physicsopenlab.org
  4. Susan York Morris. (19. juli 2016). Er Germanium et mirakelkur? Healthline Media. Gjenopprettet fra: healthline.com
  5. Lenntech B.V. (2019). Periodisk system: germanium. Gjenopprettet fra: lenntech.com
  6. Nasjonalt senter for bioteknologisk informasjon. (2019). Germanium. PubChem-database. CID = 6326954. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  7. Dr. Doug Stewart. (2019). Germanium Element Fakta. Chemicool. Gjenopprettet fra: chemicool.com
  8. Emil Venere. (8. desember 2014). Germanium kommer hjem til Purdue for halvledermilepæl. Gjenopprettet fra: purdue.edu
  9. Marques Miguel. (s.f.). Germanium. Gjenopprettet fra: nautilus.fis.uc.pt
  10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: miljøforekomst, betydning og spesiering. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.