GERMĀNIJA: VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, IEGŪŠANA, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Germānijs ir nemetāls elements pārstāv ķīmisko simbolu Ge un pieder grupai 14 periodiskās tabulas. Tas ir atrodams zem silīcija, un tam ir daudz fizikālo un ķīmisko īpašību; tik daudz, ka savulaik tās nosaukums bija Ekasilicio, to prognozēja pats Dmitrijs Mendelejevs.

Tā pašreizējo vārdu par godu savai dzimtenei Vācijai deva Klemens A. Vinklers. Tādējādi germānija ir saistīta ar šo valsti, un tas ir pirmais tēls, kas prātā atsauc tos, kuri to labi nezina.

Īpaši tīrs germānija paraugs. Avots: Ķīmisko elementu Hi-Res attēli

Germijs, tāpat kā silīcijs, sastāv no trīsdimensiju tetraedrisko režģu kovalentajiem kristāliem ar Ge-Ge saitēm. Tāpat to var atrast monokristāliskā formā, kurā tā graudi ir lieli, vai polikristāliskā formā, kas sastāv no simtiem mazu kristālu.

Tas ir pusvadītāju elements pie apkārtējā spiediena, bet, paaugstinoties virs 120 kbar, tas kļūst par metālisku allotropu; tas ir, iespējams, Ge-Ge saites ir salauztas un tās ir atsevišķi izkārtotas, iesaiņotas to elektronu jūrā.

To uzskata par netoksisku elementu, jo ar to var rīkoties bez jebkāda veida aizsargapģērba; kaut arī tā ieelpošana un pārmērīga uzņemšana indivīdiem var izraisīt klasiskus kairinājuma simptomus. Tā tvaika spiediens ir ļoti zems, tāpēc maz ticams, ka tā dūmi izraisīs ugunsgrēku.

Tomēr neorganiskie (sāļi) un organiskie germāniji var būt bīstami organismam, neskatoties uz to, ka to Ge atomi noslēpumainā veidā mijiedarbojas ar bioloģiskajām matricām.

Nav īsti zināms, vai organisko germāniju var uzskatīt par brīnumlīdzekli, ārstējot noteiktus traucējumus kā alternatīvas zāles. Tomēr zinātniskie pētījumi šos apgalvojumus neatbalsta, bet tos noraida un zīmē šo elementu pat kā kancerogēnu.

Germijs ir ne tikai pusvadītājs, kas pavada silīciju, selēnu, galliju un veselu virkni elementu pusvadītāju materiālu pasaulē un to pielietojumus; Tas ir caurspīdīgs arī infrasarkanajam starojumam, padarot to noderīgu siltuma detektoru ražošanā no dažādiem avotiem vai reģioniem.

Vēsture

Mendeļejeva prognozes

Germanijs bija viens no elementiem, kura pastāvēšanu savā periodiskajā tabulā 1869. gadā paredzēja krievu ķīmiķis Dmitrijs Mendelejevs. Viņš to provizoriski sauca par ekasilicon un ievietoja to telpā uz periodiskā galda starp alvu un silīciju.

1886. gadā Klemens A. Vinklers minerālu paraugā no sudraba raktuves netālu no Freibergas, Saksijā, atklāja germāniju. Tas bija minerāls, kuru sauca par argyrodītu, tā lielā sudraba satura dēļ un tikai nesen tika atklāts 1885. gadā.

Argyrodīta paraugs saturēja 73–75% sudraba, 17–18% sēra, 0,2% dzīvsudraba un 6-7% jauna elementa, kuru Vinklers vēlāk nosauca par germāniju.

Mendeļejevs bija paredzējis, ka atklājamā elementa blīvumam jābūt 5,5 g / cm ³ un tā atomu svaram ap 70. Viņa prognozes izrādījās diezgan tuvas germānija blīvumam.

Izolācija un nosaukums

1886. gadā Vinklers spēja izolēt jauno metālu un atrada to līdzīgu antimonam, taču viņš pārdomāja un saprata, ka viņa atklātais elements atbilst ekasilikonam.

Vinklers elementu “germanium” nosauca no latīņu vārda “germania” - vārda, ko viņi izmantoja, lai aprakstītu Vāciju. Šī iemesla dēļ Vinklers jauno dzimšanas Vāciju nosauca par germāniju.

Tās īpašību noteikšana

1887. gadā Vinklers noteica germānija ķīmiskās īpašības, ar tīra germānija tetrahlorīda (GeCl ₄ ) analīzi nosakot atomu masu 72,32 .

Tikmēr Lecoq de Boisbaudran atvasināja atoma svaru 72,3, izpētot elementa dzirksteles spektru. Vinklers no germānija sagatavoja vairākus jaunus savienojumus, ieskaitot fluorīdus, hlorīdus, sulfīdus un dioksīdus.

1920. gados germānija elektrisko īpašību izpēte noveda pie augstas tīrības monokristāliska germānija attīstības.

Šī attīstība ļāva izmantot germāniju diodēs, taisngriežos un mikroviļņu radaru uztvērējos Otrā pasaules kara laikā.

Jūsu lietojumprogrammu izstrāde

Pirmais rūpnieciskais pielietojums notika pēc kara 1947. gadā, kad Džons Bardēns, Valters Brattains un Viljams Šokijs izgudroja germānija tranzistorus, kurus izmantoja sakaru iekārtās, datoros un pārnēsājamajos radioaparātos.

1954. gadā augstas tīrības pakāpes silīcija tranzistori sāka izspiest germānija tranzistorus, pateicoties viņu elektroniskajām priekšrocībām. Un līdz 1960. gadiem germānija tranzistori bija praktiski pazuduši.

Germānija izrādījās galvenā sastāvdaļa infrasarkano (IR) objektīvu un logu izgatavošanā. 70. gados tika ražoti silīcija germānija (SiGe) voltaic šūnas (PVC), kas joprojām ir kritiski svarīgas satelīta operācijās.

Deviņdesmitajos gados optiskās šķiedras attīstība un paplašināšana palielināja pieprasījumu pēc germānija. Elementu izmanto, lai veidotu stikla optisko šķiedru kabeļus.

Sākot ar 2000. gadu, augstas efektivitātes PVC un gaismas diodes (LED), kurās izmanto germāniju, palielināja germānija ražošanu un patēriņu.

Fizikālās un ķīmiskās īpašības

Izskats

Sudrabaini balta un spīdīga. Kad tā cietā viela ir veidota no daudziem kristāliem (polikristāliska), tai ir zvīņaina vai saburzīta virsma, pilna ar virsotnēm un ēnām. Dažreiz tas var parādīties pat pelēcīgs vai melns kā silīcijs.

Standarta apstākļos tas ir daļēji metālisks elements, trausls un metālisks spīdums.

Germānija ir pusvadītājs, nav ļoti elastīgs. Tam ir augsts redzamās gaismas refrakcijas koeficients, bet caurspīdīgs infrasarkanajam starojumam, un to izmanto aprīkojuma logos, lai noteiktu un izmērītu šo starojumu.

Standarta atomsvars

72,63 u

Atomu skaitlis (Z)

32

Kušanas punkts

938,25 ºC

Vārīšanās punkts

2833 ºC

Blīvums

Istabas temperatūrā: 5,333 g / cm ³

Kušanas temperatūrā (šķidrums): 5,60 g / cm ³

Germijs, tāpat kā silīcijs, gallijs, bismuts, antimons un ūdens, izplešas, jo sacietē. Šī iemesla dēļ šķidrā stāvoklī tā blīvums ir lielāks nekā cietā stāvoklī.

Saplūšanas karstums

36,94 kJ / mol

Iztvaikošanas siltums

334 kJ / mol

Molārā kaloritāte

23,222 J / (mol K)

Tvaika spiediens

1644 K temperatūrā tā tvaika spiediens ir tikai 1 Pa. Tas nozīmē, ka šķidrums šajā temperatūrā izdala gandrīz nemaz tvaikus, tāpēc tas nenozīmē ieelpošanas risku.

Elektronegativitāte

2,01 pēc Pālinga skalas

Jonizācijas enerģijas

-Pirmkārt: 762 kJ / mol

-Otrais: 1,537 kJ / mol

-Trešais: 3 302,1 kJ / mol

Siltumvadītspēja

60,2 W / (m K)

Elektriskā pretestība

1 Ωm pie 20 ºC

Elektriskā vadītspēja

3S cm ^-1

Magnētiskā kārtība

Diamagnētiska

Cietība

6,0 pēc Mosa skalas

Stabilitāte

Salīdzinoši stabils. To neietekmē gaiss istabas temperatūrā un oksidējas temperatūrā virs 600ºC.

Virsmas spraigums

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

Reaģētspēja

Temperatūrā virs 600ºC tas oksidējas, veidojot germija dioksīdu (GeO ₂ ). Germānija ražo divu veidu oksīdus: germija dioksīdu (GeO ₂ ) un germija monoksīdu (GeO).

Germija savienojumi parasti uzrāda +4 oksidācijas stāvokli, lai gan daudzos savienojumos germānija notiek ar oksidācijas stāvokli +2. Oksidācijas stāvoklis - 4 rodas, piemēram, magnija germanīdā (Mg ₂ Ge).

Germijs reaģē ar halogēniem, veidojot tetrahalīdus: germānija tetrafluorīds (GeF ₄ ), gāzveida savienojums; germānija tetraiodīds (GeI ₄ ), ciets savienojums; germānija tetrahlorīds (GeCl ₄ ) un germānija tetrabromīds (GeBr ₄ ), abi šķidrie savienojumi.

Germānija ir inerta pret sālsskābi; bet tam uzbrūk slāpekļskābe un sērskābe. Lai arī hidroksīdiem ūdens šķīdumā ir maza ietekme uz germāniju, tas viegli izšķīst izkausētos hidroksīdos, veidojot geronātus.

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

Germijs un tā obligācijas

Ģerumānam ir četri valences elektroni atbilstoši tā elektroniskajai konfigurācijai:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Tāpat kā ogleklis un silīcijs, to Ge atomi hibridizē 4 un 4 p orbitāles, veidojot četras sp ³ hibrīdas orbitāles . Ar šiem orbitāļiem tie saista, lai apmierinātu valences oktetu, un līdz ar to tiem ir tāds pats elektronu skaits kā tā paša perioda cēlgāzei (kriptonam).

Tādā veidā rodas Ge-Ge kovalentās saites, un, ja katram no tiem ir četras no tām, tiek definētas apkārtējās tetraedras (ar vienu Ge centrā, bet pārējās virsotnēs). Tādējādi šo tetraedru pārvietojot gar kovalento kristālu, tiek izveidots trīsdimensiju tīkls; kas uzvedas tā, it kā tā būtu milzīga molekula.

Allotropes

Kovalentais germānija kristāls izmanto tādu pašu dimanta (un silīcija) kubisko struktūru, kas vērsta uz seju. Šī allotrope ir pazīstama kā α-Ge. Ja spiediens palielinās līdz 120 kbar (apmēram 118 000 atm), α-Ge kristāla struktūra kļūst par ķermeņa centrālu tetragonālu (BCT, tā saīsinājuma nosaukumam angļu valodā: Body-centered tetragonal).

Šie BCT kristāli atbilst otrajam germānijas allotropam: β-Ge, kur Ge-Ge saites tiek sadalītas un sakārtotas izolēti, kā tas notiek ar metāliem. Tādējādi α-Ge ir daļēji metālisks; savukārt β-Ge ir metālisks.

Oksidācijas skaitļi

Germijs var vai nu zaudēt četrus valences elektronus, vai iegūt vēl četrus, lai ar kriptonu kļūtu par izoelektroniskiem.

Kad tā zaudē elektronus savos savienojumos, tiek teikts, ka tam ir pozitīvi skaitļi vai oksidācijas stāvokļi, kuros tiek pieņemts, ka pastāv katjoni ar tādiem pašiem lādiņiem kā šie skaitļi. Starp tiem mums ir +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) un +4 (Ge ⁴⁺ ).

Piemēram, šādiem savienojumiem ir germānija ar pozitīvu oksidācijas numuru: 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- ) un GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Kamēr, iegūstot elektronus savos savienojumos, tam ir negatīvs oksidācijas skaitlis. Starp tiem visizplatītākais ir -4; ka ir, esamība Ge ^4- tiek pieņemts anjonu . Germanīdos tas notiek, un kā to piemēri mums ir Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) un Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Kur atrast un iegūt

Sēra minerāli

Argyrodīta minerālu paraugs ar nelielu daudzumu, bet unikālu rūdu germānijas ieguvei. Avots: Robs Lavinskis, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germānija ir salīdzinoši reti sastopams elements zemes garozā. Tikai daži minerāli satur ievērojamu tā daudzumu, starp kuriem mēs varam minēt: argyrodītu (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanītu (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartītu (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renierītu un kanfieldītu.

Viņiem visiem ir kaut kas kopīgs: tie ir sēra vai sēra minerāli. Tāpēc dabā (vai vismaz šeit uz Zemes) dominē germānija, tāpat kā GeS _2, nevis GeO ₂ (pretstatā plaši izplatītajam SiO ₂ līdziniekam , silīcija dioksīdam).

Papildus iepriekšminētajiem minerāliem ir arī atrasts, ka germānija ir oglekļa atradnēs masas koncentrācijā 0,3%. Līdzīgi, daži mikroorganismi var apstrādāt to, lai radītu nelielu daudzumu GEH ₂ (CH ₃ ) ₂ un GEH ₃ (CH ₃ ), kas galu galā ir pārvietoti uz upju un jūru.

Germijs ir metālu, piemēram, cinka un vara, pārstrādes blakusprodukts. Lai to iegūtu, tam jāveic virkne ķīmisku reakciju, lai samazinātu tā sēru līdz attiecīgajam metālam; tas ir, lai noņemtu GeS ₂ tā sēra atomus, lai tas būtu vienkārši Ge.

Grauzdēti

Sēra minerāli tiek apdedzināti, kad tos kopā ar gaisu karsē, lai notiktu oksidēšanās:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Lai germāniju atdalītu no atlikuma, tas tiek pārveidots attiecīgajā hlorīdā, ko var destilē:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Kā redzams, pārveidošanu var veikt, izmantojot sālsskābi vai hlora gāzi. GeCl ₄ ir pēc tam hidrolizē atpakaļ uz Geo ₂ , ar ko tas nogulsnējas kā off-white solid. Visbeidzot, oksīds reaģē ar ūdeņradi, samazinot līdz metāliskam germānijam:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Samazināšana, ko var veikt arī ar kokogli:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Iegūtais germānija sastāv no pulvera, kas tiek veidots vai iespiests metāla stieņos, no kura var iegūt germānija starojuma kristālus.

Izotopi

Ģerumānam dabā nav ļoti bagātīgu izotopu. Tā vietā tai ir pieci izotopi, kuru izplatība ir relatīvi zema: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) un ⁷⁶ Ge (7,75%). Ņemiet vērā, ka atomu svars ir 72 630 u, kas visu atomu masu aprēķina ar vidējo izotopu daudzumu.

⁷⁶ Ge izotops faktiski ir radioaktīvs; bet tā pussabrukšanas periods ir tik garš (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ gads), ka tas praktiski ir starp pieciem stabilākajiem germānijas izotopiem. Citiem radioizotopiem, piemēram, ⁶⁸ Ge un ⁷¹ Ge, abiem sintētiskiem, ir īsāks pussabrukšanas periods (attiecīgi 270,95 dienas un 11,3 dienas).

Riski

Elementārs un neorganisks germānija

Vides riski germānijam ir nedaudz pretrunīgi. Tā kā tas ir nedaudz smags metāls, tā jonu izplatīšanās no ūdenī šķīstošiem sāļiem var radīt kaitējumu ekosistēmai; tas ir, dzīvniekus un augus var ietekmēt, patērējot Ge ³⁺ jonus .

Elementārais germānija ir drošs, kamēr tas nav pulverizēts. Ja tas atrodas putekļos, gaisa strāva to var novadīt pie siltuma vai ļoti oksidējošu vielu avotiem; un līdz ar to pastāv ugunsgrēka vai eksplozijas risks. Arī tā kristāli var nonākt plaušās vai acīs, izraisot smagus kairinājumus.

Persona savā kabinetā var droši rīkoties ar germānijas disku, neuztraucoties par negadījumiem. Tomēr to pašu nevar teikt par tā neorganiskajiem savienojumiem; tas ir, tā sāļi, oksīdi un hidrīdi. Piemēram, GeH ₄ vai ģermāņu valoda (analogi CH ₄ un SiH ₄ ) ir diezgan kairinoša un viegli uzliesmojoša gāze.

Organiskais germānija

Tagad ir organiski germānijas avoti; Starp tiem var minēt 2-karboksietilgermaskioksānu vai germāniju-132, kas ir alternatīvs papildinājums zināmu kaites ārstēšanai; lai gan ar pierādījumiem liek šaubīties.

Daži no germānija-132 piedēvētajiem medikamentiem ir imūnsistēmas stiprināšana, tādējādi palīdzot cīnīties pret vēzi, HIV un AIDS; regulē ķermeņa funkcijas, kā arī uzlabo skābekļa līmeni asinīs, izvada brīvos radikāļus; un tas arī izārstē artrītu, glaukomu un sirds slimības.

Tomēr organiskais germānija ir saistīts ar nopietniem nieru, aknu un nervu sistēmas bojājumiem. Tāpēc, lietojot šo germānija piedevu, pastāv latents risks; Nu, kaut arī ir tādi, kas to uzskata par brīnumlīdzekli, citi ir brīdinājuši, ka tas nesniedz nekādu zinātniski pierādītu labumu.

Lietojumprogrammas

Infrasarkanā optika

Daži infrasarkanā starojuma sensori ir izgatavoti no germānija vai tā sakausējumiem. Avots: Adafruit Industries caur Flickr.

Germānija ir caurspīdīga pret infrasarkano starojumu; tas ir, viņi var to iziet cauri, neuzsūcoties.

Pateicoties tam, infrasarkanajām optiskajām ierīcēm ir izveidotas germānija glāzes un lēcas; piemēram, kopā ar IR detektoru spektroskopiskai analīzei objektīvos, ko izmanto tālu infrasarkanajos kosmosa teleskopos, lai pētītu visattālākās zvaigznes Visumā, vai gaismas un temperatūras sensoros.

Infrasarkanais starojums ir saistīts ar molekulārajām vibrācijām vai siltuma avotiem; tāpēc ierīcēm, kuras militārā rūpniecībā izmanto nakts redzamības mērķu skatīšanai, ir komponenti, kas izgatavoti no germānijas.

Pusvadītāju materiāls

Ģermija diodes, kas iekapsulētas stiklā un izmantotas 60. un 70. gados Avots: Rolf Süssbrich

Ģermānisms kā pusvadītāju metalloīds ir izmantots tranzistoru, elektrisko ķēžu, gaismas diožu un mikroshēmu veidošanai. Pēdējā gadījumā germānija-silīcija sakausējumi un pat germānija pati par sevi ir sākuši aizstāt silīciju, lai varētu projektēt arvien mazākas un jaudīgākas shēmas.

Tā oksīds GeO ₂ , pateicoties augstajam refrakcijas indeksam, tiek pievienots brillēm, lai tos varētu izmantot mikroskopijā, platleņķa objektīvos un šķiedru optikā.

Germanijs ir nācis ne tikai aizstāt silīciju dažos elektroniskos lietojumos, bet to var arī savienot ar gallija arsenīdu (GaAs). Tādējādi šis metalloīds atrodas arī saules paneļos.

Katalizatori

GeO ₂ ir izmantots kā katalizators polimerizācijas reakcijās; piemēram, tajā, kas nepieciešams polietilēntereftalāta sintēzei, plastmasa, ar kuru tiek izgatavotas Japānā pārdotās spīdīgās pudeles.

Tāpat to platīna sakausējumu nanodaļiņas katalizē redoksreakcijas, kurās tās veido ūdeņraža gāzi, padarot šīs voltaiskās šūnas efektīvākas.

Sakausējumi

Visbeidzot, tika minēts, ka ir arī Ge-Si un Ge-Pt sakausējumi. Papildus tam tā Ge atomus var pievienot citu metālu, piemēram, sudraba, zelta, vara un berilija, kristāliem. Šie sakausējumi uzrāda lielāku elastību un ķīmisko izturību nekā to atsevišķie metāli.

Atsauces

1. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019. gads). Ģermānija. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019. gads). Silīcija un germānija kristāla struktūra. Atgūts no: physicsopenlab.org
4. Sjūzena Jorisa Morisa. (2016. gada 19. jūlijs). Vai Germanium ir brīnumlīdzeklis? Veselības līnijas mediji. Atgūts no: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Periodiskā tabula: germānija. Atgūts no: lenntech.com
6. Nacionālais biotehnoloģijas informācijas centrs. (2019. gads). Ģermānija. PubChem datu bāze. CID = 6326954. Atgūts no: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr Doug Stewart. (2019. gads). Fakti par germāniju. Chemicool. Atgūts no: chemicool.com
8. Emīls Venere. (2014. gada 8. decembris). Germanium nāk uz Purdue mājas pusvadītāju pavērsiena pamata. Atgūts no: purdue.edu
9. Markess Migels. (sf). Ģermānija. Atgūts no: nautilus.fis.uc.pt
10. Rozenbergs, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germijs: rašanās vide, nozīme un specifikācija. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x