Germanio historie, egenskaper, struktur, oppnå, bruker

Han Germanium Det er et metalloidelement som er representert av det kjemiske symbolet og som tilhører gruppe 14 i det periodiske tabellen. Det er under silisium, og deler med så mange av dens fysiske og kjemiske egenskaper; Så mye at navnet hans var Ekasilicio, spådd av Dmitri Mendelev selv.

Hans nåværende navn ble gitt av Clemens til. Winkler, til ære for sitt hjemland Tyskland. Derfor er Germanio knyttet til dette landet, og at det er det første bildet som fremkaller sinnet som ikke vet det for mye.

Germanio Ultra Sample. Kilde: Hi-res Images ofchemical Elements [CC av 3.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/av/3.0)]

Germanio, som silisium. På samme måte kan det finnes i monokrystallinsk form, der kornene er store, eller polyristalinske, sammensatt av hundrevis av små krystaller.

Det er et halvlederelement ved omgivelsestrykk, men når det stiger over 120 kbar blir det en metall alotrope; Det vil si at ge-ge-bindingene er muligens ødelagte og at de er tilgjengelige individuelt pakket i havet av elektronene deres.

Det regnes som et ikke -toksisk element, da det kan manipuleres uten beskyttelsesklær; Selv om dets innånding og overdreven inntak kan føre til klassiske symptomer på irritasjon hos individer. Steamtrykket ditt er veldig lavt, så det er lite sannsynlig at røyken din kan forårsake brann.

Imidlertid kan uorganiske tyskere (salter) og organisk være farlig for organismen, til tross for at GE -atomer samhandler på mystisk sett med biologiske matriser.

Det er egentlig ikke kjent om organisk Germanio kan betraktes som en mirakuløs kur for å behandle visse lidelser som en alternativ medisin. Vitenskapelige studier støtter imidlertid ikke disse uttalelsene, men avviser dem, og kaller dette elementet selv som en kreftfremkallende.

Germanio er ikke bare en halvleder, medfølgende silisium, selen, gallium og en hel serie elementer i en verden av halvledermaterialer og deres anvendelser; Men også, det er gjennomsiktig for infrarød stråling, så det er nyttig for fremstilling av varmedetektorer av forskjellige kilder eller regioner.

[TOC]

Historie

Mendeleev spådommer

Germanio var et av elementene hvis eksistens ble spådd i 1869 av den russiske kjemikeren Dmitri Mendeleev i sitt periodiske bord. Foreløpig kalt Ekasilicio og plasserte den i et rom i det periodiske bordet mellom tinn og silisium.

I 1886, Clemens a. Winkler oppdaget Germanio i en mineralprøve av en sølvgruve nær Freiberg, Sachsen. Det var mineralet kalt Argirodita, for sitt høye sølvinnhold, og nyoppdaget i 1885.

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

Mendeleev hadde spådd at tettheten av elementet som skal oppdages, må være 5,5 g/cm³ og atomvekten rundt 70. Hans spådommer viste seg å være ganske nær de som ble presentert av Germanio.

Isolasjon og navn

I 1886 var Winkler i stand til å isolere det nye metallet og fant det likt antimon, men revurdert og innså at elementet han hadde oppdaget tilsvarte Ekasilicio.

Winkler heter 'Germanio' -elementet stammer fra det latinske ordet 'Germania', et ord de pleide å kalle Tyskland. Av denne grunn utnevnte Winkler det nye elementet som Germanio, til ære for hjemlandet, Tyskland.

Bestemmelse av dens egenskaper

I 1887 bestemte Winkler de kjemiske egenskapene til Germanio, og fant en atomvekt på 72,32 gjennom en analyse av ren Germanio tetrachloride (Gecl₄).

I mellomtiden trakk Lecoq de Boisbaudran en atomvekt på 72,3 ved å studere gnistspekteret til elementet. Winkler forberedte flere nye germaniumforbindelser, inkludert fluor, klorider, sulfider og dioksider.

På 1920 -tallet produserte forskning på Germanios elektriske egenskaper utviklingen av monokronisk høy renhet Germanio.

Denne utviklingen tillot bruk av Germanio i dioder, likerettere og mikrobølgeovnsreseptorer under andre verdenskrig.

Utvikling av applikasjonene dine

Den første industrielle anvendelsen skjedde etter krigen i 1947, med oppfinnelsen av Germanios transistorer av John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley, som ble brukt i kommunikasjon, datamaskiner og bærbare radioer.

Kan tjene deg: nøytralt atom

I 1954 begynte silisiumtransistorer med høy renhet å flytte til Germanios transistorer på grunn av de elektroniske fordelene de hadde. Og for 1960 -tallet hadde Germanio -transistorer praktisk talt forsvunnet.

Germanio viste seg å være en nøkkelkomponent i utdypingen av infrarøde linser og Windows (IR). På 1970 -tallet ble voltaiske celler (PVC) av silisium og Germanio (SIGE) produsert som forblir kritiske for satellittoperasjoner.

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

Fra 2000 produserte høyeffektiv PVC -er og lysemitterende dioder (LED) som bruker Germanio, en økning i produksjonen og forbruket av Germanio.

Fysiske og kjemiske egenskaper

Utseende

Sølv og lys hvit. Når deres faste stoffer dannes av mange krystaller (polyristalin), ser det ut en svindel eller rynket overflate, full av visjoner og skygger. Noen ganger kan du til og med gi utseendet til å være så gråaktig eller svart som silisium.

Under standardbetingelser er det et semimetallisk, sprøtt og metallisk lyshetselement.

Germanio er en halvleder, ikke veldig duktil. Den har en høy brytningsindeks for synlig lys, men den 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 smeltepunktet (væske): 5,60 g/cm³

Germanio samt silisium, gallium, vismut, antimon og vann utvides til å stivne. Av denne grunn er tettheten større i flytende tilstand enn i det faste stoffet.

Fusjonsvarme

36,94 kJ/mol

Fordampningsvarme

334 kJ/mol

Molar kalorikapasitet

23.222 J/(mol · K)

Damptrykk

Ved en temperatur 1.644 K Ditt damptrykk er bare 1 PA. Dette betyr at væsken din avgir knapt vaporer ved den temperaturen, så det innebærer ikke en risiko som vurderes innånding.

Elektronegativitet

2.01 på Pauling -skalaen

Ioniseringsenergier

-Først: 762 kJ/mol

-For det andre: 1.537 kJ/mol

-Tredje: 3.302.1 kJ/mol

Termisk ledningsevne

60,2 w/(m · k)

Elektrisk resistivitet

1 Ω · m til 20 ºC

Elektrisk konduktivitet

3 s cm^-1

Magnetisk ordre

Diamagnetisk

Hardhet

6.0 på MOHS -skalaen

Stabilitet

Relativt stabil. Det påvirkes ikke av luft ved romtemperatur og oksiderer ved temperaturer større enn 600 ºC.

Overflatespenning

6 · 10^-1 N/M A 1.673.1 k

Reaktivitet

Oksiderer ved temperaturer større enn 600 ºC for å danne Germanios dioksid (Geo₂). Germanio stammer fra to former for oksider: Germanios dioksid (Geo₂) og Germanio (Geo) Monoxide.

Germaniumforbindelsene viser generelt oksidasjonstilstanden + 4, selv om Germanio i mange forbindelser i mange forbindelser blir presentert for oksidasjonstilstanden +2. Oksidasjonstilstanden - 4 presenteres, for eksempel ved det tyske magnesium (mg₂Ge).

Germanio reagerer med halogener for å danne tetrahaluros: Germanio Tetrafluoride (GEF₄), gassformig forbindelse; Germanio Tetrayoduro (GHG₄), fast forbindelse; Germanio Tetrachloride (Gecl₄) og Germanio Tetrabromuro (Gebr₄), Begge flytende forbindelser.

Germanio er inert mot saltsyre; Men det blir angrepet av salpetersyre og svovelsyre. Selv om vannløsningshydroksider har liten effekt på Germanio, løses det lett opp i smeltede hydroksider for å danne germanater.

Elektronisk struktur og konfigurasjon

Germanio og dets koblinger

Germanio har fire elektroner i Valencia i henhold til dens elektroniske konfigurasjon:

[AR] 3D¹⁰ 4s² 4p²

I likhet med karbon og silisium, hybridiserer det atomer GEs 4S og 4P orbitaler for å danne fire SP -hybridbaner³. Med disse orbitalene er de knyttet til å tilfredsstille oktetten av Valencia, og har følgelig samme antall elektroner som den edle gassen i samme periode (Kripton).

På denne måten oppstår de ge-ge kovalente bindinger, og med fire av dem for hvert atom, er tetrahedrabiske miljøer definert (med en ge i sentrum og de andre i toppunktene). Dermed etableres et tredimensjonalt nettverk på grunn av forskyvningen av disse tetrahedraene langs det kovalente glasset; som oppfører seg som om det var et stort molekyl.

Alotropes

Germanios kovalente glass vedtar den samme kubiske strukturen sentrert på diamantflatene (og silisium). Denne alotropen er kjent som α-ge. Hvis trykket øker opp til 120 kbar (ca. 118.000 atm), blir den krystallinske strukturen til α-Ge en tetragonal sentrert på kroppen (BCT).

Det kan tjene deg: natriumcyanid (NACN): struktur, egenskaper, risikoer, bruk

Disse BCT-krystaller tilsvarer den andre alotropiske av Germanio: ß-GE, der Ge-Ge-koblingene er ødelagte og er isolert, som skjer med metaller. Dermed er α-Ge semimetallisk; Mens ß-GE er metallisk.

Oksidasjonstall

Germanio kan godt miste sine fire elektroner i Valencia, eller vinne fire til for å bli isolektronisk med Kripton.

Når det i forbindelsene mister elektroner, sies det at det har positive oksidasjonstall eller tilstander, der eksistensen av kationer antas med de samme belastningene som disse tallene. Blant disse har vi +2 (GE²⁺), +3 (GE³⁺) og +4 (GE⁴⁺).

Følgende forbindelser har for eksempel Germanio med positive oksidasjonstall: GEO (GE²⁺ENTEN^2-), Gete (GE²⁺Te^2-), GE₂Cl₆ (GE₂³⁺Cl₆^-), Geo₂ (GE⁴⁺ENTEN₂^2-) og GES₂ (GE⁴⁺S₂^2-).

Mens elektronene vinner i forbindelsene, har den negative oksidasjonstall. Blant dem det vanligste er -4; det vil si eksistensen av GE^4-. I Germanos skjer dette, og som eksempler på dem har vi li₄Ge (li₄⁺Ge^4-) og Mg₂Ge (mg₂²⁺Ge^4-).

Hvor er det og skaffer seg

Svoveløse mineraler

Argirodite mineralprøve, av liten overflod, men en unik malm for Germanio -ekstraksjon. Kilde: Rob Lavinsky, Irocks.COM-CC-BY-SA-3.0 [CC By-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]

Germanio er et relativt sjeldent element i jordskorpen. Det er få mineraler som inneholder en betydelig mengde av det, blant dem vi kan nevne: Argirodita (4AG₂S · ges₂), Germanita (7cus · Fest₂), BriarTita (Cu₂FEGER₄), Renierita og Canfieldita.

De har alle noe til felles: de er svovel eller svoveløse mineraler. Derfor dominerer Germanio i naturen (eller i det minste her på jorden), som gest₂ Og ikke Geo₂ (I motsetning til hans motpart Sio₂, silika, vidt formidlet).

I tillegg til mineralene som er nevnt ovenfor, har Germanio også blitt funnet i massekonsentrasjoner på 0,3% i kullforekomster. Noen mikroorganismer kan også behandle det for å generere små mengder Geh₂(Ch₃)₂ og Geh₃(Ch₃), som ender opp fortrengt mot elver og hav.

Germanio er et sekundært produkt av metallbehandling som sink og kobber. For å få det, må du lide en serie kjemiske reaksjoner for å redusere sulfidet i det tilsvarende metallet; det vil si, ta bort GES₂ dets svovelatomer slik at det ganske enkelt er GE.

Ristet

Sulfurøse mineraler blir utsatt for en stekt prosess der de varmer opp med luften slik at oksidasjoner oppstår:

Ges₂ + 3 o₂ → Geo₂ + 2 Så₂

For å skille Germanio fra resten, blir det dets respektive klorid, som kan destilleres:

Geo₂ + 4 HCl → Gecl₄ + 2 h₂ENTEN

Geo₂ + 2 Cl₂ → Gecl₄ + ENTEN₂

Som det kan sees, kan transformasjonen utføres ved hjelp av saltsyre eller klorgass. Gecl₄ Den hydrolyseres deretter igjen til Geo₂, Så utfeller som et hvitaktig fast stoff. Til slutt reagerer oksid med hydrogen for å redusere metallisk germanium:

Geo₂ + 2 h₂ → GE + 2 H₂ENTEN

Reduksjon som også kan gjøres med kull:

Geo₂ + C → GE + CO₂

Germanio oppnådd består av et pulver som er støpt eller apisona i metallstenger, hvorav Germanio -krystaller kan vokse.

Isotoper

Germanio har ikke i naturen noen isotop av stor overflod. I stedet har den fem isotoper hvis forekomster er relativt lave: 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 er alle atommasser med de respektive overflod av isotoper.

Isotopen ⁷⁶GE er faktisk radioaktiv; Men halvlivet hans er så flott (t_1/2= 1.78 × 10^tjueen år) som praktisk talt teller blant de fem mest stabile germanium -isotoper. Andre radioisotoper, for eksempel ⁶⁸Ge og ⁷¹GE, begge syntetiske, har kortere halvlivstider (henholdsvis 270,95 dager og 11,3 dager).

Kan tjene deg: 20 eksempler på kjemisk sublimering og egenskaper

Risiko

Elementær og uorganisk Germanio

Germanium -miljøene er litt kontroversielle. Å være et litt tungmetall, en spredning av sine ioner fra vannløselige salter kan krenke økosystemet; det vil si at dyr og planter kan bli påvirket av å konsumere GE³⁺.

Elemental Germanio representerer ingen risiko så lenge den ikke er pulverisert. Hvis den er pulverisert, kan en luftstrøm dra den til varmekilder eller sterkt oksiderende stoffer; Og følgelig er det brann- eller eksplosjonsrisiko. Krystallene deres kan også ende i lungene eller øynene, og forårsake sterke irritasjoner.

En person kan stille manipulere et tysk album på kontoret sitt uten å bekymre seg for noen ulykke. Det samme kan imidlertid ikke sies om dets uorganiske forbindelser; det vil si salter, oksider og hydrider. For eksempel Geh₄ eller tysk (analog med Cho₄ Og ja₄), Er det en ganske irriterende og brennbar gass.

Organisk Germanio

Nå er det organiske germaniumkilder; Blant dem kan det nevnes på 2-karboksyetylestilmasquioxan eller Germanio-132, alternativt supplement kjent for behandling av visse plager; Selv om bevis er satt i tvil.

Noen av de medisinske effektene tilskrevet Germanio-132 er å styrke immunforsvaret, så det hjelper til med å bekjempe kreft, HIV og AIDS; Regulerer kroppsfunksjoner, så vel som graden av oksygenering i blodet, eliminerer frie radikaler; Og helbreder også leddgikt, glaukom og hjertesykdom.

Organisk Germanio har imidlertid vært knyttet til alvorlig skade på nyrene, lever- og nervesystemet. Det er grunnen til at det er en latent risiko når du konsumerer dette Germanio -supplementet; Selv om det er de som anser det som en mirakuløs kur, er det andre som advarer om at det ikke tilbyr noen vitenskapelig bevist fordel.

applikasjoner

Infrarød optikk

Noen infrarøde strålesensorer er laget av Germanio eller deres legeringer. Kilde: Adafruit Industries via Flickr.

Germanio er gjennomsiktig for infrarød stråling; det vil si at de kan overføre den uten å bli absorbert.

Takket være dette er Germanio -linser og glass for optiske infrarøde enheter bygget; For eksempel, kombinert med en IR -detektor for spektroskopisk analyse, i linser brukt i fjerne infrarøde romlige teleskoper for å studere de fjerneste stjernene i universet, eller i lys- og temperatursensorer.

Infrarød stråling er assosiert med molekylære vibrasjoner eller varmekilder; Så enhetene som brukes i militærindustrien for å visualisere mål med nattsyn har komponenter laget med Germanio.

Halvledermateriale

Germanio -dioder innkapslet i glass og ble brukt på 60- og 70 -tallet. Kilde: Rolf Süssbrich [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]

Germanio som halvledermetalloid har blitt brukt til konstruksjon av transistorer, elektriske kretsløp, lysemitterende dioder og mikrobrikker. I sistnevnte har Germanio-Silicio-legeringer og til og med Germanio i seg selv begynt å erstatte silisiumet, slik at stadig flere og kraftige kretser kan utformes mindre og mer.

Oksidet ditt, Geo₂, På grunn av den høye brytningsindeksen tilsettes glass slik at de kan brukes i mikroskopi, stor vinkel og optiske fibre.

Germanio har ikke bare erstattet silisium i visse elektroniske applikasjoner, men kan også kobles med Gallium Arseniuro (GAAS). Dermed er denne metalloiden også til stede i solcellepaneler.

Katalysatorer

Geo₂ Det har blitt brukt som en katalysator for polymerisasjonsreaksjoner; For eksempel, i det nødvendige for syntese av polyetylen -tereftalat, plast som lyse flasker markedsføres i Japan er produsert.

Også nanopartiklene i legeringene sine med platinasatalyserer redoksreaksjoner der de involverer dannelse av gassformig hydrogen, og returnerer disse mer effektive volaiske cellene.

Legeringer

Til slutt har det blitt nevnt at det er GE-Si og GE-PT-legeringer. I tillegg til dette, kan GE -atomer tilsettes krystallene til andre metaller, for eksempel sølv, gull, kobber og beryllium. Disse legeringene viser større duktilitet og kjemisk motstand enn deres individuelle metaller.

Referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Hentet fra: i.Wikipedia.org
3. Fysikkopenlab. (2019). Silisium og germanium krystallstruktur. Gjenopprettet fra: Physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19. juli 2016). Er Germanium til Miracle Cure? Healthline Gjennomsnitt. Gjenopprettet fra: Healthline.com
5. Lentech b.V. (2019). Periodebord: Germanium. Gjenopprettet fra: Lentech.com
6. Nasjonalt senter for bioteknologiinformasjon. (2019). Germanium. PubChem -database. CID = 6326954. Gjenopprettet fra: Pubchem.NCBI.NLM.NIH.Gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Germanium Element Facts. Chemicool. Gjenopprettet fra: Chemicool.com
8. Emil Venere. (8. desember 2014). Germanium kommer hjem til Purdue for halvleder milepæl. Gjenopprettet fra: Purdue.Edu
9. Marques Miguel. (s.F.). Germanium. Gjenopprettet fra: Nautilus.Fis.Uc.Pt
10. Rosenberg, e. Rev Environment Sci Biotechnol. (2009). Germanium: Decurrence Miljø, betydning og spesifikasjon. 8: 29. gjør jeg.org/10.1007/S11157-008-9143-X