ГЕРМАНІЙ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Германій є металоїди елемента представлений хімічним символом Ge і належить до групи 14 періодичної таблиці. Він знаходиться під кремнієм і поділяє з ним багато своїх фізичних та хімічних властивостей; настільки, що колись його звали Екасілісіо, передбачив сам Дмитро Менделєєв.

Своє нинішню назву Клеменс А. Вінклер назвав на честь своєї батьківщини Німеччини. Отже, германій пов’язаний із цією країною, і це перший образ, який викликає розум тих, хто цього не знає добре.

Ультра чистий зразок германію. Джерело: Зображення високої здатності хімічних елементів

Германій, як і кремній, складається з ковалентних кристалів тривимірних чотиригранних решіток із зв’язками Ge-Ge. Так само його можна знайти в монокристалічній формі, в якій його зерна великі, або полікристалічні, складені з сотень дрібних кристалів.

Це напівпровідниковий елемент при атмосферному тиску, але коли він піднімається вище 120 кбар, він стає металевим алотропом; тобто, можливо, зв'язки Ge-Ge розірвані, і вони розташовуються індивідуально, загорнуті в море своїх електронів.

Вважається нетоксичним елементом, оскільки з ним можна поводитися без будь-якого типу захисного одягу; хоча його вдихання та надмірне споживання можуть призвести до класичних симптомів подразнення у людей. Тиск його пари дуже низький, тому його дим навряд чи спричинить пожежу.

Однак неорганічні (солі) та органічні германії можуть бути небезпечними для організму, незважаючи на те, що їх атоми Ge загадково взаємодіють з біологічними матрицями.

Насправді невідомо, чи можна вважати органічний германій чудодійним ліком для лікування певних розладів як альтернативної медицини. Однак наукові дослідження не підтверджують ці твердження, але їх відкидають і вважають цей елемент навіть канцерогенним.

Германій - це не лише напівпровідник, що супроводжує кремній, селен, галій та цілу низку елементів у світі напівпровідникових матеріалів та їх застосування; Він також прозорий для інфрачервоного випромінювання, що робить його корисним для виготовлення тепловидіювачів з різних джерел або регіонів.

Історія

Прогнози Менделєєва

Германій був одним із елементів, існування яких передбачив у 1869 р. Російський хімік Дмитро Менделєєв у своїй періодичній таблиці. Він умовно назвав це екасіліком і розмістив його в просторі на періодичній таблиці між оловом і кремнієм.

У 1886 р. Клеменс А. Вінклер виявив германій в пробі мінералу зі срібла на шахті поблизу Фрайберга, штат Саксонія. Це був мінерал під назвою аргіродіт, завдяки високому вмісту срібла, і нещодавно виявлений у 1885 році.

Зразок аргіродити містив 73-75% срібла, 17-18% сірки, 0,2% ртуті та 6-7% нового елемента, який Вінклер пізніше назвав германієм.

Менделєєв передбачив, що щільність виявленого елемента повинна бути 5,5 г / см ^3, а його атомна маса - близько 70. Його прогнози виявилися досить близькими до германію.

Виділення та назва

У 1886 році Вінклер зміг виділити новий метал і виявив його схожим на сурму, але він переглянув і зрозумів, що виявлений ним елемент відповідає екасилікону.

Вінклер назвав елемент "германій", походить від латинського слова "германія", слово, яке вони використовували для опису Німеччини. З цієї причини Вінклер назвав новий елемент германієм, після його рідної Німеччини.

Визначення його властивостей

У 1887 р. Вінклер визначив хімічні властивості германію, знайшовши атомну масу 72,32 шляхом аналізу чистого тетрахлориду германію (GeCl ₄ ).

Тим часом Лекок де Буассудран вивів атомну масу 72,3, вивчаючи іскровий спектр елемента. Вінклер підготував кілька нових сполук з германію, включаючи фториди, хлориди, сульфіди та діоксиди.

У 1920-х роках дослідження електричних властивостей германію призвели до розвитку монокристалічного германію високої чистоти.

Такий розвиток подій дозволив використовувати германій у діодах, випрямлячах та приймачах радіолокаційного радіолокатора під час Другої світової війни.

Розробка ваших програм

Перше промислове застосування з'явилося після війни в 1947 р. З винаходом германієвих транзисторів Джона Бардіна, Уолтера Браттейна та Вільяма Шоклі, які використовувались у комунікаційному обладнанні, комп'ютерах та портативних радіостанціях.

У 1954 р. Високоякісні кремнієві транзистори почали витісняти германієві транзистори через електронні переваги, якими вони володіли. А до 60-х років германієві транзистори практично зникли.

Германій виявився ключовим компонентом у створенні інфрачервоних (ІЧ) лінз та вікон. У 1970-х роках були вироблені вольтові клітини кремнію (SiGe) (ПВХ), які залишаються критичними для супутникових операцій.

У 90-х роках розвиток та розширення оптоволокна збільшили попит на германій. Елемент використовується для формування скляного сердечника з волоконно-оптичних кабелів.

Починаючи з 2000 року, високоефективні ПВХ та світлодіоди (світлодіоди) з використанням германію призвели до збільшення виробництва та споживання германію.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішній вигляд

Сріблясто-білий і блискучий. Коли його тверде речовина складається з багатьох кристалів (полікристалічних), воно має лускату або зморшкувату поверхню, повну обертонів і тіней. Іноді він може виглядати навіть сіруватим або чорним, як кремній.

У стандартних умовах це напівметалічний елемент, крихкий і металевий блиск.

Германій - напівпровідник, не дуже пластичний. Він має високий показник заломлення для видимого світла, але прозорий для інфрачервоного випромінювання, застосовується у вікнах обладнання для виявлення та вимірювання цих випромінювань.

Стандартна атомна маса

72,63 u

Атомне число (Z)

32

Точка плавлення

938,25 ºC

Точка кипіння

2833 ºC

Щільність

При кімнатній температурі: 5,323 г / см ³

При температурі плавлення (рідина): 5,60 г / см ³

Германій, як кремній, галій, вісмут, сурма та вода, розширюється в міру затвердіння. З цієї причини його щільність вища в рідкому, ніж у твердому стані.

Тепло синтезу

36,94 кДж / моль

Тепло випаровування

334 кДж / моль

Молярна калорійність

23,222 Дж / (моль К)

Тиск пари

При температурі 1644 К його тиск пари становить лише 1 Па. Це означає, що його рідина при цій температурі майже не виділяє парів, тому це не означає ризику вдихання.

Електронегативність

2.01 за шкалою Полінга

Енергії іонізації

-По-перше: 762 кДж / моль

-Друге: 1537 кДж / моль

-Трете: 3,302,1 кДж / моль

Теплопровідність

60,2 Вт / (м К)

Електричний опір

1 Ом при 20 ° С

Електропровідність

3S см ^-1

Магнітний порядок

Діамагнітний

Твердість

6,0 за шкалою Мооса

Стабільність

Відносно стабільний. На нього не впливає повітря при кімнатній температурі і окислюється при температурі понад 600 ° С.

Поверхневе натягнення

6 10 ^-1 Н / м при 1673,1 К

Реактивність

Він окислюється при температурі понад 600 ° С і утворює діоксид германію (GeO ₂ ). З германію утворюються дві форми оксидів: діоксид германію (GeO ₂ ) і моноксид германію (GeO).

З'єднання германію зазвичай виявляють стан окислення +4, хоча у багатьох сполуках германій відбувається зі станом окислення +2. Стан окислення - 4 відбувається, наприклад, у германіді магнію (Mg ₂ Ge).

Германій реагує з галогенами з утворенням тетрагалідів: тетрафториду германію (GeF ₄ ), газоподібної сполуки; тетрайодид германію (GeI ₄ ), тверда сполука; тетрахлорид германію (GeCl ₄ ) і тетрабромід германію (GeBr ₄ ), обидва рідкі сполуки.

Германій інертний до соляної кислоти; але його атакують азотна кислота та сірчана кислота. Хоча гідроксиди у водному розчині мало впливають на германій, він легко розчиняється у розплавлених гідроксидах, утворюючи геронати.

Структура та електронна конфігурація

Германій та його зв’язки

Германій має чотири валентні електрони відповідно до своєї електронної конфігурації:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Як і вуглець, і кремній, їх атоми Ge гібридизують свої 4s і 4p орбіталі з утворенням чотирьох sp ³ гібридних орбіталей . За допомогою цих орбіталей вони зв'язуються, щоб задовольнити валентний октет і, отже, мають таку ж кількість електронів, як і благородний газ того ж періоду (криптон).

Таким чином виникають ковалентні зв’язки Ge-Ge, і їх визначається чотири для кожного атома, оточуючі тетраедри (з одним Ge в центрі, а інші у вершинах). Таким чином, тривимірна мережа встановлюється зміщенням цих тетраедрів уздовж ковалентного кристала; яка поводиться так, ніби це величезна молекула.

Аллотропи

Ковалентний кристал германію приймає однакову в центрі кубічну структуру алмазу (і кремнію). Цей алотроп відомий як α-Ge. Якщо тиск зростає до 120 кбар (приблизно 118 000 атм), кристалічна структура α-Ge стає тілесно орієнтованою тетрагональною (BCT, для її абревіатури англійською мовою: Body-centered tetragonal).

Ці кристали BCT відповідають другому аллотропу германію: β-Ge, де зв’язки Ge-Ge розриваються і розташовуються ізольовано, як це відбувається з металами. Таким чином, α-Ge є напівметалевим; тоді як β-Ge - металевий.

Окислювальні числа

Германій може або втратити свої чотири валентні електрони, або отримати ще чотири, щоб стати ізоелектроном з криптоном.

Коли він втрачає електрони в своїх сполуках, кажуть, що вони мають числа або позитивні стани окислення, при яких передбачається існування катіонів з тими ж зарядами, що і ці числа. Серед них маємо +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) та +4 (Ge ⁴⁺ ).

Наприклад, такі сполуки мають германій з позитивним числом окислення: 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- ) і GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Тоді як він отримує в своїх сполуках електрони, він має негативні числа окислення. Серед них найпоширеніший - -4; тобто передбачається існування аніона Ge ^4- . У германідах це відбувається, і як приклади їх маємо Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) і Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Де знайти та отримати

Сірчані мінерали

Зразок мінерального аргіродіту, малий вміст, але унікальна руда для видобутку германію. Джерело: Роб Лавінський, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Германій є порівняно рідкісним елементом земної кори. Мало мінералів містить значну кількість його, серед яких можна відзначити: аргіродіт (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), германіт (7CuS · FeS · GeS ₂ ), бриарит (Cu ₂ FeGeS ₄ ), ренієрит та канфіліт.

Всі вони мають щось спільне: це сірка або сірчані мінерали. Тому германій переважає в природі (або, принаймні, тут, на Землі), як GeS _2, а не GeO ₂ (на відміну від широко розповсюдженого аналога SiO ₂ , кремнезему).

Окрім вищезазначених мінералів, германій також виявлений у масових концентраціях вуглецю в 0,3%. Так само деякі мікроорганізми можуть обробляти його, утворюючи невеликі кількості GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ і GeH ₃ (CH ₃ ), які в кінцевому підсумку переміщуються в бік річок і морів.

Германій - побічний продукт переробки металів, таких як цинк і мідь. Для його отримання він повинен пройти ряд хімічних реакцій для зменшення його сірки до відповідного металу; тобто видалити GeS ₂ його атоми сірки, щоб він був просто Ge.

Підсмажений

Сірчані мінерали проходять процес випалу, при якому вони нагріваються разом з повітрям, щоб відбулися окислення:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Щоб відокремити германій від залишку, він перетворюється на його відповідний хлорид, який можна перегнати:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Як видно, перетворення може бути здійснено за допомогою соляної кислоти або хлорного газу. Потім GeCl ₄ гідролізується до GeO ₂ , завдяки чому він опадає у вигляді білого твердого речовини. Нарешті, оксид реагує з воднем для відновлення до металевого германію:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Скорочення, яке також можна виконати з деревним вугіллям:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Отриманий германій складається з порошку, який формується або утрамбовується в металеві бруски, з якого можна виростити променисті кристали германію.

Ізотопи

Германій не має в природі жодного сильно рясного ізотопу. Натомість він має п'ять ізотопів, чисельність яких порівняно мала: ⁷⁰ Ге (20,52%), ⁷² Ге (27,45%), ⁷³ Ге (7,76%), ⁷⁴ Ге (36,7%) та ⁷⁶ Ge (7,75%). Зауважимо, що вага атома становить 72,630 u, що в середньому складає всі маси атомів з відповідними достатками ізотопів.

Ізотоп ⁷⁶ Ge насправді радіоактивний; але його період напіввиведення настільки довгий (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ років), що він практично входить до п’яти найбільш стійких ізотопів германію. Інші радіоізотопи, такі як ⁶⁸ Ge та ⁷¹ Ge, обидва синтетичні, мають коротший період напіввиведення (270,95 днів та 11,3 дня відповідно).

Ризики

Елементарний і неорганічний германій

Екологічні ризики для германію трохи суперечливі. Будучи злегка важким металом, поширення його іонів з водорозчинних солей може завдати шкоди екосистемі; тобто на тварин і рослин можуть впливати, споживаючи іони Ge ³⁺ .

Елементарний германій безпечний до тих пір, поки його не припудрить. Якщо він знаходиться в пилу, струм повітря може переносити його до джерел тепла або сильно окислюючих речовин; а отже, існує небезпека пожежі чи вибуху. Також його кристали можуть потрапити в легені або очі, викликаючи сильні роздратування.

Людина може спокійно поводитися з германієвим диском у своєму кабінеті, не турбуючись про будь-яку аварію. Однак того ж не можна сказати і для його неорганічних сполук; тобто його солі, оксиди та гідриди. Наприклад, GeH ₄ або германський (аналог CH ₄ і SiH ₄ ) є досить дратівливим і легкозаймистим газом.

Органічний германій

Зараз є органічні джерела германію; Серед них можна згадати 2-карбоксиетилгермасквіоксан або германій-132, альтернативну добавку, відому для лікування певних недуг; хоча з доказами, поставленими під сумнів.

Деякі з лікарських ефектів, що приписуються германію-132, - це зміцнення імунної системи, допомагаючи таким чином боротися з раком, ВІЛ та СНІДом; регулює функції організму, а також покращує ступінь оксигенації в крові, усуває вільні радикали; а також виліковує артрит, глаукому та серцеві захворювання.

Однак органічний германій пов’язаний із серйозним ураженням нирок, печінки та нервової системи. Ось чому існує прихований ризик, коли мова йде про вживання цієї добавки до германію; Ну, хоча є й такі, хто вважає це чудодійним лікуванням, є й інші, які попереджають, що це не дає ніякої науково доведеної користі.

Програми

Інфрачервона оптика

Деякі датчики інфрачервоного випромінювання виготовлені з германію або його сплавів. Джерело: Adafruit Industries через Flickr.

Германій прозорий до інфрачервоного випромінювання; тобто вони можуть пройти через нього, не поглинувшись.

Завдяки цьому були побудовані окуляри та лінзи з германію для інфрачервоних оптичних пристроїв; наприклад, у поєднанні з ІЧ-детектором для спектроскопічного аналізу в лінзах, що використовуються в далекосвітло-космічних телескопах для дослідження найвіддаленіших зірок у Всесвіті, або в датчиках світла і температури.

Інфрачервоне випромінювання пов'язане з молекулярними коливаннями або джерелами тепла; тому пристрої, які використовуються у військовій промисловості для перегляду цілей нічного бачення, мають компоненти, виготовлені з германію.

Напівпровідниковий матеріал

Германієві діоди, капсульовані у склі та використовуються у 60-70-х рр. Джерело: Рольф Сюссбріх

Германій як напівпровідниковий металоїд застосовується для побудови транзисторів, електричних ланцюгів, світлодіодів та мікросхем. В останньому, германій-кремнієві сплави і навіть германій самі по собі почали замінювати кремній, завдяки чому можна створювати все менші та потужніші схеми.

Його оксид, GeO ₂ , завдяки високому показнику заломлення додається у окуляри, щоб їх можна було використовувати в мікроскопії, ширококутних цілях та оптоволокно.

Германій не тільки замінив кремній у певних електронних програмах, але також може бути поєднаний з арсенідом галію (GaAs). Таким чином, цей металоїд присутній і в сонячних панелях.

Каталізатори

GeO ₂ використовували як каталізатор реакцій полімеризації; наприклад, у той, який необхідний для синтезу поліетилентерефталату, виготовляється пластик, з яким виготовляються блискучі пляшки, що продаються в Японії.

Аналогічно, наночастинки їх платинових сплавів каталізують окислювально-відновні реакції, коли вони включають утворення газу водню, роблячи ці вольтаїчні клітини більш ефективними.

Сплави

Нарешті, було зазначено, що існують Ge-Si та Ge-Pt сплави. Крім цього, його атоми Ge можуть бути додані до кристалів інших металів, таких як срібло, золото, мідь та берилій. Ці сплави виявляють більшу пластичність та хімічну стійкість, ніж їхні окремі метали.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Вікіпедія. (2019). Германій. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Кристалічна структура кремнію та германію. Відновлено з: physicsopenlab.org
4. Сьюзен Йорк Морріс. (19 липня 2016 р.). Чи є германій диво-лікувальним? Healthline Media. Відновлено: Healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Періодична таблиця: германій. Відновлено з: lenntech.com
6. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Германій. PubChem База даних. CID = 6326954. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факти германію. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com
8. Еміль Венере. (8 грудня 2014 р.). Германіум повертається додому в Пердю за напівпровідниковою віхою. Відновлено з: purdue.edu
9. Маркес Мігель. (sf). Германій. Відновлено з: nautilus.fis.uc.pt
10. Розенберг, Е. Rev Environment Sci Biotechnol. (2009). Германій: виникнення навколишнього середовища, значення та специфікація. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x