GERMANIUM: ISTORIE, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, OBȚINERE, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2024

Germaniu este un element metaloid este reprezentat prin simbolul chimic Ge și aparținând grupei 14 din tabelul periodic. Se găsește sub siliciu și împărtășește multe dintre proprietățile sale fizice și chimice; atât de mult încât, odată, numele său era Ekasilicio, prevăzut de Dmitri Mendeleev însuși.

Numele său actual a fost dat de Clemens A. Winkler, în onoarea patriei sale Germania. Prin urmare, germaniul este legat de această țară și este prima imagine care îi evocă minții pe cei care nu o cunosc bine.

Probă de germaniu ultra pur. Sursa: Imagini Hi-Res ale elementelor chimice

Germaniul, la fel ca siliciul, este format din cristale covalente din grilaje tetraedrice tridimensionale cu legături Ge-Ge. La fel, poate fi găsit sub formă monocristalină, în care cerealele sale sunt mari, sau policristaline, compuse din sute de cristale mici.

Este un element semiconductor la presiunea ambiantă, dar când crește peste 120 de proporții devine un alotrop metalic; adică, posibil legăturile Ge-Ge sunt rupte și acestea sunt aranjate individual înfășurate în marea electronilor lor.

Este considerat un element non-toxic, deoarece poate fi manipulat fără niciun fel de îmbrăcăminte de protecție; deși inhalarea și aportul excesiv poate duce la simptomele clasice ale iritației la indivizi. Presiunea sa de vapori este foarte scăzută, astfel încât fumul său este probabil să provoace un incendiu.

Cu toate acestea, germaniile anorganice (săruri) și organice pot fi periculoase pentru organism, în ciuda faptului că atomii Ge lor interacționează într-un mod misterios cu matricile biologice.

Nu se știe cu adevărat dacă germaniul organic poate fi considerat un remediu miracol pentru tratarea anumitor afecțiuni ca medicament alternativ. Cu toate acestea, studiile științifice nu susțin aceste afirmații, ci le resping și marchează acest element chiar ca cancerigen.

Germaniumul nu este doar un semiconductor, însoțind siliciu, seleniu, galiu și o serie întreagă de elemente din lumea materialelor semiconductoare și a aplicațiilor lor; De asemenea, este transparent la radiațiile infraroșii, ceea ce îl face util pentru fabricarea de detectoare de căldură din diferite surse sau regiuni.

Istorie

Predicții Mendeleev

Germanium a fost unul dintre elementele a căror existență a fost prezisă în 1869 de chimistul rus Dmitri Mendeleev în tabelul său periodic. El a numit-o provizoriu ekasilicon și l-a plasat într-un spațiu pe tabelul periodic între staniu și siliciu.

În 1886, Clemens A. Winkler a descoperit germaniul într-o probă de minerale dintr-o mină de argint de lângă Freiberg, Saxonia. A fost mineralul numit argirodit, datorită conținutului ridicat de argint și descoperit recent doar în 1885.

Proba de argirodit conținea 73-75% argint, 17-18% sulf, 0,2% mercur și 6-7% un element nou, pe care Winkler l-a numit ulterior germaniu.

Mendeleev a prezis că densitatea elementului care urmează să fie descoperite ar trebui să fie de 5,5 g / cm ³ , iar greutatea sa atomică în jurul 70. predicțiile lui sa dovedit a fi destul de apropiate de cele ale germaniu.

Izolarea și numele

În 1886, Winkler a reușit să izoleze noul metal și a găsit-o similar cu antimoniu, dar a reconsiderat și și-a dat seama că elementul pe care l-a descoperit corespundea lui ekasilicon.

Winkler a numit elementul „germanium” provine din cuvântul latin „germania”, cuvânt pe care îl foloseau pentru a descrie Germania. Din acest motiv, Winkler a numit noul element germanium, după Germania natală.

Determinarea proprietăților sale

În 1887, Winkler a determinat proprietățile chimice ale germaniului, găsind o greutate atomică de 72,32 printr-o analiză a tetraclorurii de germaniu pur (GeCl ₄ ).

Între timp, Lecoq de Boisbaudran a dedus o greutate atomică de 72,3, studiind spectrul scânteii elementului. Winkler a pregătit mai mulți compuși noi din germaniu, incluzând fluoruri, cloruri, sulfuri și dioxizi.

În anii 1920, investigațiile cu privire la proprietățile electrice ale germaniului au condus la dezvoltarea de germaniu monocristalin de înaltă puritate.

Această dezvoltare a permis utilizarea germaniului în diode, redresoare și receptoare de radar cu microunde în timpul celui de-al doilea război mondial.

Dezvoltarea aplicațiilor dvs.

Prima aplicație industrială a venit după război în 1947, cu invenția tranzistoarelor de germaniu de John Bardeen, Walter Brattain și William Shockley, care au fost utilizate în echipamente de comunicații, calculatoare și radiouri portabile.

În 1954, tranzistoarele de siliciu de înaltă puritate au început să înlocuiască tranzistoarele de germaniu din cauza avantajelor electronice pe care le dețineau. Iar prin anii '60, tranzistorii germaniu au dispărut practic.

Germanium s-a dovedit a fi o componentă cheie în fabricarea lentilelor și ferestrelor cu infraroșu. În anii '70, au fost produse celule voltaice de siliciu (SiGe) de siliciu (PVC) care rămân critice pentru operațiunile prin satelit.

În anii 90, dezvoltarea și extinderea fibrei optice a crescut cererea de germaniu. Elementul este utilizat pentru a forma miezul de sticlă al cablurilor cu fibră optică.

Începând cu anul 2000, PVC-urile de înaltă eficiență și diodele cu emisie de lumină (LED-uri) folosind germaniu au dus la o creștere a producției și a consumului de germaniu.

Proprietati fizice si chimice

Aspect

Alb argintiu și lucios. Când solidul său este alcătuit din mai multe cristale (policristaline), are o suprafață solzoasă sau încrețită, plină de uverturi și umbre. Uneori poate apărea chiar la fel de cenușiu sau negru ca siliconul.

În condiții standard este un element semi-metalic, luciu fragil și metalic.

Germaniumul este un semiconductor, nu foarte ductil. Are un indice de refracție ridicat pentru lumina vizibilă, dar este transparent pentru radiațiile infraroșii, fiind utilizat în ferestrele echipamentelor pentru detectarea și măsurarea acestor radiații.

Greutatea atomică standard

72,63 u

Număr atomic (Z)

32

Punct de topire

938,25 ºC

Punct de fierbere

2,833 ºC

Densitate

La temperatura camerei: 5.323 g / cm ³

La punctul de topire (lichid): 5,60 g / cm ³

Germaniul, la fel ca siliciul, galiul, bismutul, antimoniu și apa, se extinde pe măsură ce se solidifică. Din acest motiv, densitatea sa este mai mare în stare lichidă decât în ​​stare solidă.

Căldură de fuziune

36,94 kJ / mol

Căldură de vaporizare

334 kJ / mol

Capacitate calorică molară

23.222 J / (mol K)

Presiunea de vapori

La o temperatură de 1.644 K, presiunea de vapori a acesteia este de numai 1 Pa. Acest lucru înseamnă că lichidul său emite aproape deloc vapori la acea temperatură, deci nu implică riscul de inhalare.

electronegativitate

2.01 pe scara Pauling

Energii de ionizare

-Primul: 762 kJ / mol

-Secunda: 1.537 kJ / mol

-Trat: 3.302,1 kJ / mol

Conductivitate termică

60,2 W / (m K)

Rezistență electrică

1 Ωm la 20 ºC

Conductivitatea electrică

3S cm ^-1

Ordine magnetică

Diamagnetic

Duritate

6.0 pe scara Mohs

Stabilitate

Relativ stabil. Nu este afectat de aer la temperatura camerei și se oxidează la temperaturi peste 600ºC.

Tensiune de suprafata

6 10 ^-1 N / m la 1.673,1 K

reactivitatea

Se oxidează la temperaturi peste 600ºC pentru a forma dioxid de germaniu (GeO ₂ ). Germaniul produce două forme de oxizi: dioxidul de germaniu (GeO ₂ ) și monoxidul de germaniu (GeO).

Compușii germanici prezintă, în general, starea de oxidare +4, deși în mulți compuși germaniul apare cu starea de oxidare +2. Starea de oxidare - 4 are loc, de exemplu, în magneziu germanide (Mg ₂ Ge).

Germaniul reacționează cu halogenii pentru a forma tetrahalide: tetrafluorură de germaniu (GeF ₄ ), un compus gazos; tetraiodură de germaniu (GeI ₄ ), compus solid; tetraclorură de germaniu (GeCl ₄ ) și tetrabromură de germaniu (GeBr ₄ ), ambii compuși lichizi.

Germaniul este inert față de acidul clorhidric; dar este atacat de acidul azotic și acidul sulfuric. Deși hidroxizii în soluție apoasă au un efect redus asupra germaniului, se dizolvă ușor în hidroxizii topiți pentru a forma geronate.

Structura și configurația electronică

Germanium și legăturile sale

Germanium are patru electroni de valență conform configurației sale electronice:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

La fel ca carbonul și siliciul, atomii lor Ge hibridizează orbitalii lor 4s și 4p pentru a forma patru orbitali hibrizi sp ³ . Cu acești orbitali se leagă pentru a satisface octetul de valență și, în consecință, au același număr de electroni ca gazul nobil din aceeași perioadă (kripton).

În acest fel, legăturile covalente Ge-Ge apar și având patru dintre ele pentru fiecare atom, sunt definite tetraedre înconjurătoare (cu un Ge în centru și celelalte la vârfuri). Astfel, o rețea tridimensională este stabilită prin deplasarea acestor tetraedre de-a lungul cristalului covalent; care se comportă ca și cum ar fi o moleculă uriașă.

forme alotropice

Cristalul covalent de germaniu adoptă aceeași structură cubică centrată pe față de diamant (și siliciu). Acest alotrop este cunoscut sub numele de α-Ge. Dacă presiunea crește până la 120 de mari (aproximativ 118.000 atm), structura cristalină a α-Ge devine tetragonală centrată pe corp (BCT, pentru acronimul său în engleză: Tetragonal centrat pe corp).

Aceste cristale BCT corespund celui de-al doilea alotrop al germaniului: β-Ge, unde legăturile Ge-Ge sunt rupte și aranjate izolat, așa cum se întâmplă cu metalele. Astfel, α-Ge este semi-metalic; în timp ce β-Ge este metalic.

Numere de oxidare

Germaniumul poate să-și piardă cei patru electroni de valență sau să câștige încă patru pentru a deveni izoelectronic cu criptonul.

Când pierde electroni în compușii săi, se spune că are numere sau stări de oxidare pozitive, în care se presupune existența cationilor cu aceleași sarcini ca și aceste numere. Printre acestea avem +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) și +4 (Ge ⁴⁺ ).

De exemplu, următorii compuși au germaniu cu numere de oxidare pozitive: 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- ) și GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

În timp ce atunci când câștigă electroni în compușii săi, acesta are un număr negativ de oxidare. Printre ele cel mai frecvent este -4; adică, existența Ge ^4- se presupune anion . În germanide se întâmplă acest lucru și ca exemple ale acestora avem Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) și Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Unde să găsești și să obții

Minerale sulfuroase

Eșantion de mineral de argirodit, cu abundență redusă, dar un minereu unic pentru extracția de germaniu. Sursa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germaniul este un element relativ rar în scoarța terestră. Puține minerale conțin o cantitate apreciabilă din acesta, printre care putem menționa: argirodit (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanit (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartită (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renierit și canfieldit.

Toate au ceva în comun: sunt sulf sau minerale sulfuroase. De aceea, predomină germaniului în natură (sau cel puțin aici pe Pământ), cum ar fi ges ₂ și nu GeO ₂ (în contrast cu său larg răspândit SiO ₂ omologul , silice).

Pe lângă mineralele menționate mai sus, germaniul a fost găsit și în concentrații de masă de 0,3% în depozitele de carbon. De asemenea, unele microorganisme pot prelucra pentru a genera cantități mici de GEH ₂ (CH ₃ ) ₂ și GEH ₃ (CH ₃ ), care ajung să strămutate în râuri și mări.

Germaniumul este un produs secundar al prelucrării metalelor precum zincul și cuprul. Pentru a-l obține, trebuie să sufere o serie de reacții chimice pentru a-și reduce sulful la metalul corespunzător; adică să elimini GeS ₂ atomii săi de sulf, astfel încât să fie pur și simplu Ge.

Toasted

Mineralele cu sulf sunt supuse unui proces de prăjire în care sunt încălzite împreună cu aerul pentru a avea oxidări

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Pentru a separa germaniul de reziduuri, acesta este transformat în clorura respectivă, care poate fi distilată:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

După cum se poate observa, transformarea poate fi realizată folosind acid clorhidric sau gaz clor. GeCl ₄ este apoi înapoi hidrolizează GeO ₂ , prin care se precipită sub forma unui solid alb-neuniform. În final, oxidul reacționează cu hidrogenul pentru a se reduce la germaniul metalic:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Reducerea care se poate face și cu cărbune:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Germaniul obținut constă dintr-o pulbere care este modelată sau tamponată în bare metalice, din care pot fi cultivate cristale radiante de germaniu.

izotopi

Germanium nu are izotopi foarte abundenți în natură. În schimb, are cinci izotopi ale căror abundențe sunt relativ scăzute: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) și ⁷⁶ Ge (7,75%). Rețineți că greutatea atomică este de 72.630 u, ceea ce înseamnă toate masele atomice cu abundențele respective ale izotopilor.

Izotopul ⁷⁶ Ge este de fapt radioactiv; dar timpul său de înjumătățire este atât de lung (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ ani) încât este practic printre cele mai stabile 5 izotopi de germaniu. Alți radioizotopi, precum ⁶⁸ Ge și ⁷¹ Ge, ambii sintetici, au timpul de înjumătățire mai scurt (270,95 zile și, respectiv, 11,3 zile).

riscuri

Germaniu elementar și anorganic

Riscurile pentru mediu pentru germaniu sunt puțin controversate. Fiind un metal ușor greoi, o propagare a ionilor săi din sărurile solubile în apă ar putea provoca daune ecosistemului; adică animalele și plantele pot fi afectate consumând ioni Ge ³⁺ .

Germaniul elementar este sigur, atâta timp cât nu este pudrat. Dacă este în praf, un curent de aer îl poate transporta către surse de căldură sau substanțe puternic oxidante; și, în consecință, există riscul de incendiu sau explozie. De asemenea, cristalele sale pot ajunge în plămâni sau ochi, provocând iritații severe.

O persoană se poate descurca în siguranță cu un disc de germaniu în biroul său, fără a-și face griji pentru vreun accident. Totuși, nu se poate spune același lucru pentru compușii anorganici; adică sărurile, oxizii și hidrurile. De exemplu, GeH ₄ sau Germanic (analog cu CH ₄ și SiH ₄ ), este un gaz destul de iritant și inflamabil.

Germaniu organic

Acum există surse organice de germaniu; Dintre acestea, se poate menționa 2-carboxietilgermasquioxan sau germanium-132, un supliment alternativ cunoscut pentru a trata anumite afecțiuni; deși cu dovezi puse la îndoială.

Unele dintre efectele medicinale atribuite germanium-132 sunt consolidarea sistemului imunitar, contribuind astfel la combaterea cancerului, HIV și SIDA; reglează funcțiile organismului, precum și îmbunătățește gradul de oxigenare în sânge, elimină radicalii liberi; de asemenea, acesta vindecă artrita, glaucomul și bolile de inimă.

Cu toate acestea, germaniul organic a fost legat de leziuni grave la rinichi, ficat și sistemul nervos. De aceea, există un risc latent când vine vorba de consumul acestui supliment de germaniu; Ei bine, deși există și cei care o consideră o cură miracolă, există și alții care avertizează că nu oferă niciun beneficiu dovedit științific.

Aplicații

Optică infraroșie

Unii senzori de radiații infraroșii sunt fabricate din germaniu sau din aliajele sale. Sursa: Adafruit Industries via Flickr.

Germaniul este transparent la radiațiile infraroșii; adică pot trece prin ea fără a fi absorbiți.

Datorită acestui lucru, ochelarii și lentilele din germaniu au fost construite pentru dispozitive optice cu infraroșu; de exemplu, cuplat cu un detector IR pentru analiza spectroscopică, în lentilele utilizate în telescoape spațiale cu infraroșu îndepărtat pentru a studia cele mai îndepărtate stele din Univers sau în senzori de lumină și temperatură.

Radiația infraroșie este asociată cu vibrații moleculare sau surse de căldură; astfel încât dispozitivele utilizate în industria militară pentru vizualizarea țintelor de vedere nocturnă au componente realizate din germaniu.

Material semiconductor

Diodele Germanium încapsulate în sticlă și utilizate în anii 60 și 70. Sursa: Rolf Süssbrich

Germaniumul ca metaloid semiconductor a fost utilizat pentru a construi tranzistoare, circuite electrice, diode care emit lumină și microcipuri. În acestea din urmă, aliajele de germaniu-siliciu și chiar germaniu au început să înlocuiască de la sine siliciul, astfel încât pot fi proiectate circuite tot mai mici și mai puternice.

Oxidul său, GeO ₂ , datorită indicelui său de refracție ridicat, este adăugat la ochelari, astfel încât să poată fi folosiți în microscopie, obiective cu unghi larg și fibră optică.

Germaniumul nu a venit doar să înlocuiască siliciu în anumite aplicații electronice, dar poate fi cuplat și cu arsenid de galiu (GaAs). Astfel, acest metaloid este prezent și în panourile solare.

catalizatori

GeO ₂ a fost utilizat ca un catalizator pentru reacțiile de polimerizare; de exemplu, în cea necesară pentru sinteza de polietilen tereftalat, un plastic cu care se fabrică sticle lucioase vândute în Japonia.

De asemenea, nanoparticulele aliajelor lor de platină catalizează reacțiile redox acolo unde implică formarea de hidrogen gaz, ceea ce face ca aceste celule voltaice să fie mai eficiente.

aliaje

În cele din urmă, s-a menționat că există aliaje Ge-Si și Ge-Pt. Pe lângă aceasta, atomii săi Ge pot fi adăugați la cristalele altor metale, cum ar fi argintul, aurul, cupru și beriliu. Aceste aliaje prezintă o ductilitate și rezistență chimică mai mare decât metalele lor individuale.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germaniu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). Structura cristalului de siliciu și germaniu. Recuperat de la: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19 iulie 2016). Este Germanium o vindecare miraculoasă? Healthline Media. Recuperat de la: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Tabel periodic: germaniu. Recuperat de la: lenntech.com
6. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Germaniu. Baza de date PubChem. CID = 6326954. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Germanium Element Facts. Chemicool. Recuperat de la: chemicool.com
8. Emil Venere. (8 decembrie 2014). Germanium vine acasă la Purdue pentru un punct de reper semiconductor. Recuperat din: purdue.edu
9. Marques Miguel. (Sf). Germaniu. Recuperat din: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: apariția, importanța și speciația de mediu. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x