Germanio geschiedenis, eigenschappen, structuur, verkrijgen, gebruik

Hij germanium Het is een metalloïde element dat wordt weergegeven door het GE chemisch symbool en dat behoort tot groep 14 van de periodiek systeem. Het is onder silicium en deelt met zoveel van zijn fysische en chemische eigenschappen; Zozeer zelfs dat zijn naam Ekasilicio was, voorspeld door Dmitri Mendelev zelf.

Zijn huidige naam werd gegeven door Clemens aan. Winkler, ter ere van zijn thuisland Duitsland. Daarom is de Germanio gekoppeld aan dit land, en dat het het eerste beeld is dat de geest oproept die het niet te veel kent.

Germanio Ultra Proef. Bron: Hi-Res Images ofChemical Elements [CC door 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/door/3.0)]

De Germanio, zoals silicium. Evenzo kan het worden gevonden in monochrystallijne vorm, waarin de korrels groot zijn, of polyristaline, samengesteld uit honderden kleine kristallen.

Het is een halfgeleiderelement bij omgevingsdruk, maar wanneer het boven de 120 kbar stijgt, wordt het een metalen alotroop; Dat wil zeggen, de GE-Ge-bindingen zijn mogelijk verbroken en ze zijn individueel verkrijgbaar in de zee van hun elektronen.

Het wordt beschouwd als een niet -toxisch element, omdat het kan worden gemanipuleerd zonder beschermende kleding; Hoewel de inademing en overmatige inname kunnen leiden tot klassieke symptomen van irritatie bij individuen. Uw stoomdruk is erg laag, dus het is onwaarschijnlijk dat uw rook brand kan veroorzaken.

Anorganische Duitsers (zouten) en organisch kunnen echter gevaarlijk zijn voor het organisme, ondanks het feit dat hun GE -atomen op mysterieuze wijze interageren met biologische matrices.

Het is niet echt bekend of organische germanio kan worden beschouwd als een wonderbaarlijke remedie om bepaalde aandoeningen als een alternatief medicijn te behandelen. Wetenschappelijke studies ondersteunen deze verklaringen echter niet, maar verwerpen ze niet en noemen dit element zelfs als een kankerverwekkende.

Germanio is niet alleen een halfgeleider, vergezeld van silicium, selenium, gallium en een hele reeks elementen in de wereld van semiconductor -materialen en hun toepassingen; Maar het is ook transparant voor infraroodstraling, dus het is nuttig voor de productie van warmtedetectoren van verschillende bronnen of regio's.

[TOC]

Geschiedenis

Mendeleev -voorspellingen

De Germanio was een van de elementen wiens bestaan ​​in 1869 werd voorspeld door de Russische chemicus Dmitri Mendeleev in zijn periodieke tabel. Voorlopig Ekasilicio genoemd en geplaatst in een ruimte in het periodiek systeem tussen tin en silicium.

In 1886, Clemens A. Winkler ontdekte Germanio in een mineraal monster van een zilveren mijn in de buurt van Freiberg, Saksen. Het was het mineraal genaamd Argirodita, vanwege zijn hoge zilvergehalte, en nieuw ontdekt in 1885.

Het argirodietmonster bevatte 73-75% zilver, 17-18% zwavel, 0,2% kwik en 6-7% van een nieuw element, dat later Winkler Germanio noemde.

Mendeleev had voorspeld dat de dichtheid van het te ontdekken element 5,5 g/cm moet zijn³ en het atoomgewicht rond de 70. Zijn voorspellingen bleken vrij dicht bij die gepresenteerd door Germanio.

Isolatie en naam

In 1886 was Winkler in staat om het nieuwe metaal te isoleren en vond het vergelijkbaar met het antimoon, maar heroverwogen en realiseerde zich dat het element dat hij had ontdekt, overeenkwam met de Ekasilicio.

Winkler noemde het 'Germanio' -element afkomstig van het Latijnse woord' Germania ', een woord dat ze gebruikten om Duitsland te noemen. Om deze reden benoemde Winkler het nieuwe element als Germanio, ter ere van zijn geboorteland, Duitsland.

Bepaling van zijn eigenschappen

In 1887 bepaalde Winkler de chemische eigenschappen van Germanio, het vinden van een atoomgewicht van 72,32 door een analyse van zuiver germanio -tetrachloride (GECL₄)).

Ondertussen leidde Lecoq de Boisbaudran een atoomgewicht van 72,3 af door het vonkspectrum van het element te bestuderen. Winkler bereidde verschillende nieuwe Germanium -verbindingen, waaronder fluoriden, chloriden, sulfiden en dioxiden.

In de jaren 1920 produceerde onderzoek naar de elektrische eigenschappen van Germanio de ontwikkeling van monochronische germanio met hoge zuiverheid.

Deze ontwikkeling maakte het gebruik van Germanio mogelijk in diodes, gelijkrichters en microgolfradarsreceptoren tijdens de Tweede Wereldoorlog.

Ontwikkeling van uw toepassingen

De eerste industriële aanvraag vond plaats na de oorlog in 1947, met de uitvinding van de transistors van Germanio door John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley, die werden gebruikt in communicatie, computers en draagbare radio's.

Kan u van dienst zijn: neutraal atoom

In 1954 begonnen siliciumtransistoren met hoge zuiverheid naar de transistors van Germanio te verhuizen vanwege de elektronische voordelen die ze bezaten. En voor de jaren zestig waren Germanio -transistors praktisch verdwenen.

De Germanio bleek een belangrijk onderdeel te zijn in de uitwerking van infraroodlenzen en Windows (IR). In de jaren zeventig werden voltaische cellen (PVC) van silicium en Germanio (Sige) geproduceerd die kritisch blijven voor satellietoperaties.

In de jaren negentig verhoogde de ontwikkeling en uitbreiding van vezeloptica de vraag van Germanio. Het element wordt gebruikt om de glaskern van glasvezelkabels te vormen.

Vanaf 2000 produceerden hoog rendement PVC's en lichte emitterende diodes (LED) die Germanio gebruiken, een toename van de productie en consumptie van Germanio.

Fysische en chemische eigenschappen

Verschijning

Zilver en helder wit. Wanneer hun vaste stof wordt gevormd door vele kristallen (polyristaline), ziet het er een schaamteloos of gerimpeld oppervlak uit, vol met visioenen en schaduwen. Soms kun je zelfs het uiterlijk geven dat je zo grijsachtig of zwart bent als silicium.

In standaardomstandigheden is het een semimetallic, bros en metaalachtig helderheidselement.

Germanio is een halfgeleider, niet erg ductiel. Het heeft een hoge brekingsindex voor zichtbaar licht, maar het is transparant voor infraroodstraling, die wordt gebruikt in apparatuurvensters om deze straling te detecteren en te meten.

Standaard atoomgewicht

72.63 u

Atoomnummer (z)

32

Smeltpunt

938.25 ºC

Kookpunt

2.833 ºC

Dikte

Bij kamertemperatuur: 5,323 g/cm³

Op het smeltpunt (vloeistof): 5,60 g/cm³

Germanio evenals silicium, gallium, bismut, antimoon en water breiden zich uit om te stollen. Om deze reden is de dichtheid zijn dichtheid groter in de vloeibare toestand dan in de vaste stof.

Fusiewarmte

36,94 kJ/mol

Verdampingswarmte

334 kJ/mol

Molaire caloriecapaciteit

23,222 J/(mol · k)

Dampdruk

Bij een temperatuur 1.644 K Je stoomdruk is slechts 1 PA. Dit betekent dat uw vloeistof nauwelijks dampen uitzendt bij die temperatuur, dus het impliceert geen risico dat wordt beschouwd als inademing.

Elektronegativiteit

2.01 op de Pauling -schaal

Ionisatie -energieën

-Eerst: 762 kJ/mol

-Ten tweede: 1.537 kJ/mol

-Derde: 3.302.1 kJ/mol

Warmtegeleiding

60.2 w/(m · k)

Elektrische weerstand

1 Ω · m tot 20 ºC

Elektrische geleidbaarheid

3 s cm^-1

Magnetische volgorde

Diamagnetisch

Hardheid

6.0 op de mohs -schaal

Stabiliteit

Relatief stabiel. Het wordt niet beïnvloed door lucht bij kamertemperatuur en oxideert bij temperaturen hoger dan 600 ºC.

Oppervlaktespanning

6 · 10^-1 N/m a 1.673.1 K

Reactiviteit

Oxideert bij temperaturen van meer dan 600 ºC om het dioxide van Germanio te vormen (Geo₂)). Germanio ontstaat twee vormen van oxiden: Germanio's Dioxide (Geo₂) en germanio (geo) monoxide.

De Germanium -verbindingen vertonen over het algemeen de oxidatietoestand + 4, hoewel in veel verbindingen de Germanio wordt gepresenteerd met de oxidatietoestand +2. De oxidatietoestand - 4 wordt gepresenteerd, bijvoorbeeld bij het Duitse magnesium (mg₂GE).

Germanio reageert met halogenen om tetrahaluros te vormen: germanio tetrafluoride (GEF₄), gasvormige verbinding; Germanio Tetrayoduro (BKG₄), vaste verbinding; Germanio tetrachloride (GECL₄) en Germanio Tetrabromuro (Gebr₄), Beide vloeibare verbindingen.

Germanio is inert tegen zoutzuur; Maar het wordt aangevallen door salpeterzuur en zwavelzuur. Hoewel hydroxiden van wateroplossing weinig effect hebben op Germanio, lost het gemakkelijk op in gesmolten hydroxiden om dermates te vormen.

Elektronische structuur en configuratie

Germanio en zijn links

De Germanio heeft vier elektronen van Valencia volgens de elektronische configuratie:

[AR] 3D¹⁰ 4S² 4P²

Net als koolstof en silicium, hybridiseren zijn atomen zijn 4S- en 4P -orbitalen om vier SP -hybride orbitalen te vormen³. Met deze orbitalen zijn ze gekoppeld om te voldoen aan het octet van Valencia en hebben ze bijgevolg hetzelfde aantal elektronen als het edelgas van dezelfde periode (Kripton).

Op deze manier ontstaan ​​de ge-ge-covalente bindingen en hebben ze er vier voor elk atoom, tetraëdrabische omgevingen worden gedefinieerd (met een GE in het midden en de andere in de hoekpunten). Aldus wordt een drie -dimensionaal netwerk opgezet vanwege de verplaatsing van deze tetraëder langs het covalente glas; die zich gedraagt ​​alsof het een enorm molecuul is.

Alotropen

Het covalente glas van Germanio neemt dezelfde kubieke structuur aan die gecentreerd is op de diamanten gezichten (en silicium). Deze alotroop staat bekend als α-ge. Als de druk toeneemt tot 120 kbar (ongeveer 118.000 atm) wordt de kristallijne structuur van α-GE een tetragonaal gecentreerd op het lichaam (BCT).

Het kan u van dienst zijn: natriumcyanide (NACN): structuur, eigenschappen, risico's, gebruik

Deze BCT-kristallen komen overeen met de tweede alotrope van Germanio: de β-GE, waarbij de GE-GE-links worden verbroken en geïsoleerd zijn, zoals gebeurt met metalen. Aldus is α-GE semimetallisch; Terwijl β-ge metaal is.

Oxidatienummers

De Germanio kan goed zijn vier elektronen van Valencia verliezen, of wint er nog vier om isolectronisch te worden met de Kripton.

Wanneer het in zijn verbindingen elektronen verliest, wordt gezegd dat het positieve oxidatienummers of toestanden heeft, waarin het bestaan ​​van kationen wordt aangenomen met dezelfde belastingen als deze getallen. Onder deze hebben we +2 (GE²⁺), De +3 (ge³⁺) en de +4 (GE⁴⁺)).

De volgende verbindingen hebben bijvoorbeeld Germanio met positieve oxidatienummers: Geo (GE²⁺OF^2-), Gete (ge²⁺Thee^2-), GE₂Klet₆ (GE₂³⁺Klet₆^-), Geo₂ (GE⁴⁺OF₂^2-) en GES₂ (GE⁴⁺S₂^2-)).

Terwijl wanneer elektronen in zijn verbindingen wint, heeft het negatieve oxidatienummers. Onder hen is de meest voorkomende -4; dat wil zeggen het bestaan ​​van de GE^4-. In het Germanos gebeurt dit, en als voorbeelden van hen hebben we de li₄GE (Li₄⁺Ge^4-) en Mg₂GE (Mg₂²⁺Ge^4-)).

Waar is het en verkrijgt

Zwavelachtige mineralen

Argirodiet mineraal monster, van weinig overvloed, maar een uniek erts voor Germanio -extractie. Bron: Rob Lavinsky, irocks.com-cc-by-sa-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)]

Germanio is een relatief zeldzaam element in de aardkorst. Er zijn maar weinig mineralen die een aanzienlijk bedrag bevatten, waaronder we kunnen vermelden: Argirodita (4ag₂S · Ges₂), Germanita (7cus · Fest₂), Biartita (Cu₂Vergoedingen₄), Renierita en Canfieldita.

Ze hebben allemaal iets gemeen: het zijn zwavel- of zwavelachtige mineralen. Daarom overheerst Germanio in de natuur (of tenminste hier op aarde), als gebaar₂ En niet geo₂ (In tegenstelling tot zijn tegenhanger Sio₂, Silica, wijd verspreid).

Naast de hierboven genoemde mineralen is Germanio ook gevonden in massaconcentraties van 0,3% in kolenafzettingen. Ook kunnen sommige micro -organismen het verwerken om kleine hoeveelheden geH te genereren₂(Ch₃))₂ en Geh₃(Ch₃), die uiteindelijk worden verplaatst naar rivieren en zeeën.

Germanio is een secundair product van metaalverwerking zoals zink en koper. Om het te verkrijgen, moet u een reeks chemische reacties lijden om uw sulfide in het overeenkomstige metaal te verminderen; dat wil zeggen, neem de GES weg₂ zijn zwavelatomen zodat het gewoon GE is.

Geroosterd

De zwavelachtige mineralen worden onderworpen aan een geroosterd proces waarin ze opwarmen met de lucht zodat oxidaties optreden:

GES₂ + 3 o₂ → Geo₂ + 2 Dus₂

Om Germanio van het residu te scheiden, wordt het zijn respectieve chloride, dat kan worden gedestilleerd:

Geo₂ + 4 HCl → GECL₄ + 2 H₂OF

Geo₂ + 2 Cl₂ → GECL₄ + OF₂

Zoals te zien is, kan de transformatie worden uitgevoerd met zoutzuur of chloorgas. De GECL₄ Het wordt vervolgens opnieuw gehydrolyseerd naar Geo₂, Dus neerslaat als een witachtige vaste stof. Ten slotte reageert oxide met waterstof om het metallic germanium te verminderen:

Geo₂ + 2 H₂ → GE + 2 H₂OF

Reductie die ook kan worden gedaan met kolen:

Geo₂ + C → GE + CO₂

De verkregen Germanio bestaat uit een poeder dat is gevormd of apisona in metalen staven, waarvan Germanio -kristallen kunnen groeien.

Isotopen

Germanio bezit geen enkele isotoop van grote overvloed. In plaats daarvan heeft het vijf isotopen waarvan de overvloed relatief laag is: ⁷⁰GE (20,52%), ⁷²GE (27,45%), ⁷³GE (7,76%), ⁷⁴GE (36,7%) en ⁷⁶GE (7,75%). Merk op dat het atoomgewicht 72.630 U is, wat gemiddeld alle atomaire massa's met de respectieve overvloed van isotopen is.

De isotoop ⁷⁶GE is eigenlijk radioactief; Maar zijn halfleven is zo geweldig (T_1/2= 1.78 × 10^eenentwintig jaren) die praktisch telt tot de vijf meest stabiele isotopen van Germanium. Andere radio -isotopen, zoals ⁶⁸Ge en ⁷¹GE, beide synthetisch, hebben kortere halfwaardetijden (respectievelijk 270,95 dagen en 11,3 dagen).

Kan u van dienst zijn: 20 voorbeelden van chemische sublimatie en kenmerken

Risico's

Elementaire en anorganische germanio

De Germanium -omgevingen zijn een beetje controversieel. Als een enigszins zwaar metaal, kan een verspreiding van zijn ionen van in water oplosbare zouten het ecosysteem schenden; dat wil zeggen, dieren en planten kunnen worden beïnvloed door het consumeren van de GE³⁺.

Elementair germanio vertegenwoordigt geen risico zolang het niet verpulverd is. Als het gepoederd is, kan een luchtstroom het naar warmtebronnen slepen of sterk oxiderende stoffen; En bijgevolg is er een brand- of explosierisico. Ook kunnen hun kristallen eindigen in de longen of ogen, wat sterke irritaties veroorzaakt.

Een persoon kan stilletjes een Duits album in zijn kantoor manipuleren zonder zich zorgen te maken over een ongeluk. Hetzelfde kan echter niet worden gezegd van zijn anorganische verbindingen; dat wil zeggen hun zouten, oxiden en hydriden. Bijvoorbeeld de GEH₄ of Duits (analoog aan Cho₄ En ja₄), Het is een vrij irritant en brandbaar gas.

Organisch Germanio

Nu zijn er organische Germanium -bronnen; Onder hen kan het worden vermeld op 2-carboxyethylestilmasquioxan of Germanio-132, alternatief supplement dat bekend staat om het behandelen van bepaalde aandoeningen; Hoewel met bewijsmateriaal in twijfel.

Sommige van de medicinale effecten toegeschreven aan Germanio-132 zijn om het immuunsysteem te versterken, dus het helpt bij het bestrijden van kanker, HIV en AIDS; Regulariseert lichaamsfuncties, evenals de mate van oxygenatie in het bloed, elimineert vrije radicalen; En geneest ook artritis, glaucoom en hartaandoeningen.

Organic Germanio is echter gekoppeld aan ernstige schade aan de nieren, lever en zenuwstelsel. Dat is de reden waarom er een latent risico is bij het consumeren van dit Germanio -supplement; Hoewel er mensen zijn die het als een wonderbaarlijke remedie beschouwen, zijn er anderen die waarschuwen dat het geen wetenschappelijk bewezen voordeel biedt.

Toepassingen

Infrarood optica

Sommige infraroodstralingssensoren zijn gemaakt van germanio of hun legeringen. Bron: Adafruit Industries via Flickr.

Germanio is transparant voor infraroodstraling; dat wil zeggen, ze kunnen het overbrengen zonder geabsorbeerd te worden.

Dankzij dit zijn Germanio -lenzen en glas voor optische infraroodapparaten gebouwd; Bijvoorbeeld in combinatie met een IR -detector voor spectroscopische analyse, in lenzen die worden gebruikt in verre infrarood ruimtelijke telescopen om de verste sterren van het universum te bestuderen, of in licht- en temperatuursensoren.

Infraroodstraling wordt geassocieerd met moleculaire trillingen of warmtebronnen; Dus de apparaten die in de militaire industrie worden gebruikt om doelen te visualiseren met nachtzicht hebben componenten gemaakt met Germanio.

Halfgeleider materiaal

Germanio -diodes ingekapseld in glas en gebruikt in de jaren 60 en 70. Bron: Rolf Süssbrich [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0)]

Germanio als halfgeleider metalloïde is gebruikt voor de constructie van transistoren, elektrische circuits, licht emitting -diodes en microchips. In de laatste zijn germanio-silicio legeringen, en zelfs Germanio, op zichzelf begonnen het silicium te vervangen, zodat steeds kleinere en krachtige circuits kleiner en meer kunnen worden ontworpen.

Uw oxide, geo₂, Vanwege de hoge brekingsindex wordt glas toegevoegd zodat ze kunnen worden gebruikt in microscopie, geweldige hoek en optische vezels.

Germanio heeft niet alleen silicium vervangen in bepaalde elektronische toepassingen, maar kan ook worden gekoppeld aan Gallium Arseniuro (GaAs). Deze metalloïde is dus ook aanwezig in zonnepanelen.

Katalysatoren

De geo₂ Het is gebruikt als een katalysator voor polymerisatiereacties; Bijvoorbeeld, in de noodzakelijke voor de synthese van polyethyleentereftalaat, worden plastic waarmee heldere flessen in Japan worden op de markt gebracht.

Ook de nanodeeltjes van hun legeringen met platina katalyseren redoxreacties waarbij ze de vorming van gasvormige waterstof omvatten, waardoor deze effectievere voltaische cellen worden geretourneerd.

Legeringen

Ten slotte is vermeld dat er Ge-Si en GE-PT-legeringen zijn. Daarnaast kunnen hun GE -atomen worden toegevoegd aan de kristallen van andere metalen, zoals zilver, goud, koper en beryllium. Deze legeringen vertonen een grotere ductiliteit en chemische weerstand dan hun individuele metalen.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). MC Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Opgehaald uit: in.Wikipedia.borg
3. Physicsopenlab. (2019). Silicium- en Germanium -kristalstructuur. Hersteld van: PhysicsOpenLab.borg
4. Susan York Morris. (19 juli 2016). Is germanium tot wonder genezing? Gezondheidsgemiddelde. Hersteld van: Healthline.com
5. Lentech B.V. (2019). Periode Tabel: Germanium. Hersteld van: Lentech.com
6. Nationaal centrum voor biotechnologie -informatie. (2019). Germanium. PubChem -database. CID = 6326954. Hersteld van: pubchem.NCBI.NLM.NIH.Gov
7. Dr. Doug Stewart. (2019). Feiten van het germanium -element. Chemicool. Hersteld van: chemicool.com
8. Emil Venere. (8 december 2014). Germanium komt thuis bij Purdue voor halfgeleider mijlpaal. Hersteld van: Purdue.Edu
9. Marques Miguel. (S.F.)). Germanium. Hersteld van: nautilus.Fis.UC.PT
10. Rosenberg, E. Rev Environment Sci Biotechnol. (2009). Germanium: Milieu, belang en speciatie. 8: 29. doen.org/10.1007/S11157-008-9143-X