germaniu Este un element metaloid care este reprezentat de simbolul chimic Ge și care aparține grupului 14 din tabelul periodic. Se găsește sub siliciu și împărtășește multe dintre proprietățile sale fizice și chimice; atât de mult încât odată se numea Ekasilicio, prezis chiar de Dmitri Mendeleev.
Numele său actual a fost dat de Clemens A. Winkler, în onoarea patriei sale Germania. Prin urmare, germaniu este legat de această țară și că este prima imagine care îi evocă minții pe cei care nu o cunosc prea mult..
Germaniul, ca și siliciul, este format din cristale covalente de rețele tetraedrice tridimensionale cu legături Ge-Ge. De asemenea, poate fi găsit sub formă monocristalină, în care boabele sale sunt mari sau policristaline, compuse din sute de cristale mici..
Este un element semiconductor la presiunea ambiantă, dar când crește peste 120 kbar devine un alotrop metalic; adică, posibil, legăturile Ge-Ge sunt rupte și sunt dispuse individual înfășurate în marea electronilor lor.
Este considerat un element netoxic, deoarece poate fi manipulat fără nici un fel de îmbrăcăminte de protecție; deși inhalarea și aportul excesiv al acestuia pot duce la simptomele clasice de iritație la indivizi. Presiunea sa de vapori este foarte scăzută, deci este puțin probabil ca fumul să provoace un incendiu.
Cu toate acestea, germani anorganici (săruri) și organice pot fi periculoase pentru organism, în ciuda faptului că atomii lor de Ge interacționează într-un mod misterios cu matricile biologice..
Nu se știe cu adevărat dacă germaniul organic poate fi considerat un remediu miraculos pentru tratarea anumitor tulburări ca un medicament alternativ. Cu toate acestea, studiile științifice nu susțin aceste afirmații, dar le resping și marchează acest element chiar ca fiind cancerigen..
Germaniul nu este doar un semiconductor, care însoțește siliciu, seleniu, galiu și o serie întreagă de elemente din lumea materialelor semiconductoare și a aplicațiilor acestora; De asemenea, este transparent la radiațiile infraroșii, făcându-l util pentru fabricarea detectoarelor de căldură din diferite surse sau regiuni..
Indice articol
Germaniul a fost unul dintre elementele a căror existență a fost prezisă în 1869 de către chimistul rus Dmitri Mendeleev în tabelul său periodic. El l-a numit provizoriu ekasilicon și l-a așezat într-un spațiu de pe tabelul periodic dintre tablă și siliciu..
În 1886, Clemens A. Winkler a descoperit germaniul într-o probă minerală dintr-o mină de argint lângă Freiberg, Saxonia. A fost mineralul numit argirodit, datorită conținutului ridicat de argint, și abia descoperit în 1885.
Eșantionul 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 descoperit ar trebui să fie de 5,5 g / cm3 iar greutatea sa atomică în jurul valorii de 70. Predicțiile sale s-au dovedit a fi destul de apropiate de cele făcute de germaniu.
În 1886, Winkler a reușit să izoleze noul metal și l-a găsit similar cu antimoniul, dar a reconsiderat și și-a dat seama că elementul pe care l-a descoperit corespundea ekasiliconului..
Winkler a numit elementul „germaniu” provenit din cuvântul latin „germania”, un cuvânt pe care l-au folosit pentru a descrie Germania. Din acest motiv, Winkler a numit noul element germaniu, după Germania sa natală..
În 1887, Winkler a determinat proprietățile chimice ale germaniei, găsind o greutate atomică de 72,32 printr-o analiză a tetraclorurii de germaniu pur (GeCl4).
Între timp, Lecoq de Boisbaudran a dedus o greutate atomică de 72,3 prin studierea spectrului scânteii elementului. Winkler a preparat mai mulți compuși noi din germaniu, inclusiv fluoruri, cloruri, sulfuri și dioxizi..
În anii 1920, investigațiile asupra proprietăților electrice ale germaniului au condus la dezvoltarea germaniului monocristalin de înaltă puritate.
Această dezvoltare a permis utilizarea germaniului în diode, redresoare și receptoare radar cu microunde în timpul celui de-al doilea război mondial..
Prima aplicație industrială a venit după războiul din 1947, odată cu inventarea tranzistoarelor de germaniu de către John Bardeen, Walter Brattain și William Shockley, care au fost utilizate în echipamente de comunicații, computere și radiouri portabile..
În 1954, tranzistoarele de siliciu de înaltă puritate au început să deplaseze tranzistoarele de germaniu datorită avantajelor electronice pe care le dețineau. Și până în anii 1960, tranzistoarele de germaniu au dispărut..
Germaniul sa dovedit a fi o componentă cheie în fabricarea lentilelor și a ferestrelor cu infraroșu (IR). În anii 1970, au fost produse celule voltaice (PVC) din siliciu-germaniu (SiGe) care rămân critice pentru operațiunile prin satelit..
În anii 1990, dezvoltarea și extinderea fibrelor optice au crescut cererea de germaniu. Elementul este utilizat pentru a forma miezul de sticlă al cablurilor din fibră optică.
Începând cu anul 2000, PVC-urile cu eficiență ridicată și diodele emițătoare de lumină (LED) care utilizează germaniu au dus la o creștere a producției și consumului de germaniu..
Alb argintiu și strălucitor. Când solidul său este alcătuit din multe cristale (policristaline), are o suprafață solzoasă sau ridată, plină de tonuri și umbre. Uneori poate apărea chiar la fel de cenușiu sau negru ca siliciu..
În condiții standard este un element semi-metalic, lucios fragil și metalic..
Germaniul 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 a detecta și măsura aceste radiații..
72,63 u
32
938,25 ºC
2.833 ºC
La temperatura camerei: 5,323 g / cm3
La punctul de topire (lichid): 5,60 g / cm3
Germaniul, precum siliciu, galiu, bismut, antimoniu și apă, se extinde pe măsură ce se solidifică. Din acest motiv, densitatea sa este mai mare în stare lichidă decât în stare solidă..
36,94 kJ / mol
334 kJ / mol
23.222 J / (mol K)
La o temperatură de 1.644 K, presiunea sa de vapori este de doar 1 Pa. Acest lucru înseamnă că lichidul său nu emite aproape deloc vapori la acea temperatură, deci nu implică un risc de inhalare..
2.01 pe scara Pauling
-Mai întâi: 762 kJ / mol
-În al doilea rând: 1.537 kJ / mol
-În al treilea rând: 3.302,1 kJ / mol
60,2 W / (m K)
1 Ω · m la 20 ºC
3S cm-1
Diamagnetic
6,0 pe scara Mohs
Relativ stabil. Nu este afectat de aer la temperatura camerei și se oxidează la temperaturi peste 600 ° C.
6 10-1 N / m la 1.673,1 K
Se oxidează la temperaturi peste 600 ° C pentru a forma dioxid de germaniu (GeODouă). Germaniul dă naștere la două forme de oxizi: dioxidul de germaniu (GeODouă) și monoxid de germaniu (GeO).
Compușii cu germaniu prezintă în general starea de oxidare +4, deși în mulți compuși germaniul apare cu starea de oxidare +2. Starea de oxidare - 4 apare, de exemplu în germanura de magneziu (MgDouăGE).
Germaniul reacționează cu halogeni pentru a forma tetrahalide: tetrafluorură de germaniu (GeF4), compus gazos; tetraiodură de germaniu (GeI4), compus solid; tetraclorură de germaniu (GeCl4) și tetrabromură de germaniu (GeBr4), 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, acesta se dizolvă ușor în hidroxizi topiți pentru a forma geronati..
Germaniul are patru electroni de valență conform configurației sale electronice:
[Ar] 3d10 4sDouă 4pDouă
La fel ca carbonul și siliciul, atomii lor Ge hibridizează orbitalele 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 (cripton).
În acest fel, apar legăturile covalente Ge-Ge și având patru dintre ele pentru fiecare atom, sunt definite tetraedrele 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 de parcă ar fi o moleculă uriașă.
Cristalul covalent de germaniu adoptă aceeași structură cubică centrată pe față a diamantului (și a siliciului). Acest alotrop este cunoscut sub numele de α-Ge. Dacă presiunea crește la 120 kbar (aproximativ 118.000 atm), structura cristalină a α-Ge devine tetragonală centrată pe corp (BCT, pentru acronimul său în engleză: Body-centered tetragonal).
Aceste cristale BCT corespund celui de-al doilea alotrop de germaniu: β-Ge, unde legăturile Ge-Ge sunt rupte și dispuse izolat, așa cum se întâmplă cu metalele. Astfel, α-Ge este semi-metalic; în timp ce β-Ge este metalic.
Germaniul își poate pierde cei patru electroni de valență sau poate câștiga încă patru pentru a deveni izoelectronic cu criptonul..
Când pierde electroni în compușii săi, se spune că are numere pozitive sau stări de oxidare, în care se presupune existența cationilor cu aceleași sarcini ca aceste numere. Printre acestea avem +2 (GeDouă+), +3 (Ge3+) și +4 (Ge4+).
De exemplu, următorii compuși au germaniu cu numere de oxidare pozitive: GeO (GeDouă+SAUDouă-), GeTe (GeDouă+CeaiDouă-), GEDouăCl6 (GEDouă3+Cl6-), GeODouă (GE4+SAUDouăDouă-) și GeSDouă (GE4+SDouăDouă-).
În timp ce atunci când câștigă electroni în compușii săi, are numere de oxidare negative. Dintre acestea, cel mai frecvent este -4; adică se presupune existența anionului Ge4-. În germanide se întâmplă acest lucru și, ca exemple, avem Li4Ge (Li4+GE4-) și MgDouăGe (MgDouăDouă+GE4-).
Germaniul este un element relativ rar în scoarța terestră. Puține minerale conțin o cantitate apreciabilă, printre care putem menționa: argiroditul (4AgDouăS · GeSDouă), germanită (7CuS · FeS · GeSDouă), briartită (CuDouăFeGeS4), renierit și canfieldit.
Toate au ceva în comun: sunt sulf sau minerale sulfuroase. Prin urmare, germaniul predomină în natură (sau cel puțin aici pe Pământ), ca GeSDouă și nu GeODouă (spre deosebire de omologul său SiODouă, silice, răspândită pe scară largă).
În plus față de mineralele menționate mai sus, s-a constatat că germaniu se găsește și în concentrații de masă de 0,3% în depozitele de cărbune. De asemenea, unele microorganisme îl pot procesa pentru a genera cantități mici de GeHDouă(CH3)Două și GeH3(CH3), care ajung strămutați spre râuri și mări.
Germaniul este un produs secundar al procesării 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 scoateți GeSDouă atomii săi de sulf, astfel încât să rămână ca Ge pur și simplu.
Mineralele sulfuroase suferă un proces de prăjire în care sunt încălzite împreună cu aerul pentru oxidare:
GeSDouă + 3 ODouă → GeODouă + 2 ASADouă
Pentru a separa germaniu de reziduu, acesta este transformat în clorura respectivă, care poate fi distilată:
GeoDouă + 4 HCl → GeCl4 + 2 oreDouăSAU
GeoDouă + 2 ClDouă → GeCl4 + SAUDouă
După cum se poate observa, transformarea poate fi efectuată folosind acid clorhidric sau clor gazos. GeCl4 apoi se hidrolizează înapoi la GeODouă, deci precipită ca un solid albicios. În cele din urmă, oxidul reacționează cu hidrogenul pentru a se reduce la germaniu metalic:
GeoDouă + 2 oreDouă → Ge + 2 HDouăSAU
Reducere care se poate face și cu cărbune:
GeoDouă + C → Ge + CODouă
Germaniul obținut constă dintr-o pulbere care este turnată sau tamponată în bare metalice, din care pot fi cultivate cristale radiante de germaniu..
Germaniul nu posedă nici un izotop de mare abundență în natură. În schimb, are cinci izotopi ale căror abundențe sunt relativ mici: 70Ge (20,52%), 72Ge (27,45%), 73Ge (7,76%), 74Ge (36,7%) și 76Ge (7,75%). Rețineți că greutatea atomică este de 72,630 u, care calculează în medie toate masele atomice cu abundențele respective ale izotopilor.
Izotop 76Ge este de fapt radioactiv; dar timpul său de înjumătățire este atât de grozav (t1/2= 1,78 × 10douăzeci și unu ani) care este practic printre cei mai stabili izotopi ai germaniei. Alte radioizotopi, cum ar fi 68Ge și 71Ge, ambele sintetice, au timp de înjumătățire mai scurt (270,95 zile, respectiv 11,3 zile).
Riscurile de mediu pentru germaniu sunt oarecum controversate. Fiind un metal ușor greu, o propagare a ionilor săi din sărurile solubile în apă ar putea provoca daune ecosistemului; adică animalele și plantele pot fi afectate de consumul de ioni Ge3+.
Germaniul elementar este sigur atâta timp cât nu este praf. Dacă se află în praf, un curent de aer îl poate trage către surse de căldură sau substanțe puternic oxidante; și, în consecință, există riscul de incendiu sau explozie. La fel, cristalele sale pot ajunge în plămâni sau ochi, provocând iritații severe..
O persoană poate manipula în siguranță un disc de germaniu în biroul său, fără a se îngrijora de niciun accident. Totuși, același lucru nu se poate spune despre compușii anorganici; adică sărurile, oxizii și hidrurile sale. De exemplu, GeH4 sau germanică (analog cu CH4 și DaH4), este un gaz foarte iritant și inflamabil.
Acum există surse organice de germaniu; Dintre acestea, se poate menționa 2-carboxietilgermasquioxanul sau germaniu-132, un supliment alternativ cunoscut pentru tratarea anumitor afecțiuni; deși cu dovezi puse la îndoială.
Unele dintre efectele medicinale atribuite germaniului-132 sunt întărirea sistemului imunitar, motiv pentru care ajută la combaterea cancerului, HIV și SIDA; reglează funcțiile corpului, precum și îmbunătățește gradul de oxigenare din sânge, elimină radicalii liberi; și, de asemenea, vindecă artrita, glaucomul și bolile de inimă.
Cu toate acestea, germaniuul organic a fost legat de afectarea gravă a rinichilor, ficatului și sistemului nervos. De aceea, există un risc latent atunci când vine vorba de consumul acestui supliment de germaniu; Ei bine, deși există cei care consideră că este un leac miraculos, există alții care avertizează că nu oferă niciun beneficiu dovedit științific.
Germaniul este transparent la radiațiile infraroșii; adică pot trece prin el fără a fi absorbiți.
Datorită acestui fapt, ochelarii și lentilele de germaniu au fost construite pentru dispozitive optice cu infraroșu; de exemplu, cuplat cu un detector IR pentru analiza spectroscopică, în lentilele utilizate în telescoapele spațiale cu infraroșu îndepărtat pentru a studia cele mai îndepărtate stele din Univers sau în senzorii 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 cu vedere nocturnă au componente fabricate cu germaniu.
Germaniul ca metaloid semiconductor a fost folosit pentru a construi tranzistoare, circuite electrice, diode emițătoare de lumină și microcipuri. În cele din urmă, aliajele de germaniu-siliciu și chiar germaniu, de la sine, au început să înlocuiască siliciul, astfel încât să poată fi proiectate circuite mai mici și mai puternice..
Rugina sa, GeODouă, 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..
Germaniul nu numai că a înlocuit siliciul în anumite aplicații electronice, dar poate fi, de asemenea, cuplat cu arsenidă de galiu (GaAs). Astfel, acest metaloid este prezent și în panourile solare.
GeODouă a fost folosit ca catalizator pentru reacțiile de polimerizare; de exemplu, în cel necesar sintezei de polietilen tereftalat, un plastic cu care sunt fabricate sticlele strălucitoare vândute în Japonia.
La fel, nanoparticulele aliajelor lor de platină catalizează reacțiile redox unde implică formarea hidrogenului gazos, făcând aceste celule voltaice mai eficiente..
În cele din urmă, s-a menționat că există aliaje Ge-Si și Ge-Pt. În afară de aceasta, atomii săi de Ge pot fi adăugați la cristalele altor metale, cum ar fi argintul, aurul, cuprul și beriliul. Aceste aliaje prezintă ductilitate și rezistență chimică mai mari decât metalele lor individuale..
Nimeni nu a comentat acest articol încă.