Germanio historia, egenskaper, struktur, erhållning, användning

han germanium Det är ett metalloidelement som representeras av GE -kemisk symbol och som tillhör grupp 14 i det periodiska tabellen. Det är under kisel och delar med dessa många av dess fysiska och kemiska egenskaper; Så mycket att hans namn var Ekasilicio, förutspådd av Dmitri Mendelev själv.

Hans nuvarande namn gavs av Clemens till. Winkler, för att hedra sitt hemland Tyskland. Därför är Germanio kopplat till detta land och att det är den första bilden som framkallar sinnet som inte vet det för mycket.

Germanio Ultra Prov. Källa: Hi-reser Bilder av kemiska element [CC av 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/av/3.0)]

Germanio, som kisel. På samma sätt finns det i monokristallin form, där dess korn är stora eller polyristala, sammansatta av hundratals små kristaller.

Det är ett halvledarelement vid omgivningstryck, men när det stiger över 120 kbar blir det en metallalotrop; Det vill säga ge-ge-bindningarna är möjligen trasiga och deras är tillgängliga individuellt inslagna i havet av deras elektroner.

Det betraktas som ett icke -toxiskt element, eftersom det kan manipuleras utan skyddskläder; Även om dess inandning och överdrivet intag kan leda till klassiska symtom på irritation hos individer. Ditt ångtryck är mycket lågt, så det är osannolikt att din rök kan orsaka eld.

Oorganiska tyskar (salter) och organiska kan emellertid vara farliga för organismen, trots att deras geatomer interagerar på mystiskt sätt med biologiska matriser.

Det är inte riktigt känt om Organic Germanio kan betraktas som ett mirakulöst botemedel för att behandla vissa störningar som en alternativ medicin. Vetenskapliga studier stöder emellertid inte dessa uttalanden, utan avvisar dem och kallar detta element även som ett cancerframkallande.

Germanio är inte bara en halvledare, medföljande kisel, selen, gallium och en hel serie element i världen av halvledarmaterial och deras tillämpningar; Men också är det transparent till infraröd strålning, så det är användbart för tillverkning av värmedetektorer för olika källor eller regioner.

[TOC]

Historia

Mendeleev -förutsägelser

Germanio var ett av de element vars existens förutsågs 1869 av den ryska kemisten Dmitri Mendeleev i hans periodiska bord. Provisoriskt kallad Ekasilicio och placerade den i ett utrymme i det periodiska bordet mellan tenn och kisel.

1886, Clemens a. Winkler upptäckte Germanio i ett mineralprov av en silvergruva nära Freiberg, Sachsen. Det var mineralet som heter Argirodita, för sitt höga silverinnehåll och nyligen upptäcktes 1885.

Argiroditprovet innehöll 73-75% silver, 17-18% svavel, 0,2% kvicksilver och 6-7% av ett nytt element, som senare Winkler heter Germanio.

Mendeleev hade förutspått att densiteten för elementet som ska upptäckas måste vara 5,5 g/cm³ och dess atomvikt runt 70. Hans förutsägelser visade sig vara ganska nära de som presenterades av Germanio.

Isolering och namn

1886 kunde Winkler isolera den nya metallen och fann den liknar antimon, men omprövade och insåg att elementet han hade upptäckt motsvarade Ekasilicio.

Winkler kallade "Germanio" -elementet härstammar från det latinska ordet "Germania", ett ord som de använde för att kalla Tyskland. Av denna anledning utsåg Winkler det nya elementet till Germanio, för att hedra sitt hemland, Tyskland.

Bestämning av dess egenskaper

1887 bestämde Winkler de kemiska egenskaperna hos Germanio och hittade en atomvikt på 72,32 genom en analys av ren Germanio -tetraklorid (GECL₄).

Samtidigt drog Lecoq de Boisbaudran en atomvikt på 72,3 genom att studera elementets gnistspektrum. Winkler framställde flera nya germaniumföreningar, inklusive fluorider, klorider, sulfider och dioxider.

På 1920 -talet producerade forskning om Germanios elektriska egenskaper utvecklingen av Monochronic Germanio med hög renhet.

Denna utveckling tillät användning av Germanio i dioder, likriktare och mikrovågsradarreceptorer under andra världskriget.

Utveckling av dina applikationer

Den första industriella ansökan inträffade efter kriget 1947, med uppfinningen av Germanios transistorer av John Bardeen, Walter Brattain och William Shockley, som användes i kommunikation, datorer och bärbara radioapparater.

Kan tjäna dig: neutral atom

1954 började kiseltransistorer med hög renhet att flytta till Germanios transistorer på grund av de elektroniska fördelarna de hade. Och på 1960 -talet hade Germanio -transistorer praktiskt taget försvunnit.

Germanio visade sig vara en nyckelkomponent i utarbetandet av infraröda linser och fönster (IR). På 1970 -talet producerades Voltaic Cellers (PVC) av Silicon och Germanio (SIGE) som förblir kritiska för satellitoperationer.

Under 1990 -talet ökade utvecklingen och utvidgningen av fiberoptik efterfrågan från Germanio. Elementet används för att bilda glaskärnan i fiberoptiska kablar.

Från och med 2000 producerade PVC: er med hög effektivitet och ljusdioder (LED) som använder Germanio, en ökning av produktionen och konsumtionen av Germanio.

Fysiska och kemiska egenskaper

Utseende

Silver och ljus vit. När deras fasta ämnen bildas av många kristaller (polyristalin) ser det ut som en skam eller skrynklig yta, full av visioner och skuggor. Ibland kan du till och med ge utseendet att vara lika gråaktig eller svart som kisel.

Under standardförhållanden är det ett semimetalliskt, sprött och metalliskt ljusstyrkaelement.

Germanio är en halvledare, inte särskilt duktil. Det har ett högt brytningsindex för synligt ljus, men det är transparent för infraröd strålning, som används i utrustningsfönster för att upptäcka och mäta dessa strålning.

Standardatomvikt

72.63 U

Atomantal (z)

32

Smältpunkt

938,25 ºC

Kokpunkt

2.833 ºC

Densitet

Vid rumstemperatur: 5 323 g/cm³

Vid smältpunkten (vätska): 5,60 g/cm³

Germanio såväl som kisel, gallium, vismut, antimon och vatten expanderar för att stelna. Av denna anledning är dess densitet större i flytande tillstånd än i det fasta.

Fusionsvärme

36,94 kJ/mol

Förångningsvärme

334 kJ/mol

Molorisk kapacitet

23,222 J/(mol · k)

Ångtryck

Vid en temperatur 1.644 K ditt ångtryck är bara 1 pa. Detta innebär att din vätska avger knappt ångor vid den temperaturen, så det innebär inte en risk som betraktas som inandning.

Elektronnegativitet

2.01 på Pauling -skalan

Joniseringsenergier

-Först: 762 kJ/mol

-Andra: 1.537 kJ/mol

-Tredje: 3.302,1 kJ/mol

Värmeledningsförmåga

60.2 W/(M · K)

Elektrisk resistans

1 Ω · m till 20 ºC

Elektrisk konduktivitet

3 s cm^-1

Magnetisk ordning

Diamagnetisk

Hårdhet

6.0 på Mohs -skalan

Stabilitet

Relativt stabil. Det påverkas inte av luft vid rumstemperatur och oxideras vid temperaturer större än 600 ºC.

Ytspänning

6 · 10^-1 N/m a 1.673.1 K

Reaktivitet

Oxiderar vid temperaturer större än 600 ºC för att bilda Germanios dioxid (GEO₂). Germanio har sitt ursprung i två former av oxider: Germanios dioxid (Geo₂) och Germanio (Geo) monoxid.

Germanium -föreningarna uppvisar i allmänhet oxidationstillståndet + 4, även om i många föreningar ger germanio presenteras med oxidationstillståndet +2. Oxidationstillståndet - 4 presenteras till exempel vid det tyska magnesiumet (MG₂Ge).

Germanio reagerar med halogener för att bilda Tetrahaluro: Germanio Tetrafluoride (GEF₄), gasformig förening; Germanio Tetrayoduro (GHG₄), fast förening; Germanio Tetrachloride (GECL₄) och Germanio Tetrabromuro (GEBR₄), Båda flytande föreningar.

Germanio är inert mot saltsyra; Men det attackeras av salpetersyra och svavelsyra. Även om vattenlösningshydroxider har liten effekt på Germanio, löses det lätt i smälta hydroxider för att bilda tyskater.

Elektronisk struktur och konfiguration

Germanio och dess länkar

Germanio har fyra elektroner i Valencia enligt sin elektroniska konfiguration:

[AR] 3D¹⁰ 4S² 4p²

Liksom kol och kisel, dess atomer ger Hybridiserar sina 4S- och 4P -orbitaler för att bilda fyra SP -hybrid orbitaler³. Med dessa orbitaler är de kopplade för att tillfredsställa Octet of Valencia och har följaktligen samma antal elektroner som den ädla gasen från samma period (Kripton).

På detta sätt uppstår ge-ge-kovalenta bindningarna, och med fyra av dem för varje atom definieras tetrabiska miljöer (med en GE i mitten och de andra i topparna). Således fastställs ett tre -dimensionellt nätverk på grund av förskjutningen av dessa tetraedra längs det kovalenta glaset; som beter sig som om det var en enorm molekyl.

Alotroper

Germanios kovalenta glas antar samma kubiska struktur centrerad på diamantytorna (och kisel). Denna alotrop kallas α-ge. Om trycket ökar upp till 120 kbar (cirka 118.000 atm), den kristallina strukturen för a-ge blir en tetragonal centrerad på kroppen (BCT).

Det kan tjäna dig: natriumcyanid (NACN): struktur, egenskaper, risker, användningar

Dessa BCT-kristaller motsvarar den andra alotropiken i Germanio: ß-ge, där ge-ge-länkarna är trasiga och är isolerade, som händer med metaller. Således är a-ge semimetallic; Medan ß-ge är metalliskt.

Oxidationsnummer

Germanio kan mycket väl förlora sina fyra elektroner i Valencia, eller vinna fyra till för att bli isolektronisk med Kripton.

När det i dess föreningar förlorar elektroner sägs det att det har positiva oxidationsnummer eller tillstånd, där förekomsten av katjoner antas med samma belastningar som dessa siffror. Bland dessa har vi +2 (GE²⁺), +3 (GE³⁺) och +4 (GE⁴⁺).

Till exempel har följande föreningar Germanio med positiva oxidationsnummer: Geo (GE²⁺ANTINGEN^2-), Gete (ge²⁺Te^2-), Ge₂Kli₆ (GE₂³⁺Kli₆^-), Geo₂ (GE⁴⁺ANTINGEN₂^2-) och GES₂ (GE⁴⁺S₂^2-).

Medan när elektroner vinkar i sina föreningar har det negativa oxidationsnummer. Bland dem är det vanligaste -4; det vill säga GE: s existens^4-. I germanos händer detta, och som exempel på dem har vi li₄Ge (li₄⁺Ge^4-) och mg₂Ge (mg₂²⁺Ge^4-).

Var är det och få

Svavelmineral

Argirodite mineralprov, av lite överflöd men en unik malm för Germanio -extraktion. Källa: Rob Lavinsky, irocks.com-cc-by-sa-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]

Germanio är ett relativt sällsynt element i jordens skorpa. Det finns få mineraler som innehåller en märkbar mängd av det, bland vilka vi kan nämna: Argirodita (4ag₂S · ges₂), Germanita (7Cus · Fest₂), Briartita (CU₂Feg₄), Renierita och Canfieldita.

De har alla något gemensamt: de är svavel- eller svavel- mineraler. Därför dominerar Germanio i naturen (eller åtminstone här på jorden), som gest₂ Och inte geo₂ (I motsats till hans motsvarighet Sio₂, kiseldioxid, spridd).

Förutom de mineraler som nämns ovan har Germanio också hittats i masskoncentrationer av 0,3% i kolavlagringar. Vissa mikroorganismer kan också bearbeta den för att generera små mängder GEH₂(Ch₃)₂ och Geh₃(Ch₃), som slutar fördrivna mot floder och hav.

Germanio är en sekundär produkt av metallbearbetning som zink och koppar. För att få den måste du drabbas av en serie kemiska reaktioner för att minska din sulfid i motsvarande metall; det vill säga ta bort GES₂ dess svavelatomer så att det helt enkelt är.

Rostat

De svavelösa mineralerna utsätts för en rostad process där de värms upp med luften så att oxidationer inträffar:

Ges₂ + 3 o₂ → Geo₂ + 2 så₂

För att skilja Germanio från återstoden blir det dess respektive klorid, som kan destilleras:

Geo₂ + 4 HCl → GECL₄ + 2 h₂ANTINGEN

Geo₂ + 2 Cl₂ → GECL₄ + ANTINGEN₂

Som man kan se kan transformationen utföras med hjälp av saltsyra eller klorsyra. GECL₄ Det hydrolyseras sedan igen till Geo₂, Så fällas ut som ett vitaktigt fast ämne. Slutligen reagerar oxid med väte för att minska metalliskt germanium:

Geo₂ + 2 h₂ → GE + 2 H₂ANTINGEN

Minskning som också kan göras med kol:

Geo₂ + C → GE + CO₂

Germanio som erhållits består av ett pulver som är gjuten eller Apisona i metallstänger, varav Germanio -kristaller kan växa.

Isotoper

Germanio har inte i naturen någon isotop av stort överflöd. Istället har den fem isotoper vars överflöd är relativt låga: ⁷⁰GE (20,52%), ⁷²GE (27,45%), ⁷³GE (7,76%), ⁷⁴GE (36,7%) och ⁷⁶GE (7,75%). Observera att atomvikten är 72,630 U, vilket i genomsnitt är alla atommassor med respektive överflöd av isotoper.

Isotopen ⁷⁶GE är faktiskt radioaktiv; Men hans halvliv är så bra (t_1/2= 1.78 × 10^tjugoett år) som praktiskt räknas bland de fem mest stabila germanium -isotoperna. Andra radioisotoper, till exempel ⁶⁸Ge och ⁷¹GE, båda syntetiska, har kortare halvlivstider (270,95 dagar respektive 11,3 dagar).

Kan tjäna dig: 20 exempel på kemisk sublimering och egenskaper

Risker

Elementära och oorganiska germanio

Tyskiummiljöerna är lite kontroversiella. Att vara en något tungmetall, en spridning av dess joner från vattenlösliga salter kan kränka ekosystemet; det vill säga djur och växter kan påverkas av att konsumera GE³⁺.

Elemental Germanio representerar inte någon risk så länge den inte är pulveriserad. Om den är pulveriserad kan en luftström dra den till värmekällor eller mycket oxiderande ämnen; Och följaktligen finns det en brand- eller explosionsrisk. Dessutom kan deras kristaller sluta i lungorna eller ögonen och orsaka starka irritationer.

En person kan tyst manipulera ett tyskt album på sitt kontor utan att oroa sig för någon olycka. Detsamma kan emellertid inte sägas om dess oorganiska föreningar; det vill säga deras salter, oxider och hydrider. Till exempel GEH₄ eller tyska (analogt med Cho₄ Och ja₄), Det är en ganska irriterande och brandfarlig gas.

Organisk german

Nu finns det organiska germaniumkällor; Bland dem kan det nämnas vid 2-karboxietylestilmasquioxan eller Germanio-132, alternativt tillägg känt för behandling av vissa sjukdomar; Även med bevis placerade i tvivel.

Några av de medicinska effekterna som tillskrivs Germanio-132 är att stärka immunsystemet, så det hjälper till att bekämpa cancer, HIV och AIDS; Regulariserar kroppsfunktioner, liksom graden av syresättning i blodet, eliminerar fria radikaler; Och läker också artrit, glaukom och hjärtsjukdom.

Organic Germanio har emellertid kopplats till allvarliga skador på njurarna, levern och nervsystemet. Det är därför det finns en latent risk när man konsumerar detta Germanio -tillägg; Även om det finns de som anser att det är ett mirakulöst botemedel, finns det andra som varnar för att det inte erbjuder någon vetenskapligt bevisad fördel.

Ansökningar

Infraröd optik

Vissa infraröda strålningssensorer är gjorda av Germanio eller deras legeringar. Källa: Adafruit Industries via Flickr.

Germanio är transparent för infraröd strålning; det vill säga de kan överföra det utan att absorberas.

Tack vare detta har Germanio -linser och glas för optiska infraröda enheter byggts; Till exempel, i kombination med en IR -detektor för spektroskopisk analys, i linser som används i avlägsna infraröda rumsliga teleskop för att studera universums längsta stjärnor, eller i ljus och temperatursensorer.

Infraröd strålning är förknippade med molekylära vibrationer eller värmekällor; Så de enheter som används i militärindustrin för att visualisera mål med nattvision har komponenter gjorda med Germanio.

Halvledarmaterial

Germanio -dioder inkapslade i glas och används på 60- och 70 -talet. Källa: Rolf Süssbrich [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenser/BY-SA/3.0)]

Germanio som halvledarmetalloid har använts för konstruktion av transistorer, elektriska kretsar, ljusemitterande dioder och mikrochips. I det senare har Germanio-Silicio-legeringar och till och med Germanio i sig börjat ersätta kisel, så att alltmer små och kraftfulla kretsar kan utformas mindre och mer.

Din oxid, geo₂, På grund av dess höga brytningsindex läggs glas så att de kan användas i mikroskopi, stor vinkel och optiska fibrer.

Germanio har inte bara ersatt kisel i vissa elektroniska tillämpningar, utan kan också kopplas till Gallium Arseniuro (GAAS). Således finns denna metalloid också i solpaneler.

Katalysatorer

Geo₂ Det har använts som en katalysator för polymerisationsreaktioner; Till exempel i det nödvändiga för syntes av polyetylentereftalat, plast som ljusa flaskor som marknadsförs i Japan tillverkas.

Dessutom katalyserar nanopartiklarna i deras legeringar med platina redoxreaktioner där de involverar bildning av gasformigt väte och returnerar dessa mer effektiva voltaiska celler.

Legeringar

Slutligen har det nämnts att det finns GE-SI och GE-PT-legeringar. Utöver detta kan deras geatomer läggas till kristallerna i andra metaller, såsom silver, guld, koppar och beryllium. Dessa legeringar visar större duktilitet och kemisk resistens än deras individuella metaller.

Referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi. (Fjärde upplagan). MC Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Hämtad från: i.Wikipedia.org
3. Fysikopenlab. (2019). Kisel- och germaniumkristallstruktur. Återhämtat sig från: Physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19 juli 2016). Är germanium till mirakel botemedel? Healthline -medelvärde. Återhämtat sig från: Healthline.com
5. Lentech B.V. (2019). Period Tabell: Germanium. Återhämtat sig från: Lentech.com
6. Nationellt centrum för bioteknikinformation. (2019). Germanium. Pubchemdatabas. CID = 6326954. Återhämtat sig från: pubchem.Ncbi.Nlm.Nih.Gov
7. Doktor. Doug Stewart. (2019). Germanium Element Facts. Kemikkolis. Återhämtat sig från: Chemicool.com
8. Emil Venere. (8 december 2014). Germanium kommer hem till Purdue för halvledarens milstolpe. Återhämtat sig från: Purdue.Edu
9. Marques Miguel. (s.F.). Germanium. Återhämtat sig från: nautilus.Fis.Uc.Pt
10. Rosenberg, E. Rev Miljö Sci Biotechnol. (2009). Germanium: Decurrence Miljö, betydelse och specifikation. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x