Das Germanium Es ist ein metalloides Element, das durch das chemische Symbol Ge dargestellt wird und zur Gruppe 14 des Periodensystems gehört. Es befindet sich unter Silizium und teilt viele seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften mit ihm. so sehr, dass er einmal Ekasilicio hieß, wie es Dmitri Mendeleev selbst vorausgesagt hatte.
Der heutige Name wurde von Clemens A. Winkler zu Ehren seiner Heimat Deutschland vergeben. Daher ist Germanium mit diesem Land verbunden, und es ist das erste Bild, das diejenigen in den Sinn bringt, die es nicht zu sehr kennen..
Germanium besteht wie Silizium aus kovalenten Kristallen dreidimensionaler tetraedrischer Gitter mit Ge-Ge-Bindungen. Ebenso kann es in monokristalliner Form gefunden werden, in der seine Körner groß oder polykristallin sind und aus Hunderten kleiner Kristalle bestehen..
Es ist ein Halbleiterelement bei Umgebungsdruck, aber wenn es über 120 kbar steigt, wird es zu einem metallischen Allotrop; das heißt, möglicherweise sind die Ge-Ge-Bindungen gebrochen und ihre sind einzeln im Meer ihrer Elektronen eingewickelt angeordnet.
Es wird als ungiftiges Element angesehen, da es ohne Schutzkleidung gehandhabt werden kann. obwohl das Einatmen und die übermäßige Aufnahme bei Einzelpersonen zu den klassischen Symptomen einer Reizung führen können. Sein Dampfdruck ist sehr niedrig, so dass es unwahrscheinlich ist, dass sein Rauch ein Feuer verursacht.
Anorganische (Salze) und organische Germanien können jedoch für den Körper gefährlich sein, obwohl ihre Ge-Atome auf mysteriöse Weise mit biologischen Matrices interagieren..
Es ist nicht wirklich bekannt, ob organisches Germanium als Wundermittel zur Behandlung bestimmter Erkrankungen als alternative Medizin angesehen werden kann. Wissenschaftliche Studien stützen diese Behauptungen jedoch nicht, sondern lehnen sie ab und kennzeichnen dieses Element sogar als krebserregend..
Germanium ist nicht nur ein Halbleiter, der Silizium, Selen, Gallium und eine ganze Reihe von Elementen in der Welt der Halbleitermaterialien und ihrer Anwendungen begleitet. Es ist auch für Infrarotstrahlung transparent und eignet sich daher zur Herstellung von Wärmemeldern aus verschiedenen Quellen oder Regionen..
Artikelverzeichnis
Germanium war eines der Elemente, deren Existenz 1869 vom russischen Chemiker Dmitri Mendeleev in seinem Periodensystem vorhergesagt wurde. Er nannte es vorläufig Ekasilicium und platzierte es in einem Raum auf dem Periodensystem zwischen Zinn und Silizium..
Im Jahr 1886 entdeckte Clemens A. Winkler Germanium in einer Mineralprobe aus einer Silbermine in der Nähe von Freiberg, Sachsen. Es war das Mineral Argyrodit, das aufgrund seines hohen Silbergehalts erst 1885 entdeckt wurde.
Die Argyroditprobe enthielt 73-75% Silber, 17-18% Schwefel, 0,2% Quecksilber und 6-7% ein neues Element, das Winkler später Germanium nannte..
Mendeleev hatte vorausgesagt, dass die Dichte des zu entdeckenden Elements 5,5 g / cm betragen sollte3 und sein Atomgewicht um 70. Seine Vorhersagen erwiesen sich als ziemlich nahe an denen von Germanium.
1886 konnte Winkler das neue Metall isolieren und fand es ähnlich wie Antimon, aber er überlegte und erkannte, dass das Element, das er entdeckt hatte, dem Ekasilicium entsprach..
Winkler nannte das Element "Germanium", das vom lateinischen Wort "Germania" stammt, ein Wort, mit dem sie Deutschland beschrieben haben. Aus diesem Grund benannte Winkler das neue Element Germanium nach seiner Heimat Deutschland..
1887 bestimmte Winkler die chemischen Eigenschaften von Germanium und fand durch Analyse von reinem Germaniumtetrachlorid (GeCl) ein Atomgewicht von 72,324).
In der Zwischenzeit leitete Lecoq de Boisbaudran ein Atomgewicht von 72,3 ab, indem er das Funkenspektrum des Elements untersuchte. Winkler stellte mehrere neue Verbindungen aus Germanium her, darunter Fluoride, Chloride, Sulfide und Dioxide..
In den 1920er Jahren führten Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften von Germanium zur Entwicklung von hochreinem monokristallinem Germanium.
Diese Entwicklung ermöglichte die Verwendung von Germanium in Dioden, Gleichrichtern und Mikrowellenradarempfängern während des Zweiten Weltkriegs..
Die erste industrielle Anwendung erfolgte nach dem Krieg im Jahr 1947 mit der Erfindung von Germaniumtransistoren durch John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley, die in Kommunikationsgeräten, Computern und tragbaren Radios verwendet wurden..
1954 begannen hochreine Siliziumtransistoren, Germaniumtransistoren aufgrund ihrer elektronischen Vorteile zu verdrängen. In den 1960er Jahren waren Germaniumtransistoren so gut wie verschwunden..
Germanium erwies sich als Schlüsselkomponente bei der Herstellung von Infrarotlinsen und -fenstern. In den 1970er Jahren wurden Silizium-Germanium (SiGe) -Voltaikzellen (PVC) hergestellt, die für den Satellitenbetrieb nach wie vor von entscheidender Bedeutung sind..
In den 1990er Jahren erhöhte die Entwicklung und Erweiterung von Glasfasern die Nachfrage nach Germanium. Das Element wird verwendet, um den Glaskern von Glasfaserkabeln zu bilden.
Ab dem Jahr 2000 führten hocheffiziente PVCs und Leuchtdioden (LEDs), die Germanium verwenden, zu einer Steigerung der Produktion und des Verbrauchs von Germanium..
Silberweiß und glänzend. Wenn sein Feststoff aus vielen Kristallen besteht (polykristallin), hat er eine schuppige oder faltige Oberfläche voller Obertöne und Schatten. Manchmal kann es sogar grau oder schwarz wie Silizium erscheinen..
Unter Standardbedingungen ist es ein halbmetallisches Element, spröde und metallischer Glanz..
Germanium ist ein Halbleiter, nicht sehr duktil. Es hat einen hohen Brechungsindex für sichtbares Licht, ist jedoch für Infrarotstrahlung transparent und wird in Gerätefenstern verwendet, um diese Strahlung zu erfassen und zu messen..
72,63 u
32
938,25 ºC
2.833 ºC
Bei Raumtemperatur: 5,323 g / cm3
Beim Schmelzpunkt (flüssig): 5,60 g / cm3
Germanium dehnt sich wie Silizium, Gallium, Wismut, Antimon und Wasser aus, wenn es sich verfestigt. Aus diesem Grund ist seine Dichte im flüssigen Zustand größer als im festen Zustand..
36,94 kJ / mol
334 kJ / mol
23,222 J / (mol K)
Bei einer Temperatur von 1.644 K beträgt sein Dampfdruck nur 1 Pa. Dies bedeutet, dass seine Flüssigkeit bei dieser Temperatur kaum Dämpfe abgibt, sodass keine Gefahr des Einatmens besteht..
2,01 auf der Pauling-Skala
-Erstens: 762 kJ / mol
-Zweitens: 1.537 kJ / mol
-Drittens: 3.302,1 kJ / mol
60,2 W / (m K)
1 Ω · m bei 20 ºC
3S cm-1
Diamagnetisch
6,0 auf der Mohs-Skala
Relativ Stabil. Es wird bei Raumtemperatur nicht von Luft beeinflusst und oxidiert bei Temperaturen über 600 ºC.
6 10-1 N / m bei 1.673,1 K.
Es oxidiert bei Temperaturen über 600 ° C zu Germaniumdioxid (GeO)zwei). Germanium führt zu zwei Formen von Oxiden: Germaniumdioxid (GeOzwei) und Germaniummonoxid (GeO).
Germaniumverbindungen weisen im Allgemeinen die Oxidationsstufe +4 auf, obwohl Germanium in vielen Verbindungen mit der Oxidationsstufe +2 auftritt. Die Oxidationsstufe - 4 tritt beispielsweise in Magnesiumgermanid (MgzweiGe).
Germanium reagiert mit Halogenen zu Tetrahalogeniden: Germaniumtetrafluorid (GeF4) gasförmige Verbindung; Germaniumtetraiodid (GeI4) feste Verbindung; Germaniumtetrachlorid (GeCl4) und Germaniumtetrabromid (GeBr4), beide flüssigen Verbindungen.
Germanium ist gegenüber Salzsäure inert; aber es wird von Salpetersäure und Schwefelsäure angegriffen. Obwohl Hydroxide in wässriger Lösung wenig Einfluss auf Germanium haben, lösen sie sich leicht in geschmolzenen Hydroxiden unter Bildung von Geronaten..
Germanium hat gemäß seiner elektronischen Konfiguration vier Valenzelektronen:
[Ar] 3d10 4szwei 4pzwei
Wie Kohlenstoff und Silizium hybridisieren ihre Ge-Atome ihre 4s- und 4p-Orbitale, um vier sp-Hybridorbitale zu bilden.3. Mit diesen Orbitalen verbinden sie sich, um das Valenzoktett zu erfüllen, und haben folglich die gleiche Anzahl von Elektronen wie das Edelgas derselben Periode (Krypton)..
Auf diese Weise entstehen die kovalenten Ge-Ge-Bindungen, und mit vier von ihnen für jedes Atom werden umgebende Tetraeder definiert (mit einem Ge in der Mitte und den anderen an den Eckpunkten). Somit wird ein dreidimensionales Netzwerk durch die Verschiebung dieser Tetraeder entlang des kovalenten Kristalls hergestellt; Das verhält sich so, als wäre es ein riesiges Molekül.
Der kovalente Germaniumkristall nimmt die gleiche flächenzentrierte kubische Struktur von Diamant (und Silizium) an. Dieses Allotrop ist als α-Ge bekannt. Wenn der Druck auf 120 kbar (ca. 118.000 atm) ansteigt, wird die Kristallstruktur von α-Ge körperzentriert tetragonal (BCT, für sein Akronym in Englisch: Körperzentriert tetragonal)..
Diese BCT-Kristalle entsprechen dem zweiten Allotrop von Germanium: β-Ge, bei dem die Ge-Ge-Bindungen gebrochen und isoliert angeordnet sind, wie dies bei Metallen der Fall ist. Somit ist α-Ge halbmetallisch; während β-Ge metallisch ist.
Germanium kann entweder seine vier Valenzelektronen verlieren oder vier weitere gewinnen, um mit Krypton isoelektronisch zu werden..
Wenn es Elektronen in seinen Verbindungen verliert, soll es positive Zahlen oder Oxidationsstufen haben, in denen die Existenz von Kationen mit den gleichen Ladungen wie diese Zahlen angenommen wird. Unter diesen haben wir die +2 (Gezwei+), die +3 (Ge3+) und die +4 (Ge4+).
Beispielsweise haben die folgenden Verbindungen Germanium mit positiven Oxidationszahlen: GeO (Gezwei+ODERzwei-), GeTe (Gezwei+Teezwei-), GezweiCl6 (Gezwei3+Cl6-), GeOzwei (Ge4+ODERzweizwei-) und GeSzwei (Ge4+S.zweizwei-).
Wenn es Elektronen in seinen Verbindungen gewinnt, hat es negative Oxidationszahlen. Unter ihnen ist die häufigste -4; das heißt, die Existenz des Anions Ge wird angenommen4-. Bei Germaniden geschieht dies, und als Beispiele dafür haben wir das Li4Ge (Li4+Ge4-) und MgzweiGe (Mgzweizwei+Ge4-).
Germanium ist ein relativ seltenes Element in der Erdkruste. Nur wenige Mineralien enthalten eine nennenswerte Menge davon, unter denen wir erwähnen können: Argyrodit (4AgzweiS · GeSzwei), Germanit (7CuS · FeS · GeSzwei), Briartit (CuzweiFeGeS4), Renierit und Canfieldit.
Sie alle haben etwas gemeinsam: Sie sind Schwefel oder schwefelhaltige Mineralien. Daher überwiegt Germanium in der Natur (oder zumindest hier auf der Erde) wie GeSzwei und nicht GeOzwei (im Gegensatz zu seinem Gegenstück SiOzwei, Kieselsäure, weit verbreitet).
Zusätzlich zu den oben genannten Mineralien wurde auch gefunden, dass Germanium in Massenkonzentrationen von 0,3% in Kohlevorkommen gefunden wird. Einige Mikroorganismen können es auch verarbeiten, um kleine Mengen an GeH zu erzeugenzwei(CH3)zwei und GeH3(CH3), die in Richtung Flüsse und Meere verschoben werden.
Germanium ist ein Nebenprodukt bei der Verarbeitung von Metallen wie Zink und Kupfer. Um es zu erhalten, muss es eine Reihe chemischer Reaktionen durchlaufen, um seinen Schwefel zum entsprechenden Metall zu reduzieren. das heißt, nehmen Sie die GeS wegzwei seine Schwefelatome, so dass es einfach als Ge bleibt.
Schwefelhaltige Mineralien werden einem Röstprozess unterzogen, bei dem sie zusammen mit der Luft erhitzt werden, damit eine Oxidation auftritt:
GeSzwei + 3 O.zwei → GeOzwei + 2 SOzwei
Um das Germanium vom Rückstand zu trennen, wird es in sein jeweiliges Chlorid umgewandelt, das destilliert werden kann:
Geozwei + 4 HCl → GeCl4 + 2 hzweiODER
Geozwei + 2 Clzwei → GeCl4 + ODERzwei
Wie zu sehen ist, kann die Umwandlung unter Verwendung von Salzsäure oder Chlorgas durchgeführt werden. Das GeCl4 hydrolysiert dann zurück zu GeOzwei, so fällt es als weißlicher Feststoff aus. Schließlich reagiert das Oxid mit dem Wasserstoff unter Bildung des metallischen Germaniums:
Geozwei + 2 hzwei → Ge + 2 H.zweiODER
Reduktion, die auch mit Holzkohle durchgeführt werden kann:
Geozwei + C → Ge + COzwei
Das erhaltene Germanium besteht aus einem Pulver, das zu Metallstäben geformt oder gestampft wird, aus denen strahlende Germaniumkristalle gezüchtet werden können..
Germanium besitzt kein Isotop von großer Häufigkeit in der Natur. Stattdessen hat es fünf Isotope, deren Häufigkeit relativ gering ist: 70Ge (20,52%), 72Ge (27,45%), 73Ge (7,76%), 74Ge (36,7%) und 76Ge (7,75%). Es ist zu beachten, dass das Atomgewicht 72,630 u beträgt, wodurch alle Atommassen mit den jeweiligen Häufigkeiten der Isotope gemittelt werden.
Isotop 76Ge ist tatsächlich radioaktiv; aber seine Halbwertszeit ist so groß (t1/2= 1,78 × 10einundzwanzig Jahre), die praktisch zu den fünf stabilsten Germaniumisotopen gehört. Andere Radioisotope wie 68Ge und 71Ge, beide synthetisch, haben kürzere Halbwertszeiten (270,95 Tage bzw. 11,3 Tage).
Die Umweltrisiken für Germanium sind etwas umstritten. Da es sich um ein leicht schweres Metall handelt, kann eine Ausbreitung seiner Ionen aus wasserlöslichen Salzen das Ökosystem schädigen. Das heißt, Tiere und Pflanzen können durch den Verbrauch von Ge-Ionen beeinflusst werden3+.
Elementares Germanium ist sicher, solange es nicht pulverisiert ist. Wenn es sich in Staub befindet, kann ein Luftstrom es zu Wärmequellen oder stark oxidierenden Substanzen ziehen. Folglich besteht Brand- oder Explosionsgefahr. Ebenso können seine Kristalle in die Lunge oder in die Augen gelangen und schwere Reizungen verursachen..
Eine Person kann eine Germaniumscheibe in ihrem Büro sicher handhaben, ohne sich um einen Unfall sorgen zu müssen. Gleiches gilt jedoch nicht für seine anorganischen Verbindungen; das heißt, seine Salze, Oxide und Hydride. Zum Beispiel das GeH4 oder germanisch (analog zu CH4 und jaH4) ist es ein sehr reizendes und brennbares Gas.
Jetzt gibt es organische Germaniumquellen; Unter diesen kann 2-Carboxyethylgermasquioxan oder Germanium-132 erwähnt werden, eine alternative Ergänzung, von der bekannt ist, dass sie bestimmte Krankheiten behandelt; obwohl mit zweifelhaften Beweisen.
Einige der medizinischen Wirkungen, die Germanium-132 zugeschrieben werden, sind die Stärkung des Immunsystems, weshalb es zur Bekämpfung von Krebs, HIV und AIDS beiträgt. reguliert die Funktionen des Körpers sowie verbessert den Sauerstoffgehalt im Blut, eliminiert freie Radikale; und heilt auch Arthritis, Glaukom und Herzerkrankungen.
Organisches Germanium wurde jedoch mit schwerwiegenden Schäden an Nieren, Leber und Nervensystem in Verbindung gebracht. Aus diesem Grund besteht ein latentes Risiko beim Verzehr dieses Germaniumpräparats. Nun, obwohl es diejenigen gibt, die es als Wundermittel betrachten, gibt es andere, die warnen, dass es keinen wissenschaftlich nachgewiesenen Nutzen bietet.
Germanium ist für Infrarotstrahlung transparent; das heißt, sie können es passieren, ohne absorbiert zu werden.
Dank dessen wurden Germaniumgläser und -linsen für optische Infrarotgeräte gebaut. Zum Beispiel in Verbindung mit einem IR-Detektor für die spektroskopische Analyse in Linsen, die in Weltraumteleskopen im fernen Infrarot verwendet werden, um die entferntesten Sterne im Universum zu untersuchen, oder in Licht- und Temperatursensoren.
Infrarotstrahlung ist mit molekularen Schwingungen oder Wärmequellen verbunden; Daher haben die Geräte, die in der Militärindustrie zum Betrachten von Zielen mit Nachtsicht verwendet werden, Komponenten aus Germanium.
Germanium als Halbleitermetalloid wurde zum Bau von Transistoren, elektrischen Schaltkreisen, Leuchtdioden und Mikrochips verwendet. In letzterem haben Germanium-Silizium-Legierungen und sogar Germanium selbst begonnen, Silizium zu ersetzen, so dass kleinere und leistungsstärkere Schaltkreise entworfen werden können..
Sein Rost, GeOzwei, Aufgrund seines hohen Brechungsindex wird es Gläsern zugesetzt, damit sie in der Mikroskopie, bei Weitwinkelobjektiven und in Glasfasern eingesetzt werden können..
Germanium ersetzt nicht nur Silizium in bestimmten elektronischen Anwendungen, sondern kann auch mit Galliumarsenid (GaAs) gekoppelt werden. Somit ist dieses Metalloid auch in Sonnenkollektoren vorhanden.
Der GeOzwei es wurde als Katalysator für Polymerisationsreaktionen verwendet; Zum Beispiel in dem für die Synthese von Polyethylenterephthalat erforderlichen Kunststoff, mit dem in Japan verkaufte glänzende Flaschen hergestellt werden.
Ebenso katalysieren die Nanopartikel ihrer Platinlegierungen Redoxreaktionen, bei denen Wasserstoffgas gebildet wird, wodurch diese Voltaikzellen effektiver werden..
Schließlich wurde erwähnt, dass es Ge-Si- und Ge-Pt-Legierungen gibt. Außerdem können seine Ge-Atome den Kristallen anderer Metalle wie Silber, Gold, Kupfer und Beryllium zugesetzt werden. Diese Legierungen zeigen eine größere Duktilität und chemische Beständigkeit als ihre einzelnen Metalle..
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