Germanio Storia, proprietà, struttura, ottiene, usi

Lui germanio È un elemento metalloide rappresentato dal simbolo chimico GE e appartiene al gruppo 14 della tabella periodica. È sotto il silicio e condivide con questa delle sue proprietà fisiche e chimiche; Tanto che il suo nome era Ekasilicio, previsto dallo stesso Dmitri Mendelev.

Il suo nome attuale è stato dato da Clemens a. Winkler, in onore della sua patria Germania. Quindi il germanio è legato a questo paese e che è la prima immagine che evoca la mente che non la conosce troppo.

Germanio Ultra campione. Fonte: immagini ad alta risoluzione degli elementi chimici [CC di 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/di/3.0)]

Il germanio, come il silicio. Allo stesso modo, può essere trovato in forma monocristallina, in cui i suoi grani sono grandi o poliristaline, composti da centinaia di piccoli cristalli.

È un elemento a semiconduttore a pressione ambientale, ma quando sale al di sopra dei 120 kbar diventa un alotropo metallico; Cioè, i legami GE-ge sono probabilmente rotti e i loro sono disponibili individualmente avvolti nel mare dei loro elettroni.

È considerato un elemento non tossico, in quanto può essere manipolato senza abbigliamento protettivo; Sebbene la sua inalazione e l'assunzione eccessiva possono portare a sintomi classici di irritazione negli individui. La tua pressione del vapore è molto bassa, quindi è improbabile che il tuo fumo possa causare un incendio.

Tuttavia, tedeschi inorganici (sali) e organici possono essere pericolosi per l'organismo, nonostante il fatto che i loro atomi GE interagiscano misteriosamente con le matrici biologiche.

Non è realmente noto se il germanio organico può essere considerato una cura miracolosa per trattare alcuni disturbi come una medicina alternativa. Tuttavia, gli studi scientifici non supportano queste affermazioni, ma le rifiutano e chiamano questo elemento anche come un cancerogeno.

Germanio non è solo un semiconduttore, che accompagna silicio, selenio, gallio e un'intera serie di elementi nel mondo dei materiali a semiconduttore e delle loro applicazioni; Ma è anche trasparente alle radiazioni a infrarossi, quindi è utile per la produzione di rilevatori di calore di diverse fonti o regioni.

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Storia

Previsioni di Mendeleev

Il Germanio era uno degli elementi la cui esistenza fu prevista nel 1869 dal chimico russo Dmitri Mendeleev nella sua tavola periodica. Chiamato provvisoriamente Ekasilicio e lo mise in uno spazio nella tavola periodica tra stagno e silicio.

Nel 1886, Clemens a. Winkler ha scoperto Germanio in un campione minerale di una miniera d'argento vicino a Freiberg, Sassonia. Era il minerale chiamato Argirodita, per il suo alto contenuto d'argento, e appena scoperto nel 1885.

Il campione di argomentazione conteneva il 73-75% di argento, il 17-18% di zolfo, lo 0,2% di mercurio e il 6-7% di un nuovo elemento, che in seguito Winkler ha chiamato Germanio.

Mendeleev aveva previsto che la densità dell'elemento da scoprire doveva essere 5,5 g/cm³ e il suo peso atomico intorno a 70. Le sue previsioni si sono rivelate abbastanza vicine a quelle presentate da Germanio.

Isolamento e nome

Nel 1886, Winkler fu in grado di isolare il nuovo metallo e lo trovò simile all'antimonio, ma riconsiderato e si rese conto che l'elemento che aveva scoperto corrispondeva all'Ekasilico.

Winkler ha chiamato l'elemento "Germanio" originato dalla parola latina "Germania", una parola che chiamavano Germania. Per questo motivo, Winkler ha nominato il nuovo elemento come Germanio, in onore del suo paese natale, in Germania.

Determinazione delle sue proprietà

Nel 1887, Winkler determinò le proprietà chimiche di Germanio, trovando un peso atomico di 72,32 attraverso un'analisi del tetracloruro di Germanio puro (GECL₄).

Nel frattempo, Lecoq de Boisbaudran ha dedicato un peso atomico di 72,3 studiando lo spettro scintillante dell'elemento. Winkler ha preparato diversi nuovi composti di germanio, tra cui fluoruri, cloruri, solfuri e biossidi.

Negli anni '20, la ricerca sulle proprietà elettriche di Germanio ha prodotto lo sviluppo di Germanio monocronico ad alta purezza.

Questo sviluppo ha consentito l'uso di Germanio in diodi, rettificatori e recettori radar a microonde durante la seconda guerra mondiale.

Sviluppo delle tue applicazioni

La prima applicazione industriale avvenne dopo la guerra nel 1947, con l'invenzione dei transistor di Germanio di John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, che furono utilizzati in comunicazioni, computer e radio portatili.

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Nel 1954, i transistor al silicio ad alta purezza iniziarono a trasferirsi ai transistor di Germanio a causa dei vantaggi elettronici che possedevano. E per gli anni '60, i transistor Germanio erano praticamente scomparsi.

Il Germanio si è rivelato essere un componente chiave nell'elaborazione di lenti a infrarossi e Windows (IR). Negli anni '70 furono prodotte celle voltaiche (PVC) di silicio e Germanio (SIGE) che rimangono critici per le operazioni satellitari.

Negli anni '90, lo sviluppo e l'espansione delle fibre ottiche hanno aumentato la domanda di Germanio. L'elemento viene utilizzato per formare il nucleo di vetro dei cavi in ​​fibra ottica.

A partire dal 2000, PVC ad alta efficienza e diodi emessi alla luce (LED) che utilizzano Germanio, hanno prodotto un aumento della produzione e del consumo di Germanio.

Proprietà fisiche e chimiche

Aspetto

Argento e bianco brillante. Quando il loro solido è formato da molti cristalli (poliristaline), sembra una superficie scamma o rugosa, piena di visioni e ombre. A volte, puoi persino dare l'aspetto di essere grigiastro o nero come il silicio.

In condizioni standard è un elemento semimetallico, fragile e metallico.

Germanio è un semiconduttore, non molto duttile. Ha un alto indice di rifrazione per la luce visibile, ma è trasparente per le radiazioni a infrarossi, utilizzate nelle finestre dell'attrezzatura per rilevare e misurare queste radiazioni.

Peso atomico standard

72.63 u

Numero atomico (Z)

32

Punto di fusione

938,25 ºC

Punto di ebollizione

2.833 ºC

Densità

A temperatura ambiente: 5.323 g/cm³

Nel punto di fusione (liquido): 5,60 g/cm³

Germanio e silicio, gallio, bismuto, antimonio e acqua si espandono per solidificarsi. Per questo motivo, la sua densità è maggiore nello stato liquido che nel solido.

Calore di fusione

36,94 kJ/mol

Calore di vaporizzazione

334 kJ/mol

Capacità calorica molare

23.222 J/(mol · K)

Pressione del vapore

A una temperatura 1.644 K La pressione del vapore è solo 1 Pa. Ciò significa che il tuo liquido emette a malapena vapori a quella temperatura, quindi non implica un rischio considerato inalazione.

Elettronegatività

2.01 sulla scala Pauling

Energie di ionizzazione

-Primo: 762 kJ/mol

-Secondo: 1.537 kJ/mol

-Terzo: 3.302,1 kJ/mol

Conduttività termica

60.2 W/(M · K)

Resistività elettrica

1 Ω · m a 20 ºC

Conducibilità elettrica

3 s cm^-1

Ordine magnetico

Diamagnetico

Durezza

6.0 sulla scala MOHS

Stabilità

Relativamente stabile. Non è influenzato dall'aria a temperatura ambiente e si ossida a temperature superiori a 600 ºC.

Tensione superficiale

6 · 10^-1 N/m a 1.673,1 k

Reattività

Ossida a temperature superiori a 600 ºC per formare il biossido di Germanio (GEO₂). Germanio ha origine due forme di ossidi: il biossido di Germanio (GEO₂) e Germanio (geo) monossido.

I composti di germanio generalmente mostrano lo stato di ossidazione + 4, sebbene in molti composti il ​​germanio sia presentato con lo stato di ossidazione +2. Lo stato di ossidazione - 4 viene presentato, ad esempio al magnesio tedesco (MG₂GE).

Germanio reagisce con gli alogeni per formare Tetrahaluros: Germanio Tetrafluoride (GEF₄), composto gassoso; Germanio Tetrayoduro (GHG₄), composto solido; Germanio Tetracloruro (GECL₄) e Germanio Tetrabromuro (GEBR₄), Entrambi i composti liquidi.

Germanio è inerte contro l'acido cloridrico; Ma viene attaccato da acido nitrico e acido solforico. Sebbene gli idrossidi della soluzione d'acqua abbiano scarso effetto su Germanio, si dissolve facilmente in idrossidi fusi per formare germanti.

Struttura elettronica e configurazione

Germanio e i suoi collegamenti

Il Germanio ha quattro elettroni di Valencia secondo la sua configurazione elettronica:

[AR] 3D¹⁰ 4s² 4p²

Come il carbonio e il silicio, i suoi atomi ge sono i suoi orbitali 4s e 4p per formare quattro orbitali ibridi SP³. Con questi orbitali sono collegati a soddisfare l'ettetto di Valencia e, di conseguenza, hanno lo stesso numero di elettroni del nobile gas dello stesso periodo (Kripton).

In questo modo, sorgono i legami covalenti GE-Ge e ne hanno quattro per ogni atomo, sono definiti gli ambienti tetraedrabici (con un GE al centro e gli altri nei vertici). Pertanto, viene stabilita una rete tridimensionale a causa dello spostamento di questi tetraedri lungo il vetro covalente; che si comporta come se fosse una molecola enorme.

Alotropi

Il vetro covalente di Germanio adotta la stessa struttura cubica centrata sulle facce di diamanti (e in silicio). Questo Alotrope è noto come α-ge. Se la pressione aumenta fino a 120 kbar (circa 118.000 atm), la struttura cristallina di α-ge diventa un tetragonale centrato sul corpo (BCT).

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Questi cristalli BCT corrispondono al secondo alotropico di Germanio: il β-ge, in cui i collegamenti GE-ge sono rotti e sono isolati, come accade con i metalli. Pertanto, α-ge è semimetallico; mentre β-ge è metallico.

Numeri di ossidazione

Il Germanio potrebbe perdere i suoi quattro elettroni di Valencia o vincere altri quattro per diventare isolectronici con il Kripton.

Quando nei suoi composti perde elettroni, si dice che abbia numeri o stati di ossidazione positivi, in cui è assunta l'esistenza di cationi con gli stessi carichi di questi numeri. Tra questi abbiamo +2 (GE²⁺), Il +3 (GE³⁺) e il +4 (GE⁴⁺).

Ad esempio, i seguenti composti hanno Germanio con numeri di ossidazione positivi: GEO (GE²⁺O^2-), Gete (ge²⁺Tè^2-), Ge₂Cl₆ (GE₂³⁺Cl₆^-), Geo₂ (GE⁴⁺O₂^2-) e Ges₂ (GE⁴⁺S₂^2-).

Mentre quando gli elettroni guadagnano nei suoi composti, ha numeri di ossidazione negativi. Tra questi il ​​più comune è -4; cioè, l'esistenza del GE^4-. In The Germanos questo accade, e come esempi di loro abbiamo il Li₄Ge (li₄⁺Ge^4-) e mg₂GE (Mg₂²⁺Ge^4-).

Dov'è e ottieni

Minerali solforosi

Campione minerale di argomirodite, di poca abbondanza ma un minerale unico per l'estrazione di Germanio. Fonte: Rob Lavinsky, Irocks.Com-CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]

Germanio è un elemento relativamente raro nella crosta terrestre. Ci sono pochi minerali che ne contengono una quantità apprezzabile, tra cui possiamo menzionare: Argirodita (4AG₂S · Ges₂), Germanita (7cus · fest₂), Briartita (Cu₂Fette₄), Renierita e Canfieldita.

Hanno tutti qualcosa in comune: sono minerali di zolfo o solforosi. Pertanto, Germanio predomina in natura (o almeno qui sulla terra), come gesto₂ E non Geo₂ (Contrariamente alla sua controparte SIO₂, silice, ampiamente diffusa).

Oltre ai minerali sopra menzionati, Germanio è stato trovato anche in concentrazioni di massa dello 0,3% nei depositi di carbone. Inoltre, alcuni microrganismi possono elaborarlo per generare piccole quantità di GEH₂(Ch₃)₂ e Geh₃(Ch₃), che finiscono sfollati verso fiumi e mari.

Germanio è un prodotto secondario dell'elaborazione dei metalli come zinco e rame. Per ottenerlo, è necessario subire una serie di reazioni chimiche per ridurre il solfuro nel metallo corrispondente; cioè, togli il GES₂ i suoi atomi di zolfo in modo che sia semplicemente GE.

Tostato

I minerali solfurosi sono sottoposti a un processo arrosto in cui si riscaldano con l'aria in modo che si verifichino ossidazioni:

Ges₂ + 3 o₂ → Geo₂ + 2 Quindi₂

Per separare Germanio dal residuo, diventa il rispettivo cloruro, che può essere distillato:

Geo₂ + 4 HCL → GECL₄ + 2 h₂O

Geo₂ + 2 Cl₂ → GECL₄ + O₂

Come si può vedere, la trasformazione può essere effettuata utilizzando acido cloridrico o gas di cloro. Il GECL₄ Viene quindi di nuovo idrolizzato a geo₂, Quindi precipita come un solido bianco. Infine, l'ossido reagisce con l'idrogeno per ridurre il germanio metallico:

Geo₂ + 2 h₂ → GE + 2 h₂O

Riduzione che può essere eseguita anche con il carbone:

Geo₂ + C → GE + CO₂

Il Germanio ottenuto è costituito da una polvere modellata o apisona in barre di metallo, di cui i cristalli di Germanio possono crescere.

Isotopi

Germanio non possiede in natura nessun isotopo di grande abbondanza. Invece, ha cinque isotopi le cui abbondanze sono relativamente basse: ⁷⁰GE (20,52%), ⁷²GE (27,45%), ⁷³GE (7,76%), ⁷⁴GE (36,7%) e ⁷⁶GE (7,75%). Si noti che il peso atomico è 72.630 U, che fa in media tutte le masse atomiche con le rispettive abbondanze di isotopi.

L'isotopo ⁷⁶GE è in realtà radioattivo; Ma la sua mezza vita è così grande (T_1/2= 1.78 × 10^ventuno anni) che conta praticamente tra i cinque isotopi di germanio più stabili. Altri radioisotopi, come ⁶⁸Ge e ⁷¹GE, entrambi sintetici, hanno tempi di mezza vita più brevi (270,95 giorni e 11,3 giorni, rispettivamente).

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Rischi

Germanio elementare e inorganico

Gli ambienti di germanio sono un po 'controversi. Essendo un metallo leggermente pesante, una diffusione dei suoi ioni da sali solubili in acqua potrebbe violare l'ecosistema; cioè, gli animali e le piante possono essere colpiti consumando il GE³⁺.

Elemental Germanio non rappresenta alcun rischio finché non è polverizzato. Se è in polvere, una corrente d'aria può trascinarlo in fonti di calore o sostanze altamente ossidanti; E di conseguenza, c'è un rischio di incendio o esplosione. Inoltre, i loro cristalli possono finire nei polmoni o negli occhi, causando forti irritazioni.

Una persona può manipolare tranquillamente un album tedesco nel suo ufficio senza preoccuparsi di nessun incidente. Tuttavia, lo stesso non si può dire dei suoi composti inorganici; cioè i loro sali, ossidi e idruri. Ad esempio, il GEH₄ o tedesco (analogo a Cho₄ E sì₄), È un gas abbastanza irritante e infiammabile.

Germanio organico

Ora, ci sono fonti di germanio organico; Tra questi, può essere menzionato in 2-carbossietilestilmasquiioxan o Germanio-132, supplemento alternativo noto per il trattamento di determinati disturbi; Sebbene con prove messe in dubbio.

Alcuni degli effetti medicinali attribuiti a Germanio-132 sono rafforzare il sistema immunitario, quindi aiuta a combattere il cancro, l'HIV e l'AIDS; Regolatizza le funzioni del corpo, nonché il grado di ossigenazione nel sangue, elimina i radicali liberi; E guarisce anche l'artrite, il glaucoma e le malattie cardiache.

Tuttavia, Organic Germanio è stato collegato a gravi danni ai reni, al fegato e al sistema nervoso. Ecco perché esiste un rischio latente quando si consuma questo supplemento Germanio; Mentre ci sono quelli che lo considerano una cura miracolosa, ci sono altri che avvertono che non offre alcun beneficio scientificamente comprovato.

Applicazioni

Ottica a infrarossi

Alcuni sensori di radiazioni a infrarossi sono fatti di Germanio o delle loro leghe. Fonte: Adafruit Industries tramite Flickr.

Germanio è trasparente per le radiazioni a infrarossi; cioè, possono trasferirlo senza essere assorbiti.

Grazie a ciò, sono stati costruiti lenti e vetri Germanio per dispositivi a infrarossi ottici; Ad esempio, accoppiato con un rivelatore IR per l'analisi spettroscopica, nelle lenti utilizzate in telescopi spaziali a infrarossi distanti per studiare le stelle più lontane dell'universo o in sensori di luce e temperatura.

Le radiazioni a infrarossi sono associate a vibrazioni molecolari o fonti di calore; Quindi i dispositivi utilizzati nell'industria militare per visualizzare gli obiettivi con la visione notturna hanno componenti realizzati con Germanio.

Materiale a semiconduttore

Diodi germanio incapsulati in vetro e utilizzati negli anni '60 e '70. Fonte: Rolf Süssbrich [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]

Germanio come metalloide a semiconduttore è stato utilizzato per la costruzione di transistor, circuiti elettrici, diodi e microchip che emettono la luce. In quest'ultimo, le leghe di Germanio-Silicio e persino Germanio, da sole hanno iniziato a sostituire il silicio, in modo che i circuiti sempre più piccoli e potenti possano essere progettati più piccoli e più.

Il tuo ossido, geo₂, A causa del suo alto indice di rifrazione, viene aggiunto il vetro in modo che possano essere utilizzati in microscopia, angolo grande e fibre ottiche.

Germanio non ha solo sostituito il silicio in alcune applicazioni elettroniche, ma può anche essere accoppiato con l'arseniuro di gallio (GAAS). Pertanto, questa metalloide è presente anche nei pannelli solari.

Catalizzatori

Il geo₂ È stato usato come catalizzatore per reazioni di polimerizzazione; Ad esempio, nel necessario per la sintesi di polietilene tereftalato, plastica con cui sono prodotte bottiglie luminose commercializzate in Giappone.

Inoltre, le nanoparticelle delle loro leghe con platino catalizzano le reazioni redox in cui coinvolgono la formazione di idrogeno gassoso, restituendo queste cellule voltaiche più efficaci.

Leghe

Infine, è stato detto che ci sono leghe GE-SI e GE-PT. Oltre a ciò, i loro atomi GE possono essere aggiunti ai cristalli di altri metalli, come argento, oro, rame e berillio. Queste leghe mostrano una maggiore duttilità e resistenza chimica rispetto ai loro metalli individuali.

Riferimenti

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