Germaniu - Germanium

Germaniu,  ₃₂ Ge

Germaniu
Pronunție	/ Dʒ ɜːr m eɪ n i ə m / ( jur- POATE -nee-əm )
Aspect	alb-cenușiu
Greutate atomică standard A r, std (Ge)	72,630 (8)
Germaniul din tabelul periodic
Hidrogen Heliu Litiu Beriliu Bor Carbon Azot Oxigen Fluor Neon Sodiu Magneziu Aluminiu Siliciu Fosfor Sulf Clor Argon Potasiu Calciu Scandiu Titan Vanadiu Crom Mangan Fier Cobalt Nichel Cupru Zinc Galiu Germaniu Arsenic Seleniu Brom Krypton Rubidiu Stronţiu Itriu Zirconiu Niobiu Molibden Technetium Ruteniu Rodiu Paladiu Argint Cadmiu Indiu Staniu Antimoniu Telurul Iod Xenon Cesiu Bariu Lantan Ceriu Praseodim Neodim Prometiu Samarium Europium Gadolinium Terbiul Disproziu Holmiu Erbiu Tuliu Ytterbium Lutetium Hafniu Tantal Tungsten Reniu Osmiu Iridiu Platină Aur Mercur (element) Taliu Conduce Bismut Poloniu Astatine Radon Francium Radiu Actinium Toriu Protactiniu Uraniu Neptunium Plutoniu Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendeleviu Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson Si ↑ Ge ↓ Sn galiu ← germaniu → arsenic
Număr atomic ( Z )	32
grup	grupa 14 (grupa carbonului)
Perioadă	perioada 4
bloc	bloc p
Configuratie electronica	[ Ar ] 3d 10 4s 2 4p 2
Electroni pe coajă	2, 8, 18, 4
Proprietăți fizice
Faza la  STP	solid
Punct de topire	1211,40  K (938,25 ° C, 1720,85 ° F)
Punct de fierbere	3106 K (2833 ° C, 5131 ° F)
Densitate (aproape  rt )	5,323 g / cm 3
când este lichid (la  mp )	5,60 g / cm 3
Căldura de fuziune	36,94  kJ / mol
Căldura vaporizării	334 kJ / mol
Capacitatea de căldură molară	23.222 J / (mol · K)
Presiunea de vapori P  (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k la  T  (K) 1644 1814 2023 2287 2633 3104
Proprietăți atomice
Stări de oxidare	−4 −3, −2, −1, 0, +1, +2 , +3, +4 (un oxid amfoteric )
Electronegativitate	Scala Pauling: 2.01
Energiile de ionizare
Raza atomică	empiric: 122  pm
Raza covalentă	122 pm
Raza Van der Waals	211 pm
Liniile spectrale de germaniu
Alte proprietăți
Apariție naturală	primordial
Structură cristalină	centrat față de diamant-cubic
Viteza sunetului subțire	5400 m / s (la 20 ° C)
Expansiunea termică	6,0 µm / (m⋅K)
Conductivitate termică	60,2 W / (m⋅K)
Rezistență electrică	1 Ω⋅m (la 20 ° C)
Band gap	0,67  eV (la 300 K)
Ordinea magnetică	diamagnetic
Sensibilitate magnetică molară	−76,84 × 10 −6  cm 3 / mol
Modulul lui Young	103 GPa
Modul de forfecare	41 GPa
Modul în vrac	75 GPa
Raportul Poisson	0,26
Duritatea lui Mohs	6.0
Numar CAS	7440-56-4
Istorie
Denumire	după Germania, patria descoperitorului
Predicție	Dmitri Mendeleev (1869)
Descoperire	Clemens Winkler (1886)
Principalii izotopi ai germaniului
Izotop Abundenţă Timp de înjumătățire ( t 1/2 ) Modul de descompunere Produs 68 Ge sin 270,95 d ε 68 Ga 70 Ge 20,52% grajd 71 Ge sin 11,3 d ε 71 Ga 72 Ge 27,45% grajd 73 Ge 7,76% grajd 74 Ge 36,7% grajd 76 Ge 7,75% 1,78 × 10 21  ani β - β - 76 Se
Categorie: germaniu vedere vorbi Editați | × | referințe

Germaniul este un element chimic cu simbolul Ge și numărul atomic 32. Este un metaloid lucios, dur-fragil, de culoare alb-cenușiu din grupa carbonului , similar chimic cu grupul său vecin cu siliciu și staniu . Germaniul pur este un semiconductor cu aspect similar siliciului elementar. La fel ca și siliciul, germaniul reacționează în mod natural și formează complexe cu oxigenul din natură.

Deoarece apare rar în concentrație mare, germaniu a fost descoperit relativ târziu în istoria chimiei . Germaniul se situează aproape în cincizeci, în abundență relativă a elementelor din scoarța terestră . În 1869, Dmitri Mendeleev a prezis existența și unele dintre proprietățile sale din poziția sa pe tabelul său periodic și a numit elementul ekasilicon . Aproape două decenii mai târziu, în 1886, Clemens Winkler a găsit noul element împreună cu argintul și sulful , într-un mineral neobișnuit numit argirodit . Deși noul element seamănă oarecum cu arsenicul și antimoniul în aparență, raporturile de combinare din compuși au fost de acord cu previziunile lui Mendeleev pentru o rudă de siliciu. Winkler a numit elementul după țara sa, Germania . Astăzi, germaniu este extras în principal din sfalerită (minereul primar al zincului ), deși germaniu este, de asemenea, recuperat comercial din minereuri de argint , plumb și cupru .

Germaniul elementar este folosit ca semiconductor în tranzistoare și în alte dispozitive electronice. Din punct de vedere istoric, primul deceniu al electronicii cu semiconductori s-a bazat în întregime pe germaniu. În prezent, utilizările finale majore sunt sistemele cu fibră optică , optica în infraroșu , aplicațiile cu celule solare și diodele emițătoare de lumină (LED-uri). Compușii de germaniu sunt, de asemenea, utilizați pentru catalizatorii de polimerizare și, cel mai recent, s-au găsit utilizați în producția de nanofire . Acest element formează un număr mare de compuși organogermani , cum ar fi tetraetilgermaniu , utili în chimia organometalică . Germaniul este considerat un element critic pentru tehnologie .

Se consideră că germaniu nu este un element esențial pentru niciun organism viu . Unii compuși organici complexi de germaniu sunt investigați ca posibili produse farmaceutice, deși niciunul nu s-a dovedit încă reușit. Similar siliciului și aluminiului, compușii de germaniu naturali tind să fie insolubili în apă și, prin urmare, au o toxicitate orală redusă . Cu toate acestea, sărurile de germaniu solubile sintetice sunt nefrotoxice , iar compușii sintetici de germaniu reactivi chimic cu halogeni și hidrogen sunt iritante și toxine.

Istorie

În raportul său despre Legea periodică a elementelor chimice din 1869, chimistul rus Dmitri Mendeleev a prezis existența mai multor elemente chimice necunoscute , inclusiv unul care ar umple un gol din familia carbonului , situat între siliciu și staniu . Datorită poziției sale în tabelul său periodic, Mendeleev a numit-o ekasilicon (Es) și a estimat că greutatea sa atomică este de 70 (ulterior 72).

La mijlocul anului 1885, la o mină de lângă Freiberg, Saxonia , a fost descoperit un nou mineral și numit argirodit datorită conținutului ridicat de argint . Chimistul Clemens Winkler a analizat acest nou mineral, care s-a dovedit a fi o combinație de argint, sulf și un element nou. Winkler a reușit să izoleze noul element în 1886 și l-a găsit similar cu antimoniul . El a considerat inițial noul element ca fiind eka-antimoniu, dar a fost convins în curând că era în schimb eka-siliciu. Înainte ca Winkler să-și publice rezultatele despre noul element, el a decis că își va numi elementul său neptuniu , deoarece descoperirea recentă a planetei Neptun în 1846 a fost precedată în mod similar de predicții matematice ale existenței sale. Cu toate acestea, numele „neptuniu” fusese dat deja unui alt element chimic propus (deși nu elementul care astăzi poartă numele de neptuniu , care a fost descoperit în 1940). Deci, în schimb, Winkler a numit noul element germaniu (din cuvântul latin , Germania , pentru Germania) în onoarea patriei sale. Argiroditul s-a dovedit empiric a fi Ag ₈ GeS ₆ . Deoarece acest nou element a arătat unele asemănări cu elementele arsenic și antimoniu, locul său corect în tabelul periodic a fost luat în considerare, dar asemănările sale cu elementul prevăzut de Dmitri Mendeleev „ekasilicon” au confirmat acel loc pe tabelul periodic. Cu alte materiale de la 500 kg de minereu din minele din Saxonia, Winkler a confirmat proprietățile chimice ale noului element în 1887. De asemenea, a determinat o greutate atomică de 72,32 prin analiza tetraclorurii de germaniu pur ( GeCl
₄), în timp ce Lecoq de Boisbaudran a dedus 72,3 printr-o comparație a liniilor din spectrul scânteii al elementului.

Winkler a reușit să prepare mai mulți compuși noi de germaniu, inclusiv fluoruri , cloruri , sulfuri , dioxid și tetraetilgerman (Ge (C ₂ H ₅ ) ₄ ), primul organogerman. Datele fizice din acești compuși - care au corespuns bine cu predicțiile lui Mendeleev - au făcut descoperirea o confirmare importantă a ideii lui Mendeleev de periodicitate a elementelor . Iată o comparație între predicție și datele lui Winkler:

Până la sfârșitul anilor 1930, se crede că germaniu este un metal slab conductiv . Germaniul nu a devenit semnificativ din punct de vedere economic decât după 1945, când au fost recunoscute proprietățile sale ca semiconductor electronic . În timpul celui de-al doilea război mondial , cantități mici de germaniu au fost utilizate în unele dispozitive electronice speciale , în principal diode . Prima utilizare majoră a fost diodele Schottky de contact punct pentru detectarea pulsului radar în timpul războiului. Primele aliaje de siliciu-germaniu au fost obținute în 1955. Înainte de 1945, doar câteva sute de kilograme de germaniu erau produse în topitorii în fiecare an, dar până la sfârșitul anilor 1950, producția anuală mondială ajunsese la 40 de tone metrice (44 de tone scurte ) .

Dezvoltarea tranzistorului cu germaniu în 1948 a deschis ușa nenumăratelor aplicații ale electronicii în stare solidă . Din 1950 până la începutul anilor 1970, această zonă a oferit o piață în creștere pentru germaniu, dar apoi siliciu de înaltă puritate a început să înlocuiască germaniu în tranzistoare, diode și redresoare . De exemplu, compania care a devenit Fairchild Semiconductor a fost fondată în 1957 cu scopul expres de a produce tranzistoare de siliciu. Siliciul are proprietăți electrice superioare, dar necesită o puritate mult mai mare, care nu a putut fi realizată comercial în primii ani ai electronicii cu semiconductori .

Între timp, cererea de germaniu pentru rețelele de comunicații cu fibră optică , sistemele de viziune nocturnă cu infraroșu și catalizatorii de polimerizare a crescut dramatic. Aceste utilizări finale au reprezentat 85% din consumul mondial de germaniu în 2000. Guvernul SUA a desemnat chiar germaniu ca material strategic și critic, solicitând o aprovizionare de 146  tone (132  tone ) în depozitul național de apărare în 1987.

Germaniul diferă de siliciu prin faptul că aprovizionarea este limitată de disponibilitatea surselor exploatabile, în timp ce aprovizionarea cu siliciu este limitată doar de capacitatea de producție, deoarece siliciul provine din nisip obișnuit și cuarț . În timp ce siliciul putea fi cumpărat în 1998 cu mai puțin de 10 USD pe kg, prețul germaniei a fost de aproape 800 USD pe kg.

Caracteristici

În condiții standard , germaniu este un element fragil, alb-argintiu, semi-metalic. Această formă constituie un alotrop cunoscut sub numele de α-germaniu , care are un luciu metalic și o structură cristalină cubică de diamant , la fel ca diamantul . În timp ce este sub formă de cristal, germaniu are o energie prag de deplasare de . La presiuni peste 120 kbar , germaniu devine alotrop β-germaniu cu aceeași structură ca și β- staniu . La fel ca siliciu, galiu , bismut , antimoniu și apă , germaniu este una dintre puținele substanțe care se extinde pe măsură ce se solidifică (adică îngheață ) din starea topită. ${\ displaystyle 19.7 _ {- 0.5} ^ {+ 0.6} ~ {\ text {eV}}}$

Germaniul este un semiconductor . Tehnicile de rafinare a zonei au condus la producerea de germaniu cristalin pentru semiconductori care are o impuritate de o singură parte în 10 ¹⁰ , făcându-l unul dintre cele mai pure materiale obținute vreodată. Primul material metalic descoperit (în 2005) care a devenit un supraconductor în prezența unui câmp electromagnetic extrem de puternic a fost un aliaj de germaniu, uraniu și rodiu .

Se știe că germaniu pur extrage spontan luxații foarte lungi ale șuruburilor , denumite mustăți de germaniu . Creșterea acestor mustăți este unul dintre principalele motive pentru eșecul diodelor și tranzistoarelor mai vechi fabricate din germaniu, deoarece, în funcție de ceea ce ating în cele din urmă, pot duce la un scurtcircuit electric .

Chimie

Germaniul elementar începe să se oxideze lent în aer la aproximativ 250 ° C, formând GeO ₂ . Germaniul este insolubil în acizi și alcali diluați, dar se dizolvă lent în acizi sulfurici și azotici concentrați la cald și reacționează violent cu alcalii topiți pentru a produce germanate ( [GeO
₃]²⁻
). Germaniul apare mai ales în starea de oxidare +4, deși se cunosc mulți compuși +2. Alte stări de oxidare sunt rare: +3 se găsește în compuși precum Ge ₂ Cl ₆ și +3 și +1 se găsesc pe suprafața oxizilor sau stări de oxidare negative în germanide , cum ar fi −4 în Mg
₂Ge . Anionii grupați de germaniu ( ioni Zintl ) precum Ge ₄ ²⁻ , Ge ₉ ⁴⁻ , Ge ₉ ²⁻ , [(Ge ₉ ) ₂ ] ⁶⁻ au fost preparați prin extracția din aliaje care conțin metale alcaline și germaniu în amoniac lichid în prezența etilendiaminei sau a unui criptand . Stările de oxidare ale elementului din acești ioni nu sunt întregi - asemănătoare cu ozonidele O ₃ ^- .

Se cunosc doi oxizi de germaniu: dioxidul de germaniu ( GeO
₂, germania) și monoxid de germaniu , ( GeO ). Dioxidul, GeO ₂ poate fi obținut prin prăjirea disulfurii de germaniu ( GeS
₂), și este o pulbere albă, care este doar puțin solubilă în apă, dar reacționează cu alcalii pentru a forma germanate. Monoxidul, oxidul germanos, poate fi obținut prin reacția la temperatură ridicată a GeO ₂ cu Ge metal. Dioxidul (și oxizii și germanatele aferente) prezintă proprietatea neobișnuită de a avea un indice de refracție ridicat pentru lumina vizibilă, dar transparență față de lumina infraroșie . Germanatul de bismut , Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ , (BGO) este utilizat ca scintilator .

De asemenea, sunt cunoscuți compuși binari cu alți calcogeni , cum ar fi di sulfura ( GeS
₂), Di selenide ( Gese
₂) Și monosulfură (BSE), indiu (Gese) și telurură (Gete). GeS _{2 se} formează ca un precipitat alb când hidrogenul sulfurat este trecut prin soluții puternic acide care conțin Ge (IV). Disulfura este considerabil solubilă în apă și în soluții de alcali caustici sau sulfuri alcaline. Cu toate acestea, nu este solubil în apă acidă, ceea ce i-a permis lui Winkler să descopere elementul. Prin încălzirea disulfurii într-un curent de hidrogen , se formează monosulfura (GeS), care se sublimează în plăci subțiri de culoare închisă și luciu metalic și este solubilă în soluții de alcali caustici. La topirea cu carbonați alcalini și sulf , compușii germaniului formează săruri cunoscute sub numele de tiogermanate.

Sunt cunoscute patru halogenuri tetra . În condiții normale GeI ₄ este un solid, GeF ₄ un gaz și celelalte lichide volatile. De exemplu, tetraclorura de germaniu , GeCl ₄ , se obține sub formă de lichid incolor care fierbe la 83,1 ° C prin încălzirea metalului cu clor. Toate tetrahalidele sunt ușor hidrolizate în dioxid de germaniu hidratat. GeCl ₄ este utilizat la producerea compușilor organogermani. Toate cele patru dihaluri sunt cunoscute și, spre deosebire de tetrahalide, sunt solide polimerice. În plus, sunt cunoscuți Ge ₂ Cl ₆ și unii compuși superiori cu formula Ge _n Cl _{2 n +2} . A fost preparat compusul neobișnuit Ge ₆ Cl ₁₆ care conține unitatea Ge ₅ Cl ₁₂ cu o structură neopentană .

Germaniu (GEH ₄ ) este un compus structură similară cu metan . Se cunosc poligermanii - compuși similari cu alcanii - cu formula Ge _n H _{2 n +2} conținând până la cinci atomi de germaniu. Germanii sunt mai puțin volatili și mai puțin reactivi decât analogii lor corespunzători de siliciu. GEH ₄ reacționează cu metale alcaline , în amoniac lichid , pentru a forma cristalină albă MGeH ₃ care conțin GEH ₃ ^- anion . Hidrohidrurile de germaniu cu unul, doi și trei atomi de halogen sunt lichide reactive incolore.

Primul compus organogermaniu a fost sintetizat de Winkler în 1887; reacția tetraclorurii de germaniu cu dietilzinc a dat tetraetilgerman ( Ge (C
₂H
₅)
₄). Organogermanele de tip R ₄ Ge (unde R este un alchil ) cum ar fi tetrametilgerman ( Ge (CH
₃)
₄) și tetraetilgermanul sunt accesate prin intermediul celor mai ieftine tetracloruri de germani și alchil nucleofili. Hidrurile organice de germaniu precum izobutilgermanul ( (CH
₃)
₂CHCH
₂GeH
₃) s-au dovedit a fi mai puțin periculoase și pot fi utilizate ca înlocuitor lichid pentru gazul toxic german în aplicații cu semiconductori . Mulți germaniului intermediarii reactivi sunt cunoscuți: germil radicali liberi , germylenes (similar cu carbene ) și germynes (similar cu carbynes ). Compusul de organogermaniu 2-carboxietilgermazquioxan a fost raportat pentru prima dată în anii 1970 și, pentru o vreme, a fost folosit ca supliment alimentar și s-a crezut că ar putea avea calități antitumorale.

Folosind un ligand numit Eind (1,1,3,3,5,5,7,7-octaethyl-s-hydrindacen-4-il) germaniu este capabil să formeze o legătură dublă cu oxigenul (germanonă). Hidrura de germaniu și tetrahidrura de germaniu sunt foarte inflamabile și chiar explozive atunci când sunt amestecate cu aerul.

Izotopi

Germaniul apare în 5 izotopi naturali :⁷⁰
GE
, ⁷²
GE
, ⁷³
GE
, ⁷⁴
GE
, și ⁷⁶
GE
. Din acestea,⁷⁶
GE
este foarte ușor radioactiv, descompunându-se prin decăderea beta dublă cu un timp de înjumătățire de1,78 × 10 ²¹  ani .⁷⁴
GE
este cel mai frecvent izotop, având o abundență naturală de aproximativ 36%.⁷⁶
GE
este cel mai puțin frecvent, cu o abundență naturală de aproximativ 7%. Când este bombardat cu particule alfa, izotopul⁷²
GE
va genera stabil ⁷⁷
Vezi
, eliberând electroni cu energie ridicată în proces. Din această cauză, este utilizat în combinație cu radon pentru bateriile nucleare .

Au fost sintetizați cel puțin 27 de radioizotopi , variind în masă atomică de la 58 la 89. Cel mai stabil dintre aceștia este⁶⁸
GE
, în descompunere prin captarea electronilor cu un timp de înjumătățire de270,95 d ays. Cel mai puțin stabil este⁶⁰
GE
, cu un timp de înjumătățire de 30  ms . În timp ce majoritatea radioizotopilor germaniului se descompun prin descompunere beta ,⁶¹
GE
și ⁶⁴
GE
decăderea de
β⁺
emisie de protoni întârziată .⁸⁴
GE
prin ⁸⁷
GE
izotopii prezintă, de asemenea, minori
β^-
căi de decădere a emisiilor de neutroni întârziate .

Apariție

Germaniul este creat prin nucleosinteza stelară , mai ales prin procesul s în stelele ramificate gigantice asimptotice . Procesul s este o captură lentă de neutroni a elementelor mai ușoare din interiorul stelelor gigant roșii pulsatoare . Germaniul a fost detectat în unele dintre cele mai îndepărtate stele și în atmosfera lui Jupiter.

Abundența de germaniu în scoarța terestră este de aproximativ 1,6  ppm . Doar câteva minerale precum argiroditul , briartitul , germanitul , renieritul și sfaleritul conțin cantități apreciabile de germaniu. Doar puține dintre ele (în special germanita) se găsesc, foarte rar, în cantități minabile. Unele corpuri de minereu zinc-cupru-plumb conțin suficient germaniu pentru a justifica extracția din concentratul final de minereu. Un proces neobișnuit de îmbogățire naturală determină un conținut ridicat de germaniu în unele cusături de cărbune, descoperit de Victor Moritz Goldschmidt în timpul unui studiu amplu pentru depozitele de germaniu. Cea mai mare concentrație găsită vreodată a fost în cenușa de cărbune Hartley cu până la 1,6% germaniu. Zăcămintele de cărbune de lângă Xilinhaote , Mongolia Interioară , conțin aproximativ 1600 de  tone de germaniu.

Producție

Aproximativ 118  tone de germaniu au fost produse în 2011 la nivel mondial, în special în China (80 t), Rusia (5 t) și Statele Unite (3 t). Germaniul este recuperat ca un produs secundar din minereuri de sfalerită zinc unde este concentrat în cantități de până la 0,3%, în special din depozite masive de Zn - Pb - Cu (- Ba ) găzduite de sedimente la temperaturi scăzute și de Zn găzduit de carbonat Depozite de Pb. Un studiu recent a constatat că cel puțin 10.000 t de germaniu extractibil este conținut în rezerve cunoscute de zinc, în special cele găzduite de zăcăminte de tip Mississippi-Valley , în timp ce cel puțin 112.000 t vor fi găsite în rezervele de cărbune. În 2007, 35% din cerere a fost satisfăcută de germaniu reciclat.

În timp ce este produs în principal din sfalerită , se găsește și în minereuri de argint , plumb și cupru . O altă sursă de germaniu este cenușa zburătoare a centralelor electrice alimentate din zăcăminte de cărbune care conțin germaniu. Rusia și China au folosit acest lucru ca sursă de germaniu. Zăcămintele Rusiei sunt situate în extremul estic al insulei Sahalin și la nord-est de Vladivostok . Zăcămintele din China sunt situate în principal în minele de lignit de lângă Lincang , Yunnan ; cărbunele este extras și în apropiere de Xilinhaote , Mongolia Interioară .

Concentratele de minereu sunt în mare parte sulfidice ; sunt transformați în oxizi prin încălzirea sub aer într-un proces cunoscut sub numele de prăjire :

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

O parte din germaniu este lăsat în praful produs, în timp ce restul este transformat în germanate, care sunt apoi levigate (împreună cu zincul) din cenușă de acidul sulfuric. După neutralizare, numai zincul rămâne în soluție în timp ce germaniul și alte metale precipită. După îndepărtarea unei cantități de zinc din precipitat prin procesul Waelz , oxidul Waelz rezidant este levigat a doua oară. Dioxidul se obține ca precipitat și transformat cu clor gaz sau acid clorhidric pentru tetraclorură de germaniu , care are un punct de fierbere scăzut și poate fi izolat prin distilare:

GeO ₂ + 4 HCI → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Tetraclorura de germaniu este fie hidrolizată la oxid (GeO ₂ ), fie purificată prin distilare fracționată și apoi hidrolizată. GeO ₂ extrem de pur este acum potrivit pentru producerea sticlei de germaniu. Este redus la element prin reacția acestuia cu hidrogen, producând germaniu potrivit pentru optica în infraroșu și producția de semiconductori:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Germaniul pentru producția de oțel și alte procese industriale este în mod normal redus folosind carbon:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Aplicații

Utilizările finale majore pentru germaniu în 2007, la nivel mondial, au fost estimate la: 35% pentru fibra optică , 30% optică în infraroșu , 15% catalizatori de polimerizare și 15% aplicații electronice și electrice solare. Restul de 5% au intrat în utilizări precum fosforii, metalurgia și chimioterapia.

Optică

Proprietățile notabile ale Germaniei (GeO ₂ ) sunt indicele său ridicat de refracție și dispersia sa optică redusă . Acestea îl fac util în special pentru lentilele camerei cu unghi larg , microscopie și partea centrală a fibrelor optice . A înlocuit titania ca dopant pentru fibra de silice, eliminând tratamentul termic ulterior care a făcut fibrele fragile. La sfârșitul anului 2002, industria fibrelor optice consuma 60% din consumul anual de germaniu în Statele Unite, dar acesta reprezintă mai puțin de 10% din consumul mondial. GeSbTe este un material de schimbare de fază utilizat pentru proprietățile sale optice, cum ar fi cel utilizat în DVD-urile regrababile .

Deoarece germaniu este transparent în lungimile de undă în infraroșu, acesta este un important material optic în infraroșu care poate fi ușor tăiat și lustruit în lentile și ferestre. Este utilizat în special ca optică frontală în camerele de imagistică termică care funcționează în intervalul de 8-14  microni pentru imagistica termică pasivă și pentru detectarea punctelor fierbinți în aplicații militare, de viziune de noapte mobilă și de combatere a incendiilor. Este utilizat în spectroscopele cu infraroșu și alte echipamente optice care necesită detectoare cu infraroșu extrem de sensibile . Are un indice de refracție foarte mare (4.0) și trebuie acoperit cu agenți antireflex. În special, o acoperire antireflexie foarte dură din carbon asemănător diamantului (DLC), cu indice de refracție 2.0, se potrivește bine și produce o suprafață dură cu diamant care poate rezista mult abuzului asupra mediului.

Electronică

Aliajele de siliciu-germaniu devin rapid un important material semiconductor pentru circuitele integrate de mare viteză. Circuitele care utilizează proprietățile joncțiunilor Si-SiGe pot fi mult mai rapide decât cele care folosesc doar siliciu. Siliciul-germaniu începe să înlocuiască arsenura de galiu (GaAs) în dispozitivele de comunicații fără fir. Cipurile SiGe, cu proprietăți de mare viteză, pot fi realizate cu tehnici de producție bine stabilite și ieftine din industria cipurilor de siliciu .

Panourile solare sunt o utilizare majoră a germaniei. Germaniul este substratul plachetelor pentru celule fotovoltaice multijuncționale de înaltă eficiență pentru aplicații spațiale. LED-urile cu luminozitate ridicată, utilizate pentru farurile auto și pentru iluminarea din spate a ecranelor LCD, sunt o aplicație importantă.

Deoarece germaniu și arsenid de galiu au constante de rețea foarte asemănătoare, substraturile de germaniu pot fi utilizate pentru a produce celule solare de arsenidă de galiu . The Mars Exploration Rovers și mai mulți sateliți utilizați triplu arseniura joncțiune galiu pe celule de germaniu.

Substraturile de germaniu pe izolator (GeOI) sunt văzute ca un potențial înlocuitor pentru siliciu pe așchii miniaturizate. Circuitul CMOS bazat pe substraturi GeOI a fost raportat recent. Alte utilizări în electronică includ fosforii în lămpi fluorescente și diodele emițătoare de lumină în stare solidă (LED-uri). Tranzistoarele de germaniu sunt încă utilizate în unele pedale de efecte de către muzicieni care doresc să reproducă caracterul tonal distinctiv al tonului „fuzz” de la începutul erei rock and roll , mai ales Dallas Arbiter Fuzz Face .

Alte utilizări

Dioxidul de germaniu este, de asemenea, utilizat în catalizatori pentru polimerizare în producția de polietilen tereftalat (PET). Strălucirea ridicată a acestui poliester este favorizată în special pentru sticlele PET comercializate în Japonia. În Statele Unite, germaniu nu este utilizat pentru catalizatori de polimerizare.

Datorită similitudinii dintre silice (SiO ₂ ) și dioxid de germaniu (GeO ₂ ), faza staționară de silice în unele coloane de cromatografie gazoasă poate fi înlocuită cu GeO ₂ .

În ultimii ani, germaniu a cunoscut o utilizare în creștere în aliajele de metale prețioase. În aliajele de argint sterlin , de exemplu, reduce întinderea focului , crește rezistența la șters și îmbunătățește întărirea precipitațiilor. Argentium, un aliaj de argint rezistent la murdărie, conține 1,2% germaniu.

Detectoarele semiconductoare fabricate din germaniu monocristal de înaltă puritate pot identifica cu precizie sursele de radiații - de exemplu în securitatea aeroporturilor. Germaniul este util pentru monocromatori pentru liniile de fascicul utilizate în împrăștierea neutronului monocristal și în difracția cu raze X a sincrotronului . Reflectivitatea are avantaje față de siliciu în aplicații cu raze X cu neutroni și energie mare . Cristalele de germaniu de înaltă puritate sunt utilizate în detectoare pentru spectroscopie gamma și căutarea materiei întunecate . Cristalele de germaniu sunt utilizate și în spectrometrele cu raze X pentru determinarea fosforului, clorului și sulfului.

Germaniul apare ca un material important pentru spintronică și aplicații de calcul cuantic bazate pe spin . În 2010, cercetătorii au demonstrat că transportul de rotire la temperatura camerei și, mai recent, s-a dovedit că rotirile electronice ale donatorilor în germaniu au timpi de coerență foarte lungi .

Germaniul și sănătatea

Germaniul nu este considerat esențial pentru sănătatea plantelor sau a animalelor. Germaniul din mediu are un impact redus sau deloc asupra sănătății. Acest lucru se datorează în principal faptului că apare de obicei doar ca un oligoelement în minereuri și materiale carbonice , iar diferitele aplicații industriale și electronice implică cantități foarte mici, care nu sunt susceptibile de a fi ingerate. Din motive similare, germaniul de uz final are un impact redus asupra mediului, ca pericol biologic. Unii compuși intermediari reactivi ai germaniului sunt otrăvitori (a se vedea precauțiile de mai jos).

Suplimentele de germaniu, fabricate din germaniu organic și anorganic, au fost comercializate ca un medicament alternativ capabil să trateze leucemia și cancerul pulmonar . Cu toate acestea, nu există dovezi medicale ale beneficiului; unele dovezi sugerează că astfel de suplimente sunt dăunătoare în mod activ.

Unii compuși de germaniu au fost administrați de către medici alternativi ca soluții injectabile care nu sunt permise de FDA. Formele anorganice solubile de germaniu utilizate la început, în special sarea citrat-lactat, au dus la unele cazuri de disfuncție renală , steatoză hepatică și neuropatie periferică la persoanele care le utilizează pe termen lung. Concentrațiile de plasmă și uraniu-germaniu la acești indivizi, dintre care mai mulți au murit, au fost cu câteva ordine de mărime mai mari decât nivelurile endogene . O formă organică mai recentă, beta-carboxietilgermaniu sesquioxid ( propagermaniu ), nu a prezentat același spectru de efecte toxice.

Cercetările efectuate de Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente au concluzionat că germaniul anorganic, atunci când este utilizat ca supliment nutrițional , „prezintă un pericol potențial pentru sănătatea umană ”.

Anumiți compuși de germaniu au o toxicitate redusă pentru mamifere , dar au efecte toxice împotriva anumitor bacterii .

Precauții pentru compușii de germaniu reactivi chimic

Unii dintre compușii produși artificial de germaniu sunt destul de reactivi și prezintă un pericol imediat pentru sănătatea umană la expunere. De exemplu, clorura de germaniu și germaniu (GEH ₄ ) sunt un lichid și gaz, respectiv, care poate fi foarte iritant pentru ochi, piele, plămâni și gât.

Vezi si

• Vitrain
• Istoria tranzistorului

Note

Referințe

linkuri externe

• Germaniul la tabelul periodic al videoclipurilor (Universitatea din Nottingham)

Portaluri Accesează subiecte conexe	Portalul de chimie
Aflați mai multe despre proiectele surori ale Wikipedia	Mass-media din Commons Definiții din Wikționar