GERMANYUM: TARIH, ÖZELLIKLER, YAPI, ELDE ETME, KULLANIMLAR - KIMYA - 2025

Germanyum bir madeni olmayan element kimyasal sembolü Ge ile temsil edilen ve periyodik tablonun 14 grup ait olmasıdır. Silikonun altında bulunur ve birçok fiziksel ve kimyasal özelliğini onunla paylaşır; Öyle ki bir zamanlar adı Ekasilicio'ydu, Dmitri Mendeleev'in kendisi tahmin ediyordu.

Şu anki adı, anavatanı Almanya'nın onuruna Clemens A. Winkler tarafından verildi. Dolayısıyla germanyum bu ülke ile bağlantılıdır ve onu iyi tanımayanları akla ilk çağrıştıran imajdır.

Ultra saf germanyum örneği. Kaynak: Kimyasal Elementlerin Yüksek Çözünürlüklü Görüntüleri

Germanyum, silikon gibi, Ge-Ge bağlarına sahip üç boyutlu tetrahedral kafeslerin kovalent kristallerinden oluşur. Aynı şekilde, tanelerinin büyük olduğu veya yüzlerce küçük kristalden oluşan çok kristalli olduğu monokristal formda da bulunabilir.

Ortam basıncında yarı iletken bir elemandır, ancak 120 kbar'ın üzerine çıktığında metalik bir allotrop haline gelir; yani, muhtemelen Ge-Ge bağları kopmuştur ve elektronlarının denizine ayrı ayrı sarılmış olarak düzenlenmiştir.

Herhangi bir koruyucu giysi olmadan kullanılabileceği için toksik olmayan bir unsur olarak kabul edilir; Solunması ve aşırı alımı bireylerde klasik tahriş semptomlarına yol açabilir. Buhar basıncı çok düşük olduğundan dumanının yangına neden olma ihtimali düşüktür.

Bununla birlikte, inorganik (tuzlar) ve organik germanyumlar, Ge atomlarının biyolojik matrislerle gizemli bir şekilde etkileşime girmesine rağmen vücut için tehlikeli olabilir.

Organik germanyumun bazı rahatsızlıkları alternatif bir ilaç olarak tedavi etmek için mucize bir tedavi olarak kabul edilip edilemeyeceği gerçekten bilinmemektedir. Ancak bilimsel çalışmalar bu iddiaları desteklemiyor, reddediyor ve bu unsuru kanserojen olarak bile damgalıyor.

Germanyum, yarı iletken malzemeler ve uygulamaları dünyasında silikon, selenyum, galyum ve bir dizi elemente eşlik eden yalnızca bir yarı iletken değildir; Aynı zamanda kızılötesi radyasyona karşı şeffaftır, bu da onu farklı kaynaklardan veya bölgelerden ısı dedektörleri üretmek için yararlı kılar.

Tarih

Mendeleev tahminleri

Germanyum, 1869'da Rus kimyager Dmitri Mendeleev tarafından periyodik tablosunda tahmin edilen unsurlardan biriydi. Geçici olarak ekasilicon adını verdi ve periyodik tablodaki kalay ve silikon arasındaki boşluğa yerleştirdi.

1886'da Clemens A. Winkler, Saksonya, Freiberg yakınlarındaki bir gümüş madeninden bir mineral örneğinde germanyum keşfetti. Yüksek gümüş içeriği nedeniyle arjrodit adı verilen mineraldi ve ancak yakın zamanda 1885'te keşfedildi.

Argirodit numunesi% 73-75 gümüş,% 17-18 kükürt,% 0.2 cıva ve% 6-7 yeni bir element içeriyordu ve Winkler daha sonra germanyum adını verdi.

Mendeleev, keşfedilecek elementin yoğunluğunun 5.5 g / cm ³ ve atom ağırlığının 70 civarında olması gerektiğini öngörmüştü . Öngörüleri germanyumunkilere oldukça yakın çıktı.

İzolasyon ve isim

Winkler, 1886'da yeni metali izole etmeyi başardı ve antimonla benzer buldu, ancak yeniden gözden geçirdi ve keşfettiği elementin ekasilikon'a karşılık geldiğini fark etti.

Winkler, Almanya'yı tanımlamak için kullandıkları bir kelime olan Latince 'germanya' kelimesinden gelen 'germanyum' elementini adlandırdı. Bu nedenle Winkler, yeni elementi germanyum olarak anavatanı Almanya'nın adını aldı.

Özelliklerinin belirlenmesi

Winkler, 1887'de germanyumun kimyasal özelliklerini belirledi ve saf germanyum tetraklorür (GeCl ₄ ) analizi ile 72.32'lik bir atom ağırlığı buldu .

Bu arada, Lecoq de Boisbaudran, elementin kıvılcım spektrumunu inceleyerek 72.3'lük bir atom ağırlığı çıkardı. Winkler, florürler, klorürler, sülfürler ve dioksitler dahil olmak üzere germanyumdan birkaç yeni bileşik hazırladı.

1920'lerde, germanyumun elektriksel özelliklerinin araştırılması, yüksek saflıkta monokristal germanyumun gelişmesine yol açtı.

Bu gelişme, germanyumun II.Dünya Savaşı sırasında diyotlarda, redresörlerde ve mikrodalga radar alıcılarında kullanılmasına izin verdi.

Uygulamalarınızın geliştirilmesi

İlk endüstriyel uygulama, 1947'deki savaştan sonra, iletişim ekipmanlarında, bilgisayarlarda ve taşınabilir radyolarda kullanılan John Bardeen, Walter Brattain ve William Shockley tarafından germanyum transistörlerinin icat edilmesiyle geldi.

1954'te, yüksek saflıktaki silikon transistörler, sahip oldukları elektronik avantajlar nedeniyle germanyum transistörlerin yerini almaya başladı. Ve 1960'larda, germanyum transistörleri fiilen ortadan kayboldu.

Germanyum, kızılötesi (IR) lenslerin ve pencerelerin yapımında önemli bir bileşen olduğu ortaya çıktı. 1970'lerde, uydu operasyonları için kritik olmaya devam eden silikon germanyum (SiGe) voltaik hücreler (PVC) üretildi.

1990'larda, fiber optiğin geliştirilmesi ve yaygınlaşması germanyum talebini artırdı. Eleman, fiber optik kabloların cam çekirdeğini oluşturmak için kullanılır.

2000 yılından başlayarak, germanyum kullanan yüksek verimli PVC'ler ve ışık yayan diyotlar (LED'ler), germanyum üretim ve tüketiminde artışa neden oldu.

Fiziksel ve kimyasal özellikler

Görünüm

Simli beyaz ve parlak. Katı, birçok kristalden (polikristal) oluştuğunda, armonik tonlar ve gölgelerle dolu pullu veya buruşuk bir yüzeye sahiptir. Bazen silikon gibi grimsi veya siyah görünebilir.

Standart koşullarda yarı metalik bir elementtir, kırılgan ve metalik parlaklıktır.

Germanyum yarı iletkendir, çok sünek değildir. Görünür ışık için yüksek bir kırılma indisine sahiptir, ancak kızılötesi radyasyon için şeffaftır ve bu radyasyonu algılamak ve ölçmek için ekipman pencerelerinde kullanılmaktadır.

Standart atom ağırlığı

72.63 u

Atom numarası (Z)

32

Erime noktası

938,25ºC

Kaynama noktası

2.833ºC

Yoğunluk

Oda sıcaklığında: 5.323 g / cm ³

Erime noktasında (sıvı): 5.60 g / cm ³

Germanyum, silikon, galyum, bizmut, antimon ve su gibi katılaştıkça genişler. Bu nedenle sıvı haldeki yoğunluğu katı haldekinden daha yüksektir.

Füzyon ısısı

36,94 kJ / mol

Buharlaşma ısısı

334 kJ / mol

Molar kalori kapasitesi

23.222 J / (mol K)

Buhar basıncı

1,644 K sıcaklıkta, buhar basıncı yalnızca 1 Pa'dır. Bu, sıvısının o sıcaklıkta neredeyse hiç buhar yaymadığı anlamına gelir, bu nedenle soluma riski anlamına gelmez.

Elektronegativite

Pauling ölçeğinde 2.01

İyonlaşma enerjileri

-İlk: 762 kJ / mol

-İkinci: 1,537 kJ / mol

Üçüncü: 3.302.1 kJ / mol

Termal iletkenlik

60,2 W / (m · K)

Elektriksel direnç

20ºC'de 1 Ωm

Elektrik iletkenliği

3S cm ^-1

Manyetik düzen

diyamanyetik

Sertlik

Mohs ölçeğinde 6.0

istikrar

Nispeten istikrarlı. Oda sıcaklığında havadan etkilenmez ve 600ºC'nin üzerindeki sıcaklıklarda oksitlenir.

Yüzey gerilimi

6 ila 10 ^-1 1,673.1 K N / m

Reaktivite

600ºC'nin üzerindeki sıcaklıklarda oksitlenerek germanyum dioksit (GeO ₂ ) oluşturur. Germanyum iki tür oksit üretir: germanyum dioksit (GeO ₂ ) ve germanyum monoksit (GeO).

Germanyum bileşikleri genellikle +4 oksidasyon durumunu sergiler, ancak birçok bileşikte germanyum +2 oksidasyon durumunda oluşur. Oksidasyon durumu - 4, magnezyum germanide (Mg, Örnek olarak belirtilirse, ₂ Ge).

Germanyum, halojenlerle reaksiyona girerek tetrahalidler oluşturur: germanyum tetraflorür (GeF ₄ ), gaz halindeki bir bileşik; germanyum tetraiodide (GeI ₄ ), katı bileşik; germanyum tetraklorür (GeCl ₄ ) ve germanyum tetrabromür (GeBr ₄ ), her ikisi de sıvı bileşikler.

Germanyum, hidroklorik aside karşı etkisizdir; ancak nitrik asit ve sülfürik asit tarafından saldırıya uğrar. Sulu çözelti içindeki hidroksitlerin germanyum üzerinde çok az etkisi olmasına rağmen, geronatlar oluşturmak için erimiş hidroksitlerde kolayca çözünür.

Yapı ve elektronik konfigürasyon

Germanyum ve bağları

Germanyum, elektronik konfigürasyonuna göre dört değerlik elektronuna sahiptir:

3b ¹⁰ 4s ² 4p ²

Karbon ve silikon gibi, Ge atomları da 4 sp ³ hibrit orbital oluşturmak için 4s ve 4p orbitallerini melezleştirir . Bu yörüngelerle, değerlik sekizlisini karşılamak için bağlanırlar ve sonuç olarak, aynı dönemin asil gazıyla (kripton) aynı sayıda elektrona sahiptirler.

Bu şekilde Ge-Ge kovalent bağları ortaya çıkar ve her atom için dördü olan, çevreleyen tetrahedra tanımlanır (bir İkiz merkezde ve diğerleri köşelerde). Böylece, bu dörtyüzlülerin kovalent kristal boyunca yer değiştirmesiyle üç boyutlu bir ağ oluşturulur; büyük bir molekül gibi davranır.

Allotropları

Kovalent germanyum kristali, elmasın (ve silikonun) aynı yüz merkezli kübik yapısını benimser. Bu allotrop, α-Ge olarak bilinir. Basınç 120 kbar'a (yaklaşık 118.000 atm) yükselirse, α-Ge'nin kristal yapısı vücut merkezli tetragonal (BCT, İngilizce kısaltması için: Vücut merkezli tetragonal) olur.

Bu BCT kristalleri, germanyumun ikinci allotropuna karşılık gelir: β-Ge, burada Ge-Ge bağları kırılır ve metallerde olduğu gibi ayrı ayrı düzenlenir. Dolayısıyla, α-Ge yarı metaliktir; β-Ge metaliktir.

Oksidasyon numaraları

Germanyum ya dört değerlik elektronunu kaybedebilir ya da kripton ile izoelektronik olmak için dört tane daha kazanabilir.

Bileşiklerinde elektron kaybettiğinde, bu sayılarla aynı yüklere sahip katyonların varlığının varsayıldığı sayılara veya pozitif oksidasyon durumlarına sahip olduğu söylenir. Bunların arasında +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) ve +4 (Ge ⁴⁺ ) var.

Örneğin, aşağıdaki bileşikler pozitif oksidasyon sayılarına sahip germanyuma sahiptir: GeO (Ge ²⁺ O ^2- ), GeTe (Ge ²⁺ Te ^2- ), Ge ₂ Cl ₆ (Ge ₂ ³⁺ Cl ₆ ^- ), GeO ₂ (Ge ⁴⁺ O ₂ ^2- ) ve GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Bileşiklerinde elektron kazandığında ise negatif oksidasyon sayılarına sahiptir. Bunların arasında en yaygın olanı -4'tür; yani Ge ⁴ anyonunun varlığı varsayılır . Almanya'da bu olur ve bunlara örnek olarak Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) ve Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ) var.

Nerede bulunur ve elde edilir

Kükürtlü mineraller

Düşük bolluğa sahip argyrodit mineral numunesi, ancak germanyum ekstraksiyonu için eşsiz bir cevher. Kaynak: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanyum, yer kabuğunda nispeten nadir bulunan bir elementtir. Arjirodit (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanit (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartit (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renierit ve kanfieldit çok az mineral içerir.

Hepsinin ortak bir yanı vardır: kükürt veya kükürtlü minerallerdir. Bu nedenle, germanyum doğada (veya en azından burada Dünya'da), GeS ₂ gibi ve GeO _2'de baskındır ( yaygın SiO ₂ muadili silikanın aksine ).

Yukarıda bahsedilen minerallere ek olarak, germanyumun da karbon yataklarında% 0.3'lük kütle konsantrasyonlarında bulunduğu bulunmuştur. Benzer şekilde, bazı mikroorganizmalar onu nehirlere ve denizlere yer değiştiren küçük miktarlarda GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ ve GeH ₃ (CH ₃ ) üretmek için işleyebilir .

Germanyum, çinko ve bakır gibi metallerin işlenmesinin bir yan ürünüdür. Bunu elde etmek için, kükürdünü karşılık gelen metale indirgemek için bir dizi kimyasal reaksiyona girmesi gerekir; yani, GeS _2'yi kükürt atomlarını, basitçe Ge olacak şekilde uzaklaştırmaktır .

Tost

Kükürt mineralleri, oksidasyonların oluşması için hava ile birlikte ısıtıldıkları bir kavurma işlemine tabi tutulurlar:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Germanyumu tortudan ayırmak için, damıtılabilen ilgili klorüre dönüştürülür:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Görülebileceği gibi, dönüştürme hidroklorik asit veya klor gazı kullanılarak gerçekleştirilebilir. GeCl ₄ daha sonra GeO _2'ye hidrolize edilir ve bu suretle kirli beyaz bir katı olarak çökelir. Son olarak oksit, metalik germanyuma indirgemek için hidrojenle reaksiyona girer:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Odun kömürü ile de yapılabilen redüksiyon:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Elde edilen germanyum, parlak germanyum kristallerinin yetiştirilebildiği metal çubuklar halinde kalıplanmış veya sıkıştırılmış bir tozdan oluşur.

izotopları

Germanyum, doğada oldukça bol bir izotopa sahip değildir. Bunun yerine, bolluğu nispeten düşük olan beş izotopu vardır: ⁷⁰ Ge (% 20.52), ⁷² Ge (% 27.45), ⁷³ Ge (% 7.76), ⁷⁴ Ge (% 36.7) ve ⁷⁶ Ge (% 7.75). Atom ağırlığının, izotopların ilgili bolluklarıyla tüm atom kütlelerinin ortalamasını alan 72.630 u olduğuna dikkat edin.

⁷⁶ Ge izotopu aslında radyoaktiftir; ancak yarı ömrü o kadar uzundur (t _1/2 = 1.78 × 10 ²¹ yıl), pratikte germanyumun en kararlı beş izotopu arasındadır. Her ikisi de sentetik olan ⁶⁸ Ge ve ⁷¹ Ge gibi diğer radyoizotoplar daha kısa yarı ömre sahiptir (sırasıyla 270.95 gün ve 11.3 gün).

Riskler

Elemental ve inorganik germanyum

Germanyum için çevresel riskler biraz tartışmalı. Hafif ağır bir metal olan iyonlarının suda çözünür tuzlardan yayılması, ekosisteme zarar verebilir; yani hayvanlar ve bitkiler Ge ³⁺ iyonlarını tüketerek etkilenebilir .

Elemental germanyum, toz olmadığı sürece güvenlidir. Toz içindeyse, bir hava akımı onu ısı kaynaklarına veya oldukça oksitleyici maddelere taşıyabilir; ve sonuç olarak yangın veya patlama riski vardır. Ayrıca, kristalleri akciğerlere veya gözlere girerek ciddi tahrişe neden olabilir.

Bir kişi ofisinde herhangi bir kaza endişesi olmadan bir germanyum diskini güvenle kullanabilir. Bununla birlikte, inorganik bileşikleri için aynı şey söylenemez; yani tuzları, oksitleri ve hidritleri. Örneğin, GeH ₄ veya Germanic (CH ₄ ve SiH _4'e benzer ) oldukça rahatsız edici ve yanıcı bir gazdır.

Organik germanyum

Şimdi organik germanyum kaynakları var; Bunlar arasında, belirli rahatsızlıkları tedavi ettiği bilinen alternatif bir ek olan 2-karboksietilgermasquioxane veya germanyum-132'den bahsedilebilir; şüphe uyandıran kanıtlara rağmen.

Germanyum-132'ye atfedilen bazı tıbbi etkiler, bağışıklık sistemini güçlendirmek ve böylece kanser, HIV ve AIDS ile savaşmaya yardımcı olmaktır; vücudun işlevlerini düzenler, kandaki oksijenlenme derecesini iyileştirir, serbest radikalleri ortadan kaldırır; ayrıca artrit, glokom ve kalp hastalığını da iyileştirir.

Bununla birlikte, organik germanyum böbrekler, karaciğer ve sinir sisteminde ciddi hasarla ilişkilendirilmiştir. Bu germanyum takviyesinin tüketilmesi söz konusu olduğunda gizli bir risk olmasının nedeni budur; Pekala, onu mucize bir tedavi olarak görenler olsa da, bilimsel olarak kanıtlanmış herhangi bir fayda sağlamadığı konusunda uyaranlar da var.

Uygulamalar

Kızılötesi optik

Bazı kızılötesi radyasyon sensörleri germanyum veya alaşımlarından yapılır. Kaynak: Flickr aracılığıyla Adafruit Industries.

Germanyum kızılötesi radyasyona şeffaftır; yani, emilmeden içinden geçebilirler.

Bu sayede, kızılötesi optik cihazlar için germanyum gözlükler ve lensler yapılmıştır; örneğin, evrendeki en uzak yıldızları incelemek için uzak kızılötesi uzay teleskoplarında kullanılan merceklerde veya ışık ve sıcaklık sensörlerinde spektroskopik analiz için bir IR dedektörü ile birlikte.

Kızılötesi radyasyon, moleküler titreşimler veya ısı kaynakları ile ilişkilidir; bu nedenle askeri endüstride gece görüş hedeflerini görüntülemek için kullanılan cihazlar germanyumdan yapılmış bileşenlere sahiptir.

Yarı iletken malzeme

60'lı ve 70'li yıllarda kullanılan cam içinde kapsüllenmiş germanyum diyotlar Kaynak: Rolf Süssbrich

Yarı iletken bir metaloid olarak Germanyum, transistörler, elektrik devreleri, ışık yayan diyotlar ve mikroçipler oluşturmak için kullanılmıştır. İkincisi, germanyum-silikon alaşımları ve hatta germanyum kendi başına silikonun yerini almaya başladı, böylece daha küçük ve daha güçlü devreler tasarlanabilir.

Yüksek kırılma indisi nedeniyle oksidi GeO ₂ , mikroskopi, geniş açılı objektifler ve fiber optiklerde kullanılabilmeleri için camlara eklenir.

Germanyum, belirli elektronik uygulamalarda yalnızca silikonun yerini almakla kalmadı, aynı zamanda galyum arsenit (GaAs) ile de birleştirilebilir. Bu nedenle, bu metaloid güneş panellerinde de mevcuttur.

Katalizörler

GeO ₂ , polimerizasyon reaksiyonları için bir katalizör olarak kullanılmıştır; örneğin, Japonya'da satılan parlak şişelerin yapıldığı bir plastik olan polietilen tereftalatın sentezi için gerekli olanı.

Aynı şekilde, platin alaşımlarının nanopartikülleri, hidrojen gazı oluşumunu içerdikleri redoks reaksiyonlarını katalize ederek bu voltaik hücreleri daha etkili hale getirir.

alaşımlar

Son olarak Ge-Si ve Ge-Pt alaşımlarının varlığından bahsedildi. Buna ek olarak, Ge atomları gümüş, altın, bakır ve berilyum gibi diğer metallerin kristallerine de eklenebilir. Bu alaşımlar, kendi metallerinden daha fazla süneklik ve kimyasal direnç gösterir.

Referanslar

1. Shiver ve Atkins. (2008). İnorganik kimya . (Dördüncü baskı). Mc Graw Hill.
2. Vikipedi. (2019). Germanyum. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
3. PhysicsOpenLab. (2019). Silikon ve germanyum kristal yapısı. Kurtarıldı: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19 Temmuz 2016). Germanyum Mucize Bir Tedavi Midir? Healthline Media. Healthline.com'dan kurtarıldı
5. Lenntech BV (2019). Periyodik tablo: germanyum. Kurtarıldı: lenntech.com
6. Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi. (2019). Germanyum. PubChem Veritabanı. CID = 6326954. Kaynak: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Doug Stewart. (2019). Germanyum Element Gerçekleri. Chemicool. Chemicool.com'dan kurtarıldı
8. Emil Venere. (8 Aralık 2014). Germanyum, yarı iletken kilometre taşı için Purdue'ye geliyor. Kurtarıldı: purdue.edu
9. Marques Miguel. (Sf). Germanyum. Kurtarıldı: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanyum: çevresel oluşum, önemi ve türleşme. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x