German - Germanium

German,  32 Ge
Szarawo błyszczący blok o nierównej, łupanej powierzchni
German
Wymowa / ɜːr m n Jestem ə m / ( jur- MOŻE -nee-əm )
Wygląd zewnętrzny szaro-biały
Średnia masa atomowa R STD (Ge) 72.630(8)
German w układzie okresowym
Wodór Hel
Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon
Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon
Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton
Rubid Stront Itr Cyrkon Niob Molibden Technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon
Cez Bar Lantan Cer Prazeodym Neodym promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb Lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Ołów Bizmut Polon Astatin Radon
Francium Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Kaliforn Einsteina Ferm Mendelew Nobel Wawrzyńca Rutherford Dubnium Seaborgium Bohrium Hass Meitnerium Darmsztadt Rentgen Kopernik Nihon Flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson
Si

Ge

Sn
galgermanarsen
Liczba atomowa ( Z ) 32
Grupa grupa 14 (grupa węglowa)
Okres okres 4
Blok   p-blok
Konfiguracja elektronów [ Ar ] 3d 10 4s 2 4p 2
Elektrony na powłokę 2, 8, 18, 4
Właściwości fizyczne
Faza STP solidny
Temperatura topnienia 1211,40  K (938,25 °C, 1720,85 °F)
Temperatura wrzenia 3106 K (2833 °C, 5131 °F)
Gęstość (w pobliżu  rt ) 5,323 g / cm 3
w stanie ciekłym (przy  mp ) 5,60 g / cm 3
Ciepło stapiania 36,94  kJ/mol
Ciepło parowania 334 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna 23,222 J/(mol·K)
Ciśnienie pary
P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys
T  (K) 1644 1814 2023 2287 2633 3104
Właściwości atomowe
Stany utleniania -4 -3, -2, -1, 0, +1, +2 , +3, +4 amfoteryczny tlenek)
Elektroujemność Skala Paulinga: 2,01
Energie jonizacji
Promień atomowy empiryczny: 122  pm
Promień kowalencyjny 122 po południu
Promień Van der Waalsa 211 po południu
Kolorowe linie w zakresie spektralnym
Linie widmowe germanu
Inne właściwości
Naturalne występowanie pierwotny
Struktura krystaliczna face-centered cubic diamentu
Diamentowa struktura kryształu sześciennego dla germanu
Prędkość dźwięku cienki pręt 5400 m/s (przy 20 °C)
Rozszerzalność termiczna 6,0 µm/(m⋅K)
Przewodność cieplna 60,2 W/(m⋅K)
Rezystancja 1 Ω⋅m (przy 20 °C)
Pasmo wzbronione 0,67  eV (przy 300 K)
Zamawianie magnetyczne diamagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna -76,84 × 10 -6  cm 3 /mol
Moduł Younga 103 GPa
Moduł ścinania 41 GPa
Moduł objętościowy 75 GPa
Współczynnik Poissona 0,26
Twardość Mohsa 6,0
Numer CAS 7440-56-4
Historia
Nazewnictwo po Niemczech ojczyzna odkrywcy
Prognoza Dymitr Mendelejew (1869)
Odkrycie Klemensa Winklera (1886)
Główne izotopy germanu
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt
68 Ge syn 270,95 dnia ε 68 Ga
70 Ge 20,52% stabilny
71 Ge syn 11,3 dnia ε 71 Ga
72 Ge 27,45% stabilny
73 Ge 7,76% stabilny
74 Ge 36,7% stabilny
76 Ge 7,75% 1,78×10 21  lat β β 76 Se
Kategoria Kategoria: German
| Bibliografia

German to pierwiastek chemiczny o symbolu Ge i liczbie atomowej 32. Jest to błyszczący, twardo-łamliwy, szarawo-biały metaloid z grupy węglowej , chemicznie podobny do swoich sąsiadów z grupy krzemu i cyny . Czysty german jest półprzewodnikiem o wyglądzie zbliżonym do pierwiastkowego krzemu. Podobnie jak krzem, german naturalnie reaguje i tworzy kompleksy z tlenem w przyrodzie.

Ponieważ rzadko występuje w wysokich stężeniach, german został odkryty stosunkowo późno w historii chemii . German zajmuje prawie pięćdziesiątą pozycję pod względem względnej obfitości pierwiastków w skorupie ziemskiej . W 1869 r. Dymitr Mendelejew przewidział jego istnienie i niektóre jego właściwości z jego pozycji w swoim układzie okresowym pierwiastków i nazwał ten pierwiastek ekasilicon . Prawie dwie dekady później, w 1886 roku, Clemens Winkler znalazł nowy pierwiastek wraz ze srebrem i siarką w rzadko spotykanym minerale zwanym argyrodytem . Chociaż nowy pierwiastek nieco przypominał wyglądem arsen i antymon , proporcje łączenia w związkach zgadzały się z przewidywaniami Mendelejewa dla krewnego krzemu. Winkler nazwał ten pierwiastek po swoim kraju, Niemczech . Obecnie german jest wydobywany głównie ze sfalerytu (pierwotnej rudy cynku ), chociaż german jest również odzyskiwany komercyjnie z rud srebra , ołowiu i miedzi .

Pierwiastkowy german jest używany jako półprzewodnik w tranzystorach i różnych innych urządzeniach elektronicznych. Historycznie pierwsza dekada elektroniki półprzewodnikowej była w całości oparta na germanie. Obecnie głównymi zastosowaniami końcowymi są systemy światłowodowe , optyka podczerwieni , zastosowania ogniw słonecznych i diody elektroluminescencyjne (LED). Związki germanu są również wykorzystywane w katalizatorach polimeryzacji, a ostatnio znalazły zastosowanie w produkcji nanodrutów . Pierwiastek ten tworzy dużą liczbę związków organogermanowych , takich jak tetraetylogerman , przydatnych w chemii metaloorganicznej . German jest uważany za pierwiastek krytyczny dla technologii .

German nie jest uważany za niezbędny pierwiastek dla żadnego żywego organizmu . Niektóre złożone organiczne związki germanu są badane jako możliwe środki farmaceutyczne, chociaż żaden z nich nie okazał się jeszcze skuteczny. Podobnie do krzemu i glinu, naturalnie występujące związki germanu wydają się być nierozpuszczalne w wodzie, a zatem mają niewielką toksyczność doustną . Jednak syntetyczne rozpuszczalne sole germanu są nefrotoksyczne , a syntetyczne chemicznie reaktywne związki germanu z halogenami i wodorem są drażniące i toksyn.

Historia

Przewidywanie germanu, „?=70” (układ okresowy 1869)

W swoim raporcie o prawie okresowym pierwiastków chemicznych z 1869 r. rosyjski chemik Dmitri Mendelejew przewidział istnienie kilku nieznanych pierwiastków chemicznych , w tym jednego, który wypełniłby lukę w rodzinie węgla , znajdującą się między krzemem a cyną . Ze względu na jego pozycję w układzie okresowym Mendelejew nazwał ją ekasilicon (Es) i oszacował jej masę atomową na 70 (później 72).

W połowie 1885 roku w kopalni pod Freibergiem w Saksonii odkryto nowy minerał, który ze względu na wysoką zawartość srebra nazwano argyrodytem . Chemik Clemens Winkler przeanalizował ten nowy minerał, który okazał się być kombinacją srebra, siarki i nowego pierwiastka. Winkler zdołał wyizolować nowy pierwiastek w 1886 roku i stwierdził, że jest podobny do antymonu . Początkowo uważał, że nowy pierwiastek to eka-antymon, ale wkrótce przekonał się, że jest to eka-krzem. Zanim Winkler opublikował swoje wyniki dotyczące nowego pierwiastka, zdecydował, że nazwie swój pierwiastek neptunium , ponieważ niedawne odkrycie planety Neptun w 1846 roku zostało podobnie poprzedzone matematycznymi przewidywaniami jej istnienia. Jednak nazwę „neptun” nadano już innemu proponowanemu pierwiastkowi chemicznemu (choć nie pierwiastkowi, który dziś nosi nazwę neptun , który został odkryty w 1940 r.). Dlatego Winkler nazwał nowy pierwiastek germanem (od łacińskiego słowa Germania , oznaczające Niemcy) na cześć swojej ojczyzny. Argyrodyt okazał się empirycznie Ag 8 GeS 6 . Ponieważ ten nowy pierwiastek wykazywał pewne podobieństwa do pierwiastków arsenu i antymonu, rozważano jego właściwe miejsce w układzie okresowym, ale jego podobieństwa do pierwiastka przewidywanego przez Dymitra Mendelejewa „ekasilikon” potwierdziły to miejsce w układzie okresowym. Mając kolejny materiał z 500 kg rudy z kopalń w Saksonii, Winkler potwierdził chemiczne właściwości nowego pierwiastka w 1887 r. Określił również masę atomową 72,32, analizując czysty tetrachlorek germanu ( GeCl
4
), podczas gdy Lecoq de Boisbaudran wydedukował 72,3 przez porównanie linii w widmie iskier elementu.

Winkler był w stanie przygotować kilka nowych związków germanu, w tym fluorki , chlorki , siarczki , dwutlenek i tetraetylogerman (Ge(C 2 H 5 ) 4 ), pierwszy organogerman. Dane fizyczne z tych związków — które dobrze korespondowały z przewidywaniami Mendelejewa — uczyniły odkrycie ważnym potwierdzeniem idei Mendelejewa o okresowości pierwiastków . Oto porównanie prognozy z danymi Winklera:

Nieruchomość Ekasilikon
Mendelejew
przepowiednia (1871)
Odkrycie germanu
Winklera
(1887)
masa atomowa 72,64 72,63
gęstość (g/cm 3 ) 5,5 5.35
temperatura topnienia (°C) wysoka 947
kolor szary szary
typ tlenkowy dwutlenek ogniotrwały dwutlenek ogniotrwały
gęstość tlenku (g/cm 3 ) 4,7 4,7
aktywność tlenkowa słabo podstawowy słabo podstawowy
temperatura wrzenia chlorku (°C) poniżej 100 86 (GeCl 4 )
gęstość chlorków (g/cm 3 ) 1,9 1,9

Do końca lat 30. uważano, że german jest metalem słabo przewodzącym . German stał się istotny ekonomicznie dopiero po 1945 roku, kiedy uznano jego właściwości jako półprzewodnika elektronicznego . Podczas II wojny światowej niewielkie ilości germanu były używane w niektórych specjalnych urządzeniach elektronicznych , głównie diodach . Pierwszym ważnym zastosowaniem były diody Schottky'ego z kontaktem punktowym do wykrywania impulsów radarowych podczas wojny. Pierwsze stopy krzemowo-germanowe uzyskano w 1955 r. Przed 1945 r. w hutach produkowano zaledwie kilkaset kilogramów germanu rocznie, ale pod koniec lat 50. roczna światowa produkcja osiągnęła 40 ton metrycznych (44 krótkie tony ). .

Opracowanie tranzystora germanowego w 1948 roku otworzyło drzwi dla niezliczonych zastosowań elektroniki półprzewodnikowej . Od 1950 do wczesnych lat siedemdziesiątych obszar ten zapewniał rosnący rynek dla germanu, ale potem krzem o wysokiej czystości zaczął zastępować german w tranzystorach, diodach i prostownikach . Na przykład firma, która przekształciła się w Fairchild Semiconductor, została założona w 1957 roku z wyraźnym celem produkcji tranzystorów krzemowych. Krzem ma doskonałe właściwości elektryczne, ale wymaga znacznie większej czystości, której nie można było osiągnąć komercyjnie we wczesnych latach elektroniki półprzewodnikowej .

W międzyczasie gwałtownie wzrosło zapotrzebowanie na german do światłowodowych sieci komunikacyjnych, systemów noktowizyjnych na podczerwień i katalizatorów polimeryzacji . Te zastosowania końcowe stanowiły 85% światowego zużycia germanu w 2000 roku. Rząd USA wyznaczył nawet german jako materiał strategiczny i krytyczny, wzywając do dostarczenia 146  ton (132  tony ) w narodowych zapasach obronnych w 1987 roku.

German różni się od krzemu tym, że podaż jest ograniczona dostępnością możliwych do wykorzystania źródeł, podczas gdy podaż krzemu jest ograniczona jedynie zdolnością produkcyjną, ponieważ krzem pochodzi ze zwykłego piasku i kwarcu . Podczas gdy krzem można było kupić w 1998 roku za mniej niż 10 dolarów za kg, cena germanu wynosiła prawie 800 dolarów za kg.

Charakterystyka

W standardowych warunkach german jest kruchym, srebrzystobiałym, półmetalicznym pierwiastkiem. Forma ta stanowi alotrop znany jako α-german , który ma metaliczny połysk i strukturę sześciennego kryształu diamentu , taką samą jak diament . W postaci krystalicznej german ma energię progową przemieszczenia wynoszącą . Przy ciśnieniu powyżej 120 kbar german staje się alotropem β-germanu o tej samej strukturze co β- cyna . Podobnie jak krzem, gal , bizmut , antymon i woda , german jest jedną z niewielu substancji, które rozszerzają się podczas krzepnięcia (tzn. zamarzają ) ze stanu stopionego.

German jest półprzewodnikiem . Techniki rafinacji strefowej doprowadziły do ​​produkcji krystalicznego germanu do półprzewodników, który ma zanieczyszczenie tylko w jednej części na 10 10 , co czyni go jednym z najczystszych materiałów, jakie kiedykolwiek uzyskano. Pierwszym odkrytym materiałem metalicznym (w 2005 r.), który stał się nadprzewodnikiem w obecności niezwykle silnego pola elektromagnetycznego, był stop germanu, uranu i rodu .

Wiadomo, że czysty german spontanicznie wytłacza bardzo długie przemieszczenia śrubowe , określane jako wiskery germanowe . Wzrost tych wąsów jest jedną z głównych przyczyn awarii starszych diod i tranzystorów wykonanych z germanu, ponieważ w zależności od tego, czego ostatecznie dotkną, mogą doprowadzić do zwarcia elektrycznego .

Chemia

Pierwiastkowy german zaczyna powoli utleniać się w powietrzu w temperaturze około 250 °C, tworząc GeO 2 . German jest nierozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach i zasadach, ale rozpuszcza się powoli w gorących stężonych kwasach siarkowym i azotowym i gwałtownie reaguje ze stopionymi zasadami, tworząc germaniany ( [GeO
3
]2-
). German występuje głównie na stopniu utlenienia +4, chociaż znanych jest wiele związków +2. Inne stopnie utlenienia są rzadkie: +3 występuje w związkach takich jak Ge 2 Cl 6 , a +3 i +1 występują na powierzchni tlenków lub ujemne stany utlenienia w germanach , takie jak -4 w Mg
2
Ge
. Aniony klastra germanu ( jony Zintl ), takie jak Ge 4 2- , Ge 9 4- , Ge 9 2- , [(Ge 9 ) 2 ] 6- zostały przygotowane przez ekstrakcję ze stopów zawierających metale alkaliczne i german w ciekłym amoniaku w obecność etylenodiaminy lub kryptand . Stany utlenienia pierwiastka w tych jonach nie są liczbami całkowitymi – podobnie jak w przypadku ozonków O 3 .

Znane są dwa tlenki germanu: dwutlenek germanu ( GeO
2
, germania) i tlenek germanu ( GeO ). Dwutlenek GeO 2 można otrzymać przez prażenie dwusiarczku germanu ( GeS
2
) i jest białym proszkiem, który jest tylko słabo rozpuszczalny w wodzie, ale reaguje z alkaliami, tworząc germaniany. Tlenek tlenek germanous, można otrzymać w reakcji o wysokiej temperaturze GEO 2 GE metalu. Dwutlenek (i związane z nim tlenki i germaniany) wykazuje niezwykłą właściwość wysokiego współczynnika załamania światła widzialnego, ale przezroczystości dla światła podczerwonego . Germanate bizmutu Bi 4 ge 3 O 12 (BGO) służy jako scyntylator .

Znane są również związki binarne z innymi chalkogenami , takie jak dwusiarczek ( GeS
2
), Di selenek ( Gese
2
) oraz monosiarczek (GeS), selenek (GeSe) i tellur (GeTe). GeS 2 tworzy się jako biały osad, gdy siarkowodór przechodzi przez silnie kwaśne roztwory zawierające Ge(IV). Dwusiarczek jest dobrze rozpuszczalny w wodzie iw roztworach zasad żrących lub siarczków zasadowych. Niemniej jednak nie jest rozpuszczalny w kwaśnej wodzie, co pozwoliło Winklerowi odkryć ten pierwiastek. Przez ogrzewanie dwusiarczku w strumieniu wodoru powstaje monosiarczek (GeS), który sublimuje w cienkich płytkach o ciemnym kolorze i metalicznym połysku i jest rozpuszczalny w roztworach zasad żrących. Po stopieniu z alkalicznymi węglanami i siarką związki germanu tworzą sole znane jako tiogermaniany.

Szkieletowa struktura chemiczna czworościennej cząsteczki z atomem germanu w centrum połączonym z czterema atomami wodoru.  Odległość Ge-H wynosi 152,51 pikometrów.
German jest podobny do metanu .

Cztery tetra halogenki są znane. W normalnych warunkach GeI 4 jest ciałem stałym, GeF 4 gazem, a inne lotnymi cieczami. Na przykład, czterochlorek germanu , GeCl 4 otrzymuje się w postaci bezbarwnego dymiącego cieczy wrzącej w temperaturze 83,1 ° C przez ogrzewanie metalu chloru. Wszystkie tetrahalogenki łatwo hydrolizują do uwodnionego dwutlenku germanu. GeCl 4 jest wykorzystywany do produkcji związków organogermanu. Wszystkie cztery dihalogenki są znane iw przeciwieństwie do tetrahalogenków są polimerowymi ciałami stałymi. Dodatkowo Ge 2 Cl 6 i kilka wyższych związków o wzorze Ge n Cl 2 n +2 są znane. Opracowano niezwykły związek Ge 6 Cl 16 , który zawiera jednostkę Ge 5 Cl 12 o strukturze neopentanu .

Germane (GEH 4 ) jest związkiem o strukturze podobnej do metanu . Poligermanany związki, które są podobne do alkanów -Z wzorze Ge n H 2 n +2 zawierające do pięciu atomów germanu są znane. Germany są mniej lotne i mniej reaktywne niż ich odpowiedniki krzemowe. GeH 4 reaguje z metalami alkalicznymi w ciekłym amoniaku, tworząc biały krystaliczny MGeH 3, który zawiera anion GeH 3 . Halogenki germanu z jednym, dwoma i trzema atomami halogenu są bezbarwnymi cieczami reaktywnymi.

Szkieletowe struktury chemiczne przedstawiające addytywną reakcję chemiczną, w tym związek organogermanium.
Dodatek nukleofilowy ze związkiem organogermanium.

Pierwszy związek organogermanium został zsyntetyzowany przez Winklera w 1887 roku; reakcja tetrachlorku germanu z dietylocynkiem dała tetraetylogerman ( Ge(C
2
h
5
)
4
). Organogermane typu R 4 Ge (gdzie R oznacza alkil ), takie jak tetrametylogerman ( Ge (CH
3
)
4
) i tetraetylogerman są dostępne przez najtańszy dostępny prekursor germanu, tetrachlorek germanu i nukleofile alkilowe. Organiczne wodorki germanu, takie jak izobutylogerman ( (CH
3
)
2
CHCH
2
GeH
3
) okazały się mniej niebezpieczne i mogą być stosowane jako płynny substytut toksycznego gazu germanowego w zastosowaniach półprzewodnikowych . Wiele germanu reaktywne związki pośrednie są znane: germyl wolne rodniki , germylenes (podobne do karbenów ) i germynes (podobne do carbynes ). Związek organogermanium, 2-karboksyetylogermaseskwioksan, został po raz pierwszy zgłoszony w latach 70. XX wieku i przez pewien czas był stosowany jako suplement diety i uważano, że może mieć właściwości przeciwnowotworowe.

Stosując ligand o nazwie Eind (1,1,3,3,5,5,7,7-oktaetylo-s-hydrindacen-4-yl) german jest w stanie utworzyć podwójne wiązanie z tlenem (germanon). Wodorek germanu i tetrawodorek germanu są bardzo łatwopalne, a nawet wybuchowe po zmieszaniu z powietrzem.

Izotopy

German występuje w 5 naturalnych izotopach :70
Ge
, 72
Ge
, 73
Ge
, 74
Ge
, oraz 76
Ge
. Tych,76
Ge
jest bardzo lekko radioaktywna, rozkładających się przez podwójny rozpad beta z okresem półtrwania w1,78 × 10 21  lat .74
Ge
jest najczęstszym izotopem, którego naturalna liczebność wynosi około 36%.76
Ge
najrzadziej występuje z naturalną liczebnością około 7%. Bombardowany cząsteczkami alfa izotop72
Ge
wygeneruje stabilny 77
Se
, uwalniając w tym procesie elektrony o wysokiej energii. Z tego powodu jest stosowany w połączeniu z radonem do baterii jądrowych .

Zsyntetyzowano również co najmniej 27 radioizotopów o masie atomowej od 58 do 89. Najbardziej stabilnym z nich jest68
Ge
, rozpadający się przez wychwytywanie elektronów z okresem półtrwania270,95 dni. Najmniej stabilny jest60
Ge
, z okresem półtrwania 30  ms . Podczas gdy większość radioizotopów germanu rozpada się przez rozpad beta ,61
Ge
oraz 64
Ge
rozpad przez
β+
opóźniona emisja protonów .84
Ge
Poprzez 87
Ge
izotopy również wykazują mniejsze
β
opóźnione ścieżki zaniku emisji neutronów .

Występowanie

German powstaje w wyniku gwiezdnej nukleosyntezy , głównie w procesie s w asymptotycznych gałęziach olbrzymów . Proces s to powolne wychwytywanie przez neutrony lżejszych pierwiastków wewnątrz pulsujących czerwonych olbrzymów . German został wykryty w niektórych z najbardziej odległych gwiazd oraz w atmosferze Jowisza.

Obfitość germanu w skorupie ziemskiej wynosi około 1,6  ppm . Tylko kilka składników mineralnych takich jak argyrodite , briartite , germanite , renierite i sfaleryt zawierają znaczne ilości germanu. Tylko nieliczne z nich (zwłaszcza germanit) znajdują się bardzo rzadko w ilościach nadających się do wydobycia. Niektóre rudy cynkowo-miedziowo-ołowiowe zawierają wystarczającą ilość germanu, aby uzasadnić ekstrakcję z końcowego koncentratu rudy. Niezwykły proces naturalnego wzbogacania powoduje wysoką zawartość germanu w niektórych pokładach węgla, odkrytych przez Victora Moritza Goldschmidta podczas szeroko zakrojonych badań złoża germanu. Najwyższe stężenie kiedykolwiek stwierdzono w popiele węglowym Hartley, zawierającym aż 1,6% germanu. Złoża węgla pobliżu Xilinhaote , Mongolii Wewnętrznej , zawierają szacunkowo 1600  ton germanu.

Produkcja

Około 118  ton germanu wyprodukowano w 2011 roku na całym świecie, głównie w Chinach (80 t), Rosji (5 t) i Stanach Zjednoczonych (3 t). German jest odzyskiwany jako produkt uboczny ze sfalerytowych rud cynku, gdzie jest skoncentrowany w ilości aż do 0,3%, zwłaszcza z niskotemperaturowych, masywnych złóż ZnPbCu (– Ba ) i Zn– zawierających węglan Złoża ołowiu. Niedawne badania wykazały, że co najmniej 10 000 t ekstrahowalnego germanu znajduje się w znanych rezerwach cynku, szczególnie tych znajdujących się w złożach typu Mississippi-Valley , podczas gdy co najmniej 112 000 t znajduje się w rezerwach węgla. W 2007 roku 35% zapotrzebowania zostało zaspokojone przez przetworzony german.

Rok Koszt
( $ /kg)
1999 1400
2000 1250
2001 890
2002 620
2003 380
2004 600
2005 660
2006 880
2007 1240
2008 1490
2009 950
2010 940
2011 1625
2012 1680
2013 1,875
2014 1900
2015 1,760
2016 950
2017 1,358
2018 1300
2019 1240
2020 1000

Choć wytwarzany jest głównie ze sfalerytu , znajduje się również w rudach srebra , ołowiu i miedzi . Innym źródłem germanu są popiół lotny z elektrowni zasilanych ze złóż węgla, które zawierają german. Rosja i Chiny wykorzystały to jako źródło germanu. Rosyjskie złoża znajdują się na dalekim wschodzie wyspy Sachalin i na północny wschód od Władywostoku . Złoża w Chinach znajdują się głównie w kopalniach węgla brunatnego w pobliżu Lincang , Yunnan ; Węgiel wydobywany jest również blisko Xilinhaote , Mongolii Wewnętrznej .

Koncentraty rud są w większości siarczkowe ; są przekształcane w tlenki przez ogrzewanie w powietrzu w procesie znanym jako prażenie :

GeS 2 + 3 O 2 → GeO 2 + 2 SO 2

Część germanu pozostaje w wytworzonym pyle, podczas gdy reszta jest przekształcana w germaniany, które są następnie wypłukiwane (wraz z cynkiem) z żużla przez kwas siarkowy. Po zobojętnieniu w roztworze pozostaje tylko cynk, podczas gdy german i inne metale wytrącają się. Po usunięciu części cynku z osadu w procesie Waelza , pozostały tlenek Waelza jest ługowany po raz drugi. Dwutlenek otrzymuje się jako osad, który przekształcono w chlor gazu lub kwasu chlorowodorowego, czterochlorek germanu , który ma niską temperaturę wrzenia, i można je izolować przez destylację:

GeO 2 + 4 HCl → GeCl 4 + 2 H 2 O
GeO 2 + 2 Cl 2 → GeCl 4 + O 2

Tetrachlorek germanu jest albo hydrolizowany do tlenku (GeO 2 ) albo oczyszczany przez destylację frakcyjną, a następnie hydrolizowany. Wysoce czysty GeO 2 nadaje się teraz do produkcji szkła germanowego. Jest redukowany do pierwiastka poprzez reakcję z wodorem, tworząc german odpowiedni do optyki podczerwieni i produkcji półprzewodników:

GeO 2 + 2 H 2 → Ge + 2 H 2 O

German do produkcji stali i innych procesów przemysłowych jest zwykle redukowany przy użyciu węgla:

GeO 2 + C → Ge + CO 2

Aplikacje

Oszacowano, że główne zastosowania końcowe germanu w 2007 roku na całym świecie to: 35% dla światłowodów , 30% optyki podczerwieni , 15% katalizatorów polimeryzacji i 15% zastosowań w elektronice i energii słonecznej. Pozostałe 5% poszło na takie zastosowania jak luminofory, metalurgia i chemioterapia.

Optyka

Rysunek czterech koncentrycznych cylindrów.
Typowy światłowód jednomodowy. Tlenek germanu jest domieszką krzemionki rdzenia (poz. 1).
  1. Rdzeń 8 µm
  2. Okładzina 125 µm
  3. Bufor 250 µm
  4. Płaszcz 400 µm

Godnych uwagi właściwości Germanii (GEO 2 ) jest jego wysoki współczynnik załamania światła , a jego niska dyspersja optyczny . Dzięki temu jest szczególnie przydatny w przypadku obiektywów szerokokątnych kamer , mikroskopii oraz rdzeniowej części światłowodów . Zastąpił tlenek tytanu jako domieszkę włókien krzemionkowych, eliminując późniejszą obróbkę cieplną, która powodowała kruche włókna. Pod koniec 2002 r. przemysł światłowodowy zużywał 60% rocznego zużycia germanu w Stanach Zjednoczonych, ale jest to mniej niż 10% światowego zużycia. GeSbTe to materiał o przemianie fazowej używany ze względu na swoje właściwości optyczne, takie jak stosowane w płytach DVD wielokrotnego zapisu .

Ponieważ german jest przezroczysty w zakresie fal podczerwonych, jest ważnym materiałem optycznym podczerwieni , który można łatwo ciąć i polerować w soczewki i okna. Jest szczególnie stosowany jako optyka przednia w kamerach termowizyjnych pracujących w zakresie od 8 do 14  mikronów do pasywnego obrazowania termowizyjnego oraz do wykrywania gorących punktów w zastosowaniach wojskowych, mobilnych noktowizorach i zastosowaniach przeciwpożarowych. Znajduje zastosowanie w spektroskopach podczerwieni i innych urządzeniach optycznych, które wymagają niezwykle czułych detektorów podczerwieni . Ma bardzo wysoki współczynnik załamania światła (4,0) i musi być pokryty środkami antyrefleksyjnymi. W szczególności, bardzo twarda specjalna powłoka antyodblaskowa z diamentopodobnego węgla (DLC), współczynnik załamania światła 2,0, jest dobrze dopasowana i zapewnia twardą jak diament powierzchnię, która może wytrzymać wiele szkodliwych czynników środowiskowych.

Elektronika

Stopy krzemowo-germanowe szybko stają się ważnym materiałem półprzewodnikowym do szybkich układów scalonych. Obwody wykorzystujące właściwości złączy Si-SiGe mogą być znacznie szybsze niż te wykorzystujące sam krzem. Krzem-german zaczyna zastępować arsenek galu (GaAs) w urządzeniach komunikacji bezprzewodowej. Chipy SiGe, charakteryzujące się dużą szybkością, mogą być wytwarzane przy użyciu tanich, dobrze ugruntowanych technik produkcji stosowanych w przemyśle chipów krzemowych .

Panele słoneczne są głównym zastosowaniem germanu. German jest podłożem płytek do wysokowydajnych wielozłączowych ogniw fotowoltaicznych do zastosowań kosmicznych. Ważnym zastosowaniem są diody LED o wysokiej jasności, stosowane w reflektorach samochodowych i do podświetlania ekranów LCD.

Ponieważ arsenek germanu i galu mają bardzo podobne stałe sieci, substraty germanu mogą być używane do wytwarzania ogniw słonecznych z arsenku galu . The Mars Exploration Rover oraz kilka satelitów używać Węzeł potrójny arsenku galu na komórkach germanu.

Podłoża germanu na izolatorze (GeOI) są postrzegane jako potencjalny zamiennik krzemu w zminiaturyzowanych chipach. Obwód CMOS oparty na podłożach GeOI został niedawno zgłoszony. Inne zastosowania w elektronice obejmują luminofory w lampach fluorescencyjnych i półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne (LED). Tranzystory germanowe są nadal używane w niektórych efektach przez muzyków, którzy chcą odtworzyć charakterystyczny tonalny charakter „rozmytego” brzmienia z wczesnej ery rock and rolla , w szczególności Dallas Arbiter Fuzz Face .

Inne zastosowania

Dwutlenek germanu jest również stosowany w katalizatorach do polimeryzacji w produkcji politereftalanu etylenu (PET). Wysoka połyskliwość tego poliestru jest szczególnie korzystna dla butelek PET sprzedawanych w Japonii. W Stanach Zjednoczonych germanu nie stosuje się w katalizatorach polimeryzacji.

Ze względu na podobieństwo pomiędzy krzemionką (SiO 2 ) i dwutlenkiem germanu (GeO 2 ), fazę stacjonarną krzemionki w niektórych kolumnach do chromatografii gazowej można zastąpić GeO 2 .

W ostatnich latach w stopach metali szlachetnych coraz częściej stosuje się german. Na przykład w przypadku stopów srebra sterling zmniejsza osadzanie się kamienia , zwiększa odporność na matowienie i poprawia utwardzanie wydzieleniowe. Odporny na matowienie stop srebra oznaczony znakiem towarowym Argentium zawiera 1,2% germanu.

Detektory półprzewodnikowe wykonane z monokrystalicznego germanu o wysokiej czystości mogą precyzyjnie identyfikować źródła promieniowania – na przykład w ochronie lotnisk. German jest przydatny w monochromatorach dla linii badawczych stosowanych w monokryształowym rozpraszaniu neutronów i synchrotronowej dyfrakcji rentgenowskiej. Współczynnik odbicia ma przewagę nad krzemem w zastosowaniach rentgenowskich neutronowych i wysokoenergetycznych . Kryształy germanu o wysokiej czystości wykorzystywane są w detektorach do spektroskopii gamma i poszukiwania ciemnej materii . Kryształy germanu są również wykorzystywane w spektrometrach rentgenowskich do oznaczania fosforu, chloru i siarki.

German staje się ważnym materiałem do zastosowań w spintronice i obliczeniach kwantowych opartych na spinie . W 2010 roku naukowcy wykazali transport spinu w temperaturze pokojowej, a ostatnio wykazano, że spiny elektronów donora w germanie mają bardzo długie czasy koherencji .

German a zdrowie

German nie jest uważany za niezbędny dla zdrowia roślin i zwierząt. German w środowisku ma niewielki lub żaden wpływ na zdrowie. Dzieje się tak przede wszystkim dlatego, że zwykle występuje tylko jako pierwiastek śladowy w rudach i materiałach węglowych , a różne zastosowania przemysłowe i elektroniczne wiążą się z bardzo małymi ilościami, które prawdopodobnie nie zostaną połknięte. Z podobnych powodów german końcowego zastosowania ma niewielki wpływ na środowisko jako zagrożenie biologiczne. Niektóre reaktywne związki pośrednie germanu są trujące (patrz środki ostrożności poniżej).

Suplementy germanu, wykonane zarówno z organicznego, jak i nieorganicznego germanu, zostały wprowadzone do obrotu jako lek alternatywny zdolny do leczenia białaczki i raka płuc . Nie ma jednak medycznych dowodów na korzyści; niektóre dowody sugerują, że takie suplementy są aktywnie szkodliwe.

Niektóre związki germanu były podawane przez lekarzy medycyny alternatywnej jako nie dopuszczone przez FDA roztwory do wstrzykiwania. Rozpuszczalne nieorganiczne formy germanu stosowane na początku, zwłaszcza sól cytrynianowo-mleczanowa, powodowały niektóre przypadki dysfunkcji nerek , stłuszczenia wątroby i neuropatii obwodowej u osób stosujących je przez długi czas. Stężenia germanu w osoczu i moczu u tych osób, z których kilku zmarło, były o kilka rzędów wielkości większe niż poziomy endogenne . Nowsza forma organiczna, półtoratlenek beta-karboksyetylogermanu ( propagerman ), nie wykazuje takiego samego spektrum działania toksycznego.

Badania amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków wykazały, że nieorganiczny german stosowany jako suplement diety „stanowi potencjalne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego ”.

Niektóre związki germanu mają niską toksyczność dla ssaków , ale mają toksyczne działanie na niektóre bakterie .

Środki ostrożności dotyczące chemicznie reaktywnych związków germanu

Niektóre sztucznie wytworzone związki germanu są dość reaktywne i stanowią bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia ludzkiego w przypadku narażenia. Na przykład chlorek germanu i german (GeH 4 ) są odpowiednio cieczą i gazem, które mogą być bardzo drażniące dla oczu, skóry, płuc i gardła.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki