GERMANIUM: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, ERHALT, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Germanium ist ein metalloides Element, das durch das chemische Symbol Ge dargestellt wird und zur Gruppe 14 des Periodensystems gehört. Es befindet sich unter Silizium und teilt viele seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften mit ihm; so sehr, dass einst Ekasilicio hieß, wie von Dmitri Mendeleev selbst vorhergesagt.

Der heutige Name wurde von Clemens A. Winkler zu Ehren seiner Heimat Deutschland vergeben. Daher ist Germanium mit diesem Land verbunden, und es ist das erste Bild, das diejenigen in den Sinn bringt, die es nicht gut kennen.

Hochreine Germaniumprobe. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

Germanium besteht wie Silizium aus kovalenten Kristallen dreidimensionaler tetraedrischer Gitter mit Ge-Ge-Bindungen. Ebenso kann es in monokristalliner Form gefunden werden, in der seine Körner groß sind, oder in polykristalliner Form, die aus Hunderten kleiner Kristalle besteht.

Es ist ein Halbleiterelement bei Umgebungsdruck, aber wenn es über 120 kbar steigt, wird es zu einem metallischen Allotrop; das heißt, möglicherweise sind die Ge-Ge-Bindungen gebrochen und ihre sind einzeln im Meer ihrer Elektronen eingewickelt angeordnet.

Es wird als ungiftiges Element angesehen, da es ohne Schutzkleidung gehandhabt werden kann. obwohl das Einatmen und die übermäßige Aufnahme bei Einzelpersonen zu den klassischen Symptomen einer Reizung führen können. Sein Dampfdruck ist sehr niedrig, so dass es unwahrscheinlich ist, dass sein Rauch ein Feuer verursacht.

Anorganische (Salze) und organische Germanien können jedoch für den Körper gefährlich sein, obwohl ihre Ge-Atome auf mysteriöse Weise mit biologischen Matrices interagieren.

Es ist nicht wirklich bekannt, ob organisches Germanium als Wundermittel zur Behandlung bestimmter Erkrankungen als alternative Medizin angesehen werden kann. Wissenschaftliche Studien stützen diese Behauptungen jedoch nicht, sondern lehnen sie ab und kennzeichnen dieses Element sogar als krebserregend.

Germanium ist nicht nur ein Halbleiter, der Silizium, Selen, Gallium und eine ganze Reihe von Elementen in der Welt der Halbleitermaterialien und ihrer Anwendungen begleitet. Es ist auch für Infrarotstrahlung transparent und eignet sich daher zur Herstellung von Wärmemeldern aus verschiedenen Quellen oder Regionen.

Geschichte

Mendeleev Vorhersagen

Germanium war eines der Elemente, deren Existenz 1869 vom russischen Chemiker Dmitri Mendeleev in seinem Periodensystem vorhergesagt wurde. Er nannte es vorläufig Ekasilicium und platzierte es in einem Raum auf dem Periodensystem zwischen Zinn und Silizium.

Clemens A. Winkler entdeckte 1886 Germanium in einer Mineralprobe aus einer Silbermine in der Nähe von Freiberg, Sachsen. Es war das Mineral Argyrodit, das aufgrund seines hohen Silbergehalts erst 1885 entdeckt wurde.

Die Argyroditprobe enthielt 73-75% Silber, 17-18% Schwefel, 0,2% Quecksilber und 6-7% ein neues Element, das Winkler später Germanium nannte.

Mendeleev hatte vorausgesagt, dass die Dichte des zu entdeckenden Elements 5,5 g / cm ³ und sein Atomgewicht etwa 70 betragen sollte. Seine Vorhersagen erwiesen sich als ziemlich nahe an denen von Germanium.

Isolation und Name

1886 konnte Winkler das neue Metall isolieren und fand es ähnlich wie Antimon, aber er überlegte und erkannte, dass das Element, das er entdeckt hatte, Ekasilicium entsprach.

Winkler nannte das Element "Germanium", das vom lateinischen Wort "Germania" stammt, ein Wort, mit dem sie Deutschland beschrieben haben. Aus diesem Grund benannte Winkler das neue Element Germanium nach seiner Heimat Deutschland.

Bestimmung seiner Eigenschaften

1887 bestimmte Winkler die chemischen Eigenschaften von Germanium und fand durch Analyse von reinem Germaniumtetrachlorid (GeCl ₄ ) ein Atomgewicht von 72,32 .

In der Zwischenzeit leitete Lecoq de Boisbaudran ein Atomgewicht von 72,3 ab, indem er das Funkenspektrum des Elements untersuchte. Winkler stellte mehrere neue Verbindungen aus Germanium her, darunter Fluoride, Chloride, Sulfide und Dioxide.

In den 1920er Jahren führten Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften von Germanium zur Entwicklung von hochreinem monokristallinem Germanium.

Diese Entwicklung ermöglichte die Verwendung von Germanium in Dioden, Gleichrichtern und Mikrowellenradarempfängern während des Zweiten Weltkriegs.

Entwicklung Ihrer Anwendungen

Die erste industrielle Anwendung erfolgte nach dem Krieg im Jahr 1947 mit der Erfindung von Germaniumtransistoren durch John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley, die in Kommunikationsgeräten, Computern und tragbaren Radios verwendet wurden.

1954 begannen hochreine Siliziumtransistoren, Germaniumtransistoren aufgrund ihrer elektronischen Vorteile zu verdrängen. In den 1960er Jahren waren Germaniumtransistoren praktisch verschwunden.

Germanium erwies sich als Schlüsselkomponente bei der Herstellung von Infrarotlinsen und -fenstern. In den 1970er Jahren wurden Silizium-Germanium (SiGe) -Voltaikzellen (PVC) hergestellt, die für den Satellitenbetrieb weiterhin von entscheidender Bedeutung sind.

In den 1990er Jahren erhöhte die Entwicklung und Erweiterung von Glasfasern die Nachfrage nach Germanium. Das Element wird verwendet, um den Glaskern von Glasfaserkabeln zu bilden.

Ab dem Jahr 2000 führten hocheffiziente PVCs und Leuchtdioden (LEDs) mit Germanium zu einer Steigerung der Produktion und des Verbrauchs von Germanium.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Aussehen

Silberweiß und glänzend. Wenn sein Feststoff aus vielen Kristallen besteht (polykristallin), hat er eine schuppige oder faltige Oberfläche voller Obertöne und Schatten. Manchmal kann es sogar so grau oder schwarz wie Silizium erscheinen.

Unter Standardbedingungen ist es ein halbmetallisches Element, spröde und metallischer Glanz.

Germanium ist ein Halbleiter, nicht sehr duktil. Es hat einen hohen Brechungsindex für sichtbares Licht, ist jedoch für Infrarotstrahlung transparent und wird in Gerätefenstern verwendet, um diese Strahlungen zu erfassen und zu messen.

Standardatomgewicht

72,63 u

Ordnungszahl (Z)

32

Schmelzpunkt

938,25 ºC

Siedepunkt

2.833 ºC

Dichte

Bei Raumtemperatur: 5,323 g / cm ³

Beim Schmelzpunkt (flüssig): 5,60 g / cm ³

Germanium dehnt sich wie Silizium, Gallium, Wismut, Antimon und Wasser aus, wenn es sich verfestigt. Aus diesem Grund ist seine Dichte im flüssigen Zustand höher als im festen Zustand.

Schmelzwärme

36,94 kJ / mol

Verdampfungswärme

334 kJ / mol

Molare Kalorienkapazität

23,222 J / (mol K)

Dampfdruck

Bei einer Temperatur von 1.644 K beträgt sein Dampfdruck nur 1 Pa. Dies bedeutet, dass seine Flüssigkeit bei dieser Temperatur kaum Dämpfe abgibt, sodass keine Gefahr des Einatmens besteht.

Elektronegativität

2,01 auf der Pauling-Skala

Ionisierungsenergien

- Zuerst: 762 kJ / mol

- Sekunde: 1.537 kJ / mol

- Drittens: 3.302,1 kJ / mol

Wärmeleitfähigkeit

60,2 W / (m K)

Elektrischer widerstand

1 Ωm bei 20 ºC

Elektrische Leitfähigkeit

3S cm ^& supmin; ^¹

Magnetische Ordnung

Diamagnetisch

Härte

6,0 auf der Mohs-Skala

Stabilität

Relativ Stabil. Es wird bei Raumtemperatur nicht von Luft beeinflusst und oxidiert bei Temperaturen über 600 ° C.

Oberflächenspannung

6 10 ^-1 N / m bei 1.673,1 K.

Reaktivität

Es oxidiert bei Temperaturen über 600 ° C zu Germaniumdioxid (GeO ₂ ). Germanium produziert zwei Arten von Oxiden: Germaniumdioxid (GeO ₂ ) und Germaniummonoxid (GeO).

Germaniumverbindungen weisen im Allgemeinen die Oxidationsstufe +4 auf, obwohl Germanium in vielen Verbindungen mit der Oxidationsstufe +2 auftritt. Die Oxidationsstufe - 4 tritt beispielsweise in Magnesiumgermanid (Mg ₂ Ge) auf.

Germanium reagiert mit Halogenen unter Bildung von Tetrahalogeniden: Germaniumtetrafluorid (GeF ₄ ), eine gasförmige Verbindung; Germaniumtetraiodid (GeI ₄ ), feste Verbindung; Germaniumtetrachlorid (GeCl ₄ ) und Germaniumtetrabromid (GeBr ₄ ), beide flüssige Verbindungen.

Germanium ist gegenüber Salzsäure inert; aber es wird von Salpetersäure und Schwefelsäure angegriffen. Obwohl Hydroxide in wässriger Lösung wenig Einfluss auf Germanium haben, lösen sie sich leicht in geschmolzenen Hydroxiden unter Bildung von Geronaten.

Struktur und elektronische Konfiguration

Germanium und seine Anleihen

Germanium hat gemäß seiner elektronischen Konfiguration vier Valenzelektronen:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Wie Kohlenstoff und Silizium hybridisieren ihre Ge-Atome ihre 4s- und 4p-Orbitale, um vier sp ³ -Hybridorbitale zu bilden . Mit diesen Orbitalen verbinden sie sich, um das Valenzoktett zu erfüllen, und haben folglich die gleiche Anzahl von Elektronen wie das Edelgas derselben Periode (Krypton).

Auf diese Weise entstehen die kovalenten Ge-Ge-Bindungen, und mit vier von ihnen für jedes Atom werden umgebende Tetraeder definiert (mit einem Ge in der Mitte und den anderen an den Eckpunkten). Somit wird ein dreidimensionales Netzwerk durch die Verschiebung dieser Tetraeder entlang des kovalenten Kristalls hergestellt; das verhält sich wie ein riesiges Molekül.

Allotrope

Der kovalente Germaniumkristall nimmt die gleiche flächenzentrierte kubische Struktur von Diamant (und Silizium) an. Dieses Allotrop ist als α-Ge bekannt. Wenn der Druck auf 120 kbar (etwa 118.000 atm) ansteigt, wird die Kristallstruktur von α-Ge körperzentriert tetragonal (BCT, für sein Akronym im Englischen: Körperzentriert tetragonal).

Diese BCT-Kristalle entsprechen dem zweiten Allotrop von Germanium: β-Ge, bei dem die Ge-Ge-Bindungen wie bei Metallen aufgebrochen und isoliert angeordnet sind. Somit ist α-Ge halbmetallisch; während β-Ge metallisch ist.

Oxidationszahlen

Germanium kann entweder seine vier Valenzelektronen verlieren oder vier weitere gewinnen, um mit Krypton isoelektronisch zu werden.

Wenn es Elektronen in seinen Verbindungen verliert, soll es Zahlen oder positive Oxidationsstufen haben, in denen die Existenz von Kationen mit den gleichen Ladungen wie diese Zahlen angenommen wird. Unter diesen haben wir +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) und +4 (Ge ⁴⁺ ).

Beispielsweise haben die folgenden Verbindungen Germanium mit positiven Oxidationszahlen: 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- ) und GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Wenn es Elektronen in seinen Verbindungen gewinnt, hat es negative Oxidationszahlen. Unter ihnen ist die häufigste -4; das heißt, die Existenz des Ge ⁴ -Anions wird angenommen . In Germaniden geschieht dies, und als Beispiele dafür haben wir Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) und Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Wo zu finden und zu erhalten

Schwefelhaltige Mineralien

Argyrodit-Mineralprobe von geringer Häufigkeit, aber ein einzigartiges Erz für die Gewinnung von Germanium. Quelle: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanium ist ein relativ seltenes Element in der Erdkruste. Nur wenige Mineralien enthalten eine nennenswerte Menge davon, unter denen wir erwähnen können: Argyrodit (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), Germanit (7CuS · FeS · GeS ₂ ), Briartit (Cu ₂ FeGeS ₄ ), Renierit und Canfieldit.

Sie alle haben etwas gemeinsam: Sie sind Schwefel oder schwefelhaltige Mineralien. Daher überwiegt Germanium in der Natur (oder zumindest hier auf der Erde) wie GeS ₂ und nicht GeO ₂ (im Gegensatz zu seinem weit verbreiteten SiO _2- Gegenstück Silica).

Zusätzlich zu den oben genannten Mineralien wurde auch gefunden, dass Germanium in Massenkonzentrationen von 0,3% in Kohlenstoffablagerungen gefunden wird. Ebenso können einige Mikroorganismen es verarbeiten, um geringe Mengen an GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ und GeH ₃ (CH ₃ ) zu erzeugen , die schließlich in Richtung Flüsse und Meere verdrängt werden.

Germanium ist ein Nebenprodukt bei der Verarbeitung von Metallen wie Zink und Kupfer. Um es zu erhalten, muss es eine Reihe chemischer Reaktionen durchlaufen, um seinen Schwefel zum entsprechenden Metall zu reduzieren. das heißt, GeS ₂ seine Schwefelatome zu entfernen , so dass es einfach Ge ist.

Getoastet

Schwefelmineralien werden einem Röstprozess unterzogen, bei dem sie zusammen mit der Luft erhitzt werden, damit Oxidationen auftreten:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Um das Germanium vom Rückstand zu trennen, wird es in sein jeweiliges Chlorid umgewandelt, das destilliert werden kann:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O.

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Wie zu sehen ist, kann die Umwandlung unter Verwendung von Salzsäure oder Chlorgas durchgeführt werden. Das GeCl ₄ wird dann zurück zu GeO ₂ hydrolysiert , wobei es als cremefarbener Feststoff ausfällt. Schließlich reagiert das Oxid mit Wasserstoff unter Bildung von metallischem Germanium:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O.

Reduktion, die auch mit Holzkohle durchgeführt werden kann:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Das erhaltene Germanium besteht aus einem Pulver, das zu Metallstäben geformt oder gestampft wird, aus denen strahlende Germaniumkristalle gezüchtet werden können.

Isotope

Germanium besitzt in der Natur kein sehr häufig vorkommendes Isotop. Stattdessen hat es fünf Isotope, deren Häufigkeit relativ gering ist: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) und ⁷⁶ Ge (7,75%). Es ist zu beachten, dass das Atomgewicht 72,630 u beträgt, wodurch alle Atommassen mit den jeweiligen Häufigkeiten der Isotope gemittelt werden.

Das ⁷⁶ Ge- Isotop ist tatsächlich radioaktiv; aber seine Halbwertszeit ist so lang (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ Jahre), dass es praktisch zu den fünf stabilsten Isotopen von Germanium gehört. Andere Radioisotope wie ⁶⁸ Ge und ⁷¹ Ge, beide synthetisch, haben kürzere Halbwertszeiten (270,95 Tage bzw. 11,3 Tage).

Risiken

Elementares und anorganisches Germanium

Die Umweltrisiken für Germanium sind etwas umstritten. Da es sich um ein leicht schweres Metall handelt, kann eine Ausbreitung seiner Ionen aus wasserlöslichen Salzen das Ökosystem schädigen. Das heißt, Tiere und Pflanzen können durch den Verbrauch von Ge ³⁺ -Ionen beeinflusst werden .

Elementares Germanium ist sicher, solange es nicht pulverisiert ist. Wenn es sich in Staub befindet, kann ein Luftstrom es zu Wärmequellen oder stark oxidierenden Substanzen führen. Folglich besteht Brand- oder Explosionsgefahr. Außerdem können seine Kristalle in die Lunge oder in die Augen gelangen und schwere Reizungen verursachen.

Eine Person kann eine Germaniumscheibe in ihrem Büro sicher handhaben, ohne sich um einen Unfall sorgen zu müssen. Gleiches gilt jedoch nicht für seine anorganischen Verbindungen; das heißt, seine Salze, Oxide und Hydride. Zum Beispiel ist GeH ₄ oder Germanic (analog zu CH ₄ und SiH ₄ ) ein ziemlich reizendes und brennbares Gas.

Organisches Germanium

Jetzt gibt es organische Germaniumquellen; Unter diesen kann 2-Carboxyethylgermasquioxan oder Germanium-132 erwähnt werden, eine alternative Ergänzung, von der bekannt ist, dass sie bestimmte Krankheiten behandelt; obwohl mit Beweisen in Zweifel gezogen.

Einige der medizinischen Wirkungen, die Germanium-132 zugeschrieben werden, sind die Stärkung des Immunsystems und damit die Bekämpfung von Krebs, HIV und AIDS. reguliert die Funktionen des Körpers und verbessert den Sauerstoffgehalt im Blut, eliminiert freie Radikale; und es heilt auch Arthritis, Glaukom und Herzerkrankungen.

Organisches Germanium wurde jedoch mit schwerwiegenden Schäden an Nieren, Leber und Nervensystem in Verbindung gebracht. Aus diesem Grund besteht ein latentes Risiko beim Verzehr dieses Germaniumpräparats. Nun, obwohl es diejenigen gibt, die es als Wundermittel betrachten, gibt es andere, die warnen, dass es keinen wissenschaftlich nachgewiesenen Nutzen bietet.

Anwendungen

Infrarotoptik

Einige Infrarotstrahlungssensoren bestehen aus Germanium oder seinen Legierungen. Quelle: Adafruit Industries über Flickr.

Germanium ist für Infrarotstrahlung transparent; das heißt, sie können es passieren, ohne absorbiert zu werden.

Dank dessen wurden Germaniumgläser und -linsen für optische Infrarotgeräte gebaut. Zum Beispiel in Verbindung mit einem IR-Detektor für die spektroskopische Analyse in Linsen, die in Weltraumteleskopen im fernen Infrarot zur Untersuchung der entferntesten Sterne im Universum verwendet werden, oder in Licht- und Temperatursensoren.

Infrarotstrahlung ist mit molekularen Schwingungen oder Wärmequellen verbunden; Daher haben die in der Militärindustrie verwendeten Geräte zum Betrachten von Nachtsichtzielen Komponenten aus Germanium.

Halbleitermaterial

In Glas eingekapselte Germaniumdioden, die in den 60er und 70er Jahren verwendet wurden. Quelle: Rolf Süssbrich

Germanium als Halbleitermetalloid wurde zum Bau von Transistoren, elektrischen Schaltkreisen, Leuchtdioden und Mikrochips verwendet. In letzterem haben Germanium-Silizium-Legierungen und sogar Germanium selbst begonnen, Silizium zu ersetzen, so dass immer kleinere und leistungsstärkere Schaltkreise entworfen werden können.

Das Oxid GeO ₂ wird aufgrund seines hohen Brechungsindex Gläsern zugesetzt, damit sie in der Mikroskopie, bei Weitwinkelobjektiven und in Glasfasern eingesetzt werden können.

Germanium ersetzt nicht nur Silizium in bestimmten elektronischen Anwendungen, sondern kann auch mit Galliumarsenid (GaAs) gekoppelt werden. Somit ist dieses Metalloid auch in Sonnenkollektoren vorhanden.

Katalysatoren

GeO ₂ wurde als Katalysator für Polymerisationsreaktionen verwendet; Zum Beispiel in dem für die Synthese von Polyethylenterephthalat erforderlichen Kunststoff, mit dem in Japan verkaufte glänzende Flaschen hergestellt werden.

Ebenso katalysieren die Nanopartikel ihrer Platinlegierungen Redoxreaktionen, bei denen Wasserstoffgas gebildet wird, wodurch diese Voltaikzellen effektiver werden.

Legierungen

Schließlich wurde erwähnt, dass es Ge-Si- und Ge-Pt-Legierungen gibt. Darüber hinaus können seine Ge-Atome den Kristallen anderer Metalle wie Silber, Gold, Kupfer und Beryllium zugesetzt werden. Diese Legierungen zeigen eine größere Duktilität und chemische Beständigkeit als ihre einzelnen Metalle.

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