GERMANIUM: LỊCH SỬ, ĐẶC TÍNH, CẤU TRÚC, THU ĐƯỢC, SỬ DỤNG - HÓA HỌC - 2026

Các germanium là một yếu tố á kim được thể hiện bằng ký hiệu hóa học Ge và thuộc nhóm 14 của bảng tuần hoàn. Nó được tìm thấy bên dưới silicon, và có nhiều đặc tính vật lý và hóa học với nó; đến nỗi từng có tên là Ekasilicio, do chính Dmitri Mendeleev tiên đoán.

Tên hiện tại của nó do Clemens A. Winkler đặt để vinh danh quê hương Đức của ông. Do đó, germanium được liên kết với đất nước này, và nó là hình ảnh đầu tiên gợi lên trong tâm trí những ai chưa biết rõ về nó.

Mẫu gecmani siêu tinh khiết. Nguồn: Hình ảnh độ phân giải cao của các nguyên tố hóa học

Gecmani, giống như silicon, bao gồm các tinh thể cộng hóa trị của mạng tinh thể tứ diện ba chiều với các liên kết Ge-Ge. Tương tự như vậy, nó có thể được tìm thấy ở dạng đơn tinh thể, trong đó các hạt của nó lớn, hoặc đa tinh thể, bao gồm hàng trăm tinh thể nhỏ.

Nó là một nguyên tố bán dẫn ở áp suất môi trường xung quanh, nhưng khi tăng trên 120 kbar, nó trở thành một dạng kim loại; có nghĩa là, có thể các liên kết Ge-Ge bị phá vỡ và chúng được sắp xếp riêng lẻ trong biển electron của chúng.

Nó được coi là một yếu tố không độc hại, vì nó có thể được xử lý mà không cần bất kỳ loại quần áo bảo hộ nào; mặc dù hít phải và uống quá nhiều có thể dẫn đến các triệu chứng cổ điển của kích ứng ở cá nhân. Áp suất hơi của nó rất thấp, do đó khói của nó không có khả năng gây ra hỏa hoạn.

Tuy nhiên, mầm vô cơ (muối) và hữu cơ có thể gây nguy hiểm cho sinh vật, mặc dù thực tế là các nguyên tử Ge của chúng tương tác một cách bí ẩn với ma trận sinh học.

Người ta không thực sự biết liệu germanium hữu cơ có thể được coi là một phương thuốc kỳ diệu để điều trị một số chứng rối loạn như một loại thuốc thay thế hay không. Tuy nhiên, các nghiên cứu khoa học không ủng hộ những tuyên bố này, mà bác bỏ chúng, và coi nguyên tố này là chất gây ung thư.

Gecmani không chỉ là chất bán dẫn, đi kèm với silicon, selen, gali và một loạt các nguyên tố trong thế giới vật liệu bán dẫn và các ứng dụng của chúng; Nó cũng trong suốt đối với bức xạ hồng ngoại, rất hữu ích cho việc sản xuất đầu báo nhiệt từ các nguồn hoặc khu vực khác nhau.

Lịch sử

Dự đoán của Mendeleev

Germanium là một trong những nguyên tố được nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev dự đoán vào năm 1869 trong bảng tuần hoàn của ông. Ông tạm gọi nó là ekasilicon và đặt nó vào một khoảng trống trong bảng tuần hoàn giữa thiếc và silic.

Năm 1886, Clemens A. Winkler phát hiện ra germanium trong một mẫu khoáng chất từ ​​một mỏ bạc gần Freiberg, Sachsen. Đó là khoáng chất được gọi là argyrodite, do hàm lượng bạc cao và chỉ mới được phát hiện vào năm 1885.

Mẫu argyrodite chứa 73-75% bạc, 17-18% lưu huỳnh, 0,2% thủy ngân và 6-7% một nguyên tố mới, mà sau này Winkler đặt tên là germanium.

Mendeleev đã dự đoán rằng mật độ của nguyên tố được phát hiện là 5,5 g / cm ³ và trọng lượng nguyên tử của nó vào khoảng 70. Các dự đoán của ông hóa ra khá gần với các dự đoán của germani.

Cô lập và tên

Năm 1886, Winkler đã có thể cô lập kim loại mới và thấy nó tương tự như antimon, nhưng ông đã xem xét lại và nhận ra rằng nguyên tố mà ông đã phát hiện ra tương ứng với ekasilicon.

Winkler đặt tên cho nguyên tố là 'germani' có nguồn gốc từ từ tiếng Latinh 'germania', một từ mà họ dùng để mô tả nước Đức. Vì lý do này, Winkler đã đặt tên cho nguyên tố mới là germanium, theo tên quê hương Đức.

Xác định các thuộc tính của nó

Năm 1887, Winkler xác định các tính chất hóa học của gecmani, tìm ra trọng lượng nguyên tử là 72,32 bằng phép phân tích gecmani tetraclorua tinh khiết (GeCl ₄ ).

Trong khi đó, Lecoq de Boisbaudran đã suy ra trọng lượng nguyên tử là 72,3 bằng cách nghiên cứu quang phổ tia lửa của nguyên tố. Winkler đã điều chế một số hợp chất mới từ gecmani, bao gồm florua, clorua, sulfua và dioxit.

Vào những năm 1920, các cuộc điều tra về tính chất điện của gecmani đã dẫn đến sự phát triển của gecmani đơn tinh thể có độ tinh khiết cao.

Sự phát triển này cho phép sử dụng gecmani trong điốt, bộ chỉnh lưu và máy thu radar vi sóng trong Thế chiến II.

Phát triển các ứng dụng của bạn

Ứng dụng công nghiệp đầu tiên xuất hiện sau chiến tranh năm 1947, với sự phát minh ra bóng bán dẫn germani của John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley, được sử dụng trong thiết bị liên lạc, máy tính và radio cầm tay.

Năm 1954, các bóng bán dẫn silicon có độ tinh khiết cao bắt đầu thay thế các bóng bán dẫn germani do những ưu điểm điện tử mà chúng sở hữu. Và đến những năm 1960, các bóng bán dẫn germanium trên thực tế đã biến mất.

Germanium hóa ra là thành phần quan trọng trong việc chế tạo các thấu kính và cửa sổ hồng ngoại (IR). Trong những năm 1970, tế bào điện tích silicon germani (SiGe) (PVC) được sản xuất vẫn rất quan trọng đối với các hoạt động vệ tinh.

Trong những năm 1990, sự phát triển và mở rộng của sợi quang đã làm tăng nhu cầu về gecmani. Phần tử được sử dụng để tạo thành lõi thủy tinh của cáp quang.

Bắt đầu từ năm 2000, PVCs hiệu suất cao và điốt phát sáng (đèn LED) sử dụng germanium dẫn đến sự gia tăng sản xuất và tiêu thụ germani.

Các tính chất vật lý và hóa học

Xuất hiện

Màu trắng bạc và bóng. Khi chất rắn của nó được tạo thành từ nhiều tinh thể (đa tinh thể), nó có bề mặt có vảy hoặc nhăn nheo, đầy âm bội và bóng tối. Đôi khi nó thậm chí có thể có màu xám hoặc đen như silicon.

Trong điều kiện tiêu chuẩn, nó là một nguyên tố bán kim loại, giòn và có ánh kim loại.

Gecmani là một chất bán dẫn, không dẻo lắm. Nó có chỉ số khúc xạ cao đối với ánh sáng nhìn thấy, nhưng trong suốt đối với bức xạ hồng ngoại, được sử dụng trong các cửa sổ thiết bị để phát hiện và đo các bức xạ này.

Trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn

72,63 u

Số nguyên tử (Z)

32

Độ nóng chảy

938,25 ºC

Điểm sôi

2,833 ºC

Tỉ trọng

Ở nhiệt độ phòng: 5.323 g / cm ³

Tại điểm nóng chảy (chất lỏng): 5,60 g / cm ³

Gecmani, như silic, gali, bitmut, antimon và nước, nở ra khi đông đặc. Vì lý do này, mật độ của nó ở trạng thái lỏng cao hơn ở trạng thái rắn.

Nhiệt của nhiệt hạch

36,94 kJ / mol

Nhiệt hóa hơi

334 kJ / mol

Công suất nhiệt lượng mol

23,222 J / (mol K)

Áp suất hơi

Ở nhiệt độ 1.644 K, áp suất hơi của nó chỉ là 1 Pa, điều này có nghĩa là chất lỏng của nó hầu như không phát ra hơi ở nhiệt độ đó, vì vậy nó không tiềm ẩn nguy cơ hít phải.

Độ âm điện

2,01 trên thang điểm Pauling

Năng lượng ion hóa

- Đầu tiên: 762 kJ / mol

-Thứ hai: 1,537 kJ / mol

-Thứ ba: 3.302,1 kJ / mol

Dẫn nhiệt

60,2 W / (m K)

Điện trở suất

1 Ωm ở 20 ºC

Độ dẫn điện

3S cm ^-1

Thứ tự từ tính

Nghịch từ

Độ cứng

6.0 trên thang Mohs

Ổn định

Tương đối ổn định. Nó không bị ảnh hưởng bởi không khí ở nhiệt độ phòng và bị oxy hóa ở nhiệt độ trên 600ºC.

Sức căng bề mặt

6 10 ^-1 N / m ở 1.673,1 K

Phản ứng

Nó bị oxy hóa ở nhiệt độ trên 600ºC để tạo thành germani dioxide (GeO ₂ ). Gecmani tạo ra hai dạng ôxít: gecmani đioxit (GeO ₂ ) và gecmani monoxit (GeO).

Các hợp chất gecmani thường thể hiện trạng thái ôxy hóa +4, mặc dù trong nhiều hợp chất, gecmani xảy ra ở trạng thái ôxy hóa +2. Ví dụ, trạng thái oxy hóa - 4 xảy ra trong magiê germanide (Mg ₂ Ge).

Gecmani phản ứng với các halogen để tạo thành các chất độc tetrahal: gecmani tetraflorua (GeF ₄ ), một hợp chất ở thể khí; gecmani tetraiodide (GeI ₄ ), hợp chất rắn; gecmani tetraclorua (GeCl ₄ ) và gecmani tetrabromit (GeBr ₄ ), cả hai đều là hợp chất lỏng.

Gecmani trơ đối với axit clohydric; nhưng nó bị tấn công bởi axit nitric và axit sunfuric. Mặc dù hydroxit trong dung dịch nước ít ảnh hưởng đến gecmani, nhưng nó dễ dàng hòa tan trong hydroxit nóng chảy để tạo thành các geronate.

Cấu trúc và cấu hình điện tử

Germanium và các liên kết của nó

Germanium có bốn điện tử hóa trị theo cấu hình điện tử của nó:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Giống như cacbon và silic, nguyên tử Ge của chúng lai các obitan 4s và 4p để tạo thành bốn obitan lai hóa sp ³ . Với các obitan này, chúng liên kết để thỏa mãn octet hóa trị và do đó, có cùng số electron với khí quý cùng chu kỳ (krypton).

Bằng cách này, các liên kết cộng hóa trị Ge-Ge hình thành, và có bốn liên kết trong số chúng cho mỗi nguyên tử, tứ diện xung quanh được xác định (với một Ge ở trung tâm và những cái khác ở đỉnh). Do đó, một mạng ba chiều được thiết lập bởi sự dịch chuyển của các tứ diện này dọc theo tinh thể cộng hóa trị; hoạt động như thể nó là một phân tử khổng lồ.

Allotropes

Tinh thể gecmani cộng hóa trị sử dụng cùng một cấu trúc lập phương tâm mặt của kim cương (và silicon). Dạng allotrope này được gọi là α-Ge. Nếu áp suất tăng lên 120 kbar (khoảng 118.000 atm), cấu trúc tinh thể của α-Ge trở thành tứ giác có tâm (BCT, từ viết tắt của nó trong tiếng Anh: Body-centered tetragonal).

Các tinh thể BCT này tương ứng với dạng allotrope thứ hai của germani: β-Ge, nơi các liên kết Ge-Ge bị phá vỡ và sắp xếp cô lập, như xảy ra với kim loại. Do đó, α-Ge là bán kim loại; trong khi β-Ge là kim loại.

Số oxi hóa

Germanium có thể mất bốn điện tử hóa trị của nó, hoặc tăng thêm bốn để trở thành đẳng điện tử với krypton.

Khi nó mất đi các electron trong các hợp chất của nó, nó được cho là có số hoặc trạng thái oxy hóa dương, trong đó giả định sự tồn tại của các cation có cùng điện tích với các số này. Trong số này, chúng ta có +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) và +4 (Ge ⁴⁺ ).

Ví dụ, các hợp chất sau đây có gecmani với số oxi hóa dương: 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- ) và GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Trong khi khi nó giành được electron trong các hợp chất của nó, nó có số oxi hóa âm. Trong đó phổ biến nhất là -4; nghĩa là, sự tồn tại của anion Ge ^4- được giả định . Ở germanide, điều này xảy ra, và như các ví dụ về chúng, chúng ta có Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) và Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Tìm và lấy ở đâu

Khoáng chất lưu huỳnh

Mẫu khoáng vật argyrodite, có độ phong phú thấp nhưng là quặng độc nhất để chiết xuất germani. Nguồn: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Gecmani là một nguyên tố tương đối hiếm trong vỏ trái đất. Rất ít khoáng chất chứa một lượng đáng kể, trong số đó có thể kể đến: argyrodite (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanite (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartite (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renierite và canfieldite.

Tất cả chúng đều có điểm chung: chúng là các khoáng chất lưu huỳnh hoặc lưu huỳnh. Do đó, gecmani chiếm ưu thế trong tự nhiên (hoặc ít nhất là ở đây trên Trái đất), giống như GeS ₂ chứ không phải GeO ₂ (trái ngược với đối tác SiO ₂ phổ biến rộng rãi của nó , silica).

Ngoài các khoáng chất nêu trên, gecmani cũng được tìm thấy ở nồng độ 0,3% khối lượng trong các mỏ cacbon. Tương tự như vậy, một số vi sinh vật có thể xử lý nó để tạo ra một lượng nhỏ GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ và GeH ₃ (CH ₃ ), những chất này cuối cùng được di chuyển ra sông và biển.

Gecmani là sản phẩm phụ của quá trình xử lý kim loại như kẽm và đồng. Để có được nó, nó phải trải qua một loạt các phản ứng hóa học để khử lưu huỳnh của nó thành kim loại tương ứng; nghĩa là, loại bỏ GeS ₂ các nguyên tử lưu huỳnh của nó để nó đơn giản là Ge.

Nướng

Các khoáng chất lưu huỳnh trải qua quá trình rang, trong đó chúng được làm nóng cùng với không khí để xảy ra quá trình oxy hóa:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Để tách germani ra khỏi cặn, nó được chuyển thành clorua tương ứng, có thể được chưng cất:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Như có thể thấy, quá trình biến đổi có thể được thực hiện bằng cách sử dụng axit clohydric hoặc khí clo. GeCl ₄ sau đó được thủy phân trở lại thành GeO ₂ , do đó nó kết tủa dưới dạng chất rắn màu trắng đục. Cuối cùng, oxit phản ứng với hydro để khử thành germani kim loại:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Giảm thiểu cũng có thể được thực hiện với than:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Gecmani thu được bao gồm một loại bột được đúc hoặc gắn vào các thanh kim loại, từ đó có thể phát triển các tinh thể gecmani bức xạ.

Đồng vị

Germanium không sở hữu bất kỳ đồng vị dồi dào nào trong tự nhiên. Thay vào đó, nó có năm đồng vị có độ dồi dào tương đối thấp: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) và ⁷⁶ Ge (7,75%). Lưu ý rằng trọng lượng nguyên tử là 72,630 u, tính trung bình của tất cả các khối lượng nguyên tử với độ dồi dào tương ứng của các đồng vị.

Đồng vị ⁷⁶ Ge thực sự là chất phóng xạ; nhưng chu kỳ bán rã của nó dài đến mức (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ năm) nên trên thực tế nó nằm trong số năm đồng vị bền nhất của germani. Các đồng vị phóng xạ khác, chẳng hạn như ⁶⁸ Ge và ⁷¹ Ge, cả hai đều tổng hợp, có chu kỳ bán rã ngắn hơn (tương ứng là 270,95 ngày và 11,3 ngày).

Rủi ro

Gecmani nguyên tố và vô cơ

Các rủi ro môi trường đối với gecmani còn gây tranh cãi. Là một kim loại hơi nặng, sự lan truyền các ion của nó từ các muối hòa tan trong nước có thể gây ra thiệt hại cho hệ sinh thái; nghĩa là, động vật và thực vật có thể bị ảnh hưởng khi tiêu thụ các ion Ge ³⁺ .

Gecmani nguyên tố an toàn miễn là nó không ở dạng bột. Nếu nó ở trong bụi, dòng không khí có thể mang nó đến các nguồn nhiệt hoặc các chất có tính oxy hóa cao; và hậu quả là có nguy cơ cháy nổ. Ngoài ra, các tinh thể của nó có thể kết thúc trong phổi hoặc mắt, gây kích ứng nghiêm trọng.

Một người có thể xử lý một cách an toàn đĩa germanium trong văn phòng của mình mà không phải lo lắng về bất kỳ tai nạn nào. Tuy nhiên, điều tương tự không thể nói đối với các hợp chất vô cơ của nó; đó là muối, oxit và hiđrua của nó. Ví dụ, GeH ₄ hoặc Germanic (tương tự như CH ₄ và SiH ₄ ), là một loại khí khá khó chịu và dễ cháy.

Gecmani hữu cơ

Bây giờ có những nguồn germanium hữu cơ; Trong số đó, đề cập đến có thể được làm bằng 2-carboxyethylgermasquioxan hoặc germanium-132, một chất bổ sung thay thế được biết đến để điều trị một số bệnh nhất định; mặc dù với những bằng chứng được đặt trong vòng nghi vấn.

Một số tác dụng y học của germanium-132 là tăng cường hệ thống miễn dịch, do đó giúp chống lại ung thư, HIV và AIDS; điều chỉnh các chức năng của cơ thể, cũng như cải thiện mức độ oxy trong máu, loại bỏ các gốc tự do; và nó cũng chữa bệnh viêm khớp, bệnh tăng nhãn áp và bệnh tim.

Tuy nhiên, germanium hữu cơ có liên quan đến tổn thương nghiêm trọng đối với thận, gan và hệ thần kinh. Đó là lý do tại sao có một nguy cơ tiềm ẩn khi tiêu thụ chất bổ sung germanium này; Vâng, mặc dù có những người coi nó là một phương pháp chữa bệnh thần kỳ, nhưng có những người khác cảnh báo rằng nó không mang lại bất kỳ lợi ích nào đã được khoa học chứng minh.

Các ứng dụng

Quang học hồng ngoại

Một số cảm biến bức xạ hồng ngoại được làm bằng gecmani hoặc hợp kim của nó. Nguồn: Adafruit Industries qua Flickr.

Gecmani trong suốt đối với bức xạ hồng ngoại; nghĩa là chúng có thể đi qua nó mà không bị hấp thụ.

Nhờ đó, kính và thấu kính gecmani đã được chế tạo cho các thiết bị quang học hồng ngoại; ví dụ, được kết hợp với một máy dò hồng ngoại để phân tích quang phổ, trong các thấu kính được sử dụng trong kính viễn vọng không gian hồng ngoại xa để nghiên cứu các ngôi sao xa nhất trong Vũ trụ, hoặc trong các cảm biến ánh sáng và nhiệt độ.

Bức xạ hồng ngoại có liên quan đến dao động phân tử hoặc nguồn nhiệt; vì vậy các thiết bị được sử dụng trong ngành quân sự để xem các mục tiêu nhìn ban đêm đều có thành phần làm bằng germanium.

Vật liệu bán dẫn

Điốt gecmani được bọc trong thủy tinh và được sử dụng trong những năm 60 và 70. Nguồn: Rolf Süssbrich

Germanium như một kim loại bán dẫn đã được sử dụng để chế tạo bóng bán dẫn, mạch điện, điốt phát sáng và vi mạch. Sau này, các hợp kim germani-silicon, và thậm chí cả germani, tự nó đã bắt đầu thay thế silicon, để có thể thiết kế các mạch nhỏ hơn và mạnh hơn.

Oxit của nó, GeO ₂ , do chỉ số khúc xạ cao, được thêm vào kính để chúng có thể được sử dụng trong kính hiển vi, vật kính góc rộng và sợi quang.

Gecmani không chỉ thay thế silicon trong một số ứng dụng điện tử mà còn có thể được kết hợp với gali arsenide (GaAs). Do đó, thể kim loại này cũng có mặt trong các tấm pin mặt trời.

Chất xúc tác

GeO ₂ đã được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng trùng hợp; ví dụ, trong một loại cần thiết cho quá trình tổng hợp polyethylene terephthalate, một loại nhựa mà các chai sáng bóng bán ở Nhật Bản được sản xuất.

Tương tự như vậy, các hạt nano của hợp kim bạch kim của chúng xúc tác phản ứng oxy hóa khử trong đó chúng liên quan đến sự hình thành khí hydro, làm cho các tế bào volta này hoạt động hiệu quả hơn.

Hợp kim

Cuối cùng, người ta đã đề cập đến hợp kim Ge-Si và Ge-Pt. Ngoài ra, các nguyên tử Ge của nó có thể được thêm vào tinh thể của các kim loại khác, chẳng hạn như bạc, vàng, đồng và berili. Các hợp kim này cho thấy độ dẻo và độ bền hóa học cao hơn các kim loại riêng lẻ của chúng.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ . (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Wikipedia. (2019). Gecmani. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Vật lýOpenLab. (2019). Cấu trúc tinh thể silic & gecmani. Phục hồi từ: Physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (Ngày 19 tháng 7 năm 2016). Germanium có phải là Phép màu chữa bệnh không? Healthline Media. Phục hồi từ: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Bảng tuần hoàn: gecmani. Khôi phục từ: lenntech.com
6. Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia. (2019). Gecmani. Cơ sở dữ liệu PubChem. CID = 6326954. Được khôi phục từ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Tiến sĩ Doug Stewart. (2019). Sự kiện về nguyên tố Germanium. Hóa chất. Phục hồi từ: chemicool.com
8. Emil Venere. (Ngày 8 tháng 12 năm 2014). Germanium trở thành quê hương của Purdue cho cột mốc bán dẫn. Phục hồi từ: purdue.edu
9. Marques Miguel. (sf). Gecmani. Được khôi phục từ: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: sự xuất hiện của môi trường, tầm quan trọng và đặc điểm. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x