Википедија

Germanijum

Хемијски елемент

Germanijum (Ge, lat. germanium) metaloid je IVA grupe sa atomskim brojem 32.[5] Ima nekoliko izotopa čije se atomske mase nalaze između 64-83. Postojano je pet: 70, 72, 73, 74 i 76.[6] Zastupljen je u zemljinoj kori u količini od 1,8 ppm (eng. parts per million), kao pratilac ruda cinka i bakra. On je sjajni, tvrdi, sivo-beli polumetal iz grupe ugljenika, hemijski sličan svojim komšijama iz IV glavne grupe periodnog sistema elemenata kalaju i silicijumu. Čisti elementarni germanijum je poluprovodnik, izgledom najviše nalikuje elementarnom silicijumu. Poput silicijuma, germanijum vrlo lako reaguje i sa kiseonikom iz prirode gradi komplekse. Za razliku od silicijuma, on je isuviše reaktivan da bi se prirodno našao na Zemlji u svom elementarnom stanju.

Germanijum
Opšta svojstva
Ime, simbolgermanijum, Ge
Izgledsivkasto-beo
U periodnom sistemu
Vodonik Helijum
Litijum Berilijum Bor Ugljenik Azot Kiseonik Fluor Neon
Natrijum Magnezijum Aluminijum Silicijum Fosfor Sumpor Hlor Argon
Kalijum Kalcijum Skandijum Titanijum Vanadijum Hrom Mangan Gvožđe Kobalt Nikl Bakar Cink Galijum Germanijum Arsen Selen Brom Kripton
Rubidijum Stroncijum Itrijum Cirkonijum Niobijum Molibden Tehnecijum Rutenijum Rodijum Paladijum Srebro Kadmijum Indijum Kalaj Antimon Telur Jod Ksenon
Cezijum Barijum Lantan Cerijum Prazeodijum Neodijum Prometijum Samarijum Evropijum Gadolinijum Terbijum Disprozijum Holmijum Erbijum Tulijum Iterbijum Lutecijum Hafnijum Tantal Volfram Renijum Osmijum Iridijum Platina Zlato Živa Talijum Olovo Bizmut Polonijum Astat Radon
Francijum Radijum Aktinijum Torijum Protaktinijum Uranijum Neptunijum Plutonijum Americijum Kirijum Berklijum Kalifornijum Ajnštajnijum Fermijum Mendeljevijum Nobelijum Lorencijum Raderfordijum Dubnijum Siborgijum Borijum Hasijum Majtnerijum Darmštatijum Rendgenijum Kopernicijum Nihonijum Flerovijum Moskovijum Livermorijum Tenesin Oganeson
Si
↑
Ge
↓
Sn
galijum ← germanijum → arsen ‍
Atomski broj (Z)32
Grupa, periodagrupa 14 (ugljenikova grupa), perioda 4
Blokp-blok
Kategorija  metaloid
Rel. at. masa (Ar)72,630(8)[1]
El. konfiguracija
po ljuskama
2, 8, 18, 4
Fizička svojstva
Tačka topljenja1211,40 K ​(938,25 °‍C, ​1720,85 °F)
Tačka ključanja3106 K ​(2833 °‍C, ​5131 °F)
Gustina pri s.t.5,323 g/cm3
tečno st., na t.t.5,60 g/cm3
Toplota fuzije36,94 kJ/mol
Toplota isparavanja334 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet23,222 J/(mol·K)
Napon pare
P (Pa) 100 101 102
na T (K) 1644 1814 2023
P (Pa) 103 104 105
na T (K) 2287 2633 3104
Atomska svojstva
Elektronegativnost2,01
Energije jonizacije1: 762 kJ/mol
2: 1537,5 kJ/mol
3: 3302,1 kJ/mol
Atomski radijus122 pm
Kovalentni radijus122 pm
Valsov radijus211 pm
Linije boje u spektralnom rasponu
Spektralne linije
Ostalo
Kristalna struktura ​postraničnocentr. dijamantska kubična
Postraničnocentr. dijamantska kubična kristalna struktura za germanijum
Brzina zvuka tanak štap5400 m/s (na 20 °‍C)
Topl. širenje6,0 µm/(m·K)
Topl. vodljivost60,2 W/(m·K)
Električna otpornost1 Ω·m (na 20 °‍C)
Energetska praznina0,67 eV (na 300 K)
Magnetni rasporeddijamagnetičan[2]
Magnetna susceptibilnost (χmol)−76,84·10−6 cm3/mol[3]
Jangov modul103 GPa[4]
Modul smicanja41 GPa[4]
Modul stišljivosti75 GPa[4]
Poasonov koeficijent0,26[4]
Mosova tvrdoća6,0
CAS broj7440-56-4
Istorija
Imenovanjepo Nemačkoj, gde je otkriven
PredviđanjeDmitrij Mendeljejev (1869)
OtkrićeKlemens Vinkler (1886)
Glavni izotopi
izotop rasp. pž. (t1/2) TR PR
68Ge syn 270,95 d ε 68Ga
70Ge 20,52% stabilni
71Ge syn 11,3 d ε 71Ga
72Ge 27,45% stabilni
73Ge 7,76% stabilni
74Ge 36,7% stabilni
76Ge 7,75% 1,78×1021 y β−β− 76Se
reference • Vikipodaci
Činija od germanijuma

Pošto postoji vrlo mali broj minerala koji ga sadrže u visokim koncentracijama, germanijum je otkriven relativno kasno u istoriji hemije. Među elementima po rasprostranjenosti u Zemljinoj kori, on se nalazi približno na 50. mestu. Ruski hemičar Dmitrij Mendeljejev je 1869. godine predvideo njegovo postojanje i neke od njegovih osobina na osnovu položaja u periodnom sistemu kojeg je Mendeljejev kreirao. Dao mu je ime ekasilicijum. Gotovo dve decenije kasnije, 1886. godine, Klemens Vinkler je otkrio novi element, kao pratioca srebra i sumpora u retkom mineralu nazvanom argirodit. Mada je novi element izgledom na neki način imao sličnosti sa arsenom i antimonom, njegovi kombinovani odnosi u jedinjenju novog elementa su bili u saglasnosti sa Mendeljejevljevim predviđanjima u odnosu na silicijum. Vinkler je novom elementu dao ime po imenu svoje domovine, Nemačke. Danas se germanijum uglavnom izdvaja iz sfalerita (osnovne rude cinka), mada se često industrijski izdvaja i iz ruda srebra, olova i bakra.

Metalni germanijum (izolovani elementarni) se koristi kao poluprovodnik u tranzistorima i različitim elektronskim uređajima. U prošlosti, cela generacija prvobitnih elektronskih poluprovodnika je potpuno bila zasnovana na germanijumu. Međutim, danas na njegovu proizvodnju u svrhu poluprovodnika otpada vrlo mali udio (2%) umesto ultra čistog silicijuma, koji je uglavnom zamenio germanijum. U današnje doba, glavni potrošači germanijuma su sistemi za optička vlakna, optički uređaji za infracrveni deo spektra i aplikacije za solarne ćelije. Jedinjenja germanijuma se koriste kao katalizatori za reakcije polimerizacije a odnedavno se koriste i za proizvodnju nanožica. Ovaj element gradi veliki broj organometalnih jedinjenja, kao što je tetraetilgermanijum, vrlo koristan u organometalnoj hemiji. Germanijum se ne smatra da je neophodan element za bilo koji živi organizam. Neka kompleksna organo-germanijumovv jedinjenja su bili istraživana kao mogući preparati u farmaciji, međutim nijedno se nije pokazalo uspešnim. Slično kao i silicijum i aluminijum, prirodna jedinjenja germanijuma su većinom nerastvorljiva u vodi, te stoga nisu isuviše otrovni. Međutim, sintetički dobijene rastvorljive soli germanijuma su se pokazale da deluju kao nefrotoksin, dok su veštački, hemijski reaktivna jedinjenja germanijuma sa halogenim elementima i vodonikom iritirajuća i otrovna.

Istorija uredi

 
Nemački hemičar Klemens Vinkler

Kada je objavio svoj periodni zakon hemijskih elemenata 1869. godine, ruski hemičar Dmitrij Mendeljejev je prevideo postojanje nekoliko do tada nepoznatih hemijskih elemenata, između ostalih i jednog koji bi popunio prazninu u grupi ugljenika u svojoj tabeli periodnog sistema, između silicijuma i kalaja.[7] Zbog njegovog položaja u periodnoj tabeli, Mendeljejev ga je nazvao ekasilicijum (Es), i pretpostavio je njegovu relativnu atomsku masu od 72.

Sredinom 1885. godine, u rudniku u blizini saskog grada Frajberga otkriven novi mineral koji je dobio ime argirodit zbog velikog udela srebra u njemu. (iz grčkog, argyrodite u značenju koji sadrži srebro)[8] Hemičar Klemens Vinkler je analizirao novi mineral za koji se ispostavilo da sadrži kombinaciju srebra, sumpora i jednog novog elementa. Vinkleru je uspelo da izoluje ovaj element 1886. godine, utvrdivši da je po nekim osobinama sličan antimonu.[9][10] Pre nego što je Vinkler objavio rezultate svog istraživanja o novom elementu, odlučio je da mu dodeli ime neptunijum u čast tada novootkrivene planete Neptun 1846. godine, a čije postojanje je bilo ranije previđeno i matematički izračunato. Kao što je predviđeno postojanje novog elementa, i postojanje planete Neptun je predviđeno oko 1843. godine od strane dva matematičara Džon Kuč Adams i Irben Leverije, koristeći matematičke metode nebeske mehanike. Ovo su utvrdili polazeći od činjenice da se nakon detaljnog proučavanja kretanja planete Urana činilo da ga neka sila ili druga planeta ometa u prirodnom kretanju.[11] Džejms Čalis je započeo potragu za tom planetom u julu 1846. godine i otkrio novu planetu 23. septembra 1846. godine.[12] Međutim, pošto je ime neptunijum već bilo dodeljeno drugom pretpostavljenom hemijskom elementu (mada taj element nije element koji danas nosi ime neptunijum, otkriven tek 1940. godine), tako da je Vinkler odlučio da novom elementu da ime germanijum (iz lat. reči Germania, Nemačka) u čast svoje domovine.[10] Za mineral argirodit kasnije se iskustveno pokazao da je Ag8GeS6.

R. Herman je 1877. godine objavio svoje otkriće novog elementa koji bi se trebao nalaziti ispod tantala u periodnom sistemu, kojem je dao ime neptunijum, po imenu grčkog božanstva okeana i mora.[13][14] Međutim ovaj metal je kasnije identifikovan kao legura elemenata niobijuma i tantala.[15] Ime neptunijum dato je sintetičkom elementu otkrivenom mnogo kasnije koji se nalazio udesno od uranijuma u periodnom sistemu, a kojeg su otkrili nuklearni fizičari 1940-ih godina.[16]

Osobine uredi

 
Kristalna struktura germanijuma

U standardnim uslovima, germanijum je krhki, srebrnasto-beli, polumetalni element.[17] Ovaj oblik germanijuma sačinjava alotropska modifikacija, tehnički poznata kao α-germanijum, koji ima metalni sjaj i kubičnu kristalnu strukturu, istu kao i dijamant.[18] Pri pritisku iznad 120 kbar, formira se različiti alotrop poznat kao β-germanijum, koji ima istu strukturu kao i β-kalaj.[19] Pored silicijuma, galijuma, bizmuta, antimona i vode, on je jedna od malobrojnih supstanci koja se širi kada prelazi iz svoje tečne faze u čvrsto stanje.[19]

Germanijum je poluprovodnik. Tehnike zonskog rafiniranja su dovele do proizvodnje kristalnog germanijuma pogodnog za poluprovodnike, u kojem je udeo nečistoća najviše 1 prema 1010,[20] što se smatra jednim od najčistijih materijala ikad proizvedenih.[21] Prvi metalni materijal, otkriven 2005. godine, koji je postao superprovodnik u prisustvu izuzetno snažnog elektromagnetnog polja bila je legura germanijuma sa uranijumom i rodijumom.[22] Za čisti germanijum je primećeno da se spontano izdužuje u veoma duge uvijene dislokacije. One su jedan od osnovnih razloga zašto se kvare stare diode i tranzistori načinjeni od germanijuma, a ako se takvi predmeti dodirnu, mogu izazvati i kratki spoj.

Hemijske uredi

Elementarni germanijum vrlo sporo oksidira do GeO2 pri 250 °C.[23] Germanijum ne rastvaraju razređene kiseline i baze, ali se sporo rastvara u koncentrovanoj sumpornoj kiselini a burno reaguje sa rastvorenim bazama dajući germanate ([GeO
3]2−
). Germanijum se javlja uglavnom u oksidacionom stanju +4, mada je poznat veliki broj njegovih jedinjenja sa oksidacionim brojem +2.[24] Druga oksidacijska stanja su retka, poput +3 koje je dokazano u jedinjenju kao što je Ge2Cl6, a stanja +3 i +1 su pronađena na površinama oksida,[25] ili negativna oksidacijska stanja u germanatima, kao što je -4 u GeH
4. Klaster anjoni germanijuma (Zintl joni) poput Ge42−, Ge94−, Ge92−, [(Ge9)2]6− su dobijeni izdvajanjem iz legura koje sadrže alkalne metale i germanijum u tečnom amonijaku u prisustvu etilendiamina ili kriptanda.[24][26] Oksidaciona stanja elementa u ovim jonima nisu celi broj, slično kao kod jedinjenja ozona O3−.

Izotopi uredi

Germanijum ima pet prirodnih izotopa: 70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge i 76Ge. Među njima, 76Ge je vrlo slabo radioaktivan, raspadajući se dvostrukim beta-raspadom sa vremenom poluraspada od 1,78×1021 godina.

Izotop 74Ge je najčešći prirodni izotop germanijuma, koji ima udeo u prirodnom germanijumu od oko 36%. Izotop 76Ge je najmanje zastupljeni izotop u prirodnom germanijumu, koji ima udeo od oko 7%.[27] Ukoliko se bombarduje alfa česticama, izotop 72Ge generiše stabilni izotop selena 77Se, otpuštajući tokom tog procesa elektrone visokih energija.[28] Zbog ovog, koristi se u kombinaciji sa radonom za atomske baterije.[28]

Poznato je najmanje 27 radioaktivnih veštačkih izotopa germanijuma čije se atomske mase kreću od 58 do 89. Među njima, najstabilniji je izotop 68Ge, raspada se elektronskim zahvatom sa vremenom poluraspada od 270,95 dana. Jedan od najnestabilnijih izotopa je 60Ge čije vreme poluraspada iznosi 30 ms. Većina radioaktivnih izotopa germanijuma se raspada beta raspadom, dok se izotopi 61Ge i 64Ge raspadaju β+ odloženom emisijom protona.[27] Izotopi od 84Ge do 87Ge iskazuju slabiji β- raspad odloženom emisijom neutrona.[27]

Reference uredi

  1. ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305. 
  2. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds Arhivirano na sajtu Wayback Machine (12. januar 2012), in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  3. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 0-8493-0464-4. 
  4. ^ a b v g „Properties of Germanium”. Ioffe Institute. 
  5. ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  6. ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 
  7. ^ Masanori Kaji (2002). „D. I. Mendeleev's concept of chemical elements and The Principles of Chemistry” (PDF). Bulletin for the History of Chemistry. 27 (1): 4—16. Arhivirano iz originala (PDF) 17. 12. 2008. g. Pristupljeno 2. 7. 2014. 
  8. ^ „Argyrodite—Ag
    8    GeS
    6    ”     (PDF). Mineral Data Publishing. Pristupljeno 1. 9. 2008.     
  9. ^ Clemens Winkler (1887). „Mittheilungen über des Germanium. Zweite Abhandlung”. J. Prak. Chemie. 36 (1): 177—209. doi:10.1002/prac.18870360119. Pristupljeno 20. 8. 2008. 
  10. ^ a b Clemens Winkler (1887). „Germanium, Ge, a New Nonmetal Element”. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 19 (1): 210—211. doi:10.1002/cber.18860190156. 
  11. ^ J. C. Adams (13. 11. 1846). „Explanation of the observed irregularities in the motion of Uranus, on the hypothesis of disturbance by a more distant planet”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society; Blackwell Publishing. 7: 149. 
  12. ^ Rev. J. Challis (13. 11. 1846). „Account of observations at the Cambridge observatory for detecting the planet exterior to Uranus”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Blackwell Publishing. 7: 145—149. 
  13. ^ Robert Sears (1. 7. 1877). „Scientific Miscellany”. The Galaxy; Siebert & Lilley. 24 (1): 131. ISBN 0-665-50166-8. 
  14. ^ „Editor's Scientific Record”. Harper's new monthly magazine. 55 (325): 152—153. 1. 6. 1877. 
  15. ^ Peter van der Krogt. „Elementymology & Elements Multidict: Niobium”. Pristupljeno 20. 8. 2008. 
  16. ^ A. Westgren (1964). „The Nobel Prize in Chemistry 1951: presentation speech”. Nobel Lectures, Chemistry 1942–1962. Elsevier. 
  17. ^ Emsley John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. str. 506—510. ISBN 0-19-850341-5. 
  18. ^ . U.S. Geological Survey. „Germanium—Statistics and Information”. U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries. 2008. Pristupljeno 28. 8. 2008. 
  19. ^ a b Holleman A. F.; Wiberg, E.; Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (102 izd.). de Gruyter. ISBN 978-3-11-017770-1. 
  20. ^ „Germanium”. Los Alamos National Laboratory. Pristupljeno 28. 8. 2008. 
  21. ^ Chardin, B.; Binetruy, B (2001). „Dark Matter: Direct Detection”. The Primordial Universe: 28 June – 23 July 1999. Springer. str. 308. ISBN 3-540-41046-5. 
  22. ^ Lévy, F.; Sheikin, I.; Grenier, B.; Huxley, Ad. (1. 8. 2005). „Magnetic field-induced superconductivity in the ferromagnet URhGe”. Science. 309 (5739): 1343—1346. 
  23. ^ Tabet, N; Salim Mushtaq A. (1998). „KRXPS study of the oxidation of Ge(001) surface”. Applied Surface Science. 134 (1–4): 275. doi:10.1016/S0169-4332(98)00251-7. 
  24. ^ a b N. N. Greenwood; A. Earnshaw (1988). Chemie der Elemente (1 izd.). Weinheim: VCH. str. 482. ISBN 3-527-26169-9. 
  25. ^ Tabet, N; A.L Al-Oteibi; M.A Salim (1999). „XPS study of the growth kinetics of thin films obtained by thermal oxidation of germanium substrates”. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 101–103: 233. 
  26. ^ Li Xu; Sevov Slavi C. (1999). „Oxidative Coupling of Deltahedral [Ge9]4− Zintl Ions”. J. Am. Chem. Soc. 121 (39): 9245—9246. doi:10.1021/ja992269s. 
  27. ^ a b v Audi, G.; Bersillon, O.; Blachot, J.; Wapstra A.H. (2003). „Nubase2003 Evaluation of Nuclear and Decay Properties”. Nuclear Physics A. Atomic Mass Data Center. 729 (1): 3—128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 
  28. ^ a b Perreault, Bruce A. "Alpha Fusion Electrical Energy Valve", SAD patent 7800286, izdan 21.9.2010. PDF.

Spoljašnje veze uredi

 
Germanijum na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Германијум&oldid=26122221”