GERMANIUM: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, MEMPEROLEH, PENGGUNAAN - KIMIA - 2026

The germanium adalah unsur metaloid diwakili dengan simbol kimia Ge dan dipunyai oleh kumpulan 14 dalam jadual berkala. Ia dijumpai di bawah silikon, dan berkongsi banyak sifat fizikal dan kimianya dengannya; sehinggakan namanya Ekasilicio, diramalkan oleh Dmitri Mendeleev sendiri.

Nama sekarang diberikan oleh Clemens A. Winkler, untuk menghormati tanah airnya Jerman. Oleh itu, germanium dikaitkan dengan negara ini, dan ia adalah gambaran pertama yang membangkitkan fikiran mereka yang tidak mengetahuinya dengan baik.

Sampel germanium yang sangat tulen. Sumber: Imej Hi-Res Elemen Kimia

Germanium, seperti silikon, terdiri daripada kristal kovalen kisi tetrahedral tiga dimensi dengan ikatan Ge-Ge. Begitu juga, ia boleh didapati dalam bentuk monokristalin, di mana biji-bijiannya besar, atau polikristalin, terdiri daripada ratusan kristal kecil.

Ini adalah elemen semikonduktor pada tekanan ambien, tetapi apabila naik di atas 120 kbar, ia menjadi allotrope logam; maksudnya, kemungkinan ikatan Ge-Ge terputus dan mereka disusun secara berasingan dibungkus di lautan elektronnya.

Ia dianggap sebagai unsur tidak beracun, kerana ia dapat ditangani tanpa jenis pakaian pelindung; walaupun penyedutan dan pengambilan berlebihan boleh menyebabkan gejala kerengsaan klasik pada individu. Tekanan wapnya sangat rendah, jadi asapnya tidak mungkin menyebabkan kebakaran.

Walau bagaimanapun, organik (garam) dan germanium organik boleh membahayakan tubuh, walaupun atom Ge mereka berinteraksi secara misterius dengan matriks biologi.

Tidak benar-benar diketahui apakah germanium organik dapat dianggap sebagai ubat ajaib untuk mengubati gangguan tertentu sebagai ubat alternatif. Walau bagaimanapun, kajian saintifik tidak menyokong tuntutan ini, tetapi menolaknya, dan menjadikan elemen ini sebagai karsinogenik.

Germanium bukan sahaja semikonduktor, silikon, selenium, galium dan rangkaian elemen keseluruhan dalam dunia bahan semikonduktor dan aplikasinya; Ia juga telus terhadap sinaran inframerah, menjadikannya berguna untuk pembuatan alat pengesan haba dari pelbagai sumber atau wilayah.

Sejarah

Ramalan Mendeleev

Germanium adalah salah satu elemen yang keberadaannya diramalkan pada tahun 1869 oleh ahli kimia Rusia Dmitri Mendeleev dalam jadual berkala. Dia secara sementara menyebutnya ekasilicon dan meletakkannya di ruang di atas meja berkala antara timah dan silikon.

Pada tahun 1886, Clemens A. Winkler menemui germanium dalam sampel mineral dari lombong perak berhampiran Freiberg, Saxony. Ia adalah mineral yang disebut argyrodite, kerana kandungan peraknya yang tinggi, dan baru ditemui pada tahun 1885.

Sampel argyrodite mengandungi 73-75% perak, 17-18% sulfur, 0,2% merkuri, dan 6-7% unsur baru, yang kemudian dinamakan Winkler sebagai germanium.

Mendeleev telah meramalkan bahawa ketumpatan elemen untuk ditemui harus 5.5 g / cm ³ dan berat atom sekitar 70. ramalan beliau ternyata menjadi agak rapat dengan orang-orang germanium.

Pengasingan dan nama

Pada tahun 1886, Winkler dapat mengasingkan logam baru dan menemukannya serupa dengan antimoni, tetapi dia mempertimbangkan kembali dan menyedari bahawa elemen yang dia temui sesuai dengan ekasilicon.

Winkler menamakan elemen 'germanium' yang berasal dari perkataan Latin 'germania', kata yang mereka gunakan untuk menggambarkan Jerman. Atas sebab ini, Winkler menamakan unsur baru germanium, setelah ia berasal dari Jerman.

Penentuan sifatnya

Pada tahun 1887, Winkler menentukan sifat kimia germanium, mencari berat atom 72.32 dengan analisis tetraklorida germanium tulen (GeCl ₄ ).

Sementara itu, Lecoq de Boisbaudran menyimpulkan berat atom sebanyak 72.3 dengan mengkaji spektrum percikan unsur tersebut. Winkler menyediakan beberapa sebatian baru dari germanium, termasuk fluorida, klorida, sulfida, dan dioksida.

Pada tahun 1920-an, penyelidikan ke atas sifat elektrik germanium membawa kepada pengembangan germanium monokristalin dengan kemurnian tinggi.

Perkembangan ini memungkinkan penggunaan germanium dalam diod, penyearah, dan penerima radar gelombang mikro semasa Perang Dunia II.

Pembangunan aplikasi anda

Aplikasi perindustrian pertama muncul setelah perang pada tahun 1947, dengan penemuan transistor germanium oleh John Bardeen, Walter Brattain, dan William Shockley, yang digunakan dalam peralatan komunikasi, komputer, dan radio mudah alih.

Pada tahun 1954, transistor silikon dengan kemurnian tinggi mula menggantikan transistor germanium kerana kelebihan elektronik yang dimiliki. Dan pada tahun 1960-an, transistor germanium hampir hilang.

Germanium ternyata menjadi komponen utama dalam pembuatan lensa dan tingkap inframerah (IR). Pada tahun 1970-an, sel voltaic silicon germanium (SiGe) dihasilkan (PVC) yang tetap penting untuk operasi satelit.

Pada tahun 1990-an, pengembangan dan pengembangan serat optik meningkatkan permintaan germanium. Elemen tersebut digunakan untuk membentuk teras kaca kabel gentian optik.

Mulai tahun 2000, PVC kecekapan tinggi dan diod pemancar cahaya (LED) menggunakan germanium menyebabkan peningkatan pengeluaran dan penggunaan germanium.

Sifat fizikal dan kimia

Penampilan

Putih keperakan dan berkilat. Apabila padatnya terdiri dari banyak kristal (polikristalin), ia mempunyai permukaan bersisik atau berkerut, penuh dengan nada dan bayangan. Kadang kala ia kelihatan seperti kelabu atau hitam seperti silikon.

Dalam keadaan standard, ia adalah unsur separa logam, getaran rapuh dan logam.

Germanium adalah semikonduktor, tidak terlalu mulus. Ini memiliki indeks bias tinggi untuk cahaya yang terlihat, tetapi transparan untuk radiasi inframerah, digunakan di tingkap peralatan untuk mengesan dan mengukur radiasi ini.

Berat atom standard

72.63 u

Nombor atom (Z)

32

Takat lebur

938.25 ºC

Takat didih

2,833 ºC

Ketumpatan

Pada suhu bilik: 5.323 g / cm ³

Pada titik lebur (cecair): 5,60 g / cm ³

Germanium, seperti silikon, galium, bismut, antimoni, dan air, mengembang ketika mengeras. Atas sebab ini, ketumpatannya lebih tinggi dalam keadaan cecair daripada keadaan pepejal.

Panas pelakuran

36.94 kJ / mol

Haba pengewapan

334 kJ / mol

Kapasiti kalori molar

23.222 J / (mol K)

Tekanan wap

Pada suhu 1,644 K, tekanan wapnya hanya 1 Pa. Ini bermaksud bahawa cairannya tidak mengeluarkan wap pada suhu tersebut, sehingga tidak menyiratkan risiko penyedutan.

Elektronegativiti

2.01 pada skala Pauling

Tenaga pengionan

-Pertama: 762 kJ / mol

-Kedua: 1,537 kJ / mol

-Ketiga: 3,302.1 kJ / mol

Kekonduksian terma

60.2 W / (m K)

Ketahanan elektrik

1 Ωm pada 20 ºC

Kekonduksian elektrik

3S cm ^-1

Susunan magnet

Diamagnetik

Kekerasan

6.0 pada skala Mohs

Kestabilan

Secara relatifnya stabil. Ia tidak dipengaruhi oleh udara pada suhu bilik dan mengoksidasi pada suhu di atas 600ºC.

Ketegangan permukaan

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

Kereaktifan

Ia mengoksidasi pada suhu di atas 600ºC untuk membentuk germanium dioksida (GeO ₂ ). Germanium menghasilkan dua bentuk oksida: germanium dioksida (GeO ₂ ) dan germanium monoksida (GeO).

Sebatian Germanium secara amnya menunjukkan keadaan pengoksidaan +4, walaupun pada sebilangan besar sebatian germanium berlaku dengan keadaan pengoksidaan +2. Keadaan pengoksidaan - 4 berlaku, misalnya, dalam magnesium germanide (Mg ₂ Ge).

Germanium bertindak balas dengan halogen untuk membentuk tetrahalida: germanium tetrafluorida (GeF ₄ ), sebatian gas; germanium tetraiodide (GeI ₄ ), sebatian pepejal; germanium tetrachloride (GeCl ₄ ) dan germanium tetrabromide (GeBr ₄ ), kedua-dua sebatian cecair.

Germanium lengai ke arah asid hidroklorik; tetapi diserang oleh asid nitrik dan asid sulfurik. Walaupun hidroksida dalam larutan berair tidak banyak memberi kesan pada germanium, ia mudah larut dalam hidroksida cair untuk membentuk geronat.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Germanium dan ikatannya

Germanium mempunyai empat elektron valensi mengikut konfigurasi elektroniknya:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Seperti karbon dan silikon, atom Ge mereka meng hibridkan orbital 4s dan 4p mereka untuk membentuk empat orbital hibrid sp ³ . Dengan orbital ini, mereka mengikat untuk memenuhi oktet valensi dan, dengan itu, mempunyai bilangan elektron yang sama dengan gas mulia pada masa yang sama (krypton).

Dengan cara ini, ikatan kovalen Ge-Ge timbul, dan mempunyai empat daripadanya untuk setiap atom, tetrahedra sekitarnya ditentukan (dengan satu Ge di tengah dan yang lain di bucu). Oleh itu, rangkaian tiga dimensi dibentuk oleh anjakan tetrahedra ini di sepanjang kristal kovalen; yang berkelakuan seolah-olah molekul besar.

Allotrop

Kristal germanium kovalen menggunakan struktur padu berlian (dan silikon) yang berpusat di muka. Allotrope ini dikenali sebagai α-Ge. Sekiranya tekanan meningkat kepada 120 kbar (kira-kira 118,000 atm), struktur kristal α-Ge menjadi tetragonal berpusat badan (BCT, untuk akronimnya dalam bahasa Inggeris: Tetragonal berpusat badan).

Kristal BCT ini sesuai dengan allotrope kedua germanium: β-Ge, di mana ikatan Ge-Ge dipecahkan dan disusun secara terpisah, seperti yang berlaku dengan logam. Oleh itu, α-Ge adalah separa logam; sementara β-Ge adalah logam.

Nombor pengoksidaan

Germanium boleh kehilangan empat elektron valensinya, atau menambah empat elektron menjadi isoelektronik dengan krypton.

Apabila kehilangan elektron dalam sebatiannya, ia dikatakan mempunyai nombor positif atau keadaan pengoksidaan, di mana kewujudan kation dengan cas yang sama dengan nombor ini dianggap. Di antaranya kita mempunyai +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) dan +4 (Ge ⁴⁺ ).

Contohnya, sebatian berikut mempunyai germanium dengan nombor pengoksidaan positif: 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- ) dan GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Manakala apabila memperoleh elektron dalam sebatiannya, ia mempunyai nombor pengoksidaan negatif. Antaranya yang paling biasa ialah -4; iaitu kewujudan Ge ^4- anion diasumsikan . Dalam germanides ini berlaku, dan sebagai contohnya kita mempunyai Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) dan Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Di mana mencari dan mendapatkan

Mineral sulfur

Sampel mineral argyrodite, rendah tetapi bijih unik untuk pengekstrakan germanium. Sumber: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanium adalah unsur yang agak jarang berlaku di kerak bumi. Beberapa mineral mengandungi sejumlah besar, di antaranya dapat kita sebutkan: argyrodite (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanite (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartite (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renierite dan canfieldite.

Kesemuanya mempunyai persamaan: mereka adalah mineral sulfur atau sulfur. Oleh itu, germanium mendominasi di alam semula jadi (atau sekurang-kurangnya di Bumi), seperti GeS ₂ dan bukan GeO ₂ (berbeza dengan rakan sejenis SiO ₂ , silika).

Sebagai tambahan kepada mineral yang disebutkan di atas, germanium juga didapati terdapat dalam kepekatan massa 0.3% dalam simpanan karbon. Begitu juga, beberapa mikroorganisma dapat memprosesnya untuk menghasilkan sejumlah kecil GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ dan GeH ₃ (CH ₃ ), yang akhirnya berpindah ke sungai dan laut.

Germanium adalah produk sampingan dari pemprosesan logam seperti zink dan tembaga. Untuk mendapatkannya, ia mesti menjalani serangkaian tindak balas kimia untuk mengurangkan sulfurnya ke logam yang sesuai; iaitu, untuk menghilangkan GeS ₂ atom sulfurnya sehingga hanya Ge.

Memanggang

Mineral sulfur menjalani proses memanggang di mana ia dipanaskan bersama-sama dengan udara agar oksidasi berlaku:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Untuk memisahkan germanium dari residu, ia diubah menjadi klorida masing-masing, yang dapat disuling:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Seperti yang dapat dilihat, transformasi dapat dilakukan dengan menggunakan asid hidroklorik atau gas klorin. GeCl ₄ kemudian dihidrolisis kembali ke GeO ₂ , di mana ia mengendap sebagai pepejal putih. Akhirnya, oksida bertindak balas dengan hidrogen untuk mengurangkan kepada germanium logam:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Pengurangan yang juga boleh dilakukan dengan arang:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Germanium yang diperoleh terdiri daripada serbuk yang dibentuk atau ditempelkan ke batang logam, dari mana kristal germanium bersinar dapat ditanam.

Isotop

Germanium tidak mempunyai sifat isotop yang sangat banyak. Sebaliknya, ia mempunyai lima isotop yang jumlahnya relatif rendah: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) dan ⁷⁶ Ge (7.75%). Perhatikan bahawa berat atom ialah 72.630 u, yang rata-rata semua jisim atom dengan isotop yang banyak.

Isotop ⁷⁶ Ge sebenarnya radioaktif; tetapi jangka hayatnya sangat panjang (t _1/2 = 1.78 × 10 ²¹ tahun) sehingga boleh dikatakan antara lima isotop germanium yang paling stabil. Radioisotop lain, seperti ⁶⁸ Ge dan ⁷¹ Ge, kedua-duanya sintetik, mempunyai separuh hayat yang lebih pendek (masing-masing 270.95 hari dan 11.3 hari).

Risiko

Germanium unsur dan bukan organik

Risiko persekitaran terhadap germanium agak kontroversial. Menjadi logam yang sedikit berat, penyebaran ionnya dari garam larut dalam air dapat menyebabkan kerosakan pada ekosistem; iaitu, haiwan dan tumbuh-tumbuhan dapat dipengaruhi oleh pengambilan ion Ge ³⁺ .

Elemen germanium selamat selagi tidak serbuk. Sekiranya berada di dalam habuk, arus udara dapat membawanya ke sumber haba atau bahan yang sangat mengoksidakan; dan akibatnya terdapat risiko kebakaran atau letupan. Juga, kristalnya boleh berakhir di paru-paru atau mata, menyebabkan kerengsaan yang teruk.

Seseorang dapat dengan selamat mengendalikan cakera germanium di pejabatnya tanpa perlu risau akan kemalangan. Walau bagaimanapun, perkara yang sama tidak dapat dinyatakan untuk sebatian anorganiknya; iaitu garam, oksida dan hidrida. Sebagai contoh, GeH ₄ atau Germanic (serupa dengan CH ₄ dan SiH ₄ ), adalah gas yang cukup menjengkelkan dan mudah terbakar.

Germanium organik

Sekarang terdapat sumber organik germanium; Antaranya, penyebutan boleh dibuat mengenai 2-karboksiletilgermasquioksana atau germanium-132, suplemen alternatif yang diketahui dapat merawat penyakit tertentu; walaupun dengan bukti yang diragukan.

Sebilangan kesan perubatan yang dikaitkan dengan germanium-132 adalah untuk menguatkan sistem imun, sehingga membantu memerangi barah, HIV dan AIDS; mengatur fungsi tubuh, serta meningkatkan tahap pengoksigenan dalam darah, menghilangkan radikal bebas; dan juga menyembuhkan artritis, glaukoma dan penyakit jantung.

Walau bagaimanapun, germanium organik dikaitkan dengan kerosakan serius pada buah pinggang, hati dan sistem saraf. Itulah sebabnya ada risiko terpendam ketika memakan suplemen germanium ini; Nah, walaupun ada yang menganggapnya sebagai penyembuh ajaib, ada juga yang memperingatkan bahawa ia tidak memberikan manfaat yang terbukti secara ilmiah.

Permohonan

Optik inframerah

Beberapa sensor radiasi inframerah terbuat dari germanium atau aloi. Sumber: Adafruit Industries melalui Flickr.

Germanium telus terhadap sinaran inframerah; iaitu, mereka dapat melaluinya tanpa diserap.

Berkat ini, gelas dan lensa germanium telah dibina untuk peranti optik inframerah; misalnya, digabungkan dengan pengesan IR untuk analisis spektroskopi, dalam lensa yang digunakan dalam teleskop ruang inframerah jauh untuk mengkaji bintang yang paling jauh di Alam Semesta, atau pada sensor cahaya dan suhu.

Sinaran inframerah dikaitkan dengan getaran molekul atau sumber haba; jadi alat yang digunakan dalam industri ketenteraan untuk melihat sasaran penglihatan malam mempunyai komponen yang terbuat dari germanium.

Bahan semikonduktor

Dioda Germanium dikemas dalam gelas dan digunakan pada tahun 60an dan 70an. Sumber: Rolf Süssbrich

Germanium sebagai metalloid semikonduktor telah digunakan untuk membina transistor, litar elektrik, diod pemancar cahaya, dan mikrocip. Pada yang terakhir, aloi germanium-silikon, dan bahkan germanium, dengan sendirinya telah mula menggantikan silikon, supaya rangkaian yang lebih kecil dan lebih kuat dapat dirancang.

Oksida, GeO ₂ , karena indeks biasannya yang tinggi, ditambahkan ke gelas sehingga dapat digunakan dalam mikroskopi, objektif sudut lebar dan serat optik.

Germanium bukan hanya dapat menggantikan silikon dalam aplikasi elektronik tertentu, tetapi juga dapat digabungkan dengan gallium arsenide (GaAs). Oleh itu, logam ini juga terdapat dalam panel solar.

Pemangkin

GeO ₂ telah digunakan sebagai pemangkin untuk tindak balas pempolimeran; sebagai contoh, yang diperlukan untuk sintesis polyethylene terephthalate, plastik dengan botol berkilat yang dijual di Jepun dibuat.

Begitu juga, nanopartikel aloi platinum mereka memangkinkan reaksi redoks di mana ia melibatkan pembentukan gas hidrogen, menjadikan sel-sel voltan ini lebih berkesan.

Aloi

Akhirnya, telah disebutkan bahawa terdapat paduan Ge-Si dan Ge-Pt. Selain itu, atom Genya dapat ditambahkan ke kristal logam lain, seperti perak, emas, tembaga dan berilium. Aloi ini menunjukkan kemuluran dan ketahanan kimia yang lebih besar daripada logam masing-masing.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. FizikOpenLab. (2019). Struktur kristal silikon & germanium. Dipulihkan dari: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19 Julai 2016). Adakah Germanium adalah Penyembuhan Keajaiban? Media Kesihatan. Dipulihkan dari: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Jadual berkala: germanium. Dipulihkan dari: lenntech.com
6. Pusat Maklumat Nasional Bioteknologi. (2019). Germanium. Pangkalan Data PubChem. CID = 6326954. Dipulihkan dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Doug Stewart. (2019). Fakta Elemen Germanium. Chemicool. Dipulihkan dari: chemicool.com
8. Emil Venere. (8 Disember 2014). Germanium pulang ke Purdue untuk pencapaian tonggak semikonduktor. Dipulihkan dari: purdue.edu
9. Marques Miguel. (sf). Germanium. Dipulihkan dari: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: kejadian, kepentingan dan spesiasi alam sekitar. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x