Германијум

Германијум (, лат. ) металоид је A групе са атомским бројем 32.^[5] Има неколико изотопа чије се атомске масе налазе између 64-83. Постојано је пет: 70, 72, 73, 74 i 76.^[6] Заступљен је у земљиној кори у количини од 1,8 (енг. ), као пратилац руда цинка и бакра. Он је сјајни, тврди, сиво-бели полуметал из групе угљеника, хемијски сличан својим комшијама из главне групе периодног система елемената калају и силицијуму. Чисти елементарни германијум је полупроводник, изгледом највише наликује елементарном силицијуму. Попут силицијума, германијум врло лако реагује и са кисеоником из природе гради комплексе. За разлику од силицијума, он је исувише реактиван да би се природно нашао на Земљи у свом елементарном стању.

Чинија од германијума

Германијум

Општа својства
Име, симбол	германијум, Ge
Изглед	сивкасто-бео
У периодноме систему
Водоник Хелијум Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон ↑ Ge ↓ галијум ← германијум → арсен ‍
Атомски број (Z)	32
Група, периода	група 14 (угљеникова група), периода 4
Блок	p-блок
Категорија	металоид
Рел. ат. маса (Ar)	72,630(8)[1]
Ел. конфигурација
по љускама	2, 8, 18, 4
Физичка својства
Тачка топљења	1211,40 K ​(938,25 °‍C, ​1720,85 °F)
Тачка кључања	3106 K ​(2833 °‍C, ​5131 °F)
Густина при с.т.	5,323 g/cm3
течно ст., на т.т.	5,60 g/cm3
Топлота фузије	36,94 kJ/mol
Топлота испаравања	334 kJ/mol
Мол. топл. капацитет	23,222 J/(mol·K)
Напон паре P (Pa) 100 101 102 на T (K) 1644 1814 2023 P (Pa) 103 104 105 на T (K) 2287 2633 3104
Атомска својства
Електронегативност	2,01
Енергије јонизације	1: 762 kJ/mol 2: 1537,5 kJ/mol 3: 3302,1 kJ/mol
Атомски радијус	122 pm
Ковалентни радијус	122 pm
Валсов радијус	211 pm
Спектралне линије
Остало
Кристална структура	​постраничноцентр. дијамантска кубична
Брзина звука танак штап	5400 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширење	6,0 µm/(m·K)
Топл. водљивост	60,2 W/(m·K)
Електроотпорност	1 Ω·m (на 20 °‍C)
Енергетска празнина	0,67 eV (на 300 K)
Магнетни распоред	дијамагнетичан[2]
Магнетна сусцептибилност (χmol)	−76,84·10−6 cm3/mol[3]
Јангов модул	103 GPa[4]
Модул смицања	41 GPa[4]
Модул стишљивости	75 GPa[4]
Поасонов коефицијент	0,26[4]
Мосова тврдоћа	6,0
CAS број	7440-56-4
Историја
Именовање	по Немачкој, где је откривен
Предвиђање	Дмитриј Мендељејев (1869)
Откриће	Клеменс Винклер (1886)
Главни изотопи
изотоп расп. пж. (1/2) ТР ПР 68 syn 270,95  ε 68 70 20,52% стабилни 71 11,3 ε 71 72 27,45% стабилни 73 7,76% стабилни 74 36,7% стабилни 76 7,75% 1,78×1021 y β−β− 76
референце • Википодаци

Пошто постоји врло мали број минерала који га садрже у високим концентрацијама, германијум је откривен релативно касно у историји хемије. Међу елементима по распрострањености у Земљиној кори, он се налази приближно на 50. месту. Руски хемичар Дмитриј Мендељејев је 1869. године предвидео његово постојање и неке од његових особина на основу положаја у периодном систему којег је Мендељејев креирао. Дао му је име екасилицијум. Готово две деценије касније, 1886. године, Клеменс Винклер је открио нови елемент, као пратиоца сребра и сумпора у ретком минералу названом аргиродит. Мада је нови елемент изгледом на неки начин имао сличности са арсеном и антимоном, његови комбиновани односи у једињењу новог елемента су били у сагласности са Мендељејевљевим предвиђањима у односу на силицијум. Винклер је новом елементу дао име по имену своје домовине, Немачке. Данас се германијум углавном издваја из сфалерита (основне руде цинка), мада се често индустријски издваја и из руда сребра, олова и бакра.

Метални германијум (изоловани елементарни) се користи као полупроводник у транзисторима и различитим електронским уређајима. У прошлости, цела генерација првобитних електронских полупроводника је потпуно била заснована на германијуму. Међутим, данас на његову производњу у сврху полупроводника отпада врло мали удио (2%) уместо ултра чистог силицијума, који је углавном заменио германијум. У данашње доба, главни потрошачи германијума су системи за оптичка влакна, оптички уређаји за инфрацрвени део спектра и апликације за соларне ћелије. Једињења германијума се користе као катализатори за реакције полимеризације а однедавно се користе и за производњу наножица. Овај елемент гради велики број органометалних једињења, као што је тетраетилгерманијум, врло користан у органометалној хемији. Германијум се не сматра да је неопходан елемент за било који живи организам. Нека комплексна органо-германијумовв једињења су били истраживана као могући препарати у фармацији, међутим ниједно се није показало успешним. Слично као и силицијум и алуминијум, природна једињења германијума су већином нерастворљива у води, те стога нису исувише отровни. Међутим, синтетички добијене растворљиве соли германијума су се показале да делују као нефротоксин, док су вештачки, хемијски реактивна једињења германијума са халогеним елементима и водоником иритирајућа и отровна.

Историја

Немачки хемичар Клеменс Винклер

Када је објавио свој периодни закон хемијских елемената 1869. године, руски хемичар Дмитриј Мендељејев је превидео постојање неколико до тада непознатих хемијских елемената, између осталих и једног који би попунио празнину у групи угљеника у својој табели периодног система, између силицијума и калаја.^[7] Због његовог положаја у периодној табели, Мендељејев га је назвао екасилицијум (), и претпоставио је његову релативну атомску масу од 72.

Средином 1885. године, у руднику у близини саског града Фрајберга откривен нови минерал који је добио име аргиродит због великог удела сребра у њему. (из грчког, у значењу који садржи сребро)^[8] Хемичар Клеменс Винклер је анализирао нови минерал за који се испоставило да садржи комбинацију сребра, сумпора и једног новог елемента. Винклеру је успело да изолује овај елемент 1886. године, утврдивши да је по неким особинама сличан антимону.^[9][10] Пре него што је Винклер објавио резултате свог истраживања о новом елементу, одлучио је да му додели име нептунијум у част тада новооткривене планете Нептун 1846. године, а чије постојање је било раније превиђено и математички израчунато. Као што је предвиђено постојање новог елемента, и постојање планете Нептун је предвиђено око 1843. године од стране два математичара Џон Куч Адамс и Ирбен Леверије, користећи математичке методе небеске механике. Ово су утврдили полазећи од чињенице да се након детаљног проучавања кретања планете Урана чинило да га нека сила или друга планета омета у природном кретању.^[11] Џејмс Чалис је започео потрагу за том планетом у јулу 1846. године и открио нову планету 23. септембра 1846. године.^[12] Међутим, пошто је име нептунијум већ било додељено другом претпостављеном хемијском елементу (мада тај елемент није елемент који данас носи име нептунијум, откривен тек 1940. године), тако да је Винклер одлучио да новом елементу да име германијум (из лат. речи , Немачка) у част своје домовине.^[10] За минерал аргиродит касније се искуствено показао да је .

Р. Херман је 1877. године објавио своје откриће новог елемента који би се требао налазити испод тантала у периодном систему, којем је дао име нептунијум, по имену грчког божанства океана и мора.^[13][14] Међутим овај метал је касније идентификован као легура елемената ниобијума и тантала.^[15] Име нептунијум дато је синтетичком елементу откривеном много касније који се налазио удесно од уранијума у периодном систему, а којег су открили нуклеарни физичари 1940-их година.^[16]

Особине

Кристална структура германијума

У стандардним условима, германијум је крхки, сребрнасто-бели, полуметални елемент.^[17] Овај облик германијума сачињава алотропска модификација, технички позната као α-германијум, који има метални сјај и кубичну кристалну структуру, исту као и дијамант.^[18] При притиску изнад 120 , формира се различити алотроп познат као β-германијум, који има исту структуру као и β-калај.^[19] Поред силицијума, галијума, бизмута, антимона и воде, он је једна од малобројних супстанци која се шири када прелази из своје течне фазе у чврсто стање.^[19]

Германијум је полупроводник. Технике зонског рафинирања су довеле до производње кристалног германијума погодног за полупроводнике, у којем је удео нечистоћа највише 1 према 10¹⁰,^[20] што се сматра једним од најчистијих материјала икад произведених.^[21] Први метални материјал, откривен 2005. године, који је постао суперпроводник у присуству изузетно снажног електромагнетног поља била је легура германијума са уранијумом и родијумом.^[22] За чисти германијум је примећено да се спонтано издужује у веома дуге увијене дислокације. Оне су један од основних разлога зашто се кваре старе диоде и транзистори начињени од германијума, а ако се такви предмети додирну, могу изазвати и кратки спој.

Хемијске

Елементарни германијум врло споро оксидира до ₂ при 250 °.^[23] Германијум не растварају разређене киселине и базе, али се споро раствара у концентрованој сумпорној киселини а бурно реагује са раствореним базама дајући германате ([GeO
3]2−
). Германијум се јавља углавном у оксидационом стању +4, мада је познат велики број његових једињења са оксидационим бројем +2.^[24] Друга оксидацијска стања су ретка, попут +3 које је доказано у једињењу као што је , а стања +3 и +1 су пронађена на површинама оксида,^[25] или негативна оксидацијска стања у германатима, као што је -4 у GeH
4. Кластер анјони германијума (Зинтл јони) попут ₄²⁻, ₉⁴⁻, ₉²⁻, [(₉)₂]⁶⁻ су добијени издвајањем из легура које садрже алкалне метале и германијум у течном амонијаку у присуству етилендиамина или криптанда.^[24][26] Оксидациона стања елемента у овим јонима нису цели број, слично као код једињења озона O₃⁻.

Изотопи

Германијум има пет природних изотопа: и ⁷⁶. Међу њима, ⁷⁶ је врло слабо радиоактиван, распадајући се двоструким бета-распадом са временом полураспада од 1,78×10²¹ година.

Изотоп ⁷⁴ је најчешћи природни изотоп германијума, који има удео у природном германијуму од око 36%. Изотоп ⁷⁶ је најмање заступљени изотоп у природном германијуму, који има удео од око 7%.^[27] Уколико се бомбардује алфа честицама, изотоп ⁷² генерише стабилни изотоп селена ⁷⁷, отпуштајући током тог процеса електроне високих енергија.^[28] Због овог, користи се у комбинацији са радоном за атомске батерије.^[28]

Познато је најмање 27 радиоактивних вештачких изотопа германијума чије се атомске масе крећу од 58 до 89. Међу њима, најстабилнији је изотоп ⁶⁸, распада се електронским захватом са временом полураспада од 270,95 дана. Један од најнестабилнијих изотопа је ⁶⁰ чије време полураспада износи 30 . Већина радиоактивних изотопа германијума се распада бета распадом, док се изотопи ⁶¹ и ⁶⁴ распадају β⁺ одложеном емисијом протона.^[27] Изотопи од ⁸⁴ до ⁸⁷ исказују слабији β^- распад одложеном емисијом неутрона.^[27]

Референце

1. Meija, J.; . (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 Архивирано на сајту (12. јануар 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. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
4. „Properties of Germanium”. Ioffe Institute.
5. Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). 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. Архивирано из оригинала (PDF) 17. 12. 2008. г. Приступљено 2. 7. 2014.
8. „Argyrodite—Ag
   8GeS
   6” (PDF). Mineral Data Publishing. Приступљено 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. Приступљено 20. 8. 2008.
10. 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”. Приступљено 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. стр. 506—510. ISBN 0-19-850341-5.
18. . U.S. Geological Survey. „Germanium—Statistics and Information”. U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries. 2008. Приступљено 28. 8. 2008.
19. Holleman A. F.; Wiberg, E.; Wiberg, N. (2007). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (102 изд.). de Gruyter. ISBN 978-3-11-017770-1.
20. „Germanium”. Los Alamos National Laboratory. Приступљено 28. 8. 2008.
21. Chardin, B.; Binetruy, B (2001). „Dark Matter: Direct Detection”. The Primordial Universe: 28 June – 23 July 1999. Springer. стр. 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. N. N. Greenwood; A. Earnshaw (1988). Chemie der Elemente (1 изд.). Weinheim: VCH. стр. 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. 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. Perreault, Bruce A. "Alpha Fusion Electrical Energy Valve", SAD patent 7800286, izdan 21.9.2010. PDF.

Спољашње везе