Germanium (Ge), chemický prvek mezi křemíkem a cínem ve skupině 14 (IVa) periodické tabulky, stříbřitě šedý metaloid, meziprodukt ve vlastnostech mezi kovy a nekovy. Ačkoli germanium nebylo objeveno až do roku 1886 německým chemikem Clemensem Winklerem, jeho existenci, vlastnosti a postavení v periodickém systému předpověděl v roce 1871 ruský chemik Dmitrij Ivanovič Mendelejev, který nazval hypotetický prvek ekasilicon. (Jméno germanium pochází z latinského slova Germania [Německo] a bylo tomuto prvku dáno Winklerem.) Germanium se nestal ekonomicky významným až po roce 1945, kdy byly jeho vlastnosti jako polovodiče uznány za hodnotné v elektronice. Jako polovodiče se nyní používá také mnoho dalších látek, ale germanium zůstává prvořadým významem při výrobě tranzistorů a součástí pro zařízení, jako jsou usměrňovače a fotobuňky.
prvek uhlíkové skupiny
(C), křemík (Si), germanium (Ge), cín (Sn), olovo (Pb) a flerovium (Fl).
Na základě hmotnosti je germanium vzácným, ale nikoli extrémně vzácným (asi 1,5 ppm) prvku v kůře Země, který se v hojnosti rovná beryliu, molybdenu a cesiu a překračuje arzén, kadmium, antimon a rtuť.. V kosmu atomová hojnost germania je 50,5 (na základě Si = 1 x 10 6), je hodnota zhruba stejná, jako ty, pro krypton a zirkonia a jen o málo menší, než je selen. Vesmírná hojnost je mnohem menší než u řady těžších prvků; např. brom, stroncium, cín, barium, rtuť a olovo. Všechny prvky nižšího jaderného náboje než germanium, s výjimkou berylia, boru, skandia a gallia, jsou kosmicky hojnější než germanium. Kosmicky je germanium považováno za jeden z mnoha prvků vytvářených absorpcí neutronů po počátečních procesech spalování vodíku a helia a absorpce alfa částic.
Germanium je v přírodě široce distribuováno, ale je příliš reaktivní na to, aby se vyskytlo zdarma. Mezi primární minerály patří argyrodit (od kterého byl poprvé izolován), germanit, renierit a canfieldit, všechny vzácné; jako komerční zdroje prvku byly použity pouze germanit a renierit. Stopová množství germania se nacházejí v určitých směsích zinku, v sulfidických rudách mědi a arsenu a v uhlí, což je pravděpodobně důsledek koncentrace prvku rostlinami karbonského období v geologické historii. Je známo, že některé dnešní rostliny koncentrují germanium. Koncentráty zinku a prach z popela a kouře ze zařízení na spalování uhlí poskytují komerční zdroje germania.
Při rafinaci germania se zbytky nízkého stupně získané z jeho rud zpracovávají silnou kyselinou chlorovodíkovou a výsledný chlorid germannatý se destiluje, čistí opakovanou redestilací a hydrolyzuje za vzniku oxidu germaničitého, který se pak redukuje vodíkem na práškovou formu kovu, který se taví při teplotě asi 1100 ° C (v inertní atmosféře) a odlévá se do ingotů nebo sochory.
Prvek je spíše křehký než tažný; atomy v krystalech jsou uspořádány stejně jako atomy uhlíku v diamantu. Elektrické a polovodivé vlastnosti germania jsou srovnatelné s vlastnostmi křemíku. Není napaden vzduchem při pokojové teplotě, ale je oxidován při 600 ° - 700 ° C (1100 ° - 1,300 ° F) a rychle reaguje s halogeny za vzniku tetrahalogenidů. Mezi kyselinami pouze germanium napadá koncentrovaná kyselina dusičná nebo sírová nebo aqua regia (směs kyseliny dusičné a kyseliny chlorovodíkové). Ačkoli vodné louhové roztoky na něj mají malý účinek, germanium se rychle rozpustí v roztaveném hydroxidu sodném nebo hydroxidu draselném, čímž se vytvoří příslušné germanáty.
Germanium vytváří stabilní oxidační stavy +2 a +4, sloučeniny posledně jmenovaného jsou stabilnější a četnější. Dva nejdůležitější sloučeniny germania jsou oxid (Gruz 2) a chloridu (GeCl 4). Germanáty, tvořené zahříváním kysličníku zásaditými oxidy, zahrnují germanát zinečnatý (Zn 2 GeO 4), používaný jako fosfor (látka, která emituje světlo, když je pod vlivem záření). Tetrachlorid, který byl již uveden jako meziprodukt při získávání germania z jeho přírodních zdrojů, je těkavá bezbarvá kapalina, která mrzne při asi -50 ° C (-58 ° F) a vaří při 84 ° C (183,2 ° F).
Pro použití v elektronických zařízeních vyžadují germaniové ingoty nebo sochory další čištění, které se obvykle provádí technikou rafinace zóny. Vysoce čisté germanium se poté roztaví a „dotuje“ přidáním nepatrného množství arsenu, galia nebo jiných prvků za účelem vytvoření požadovaných elektronických charakteristik. Nakonec se z taveniny vytvářejí monokrystaly při pečlivě regulovaných teplotách, přičemž se jako jádro používá zárodečný krystal. Monokrystaly germania se pěstují v atmosféře dusíku nebo helia z roztaveného materiálu. Tito jsou pak transformováni do polovodičů dotováním (infuzí) atomy donoru elektronů nebo akceptorovými atomy, buď začleněním nečistot do taveniny během růstu krystalu nebo difúzí nečistot do krystalu poté, co byl vytvořen.
Sloučeniny germania, ve kterých je germanium ve oxidačním stavu +2, jsou dobře charakterizovány jako pevné látky a obecně jsou snadno oxidovány. Elementární germanium může být elektrolyticky nanášeno z mnoha roztoků a tavenin jeho sloučenin. Je zajímavé, že jen jeden miligram rozpuštěného germania na litr vážně zasahuje do elektrolytického ukládání zinku.
Kromě svých aplikací v elektronických zařízeních se germanium používá jako součást slitin a ve fosforech pro zářivky. Protože germanium je transparentní pro infračervené záření, je používáno v zařízeních používaných k detekci a měření takového záření, jako jsou okna a čočky. Vysoký index lomu kysličníku germannatého činí tento materiál cenným jako součást brýlí používaných v optických zařízeních, jako jsou širokoúhlé čočky pro fotoaparáty a mikroskopické objektivy. Toxikologie germania a jeho sloučenin je špatně definována.
Pět stabilních izotopů germania se vyskytuje v následujících relativních množstvích: germanium-70, 20,5 procenta; germanium-72, 27,4 procent; germanium-73, 7,8 procent; germanium-74, 36,5 procenta; a germanium-76, 7,8 procenta. Bylo hlášeno devět radioaktivních izotopů.
Vlastnosti prvku
| protonové číslo | 32 |
|---|---|
| atomová hmotnost | 72,59 |
| bod tání | 937,4 ° C (1 719,3 ° F) |
| bod varu | 2 830 ° C (5 130 ° F) |
| hustota | 5,323 g / cm 3 |
| oxidační stavy | +2, +4 |
| elektronová konfigurace. | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 |
