História da Germanio, Propriedades, Estrutura, Obter, Usa

Ele germânio É um elemento metalóide que é representado pelo símbolo químico da GE e pertence ao grupo 14 da tabela periódica. Está sob silício e compartilha com isso muitas de suas propriedades físicas e químicas; Tanto que seu nome era Ekasilicio, previsto pelo próprio Dmitri Mendelev.

Seu nome atual foi dado por Clemens para. Winkler, em homenagem à sua pátria Alemanha. Portanto, o Germanio está ligado a este país e é a primeira imagem que evoca a mente que não sabe muito.

Amostra Ultra. Fonte: imagens de alta resolução de elementos químicos [CC por 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/por/3.0)]

O Germanio, como o silício. Da mesma forma, pode ser encontrado na forma monocristalina, na qual seus grãos são grandes ou poliristalinos, compostos por centenas de pequenos cristais.

É um elemento semicondutor à pressão ambiente, mas quando se eleva acima dos 120 kbar, torna -se um alotopo de metal; Ou seja, as ligações GE-GE estão possivelmente quebradas e estão disponíveis individualmente embrulhadas no mar de seus elétrons.

É considerado um elemento não -tóxico, pois pode ser manipulado sem nenhuma roupa protetora; Embora sua inalação e ingestão excessiva possam levar a sintomas clássicos de irritação em indivíduos. Sua pressão de vapor é muito baixa, por isso é improvável que sua fumaça possa causar um incêndio.

No entanto, alemães inorgânicos (sais) e orgânicos podem ser perigosos para o organismo, apesar do fato de que seus átomos de GE interagem misteriosamente com matrizes biológicas.

Não se sabe realmente se o Organic Germanio pode ser considerado uma cura milagrosa para tratar certos distúrbios como um medicamento alternativo. No entanto, estudos científicos não apóiam essas declarações, mas as rejeitam e chamam esse elemento mesmo como um carcinogênico.

Germanio não é apenas um semicondutor, o silício, o selênio, o gálio e toda uma série de elementos no mundo dos materiais semicondutores e suas aplicações; Mas também é transparente para a radiação infravermelha, por isso é útil para a fabricação de detectores de calor de diferentes fontes ou regiões.

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História

Previsões Mendeleev

O Germanio foi um dos elementos cuja existência foi prevista em 1869 pelo químico russo Dmitri Mendeleev em sua mesa periódica. Provisoriamente chamado de Ekasilicio e colocou -o em um espaço na mesa periódica entre estanho e silício.

Em 1886, Clemens a. Winkler descobriu Germanio em uma amostra mineral de uma mina de prata perto de Freiberg, Saxônia. Era o mineral chamado Argirodita, por seu alto teor de prata, e recentemente descoberto em 1885.

A amostra de Argirodite continha 73-75% de prata, 17-18% de enxofre, 0,2% de mercúrio e 6-7% de um novo elemento, que mais tarde Winkler chamou de Germanio.

Mendeleev previu que a densidade do elemento a ser descoberta deve ser de 5,5 g/cm³ e seu peso atômico em torno de 70. Suas previsões acabaram sendo bem próximas das apresentadas por Germanio.

Isolamento e nome

Em 1886, Winkler foi capaz de isolar o novo metal e o achou semelhante ao antimônio, mas reconsiderou e percebeu que o elemento que ele descobriu correspondia ao Ekasilicio.

Winkler nomeou o elemento 'Germanio' originado da palavra latina 'Germania', uma palavra que eles costumavam chamar de Alemanha. Por esse motivo, Winkler nomeou o novo elemento como Germanio, em homenagem a seu país natal, Alemanha.

Determinação de suas propriedades

Em 1887, Winkler determinou as propriedades químicas do Germanio, encontrando um peso atômico de 72,32 através de uma análise de puro tetracloreto de Germanio (GECL₄).

Enquanto isso, o LeCoq de Boisbaudran deduziu um peso atômico de 72,3 estudando o espectro de faísca do elemento. Winkler preparou vários novos compostos de germânio, incluindo fluoretos, cloretos, sulfetos e dióxidos.

Na década de 1920, a pesquisa sobre as propriedades elétricas do Germanio produziu o desenvolvimento de alta pureza monocrônica Germanio.

Esse desenvolvimento permitiu o uso de Germanio em diodos, retificadores e receptores de radar de microondas durante a Segunda Guerra Mundial.

Desenvolvimento de seus aplicativos

A primeira aplicação industrial ocorreu após a guerra em 1947, com a invenção dos transistores de John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley, que foram usados ​​em comunicações, computadores e rádios portáteis.

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Em 1954, os transistores de silício de alta pureza começaram a se mudar para os transistores do Germanio devido às vantagens eletrônicas que possuíam. E na década de 1960, os transistores de Germanio praticamente desapareceram.

O Germanio acabou sendo um componente essencial na elaboração de lentes infravermelhas e janelas (IR). Na década de 1970, foram produzidas células voltaicas (PVC) de silício e Germanio (SIGE) que permanecem críticos para operações de satélite.

Na década de 1990, o desenvolvimento e a expansão da fibra óptica aumentaram a demanda do Germanio. O elemento é usado para formar o núcleo de vidro dos cabos de fibra óptica.

Em 2000, PVCs de alta eficiência e diodos emissores de luz (LED) que usam Germanio produziram um aumento na produção e consumo de Germanio.

Propriedades físicas e químicas

Aparência

Prata e branca brilhante. Quando o sólido é formado por muitos cristais (poliristalina), ele parece uma superfície escame ou enrugada, cheia de visões e sombras. Às vezes, você pode até dar a aparência de ser tão acinzentado ou preto quanto o silício.

Em condições padrão, é um elemento semimetálico, quebradiço e metálico.

Germanio é um semicondutor, não muito dúctil. Possui um alto índice de refração para luz visível, mas é transparente para a radiação infravermelha, sendo usada nas janelas do equipamento para detectar e medir essas radiação.

Peso atômico padrão

72.63 u

Número atômico (Z)

32

Ponto de fusão

938.25 ºC

Ponto de ebulição

2.833 ºC

Densidade

À temperatura ambiente: 5.323 g/cm³

No ponto de fusão (líquido): 5,60 g/cm³

Germanio e silício, gálio, bismuto, antimônio e água se expandem para solidificar. Por esse motivo, sua densidade é maior no estado líquido do que no sólido.

Calor de fusão

36,94 KJ/mol/mol

Calor de vaporização

334 KJ/mol

Capacidade calórica molar

23.222 J/(mol · k)

Pressão de vapor

A uma temperatura 1.644 K Sua pressão de vapor é apenas 1 pa. Isso significa que seu líquido emite mal a vapores a essa temperatura, por isso não implica um risco considerado a inalação.

Eletro-negatividade

2.01 na escala Pauling

Energias de ionização

-Primeiro: 762 KJ/mol

-Segundo: 1.537 KJ/mol

-Terceiro: 3.302,1 kJ/mol

Condutividade térmica

60,2 W/(M · K)

Resistividade elétrica

1 Ω · m a 20 ºC

Condutividade elétrica

3 s cm^-1

Ordem magnética

Diamagnético

Dureza

6.0 na escala MOHS

Estabilidade

Relativamente estável. Não é afetado pelo ar à temperatura ambiente e oxida em temperaturas maiores que 600 ºC.

Tensão superficial

6 · 10^-1 N/m a 1.673,1 k

Reatividade

Oxida em temperaturas superiores a 600 ºC para formar dióxido do Germanio (Geo₂). Germanio origina duas formas de óxidos: dióxido de Germanio (Geo₂) e monóxido de Germanio (Geo).

Os compostos de germânio geralmente exibem o estado de oxidação + 4, embora em muitos compostos o Germanio seja apresentado com o estado de oxidação +2. O estado de oxidação - 4 é apresentado, por exemplo, no magnésio alemão (mg₂Ge).

Germanio reage com halogênios para formar tetrahaluros: Germanio Tetrafluoreide (GEF₄), composto gasoso; Germanio tetrayoduro (GEE₄), composto sólido; Tetracloreto de Germanio (GECL₄) e Germanio Tetrabromuro (GEBR₄), Ambos compostos líquidos.

Germanio é inerte contra o ácido clorídrico; Mas é atacado por ácido nítrico e ácido sulfúrico. Embora os hidróxidos da solução de água tenham pouco efeito sobre o Germanio, ele se dissolve facilmente em hidróxidos fundidos para formar alemães.

Estrutura e configuração eletrônica

Germanio e seus links

O Germanio possui quatro elétrons de Valência de acordo com sua configuração eletrônica:

[AR] 3D¹⁰ 4s² 4p²

Como carbono e silício, seus átomos gerem hibridizar seus orbitais 4s e 4p para formar quatro orbitais híbridos SP³. Com esses orbitais, eles estão ligados para satisfazer o octeto de Valencia e, consequentemente, ter o mesmo número de elétrons que o gás nobre do mesmo período (Kripton).

Dessa forma, surgem as ligações covalentes da GE-GE e, com quatro delas para cada átomo, ambientes tetraedrábicos são definidos (com uma ge no centro e os outros nos vértices). Assim, uma rede tridimensional é estabelecida devido ao deslocamento desses tetraedros ao longo do vidro covalente; que se comporta como se fosse uma molécula enorme.

Aastoopes

O vidro covalente do Germanio adota a mesma estrutura cúbica centrada nos rostos de diamante (e silício). Este Alotrópio é conhecido como α-GE. Se a pressão aumentar até 120 kbar (cerca de 118.000 atm), a estrutura cristalina de α-GE se torna um tetragonal centrado no corpo (BCT).

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Esses cristais BCT correspondem ao segundo almotrópico de Germanio: o β-GE, onde os links GE-GE são quebrados e são isolados, como acontece com os metais. Assim, o α-GE é semimetálico; Enquanto β-GE é metálico.

Números de oxidação

O Germanio pode muito bem perder seus quatro elétrons de Valência, ou ganhar mais quatro para se tornar isoletrônico com o Kripton.

Quando em seus compostos perde elétrons, diz -se que possui números positivos de oxidação ou estados, nos quais a existência de cátions é assumida com as mesmas cargas que esses números. Entre eles, temos +2 (GE²⁺), O +3 (GE³⁺) e o +4 (GE⁴⁺).

Por exemplo, os seguintes compostos têm Germanio com números positivos de oxidação: Geo (GE²⁺QUALQUER^2-), GETE (GE²⁺Chá^2-), Ge₂Cl₆ (GE₂³⁺Cl₆^-), Geo₂ (GE⁴⁺QUALQUER₂^2-) e ges₂ (GE⁴⁺S₂^2-).

Enquanto quando os elétrons ganham em seus compostos, ele tem números de oxidação negativos. Entre eles, o mais comum é -4; isto é, a existência do GE^4-. Nos germânicos, isso acontece e, como exemplos deles, temos o li₄GE (Li₄⁺Ge^4-) e mg₂GE (mg₂²⁺Ge^4-).

Onde está e obtenha

Minerais sulfurosos

Amostra mineral de argirodita, de pouca abundância, mas um minério único para extração de Germanio. Fonte: Rob Lavinsky, Irocks.COM-CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]

Germanio é um elemento relativamente raro na crosta terrestre. Existem poucos minerais que contêm uma quantidade apreciável, entre os quais podemos mencionar: Argirodita (4AG₂S · ges₂), Germanita (7CUS · Fest₂), Briartita (Cu₂Feges₄), Renierita e Canfieldita.

Todos eles têm algo em comum: são minerais de enxofre ou sulfurosos. Portanto, o Germanio predomina na natureza (ou pelo menos aqui na terra), como gesto₂ E não geo₂ (Em contraste com seu colega Sio₂, sílica, amplamente disseminada).

Além dos minerais mencionados acima, também foi encontrado em Germanio em concentrações de massa de 0,3% em depósitos de carvão. Além disso, alguns microorganismos podem processá -lo para gerar pequenas quantidades de GEH₂(CH₃)₂ e Geh₃(CH₃), que acabam deslocados para rios e mares.

Germanio é um produto secundário do processamento de metal, como zinco e cobre. Para obtê -lo, você deve sofrer uma série de reações químicas para reduzir o sulfeto no metal correspondente; isto é, tire os ges₂ seus átomos de enxofre para que seja simplesmente ge.

Torrado

Os minerais sulfurosos são submetidos a um processo assado no qual aquecem com o ar para que ocorram oxidações:

Ges₂ + 3 o₂ → Geo₂ + 2 Então₂

Para separar o Germanio do resíduo, ele se torna seu respectivo cloreto, que pode ser destilado:

Geo₂ + 4 HCl → GECL₄ + 2 h₂QUALQUER

Geo₂ + 2 Cl₂ → GECL₄ + QUALQUER₂

Como pode ser visto, a transformação pode ser realizada usando ácido clorídrico ou gás de cloro. O GECL₄ Então é hidrolisado novamente para geo₂, Tão precipita como um sólido esbranquiçado. Finalmente, o óxido reage com hidrogênio para reduzir o germânio metálico:

Geo₂ + 2 h₂ → Ge + 2 h₂QUALQUER

Redução que também pode ser feita com carvão:

Geo₂ + C → GE + CO₂

O Germanio obtido consiste em um pó que é moldado ou apiana em barras de metal, das quais os cristais de Germanio podem crescer.

Isótopos

Germanio não possui na natureza nenhum isótopo de grande abundância. Em vez disso, possui cinco isótopos cujas abundâncias são relativamente baixas: ⁷⁰GE (20,52%), ⁷²GE (27,45%), ⁷³GE (7,76%), ⁷⁴GE (36,7%) e ⁷⁶GE (7,75%). Observe que o peso atômico é de 72.630 U, que calcula a média de todas as massas atômicas com as respectivas abundâncias de isótopos.

O isótopo ⁷⁶O GE é realmente radioativo; Mas sua meia -vida é tão grande (t_1/2= 1.78 × 10^{vinte e um} anos) que praticamente conta entre os cinco isótopos de germânio mais estáveis. Outros radioisótopos, como ⁶⁸Ge e ⁷¹GE, ambos sintéticos, têm mais curtos tempos de vida (270,95 dias e 11,3 dias, respectivamente).

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Riscos

Elementar e inorgânico Germanio

Os ambientes de germânio são um pouco controversos. Sendo um metal levemente pesado, uma propagação de seus íons de sais solúveis em água pode violar o ecossistema; isto é, animais e plantas podem ser afetados pelo consumo da GE³⁺.

Elementar Germanio não representa nenhum risco, desde que não seja pulverizado. Se estiver em pó, uma corrente de ar pode arrastá -la para fontes de aquecimento ou substâncias altamente oxidantes; E, consequentemente, há um risco de incêndio ou explosão. Além disso, seus cristais podem terminar nos pulmões ou olhos, causando fortes irritações.

Uma pessoa pode manipular silenciosamente um álbum alemão em seu escritório sem se preocupar com nenhum acidente. No entanto, o mesmo não pode ser dito de seus compostos inorgânicos; isto é, seus sais, óxidos e hidretos. Por exemplo, o geh₄ ou alemão (análogo a Cho₄ E sim₄), É um gás bastante irritante e inflamável.

Germanio orgânico

Agora, existem fontes orgânicas de germânio; Entre eles, pode ser mencionado em 2-carboxietilestilmasquioxan ou Germanio-132, suplemento alternativo conhecido no tratamento de certas doenças; Embora com evidências colocadas em dúvida.

Alguns dos efeitos medicinais atribuídos ao Germanio-132 são fortalecer o sistema imunológico, por isso ajuda a combater o câncer, o HIV e a AIDS; Regulariza as funções do corpo, bem como o grau de oxigenação no sangue, elimina os radicais livres; E também cura artrite, glaucoma e doenças cardíacas.

No entanto, o Germanio orgânico tem sido associado a sérios danos aos rins, fígado e sistema nervoso. É por isso que existe um risco latente ao consumir esse suplemento da Germanio; Embora existam aqueles que consideram uma cura milagrosa, há outros que alertam que ela não oferece nenhum benefício cientificamente comprovado.

Formulários

Óptica infravermelha

Alguns sensores de radiação infravermelha são feitos de Germanio ou suas ligas. Fonte: Adafruit Industries via Flickr.

Germanio é transparente para a radiação infravermelha; isto é, eles podem transferi -lo sem serem absorvidos.

Graças a isso, foram construídas lentes e vidro da Germanio para dispositivos de infravermelho óptico; Por exemplo, juntamente com um detector de infravermelho para análise espectroscópica, em lentes usadas em telescópios espaciais de infravermelho distante para estudar as estrelas mais distantes do universo, ou em sensores de luz e temperatura.

A radiação infravermelha está associada a vibrações moleculares ou fontes de calor; Assim, os dispositivos usados ​​na indústria militar para visualizar objetivos com visão noturna têm componentes feitos com Germanio.

Material semicondutor

Diodos de Germanio encapsulados em vidro e usados ​​nos anos 60 e 70s. Fonte: Rolf Süssbrich [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]

Germanio como um metalóide semicondutor foi usado para a construção de transistores, circuitos elétricos, diodos emissores de luz e microchips. Neste último, as ligas Germanio-Silicio e até Germanio, por si só, começaram a substituir o silício, de modo que circuitos cada vez mais pequenos e poderosos possam ser projetados menores e mais.

Seu óxido, geo₂, Devido ao seu alto índice de refração, o vidro é adicionado para que eles possam ser usados ​​em microscopia, grande ângulo e fibras ópticas.

A Germanio não apenas substituiu o silício em certas aplicações eletrônicas, mas também pode ser acoplado ao gálio Arseniuro (GAAs). Assim, este metalóide também está presente em painéis solares.

Catalisadores

O geo₂ Foi usado como catalisador para reações de polimerização; Por exemplo, no necessário para a síntese de tereftalato de polietileno, plástico com o qual garrafas brilhantes comercializadas no Japão são fabricadas.

Além disso, as nanopartículas de suas ligas com platina catalisam reações redox, onde envolvem a formação de hidrogênio gasoso, retornando essas células voltaicas mais eficazes.

Ligas

Finalmente, foi mencionado que existem ligas GE-Si e GE-PT. Além disso, seus átomos de GE podem ser adicionados aos cristais de outros metais, como prata, ouro, cobre e berílio. Essas ligas mostram maior ductilidade e resistência química do que seus metais individuais.

Referências

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