Germanium (Ge), et kemisk element mellem silicium og tin i gruppe 14 (IVa) i det periodiske system, en sølvgrå metalloid, mellemprodukt i egenskaber mellem metaller og ikke-metaller. Selvom germanium ikke blev opdaget før 1886 af Clemens Winkler, en tysk kemiker, var dens eksistens, egenskaber og placering i det periodiske system forudsagt i 1871 af den russiske kemiker Dmitrij Ivanovich Mendeleyev, der kaldte det hypotetiske element ekasilicon. (Navnet germanium stammer fra det latinske ord Germania [Tyskland] og blev givet elementet af Winkler.) Germanium blev ikke økonomisk betydningsfuldt før efter 1945, hvor dens egenskaber som halvleder blev anerkendt som værdifulde inden for elektronik. Mange andre stoffer bruges nu også som halvledere, men germanium er fortsat af primær betydning ved fremstilling af transistorer og af komponenter til apparater som ensretter og fotoceller.
carbon gruppe element
(C), silicium (Si), germanium (Ge), tin (Sn), bly (Pb) og flerovium (Fl).
På vægtbasis er germanium et knap, men ikke et ekstremt sjældent (ca. 1,5 dele pr. Million) element i jordskorpen, der svarer til i overflod beryllium, molybdæn og cæsium og overskrider elementerne arsen, cadmium, antimon og kviksølv. I kosmos er den atomenale overflod af germanium 50,5 (baseret på Si = 1 × 10 6), en værdi, der er nogenlunde lig med værdien for krypton og zirkonium og kun lidt mindre end for selen. Den kosmiske overflod er langt mindre end for et antal af de tungere elementer; fx brom, strontium, tin, barium, kviksølv og bly. Alle elementerne med lavere nuklear ladning end germanium, undtagen beryllium, bor, scandium og gallium, er kosmisk mere rigelige end germanium. Kosmisk antages, at germanium er et af de mange elementer, der dannes ved neutronabsorption efter de indledende processer med brint- og heliumforbrænding og alfa-partikelabsorption.
Germanium er vidt distribueret i naturen, men er for reaktiv til at forekomme fri. Primære mineraler inkluderer argyrodit (hvorfra den først blev isoleret), germanit, renierit og canfieldit, alle sammen sjældne; kun germanit og renierit er blevet brugt som kommercielle kilder til elementet. Spormængder af germium findes i visse zinkblandinger, i sulfidiske malm af kobber og arsen, og i kul, sidstnævnte muligvis en konsekvens af koncentrationen af elementet ved planter i den kulstofholdige periode i den geologiske historie. Visse nutidige planter vides at koncentrere germanium. Både zinkprocesskoncentrater og aske- og røggastøv fra kulfyringsanlæg giver kommercielle kilder til germanium.
Ved raffinering af germanium behandles de restkoncentrationer, der er opnået fra dets malme, med stærk saltsyre, og det resulterende germaniumtetrachlorid destilleres, renses ved gentagen omdistillation og hydrolyseres til dannelse af germaniumdioxid, der derefter reduceres med brint til en pulverform af metallet, der er smeltet ved en temperatur på ca. 1.100 ° C (2.000 ° F [i en inert atmosfære]) og støbt til blokke eller bunder.
Elementet er sprødt snarere end duktilt; atomerne i dets krystaller er arrangeret, ligesom carbonatomer i diamant. De elektriske og halvledende egenskaber hos germanium kan sammenlignes med siliciumens egenskaber. Det angribes ikke af luft ved stuetemperatur, men oxideres ved 600-700 ° C (1.100 ° -1.300 ° F) og reagerer hurtigt med halogenerne til dannelse af tetrahalider. Blandt syrerne angriber kun koncentreret salpetersyre eller svovlsyre eller akværegia (en blanding af salpetersyre og saltsyrer) mærkbart Germanium. Selvom vandige, kaustiske opløsninger giver en lille virkning på det, opløses germanium hurtigt i smeltet natriumhydroxid eller kaliumhydroxid og danner derved de respektive germanater.
Germanium danner stabile oxidationstilstande på +2 og +4, idet forbindelserne til sidstnævnte er mere stabile og talrige. De to vigtigste forbindelser med germanium er dioxid (GeO 2) og tetrachlorid (GECL 4). Germanater, dannet ved opvarmning af dioxidet med basiske oxider, inkluderer zinkgermanat (Zn 2 GeO 4), der bruges som en phosphor (et stof, der udsender lys, når det tændes ved stråling). Tetrachloridet, der allerede er nævnt som et mellemprodukt til opnåelse af germanium fra dets naturlige kilder, er en flygtig, farveløs væske, der fryser ved ca. -50 ° C (-58 ° F) og koges ved 84 ° C (183,2 ° F).
Til brug i elektroniske apparater kræver germanium-ingots eller billets yderligere rensning, som normalt udføres ved hjælp af teknikken til zone-raffinering. Det meget rene germanium smeltes og "dopes" ved tilsætning af små mængder arsen, gallium eller andre elementer for at frembringe ønskede elektroniske egenskaber. Endelig frembringes enkeltkrystaller fra smelten ved omhyggeligt kontrollerede temperaturer under anvendelse af en frøkrystall som en kerne. Enkeltkrystaller af germanium dyrkes i en atmosfære af nitrogen eller helium fra det smeltede materiale. Disse omdannes derefter til halvledere ved at dopes (infunderes) med elektrondonor eller acceptoratomer, enten ved at inkorporere urenheder i smelten under væksten af krystallen eller ved at diffundere urenhederne i krystallen, efter at den er dannet.
Germaniumforbindelser, hvor germanium er i +2-oxidationstilstand, er godt karakteriseret som faste stoffer, og generelt oxideres de let. Elementært germanium kan elektroudfældes fra mange opløsninger og smelter af dets forbindelser. Det er af interesse, at så lidt som et milligram opløst germanium pr. Liter alvorligt griber ind i elektroaflejringen af zink.
Foruden anvendelserne i elektroniske apparater bruges germanium som en komponent i legeringer og i fosfor til lysstofrør. Da germanium er transparent for infrarød stråling, bruges det i udstyr, der bruges til at detektere og måle sådan stråling, såsom vinduer og linser. Det høje brydningsindeks for germaniumdioxid gør det værdifuldt som en komponent af briller, der bruges i optiske enheder, såsom vidvinkellinser til kameraer og mikroskopmål. Toksikologien af germanium og dens forbindelser er dårligt defineret.
De fem stabile isotoper af germanium forekommer i følgende relative mængder: germanium-70, 20,5 procent; germanium-72, 27,4 procent; germanium-73, 7,8 procent; germanium-74, 36,5 procent; og germanium-76, 7,8 procent. Ni radioaktive isotoper er rapporteret.
Elementegenskaber
| Atom nummer | 32 |
|---|---|
| atomvægt | 72,59 |
| smeltepunkt | 937,4 ° C (1.719,3 ° F) |
| kogepunkt | 2.830 ° C (5.130 ° F) |
| massefylde | 5,323 g / cm 3 |
| oxidationstilstande | +2, +4 |
| elektronkonfiguration. | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 |
