Germanium (Ge), một nguyên tố hóa học giữa silicon và thiếc trong Nhóm 14 (IVa) của bảng tuần hoàn, một kim loại màu xám bạc, trung gian về tính chất giữa các kim loại và các phi kim. Mặc dù Germanium không được phát hiện cho đến năm 1886 bởi Clemens Winkler, một nhà hóa học người Đức, sự tồn tại, tính chất và vị trí của nó trong hệ thống tuần hoàn đã được dự đoán vào năm 1871 bởi nhà hóa học người Nga Dmitry Ivanovich Mendeleyev, người gọi là nguyên tố giả thuyết ekasilicon. (Tên Germanium bắt nguồn từ tiếng Latin Germania [Đức] và được Winkler trao cho nguyên tố này.) Germanium không có ý nghĩa kinh tế cho đến sau năm 1945, khi các tính chất của nó như một chất bán dẫn được công nhận là có giá trị trong điện tử. Nhiều chất khác hiện nay cũng được sử dụng làm chất bán dẫn, nhưng Germanium vẫn có tầm quan trọng hàng đầu trong việc sản xuất bóng bán dẫn và các linh kiện cho các thiết bị như bộ chỉnh lưu và tế bào quang điện.
nguyên tố nhóm carbon
(C), silicon (Si), gecmani (Ge), thiếc (Sn), chì (Pb) và flerovium (Fl).
Trên cơ sở trọng lượng, gecmani là một nguyên tố khan hiếm nhưng không phải là cực kỳ hiếm (khoảng 1,5 phần triệu) trong vỏ Trái đất, tương đương với lượng beryllium, molypden, và xê-ri và vượt quá các nguyên tố arsenic, cadmium, antimon và thủy ngân. Trong vũ trụ, sự phong phú nguyên tử của Germanium là 50,5 (dựa trên Si = 1 × 10 6), một giá trị gần bằng với giá trị của krypton và zirconium và chỉ thấp hơn một chút so với selen. Sự phong phú của vũ trụ ít hơn nhiều so với một số yếu tố nặng hơn; ví dụ: brôm, strontium, thiếc, bari, thủy ngân và chì. Tất cả các yếu tố của điện tích hạt nhân thấp hơn gecmani, ngoại trừ beryllium, boron, scandium và gallium, đều phong phú hơn về mặt vũ trụ so với gecmani. Về mặt vũ trụ, gecmani được cho là một trong nhiều nguyên tố được hình thành do sự hấp thụ neutron sau các quá trình ban đầu của quá trình đốt cháy hydro và heli và hấp thụ hạt alpha.
Germanium được phân phối rộng rãi trong tự nhiên nhưng quá phản ứng để xảy ra miễn phí. Khoáng sản nguyên sinh bao gồm argyrodite (từ đó lần đầu tiên được phân lập), Germanite, renierite và canfieldite, tất cả chúng đều hiếm; chỉ Germanite và renierite đã được sử dụng làm nguồn thương mại cho nguyên tố này. Một lượng dấu vết của Germanium được tìm thấy trong một số hỗn hợp kẽm, trong quặng sunfua của đồng và asen, và trong than, sau này có thể là hậu quả của sự tập trung của nguyên tố bởi các nhà máy của Thời kỳ Carbon trong lịch sử địa chất. Một số thực vật ngày nay được biết là tập trung gecmani. Cả hai quá trình cô đặc kẽm và tro bụi và khói lò từ các cơ sở đốt than đều cung cấp nguồn Germanium thương mại.
Trong quá trình tinh chế gecmani, các cặn cấp thấp thu được từ quặng của nó được xử lý bằng axit clohydric mạnh, và tetraclorua Germanium thu được được chưng cất, tinh chế bằng cách khử lại nhiều lần và thủy phân để tạo thành hydro dioxide, sau đó được khử bằng hydro thành dạng bột của kim loại nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 1.100 ° C (2.000 ° F [trong môi trường trơ]) và đúc thành thỏi hoặc phôi.
Các phần tử là giòn hơn là dễ uốn; các nguyên tử trong tinh thể của nó được sắp xếp cũng như các nguyên tử carbon trong kim cương. Các đặc tính điện và bán dẫn của gecmani có thể so sánh với silicon. Nó không bị tấn công bởi không khí ở nhiệt độ phòng nhưng bị oxy hóa ở 600 ° chút 700 ° C (1.100 ° mật1.300 ° F) và phản ứng nhanh với các halogen tạo thành tetrahalide. Trong số các axit, chỉ có axit nitric hoặc axit sunfuric đậm đặc hoặc nước cường toan (hỗn hợp axit nitric và axit clohydric) đáng tin cậy tấn công Germanium. Mặc dù các dung dịch xút có tác dụng rất ít đối với nó, nhưng Germanium hòa tan nhanh chóng trong natri hydroxit nóng chảy hoặc kali hydroxit, do đó hình thành các chất Đức tương ứng.
Germanium hình thành trạng thái oxy hóa ổn định +2 và +4, các hợp chất sau này ổn định hơn và nhiều hơn. Hai hợp chất quan trọng nhất của gecmani là đioxit (GeO 2) và tetrachloride (GeCl 4). Người Đức, được hình thành bằng cách đốt nóng điôxít bằng các oxit cơ bản, bao gồm kẽm Germanate (Zn 2 GeO 4), được sử dụng làm phốt pho (một chất phát ra ánh sáng khi được cung cấp năng lượng bởi bức xạ). Tetrachloride, đã được đề cập như một chất trung gian trong việc thu nhận gecmani từ các nguồn tự nhiên của nó, là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi, đóng băng ở khoảng -50 ° C (-58 ° F) và sôi ở 84 ° C (183,2 ° F).
Để sử dụng trong các thiết bị điện tử, thỏi Germanium hoặc phôi đòi hỏi phải tinh chế thêm, thường được thực hiện bằng kỹ thuật tinh chế vùng. Sau đó, Germanium rất tinh khiết được nấu chảy và pha tạp với việc bổ sung một lượng nhỏ asen, gali hoặc các nguyên tố khác để tạo ra các đặc tính điện tử mong muốn. Cuối cùng, các tinh thể đơn được tạo ra từ sự tan chảy ở nhiệt độ được kiểm soát cẩn thận, sử dụng tinh thể hạt giống làm hạt nhân. Các tinh thể đơn của Germanium được phát triển trong bầu khí quyển nitơ hoặc helium từ vật liệu nóng chảy. Sau đó chúng được chuyển thành chất bán dẫn bằng cách pha tạp (truyền) với các nguyên tử điện tử hoặc chất nhận, bằng cách kết hợp các tạp chất trong sự tan chảy trong quá trình phát triển của tinh thể hoặc bằng cách khuếch tán các tạp chất vào tinh thể sau khi nó được hình thành.
Các hợp chất Germanium trong đó Germanium ở trạng thái oxy hóa +2 có đặc tính tốt là chất rắn, và nói chung chúng dễ bị oxy hóa. Germanium nguyên tố có thể được khử điện từ nhiều dung dịch và làm tan chảy các hợp chất của nó. Điều đáng quan tâm là chỉ cần một miligam Germanium hòa tan trong một lít gây cản trở nghiêm trọng đến sự định vị điện cực của kẽm.
Ngoài các ứng dụng của nó trong các thiết bị điện tử, gecmani được sử dụng như một thành phần của hợp kim và trong phốt pho cho đèn huỳnh quang. Bởi vì Germanium trong suốt đối với bức xạ hồng ngoại, nó được sử dụng trong các thiết bị được sử dụng để phát hiện và đo các bức xạ đó, như cửa sổ và ống kính. Chỉ số khúc xạ cao của Germanium dioxide cho thấy nó có giá trị như một thành phần của kính được sử dụng trong các thiết bị quang học, chẳng hạn như ống kính góc rộng cho máy ảnh và các mục tiêu kính hiển vi. Độc tính của gecmani và các hợp chất của nó được xác định kém.
Năm đồng vị ổn định của Germanium xảy ra với số lượng tương đối sau: Germanium-70, 20,5%; Germanium-72, 27,4%; gecmani-73, 7,8 phần trăm; Germanium-74, 36,5%; và Germanium-76, 7,8 phần trăm. Chín đồng vị phóng xạ đã được báo cáo.
Thuộc tính nguyên tố
| số nguyên tử | 32 |
|---|---|
| trọng lượng nguyên tử | 72,59 |
| độ nóng chảy | 937,4 ° C (1.719.3 ° F) |
| điểm sôi | 2.830 ° C (5.130 ° F) |
| tỉ trọng | 5.323 g / cm 3 |
| trạng thái oxy hóa | +2, +4 |
| cấu hình electron. | 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 |
