Germanium – Web o chemii, elektronice a programování

Germanium je tvrdý, šedobílý polokov, který nachází využití v polovodičovém průmyslu. Jedná se o vzácný prvek, ale ve stopových množstvích se vyskytuje v řadě minerálů. Je reaktivnější a elektropozitivnější než křemík.

Protonové číslo	32	Elektronová konfigurace	[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p2
Elektronegativita	2,01	Počet stabilních izotopů	5
Teplota tání	945 °C	Teplota varu	2850 °C

Vlastnosti germania

Obsah

Historie

Existenci germania předpověděl již roku 1869 Dmitrij Mendělejev, který se snažil předpovědět vlastnosti dosud neznámých prvků a mezeru mezi křemíkem a cínem v tehdejší verzi PSP vyplnil prvkem, který nazval podle jeho polohy Ekasilicon. Izolováno a identifikováno bylo roku 1886 Clemensem Winklerem z minerálu argyroditu.

Izotopy

V přírodě se vyskytuje jako směs pěti izotopů (70, 72, 73, 74 a 76), z nichž je pouze jeden aktivní v NMR (73). Dále známe 27 radioizotopů.

Izotop	Zastoupení [%]
⁷⁰Ge	20,57
⁷²Ge	27,45
⁷³Ge	7,75
⁷⁴Ge	36,50
⁷⁶Ge	7,73

⁷⁶Ge

Bylo zjištěno, že izotop ⁷⁶Ge není stabilní, ale rozpadá se dvojitou přeměnou beta s velmi dlouhým poločasem 1,78 . 10²¹ let.[7]

$$^{76}_{32}\textrm{Ge}\ \rightarrow\ ^{76}_{34}\textrm{Se}\ +\ 2\ ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$

⁷⁷Ge

Přeměňuje se mechanismem beta mínus s poločasem 11,30 hodin:

$$^{77}_{32}\textrm{Ge}\ \rightarrow\ ^{77}_{33}\textrm{Se}\ +\ ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$

Tento izotop lze využít ke sledování toků produktů v ropném průmyslu, k tomuto se používají značené tetraalkylsloučeniny germania, např. tetraethylgermanium, ⁷⁷Ge(C₂H₅)₄.[8]

Chemické vlastnosti

Germanium reaguje s koncentrovanou kyselinou dusičnou za vzniku GeO₂, mechanismus reakce je poměrně složitý.[4] V roztocích zásad se nerozpouští. S HCl reaguje za vzniku GeCl₄ a s H₂S poskytuje GeS₂.

Sloučeniny germania

S vodíkem vytváří mnoho binárních hydridů, mají obecný vzorec Ge_nH_2n+2, známé jsou pro hodnoty n od 1 do 9. Jejich struktura může být jak lineární, tak rozvětvená. German, GeH₄, je méně reaktivní než silan (SiH₄), je to bezbarvý, ve vodě nerozpustný plyn. Lze jej vyrobit reakcí oxidu germaničitého s tetrahydridoboritanem sodným, touto reakcí, ale vznikají i vyšší germany.

GeO₂ + NaBH₄ → GeH₄ + NaBO₂

Oxid germaničitý, GeO₂, je bílá pevná látka, která se rozpouští v kyselinách i zásadách. Lze jej připravit jak krystalický, tak i amorfní. Krystalický vytváří dvě hlavní polymorfní modifikace – hexagonální (struktura β-křemene) a tetragonální (struktura rutilu). Využívá se pro přípravy speciálních, optických skel, a také jako polovodivý materiál.

Jeho zahříváním s kovovým germaniem na teplotu 1000 °C vzniká GeO, který z reakční směsi sublimuje. Jde o amorfní látku, která po rozpuštění v kyselinách poskytuje příslušné soli Ge^II a v zásadách pak trihydroxogermanaté ionty (Ge(OH)₃^–).

Sulfid germaničitý je bílá, krystalická látka, jeho struktura je polymerní. Sulfid germanatý je červenohnědý prášek, vyrábí se redukcí GeS₂ kyselinou fosfornou. Využívá se jako polovodivý materiál a jako chalkogenidové sklo.[6]

Halogenidy

Halogenidy germania jsou v mnohém podobné halogenidům křemíku, jejich základní vlastnosti jsou shrnuty v tabulce.

Sloučenina	Vzhled	Teplota varu [°C]	Teplota tání [°C]
GeF₄	bezbarvý plyn	−36,5	−15
GeF₂	bílé, hygroskopické krystaly	130 (sublimuje)	110
GeCl₄	bezbarvá kapalina	86,5	−49,5
GeCl₂	pevná látka	–	–
GeBr₄	pevná látka	–	24
GeI₂	žlutá krystalická látka	–	–
GeI₄	oranžovo-červená krystalická látka	440 (rozklad)	144

GeX₄ lze připravit přímou syntézou z prvků nebo reakcí halogenvodíku s oxidem germaničitým. GeX₂ se připravují reakcí GeX₄ s kovovým germaniem, jsou stabilní, ale při zahřívání disproporcionují:

GeX₂ → GeX₄ + Ge

Zajímavým halogenidem je komplex Ge₅F₁₂, který obsahuje germanium v oxidačním stavu IV i II. Můžeme ho popsat vzorcem [(GeF₂)₄GeF₄]. Je to polymerní systém skládající se ze čtvercových bipyramid GeF₆ propojených deformovanými čtvercovými pyramidami {|Ge^IIF₄}, nevazebný elektronový pár je orientován opačným směrem než fluoridy, viz. obrázek dole.

Organokovové sloučeniny germania jsou podobné sloučeninám křemíku, ale jsou reaktivnější. Organogermany lze využít při Sakuraiově reakci:

S kovy germanium binární sloučeniny netvoří, ale vytváří složitější klastry, které se označují jako Zintlovy fáze.

NMR

⁷³Ge

Jádro je málo citlivé, spektra jsou široká, proto je použitelné hlavně pro symetrické molekuly. Velkým problémem při měření je tzv. ringing sondy, který deformuje baselinu spektra. Tento problém se dá vyřešit použitím složitějších pulsních sekvencí, např. RIDE nebo EXSPEC.

Spin	3/2
Výskyt v přírodě	7,73 %
Rezonanční frekvence v poli 1 T	1,4897
Rozsah chemických posunů	160 – (-1110)
Citlivost vůči ¹H	1,09.10^-4
Citlivost vůči ¹³C	0,642
Jaderný magnetický moment	-0,8794677

Chemické posuny

Sloučenina	Chemický posun [ppm]
Me₄Ge (primární standard)	0
Me₃GeH	–56,9
Me₂GeH₂	–127,6
MeGeH₃	–209,2
GeH₄	–299
Ph₄Ge	–31,6
Ph₃GeH	–56,0
Ph₂GeH₂	–108,5
PhGeH₃	–187,5
MesGeH₃	–234,3
Ge(OMe)₄	–37,8
Ge(OnBu)₄	–45,6
Ge₂H₆	–312
Ge₄H₁₀	–284 a –300
Ge₂Ph₆	–59
GeCl₄	31
GeCl₂Br₂	–130
GeBr₄	–312
GeI₄	–1086
GeCl₄(bpy)	–313,7

Hodnota interakční konstanty ¹J_Ge-H se pohybuje v rozmezí 85-100 Hz.

Odkazy

Germanium na české wikipedii
Germanium na anglické wikipedii
⁷³Ge NMR
Avoyan, A.; Tindall, C.; Hemminger, J.C. J. Phys. Chem. B, 1999, 102, 5096-5076. DOI: 10.1021/jp9726347. Chemistry of HNO₃ on Ge(100).
Charles S. Weinert, “ Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Germanium Compounds,” ISRN Spectroscopy, vol. 2012, Article ID 718050, 18 pages, 2012. doi:10.5402/2012/718050
GeS (Germanium sulfide)
Results of the experiment on investigation of Germanium-76 double beta decay
Use of Germanium Organic Compounds Labelled with Germanium-77 to Investigate the Behaviour of Petroleum Products in Refining Installations

Navigace

One Reply to “Germanium”