게르마늄 : 역사, 속성, 구조, 획득, 용도 - 화학 - 2025

게르마늄 반 금속 원소의 Ge 화학 기호로 표시하고, 주기율표의 14 족에 속하는이다. 실리콘 아래에서 발견되며 많은 물리적, 화학적 특성을 공유합니다. Dmitri Mendeleev 자신이 예측 한 이름이 Ekasilicio였습니다.

그의 현재 이름은 그의 고향 인 독일을 기리기 위해 Clemens A. Winkler에 의해 주어졌습니다. 따라서 게르마늄은이 나라와 연결되어 있으며 잘 모르는 사람들의 마음을 떠올리게하는 최초의 이미지입니다.

초순도 게르마늄 샘플. 출처 : 화학 원소의 고해상도 이미지

게르마늄은 실리콘과 마찬가지로 Ge-Ge 결합이있는 3 차원 사면체 격자의 공유 결정으로 구성됩니다. 마찬가지로 입자가 큰 단결정 형태 또는 수백 개의 작은 결정으로 구성된 다 결정질 형태로 발견 될 수 있습니다.

이것은 대기압에서 반도체 소자이지만 120kbar 이상으로 상승하면 금속 동소체가됩니다. 즉, Ge-Ge 결합이 끊어지고 전자의 바다에 개별적으로 포장되어 있습니다.

어떤 종류의 보호 복 없이도 다룰 수 있기 때문에 무독성 요소로 간주됩니다. 흡입과 과도한 섭취는 개인에게 고전적인 자극 증상을 유발할 수 있지만. 증기압이 매우 낮기 때문에 연기가 화재를 일으키지 않습니다.

그러나 무기 (염) 및 유기 게르마늄은 Ge 원자가 생물학적 매트릭스와 신비한 방식으로 상호 작용한다는 사실에도 불구하고 신체에 위험 할 수 있습니다.

유기 게르마늄이 특정 질환을 대체 의학으로 치료하는 기적의 치료법으로 간주 될 수 있는지 여부는 실제로 알려지지 않았습니다. 그러나 과학적 연구는 이러한 주장을 뒷받침하지 않지만이를 거부하고이 요소를 발암 성으로 표시합니다.

게르마늄은 반도체 일뿐만 아니라 실리콘, 셀레늄, 갈륨 및 반도체 재료 및 그 응용 분야의 전체 요소를 수반합니다. 또한 적외선 복사에 투명하므로 다양한 소스 또는 지역에서 열 감지기를 제조하는 데 유용합니다.

역사

멘델레예프 예측

게르마늄은 1869 년 러시아 화학자 드미트리 멘델레예프가 그의 주기율표에서 그 존재를 예측 한 원소 중 하나였습니다. 그는 잠정적으로 그것을 ekasilicon이라고 부르고 그것을 주석과 실리콘 사이의 주기율표의 공간에 배치했습니다.

1886 년 Clemens A. Winkler는 Saxony Freiberg 근처의 은광에서 채취 한 광물 샘플에서 게르마늄을 발견했습니다. 은 함량이 높기 때문에 아르기로 디테라고 불리는 광물이었으며 최근에야 1885 년에 발견되었습니다.

아르기로 디테 샘플에는은 73 ~ 75 %, 황 17 ~ 18 %, 수은 0.2 %, 새로운 원소 6 ~ 7 %가 포함되어 있었는데, Winkler는 나중에 게르마늄이라고 명명했습니다.

멘델레예프는 원소의 밀도는 5.5 g / cm이어야한다 발견 될 것으로 예측했다 ³ 그의 예측이 매우 가까운 게르마늄의 그것으로 밝혀졌다과의 원자량 (70)의 주위에.

고립과 이름

1886 년, Winkler는 새로운 금속을 분리 할 수 ​​있었고 안티몬과 유사하다는 것을 발견했지만 그가 발견 한 원소가 에카 실리콘과 일치한다는 것을 재고하고 깨달았습니다.

Winkler는 'germanium'이라는 요소를 독일을 설명하는 데 사용한 라틴어 'germania'에서 유래했습니다. 이러한 이유로 Winkler는 고향 인 독일의 이름을 따서 새로운 요소 인 게르마늄을 명명했습니다.

그 속성의 결정

1887 년, Winkler는 게르마늄의 화학적 특성을 결정하여 순수한 사염화 게르마늄 (GeCl ₄ ) 분석을 통해 원자량 72.32를 찾았습니다 .

한편 Lecoq de Boisbaudran은 원소의 스파크 스펙트럼을 연구하여 원자량 72.3을 추론했습니다. Winkler는 불화물, 염화물, 황화물 및 이산화물을 포함하여 게르마늄에서 몇 가지 새로운 화합물을 제조했습니다.

1920 년대에 게르마늄의 전기적 특성에 대한 조사로 고순도 단결정 게르마늄이 개발되었습니다.

이 개발로 인해 제 2 차 세계 대전 중에 다이오드, 정류기 및 마이크로파 레이더 수신기에 게르마늄을 사용할 수있었습니다.

응용 프로그램 개발

최초의 산업용 애플리케이션은 1947 년 전쟁 후 통신 장비, 컴퓨터 및 휴대용 라디오에 사용되는 John Bardeen, Walter Brattain 및 William Shockley의 게르마늄 트랜지스터 발명과 함께 나왔습니다.

1954 년, 고순도 실리콘 트랜지스터는 전자적 장점 때문에 게르마늄 트랜지스터를 대체하기 시작했습니다. 1960 년대에는 게르마늄 트랜지스터가 거의 사라졌습니다.

게르마늄은 적외선 (IR) 렌즈와 창을 만드는 데있어 핵심 요소로 밝혀졌습니다. 1970 년대에 실리콘 게르마늄 (SiGe) 볼타 전지 (PVC)가 생산되어 위성 운영에 중요한 역할을했습니다.

1990 년대에 광섬유의 개발과 확장으로 게르마늄에 대한 수요가 증가했습니다. 이 요소는 광섬유 케이블의 유리 코어를 형성하는 데 사용됩니다.

2000 년부터 게르마늄을 사용한 고효율 PVC 및 발광 다이오드 (LED)는 게르마늄의 생산과 소비를 증가 시켰습니다.

물리 화학적 특성

외관

은백색과 반짝임. 고체가 많은 결정 (다결정)으로 구성되어 있으면 표면이 비늘 모양이거나 주름이 있으며 배음과 그림자가 가득합니다. 때로는 실리콘처럼 칙칙하거나 검은 색으로 나타날 수도 있습니다.

표준 조건에서는 반 금속 원소, 취성 및 금속 광택입니다.

게르마늄은 연성이 아닌 반도체입니다. 가시 광선에 대한 굴절률이 높지만 적외선에 대해서는 투명하며 장비 창에서 이러한 방사선을 감지하고 측정하는 데 사용됩니다.

표준 원자량

72.63u

원자 번호 (Z)

32

녹는 점

938.25 ºC

비점

2,833ºC

밀도

실온에서 : 5.323g / cm ³

녹는 점 (액체) : 5.60g / cm ³

실리콘, 갈륨, 비스무트, 안티몬 및 물과 같은 게르마늄은 응고되면서 팽창합니다. 이러한 이유로 밀도는 고체 상태보다 액체 상태에서 더 높습니다.

융합 열

36.94 kJ / 몰

기화열

334 kJ / 몰

몰 칼로리 용량

23.222 J / (몰 K)

증기압

1,644K의 온도에서 증기압은 1Pa에 불과합니다. 이는 액체가 해당 온도에서 거의 증기를 방출하지 않음을 의미하므로 흡입 위험을 의미하지 않습니다.

전기 음성도

폴링 규모 2.01

이온화 에너지

-첫 번째 : 762 kJ / mol

-초 : 1,537 kJ / mol

-3 차 : 3,302.1 kJ / mol

열 전도성

60.2W / (m · K)

전기 저항

20ºC에서 1Ωm

전기 전도도

3S cm ^-1

자기 주문

반자성

경도

Mohs 척도 6.0

안정

비교적 안정적인. 상온에서 공기의 영향을받지 않으며 600ºC 이상의 온도에서 산화됩니다.

표면 장력

6 1,673.1 K에서 ^10-1 N / m

반동

600ºC 이상의 온도에서 산화되어 이산화 게르마늄 (GeO ₂ ) 을 형성 합니다. 게르마늄은 이산화 게르마늄 (GeO ₂ )과 일산화 게르마늄 (GeO)의 두 가지 형태의 산화물을 생성합니다 .

게르마늄 화합물은 일반적으로 +4 산화 상태를 나타내지 만 많은 화합물에서 게르마늄은 +2 산화 상태로 발생합니다. 산화 상태-4는 예를 들어 마그네슘 게르 마나 이드 (Mg ₂ Ge)에서 발생합니다.

게르마늄은 할로겐과 반응하여 테트라 할라이드를 형성합니다 : 게르마늄 테트라 플루오 라이드 (GeF ₄ ), 기체 화합물; 게르마늄 테트라 요오다 이드 (GeI ₄ ), 고체 화합물; 게르마늄 테트라 클로라이드 (GeCl ₄ ) 및 브롬화 게르마늄 (GEBR ₄ ) 모두 액체 화합물.

게르마늄은 염산에 대해 불활성입니다. 그러나 질산과 황산의 공격을받습니다. 수용액의 수산화물은 게르마늄에 거의 영향을 미치지 않지만 용융 수산화물에 쉽게 용해되어 제로 네이트를 형성합니다.

구조 및 전자 구성

게르마늄과 그 결합

게르마늄은 전자 구성에 따라 4 개의 원자가 전자를 가지고 있습니다.

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

탄소 및 실리콘과 마찬가지로 Ge 원자는 4s 및 4p 오비탈을 하이브리드 화하여 4 개의 sp ³ 하이브리드 오비탈을 형성 합니다. 이 오비탈로 그들은 원자가 옥텟을 만족시키기 위해 결합하고 결과적으로 같은 기간의 희가스 (크립톤)와 같은 수의 전자를가집니다.

이런 식으로 Ge-Ge 공유 결합이 발생하고 각 원자에 대해 4 개가있는 주변 사면체가 정의됩니다 (중앙에 Ge 하나, 꼭지점에 다른 Ge). 따라서 공유 결정을 따라 이러한 사면체의 변위에 의해 3 차원 네트워크가 설정됩니다. 마치 거대한 분자처럼 작동합니다.

동소체

공유 게르마늄 결정은 다이아몬드 (및 실리콘)의 동일한면 중심 입방 구조를 채택합니다. 이 동소체는 α-Ge로 알려져 있습니다. 압력이 120kbar (약 118,000atm)로 증가하면 α-Ge의 결정 구조는 신체 중심 정방형 (BCT, 영어 약어 : 신체 중심 정방형)이됩니다.

이 BCT 결정은 게르마늄의 두 번째 동소체 인 β-Ge에 해당합니다. 여기서 Ge-Ge 결합은 금속에서와 같이 분리되어 분리되어 배열됩니다. 따라서 α-Ge는 반 금속입니다. β-Ge는 금속입니다.

산화 번호

게르마늄은 4 개의 원자가 전자를 잃거나 크립톤과 함께 등 전자가되기 위해 4 개의 더 많은 전자를 얻을 수 있습니다.

화합물에서 전자를 잃으면 숫자 또는 양의 산화 상태가 있다고하며,이 숫자와 동일한 전하를 가진 양이온의 존재를 가정합니다. 이들 중 +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) 및 +4 (Ge ⁴⁺ )가 있습니다.

예를 들어,하기 화합물은 양극 산화 게르마늄이 번호 : GEO (창 ²⁺ O를 ^2- ) GeTe와 (창 ²⁺ 테 ^2- ), 창 ₍₂₎ CL ₍₆₎ (창 ₂ ³⁺ CL ₆ ^- ), 지오 ₂ (Ge ⁴⁺ O ₂ ^2- ) 및 GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

화합물에서 전자를 얻으면 음의 산화수가 있습니다. 그중 가장 일반적인 것은 -4입니다. 즉, Ge ^4- 음이온의 존재를 가정 합니다. 게르 마니 드에서는 이런 일이 일어나고, 그 예로 Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- )와 Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- )가 있습니다.

찾아서 얻을 수있는 곳

유황 미네랄

아지 로디 테 광물 샘플, 풍부하지 않지만 게르마늄 추출을위한 독특한 광석. 출처 : Rob Lavinsky, iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

게르마늄은 지각에서 비교적 드문 원소입니다. 상당한 양의 광물이 포함되어 있는데, 그중에서 argyrodite (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanite (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartite (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renierite 및 canfieldite를 언급 할 수 있습니다.

그들은 모두 공통점이 있습니다 : 그들은 유황 또는 유황 광물입니다. 따라서, 게르마늄이 주요 성질 (또는 여기에 적어도 어스) GES 등 _이 아닌 지역 ₂ (그와 대조적으로 널리 퍼져 그런가 ₂ 상대 실리카).

위에서 언급 한 미네랄 외에도 게르마늄은 탄소 퇴적물에서 질량 농도가 0.3 % 인 것으로 밝혀졌습니다. 마찬가지로 일부 미생물은이를 처리하여 소량의 GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ 및 GeH ₃ (CH ₃ ) 를 생성 할 수 있으며 , 이는 결국 강과 바다로 옮겨집니다.

게르마늄은 아연 및 구리와 같은 금속 가공의 부산물입니다. 그것을 얻으려면 일련의 화학 반응을 거쳐 황을 해당 금속으로 환원시켜야합니다. 즉, GeS ₂ 의 황 원자 를 제거 하여 단순히 Ge가되도록합니다.

구운

황 광물은 산화가 일어나기 위해 공기와 함께 가열되는 로스팅 과정을 거칩니다.

GES ₂ + 3 O ₂ → 지역 ₂ + 2 SO ₂

잔류 물에서 게르마늄을 분리하기 위해 각각의 염화물로 변환되어 증류 할 수 있습니다.

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

보시다시피 염산 또는 염소 가스를 사용하여 변환을 수행 할 수 있습니다. GeCl ₄ 는 다시 GeO ₂ 로 가수 분해 되어 회백색 고체로 침전됩니다. 마지막으로 산화물은 수소와 반응하여 금속 게르마늄으로 환원됩니다.

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

목탄으로도 할 수있는 감소 :

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

수득 된 게르마늄은 금속 막대로 성형되거나 탬핑 된 분말로 구성되며, 여기에서 방사형 게르마늄 결정이 성장할 수 있습니다.

동위 원소

게르마늄은 자연적으로 매우 풍부한 동위 원소를 가지고 있지 않습니다. 그 대신 존재 비가 상대적으로 낮은 5 개의 동위 원소가 있습니다 : ⁷⁰ Ge (20.52 %), ⁷² Ge ( 27.45 %), ⁷³ Ge (7.76 %), ⁷⁴ Ge (36.7 %) 및 ⁷⁶ Ge (7.75 %). 원자량은 72.630 u이며, 이는 동위 원소의 각 존재 비로 모든 원자 질량을 평균합니다.

⁷⁶ Ge 동위 원소 는 실제로 방사성입니다. 그러나 반감기가 너무 길어서 (t _1/2 = 1.78 × 10 ²¹ 년) 실제로 게르마늄의 가장 안정적인 5 개의 동위 원소 중 하나입니다. ⁶⁸ Ge 및 ⁷¹ Ge와 같은 다른 방사성 동위 원소는 둘 다 합성되어 반감기가 더 짧습니다 (각각 270.95 일 및 11.3 일).

위험

원소 및 무기 게르마늄

게르마늄에 대한 환경 위험은 약간 논란의 여지가 있습니다. 약간 중금속이기 때문에 수용성 염에서 이온이 전파되면 생태계에 피해를 줄 수 있습니다. 즉, 동물과 식물은 Ge ³⁺ 이온을 소비함으로써 영향을받을 수 있습니다 .

원소 게르마늄은 가루로 만들지 않는 한 안전합니다. 먼지 속에 있으면 공기의 흐름이 그것을 열원이나 고 산화 물질로 운반 할 수 있습니다. 결과적으로 화재 나 폭발의 위험이 있습니다. 또한 결정이 폐나 눈에 들어가 심각한 자극을 유발할 수 있습니다.

사람은 사고 걱정없이 사무실에서 게르마늄 디스크를 안전하게 다룰 수 있습니다. 그러나 무기 화합물도 마찬가지다. 즉, 그 염, 산화물 및 수 소화물. 예를 들어, GeH ₄ 또는 게르만 산 (CH ₄ 및 SiH ₄ 와 유사 )은 매우 자극적이고 가연성 가스입니다.

유기 게르마늄

이제 게르마늄의 유기적 공급원이 있습니다. 그중에서 특정 질병을 치료하는 것으로 알려진 대체 보충제 인 2-carboxyethylgermasquioxane 또는 germanium-132가 언급 될 수 있습니다. 의심스러운 증거가 있지만.

게르마늄 -132에 기인하는 의약 효과 중 일부는 면역 체계를 강화하여 암, HIV 및 AIDS와 싸우는 데 도움이됩니다. 신체의 기능을 조절하고 혈액의 산소화 정도를 개선하고 자유 라디칼을 제거합니다. 또한 관절염, 녹내장 및 심장병을 치료합니다.

그러나 유기 게르마늄은 신장, 간 및 신경계에 심각한 손상을 줄 수 있습니다. 이것이 게르마늄 보충제를 섭취 할 때 잠재적 인 위험이있는 이유입니다. 글쎄, 기적의 치료법이라고 생각하는 사람들이 있지만 과학적으로 입증 된 이점을 제공하지 않는다고 경고하는 사람들이 있습니다.

응용

적외선 광학

일부 적외선 방사 센서는 게르마늄 또는 그 합금으로 만들어집니다. 출처 : Flickr를 통한 Adafruit Industries.

게르마늄은 적외선에 투명합니다. 즉, 흡수되지 않고 통과 할 수 있습니다.

덕분에 게르마늄 안경과 렌즈가 적외선 광학 장치 용으로 제작되었습니다. 예를 들어, 분광 분석을위한 IR 감지기, 우주에서 가장 먼 별을 연구하기 위해 원적외선 우주 망원경에 사용되는 렌즈 또는 빛 및 온도 센서와 결합됩니다.

적외선은 분자 진동이나 열원과 관련이 있습니다. 따라서 군사 산업에서 야간 투시경 표적을보기 위해 사용되는 장치에는 게르마늄으로 만들어진 구성 요소가 있습니다.

반도체 재료

게르마늄 다이오드는 유리로 캡슐화되어 60 년대와 70 년대에 사용되었습니다. 출처 : Rolf Süssbrich

반도체 메탈 로이드 인 게르마늄은 트랜지스터, 전기 회로, 발광 다이오드 및 마이크로 칩을 만드는 데 사용되었습니다. 후자의 경우 게르마늄-실리콘 합금, 심지어 게르마늄이 자체적으로 실리콘을 대체하기 시작하여 더욱 작고 강력한 회로를 설계 할 수 있습니다.

높은 굴절률로 인해 산화물 인 GeO ₂ 는 안경에 첨가되어 현미경, 광각 대물 렌즈 및 광섬유에 사용할 수 있습니다.

게르마늄은 특정 전자 응용 분야에서 실리콘을 대체 할뿐만 아니라 갈륨 비소 (GaAs)와 결합 될 수도 있습니다. 따라서이 준 금속은 태양 전지판에도 존재합니다.

촉매

GeO ₂ 는 중합 반응을위한 촉매로 사용되었습니다. 예를 들어 폴리에틸렌 테레 프탈레이트의 합성에 필요한 플라스틱은 일본에서 판매되는 반짝이는 병을 만드는 플라스틱입니다.

마찬가지로 백금 합금의 나노 입자는 수소 가스의 형성을 포함하는 산화 환원 반응을 촉매하여 이러한 볼타 전지를 더 효과적으로 만듭니다.

합금

마지막으로 Ge-Si 및 Ge-Pt 합금이 있다고 언급되었습니다. 이 외에도 Ge 원자는은, 금, 구리 및 베릴륨과 같은 다른 금속의 결정에 추가 될 수 있습니다. 이 합금은 개별 금속보다 더 큰 연성과 내 화학성을 보여줍니다.

참고 문헌

1. Shiver & Atkins. (2008). 무기 화학. (제 4 판). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). 게르마늄. 출처 : en.wikipedia.org
3. PhysicsOpenLab. (2019). 실리콘 및 게르마늄 결정 구조. 출처 : physicsopenlab.org
4. 수잔 요크 모리스. (2016 년 7 월 19 일). 게르마늄은 기적의 치료법입니까? Healthline Media. 출처 : healthline.com
5. Lenntech BV (2019). 주기율표 : 게르마늄. 출처 : lenntech.com
6. 국립 생명 공학 정보 센터. (2019). 게르마늄. PubChem 데이터베이스. CID = 6326954. 출처 : pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. 더그 스튜어트 박사. (2019). 게르마늄 원소 사실. 케미 쿨. 출처 : chemicool.com
8. 에밀 베네 레. (2014 년 12 월 8 일). 게르마늄은 반도체 이정표를 위해 Purdue의 고향으로 돌아 왔습니다. 출처 : purdue.edu
9. 마르케스 미구엘. (sf). 게르마늄. 복구 위치 : nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). 게르마늄 : 환경 발생, 중요성 및 종 분화. 8:29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x