Germaniu

Germaniu (din latină Germania „Germania”, patria exploratorului Clemens Winkler (1838–1904)) este un element chimic cu simbolul element Ge și numărul atomic 32. În tabelul periodic se află în a 4-a perioadă și a 4-a grupă principală (grupa 14) sau a grupului carbon. A fost detectat pentru prima dată la 6 februarie 1886.

poveste

Când Dmitri Mendeleev a proiectat tabelul periodic în 1871, a dat peste un decalaj sub siliciu și a postulat un element necunoscut anterior, pe care l-a numit eka-siliciu. Mendeleev a făcut predicții despre proprietățile eka-siliciului și ale compușilor săi, dar acestea au fost respinse de știință. În 1886, Clemens Winkler, chimist la Freiberg Bergakademie (în Freiberg), care lucra cu sticlă de cobalt, a descoperit germaniul. Acesta a fost elementul eka-siliciu, prezis de Mendeleev, ale cărui proprietăți s-au apropiat foarte mult de germaniul găsit. [12] Mendeleev derivase proprietățile din tabelul său periodic, astfel încât această descoperire a contribuit la recunoașterea tabelului periodic.

Originea și etimologia numelui germanium ar putea rezulta și dintr-o neînțelegere semantică în legătură cu elementul său predecesor galiu, deoarece există două teorii pentru denumirea galiului. După primul, chimistul francez Paul Émile Lecoq de Boisbaudran a numit elementul după Galia, numele latin al Franței sale natale. Al doilea dă cuvântul și latin gallus (Hahn) ca sursă a numelui, care în franceză Le Coq se numește. Paul Émile Lecoq de Boisbaudran ar fi numit noul element după propriul său nume. Winkler a presupus că elementul anterior, galiul, a fost numit după naționalitatea descoperitorului francez. Așa a numit noul element chimic „germaniu” în onoarea țării sale (lat. Germania pentru Germania).

Apariție

Germaniul este răspândit, dar apare doar în concentrații foarte scăzute; Valoarea Clarke (= conținutul mediu în scoarța terestră): 1,5 g/t. Se găsește ca însoțitor în minereuri de cupru și zinc (ardezie de cupru Mansfeld). Cele mai importante minerale sunt argiroditul, canfielditul, germanitul și reniéritul. Unele plante îmbogățesc germaniu. Această proprietate duce la unele teze foarte controversate cu privire la fiziologia plantelor („apărarea plantelor împotriva virușilor”), care duc în cele din urmă și la aplicații în homeopatie.

caracteristici

Germaniul se află în seria semimetalică din tabelul periodic, dar conform definiției mai recente este clasificat ca semiconductor. Germaniul elementar este foarte fragil și foarte stabil în aer la temperatura camerei. Se oxidează la oxid de germaniu (IV) (GeO2) numai atunci când străluceste puternic într-o atmosferă de oxigen. Germaniul este bivalent și tetravalent. Compușii de germaniu (IV) sunt cei mai persistenți. Germaniul nu este atacat de acid clorhidric, hidroxid de potasiu și acid sulfuric diluat. În soluțiile alcaline de peroxid de hidrogen, acid sulfuric fierbinte concentrat și acid azotic concentrat, totuși, acesta este dizolvat cu formarea de hidrat de dioxid de germaniu. Conform poziției sale în tabelul periodic, proprietățile sale chimice sunt undeva între siliciu și staniu.

Germaniul este una dintre puținele substanțe care are proprietatea anomaliei de densitate. Densitatea sa este mai mică în stare solidă decât în lichid. Distanța de bandă este de aproximativ 0,67 eV la temperatura camerei.

Napolitane de germaniu sunt semnificativ mai fragile decât napolitane din siliciu.

utilizare

Electronică

Ca semiconductor, a fost materialul principal în electronică, în special pentru fabricarea diodelor și tranzistoarelor, până când a fost înlocuit de siliciu. Aplicațiile pot fi găsite astăzi în tehnologia de înaltă frecvență (de exemplu, ca semiconductori compuși cu siliciu-germaniu) și în tehnologia detectoarelor (de exemplu, ca detectoare de raze X). Pentru celulele solare fabricate din arsenidă de galiu (GaAs), napolitele din germaniu sunt uneori folosite ca material purtător. Constanta rețelei de germaniu este foarte asemănătoare cu cea a arsenidului de galiu, astfel încât GaAs crește epitaxial pe cristale unice de germaniu.

A doua sa aplicație principală este în optica în infraroșu sub formă de ferestre și sisteme de lentile realizate din germaniu poli- sau monocristalin precum și ochelari optici cu permeabilitate în infraroșu, așa-numiții ochelari cu calcogenură. Domeniile de aplicare pentru aceasta sunt dispozitivele de viziune de noapte militare și civile și camerele termografice. Acestea pot fi utilizate, de exemplu, pentru a examina casele pentru scurgeri în izolația termică.

Alte utilizări importante sunt în fabricarea ghidurilor de undă optice și a fibrelor de poliester: în fibrele optice moderne pentru telecomunicații, tetraclorura de germaniu este utilizată pentru acoperirea miezului interior al fibrei cu dioxid de germaniu pentru a obține reflexia totală a undelor de lumină. În chimia poliesterilor, dioxidul de germaniu este utilizat ca catalizator în producerea anumitor fibre de poliester și granule, în special pentru sticlele PET reciclabile (PET = polietilen tereftalat).

Ca monocristal de înaltă puritate, germaniu este utilizat ca detector de radiații.

În cazul germaniului, spre deosebire de oțel, structura cristalină nu poate fi spartă de radiația neutronică. Absoarbe elastic impactul neutronului. Până acum, însă, această descoperire nu a fost utilizată în reactoare.

Medicina nucleara

68 Ge este utilizat în generatorul de Gallium-68 ca nucleu mamă pentru producția de Gallium-68. 68 Ge este, de asemenea, utilizat ca sursă pentru calibrarea detectorului în tomografia cu emisie de pozitroni. [13]

Germaniul din suplimentele alimentare

Substanța bis (carboxietil) germaniu sesquioxid (Ge-132) a fost susținut ca un supliment alimentar pentru utilizare în mai multe afecțiuni, inclusiv cancer, sindromul oboselii cronice, deficiența imunitară, [14] SIDA, hipertensiunea arterială, artrita și alergiile alimentare. Efectele pozitive asupra evoluției bolii nu au fost până acum dovedite științific.

Potrivit europeanului Directiva 2002/46/CE privind apropierea legislațiilor statelor membre referitoare la suplimentele alimentare Germaniul nu trebuie utilizat în suplimentele alimentare. [15] În multe țări din UE care și-au aliniat deja legislația națională, inclusiv Germania și Austria, nu este permisă adăugarea de germaniu ca sursă de minerale în suplimentele alimentare.

Autoritățile competente avertizează în mod expres împotriva consumului de Ge-132, deoarece nu poate fi exclusă vătămarea gravă a sănătății și a morții. [16] [17]

Utilizarea medicamentoasă a germaniei

Nu s-a dovedit eficacitatea terapeutică a substanței antineoplazice spirogermaniu în bolile de cancer. Nu există medicamente finite aprobate cu ingredient activ spirogermanium. În Germania, medicamentele care conțin germaniu (rețete), în afară de diluțiile homeopatice din D4, sunt considerate îndoielnice. Prin urmare, producția și distribuția lor sunt interzise. [18] Germaniu metalic vin sub formă de medicamente homeopate. Ca o componentă a preparatelor homeopate di-Citrat lactat de potasiu-germaniu descris. [19]

fiziologie

Germaniul și compușii săi au o toxicitate relativ scăzută. Urme de germaniu se găsesc în următoarele alimente: fasole, suc de roșii, stridii, ton și usturoi. Conform stării actuale a științei, nu este un oligoelement esențial. Nu există o funcție biologică cunoscută pentru germaniu. A fost discutată o posibilă influență asupra metabolismului glucidic. Nu se cunosc boli de deficit de germaniu.

toxicitate

Intoxicația cu germaniu la om a avut loc până acum numai după ingestia de compuși anorganici de germaniu ca suplimente alimentare. Primele simptome sunt pierderea poftei de mâncare, pierderea în greutate, epuizarea și slăbiciunea musculară. Aceasta este urmată de tulburări funcționale ale rinichilor, până la insuficiența renală inclusiv, care pot fi fatale pentru pacient. De asemenea, s-a raportat neuropatia periferică ca boală secundară. În cazurile în care pacienții au supraviețuit consumului de compuși anorganici de germaniu, funcția normală a rinichilor nu a putut fi restabilită.

Efecte secundare neurotoxice tranzitorii au fost raportate în studiile clinice la administrarea de spirogermaniu. Spirogermaniu a fost testat ca agent citostatic în anii 1980. Datele din studiile efectuate pe voluntari sănătoși nu sunt disponibile.

Din experimente pe animale se știe că germaniul are o toxicitate orală acută scăzută. Simptomele otrăvirii acute cu doze mari de compuși de germaniu includ:

Lărgirea vaselor de sânge (arteriectazie)
Ptoza
cianoză
tremur

În cele din urmă, paralizia respiratorie duce la moartea animalelor testate. Simptomele otrăvirii cronice sau subcronice cu compuși anorganici de germaniu sunt:

Pierdere în greutate
Schimbări de organe (masa organelor)
Neuropatie progresivă
Afectarea rinichilor

Compușii organici de germaniu au prezentat o toxicitate mai mică, dar au dus la scăderea în greutate și la scăderea numărului de globule roșii la animalele testate. Există puține date disponibile cu privire la efectele teratogene ale germaniului. Germanatul de sodiu nu a fost testat pentru a fi cancerigen la șobolani.

Mecanismul toxicității germaniului nu este încă pe deplin înțeles. Cu toate acestea, au fost observate efecte patologice specifice asupra mitocondriilor celulelor renale și nervoase.

Interacțiuni

De asemenea, se discută dacă germaniul prezintă interacțiuni cu siliciu în metabolismul osos. Poate bloca acțiunea diureticelor și reduce sau bloca activitatea unui număr de enzime, cum ar fi dehidrogenazele. În experimentele pe animale, șoarecii prezintă o durată crescută de somn indusă de hexabarbital dacă au fost tratați și cu compuși de germaniu. Acest lucru sugerează că activitatea citocromului P450 este, de asemenea, restricționată. Au fost raportate compuși organici de germaniu care blochează enzima de detoxifiere glutation-S-transferază.

Biodisponibilitate și metabolism

Germaniul este foarte ușor absorbit de organism atunci când este ingerat. Se distribuie pe întregul țesut al corpului, în principal în rinichi și tiroidă. Spre deosebire de compușii anorganici de germaniu, organogermanica nu se acumulează în corpul uman. Cu toate acestea, există doar câteva studii despre metabolismul germaniului.

Este esențial excretat în urină. De asemenea, are loc excreția în bilă și fecale.

link-uri

Germaniul formează Ge (II) - u. compuși Ge (IV) mai stabili, doar câțiva au importanță tehnică.

Dintre halogenurile de germaniu, Ge (II) - u. Reprezentant Ge (IV) cunoscut. Tetraclorura de germaniu (GeCl4), un lichid cu un punct de fierbere de 83 ° C, se formează atunci când oxizii de germaniu sunt expuși la clorură de hidrogen și este un produs intermediar important în producția de germaniu. GeCl4 de înaltă puritate este utilizat la fabricarea ghidurilor de undă optice din sticlă de cuarț pentru a produce un strat de oxid de germaniu (IV) de înaltă puritate în interiorul fibrelor de cuarț. Disproporționarea iodurii de germaniu (II) cu formarea de germaniu și iodură de germaniu (IV) poate fi, de asemenea, utilizată pentru a produce straturi de germaniu foarte pure:

Germanatele sunt compuși de germaniu care sunt derivați din oxidul său. În aproape toate mineralele care conțin germaniu, germaniu este prezent ca germanat.

Germanii sunt denumirea dată compușilor de hidrogen ai germaniului, care formează o serie omologă de molecule de lanț de diferite lungimi. Monogerman sau hidrură de germaniu (GeH4) este un gaz și este utilizat în industria semiconductoarelor pentru epitaxie și dopaj.