Germanium - chemická škola

Germánium

Germánium (z lat Germania „Nemecko“, domovina bádateľa Clemensa Winklera (1838–1904)), je chemický prvok so symbolom prvku Ge a atómovým číslom 32. V periodickej tabuľke sa nachádza vo 4. období a 4. hlavnej skupine (skupina 14) alebo uhlíkovej skupine. Prvýkrát to bolo zistené 6. februára 1886.

príbeh

germanium

Keď Dmitrij Mendelejev v roku 1871 navrhol periodickú tabuľku, narazil na medzeru pod kremíkom a postuloval dovtedy neznámy prvok, ktorý nazval eka-kremík. Mendelejev predpovedal vlastnosti eka-kremíka a jeho zlúčenín, tieto však veda odmietla. V roku 1886 objavil Clemens Winkler, chemik vo Freiberg Bergakademie (vo Freibergu), ktorý pracoval s kobaltovým sklom, germánium. Bol to prvok Eka-Silicium predpovedaný Mendeleevom, ktorého vlastnosti sa veľmi priblížili nájdenému germániu. [12] Mendelejev odvodil vlastnosti zo svojej periodickej tabuľky, takže tento objav prispel k rozpoznaniu periodickej tabuľky.

Pôvod a etymológia názvu germánium mohli vyplynúť aj zo sémantického nedorozumenia v súvislosti s jeho predchodcom gáliom, pretože existujú dve teórie pomenovania gália. Po prvom pomenoval francúzsky chemik Paul Émile Lecoq de Boisbaudran prvok po Gálii, latinský názov jeho rodného Francúzska. Druhá dáva tiež latinské slovo gallus (Hahn) ako zdroj názvu, ktorý vo francúzštine Le Coq sa volá. Paul Émile Lecoq de Boisbaudran by pomenoval nový prvok podľa svojho mena. Winkler predpokladal, že predchádzajúci prvok, gálium, bol pomenovaný podľa národnosti francúzskeho objaviteľa. Takto pomenoval nový chemický prvok „Germanium“ na počesť svojej krajiny (lat. Germania pre Nemecko).

Výskyt

Germánium je rozšírené, ale vyskytuje sa iba vo veľmi nízkych koncentráciách; Clarkeova hodnota (= priemerný obsah v zemskej kôre): 1,5 g/t. Nachádza sa ako spoločník v medených a zinkových rudách (Mansfeldova medená bridlica). Najdôležitejšie minerály sú argyrodit, canfieldit, germanit a reniérit. Niektoré rastliny germánia obohacujú. Táto vlastnosť vedie k niektorým veľmi kontroverzným tézam ohľadne fyziológie rastlín („ochrana rastlín proti vírusom“), ktoré v konečnom dôsledku vedú aj k aplikáciám v homeopatii.

charakteristiky

Germánium je v periodickej tabuľke v semimetalickej sérii, ale podľa novšej definície je klasifikované ako polovodič. Elementárne germánium je veľmi krehké a veľmi stabilné na vzduchu pri izbovej teplote. Oxiduje na oxid germaničitý (GeO2) iba vtedy, keď silne žiari v kyslíkovej atmosfére. Germánium je dvojmocné a štvormocné. Najtrvalejšie sú zlúčeniny germánia (IV). Germánium nie je napadnuté kyselinou chlorovodíkovou, roztokom hydroxidu draselného a zriedenou kyselinou sírovou. V alkalických roztokoch peroxidu vodíka, koncentrovanej horúcej kyseline sírovej a koncentrovanej kyseline dusičnej sa však rozpúšťa za tvorby hydrátu oxidu germaničitého. Podľa jeho polohy v periodickej tabuľke sú jeho chemické vlastnosti niekde medzi kremíkom a cínom.

Germánium je jednou z mála látok, ktoré majú vlastnosť anomálie hustoty. Jeho hustota je v tuhom stave nižšia ako v kvapaline. Jeho medzera v páse je asi 0,67 eV pri izbovej teplote.

Germánske doštičky sú výrazne krehkejšie ako kremíkové doštičky.

použitie

elektronika

Ako polovodič bol popredným materiálom v elektronike, najmä pri výrobe diód a tranzistorov, kým nebol nahradený kremíkom. Aplikácie dnes nájdeme vo vysokofrekvenčnej technológii (napr. Ako polovodiče kremíka a germánia) a v detektorovej technológii (napr. Ako röntgenové detektory). Pre solárne články vyrobené z arzenidu gália (GaAs) sa ako nosný materiál niekedy používajú oblátky vyrobené z germánia. Mriežková konštanta germánia je veľmi podobná mriežkovej konštante arzenidu gália, takže GaAs rastie epitaxne na monokryštáloch germánia.

Jeho druhá hlavná aplikácia je v infračervenej optike vo forme okien a šošovkových systémov vyrobených z poly- alebo monokryštalického germánia, ako aj optických skiel s infračervenou priepustnosťou, takzvaných chalkogenidových skiel. Oblasti použitia tohto riešenia sú vojenské a civilné zariadenia na nočné videnie, ako aj termografické kamery. Môžu sa napríklad použiť na preskúmanie tesnosti domov v tepelnej izolácii.

Ďalšie dôležité použitia sú pri výrobe optických vlnovodov a polyesterových vlákien: V moderných telekomunikačných optických vláknach sa chlorid germánium používa na potiahnutie vnútorného jadra vlákna oxidom germaničitým, aby sa dosiahol úplný odraz svetelných vĺn. V polyesterovej chémii sa oxid germaničitý používa ako katalyzátor pri výrobe určitých polyesterových vlákien a granulátov, najmä pre recyklovateľné PET fľaše (PET = polyetyléntereftalát).

Ako vysoko čistý monokryštál sa germánium používa ako detektor žiarenia.

S germániom na rozdiel od ocele nemožno kryštálovú štruktúru rozbiť neutrónovým žiarením. Elasticky absorbuje dopad neutrónu. Doteraz sa však tento objav nepoužíval v reaktoroch.

Nukleárna medicína

68 Ge sa používa v generátore Gálium-68 ako materský nuklid na výrobu Gália-68. 68 Ge sa tiež používa ako zdroj na kalibráciu detektorov v pozitrónovej emisnej tomografii. [13]

Germánium v ​​doplnkoch výživy

Látka bis (karboxyetyl) germanium seskvioxid (Ge-132) sa ponúka ako doplnok výživy na použitie pri rôznych stavoch vrátane rakoviny, syndrómu chronickej únavy, imunitnej nedostatočnosti, [14] AIDS, hypertenzie, artritídy a potravinových alergií. Zatiaľ nie sú vedecky dokázané žiadne pozitívne účinky na priebeh ochorenia.

Podľa európskeho Smernica 2002/46/ES o aproximácii právnych predpisov členských štátov týkajúcich sa doplnkov výživy Germánium by sa nemalo používať ako doplnok výživy. [15] V mnohých krajinách EÚ, ktoré už zosúladili svoje vnútroštátne právne predpisy, vrátane Nemecka a Rakúska, preto nie je povolené pridanie germánia ako zdroja minerálov do potravinových doplnkov.

Príslušné orgány výslovne varujú pred spotrebou Ge-132, pretože nemožno vylúčiť vážne poškodenie zdravia a smrť. [16] [17]

Liečivé použitie germánia

Terapeutická účinnosť protinádorovej látky spirogermanium pri rakovinových ochoreniach sa nepreukázala. Neexistujú žiadne schválené hotové lieky s účinnou látkou spirogermanium. V Nemecku sú farmaceutické prípravky (recepty) obsahujúce germánium považované za otázne, okrem homeopatických riedení z D4. Ich výroba a distribúcia sú preto zakázané. [18] Germanium metallicum prichádzajú vo forme homeopatických liekov. Ako zložka homeopatických prípravkov di-Popísaný laktát germániumcitrátu draselného. [19]

fyziológia

Germánium a jeho zlúčeniny majú relatívne nízku toxicitu. Stopy germánia nájdeme v nasledujúcich potravinách: fazuľa, paradajková šťava, ustrice, tuniak a cesnak. Podľa súčasného stavu vedy nejde o podstatný stopový prvok. Nie je známa žiadna biologická funkcia pre germánium. Diskutovalo sa o možnom vplyve na metabolizmus uhľohydrátov. Nie sú známe žiadne choroby z nedostatku germánia.

toxicita

Otrava germániom u ľudí sa zatiaľ vyskytla až po užití anorganických zlúčenín germánia ako doplnkov výživy. Prvými príznakmi sú nechutenstvo, chudnutie, vyčerpanie a svalová slabosť. Potom nasledujú funkčné poruchy obličiek až po zlyhanie obličiek, ktoré môžu byť pre pacienta smrteľné. Taktiež bola hlásená periférna neuropatia ako sekundárne ochorenie. V prípadoch, keď pacienti prežili príjem anorganických zlúčenín germánia, nebolo možné obnoviť normálnu funkciu obličiek.

Pri užívaní spirogermania v klinických štúdiách boli hlásené prechodné neurotoxické vedľajšie účinky. Spirogermanium bolo testované ako cytostatikum v 80. rokoch. Údaje zo štúdií na zdravých dobrovoľníkoch nie sú k dispozícii.

Z pokusov na zvieratách je známe, že germánium má nízku akútnu orálnu toxicitu. Medzi príznaky akútnej otravy veľkými dávkami germániových zlúčenín patria:

  • Rozšírenie krvných ciev (arteryctasia)
  • Ptóza
  • cyanóza
  • chvenie

Nakoniec ochrnutie dýchania vedie k smrti testovaných zvierat. Príznaky chronickej alebo subchronickej otravy anorganickými zlúčeninami germánu sú:

  • Strata váhy
  • Orgánové zmeny (množstvo orgánov)
  • Progresívna neuropatia
  • Poškodenie obličiek

Organické zlúčeniny germánia vykazovali menšiu toxicitu, ale viedli k úbytku hmotnosti a zníženiu počtu červených krviniek u testovaných zvierat. K dispozícii je málo údajov o teratogénnych účinkoch germánia. Germanát sodný nebol testovaný na karcinogenitu u potkanov.

Mechanizmus toxicity germánia ešte nie je úplne známy. Pozorovali sa však špecifické patologické účinky na mitochondrie obličiek a nervových buniek.

Interakcie

Diskutuje sa tiež o tom, či germánium pravdepodobne vykazuje interakcie s kremíkom v kostnom metabolizme. Môže blokovať pôsobenie diuretík a znižovať alebo blokovať aktivitu mnohých enzýmov, napríklad dehydrogenáz. V pokusoch na zvieratách vykazovali myši predĺžené trvanie spánku indukované hexabarbitalom, ak boli tiež liečené germániovými zlúčeninami. To naznačuje, že aktivita cytochrómu P450 je tiež obmedzená. Existujú správy o organických zlúčeninách germánia, ktoré blokujú detoxikačný enzým glutatión-S-transferázu.

Biologická dostupnosť a metabolizmus

Germánium sa pri požití veľmi ľahko vstrebáva do tela. Distribuuje sa do celého telesného tkaniva, predovšetkým do obličiek a štítnej žľazy. Na rozdiel od anorganických zlúčenín germánia sa organogermanika v ľudskom tele nehromadí. Existuje však iba niekoľko štúdií metabolizmu germánia.

V zásade sa vylučuje močom. Prebieha tiež vylučovanie žlčou a stolicou.

odkazy

Germánium tvorí Ge (II) a trvalejšie Ge (IV) zlúčeniny, iba niektoré majú technický význam.

Tiež sú známi zástupcovia Ge (II) a Ge (IV) halogenidov germánia. Chlorid germánium (GeCl4), kvapalina s bodom varu 83 ° C, vzniká, keď sú oxidy germánia vystavené pôsobeniu chlorovodíka, a je dôležitým medziproduktom pri výrobe germánia. Vysoko čistý GeCl4 sa používa na výrobu optických vlnovodov vyrobených z kremenného skla na výrobu vysoko čistej vrstvy oxidu germánia (IV) na vnútornej strane kremenných vlákien. Disproporcionácia germánia (II) jodidu s tvorbou germánia a germánia (IV) jodid sa môže tiež použiť na výrobu vysoko čistých germániových vrstiev:

Germanáty sú zlúčeniny germánia, ktoré sú odvodené od jeho oxidu. Germánium je prítomné ako germanát takmer vo všetkých mineráloch obsahujúcich germánium.

Nemci sú pomenované pre vodíkové zlúčeniny germánia, ktoré tvoria homológnu sériu molekúl reťazca rôznych dĺžok. Monogermán alebo hydrid germánium (GeH4) je plyn a používa sa v polovodičovom priemysle na epitaxiu a doping.