Germánsky inštitút pre vzácne zeminy a strategické kovy

Germánium (z latinčiny Germania „Nemecko“, po krajine, v ktorej bolo prvýkrát nájdené) je chemický prvok so symbolom prvku Ge a atómovým číslom 32. V periodickej tabuľke sa nachádza v 4. období a vo štvrtej hlavnej skupine (14. Skupina IUPAC, p-blok a uhlíková skupina). Prvýkrát ho zistili v mineráli argyrodit 6. februára 1886.

germánsky

príbeh

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.

Pôvod a etymológia názvu germánium mohli vyplynúť aj zo sémantického nedorozumenia v súvislosti s jeho predchodcom gáliom, pretože existujú dve teórie pomenovania gália. Po prvej pomenoval francúzsky chemik Paul Émile Lecoq de Boisbaudran prvok po Gálii, latinský názov jeho rodného Francúzska. Druhá z nich uvádza ako zdroj názvu latinské slovo gallus (kohút), čo vo francúzštine znamená le coq („kohút“). Paul Émile Lecoq de Boisbaudran by pomenoval nový prvok po svojom mene. Winkler predpokladal, že predchádzajúci prvok, gálium, bol pomenovaný podľa národnosti francúzskeho objaviteľa. Takto pomenoval nový chemický prvok „Germanium“ na počesť svojej krajiny (pre Nemecko latinsky Germania).

Výskyt

Germánium je rozšírené, ale vyskytuje sa iba vo veľmi nízkych koncentráciách; Clarkeova hodnota (= priemerný obsah v zemskej kôre): 1,5 g/t. V prírode sa vyskytuje väčšinou ako sulfid (tiogermanát) a často sa vyskytuje ako spoločník v medených a zinkových rudách (Mansfeldova medená bridlica). Najdôležitejšie minerály sú argyrodit, canfieldit, germanit a renierit. 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.

Ťažba a výroba

Podľa USGS bola ročná produkcia v roku 2014 odhadovaná na 165 t, z toho 120 t v Číne. Cena za 1 kg germánia sa v roku 2014 pohybovala okolo 1 900 USD. Podľa EÚ bola cena v roku 2003 300 USD za kg a do roku 2009 stúpla na 1 000 USD.

Spaliny (obsahujúce oxid manganičitý ()) zo spracovania zinkovej rudy sú zvlášť vhodné na výrobu germánia. Germánium je obohatené zo spalín rozpustením popolčeka v kyseline sírovej. Po vyzrážaní roztoku sa uskutoční ďalšie spracovanie destiláciou chloridov kovov. Hydrolýza potom vedie späť k oxidu, ktorý sa vodíkom redukuje na germánium. Zastúpenie germánia vysokej čistoty môže pre. B. musí byť vykonané zónovým tavením.

charakteristikyelementárne germánium

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 sa na oxid germaničitý (GeO2) iba vtedy, keď silne žiari v kyslíkovej atmosfére. GeO2 je dimorfný a prevádza sa z rutilovej modifikácie (CN = 6) na ß-kremennú štruktúru (CN = 4) pri 1033 ° C. V práškovej forme je to horľavá tuhá látka a dá sa ľahko zapáliť krátkym vystavením zdroju vznietenia a po jeho odstránení pokračuje v horení. Čím jemnejšia je látka distribuovaná, tým väčšie je riziko vznietenia. V kompaktnej forme nie je horľavý. 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.

použitieelektronika

Ako polovodič bolo germánium v ​​monokryštálovej forme popredným materiálom v elektronike v polovici 20. storočia, najmä na výrobu prvých germániových diód a bipolárnych tranzistorov dostupných na trhu, kým nebolo v týchto oblastiach nahradené kremíkom. Aplikácie dnes nájdeme vo vysokofrekvenčnej technológii (napr. Ako polovodiče kremík-germániové zlúčeniny) 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.

Poháre a vlákna

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. Medzi oblasti použitia patria vojenské a civilné zariadenia na nočné videnie a termovízne kamery.

Ďalšie dôležité použitia sú pri výrobe optických vlnovodov a polyesterových vlákien: V moderných telekomunikačných sklenených vláknach sa chlorid germánium používa na generovanie oxidu germaničitého vo vnútornom jadre vlákna počas chemického vylučovania z pary. To má za následok vyšší index lomu v jadre v porovnaní s vláknovým obkladom, ktorý zaisťuje vedenie 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).

Nukleárna medicína a jadrové inžinierstvo

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

Ako vysoko čistý monokryštál sa germánium používa ako detektor žiarenia.

Germánium v ​​doplnkoch výživy

Látka Bi (karboxyetyl) germanium seskvioxid (Ge-132) sa ponúka ako doplnok výživy na použitie pri mnohých chorobách, vrátane rakoviny, syndrómu chronickej únavy, imunitnej nedostatočnosti, AIDS, vysokého krvného tlaku, artritídy a potravinových alergií. Zatiaľ nie sú vedecky dokázané žiadne pozitívne účinky na priebeh ochorenia.

Podľa európskej smernice 2002/46/ES o aproximácii právnych predpisov členských štátov o doplnkoch výživy by sa germánium nemalo používať v doplnkoch výživy. 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.

Zodpovedné orgány výslovne varujú pred konzumáciou Ge-132, pretože nemožno vylúčiť vážne poškodenie zdravia a smrť.

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. Germanium metallicum je dostupný vo forme homeopatických liekov. Laktát germánium-citrátu dvojdraselého je popisovaný ako zložka homeopatických prípravkov.

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.

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 by germánium mohlo interagovať 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.