Германий - химическо училище

Германий

Германий (от латински Германия „Германия“, родината на изследователя Клеменс Уинклер (1838–1904)) е химичен елемент със символа на елемента Ge и атомния номер 32. В периодичната таблица е в 4-и период и 4-та основна група (група 14) или въглеродна група. За първи път е открит на 6 февруари 1886 година.

история

Когато Дмитрий Менделеев проектира периодичната таблица през 1871 г., той се натъква на пролука под силиция и постулира неизвестен преди това елемент, който той нарича ека-силиций. Менделеев направи прогнози за свойствата на ека-силиция и неговите съединения, но те бяха отхвърлени от науката. През 1886 г. Клеменс Уинклер, химик от Freiberg Bergakademie (във Фрайберг), който работи с кобалтово стъкло, открива германий. Това е елементът Ека-силиций, предвиден от Менделеев, чиито свойства се доближават много до намерения германий. [12] Менделеев беше извлякъл свойствата от периодичната си система, така че това откритие допринесе за разпознаването на периодичната система.

Произходът и етимологията на името германий също могат да бъдат резултат от семантично недоразумение във връзка с неговия предшественик елемент галий, тъй като има две теории за назоваването на галий. След първата, френският химик Пол Емил Лекок де Бойсбодран кръсти елемента на името на Галия, латинското име на родната му Франция. Втората дава също латинската дума галус (Hahn) като източник на името, което на френски Le Coq е наречен. Пол Емил Lecoq дьо Бойсбаудран би кръстил новия елемент на собственото си име. Уинклер предположи, че предишният елемент, галий, е кръстен на националността на френския откривател. По този начин той кръсти новия химичен елемент "Германий" в чест на страната си (лат. Германия за Германия).

Поява

Германийът е широко разпространен, но се среща само в много ниски концентрации; Стойност на Кларк (= средно съдържание в земната кора): 1,5 g/t. Намира се като спътник в медни и цинкови руди (меден шисти на Мансфелд). Най-важните минерали са аргиродит, канфилидит, германит и рениерит. Някои растения обогатяват германия. Това свойство води до някои много противоречиви тези по отношение на физиологията на растенията („растителна защита срещу вируси“), които в крайна сметка също водят до приложения в хомеопатията.

характеристики

Германийът е в полуметалната серия в периодичната таблица, но според по-новата дефиниция е класифициран като полупроводник. Елементарният германий е много чуплив и много стабилен на въздух при стайна температура. Той се окислява до германиев (IV) оксид (GeO2) само когато силно свети в кислородна атмосфера. Германийът е двувалентен и четиривалентен. Германиевите (IV) съединения са най-устойчиви. Германийът не се атакува от солна киселина, разтвор на калиев хидроксид и разредена сярна киселина. В алкални разтвори на водороден пероксид, концентрирана гореща сярна киселина и концентрирана азотна киселина обаче тя се разтваря с образуването на германиев диоксид хидрат. Според позицията му в периодичната таблица химичните му свойства са между силиция и калая.

Германийът е едно от малкото вещества, които имат свойството аномалия на плътността. Плътността му е по-ниска в твърдо състояние, отколкото в течно състояние. Лентовата му разлика е около 0,67 eV при стайна температура.

Вафлите от германий са значително по-крехки от силициевите вафли.

използване

електроника

Като полупроводник той беше водещият материал в електрониката, особено при производството на диоди и транзистори, докато не беше изместен от силиций. Днес приложенията могат да бъдат намерени във високочестотни технологии (напр. Като полупроводници от силициев германиев съединение) и детекторни технологии (например като рентгенови детектори). За слънчеви клетки, изработени от галиев арсенид (GaAs), понякога като носител се използват пластини от германий. Константата на решетката на германия е много подобна на тази на галиев арсенид, така че GaAs нараства епитаксиално върху монокристали германий.

Второто му основно приложение е в инфрачервената оптика под формата на прозорци и системи за лещи, изработени от поли- или монокристален германий, както и оптични очила с инфрачервена пропускливост, така наречените халкогенидни очила. Области на приложение за това са военни и граждански устройства за нощно виждане, както и термографски камери. Те могат да се използват, например, за изследване на къщи за течове в топлоизолацията.

Други важни приложения са при производството на оптични вълноводи и полиестерни влакна: В съвременните оптични влакна за телекомуникации германиевият тетрахлорид се използва за покриване на вътрешното ядро на влакната с германиев диоксид, за да се постигне пълно отражение на светлинните вълни. В полиестерната химия германиевият диоксид се използва като катализатор при производството на някои полиестерни влакна и гранули, особено за рециклируеми PET бутилки (PET = полиетилен терефталат).

Като моночистен кристал с висока чистота, германийът се използва като радиационен детектор.

С германия, за разлика от стоманата, кристалната структура не може да бъде нарушена от неутронно лъчение. Той поема еластично въздействието на неутрона. Досега обаче това откритие не е използвано в реактори.

Ядрена медицина

68 Ge се използва в генератора Gallium-68 като основен нуклид за производството на Gallium-68. 68 Ge се използва и като източник за калибриране на детектора при позитронно-емисионна томография. [13]

Германий в хранителни добавки

Веществото бис (карбоксиетил) германиев сескиоксид (Ge-132) е рекламиран като хранителна добавка за употреба при различни състояния, включително рак, синдром на хронична умора, имунодефицит, [14] СПИН, хипертония, артрит и хранителни алергии. Досега не са научно доказани положителни ефекти върху хода на заболяването.

Според европейския Директива 2002/46/ЕО за сближаване на законодателствата на държавите-членки относно хранителните добавки Германий не трябва да се използва в хранителни добавки. [15] В много страни от ЕС, които вече са привели националното си законодателство, включително Германия и Австрия, добавянето на германий като източник на минерали в хранителните добавки не е разрешено.

Компетентните органи изрично предупреждават срещу консумацията на Ge-132, тъй като не могат да бъдат изключени сериозни увреждания на здравето и смъртта. [16] [17]

Лекарствена употреба на германий

Не е доказана терапевтична ефикасност на антинеопластичното вещество спирогерманий при ракови заболявания. Няма одобрени готови лекарствени продукти с активна съставка спирогерманий. В Германия фармацевтичните препарати (рецепти), съдържащи германий, се считат за съмнителни, освен хомеопатичните разреждания от D4. Следователно тяхното производство и разпространението им са забранени. [18] Germanium metallicum идват под формата на хомеопатични лекарства. Като компонент на хомеопатичните препарати ди-Описан калиев германиев цитрат лактат. [19]

физиология

Германий и неговите съединения имат относително ниска токсичност. Следи от германий могат да бъдат намерени в следните храни: боб, доматен сок, стриди, риба тон и чесън. Според настоящото състояние на науката това не е съществен микроелемент. Няма известна биологична функция за германия. Обсъдено е възможно влияние върху метаболизма на въглехидратите. Не са известни заболявания с дефицит на германий.

токсичност

Отравяне с германий при хората досега се е случило само след прием на неорганични германиеви съединения като хранителни добавки. Първите симптоми са загуба на апетит, загуба на тегло, изтощение и мускулна слабост. Това е последвано от функционални нарушения на бъбреците, включително до бъбречна недостатъчност, която може да бъде фатална за пациента. Съобщава се и за периферна невропатия като вторично заболяване. В случаите, когато пациентите са преживели приема на неорганични германиеви съединения, нормалната бъбречна функция не може да бъде възстановена.

Преходни невротоксични странични ефекти са докладвани при прием на спирогерманий в клинични проучвания. Спирогерманийът е тестван като цитостатичен агент през 80-те години. Няма данни от проучвания при здрави доброволци.

От експерименти с животни е известно, че германийът има ниска остра орална токсичност. Симптомите на острото отравяне с големи дози германиеви съединения включват:

Разширяване на кръвоносните съдове (артериектазия)
Птоза
цианоза
тремор

В крайна сметка дихателната парализа води до смъртта на тестваните животни. Симптомите на хронично или субхронично отравяне с неорганични германиеви съединения са:

Отслабване
Органни промени (маса на органите)
Прогресивна невропатия
Увреждане на бъбреците

Органичните германиеви съединения показват по-малка токсичност, но водят до загуба на тегло и намаляване на броя на червените кръвни клетки в тестваните животни. Налични са малко данни за тератогенните ефекти на германия. Натриевият германат е тестван като не канцерогенен при плъхове.

Механизмът на токсичност на германия все още не е напълно изяснен. Въпреки това се наблюдават специфични патологични ефекти върху митохондриите на бъбречните и нервните клетки.

Взаимодействия

Също така се обсъжда дали германият вероятно показва взаимодействия със силиций в костния метаболизъм. Той може да блокира действието на диуретиците и да намали или блокира активността на редица ензими, като дехидрогенази. При експерименти с животни мишките показват увеличена продължителност на съня, предизвикана от хексабарбитал, ако са били допълнително третирани с германиеви съединения. Това предполага, че активността на цитохром Р450 също е ограничена. Има съобщения за органични германиеви съединения, които блокират ензима за детоксикация глутатион-S-трансфераза.

Бионаличност и метаболизъм

Германийът се абсорбира много лесно от организма при поглъщане. Разпределя се по цялата телесна тъкан, предимно в бъбреците и щитовидната жлеза. За разлика от неорганичните германиеви съединения, органогерманите не се натрупват в човешкото тяло. Съществуват обаче само няколко проучвания на метаболизма на германия.

По същество се екскретира с урината. Екскрецията чрез жлъчката и изпражненията също се извършва.

връзки

Германий образува Ge (II) - u. по-стабилни Ge (IV) съединения, само няколко са от техническо значение.

От германиевите халогениди Ge (II) - u. Представител на Ge (IV) е известен. Германиевият тетрахлорид (GeCl4), течност с точка на кипене 83 ° C, се образува, когато германиевите оксиди са изложени на хлороводород и е важно междинно съединение в производството на германий. GeCl4 с висока чистота се използва при производството на оптични вълноводи, направени от кварцово стъкло, за да се създаде високочист германиев (IV) оксиден слой от вътрешната страна на кварцовите влакна. Непропорционалността на германиев (II) йодид с образуването на германиев и германиев (IV) йодид също може да се използва за получаване на високо чисти германиеви слоеве:

Германатите са съединения на германия, които са получени от неговия оксид. В почти всички минерали, съдържащи германий, германият присъства като германат.

Германците са името на водородните съединения на германия, които образуват хомоложна поредица от верижни молекули с различна дължина. Моногерманът или германиевият хидрид (GeH4) е газ и се използва в полупроводниковата индустрия за епитаксия и легиране.