გერმანიუმი
გერმანიუმი წარმოადგენს ქიმიურ ელემენტს, რომლის სიმბოლოა Ge, ატომური ნომერია კი - 32. იგი ბზინვარე, მძიმე, მონაცრისფრო-თეთრი ფერის მეტალოიდია, შედის ნახშირბადის ჯგუფში და თვისებებით ემსგავსება ჯგუფში მის მეზობლად მდებარე სილიციუმს და კალას. გერმანიუმს გააჩნია ხუთი ბუნებრივი იზოტოპი, რომელთა მასა მერყეობს 70-დან 76-მდე. იგი წარმოქმნის დიდი რაოდენობით მეტალორგანულ ნაერთებს, მათ შორის ტეტრაეთილგერმანიუმს და იზობუტილგერმანიუმს.
გერმანიუმი შედარებით მოგვიანებით იქნა აღმოჩენილი, რადგანაც ძალიან მცირე რიცხვის მინერალები შეიცავს მას მაღალი კონცენტრაციით. გერმანიუმს დედამიწის ქერქის შემადგენელ ელემენტებს შორის უკავია დაახლოებით ორმოცდამეათე ადგილი. 1869 წელს დ. მენდელეევმა იწინასწარმეტყველა მისი არსებობა და ზოგიერთი მისი თვისება, ელემენტთა პერიოდულობის ცხრილში მისი ადგილმდებარეობის მიხედვით და მას უწოდა ელემენტი ეკა-სილიციუმი. ოცი წლის შემდეგ, 1886 წელს ქლემენს ვინკლერმა აღმოაჩინა იგი მინერალ არგიროდიტში. ვინკლერმა ამ ელემენტს უწოდა გერმანიუმი (მისი სამშობლოს გერმანიის საპატივსაცემოდ).
გერმანიუმი წარმოადგენს ნახევარგამტარს, რომელიც გამოიყენება ტრანზისტორებსა და სხვადასხვა ელექტრონულ მოწყობილობებში. გერმანიუმი ძირითადად გამოიყენება ბოჭკოვან-ოპტიკურ სისტემებში. იგი აგრეთვე გამოიყენება პოლიმერიზაციის რეაქციებში კატალიზატორად (პოლიეთილენტერეფტალატის მიღების დროს). სულ ახლახან აღმოჩენილია მისი გამოყენების შესაძლებლობა ნანოგამტარებში.
გერმანიუმი ძირითადად მიიღება მინერალ სპალერტოტისაგან. მისი წარმოება შესაძლებელია ასევე ვერცხლის, ტყვიის და სპილენძის საბადოებიდან. გერმანიუმის ზოგიერთი ნაერთი, როგორიცაა გერმანიუმის ქლორიდი და გერმანები (გერმანიუმის წყალბადნაერთები) იწვევს თვალების, კანის, ფილტვების და ყელის გაღიზიანებას.
ისტორია
1885 წელს, საქსონიაში, ერიბერგის ახლოს აღმოჩენილ იქნა მინერალი არგიროდიტი (ასე უწოდეს მას მეტალური ვერცხლის მაღალი შემცველობის გამო). ქიმიკოსმა ვინკლერმა (Clemens Winkler) შეისწავლა იგი და შეძლო გამოეყო სტიბიუმის მსგავსი ელემენტი (1836 წელი). ამ ელემენტს მან უწოდა გერმანიუმი (ლათინური სიტყვიდან Germania). რადგანაც ეს ელემენტი ამჟღავნებდა მსგავსებას დარიშხანთან და სტიბიუმთან, მისი ადგილი პერიოდულ სისტემაში უნდა ყოფილიყო ამ ელემენტებთან, მაგრამ იმდენად დიდი იყო მისი მსგავსება მენდელეევის მიერ ნაწინასწარმეტყველები ელემენტის - ”ეკასილიციუმის ” მიმართ, რომ იგი პერიოდულობის ცხრილში განათავსეს ნახშირბადის ქვეჯგუფში სილიციუმსა და კალას შორის. შემდგომი კვლევებით ვინკლერმა განსაზღვრა ამ ახალი ელემენტის თვისებები (1887 წელს). მან ასევე დაადგინა მისი ატომური წონა (72.32) სუფთა გერმანიუმტეტრაქლორიდის (GeCl4) ანალიზით.
ვინკლერმა შეძლო გერმანიუმის რამდენიმე ახალი ნაერთის მიღება, მათ შორის: ფთორიდების, ქლორიდების, სულფიდების, გერმანიუმ დიოქსიდის და ტეტრაეთილგერმანიუმის (Ge(C2H5)4). ეს უკანასკნელი პირველი გერმანიუმორგანული ნაერთია.
1930 წლამდე გერმანიუმი მიაჩნდათ ცუდ გამტარად. 1945 წლამდე თვლიდნენ, რომ იგი არ იყო ეკონომიურად მომგებიანი მისი გამოყენება ელექტრონიკაში. მეორე მსოფლიო ომის დროს გერმანიუმის მცირე რაოდენობის გამოყენება დაიწყეს სპეციალური ელექტრული ხელსაწყოების დიოდების მისაღებად.
პირველი, სილიციუმ-გერმანიუმის შენადნობი მიიღეს 1955 წელს. 1945 წლამდე ყოველწლიურად მხოლოდ რამდენიმე ასეული კილოგრამ გერმანიუმს აწარმოებდნენ, ხოლო 1950 წლის ბოლოსათვის მსოფლიო მოხმარებამ მიაღწია ასეულობით ტონას მიაღწია.
ბუნებაში გავრცელება
გერმანიუმი წარმოიქმნება გიგანტურ ვარსკვლავებზე. ვარსკვლავური ნუკლეოსინთეზით, უმეტესად s-პროცესების შედეგად. გერმანიუმის აღმოჩენა შესაძლებელია იუპიტერზე და ზოგიერთ, უფრო შორს მდებარე ვარსკვლავებზეც. მისი გავრცელება დედამიწის ქერქში შეადგენს დაახლოებით 1.6 მნ. გერმანიუმს შეიცავს ისეთი იშვიათი მინერალები, როგორიცაა არგიროდიტი, ბრიარტიტი, გერმანიტი და რენიერიტი, რომლებიც შეიცავენ გერმანიუმს შედარებით დიდი რაოდენობით. ზოგიერთი თუთია-სპილენძ-ტყვიის საბადო შეიცავს საკმაო რაოდენობით გერმანიუმს. ეს უკანასკნელი შეიძლება მივიღოთ ამ საბადოების კონცენტრატის ექსტრაგირებით. გერმანიუმს შეიცავს ქვანახშირი და მურა ნახშირის ნაცარი. ქვანახშირის დეპოზიტი მონღოლეთში (ქსილინჰეოთში) შეიცავს 1600 ტონა გერმანიუმს.
იზოტოპები
ბუნებაში გვხვდება გერმანიუმის ხუთი იზოტოპი: 70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge, და 76Ge. ამათგან სუსტი რადიოაქტივობა აქვს 76Ge, რომლის ნახევარდაშლის პერიოდია 1.78×1021 წელი. ყველაზე ცნობილი იზოტოპია 74Ge, რომლის გავრცელება ბუნებაში დაახლოებით 36%-ია. 76Ge -ის გავრცელება კი დაახლოებით 7%-ია. 72Ge -იზოტოპი ალფა ნაწილაკებით დაბომბვისას გადადის მდგრად 77Se . ამ პროცესს თან ახლავს მაღალი ენერგიის გამოყოფა, ამის გამო კომბინაციაში რადონთან ერთად იგი გამოიყენება ბირთვულ ბატარეებში.
სინთეზირებულია გერმანიუმის 27 რადიოიზოტოპი ატომური მასით 58-დან 80-მდე. ამათგან ყველაზე სტაბილურია 68Ge (ნახევარდაშლის პერიოდი 270.95 დღე), ყველაზე ნაკლებ სტაბილური კი არის 60Ge (ნახევარდაშლის პერიოდი 30 წთ).
გერმანიუმის ჰიდრიდი არის მეთანის მსგავსი აღნაგობის ნაერთი
ფიზიკური თვისებები
სტანდარტულ პირობებში გერმანიუმი წარმოადგენს მოვერცხლისფრო-თეთრი ფერის ნახევრად მეტალურ ელემენტს. იგი წარმოქმნის ალოტროპს, რომელიც ცნობილია, როგორც α-გერმანიუმი. მას აქვს მეტალური მბზინვარება და გააჩნია ალმასის მსგავსი სტრუქტურა. 120 კილობარ წნევაზე დაბლა არსებობს b-გერმანიუმი, რომელსაც აქვს b-კალას მსგავსი სტრუქტურა. იგი ერთ-ერთია იმ მცირერიცხოვან ნივთიერებებს შორის (სილიციუმი, გალიუმი, ბისმუტი, სტიბიუმი და წყალი), რომლებიც გაყინვით (ე.ი. გაყინვისას) ფართოვდება.
სუფთა გერმანიუმის კრისტალებს ახასიათებს ნახევარგამტარობა. პირველი მეტალური მასალა, რომელიც აღმოჩენილია 2005 წელს, გახდა ზეგამტარი ძლიერ ელექტრულ ველში. ეს იყო გერმანიუმის შენადნობი ურანთან და რადიუმთან.
ცნობილია, რომ სუფთა გერმანიუმს გააჩნია, ე.წ. საცეცები, რომლის ზრდაც იწვევს გერმანიუმისაგან დამზადებული ტრანზისტორების და ძველი დიოდების მუშაობის შეფერხებას. მათთან შემთხვევითმა შეხებამ შეიძლება მიგვიყვანოს მოკლე ჩართვამდე.
ქიმიური თვისებები
ელემენტური გერმანიუმი 250°C ტემპერატურაზე ნელა იჟანგება GeO2-ის წარმოქმნით. გერმანიუმი არ იხსნება განზავებულ მჟავებში და ტუტეებში, მაგრამ ნელა იხსნება კონცენტრირებულ გოგირდმჟავაში და მძაფრად ურთიერთქმედებს გამლღვალ ტუტესთან ([GeO3]2−)-ის წარმოქმნით.
გერმანიუმი ძირითადად გვხვდება +4 დაჟანგულობის რიცხვით, თუმცა ასევე ბევრი ნაერთია ცნობილი +2 დაჟანგულობის რიცხვითაც. +3 დაჟანგულობის რიცხვით გვხვდება იშვიათად, მაგალითად ისეთ ნაერთებში, როგორიცაა Ge2Cl6.
გერმანიუმის უარყოფითი დაჟანგულობის რიცხვი (-4) გვხვდება GeH4-ში. გერმანიუმის ანიონთა ჯგუფი, როგორიცაა Ge42−, Ge94−, Ge92−, [(Ge9)2]6− შეიძლება მივიღოთ შენადნობებიდაგან ექსტრაქციით, რომელიც შეიცავს გერმანიუმს და ტუტე მეტალს თხევად ამიაკში ეთილენდიამინისა ან კრიპტანდის თანაობისას.
ცნობილია გერმანიუმის ორი ოქსიდი: გერმანიუმის დიოქსიდი (GeO2) და გერმანიუმის მონოოქსიდი (GeO). დიოქსიდი -GeO2 შეიძლება მივიღოთ გერმანიუმის სულფიდის (GeS2) ძლიერი გახურებით ჟანგბადის არეში. იგი წარმოადგენს თეთრი ფერის ფხვნილს, მცირედ იხსნება წყალში, მაგრამ შედის რეაქციაში ტუტეებთან გერმანატების წარმოქმნით. მონოქსიდი მიიღება მაღალ ტემპერატურაზე GeO2-ის ურთიერთქმედებით მეტალურ გერმანიუმთან. დიოქსიდები (და მონათესავე ოქსიდები და გერმანატები) ამჟღავნებენ ხილული სხივების მაღალ რეფრაქციულ ინდექსს, მაგრამ გამჭვირვალეა ინფრაწითელ დიაპაზონში.
ბისმუტგერმანიტი Bi4Ge3O12, (BGO) გამოიყენება სცინტილატორად (ორგანული ან არაორგანული ნაერთები ან მათი წყალხსნარები, რომლებშიც იონიზირებული დასხივების შედეგად წარმოიქმნება სინათლის გამოსხივება).
ცნობილია ბინარული ნაერთები ქალკონებთან, როგორიცაა დისულფიდი (GeS2), დისელენიდი (GeSe2) და მონოსულფიდები (GeS), სელენიდი (GeSe) და ტელურიდი (GeTe). GeS2 მიიღება თეთრი ნალექის სახით Ge(IV) შემცველ ძლიერ მჟავა ხსნარში გოგირდწყალბადის გატარებით. დისულფიდი საკმაოდ კარგად იხსნება წყალში და ტუტეებისა და ტუტემეტალთა სულფიდების ხსნარებში, თუმცა იგი არ იხსნება შემჟავებულ წყალში, რამაც საშუალება მისცა ვინკლერს აღმოეჩინა ეს ელემენტი. დისულფიდის გაცხელებით წყალბადის ნაკადში წარმოიქმნება მონოსულფიდი (GeS), რომელიც იხსნება ტუტე მეტალთა ხსნარებში. გერმანიუმის ნაერთების შელღობით ტუტემეტალთა კარბონატებთან და გოგირდთან წარმოიქმნება მარილები - თიოგერმენატები.
ცნობილია გერმანიუმის ოთხი ჰალოგენიდი. ნორმალურ პირობებში გერმანიუმის ტეტრაიოდიდი GeI4 წარმოადგენს მყარ ნაერთს, გერმანიუმის ტეტრაფთორიდი GeF4 არის აირადი და დანარჩენი წარმოადგენენ სითხეებს. GeCl4 წარმოადგენს უფერო სითხეს - დუღილის ტემპერატურით 83.1°C, რომელიც მიიღება მეტალის გაცხელებით ქლორთან. ყველა ტეტრაჰალოგენიდი ადვილად განიცდის ჰიდროლიზს და მიიღება გერმანიუმის ჰიდრატირებული დიოქსიდი. GeCl4 გამოიყენება ორგანოგერმანიუმ ნაერთების მისაღებად. ოთხივე დიჰალოგენიდი ცნობილია და ტეტრაჰალოგენიდებისაგან განსხვავებით წარმოადგენენ მყარ პოლიმერებს. GenCl2n+2 ფორმულით ცნობილია გერმანიუმის ნაერთები, კერძოდ Ge2Cl6. ასევე ცნობილია ნაერთები Ge6Cl16 და Ge5Cl12, რომელსაც აქვს ნეოპენტანის სტრუქტურა.
გერმანოწყალბადს GeH4 (მონოგერმანი) აქვს მეთანის მსგავსი სტრუქტურა. პოლიგერმანები - ალკანების მსგავსი ნაერთებია, ზოგადი ფორმულით GenH2n+2. ცნობილია ხუთი გერმანიუმის ატომის შემცველი ნაერთი. გერმანები ნაკლებ რეაქციისუნარიანი ნაერთებია, ვიდრე მათი შესაბამისი სილიციუმ ანალოგები. GeH4 რეაგირებს ტუტე მეტალებთან თხევადი ამიაკის არეში და წარმოქმნის თეთრი ფერის, კრისტალურ MGeH3, რომელიც შეიცავს GeH3− ანიონს.
გერმენიუმჰიდროჰალოგენიდები ერთი, ორი და სამი ჰალოგენის ატომით წარმოადგენენ უფერო სითხეებს. პირველი ორგანოგერმანიუმის ნაერთი სინთეზირებულ იქნა 1887 წელს ვინკლერის მიერ. გერმანიუმის ტეტრაქლორიდის ურთიერთქმედებით დიეთილთუთიასთან მიიღება ტეტრაეთილგერმანიუმი (Ge(C2H5)4).
ტეტრამეთილგერმანიუმი (Ge(CH3)4) და ტეტრაეთილგერმანიუმი (Ge(C2H5)4) მიიღება იაფი პრეკურსორის - გერმანიუმტეტრაქლორიდისა და ალკილნუკლეოფილის გამოყენებით.
გერმანიუმის ორგანული ჰიდრიდებს, როგორიცაა მაგალითად იზობუტილგერმანიუმი [(CH3)2CHCH2GeH3] აღმოაჩნდათ შედარებით ნაკლები გამაღიზიანებლობა და ისინი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ტოქსიკური გერმან-აირის თხევად შემცვლელებად ნახევარგამტარების წარმოებაში. ცნობილია გერმანიუმის აქტიური ინტერმედიატები: გერმილის თავისუფალი რადიკალები, გერმილენები (კარბენების მსგავსი) და გერმინები (კარბინების მსგავსი). ორგანოგერმანიუმ ნაერთი - 2-კაბოქსიეთილგერმასესქვიოქსანი, პირველად მოხსენიებულ იქნა 1970 წელს და შემდგომ უკვე მას იყენებდნენ, როგორც დიეტურ დანამატს, რომელსაც სავარაუდოდ აქვს სიმსივნის საწინააღმდეგო თვისებები.
რენიერიტი
მიღება
2006 წელს გერმანიუმის მსოფლიო წარმოება შეადგენდა 100 ტონას. იგი ძირითადად მიიღებოდა, როგორც საბადო სპალერიტის თუთიის თანამდევი პროდუქტი, რომელშიც მისი კონცენტრაცია აღწევდა 0.3%. განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია Zn–Pb–Cu(–Ba) და Zn–Pb-ის კარბონატის დეპოზიტი. გერმანიუმის მსოფლიო მარაგი არ არის დიდი, მაგრამ აშშ-ში მისი მარაგი აღწევს 500 ტონამდე.
სპალერიტის გარდა იგი მოიპოვება ვერცხლის, ტყვიის და სპილენძის საბადოებში. რუსეთსა და ჩინეთში გერმანიუმს ღებულობდნენ ქვანახშირისა და მურა ნახშირის ნაცრისაგან. რუსეთში დეპოზიტები ლოკალიზებულია ქვეყნის აღმოსავლეთ ნაწილში, კუნძულ სახალინზე, ასევე მოიპოვება დეპოზიტები ჩინეთსა და მონღოლეთში.
გალიანში უმეტესად გერმანიუმი არის სულფიდის სახით, რომლებიც მაღალ ტემპერატურაზე იჟანგებიან ჰაერის ჟანგბადით.
GeS2 + 3 O2 → GeO2 + 2 SO2
გერმანიუმის ნაშთის ნაწილი, რომელიც წარმოიქმნება პროცესის შედეგად, გარდაიქმნება გერმანატში, რომელიც ნაცრისაგან (შლაკისაგან) გამოიტუტება თუთიასთან ერთად გოგირდმჟავას მოქმედებით. ნეიტრალიზაციის რეაქციის შედეგად ხსნარში რჩება მხოლოდ თუთია, ხოლო ნალექი შეიცავს გერმანიუმს და სხვა მეტალებს. ვაელზის პროცესების შედეგად ვაელზის ოქსიდი გამოიტუტება ხელმეორედ და მიიღება დიოქსიდი ნალექის სახით, რომელიც გადადის გერმანიუმის ტეტრაქლორიდში აირადი ქლორის ან ქლორწყალბადის მოქმედებით, რომელსაც აქვს დაბალი დუღილის ტემპერატურა და შესაძლებელია მისი გამოხდა.
GeO2 + 4 HCl → GeCl4 + 2 H2O
GeO2 + 2 Cl2 → GeCl4 + O2
გერმანიუმის ქლორიდი ჰიდროლიზდება ოქსიდამდე (GeO2) ან სუფთავდება ფრაქციული გამოხდით და შემდეგ ჰიდროლიზდება. ზესუფთა GeO2 გამოიყენება გერმანიუმ-მინის წარმოებაში, ხოლო სუფთა გერმანიუმის ოქსიდს წყალბადით აღადგენენ გერმანიუმამდე, რომელიც გამოიყენება ინფრაწითელ ოპტიკაში ან ნახევარგამტარების ინდუსტრიაში.
GeO2 + 2 H2 → Ge + 2 H2O
ფოლადის წარმოებაში და სხვა სამრეწველო პროცესებში გერმანიუმს აღადგენენ ნახშირით.
GeO2 + C → Ge + CO2
გამოყენება
2007 წელს გერმანიუმის მსოფლიო გამოყენება ფიჭურ-ოპტიკურ სისტემებში იყო 35%, 35% - ინფრაწითელ ოპტიკაში, 15% - კატალიზატორად პოლიმერიზაციის რეაქციებში და 15% -ელექტრონიკაში. დანარჩენი 5% გამოიყენებოდა სხვადასხვა საჭიროებისათვის, მაგალითად მეტალურგიაში და ქიმიოთერაპიაში.
რადგანაც გერმანიუმისა და გალიუმის არსენიდებს აქვთ მსგავსი სტრუქტურული მესერი, გერმანიუმის სუბსტრატი შეიძლება გამოვიყენოთ გალიუმის არსენიდის მზის ბატარეების დასამზადებლად. სილიციუმის ორჟანგის (SiO2) და გერმანიუმის დიოქსიდის (GeO2) მსგავსების გამო შეიძლება სვეტურ გაზ-ქრომატოგრაფიაში სილიციუმის ორჟანგის ჩანაცვლება SiO2-ით.
სუფთა გერმანიუმის მონო კრისტალის დეტექტორს ზუსტად შეუძლია რადიაციული წყაროს იდენტიფიკაცია - მაგალითად, აეროპორტის დაცვაში.
ბიოლოგიური როლი
გერმანიუმის ნაერთებს გააჩნიათ ძუძუმწოვრების მიმართ დაბალი, ტოქსიკურობა, მაგრამ ავლენენ ტოქსიკურობას ბაქტერიების წინააღმდეგ. ეს თვისებები ხდის ამ ნაერთებს, რომ ისინი გამოყენებულ იქნან, როგორც ქიმიოთერაპიული აგენტები.
1922 წელს აშშ-ში ექიმებმა გერმანიუმი გამოიყენეს პაციენტებში არაორგანული ფორმით, ანემიის საწინააღმდეგოდ. მაგრამ ამ ნაერთების ეფექტურობა საკმაოდ საეჭვი იყო. ამის შესახებ გაიმართა დებატები და აშშ-ში საკვებისა და წამლების ადმინისტრაციამ დაასკვნა, რომ გერმანიუმის გამოყენება მკვებავ დანამატებად, პოტენციურად შეიცავს ადამიანის ჯანმრთელობის მიმართ რისკს. გერმანიუმი არ წარმოადგენს მცენარეთა და ცხოველთა ჯანმრთელობისათვის აუცილებელ ელემენტს. მაგალითად, გერმანიუმის ქლორიდი და გერმანი (GeH4), შესაბამისად სითხე და აირი, ძლიერ აღიზიანებს თვალებს, ფილტვებს და ყელს.
მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით
