آنالیز شیمیایی ژرمانیوم - دقیق شیمی آزما

آنالیز شیمیایی ژرمانیوم

ژرمانیم سی و دومین عنصر جدول تناوبی است. ژرمانیم یکی از اعضای مهم خانواده نیمه ‌رساناها است و در صنعت نیمه‌ هادی کاربرد فراوان دارد. نام این عنصر لاتین واژه ژرمن (آلمان) است.

ژرمانیم عنصر شیمیایی است که با نشان Ge و عدد اتمی ۳۲ در جدول تناوبی وجود دارد. ژرمانیم شبه فلزی است سخت، درخشان، به رنگ سفید خاکستری که از نظر شیمیایی شبیه قلع است. این عنصر تعداد بسیار زیادی از ترکیبات آلی – فلزی را تشکیل داده و ماده نیمه هادی مهمی در ترانزیستورها و نورسنج ها به حساب می ‌آید.

بیشتر بخوانید: آنالیز شیمیایی سرب

ژرمانیم عنصری سخت و به رنگ سفید مایل به خاکستری است که دارای درخشش فلزی و ساختار بلوری همانند الماس است. که ژرمانیم یک ‌نیمه هادی با ویژگی ‌های الکتریکی بین فلز و عایق است. نوع خالص این شبه فلز، بلورین و شکننده بوده و در دمای اتاق درخشش خود در هوا را حفظ می‌کند. روش‌های تصفیه منطقه ‌ای باعث تولید ژرمانیم بلورین برای نیمه هادی ‌ها گشته که فقط دارای یک جز در ۱۰۱۰ ناخالصی هستند.

خاصیت اکاسیلیکون ژرمانیوم، جرم اتمی ۷2 (72.59) چگالی 5.35 (g/cm³) نقطه جوش(C°) بالا ۹۴۷ و دارای رنگ خاکستری می ‌باشد.

ژرمانیم یکی از چهار عنصری بود که دمیتری مندلیف در سال ۱۸۷۱ وجود آن ها را پیش‌ بینی کرده بود. وجود این عنصر را کلمنز وینکلر در سال ۱۸۸۶ اثبات کرد. این کشف تاییدیه مهمی برای نظریه مندلیف در مورد وضعیت تناوبی عناصر بود.

از سال ۱۹۵۰ تا اوایل دهه ۸۰ این حوزه بازار روزافزونی برای ژرمانیم به وجود آورد ولی بعد از آن سیلیکون خالص کم ‌کم در ترانزیستورها، دیودها و یکسو کننده‌ ها جایگزین ژرمانیم شد. سیلیکون خصوصیات الکتریکی برتری دارد ولی نمونه ‌های بسیار خالص تری نیاز دارد. درجه خلوصی که در روزهای اولیه به صورت تجاری قابل دستیابی نبود. در حالی که نیاز به ژرمانیم در شبکه‌ های ارتباطی فیبر نوری، سیستم‌ های مادون قرمز دید در شب و کاتالیزورهای پلیمریزاسیون شدیدا افزایش یافت. این کاربردهای نهایی، ۸۵٪ مصرف جهانی ژرمانیم را در سال ۲۰۰۰ تشکیل می ‌دهد.

تهیه و تولید

این شبه فلز در کانی ‌های آرژیرودیت یا سیم سنگ (سولفید ژرمانیم و نقره)، زغال سنگ، ژرمانیت، روی و کانی‌ های دیگر یافت می ‌شود. ژرمانیم به صورت تجاری از پردازش سنگ معدن مذاب روی و از سوختن محصولات جانبی زغال سنگ‌ های خاصی بدست می ‌آید؛ اندوخته زیادی از این عنصر در منابع زغال سنگ وجود دارند.

این شبه فلز را می ‌توان به وسیله ی تقطیر جزئی تتراکلرید فرار آن از فلزات دیگر نیز تهیه کرد. این روش باعث تولید ژرمانیم با خلوص بسیار بالا می‌ شود. قیمت هر گرم ژرمانیم در سال ۱۹۹۷ تقریباً ۳ دلار آمریکا و قیمت هر کیلو آن در پایان سال ۲۰۰۰ معادل ۱۱۵۰ دلار بود.

ژرمانیوم تترا کلراید مایعی بی رنگ، و دارای بوی خاص و اسیدی است. این ماده به عنوان واسطه در تولید فلز خالص ژرمانیوم استفاده می شود. در سال های اخیر، استفاده از این ترکیب به عنوان معرف برای تولید فیبر نوری، بسیار افزایش یافته است.

ژرمانیم تترا کلراید جزء دسته مواد سمی قرار دارد. استنشاق این ماده ایجاد مسمومیت می کند. تحریک کننده پوست، چشم و غشای مخاطی است. به شدت با آب یا بخار واکنش نشان می دهد و بخارات سمی و خورنده تولید می کند. موقعی که گرم می شود تا تجزیه شود، گازهای سمی Cl– منتشر می شود.

بیشتر بخوانید: آنالیز شیمیایی بیسموت

خواص و مشخصات شناسایی ژرمانیوم تترا کلراید

خواص:

شکل فیزیکی                                                           مایع بی رنگ

دانسیته  (در ۲۰ درجه C ۰)                                 ( ۳ g/cm) 1.879

نقطه ذوب                                                         ( C۰)  -49.5

حلالیت در آب                                                       محلول، هیدرولیز

مشخصات:

فرمول شیمیایی                                                                                          GeCl4

وزن مولکولی                                                      (g/mol) 214.40

شماره    (CAS No)                                                        10038-98-9                             

نام ها         Tetrachlorogermane, Tetrachloridogermanium                                  

تولید ژرمانیوم تترا کلراید

بیشترین تولید تجاری ژرمانیم از طریق تصفیه و ذوب فلزات روی و مس است، گرچه منبع قابل توجهی در خاکستر حاصل از احتراق انواع خاصی از زغال سنگ به نام ویترین وجود دارد. تتراکلرید ژرمانیم واسطه ای برای تصفیه فلز ژرمانیوم یا اکسید آن، GeO2 است.

با استفاده از محلول اکسید در اسید کلریدریک غلیظ، ژرمانیوم تترا کلرید می تواند مستقیما از GeO2 (دی اکسید ژرمانیوم) تولید شود. مخلوط حاصل به صورت جزئی تقطیر می شود تا تتراکلرید ژرمانیم را از دیگر محصولات و ناخالصی ها تصفیه و جدا کند. می توان  GeCl4را با آب دیونیزه شده مجدداً تجزیه و تولید GeO2 خالص کرد، در محیطی با حضور هیدروژن کاهش می یابد و فلز ژرمانیوم تولید می شود.

تولیدGeO2 ، به فرم اکسید شده ژرمانیم استخراج شده از سنگ معدن بستگی دارد. سنگ معدن مس، سرب، سولفید و روی، سولفید باعث تولید GeS2 می شود که متعاقبا با اکسید کننده ای مثل کلرات سدیم به GeO2 اکسید می شود.

سنگ معدن روی بو داده و پخته می شود و می تواند به طور مستقیم GeO2 را تولید کند. اکسید پردازش می شود. سنتز کلاسیک کلر و فلز ژرمانیوم در دمای بالا امکان پذیر است.

بیشتر بخوانید: آنالیز نقره و آنالیز اسپکتروسکوپی جذب اتمی

واکنش پذیری ژرمانیوم تترا کلراید

کلرید ژرمانیم (IV) با آب، هیدرولیز شده و  اکسید ژرمانیوم و اسید کلریدریک تولید می کند:

+ 2H2O → GeO2 + 4HCl  GeCl4

سرعت هیدرولیز کندتر از آنالوگ سیلیکون مربوطه است و هیدرولیز فقط تا حدودی اتفاق می افتد. موقعی که با هیدروژن در دمای ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد در یک راکتور کوارتز گرم می شود، به کلرید ژرمانیم (I) تبدیل می شود و بر روی دیواره راکتور متراکم می شود:

2GeCl + 6HCl 2GeCl4 + 3H2 → 

موقعی که بخارات GeCl4 در دمای بالا از ژرمانیوم عبور می کنند، محصول کلرید ژرمانیم (II) ،GeCl2 است:

GeCl4 + Ge → 2GeCl2 

واکنش با هیدرید آلومینیوم لیتیوم در فرم های اتر مونوژرمن، GeH4:

GeCl4 + LiAlH4 → GeH4+ LiCl + AlCl3 

واکنش با تری فلوئورید آنتیموان، SbF3 در حضور پنتاکلرید آنتیموان، SbCl5، هالیدهای مخلوطی از ترکیبات تشکیل می دهد: GeCl2F2، GeCl3F2 ،GeCl3F وGeClF3 .

واکنش با الکل ها در حضور یک آمین باعث الکوکسیدها انجام می شود:

→ Ge(OCH3)4 + 4C2H5N • HCl  GeCl4 + 4CH3OH + 4C2H5NH2 

کاربردها

ژرمانیم برخلاف بیشتر نیمه هادی‌ها دارای band gap (شکاف نوار) کوچکی است که امکان واکنش موثر به اشعه مادون قرمز را به وجود می ‌آورد؛ ژرمانیم در طیف نماهای مادون قرمز و سایر تجهیزات دیداری که نیازمند یابنده ‌های حساس مادون قرمز است کاربرد دارد. ضریب شکست و ویژگی‌ های تجزیه اکسید آن، استفاده از ژرمانیم را در عدسی‌ های زاویه باز دوربین و عدسی ‌های شیئی میکروسکوپ سودمند می ‌کند.

موسیقی دانانی که مایل به بازآفرینی حالت خاص تقویت کننده‌ های اوایل دوره Rock and roll هستند، هنوز هم در تقویت کننده‌ های گیتار برقی از ترانزیستورهای ژرمانیم استفاده می ‌کنند. آلیاژ ژرمانید سیلیکون (SiGe) در حال تبدیل سریع به ماده نیمه هادی مهم در ICهای سرعت بالا است. مدارهایی که از پیوندهای Si-SiGe استفاده می ‌کنند می‌ توانند نسبت به مدارهایی که تنها سیلیکون به کار می‌ برند سرعت خیلی بیشتری داشته باشند. 

بیشتر بخوانید: بررسی آنالیز ICPOES و کاربردهای آن

دیگر کاربردها:

عامل آلیاژساز 

به عنوان ماده درخشان در 

به عنوان کاتالیزور 

وظایف ژرمانیوم در بدن:

1)افزایش ایمنی سلول اعصاب

2)دوباره جوان کردن سلول ‌ها

3)تولید انرژی

4)محافظت در برابر سموم

5)تولید قدرت آنتی‌اکسیدانی که باعث کاهش درد می‌ شود

6)افزایش حس شنوایی

ترکیبات خاصی از ژرمانیم برای پستانداران مسمومیت کمی دارند ولی برای باکتری‌ های خاصی اثرات سمی دارند. این ویژگی، اینگونه ترکیبات را به عوامل شیمی درمانی مفیدی تبدیل کرده ‌است.