»   »  Germanium

Germanium

český názevGermanium
mezinárodní názevGermanium
anglický názevGermanium
chemická značkaGe
protonové číslo32
relativní atomová hmotnost72,61
perioda4
skupinaIV.A
zařazenípolokovy
rok objevu1866
objevitelC. A. Winkler
teplota tání [°C]937,4
teplota varu [°C]2830
hustota [g cm-3]5,323
hustota při teplotě tání [g cm-3]5,6
elektronegativita2,01
standardní el. potenciál [V]+0,12
oxidační stavy-IV, II, IV
elektronová konfigurace[Ar]3d10 4s2 4p2
atomový poloměr [pm]211
specifické teplo [J g-1K-1]0,32
slučovací teplo [kJ mol-1]36,94
tepelná vodivost [W m-1 K-1]60
elektrická vodivost [S m-1]2.103
1. ionizační potenciál [eV]7,9
2. ionizační potenciál [eV]15,934
3. ionizační potenciál [eV]34,22
tvrdost podle Mohse6
tvrdost podle Vickerse [MPa] -
tvrdost podle Brinella [MPa] -
bod supravodivosti [K] -
skupenství za norm. podmíneks

Chemické vlastnosti a reakce germania

Krystalické germaniumChemický prvek germanium je šedobílá, lesklá a křehká látka. Krystalizuje v krychlové soustavě, působením velmi vysokých tlaků vzniká čtverečná modifikace.

Na vzduchu je germanium za normální teploty stálé, s kyslíkem se pomalu slučuje za vzniku bílého oxidu germaničitého GeO2 až při teplotě přes 250°C, při zahřátí na teplotu 700°C probíhá reakce s kyslíkem za vzniku plamene. S vodíkem a dusíkem se přímo neslučuje. Při teplotě 100°C hoří v atmosféře fluoru za vzniku fluoridu germaničitého GeF4, se sírou se přímo slučuje až za teplot nad 1000°C na sulfid germaničitý GeS2, ale se selenem reaguje již při teplotě 500°C za vzniku selenidu germanatého GeSe. Obdobně probíhá i reakce s tellurem.

Sloučeniny germania v oxidačním stupni II jsou nestabilní a snadno přecházejí na oxidační číslo IV. Čtyřmocné germanium se v roztocích obvykle vyskytuje ve formě anionu (GeO3)2-, výskyt kationu Ge4+ v roztocích není příliš obvyklý. Vytváří i koordinační sloučeniny, známá je např. kyselina hexaflurogermaničitá H2GeF6 a její soli hexafluorogermaničitany. Zvláštností germania je jeho záporné oxidační číslo -IV. S takto nezvykle vysokým záporným oxidačním číslem se germanium vyskytuje v celé řadě těkavých germanů obecného vzorce GenH2n + 2, od germanu GeH4 se odvozují jeho soli germanidy. Záporné oxidační číslo -IV má kromě germania v celé periodické soustavě již pouze uhlík a křemík.

V běžných zředěných kyselinách se nerozpouští, dobře rozpustné je v horké koncentrované kyselině sírové za vzniku síranu germaničitého:

Ge + 4H2SO4 → Ge(SO4)2 + 2SO2 + 4H2O

Reakce germania s koncentrovanou kyselinou dusičnou probíhá pomalu za vzniku oxidu germaničitého:

Ge + 4HNO3 → GeO2 + 4NO2 + 2H2O

Reakce germania s lučavkou královskou probíhá za vzniku těkavého kapalného chloridu germaničitého:

3Ge + 4HNO3 + 12HCl → 3GeCl4 + 4NO + 8H2O

S kyselinou flurovodíkovou nereaguje, ale s kapalným flurovodíkem tvoří fluorid germanatý:

Ge + 2HF → GeF2 + H2

S amoniakem reaguje při teplotě přes 650°C za vzniku nitridu:

3Ge + 4NH3 → Ge3N4 + 6H2

Za přítomnosti silných oxidačních činidel ochotně reaguje se zředěnými alkalickými hydroxidy za vzniku germaničitanů:

Ge + 2NaOH + 2H2O2 → Na2GeO3 + 3H2O
Ge + 2KOH + KClO → K2GeO3 + KCl + H2

S koncentrovanými hydroxidy tvoří v přítomnosti oxidačních činidel hexahydroxogermaničitany:

Ge + 2NaOH + 2H2O2 → Na2[Ge(OH)6]

Germanium má slabě kyselinotvorný charakter. Většina tuhých sloučenin germania má bílou barvu, mezi vzácné barevné výjimky patří tmavě šedý oxid germanatý GeO, červenohnědý sulfid germanatý GeS, hnědý nitrid germaničitý Ge3N4 a jasně oranžový jodid germaničitý GeI4. Chování germaničitých sloučenin je velmi podobné vlastnostem sloučenin křemičitých a cíničitých.

Výskyt germania v přírodě

Existenci germania předpověděl v roce 1871 D. I. Mendělejev, který pro nový prvek navrhnul název ekasilicium. Mendělejevovu teorii potvrdil objevem germania v minerálu angyrodit (důl Himmelsfürst, Freiberg, Krušné hory), německý chemik Clemens Alexander Winkler v roce 1886.

V přírodě se germanium nejčastěji vyskytuje jako izomorfní náhrada zinku ve sfaleritu, v některých druzích uhlí a vzácně v minerálech germanit Cu26Fe4Ge4S32, argyrodit 4 Ag2S.GeS2, argutit GeO2, otjisumeit PbGe4O a ve 27 dalších nerostech germania. Nejvyšší obsah germania (69.41 % Ge) má argutit, 53.91 % Ge obsahuje eyselit FeGe3O7(OH).

Průměrný obsah germania v zemské kůře je 1,4 ppm. Přírodní germanium je směsí pěti stabilních izotopů, v přírodě je s podílem 36,5 % nejrozšířenějším izotopem 74Ge. Uměle bylo připraveno dalších 21 radioaktivních izotopů germania s nukleovými čísly 58 až 85.

Výroba germania

Výroba germania se provádí zpracováním odpadních produktů z výroby zinku nebo z popela některých druhů uhlí.

Odpadní prach z pražení zinkových rud se louhuje kyselinou sírovou, germanium přejde do roztoku, ze kterého se cementací práškovým zinkem vysráží, sraženina se podrobí chloraci, germanium přejde na těkavý chlorid germaničitý GeCl4, který se redukuje zinkem na kovové germanium:

GeCl4 + 2Zn → Ge + 2ZnCl2

Při výrobě germania z popela se jemný popílek z elektrostatických odlučovačů nejprve přetaví v cyklonové peci a následně se destiluje v prostředí chlorovodíku za vzniku těkavého GeCl4. Chlorid germaničitý se několikanásobnou destilací zbaví příměsí arsenu a poté se podrobí hydrataci, při které vzniká oxid germaničitý GeO2. Kovové germanium se z bezvodého oxidu vyredukuje při teplotě 600-700°C vodíkem nebo uhlím v elektrické peci. Průběh redukce oxidu germaničitého zachycují rovnice:

GeO2 + 2C → Ge + 2CO
GeO2 + C → Ge +CO2
GeO2 + 2H2 → Ge + 2H2O

Surové kovové germanium se čistí zonální rafinací podobně jako křemík.

Světová roční produkce germania v roce 2012 činila 128 t. Nejvíce germania (90 t) se vyrobilo v Číně, ruská produkce germania činila 5 t, v USA se vyrobily 3 tuny. Na světových trzích se kovové germanium o čistotě 99,99% v roce 2011 prodávalo za průměrné ceny 1650 USD/kg. Oxid germaničitý se obchodoval za průměrnou cenu 1400 USD/kg.

Na území ČR je evidované výhradní ložisko germania v Lomnici u Sokolova, zdejší ložisko má nebilanční zásobu ve výši 480 t. Veškerá tuzemská spotřeba germania je hrazena dovozem, v roce 2010 činil import surového germania 7 kg, průměrná cena byla 14 300 Kč/kg.

Praktické využití

Germanium má vlastnosti polovodiče, díky tomu má značný význam v elektrotechnice. Sloučeniny germania slouží jako katalyzátor při výrobě polyethylentereftalátu (PET). Značnou perspektivu má využití slitiny germania, antimonu a titanu pro výrobu vysoce kapacitních elektrických akumulátorů. Slitina germania se zlatem se používá jako klenotnická pájka.

Oxid germaničitý GeO2 se používá při výrobě optických skel k úpravě indexu lomu, díky své téměř dokonalé transparentnosti pro infračervené záření se používá ke konstrukci citlivých IR detektorů, germanid křemíku SiGe se používá při výrobě polovodičů, germanid hořečnatý Mg2Ge slouží jako základní surovina k přípravě germanů, tellurid germania GeTe se používá k výrobě chalkogenidových skel. Hexafluorogermaničitan hořečnatý MgGeF6 se používá jako luminifor vysokotlakých rtuťových výbojek. Některé organické sloučeniny germania, např. bis-carboxyethyl germanium mají baktericidní vlastnosti a využívají se v medicíně.

Zdroje

gallium ← germanium → arsen

TOPlist