Германій - хімічна школа

Германій

Германій (від лат Германія «Німеччина», батьківщина дослідника Клеменса Вінклера (1838–1904)) - це хімічний елемент із символом елемента Ge та атомним номером 32. У періодичній системі він знаходиться у 4-му періоді та 4-й основній групі (група 14) або вуглецевій групі. Вперше його було виявлено 6 лютого 1886 року.

історія

хімічна

Коли Дмитро Менделєєв розробив таблицю Менделєєва в 1871 році, він наткнувся на пробіл нижче кремнію і постулював раніше невідомий елемент, який він назвав ека-кремній. Менделєєв зробив прогнози щодо властивостей ека-кремнію та його сполук, але наука їх відкинула. У 1886 р. Кліменс Вінклер, хімік Фрайберзької Бергакадемії (у Фрайберзі), який працював із кобальтовим склом, відкрив германій. Це був елемент Ека-кремній, передбачений Менделєєвим, властивості якого наблизились до знайденого германію. [12] Менделєєв вивів властивості з періодичної системи, тому це відкриття сприяло визнанню періодичної системи.

Походження та етимологія назви германій також може бути результатом семантичного нерозуміння у зв'язку з попереднім елементом галієм, оскільки існує дві теорії іменування галієм. Після першого, французький хімік Поль Еміле Лекок де Буйсбодран назвав цей елемент на честь Галлії - латинської назви рідної Франції. Другий дає також латинське слово гало (Hahn) як джерело назви, що по-французьки Le Coq називається. Пол Еміль Лекок де Буйсбоудран назвав би новий елемент на ім'я свого власного. Вінклер припустив, що попередній елемент, галій, був названий на честь національності французького першовідкривача. Так він назвав новий хімічний елемент "Германій" на честь своєї країни (лат. Germania для Німеччини).

Виникнення

Германій широко поширений, але трапляється лише у дуже низьких концентраціях; Значення Кларка (= середній вміст у земній корі): 1,5 г/т. Він міститься як супутник мідних та цинкових руд (мідний шифер Мансфельда). Найважливішими мінералами є аргіродіт, канфілдіт, германіт та реньєрит. Деякі рослини збагачують германій. Ця властивість призводить до деяких дуже суперечливих тез щодо фізіології рослин («захист рослин від вірусів»), що в кінцевому підсумку також призводить до застосування в гомеопатії.

характеристики

Германій знаходиться в напівметалевому ряді в періодичній системі, але згідно з недавнім визначенням він класифікується як напівпровідник. Елементальний германій дуже крихкий і дуже стійкий на повітрі при кімнатній температурі. Він окислюється до оксиду германію (IV) (GeO2) лише тоді, коли сильно світиться в атмосфері кисню. Германій двовалентний і чотиривалентний. З’єднання германію (IV) є найбільш стійкими. Германій не атакується соляною кислотою, гідроксидом калію та розведеною сірчаною кислотою. У лужних розчинах перекису водню, концентрованій гарячій сірчаній кислоті та концентрованій азотній кислоті він, однак, розчиняється з утворенням гідрату діоксиду германію. Відповідно до його положення в періодичній системі, його хімічні властивості десь між кремнієм та оловом.

Германій - одна з небагатьох речовин, що має властивість аномалії щільності. Його щільність у твердому стані нижча, ніж у рідкому. Його зазорна зона становить близько 0,67 еВ при кімнатній температурі.

Вафлі з германію значно крихкіші, ніж кремнієві вафлі.

використання

електроніка

Як напівпровідник, він був провідним матеріалом в електроніці, особливо у виробництві діодів і транзисторів, поки його не витіснив кремній. Сьогодні застосування можна знайти у високочастотній технології (наприклад, як напівпровідники сполук германієвого кремнію) та детекторній технології (наприклад, як рентгенівські детектори). Для сонячних елементів з арсеніду галію (GaAs) іноді в якості матеріалу-носія використовують пластини з германію. Константа решітки германію дуже подібна до константи арсеніду галію, так що GaAs зростає епітаксіально на монокристалах германію.

Друге основне застосування - в інфрачервоній оптиці у вигляді вікон та систем лінз з полі- або монокристалічного германію, а також оптичних окулярів з інфрачервоною проникністю, так званих халькогенідних окулярів. Для цього застосовуються військові та цивільні прилади нічного бачення, а також термографічні камери. Вони можуть використовуватися, наприклад, для перевірки будинків на наявність витоків теплоізоляції.

Інші важливі напрямки використання при виробництві оптичних хвилеводів та поліефірних волокон: У сучасних оптичних волокнах для телекомунікацій тетрахлорид германію використовується для покриття внутрішнього ядра волокна діоксидом германію для досягнення повного відбиття світлових хвиль. У хімії поліефіру діоксид германію використовується як каталізатор у виробництві певних поліефірних волокон та гранулятів, особливо для ПЕТ-пляшок, що підлягають вторинній переробці (ПЕТ = поліетилентерефталат).

Як монокристал високої чистоти германій використовується як детектор випромінювання.

З германієм, на відміну від сталі, кристалічна структура не може бути порушена нейтронним випромінюванням. Він пружно поглинає вплив нейтрона. Однак поки що це відкриття не використовувалося в реакторах.

Ядерна медицина

68 Ge використовується в генераторі Gallium-68 як основний нуклід для виробництва Gallium-68. 68 Ge також використовується як джерело для калібрування детектора в позитронно-емісійній томографії. [13]

Германій у харчових добавках

Речовина біс (карбоксиетил) сесквіоксид германію (Ге-132) рекламували як дієтичну добавку для використання в ряді станів, включаючи рак, синдром хронічної втоми, імунну недостатність, [14] СНІД, гіпертонію, артрит та харчову алергію. На сьогодні науково не доведено жодного позитивного впливу на перебіг захворювання.

На думку європейського Директива 2002/46/ЄС про наближення законодавства держав-членів щодо харчових добавок Германій не слід застосовувати в дієтичних добавках. [15] У багатьох країнах ЄС, які вже узгодили своє національне законодавство, включаючи Німеччину та Австрію, додавання германію як мінерального джерела в харчові добавки заборонено.

Компетентні органи прямо застерігають від споживання Ге-132, оскільки не можна виключати серйозної шкоди здоров’ю та смерті. [16] [17]

Лікарське застосування германію

Терапевтична ефективність протипухлинної речовини спірогерманій при ракових захворюваннях не доведена. Не існує затверджених готових лікарських засобів з діючою речовиною спірогерманію. У Німеччині фармацевтичні препарати (рецепти), що містять германій, вважаються сумнівними, крім гомеопатичних розведень з D4. Тому їх виробництво та розповсюдження заборонені. [18] Germanium metallicum поставляються у формі гомеопатичних ліків. Як компонент гомеопатичних препаратів ді-Описаний лактат германію калію. [19]

фізіологія

Германій та його сполуки мають відносно низьку токсичність. Сліди германію можна знайти в таких продуктах харчування: квасоля, томатний сік, устриці, тунець і часник. Відповідно до сучасного стану науки, він не є важливим мікроелементом. Немає відомої біологічної функції германію. Обговорювався можливий вплив на вуглеводний обмін. Жодних хвороб дефіциту германію не відомо.

токсичність

Отруєння германієм у людей дотепер сталося лише після прийому неорганічних сполук германію як харчових добавок. Перші симптоми - це втрата апетиту, втрата ваги, виснаження і м’язова слабкість. Далі слідують функціональні розлади нирок аж до ниркової недостатності включно, що може бути фатальним для пацієнта. Також повідомлялося про периферичну нейропатію як вторинне захворювання. У випадках, коли пацієнти пережили прийом неорганічних сполук германію, нормальну роботу нирок відновити не вдалося.

Повідомлялося про тимчасові нейротоксичні побічні ефекти при прийомі спірогерманію в клінічних випробуваннях. Спірогерманій випробовували як цитостатичний засіб у 1980-х роках. Дані досліджень на здорових добровольцях відсутні.

З експериментів на тваринах відомо, що германій має низьку гостру пероральну токсичність. Симптоми гострого отруєння великими дозами сполук германію включають:

  • Розширення судин (артерієктазії)
  • Птоз
  • ціаноз
  • тремор

Зрештою, параліч дихання призводить до загибелі досліджуваних тварин. Симптомами хронічного або субхронічного отруєння неорганічними сполуками германію є:

  • Втрата ваги
  • Зміни органів (маса органів)
  • Прогресуюча нейропатія
  • Пошкодження нирок

Органічні сполуки германію виявили меншу токсичність, але призвели до втрати ваги та зменшення кількості еритроцитів у досліджуваних тварин. Даних про тератогенну дію германію мало. Германат натрію було перевірено як не канцерогенний у щурів.

Механізм токсичності германію ще не до кінця вивчений. Однак спостерігались специфічні патологічні ефекти на мітохондрії ниркових та нервових клітин.

Взаємодія

Також обговорюється, чи може германій взаємодіяти з кремнієм у метаболізмі кісток. Він може блокувати дію діуретиків і знижувати або блокувати активність ряду ферментів, таких як дегідрогенази. В експериментах на тваринах миші демонструють збільшену тривалість сну, спричинену гексабарбіталом, якщо їх також обробляли сполуками германію. Це свідчить про те, що активність цитохрому P450 також обмежена. Повідомлялося про органічні сполуки германію, які блокують фермент детоксикації глутатіон-S-трансферазу.

Біодоступність та метаболізм

Германій дуже легко засвоюється організмом при попаданні всередину. Він розподіляється по всій тканині тіла, в першу чергу в нирках і щитовидці. На відміну від неорганічних сполук германію, органогерманіки не накопичуються в організмі людини. Однак існує лише кілька досліджень метаболізму германію.

Він по суті виводиться з сечею. Також відбувається виведення з жовчю та фекаліями.

посилання

Германій утворює Ge (II) та більш постійні сполуки Ge (IV), лише деякі мають технічне значення.

Також відомі представники гелідів (II) та Ge (IV) галогенідів германію. Тетрахлорид германію (GeCl4), рідина з температурою кипіння 83 ° C, утворюється, коли оксиди германію піддаються дії хлористого водню і є важливим проміжним продуктом у виробництві германію. Високочистий GeCl4 використовується у виробництві оптичних хвилеводів з кварцового скла з метою отримання високочистого шару оксиду германію (IV) на внутрішній стороні кварцових волокон. Непропорціонування йодиду германію (II) з утворенням германію та йодиду германію (IV) також може бути використано для отримання високочистих шарів германію:

Германати - це сполуки германію, які отримують з його оксиду. Майже у всіх мінералах, що містять германій, германій присутній як германат.

Німці - назва водневих сполук германію, які утворюють гомологічний ряд ланцюгових молекул різної довжини. Моногерман або гідрид германію (GeH4) є газом і використовується в напівпровідниковій промисловості для епітаксії та легування.