Germanium

Germanium (chemická značka Ge, latinsky Germanium) je vzácný šedobílý polokovový prvek, nalézající největší uplatnění v polovodičovém průmyslu.

Germanium
[Ar] 3d10 4s2 4p2 74 Ge 32
↓ Periodická tabulka ↓
Obecné
Název, značka, číslo	Germanium, Ge, 32
Cizojazyčné názvy	lat. Germanium
Skupina, perioda, blok	14. skupina, 4. perioda, blok p
Chemická skupina	Polokovy
Koncentrace v zemské kůře	5,4 až 7,0 ppm
Koncentrace v mořské vodě	0,00007 mg/l
Vzhled	Šedobílý pevný kov
Identifikace
Registrační číslo CAS	7440-56-4
Atomové vlastnosti
Relativní atomová hmotnost	72,64
Atomový poloměr	122 pm
Kovalentní poloměr	122 pm
Van der Waalsův poloměr	211 pm
Iontový poloměr	53 pm
Elektronová konfigurace	[Ar] 3d10 4s2 4p2
Oxidační čísla	−IV, II, IV
Elektronegativita (Paulingova stupnice)	2,01
Ionizační energie
První	762 KJ/mol
Druhá	1537,5 KJ/mol
Třetí	3302,1 KJ/mol
Látkové vlastnosti
Krystalografická soustava	Krychlová
Molární objem	13,63×10−6 m3/mol
Mechanické vlastnosti
Hustota	5,323 g/cm3
Skupenství	Pevné
Tvrdost	6,0
Tlak syté páry	100 Pa při 2023K
Rychlost zvuku	5400 m/s
Termické vlastnosti
Tepelná vodivost	60,2 W⋅m−1⋅K−1
Termodynamické vlastnosti
Teplota tání	938,25 °C (1 211,4 K)
Teplota varu	2832,85 °C (3 106 K)
Skupenské teplo tání	34,94 KJ/mol
Skupenské teplo varu	334 KJ/mol
Měrná tepelná kapacita	23,222 Jmol−1K−1
Elektromagnetické vlastnosti
Měrný elektrický odpor	1 Ω·m (20 °C)
Standardní elektrodový potenciál	0,247 V
Magnetické chování	Diamagnetický
Bezpečnost
GHS02 GHS08 GHS09 [1] Varování[1]
R-věty	R11
S-věty	S9, S16, S29, S33
Izotopy
I V (%) S T1/2 Z E (MeV) P 68Ge umělý 270,93 dní ε 0,107 2 68Ga 69Ge umělý 39,05 hodin ε β+ 2,227 1 69Ga 70Ge 21,23% je stabilní s 38 neutrony 71Ge umělý 11,43 dní ε 0,232 6 71Ga 72Ge 27,66% je stabilní s 40 neutrony 73Ge 7,73% je stabilní s 41 neutrony 74Ge 35,94% je stabilní s 42 neutrony 75Ge umělý 82,78 minuty β− 1,177 75As 76Ge 7,44% 1,78×1021 roku β− , β− - 76Se 77Ge umělý 11,30 hodiny β− 2,702 77As
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa).
Si ⋏ Gallium ≺ Ge ≻ Arsen ⋎ Sn

Charakteristika

Poměrně velmi řídce se vyskytující polokov, nalézající se obvykle jako příměs v rudách zinku a stříbra. Germanium vytváří sloučeniny v mocenství: Ge⁻⁴, Ge²⁺ a Ge⁴⁺ .

Objevil jej roku 1886 německý chemik Clemens A. Winkler a pojmenoval jej podle své vlasti. Zajímavé je, že jeho existence byla předpovězena tvůrcem periodické tabulky prvků, ruským chemikem Dmitrijem Ivanovičem Mendělejevem, který jej nazýval eka-silicium a poměrně přesně určil základní fyzikálně-chemické vlastnosti tohoto v té době ještě neznámého prvku.

V pevném skupenství se germanium chová jako polovodič, a to jak v krystalické, tak v amorfní fázi. Naproti tomu v kapalném skupenství je germanium kovem, podobně jako např. rtuť.

Výskyt a výroba

Germanium je v zemské kůře značně vzácným prvkem. Průměrný obsah činí pouze 5–7 ppm (mg/kg). V mořské vodě je jeho koncentrace mimořádně nízká, pouze 0,07 mikrogramu germania v jednom litru. Předpokládá se, že ve vesmíru připadá na jeden atom germania přibližně 30 milionů atomů vodíku.

V horninách se vyskytuje vždy pouze jako příměs v rudách zinku a stříbra, ale bývá obsaženo jako stopová příměs v mnoha ložiscích uhlí. Z minerálů se velmi vzácně setkáme se směsným sulfidem, stříbra a germania argyroditem o složení Ag₈GeS₆.

Germanium se průmyslově získává ze zbytků po zpracování zinkových rud a z popele po spalování uhlí s jeho zvýšeným obsahem. Po vyredukování kovu s čistotou přibližně 99 % se germanium o vysoké čistotě připravuje metodou zonálního tavení.

Další metodou získávání vysoce čistého germania je frakční destilace těkavého chloridu germaničitého GeCl₄.

Využití

• Zájem o germanium nastal v 50. letech minulého století, kdy byly připraveny první tranzistory a další elektronické součástky na bázi vysoce čistého germania. Během dalších desetiletí bylo germanium nahrazeno křemíkem, jenž se vyskytuje v přírodě v daleko větší míře, pouze bylo nutno vyvinout postupy pro jeho průmyslovou výrobu v čistotě minimálně 99,9999 %. Germanium je však nadále používáno pro polovodičové diody.

• I současné době se germanium používá v průmyslové výrobě polovodičů jako germanid křemíku (SiGe) pro výrobu integrovaných obvodů s vysokou rychlostí přenosu signálu. Je také součástí obvodů, které reagují na elektromagnetické vlnění v infračervené oblasti spektra. Využívá se tedy v radarové technice. Nyní toto použití poněkud klesá ve prospěch aplikací v optice.

• Důležité uplatnění má germanium při výrobě světlovodné optiky, protože jeho přítomnost v materiálu optických vláken podstatným způsobem zvyšuje index lomu materiálu. Tato vlastnost se uplatní i ve výrobě speciálních optických součástek jako jsou čočky pro kamery s širokým úhlem záběru nebo optika pro zpracování signálu v infračervené oblasti spektra (např. v přístrojích pro noční vidění). Vysoký světelný lom dodává optickému sklu také oxid germaničitý GeO2.

• Velký význam má jako katalyzátor při výrobě polymerů (plastů), ale lze jej také nahradit titanem.

• Germaniové generátory mění teplo na elektrickou energii.

• Slitiny germania mají zajímavé vlastnosti – slitina se zlatem (tzv. klenotnická pájka) se při chladnutí roztahuje, slitina s mědí a zlatem je vhodná v zubním lékařství.

• Gadoliniovo-germaniové granátoidy (GGG) se používají v laserové technice.