Germani

Germani là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Ge và số nguyên tử 32. Nó là một á kim màu trắng bạc, cứng, bóng, về mặt hóa học là tương tự như thiếc. Germani tạo ra một lượng lớn các hợp chất hữu cơ kim loại và là vật liệu bán dẫn quan trọng được sử dụng để sản xuất transistor. Nó được đặt tên theo tên gọi của Đức trong tiếng La tinh là Germania.

Germani, 32Ge
Quang phổ vạch của germani
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Germani, Ge
Phiên âm	/dʒərˈmeɪniəm/ (jər-MAY-nee-əm)
Hình dạng	Ánh kim xám trắng
Germani trong bảng tuần hoàn
Si ↑ Ge ↓ Sn Gali ← Germani → Arsenic
Số nguyên tử (Z)	32
Khối lượng nguyên tử chuẩn (±) (Ar)	72,63(1)
Phân loại	á kim
Nhóm, phân lớp	14, p
Chu kỳ	Chu kỳ 4
Cấu hình electron	[Ar] 3d10 4s2 4p2
mỗi lớp	2, 8, 18, 4
Tính chất vật lý
Màu sắc	Ánh kim xám trắng
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy	1211,40 K ​(938,25 °C, ​1720,85 °F)
Nhiệt độ sôi	3106 K ​(2833 °C, ​5131 °F)
Mật độ	5,323 g·cm−3 (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ nóng chảy: 5,60 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy	36,94 kJ·mol−1
Nhiệt bay hơi	334 kJ·mol−1
Nhiệt dung	23,222 J·mol−1·K−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 1644 1814 2023 2287 2633 3104
Tính chất nguyên tử
Trạng thái oxy hóa	4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3, -4 ​Lưỡng tính
Độ âm điện	2,01 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 762 kJ·mol−1 Thứ hai: 1537,5 kJ·mol−1 Thứ ba: 3302,1 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị	thực nghiệm: 122 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị	122 pm
Bán kính van der Waals	211 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Lập phương kim cương
Vận tốc âm thanh	que mỏng: 5400 m·s−1 (ở 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt	6,0 µm·m−1·K−1
Độ dẫn nhiệt	60,2 W·m−1·K−1
Điện trở suất	ở 20 °C: 1  Ω·m
Tính chất từ	Nghịch từ
Độ cảm từ (χmol)	−76,84×10−6 cm3/mol
Mô đun Young	103 GPa
Mô đun cắt	41 GPa
Mô đun khối	75 GPa
Hệ số Poisson	0,26
Độ cứng theo thang Mohs	6,0
Số đăng ký CAS	7440-56-4
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Germani
Iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 68Ge Tổng hợp 270,8 ngày ε – 68Ga 70Ge 21,23% 70Ge ổn định với 38 neutron 71Ge Tổng hợp 11,26 ngày ε – 71Ga 72Ge 27,66% 72Ge ổn định với 40 neutron 73Ge 7,73% 73Ge ổn định với 41 neutron 74Ge 35,94% 74Ge ổn định với 42 neutron 76Ge 7,44% 1,78×1021 năm β−β− – 76Se

Các đặc trưng

Một khối Germani

Germani là một nguyên tố màu trắng ánh xám, cứng có nước bóng kim loại và cấu trúc tinh thể tương tự như kim cương. Ngoài ra, một điều quan trọng cần lưu ý là germani là chất bán dẫn, với các tính chất điện nằm giữa các kim loại và các chất cách điện. Ở trạng thái nguyên chất, á kim này là chất kết tinh, giòn và duy trì độ bóng trong không khí ở nhiệt độ phòng. Các kỹ thuật tinh chế khu vực đã dẫn tới việc sản xuất germani kết tinh cho ngành công nghiệp bán dẫn với hàm lượng tạp chất chỉ ở cấp độ 10⁻¹⁰. Cùng với gali, bismuth, antimon và nước, nó là một trong các chất giãn nở ra khi đóng băng. Dạng oxide, dioxide germani, cũng có tính chất bất thường như có chiết suất cao đối với ánh sáng nhìn thấy, nhưng lại là trong suốt với ánh sáng hồng ngoại.

Lịch sử

Năm 1871, germani (tiếng La tinh germania để chỉ Đức) là một trong các nguyên tố mà Dmitri Ivanovich Mendeleev dự báo là tồn tại như là nguyên tố tương tự nhưng còn thiếu của nhóm silic (Mendeleev gọi nó là "eka-silicon"). Sự tồn tại của nguyên tố này được Clemens Winkler chứng minh năm 1886. Sự phát hiện này là sự khẳng định quan trọng cho ý tưởng về tính tuần hoàn nguyên tố của Mendeleev.

Tính chất	Ekasilicon	Germani
Nguyên tử lượng	72	72,59
Tỷ trọng (g/cm³)	5,5	5,35
Điểm sôi (°C)	Cao	947
Màu	Xám	Xám

Sự phát triển của các transistor bằng germani đã mở ra vô vàn ứng dụng của điện tử học trạng thái rắn. Từ năm 1950 cho tới đầu thập niên 1970, lĩnh vực này đã tạo ra một thị trường ngày càng tăng cho germani, nhưng sau đó silic độ tinh khiết cao đã bắt đầu thay thế germani trong các loại transistor, diode và chỉnh lưu. Silic có các tính chất điện học tốt hơn, nhưng đòi hỏi độ tinh khiết cao hơn—một độ tinh khiết mà con người không thể đạt được ở quy mô thương mại trong giai đoạn đầu. Trong khi đó, nhu cầu về germani trong các mạng liên lạc viễn thông bằng cáp quang, các hệ thống quan sát ban đêm bằng hồng ngoại và các xúc tác polyme hóa đã gia tăng một cách mạnh mẽ. Các ứng dụng này chiếm tới 85% nhu cầu tiêu thụ germani toàn thế giới vào năm 2000. Germani khác với silic ở chỗ việc cung cấp silic bị hạn chế bởi năng lực sản xuất trong khi việc cung cấp germani bị hạn chế bởi sự hạn chế các nguồn có thể khai thác.

Ứng dụng

Không giống như phần lớn các chất bán dẫn khác, germani có vùng cấm nhỏ, cho phép nó phản ứng rất hiệu quả với ánh sáng hồng ngoại. Vì thế nó được sử dụng trong các kính quang phổ hồng ngoại và các thiết bị quang học khác trong đó đòi hỏi các thiết bị phát hiện cực kỳ nhạy với tia hồng ngoại. Chiết suất của oxide germani và thuộc tính tán sắc của nó làm cho germani là hữu ích trong các thấu kính camera góc rộng và trong kính vật của các kính hiển vi.

Các transistor từ germani vẫn còn được sử dụng trong một số hộp dậm chân của các nhạc công muốn tái tạo các đặc trưng âm khác biệt cho âm "fuzz" từ thời kỳ ban đầu của rock and roll, đáng chú ý có Fuzz Face của Dallas Arbiter.

Germani là vật liệu quang học hồng ngoại có tầm quan trọng cao và có thể dễ dàng cắt, đánh bóng thành các thấu kính hay cửa sổ. Cụ thể, nó được sử dụng như là thấu kính vật trong các camera nhiệt làm việc trong khoảng bước sóng 8-14 micron chụp hình nhiệt thụ động và cho hot-spot detection in military and fire fighting applications. Vật liệu này có chiết suất rất cao (4,0) và vì thế cần được bọc lót chống phản xạ. Cụ thể, lớp bọc lót chống phản xạ đặc biệt rất cứng như cacbon tựa kim cương (DLC) (chiết suất 2,0) là phù hợp tốt nhất và sản sinh ra bề mặt cứng như kim cương có thể chống chịu được các tác động môi trường khác nhau.

Hợp kim gecmanua silic (hay "silic-germani", SiGe) rất nhanh chóng trở thành vật liệu bán dẫn quan trọng, dùng trong các mạch IC tốc độ cao. Các mạch IC dùng các tính chất của kết nối Si-SiGe có thể nhanh hơn nhiều so với các mạch chỉ dùng silic.

Một chiếc bát làm từ germani

Ứng dụng khác:

• Tác nhân trong sản xuất hợp kim
• Phosphor trong các đèn huỳnh quang
• Chất xúc tác
• Các thiết bị phát hiện dùng một tinh thể germani độ tinh khiết cao có thể nhận dạng chính xác nguồn bức xạ (ví dụ trong an ninh hàng không)
• Các đĩa bán dẫn với nền là germani cho các tế bào quang điện hiệu suất cao đa kết nối trong các ứng dụng cho tàu vũ trụ.

Một vài hợp chất của germani có độc tính thấp đối với động vật có vú, nhưng lại có độc tính cao đối với một vài loại vi khuẩn nào đó. Tính chất này làm cho chúng trở thành có ích như là các tác nhân chữa trị bằng hóa chất.

Các tinh thể germani độ tinh khiết cao được dùng trong các máy dò cho kính quang phổ gamma.

Nghiên cứu của FDA đưa ra kết luận rằng germani, khi sử đụng như là chất bổ sung dinh dưỡng, "thể hiện một số nguy hiểm tiềm tàng cho sức khỏe con người".

Trong những năm gần đây germani được gia tăng sử dụng trong các hợp kim của các kim loại quý. Ví dụ, trong hợp kim bạc sterling, nó được thêm vào để giảm vết bẩn màu, tăng chống xỉn màu, và làm tăng phản ứng của hợp kim đối với xơ cứng kết tủa.

Phổ biến

Quặng Renierite.

Nguyên tố này được tìm thấy trong argyrodit (sulfide của germani và bạc); than đá; germanit; quặng kẽm; và một số khoáng vật khác. Xem thêm Khoáng vật germani

Ở quy mô thương mại, germani thu được từ quặng kẽm nhờ xử lý bụi quặng nóng chảy cũng như từ các phụ phẩm sau cháy của một vài dạng than đá. Vì thế nguồn dự trữ lớn của germani chính là các nguồn than đá.

Á kim này có thể tách ra từ các kim loại khác bằng cách chưng cất phân đoạn tetraclorua dễ bay hơi của nó. Kỹ thuật này cho phép sản xuất germani cực kỳ tinh khiết.

Giá cả

Năm 1998 giá thành của germani vào khoảng 0,70$/kg. Tuy nhiên, giá thành này liên tục giảm kể từ đó:

Hợp chất

Một số hợp chất vô cơ của germani như gecman (tetrahiđrua germani (GeH₄), tetraclorua germani (GeCl₄), và dioxide germani (germania) (GeO₂). Một số hợp chất hữu cơ của germani như tetrametylgecman hay tetrametyl germani, (Ge(CH₃)₄), và tetraetylgecman hay tetraetyl germani, (Ge(C₂H₅)₄). Hợp chất hữu cơ mới của germani gần đây (isobutylgecman ((CH₃)₂CHCH₂GeH₃), đã được thông báo là chất lỏng ít nguy hại hơn để thay thế cho khí gecman độc hại trong các ứng dụng bán dẫn.

Xem thêm

• Hợp chất germani
• Gecman
• Gecmanua

Tính chất

Germani nguyên chất được biết đến với việc sinh ra một cách tự phát các biến vị xoắn rất dài, còn gọi là râu germani. Sự phát triển của các râu này là một trong các nguyên nhân chính trong các hỏng hóc của các diode và transistor cũ sản xuất từ germani, do phụ thuộc vào việc chúng kết thúc chạm vào đâu mà điều đó có thể dẫn tới đoản mạch.

Tham khảo

• Phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ Los Alamos – Germanium Lưu trữ 2008-06-10 tại Wayback Machine

Liên kết ngoài

• WebElements.com – Germanium