Germánium

32 gallium ← germánium → arzén Si ↑ Ge ↓ Sn 32 Ge Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	germánium, Ge, 32
Latin megnevezés	germanium
Elemi sorozat	félfémek
Csoport, periódus, mező	14, 4, p
Megjelenés	szürkés fehér
Atomtömeg	72,630(8) g/mol
Elektronszerkezet	[Ar] 3d10 4s2 4p2
Elektronok héjanként	2, 8, 18, 4
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	5,323 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on	5,60 g/cm³
Olvadáspont	1211,40 K (938,25 °C, 1720,85 °F)
Forráspont	3106 K (2833 °C, 5131 °F)
Olvadáshő$\Delta _{fus}{H}^{\ominus }$	36,94 kJ/mol
Párolgáshő $\Delta _{vap}{H}^{\ominus }$	334 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 23,222 J/(mol·K)
Gőznyomás P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 1644 1814 2023 2287 2633 3104
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	köbös lapcentrált
Oxidációs szám	4 (amfoter oxid)
Elektronegativitás	2,01 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 762 kJ/mol
	2.: 1537,5 kJ/mol
	3.: 3302,1 kJ/mol
Atomsugár	125 pm
Atomsugár (számított)	125 pm
Kovalens sugár	122 pm
Egyebek
Mágnesség	nincs adat
Hővezetési tényező	(300 K) 60,2 W/(m·K)
Hőtágulási együttható	(25 °C) 6,0 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd)	(20 °C) 5400 m/s
Mohs-keménység	6,0
CAS-szám	7440-56-4
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A germánium izotópjai izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 68Ge mest. 270,8 d ε - 68Ga 70Ge 21,23% Ge stabil 38 neutronnal 71Ge mest. 11,26 d ε - 71Ga 72Ge 27,66% Ge stabil 40 neutronnal 73Ge 7,73% Ge stabil 41 neutronnal 74Ge 35,94% Ge stabil 42 neutronnal 76Ge 7,44% Ge stabil 44 neutronnal
Hivatkozások

A germánium ritka fémes elem, amely vegyületeiben mint 2 és 4 vegyértékű pozitív ion szerepel. Rendszáma 32, vegyjele Ge, atomtömege: 72,64 g/mol.

Felfedezése

Ezt az elemet Clemens Winkler fedezte fel 1886-ban az argirodit ásványban, és nevezte el Németország latin nevéről, Germania-ról. Előállítása is a Freiberg mellett előforduló argiroditból történt, amely ásvány ezüst-szulfidból és germánium-szulfidból állt.

1871-ben Mengyelejev a periódusos rendszere alapján kifejtette azon gondolatát, miszerint a IV. csoportnak van még egy ismeretlen eleme. Megjósolta tulajdonságait és még nevet is adott neki: ekaszilícium, utalva ezzel a szilíciumhoz való közelségére. Pontosan 138 évvel ezelőtt 1886 februárjában a Freibergi Bányászati Akadémia egyik professzora felfedezte az ezüst új ásványát: az argiroditot. A teljes analízis céljából átadta a technikai kémia professzornak, Winkler Clemens-nek. A 48 éves tudóst az akadémia legjobb analitikusának tartották. Tanulmányozva az új ásványt, ő találta meg az új elemet 7%-os tömegarányban. A professzor elkülönítette az ismeretlen komponenst, tanulmányozta tulajdonságait és megértette, hogy valóban megtalálta a Mengyelejev által megjósolt új elemet, az ekaszilíciumot. A Winkler által használt germánium elkülönítési eljárása hasonlított a germánium modern ipari kinyerési módszereinek egyikére.

Előfordulása

A germánium elterjedt elem, de csak nagyon kis koncentrációban fordul elő; a földkéreg átlagosan 1,5 g/t-t tartalmaz belőle. Réz- és cinkércekben kísérőként lelhető fel. Legfontosabb ásványai az argirodit, a kanfieldit, a germanit és a reniérit. Egyes növényekben feldúsul, emiatt vitatott elképzelések bukkantak fel a növények fiziológiájáról (vírusok elleni védekezés), és ami homeopátiás alkalmazásokhoz is vezetett.

Jellemzői

Germánium

Tiszta állapotban előállítva, szürkés-fehér rideg fém, sűrűsége 5,32 g/cm³, olvadáspontja 938 °C. Kémiai sajátságaira nézve az óncsoport fémeihez, de az antimonhoz is hasonlít. Szobahőmérsékleten nem, de oxigénben izzásig hevítve oxidálódik. Sósavban, kálilúgban, és híg kénsavban nem oldódik; a királyvíz feloldja, tömény salétromsav germánium-oxiddá oxidálja. Tömény és forró kénsavban, lúgos hidrogén-peroxidoldatokban germánium-dioxid-hidráttá alakul. Sói a lángot nem festik meg. Két és négy vegyértékű.

A germánium a vízhez hasonló sűrűséganomáliát mutat: folyékony halmazállapotban nagyobb a fajlagos sűrűsége, mint szilárd halmazállapotban. Tiltott sávszélessége szobahőmérsékleten 0,67 eV, ezért félvezetőnek számít. A germánium lapkák törékenyebbek, mint a szilíciumból készültek.

Vegyületei

Kloridjai

Vegyületei közül megemlíthetők a germánium-kloridok:

• A germániumklorür (germánium-diklorid, GeCl₂) színtelen, 72 °C-on forró folyadék, amely a germánium porának sósavgázban való hevítésekor képződik.
• germániumot klórgázban hevítve germánium-klorid (GeCl₄) képződik. Szintén folyékony, forráspontja 86 °C.

Oxidjai

• germánium-oxid (GeO) és germánium-dioxid (GeO₂) ismeretes. Utóbbi a germánium oxigénben való elégetésekor is képződik. Fehér por, vízben kissé oldható; savjellegű vegyület.

Szulfidjai

• germánium-szulfid (GeS), vörösbarna kristálykákból áll és a germánium-diszulfidból képződik, azt hidrogénáramban redukálva. A germániumsók oldatából, ha azokat sósavval erősen megsavanyítjuk, a kén-hidrogén fehér csapadék alakjában germánium-diszulfidot (GeS₂) választ le.

Felhasználása

Az integrált áramkörök félvezető alapanyaga, gyakran szilíciummal keverik. Emellett használják az orvoslásban és táplálékkiegészítőként is szerves organikus állapotában.

.

Integrált áramkörök

Félvezető tulajdonsága miatt az elektronika fő alapanyaga volt, amíg a szilícium vissza nem szorította. Nagyfrekvenciás eszközökben, detektorokban még ma is alkalmazzák. Napelemekben a gallium-arzenidet részben germánium lapkákra viszik fel, mivel a két anyag rácsállandója közel azonos. A felvitel epitaktikus növesztéssel történik.

A másik fő felhasználási területe az infravörös optika. Ablakokat és lencserendszereket gyártanak poli- vagy monokristályos germániumból, de készítenek belőle infravöröst áteresztő optikai üvegeket is. Ezeket éjjellátó készülékekben és hőkamerákban alkalmazzák. Ezekkel látható például, hogy hol szivárog el a hő a házakból.

Germániumot használnak az optikai szálakhoz és a poliészterszálakhoz. A teljes visszaverődés érdekében a szálakat germánium-tetraklorid segítségével belülről germánium-oxiddal vonják be. Az optikai szálak egyik fő felhasználási területe a távközlés. A poliésztergyártásban a germánium-oxidot katalizátornak használják, így készül például az újrahasznosítható PET, azaz a polietilén-tereftalát.

Nagy tisztaságú egykristályként a germánium sugárdetektorként szolgál.

Az acéllal ellentétben a germánium kristályszerkezetét nem rombolja a neutronsugárzás, mivel az atomok rugalmasan ütköznek a neutronokkal. Ezt eddig még nem használták ki a reaktorokban.

Egészségügy

A nukleários gyógyászatban a ⁶⁸Ge a gallium-68 anyanukleidja. Emellett a ⁶⁸Ge a PET detektorainak kalibrálására is szolgál.

A hagyományos orvoslás nem használ germánium tartalmú gyógyszereket. A spirogermániumot a rákbetegek kemoterápiájához használták, de hatásossága kérdéses. A homeopátiában a germániumot germanium metallicum néven alkalmazzák. Az Európán kívüli piacokon létezik di-calium-germanium-citrat-lactat alapú homeopátiás készítmény.

A bi(carboxyethyl)germaniumsesquioxid (Ge-132) táplálékkiegészítőként egy sor betegség ellen használatos, így a rák, a krónikus fáradtság, az immungyengeség, az AIDS, a magas vérnyomás, az ízületi gyulladás és az ételallergiák ellen. Eddig nincs tudományosan bizonyítva, hogy javítana a betegek állapotán.

Élettani hatása

A germánium és vegyületei viszonylag kevéssé mérgezők. Nyomokban előfordulnak a veteménybabban, az osztrigafélékben, a paradicsomlében, a tonhalban és a fokhagymában. A tudomány jelenlegi állása szerint nem esszenciális nyomelem, és nincsenek ismert feladatai a szervezetben. A szénhidrát-anyagcserében lehet szerepe. Hiánybetegsége nem ismert.

Mérgezés

Embernél germániummérgezés csak szervetlen germániumvegyületek táplálékkiegészítőként való bevétele után történt. Az első tünetei étvágytalanság, fogyás, izomgyengeség, kimerültség. Ezt követik a vese működési zavarai, egészen a veseelégtelenségig. A vese beidegződése is károsodhat. A vese működését nem sikerült helyreállítani a túlélőkben. A mérgezés mechanizmusát eddig még nem tárták fel teljesen, de megfigyelték az ideg- és a vesesejtek mitokondriumainak károsodását.

A klinikai tanulmányok a spirogermánium bevétele után idegrendszeri károsodásokat is feljegyeztek. Az 1980-as években sejtosztódást gátló hatásra tesztelték. Egészséges önkénteseken végzett kísérletek nem állnak rendelkezésre. Állatkísérletekből tudjuk, hogy a germánium kis mértékű akut mérgezőképességgel bír. A nagy adag germániumvegyülettel való akut mérgezés tünetei az értágulás, a szemhéj leesése, a bőr kékes elszíneződése, a reszketés, végül a halál. A szervetlen germániumvegyületek által kiváltott krónikus mérgezés tünetei a fogyás, a szervek zsugorodása, a veseelégtelenségig menő vesekárosodás. A szerves germániumvegyületek nem ennyire mérgezők, fogyást és vérszegénységet idéznek elő. A termékenységet rontó hatásokról csak kevés adat áll rendelkezésre. A nátrium-germániát patkányokban nem okozott rákot.

Kölcsönhatásai

Vitatják, hogy vajon a germánium kölcsönhatásba lép-e a csontanyagcserében részt vevő szilíciummal. Blokkolhatja a vizelethajtó gyógyszerek és egy sor enzim hatását, így például a dehidrogenázokét. Az egerek tovább alszanak, ha a hexabarbital mellé germániumvegyületeket kapnak. Ez arra mutat, hogy a cytochrom P450 aktivitását is csökkenti. Egyes beszámolók szerint szerves germániumvegyületek hatástalanítják a glutation-S-transzferázt, ami a mérgek kiválasztásában vesz részt.

Részvétele az anyagcserében

A germánium szájon át könnyedén bejut a szervezetbe. Az egész testben szétoszlik, de felhalmozódik a vesében és a pajzsmirigyben. A szervetlen vegyületekkel ellentétben a szerves germániumvegyületek nem halmozódnak fel. A gallium, illetve vegyületei főként a vizeletbe választódnak ki, és részben az epével és a széklettel távoznak a szervezetből. Eddig csak kevés cikk foglalkozott a germánium részvételével az anyagcserében.

Források

• Germánium. In A Pallas nagy lexikona. Szerk. Bokor József. Budapest: Arcanum – FolioNET. 1998. ISBN 963 85923 2 X  

• Erdey-Grúz Tibor: Vegyszerismeret. 3. kiadás. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1963. 138. o.  
• Kis kémiai szótár. Fordította Hársing Lászlóné. Budapest: Gondolat. 1972. 155. o.  
• Hans Breuer: Atlasz – Kémia. Fordította Ungvárai János és Ungvárainé dr. Nagy Zsuzsanna. Harmadik, javított kiadás. Budapest: Athenaeum 2000 Kiadó Kft. 2003. 146–147. o. ISBN 963-9471-35-6  
• Dr. Otto – Albrecht Neumüller: Römpp vegyészeti lexikon. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1982. 2 kötet., 278–279. o. ISBN 963-10-3269-8  
• N. N. Greenwood – A. Earnshaw: Az elemek kémiája. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó. 2004. I kötet., 495–549. o. ISBN 963-19-5255-X  

Kapcsolódó szócikkek

• Dióda
• Integrált áramkör
• Tranzisztor