ژرمانیوم (Ge): ۳۲ حقیقت جالب درباره این عنصر کلیدی

ژرمانیوم، یک شبه‌فلز براق به رنگ خاکستری مایل به سفید است که ظاهری فلزی دارد. این عنصر به دلیل کاربرد گسترده‌اش در نیمه‌رساناها شهرت دارد. در ادامه، مجموعه‌ای از حقایق جالب و کاربردی درباره عنصر ژرمانیوم ارائه می‌شود:

ویژگی‌های برجسته ژرمانیوم

• ظاهر: شبه‌فلز براق، خاکستری مایل به سفید با درخشش فلزی
• کاربرد اصلی: استفاده در ساخت نیمه‌رساناها و قطعات الکترونیکی
• ویژگی منحصربه‌فرد: شفافیت نسبت به نور فروسرخ (infrared)

در دنیای مدرن، ژرمانیوم نقشی حیاتی در فناوری‌های نوین ایفا می‌کند و همچنان به عنوان یک ماده مهم در صنایع مختلف شناخته می‌شود.

دانستنی‌های اساسی درباره ژرمانیوم (Ge)

• عدد اتمی: 32
• نماد شیمیایی: Ge
• جرم اتمی: 72.61
• کاشف: کلمنس وینکلر در سال 1886 (آلمان)
• آرایش الکترونی: [Ar] 4s2 3d10 4p2
• ریشه نام: از واژه لاتین Germania به معنای آلمان

ویژگی‌های کلیدی ژرمانیوم

• خواص فیزیکی:
  • نقطه ذوب: 937.4 درجه سانتیگراد
  • نقطه جوش: 2830 درجه سانتیگراد
  • وزن مخصوص: 5.323 (در 25 درجه سانتیگراد)
  • ظرفیت: 2 و 4
  • شکل ظاهری: شبه‌فلز خاکستری مایل به سفید، بلوری و شکننده
  • پایداری: حفظ درخشش در هوا
  • شفافیت: ژرمانیوم و اکسید آن در برابر نور فروسرخ شفاف هستند.

کاربردهای حیاتی ژرمانیوم

• نیمه‌رسانا: ماده‌ای مهم در ساخت نیمه‌رساناها. معمولاً با آرسنیک یا گالیم برای مصارف الکترونیکی آلیاژ می‌شود.
• آلیاژسازی: به عنوان یک عامل آلیاژساز برای بهبود خواص فلزات دیگر.
• کاتالیزور: به عنوان کاتالیزور در واکنش‌های شیمیایی.
• فسفرسانس: به عنوان فسفر برای لامپ‌های فلورسنت.
• دتکتورهای فروسرخ: در ساخت آشکارسازهای بسیار حساس فروسرخ و سایر دستگاه‌های نوری.
• عدسی‌ها: اکسید ژرمانیوم به دلیل ضریب شکست بالا در ساخت شیشه‌های مورد استفاده در عدسی‌های میکروسکوپ و دوربین کاربرد دارد.
• پزشکی: ترکیبات آلی ژرمانیوم سمیت کمی برای پستانداران دارند، اما برای برخی باکتری‌ها کشنده هستند و به همین دلیل پتانسیل استفاده در پزشکی را دارند.

منابع و استخراج ژرمانیوم

• روش‌های استخراج: جداسازی از فلزات از طریق تقطیر جزء به جزء تتراکلرید ژرمانیوم فرار، هیدرولیز برای تولید GeO2 و سپس کاهش دی‌اکسید با هیدروژن.
• تصفیه: استفاده از تکنیک‌های تصفیه منطقه‌ای برای تولید ژرمانیوم فوق‌العاده خالص.
• مواد معدنی: یافت شدن در آرگیرودیت (سولفید ژرمانیوم و نقره)، ژرمانیت (حاوی حدود 8% ژرمانیوم)، زغال سنگ، سنگ‌های معدنی روی و سایر مواد معدنی.
• منابع تجاری: تهیه تجاری از غبار خروجی کوره‌های ذوب سنگ معدن روی یا از فرآورده‌های جانبی احتراق برخی از زغال سنگ‌ها.

دسته‌بندی عنصری

• طبقه‌بندی: شبه‌فلز (متالوئید)

ژرمانیوم، عنصری با کاربردهای گسترده و خواص منحصربه‌فرد، نقش مهمی در فناوری و صنایع مختلف ایفا می‌کند. از نیمه‌رساناها گرفته تا تجهیزات پزشکی، این عنصر ارزشمند همچنان مورد توجه دانشمندان و مهندسان قرار دارد.

ویژگی‌های فیزیکی عنصر ژرمانیوم

• چگالی: 5.323 گرم بر سانتی‌متر مکعب
• نقطه ذوب: 1210.6 کلوین
• نقطه جوش: 3103 کلوین
• شکل ظاهری: فلز خاکستری-سفید
• ایزوتوپ‌ها: 30 ایزوتوپ شناخته شده از Ge-60 تا Ge-89.
  • 5 ایزوتوپ پایدار: Ge-70 (فراوانی 20.37%)، Ge-72 (فراوانی 27.31%)، Ge-73 (فراوانی 7.76%)، Ge-74 (فراوانی 36.73%) و Ge-76 (فراوانی 7.83%).
• شعاع اتمی: 137 پیکومتر
• حجم اتمی: 13.6 سانتی‌متر مکعب بر مول
• شعاع کووالانسی: 122 پیکومتر
• شعاع یونی: 53 (+4e)، 73 (+2e)
• ظرفیت گرمایی ویژه (در 20 درجه سانتی‌گراد): 0.322 ژول بر گرم در مول
• گرمای همجوشی: 36.8 کیلوژول بر مول
• گرمای تبخیر: 328 کیلوژول بر مول
• دمای دبای: 360.00 کلوین
• عدد الکترونگاتیوی پائولینگ: 2.01
• اولین انرژی یونیزاسیون: 760.0 کیلوژول بر مول
• حالات اکسیداسیون: +4 (رایج‌ترین)، +1، +2 و -4 (نادر)
• ساختار شبکه: مورب (Diagonal)
• ثابت شبکه: 5.660 آنگستروم
• شماره ثبت CAS: 7440-56-4

دانستنی‌های جالب و حاشیه‌ای درباره ژرمانیوم

• نام اولیه ژرمانیوم توسط وینکلر، نپتونیم بود. همانند ژرمانیوم، سیاره نپتون نیز به تازگی بر اساس پیش‌بینی‌های داده‌های ریاضی کشف شده بود.
• کشف ژرمانیوم جای خالی پیش‌بینی شده توسط جدول تناوبی مندلیف را پر کرد. ژرمانیوم جایگزین عنصر فرضی اکا-سیلیکون شد.
• مندلیف خواص فیزیکی اکا-سیلیکون را بر اساس موقعیت آن در جدول تناوبی پیش‌بینی کرد. او گفته بود که جرم اتمی آن 72.64 (مقدار واقعی: 72.61)، چگالی آن 5.5 گرم بر سانتی‌متر مکعب (مقدار واقعی: 5.32 گرم بر سانتی‌متر مکعب)، نقطه ذوب بالا (مقدار واقعی: 1210.6 کلوین) و ظاهر آن خاکستری خواهد بود (ظاهر واقعی: خاکستری مایل به سفید). نزدیکی خواص فیزیکی ژرمانیوم به مقادیر پیش‌بینی شده اکا-سیلیکون، در تأیید نظریه‌های تناوبی مندلیف اهمیت زیادی داشت.
• پیش از کشف خواص نیمه‌رسانایی ژرمانیوم پس از جنگ جهانی دوم، استفاده چندانی از آن نمی‌شد. تولید ژرمانیوم از چند صد کیلوگرم در سال به صد تن متریک در سال رسید.
• در اوایل، قطعات نیمه‌رسانا بیشتر از ژرمانیوم ساخته می‌شدند تا اینکه سیلیکون فوق‌العاده خالص در اواخر دهه 1950 به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت.
• اکسید ژرمانیوم (GeO2) گاهی اوقات ژرمانیا نامیده می‌شود. به طور گسترده در تجهیزات نوری و فیبر نوری استفاده می‌شود. همچنین به عنوان یک کاتالیزور در تولید پلی‌اتیلن ترفتالات یا پلاستیک PET کاربرد دارد.

اطلاعات سریع درباره ژرمانیوم

• نام عنصر: ژرمانیوم
• نماد عنصر: Ge
• عدد اتمی: 32
• جرم اتمی: 72.6308
• شکل ظاهری: جامد سخت خاکستری مایل به سفید با جلای فلزی
• گروه: گروه 14 (گروه کربن)
• دوره: دوره 4
• کاشف: کلمنس وینکلر (1886)