GERMANIUM: SEJARAH, SIFAT, STRUKTUR, PEROLEHAN, PENGGUNAAN - KIMIA - 2025

The germanium adalah elemen metalloid diwakili oleh simbol kimia Ge dan milik kelompok 14 dari tabel periodik. Ia ditemukan di bawah silikon, dan memiliki banyak kesamaan dengan sifat fisik dan kimianya; sedemikian rupa sehingga dulu namanya Ekasilicio, diramalkan oleh Dmitri Mendeleev sendiri.

Namanya saat ini diberikan oleh Clemens A. Winkler, untuk menghormati tanah airnya, Jerman. Oleh karena itu, germanium terkait dengan negara ini, dan ini adalah gambaran pertama yang membangkitkan pikiran orang-orang yang tidak mengetahuinya dengan baik.

Sampel germanium ultra murni. Sumber: Gambar Elemen Kimia Resolusi Tinggi

Germanium, seperti silikon, terdiri dari kristal kovalen dari kisi tetrahedral tiga dimensi dengan ikatan Ge-Ge. Demikian juga, dapat ditemukan dalam bentuk monokristalin, di mana butirannya besar, atau polikristalin, tersusun dari ratusan kristal kecil.

Ini adalah elemen semikonduktor pada tekanan sekitar, tetapi ketika naik di atas 120 kbar itu menjadi alotrop logam; Artinya, mungkin ikatan Ge-Ge putus dan mereka tersusun secara individual terbungkus dalam lautan elektronnya.

Ini dianggap sebagai elemen tidak beracun, karena dapat ditangani tanpa jenis pakaian pelindung apa pun; meskipun inhalasi dan asupan yang berlebihan dapat menyebabkan gejala klasik iritasi pada individu. Tekanan uapnya sangat rendah, jadi kemungkinan besar asapnya tidak menyebabkan kebakaran.

Namun, germanium anorganik (garam) dan organik dapat berbahaya bagi tubuh, terlepas dari kenyataan bahwa atom Ge mereka berinteraksi secara misterius dengan matriks biologis.

Tidak diketahui secara pasti apakah germanium organik dapat dianggap sebagai obat ajaib untuk mengobati gangguan tertentu sebagai pengobatan alternatif. Namun, studi ilmiah tidak mendukung klaim ini, tetapi menolaknya, dan mencap elemen ini sebagai karsinogenik.

Germanium bukan hanya semikonduktor, yang menyertai silikon, selenium, galium dan serangkaian elemen dalam dunia material semikonduktor dan aplikasinya; Ini juga transparan terhadap radiasi infra merah, sehingga berguna untuk membuat detektor panas dari berbagai sumber atau wilayah.

Sejarah

Prediksi Mendeleev

Germanium adalah salah satu unsur yang keberadaannya diprediksi pada tahun 1869 oleh ahli kimia Rusia Dmitri Mendeleev dalam tabel periodiknya. Dia sementara menyebutnya ekasilicon dan meletakkannya di ruang pada tabel periodik antara timah dan silikon.

Pada tahun 1886, Clemens A. Winkler menemukan germanium dalam sampel mineral dari tambang perak dekat Freiberg, Saxony. Itu adalah mineral yang disebut argyrodite, karena kandungan peraknya yang tinggi, dan baru ditemukan pada tahun 1885.

Sampel argyrodite mengandung 73-75% perak, 17-18% sulfur, 0,2% merkuri, dan 6-7% unsur baru, yang kemudian dinamai germanium oleh Winkler.

Mendeleev telah meramalkan bahwa kepadatan elemen yang akan ditemukan harus 5,5 g / cm ³ dan berat atom sekitar 70. prediksi Nya ternyata cukup dekat dengan yang dibuat untuk germanium.

Isolasi dan nama

Pada tahun 1886, Winkler mampu mengisolasi logam baru dan menemukannya mirip dengan antimon, tetapi dia mempertimbangkan kembali dan menyadari bahwa elemen yang dia temukan berhubungan dengan ekasilicon.

Winkler menamai unsur 'germanium' yang berasal dari kata Latin 'germania', kata yang mereka gunakan untuk menggambarkan Jerman. Untuk alasan ini, Winkler menamai elemen baru germanium, setelah negara asalnya Jerman.

Penentuan propertinya

Pada tahun 1887, Winkler menentukan sifat kimia germanium, menemukan berat atom 72,32 dengan analisis germanium tetraklorida murni (GeCl ₄ ).

Sementara itu, Lecoq de Boisbaudran menyimpulkan berat atom 72,3 dengan mempelajari spektrum percikan unsur tersebut. Winkler menyiapkan beberapa senyawa baru dari germanium, termasuk fluorida, klorida, sulfida, dan dioksida.

Pada 1920-an, penyelidikan sifat listrik germanium mengarah pada pengembangan germanium monokristalin dengan kemurnian tinggi.

Perkembangan ini memungkinkan penggunaan germanium di dioda, penyearah, dan penerima radar gelombang mikro selama Perang Dunia II.

Pengembangan aplikasi Anda

Aplikasi industri pertama muncul setelah perang pada tahun 1947, dengan penemuan transistor germanium oleh John Bardeen, Walter Brattain, dan William Shockley, yang digunakan dalam peralatan komunikasi, komputer, dan radio portabel.

Pada tahun 1954, transistor silikon dengan kemurnian tinggi mulai menggantikan transistor germanium karena keunggulan elektronik yang dimilikinya. Dan pada 1960-an, transistor germanium praktis menghilang.

Germanium ternyata menjadi komponen kunci dalam pembuatan lensa dan jendela inframerah (IR). Pada tahun 1970-an, silikon germanium (SiGe) sel volta (PVC) diproduksi yang tetap penting untuk operasi satelit.

Pada tahun 1990-an, perkembangan dan perluasan serat optik meningkatkan permintaan akan germanium. Elemen tersebut digunakan untuk membentuk inti kaca dari kabel serat optik.

Mulai tahun 2000, PVC efisiensi tinggi dan dioda pemancar cahaya (LED) yang menggunakan germanium menyebabkan peningkatan produksi dan konsumsi germanium.

Sifat fisik dan kimia

Penampilan

Putih keperakan dan berkilau. Ketika padatannya terdiri dari banyak kristal (polikristalin), ia memiliki permukaan yang bersisik atau berkerut, penuh dengan nada tambahan dan bayangan. Kadang-kadang bahkan bisa tampak keabu-abuan atau hitam seperti silikon.

Dalam kondisi standar itu adalah elemen semi-logam, rapuh dan kilau logam.

Germanium adalah semikonduktor, tidak terlalu ulet. Ini memiliki indeks bias tinggi untuk cahaya tampak, tetapi transparan untuk radiasi infra merah, digunakan di jendela peralatan untuk mendeteksi dan mengukur radiasi ini.

Berat atom standar

72.63 u

Nomor atom (Z)

32

Titik lebur

938,25 ºC

Titik didih

2.833 ºC

Massa jenis

Pada suhu kamar: 5.323 g / cm ³

Pada titik leleh (cair): 5,60 g / cm ³

Germanium, seperti silikon, galium, bismut, antimon, dan air, mengembang saat mengeras. Karena alasan ini, massa jenisnya lebih tinggi dalam keadaan cair daripada dalam keadaan padat.

Panas fusi

36,94 kJ / mol

Panas penguapan

334 kJ / mol

Kapasitas kalori molar

23,222 J / (mol K)

Tekanan uap

Pada suhu 1.644 K, tekanan uapnya hanya 1 Pa. Artinya, cairannya hampir tidak mengeluarkan uap apa pun pada suhu tersebut, jadi tidak ada risiko terhirup.

Elektronegativitas

2.01 pada skala Pauling

Energi ionisasi

-Pertama: 762 kJ / mol

-Kedua: 1.537 kJ / mol

-Tiga: 3.302.1 kJ / mol

Konduktivitas termal

60,2 W / (m K)

Resistivitas listrik

1 Ωm pada 20 ºC

Konduktivitas listrik

3S cm ^-1

Urutan magnetis

Diamagnetik

Kekerasan

6.0 pada skala Mohs

Stabilitas

Relatif stabil. Ia tidak terpengaruh oleh udara pada suhu kamar dan teroksidasi pada suhu di atas 600ºC.

Tegangan permukaan

6 10 ^-1 N / m pada 1.673.1 K.

Reaktivitas

Ini teroksidasi pada suhu di atas 600ºC untuk membentuk germanium dioksida (GeO ₂ ). Germanium menghasilkan dua bentuk oksida: germanium dioksida (GeO ₂ ) dan germanium monoksida (GeO).

Senyawa Germanium umumnya menunjukkan bilangan oksidasi +4, meskipun dalam banyak senyawa germanium terjadi dengan bilangan oksidasi +2. Bilangan oksidasi - 4 terjadi, misalnya, dalam magnesium germanide (Mg ₂ Ge).

Germanium bereaksi dengan halogen membentuk tetrahalida: germanium tetrafluorida (GeF ₄ ), senyawa gas; germanium tetraiodide (GeI ₄ ), senyawa padat; germanium tetrachloride (GeCl ₄ ) dan germanium tetrabromide (GeBr ₄ ), keduanya senyawa cair.

Germanium inert terhadap asam klorida; tetapi diserang oleh asam nitrat dan asam sulfat. Meskipun hidroksida dalam larutan berair memiliki pengaruh yang kecil terhadap germanium, ia mudah larut dalam hidroksida cair untuk membentuk geronat.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Germanium dan ikatannya

Germanium memiliki empat elektron valensi menurut konfigurasi elektroniknya:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ²

Seperti karbon dan silikon, atom Ge mereka menghibridisasi orbital 4s dan 4p mereka untuk membentuk empat orbital hibrid sp ³ . Dengan orbital-orbital ini mereka berikatan untuk memenuhi oktet valensi dan, akibatnya, memiliki jumlah elektron yang sama dengan gas mulia pada periode yang sama (kripton).

Dengan cara ini, ikatan kovalen Ge-Ge muncul, dan memiliki empat di antaranya untuk setiap atom, tetrahedra sekitarnya didefinisikan (dengan satu Ge di tengah dan yang lainnya di simpul). Jadi, jaringan tiga dimensi dibentuk oleh perpindahan tetrahedra ini sepanjang kristal kovalen; yang berperilaku seolah-olah itu adalah molekul besar.

Alotrop

Kristal germanium kovalen mengadopsi struktur kubik berlian (dan silikon) yang berpusat pada muka. Alotrop ini dikenal sebagai α-Ge. Jika tekanan meningkat menjadi 120 kbar (sekitar 118.000 atm), struktur kristal α-Ge menjadi tetragonal yang berpusat pada tubuh (BCT, untuk akronimnya dalam bahasa Inggris: Tetragonal yang berpusat pada tubuh).

Kristal BCT ini sesuai dengan alotrop kedua germanium: β-Ge, di mana ikatan Ge-Ge terputus dan tersusun dalam isolasi, seperti yang terjadi pada logam. Jadi, α-Ge adalah semi-logam; sedangkan β-Ge adalah logam.

Bilangan oksidasi

Germanium dapat kehilangan empat elektron valensinya, atau mendapatkan empat elektron lagi untuk menjadi isoelektronik dengan kripton.

Ketika ia kehilangan elektron dalam senyawanya, ia dikatakan memiliki bilangan atau bilangan oksidasi positif, di mana keberadaan kation dengan muatan yang sama dengan bilangan-bilangan ini diasumsikan. Diantaranya kami memiliki +2 (Ge ²⁺ ), +3 (Ge ³⁺ ) dan +4 (Ge ⁴⁺ ).

Misalnya, senyawa berikut memiliki germanium dengan bilangan oksidasi positif: GeO (Ge ²⁺ O ^2- ), GeTe (Ge ²⁺ Te ^2- ), Ge ₂ Cl ₆ (Ge ₂ ³⁺ Cl ₆ ^- ), GeO ₂ (Ge ⁴⁺ O ₂ ^2- ) dan GeS ₂ (Ge ⁴⁺ S ₂ ^2- ).

Sedangkan ketika ia memperoleh elektron dalam senyawanya, ia memiliki bilangan oksidasi negatif. Di antara mereka yang paling umum adalah -4; Artinya, keberadaan Ge ^4- anion diasumsikan . Dalam germanides hal ini terjadi, dan sebagai contoh di antaranya kita memiliki Li ₄ Ge (Li ₄ ⁺ Ge ^4- ) dan Mg ₂ Ge (Mg ₂ ²⁺ Ge ^4- ).

Di mana menemukan dan memperoleh

Mineral belerang

Sampel mineral argyrodite, dengan kelimpahan rendah tetapi bijih unik untuk ekstraksi germanium. Sumber: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Germanium adalah elemen yang relatif langka di kerak bumi. Beberapa mineral mengandung cukup banyak, di antaranya kita dapat menyebutkan: argyrodite (4Ag ₂ S · GeS ₂ ), germanite (7CuS · FeS · GeS ₂ ), briartit (Cu ₂ FeGeS ₄ ), renierite dan canfieldite.

Mereka semua memiliki kesamaan: mereka adalah belerang atau mineral belerang. Oleh karena itu, germanium mendominasi di alam (atau setidaknya di Bumi), seperti GeS ₂ dan bukan GeO ₂ (berbeda dengan rekan SiO _{2 yang} tersebar luas, silika).

Selain mineral yang disebutkan di atas, germanium juga ditemukan dalam konsentrasi massa 0,3% dalam endapan karbon. Demikian pula, beberapa mikroorganisme dapat memprosesnya untuk menghasilkan sejumlah kecil GeH ₂ (CH ₃ ) ₂ dan GeH ₃ (CH ₃ ), yang akhirnya terlantar ke sungai dan laut.

Germanium adalah produk sampingan dari pemrosesan logam seperti seng dan tembaga. Untuk memperolehnya, ia harus menjalani serangkaian reaksi kimia untuk mereduksi belerang menjadi logam yang sesuai; yaitu, untuk menghilangkan GeS ₂ atom belerang sehingga menjadi Ge.

Dipanggang

Mineral belerang mengalami proses pemanggangan di mana mereka dipanaskan bersama dengan udara agar terjadi oksidasi:

GeS ₂ + 3 O ₂ → GeO ₂ + 2 SO ₂

Untuk memisahkan germanium dari residu, germanium diubah menjadi klorida masing-masing, yang dapat didistilasi:

GeO ₂ + 4 HCl → GeCl ₄ + 2 H ₂ O

GeO ₂ + 2 Cl ₂ → GeCl ₄ + O ₂

Seperti yang terlihat, transformasi dapat dilakukan dengan menggunakan asam klorida atau gas klor. GeCl ₄ kemudian dihidrolisis kembali menjadi GeO ₂ , di mana ia mengendap sebagai padatan putih pudar . Akhirnya, oksida bereaksi dengan hidrogen untuk mereduksi menjadi logam germanium:

GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O

Pengurangan yang juga bisa dilakukan dengan arang:

GeO ₂ + C → Ge + CO ₂

Germanium yang diperoleh terdiri dari bubuk yang dicetak atau dipadatkan menjadi batang logam, dari mana kristal germanium bercahaya dapat ditanam.

Isotop

Germanium tidak memiliki isotop yang sangat melimpah di alam. Sebaliknya, ia memiliki lima isotop yang kelimpahannya relatif rendah: ⁷⁰ Ge (20,52%), ⁷² Ge (27,45%), ⁷³ Ge (7,76%), ⁷⁴ Ge (36,7%) dan ⁷⁶ Ge (7,75%). Perhatikan bahwa berat atom adalah 72,630 u, yang mana rata-rata dari semua massa atom dengan kelimpahan masing-masing isotop.

Isotop ⁷⁶ Ge sebenarnya adalah radioaktif; tetapi waktu paruhnya sangat lama (t _1/2 = 1,78 × 10 ²¹ tahun) sehingga secara praktis ia termasuk di antara lima isotop germanium yang paling stabil. Radioisotop lain, seperti ⁶⁸ Ge dan ⁷¹ Ge, keduanya sintetis, memiliki waktu paruh yang lebih pendek (270,95 hari dan 11,3 hari, masing-masing).

Resiko

Germanium unsur dan anorganik

Risiko lingkungan terhadap germanium agak kontroversial. Sebagai logam yang sedikit berat, perbanyakan ion-ionnya dari garam yang larut dalam air dapat merusak ekosistem; Artinya, hewan dan tumbuhan dapat terpengaruh dengan mengonsumsi ion Ge ³⁺ .

Unsur germanium aman selama tidak berbentuk bubuk. Jika berada dalam debu, aliran udara dapat membawanya ke sumber panas atau zat yang sangat mengoksidasi; dan akibatnya ada risiko kebakaran atau ledakan. Selain itu, kristalnya dapat masuk ke paru-paru atau mata, menyebabkan iritasi parah.

Seseorang dapat dengan aman menangani disk germanium di kantornya tanpa khawatir akan kecelakaan. Namun, hal yang sama tidak dapat dikatakan untuk senyawa anorganiknya; yaitu garam, oksida dan hidrida. Misalnya, GeH ₄ atau Germanic (analog dengan CH ₄ dan SiH ₄ ), adalah gas yang cukup mengiritasi dan mudah terbakar.

Germanium organik

Sekarang ada sumber organik germanium; Diantaranya, disebutkan dapat dibuat dari 2-carboxyethylgermasquioxane atau germanium-132, suplemen alternatif yang dikenal untuk mengobati penyakit tertentu; meskipun dengan bukti-bukti diragukan.

Beberapa efek pengobatan yang dikaitkan dengan germanium-132 adalah memperkuat sistem kekebalan, sehingga membantu melawan kanker, HIV dan AIDS; mengatur fungsi tubuh, serta meningkatkan derajat oksigenasi dalam darah, menghilangkan radikal bebas; dan juga menyembuhkan radang sendi, glaukoma, dan penyakit jantung.

Namun, germanium organik telah dikaitkan dengan kerusakan serius pada ginjal, hati, dan sistem saraf. Itulah mengapa ada risiko laten saat mengonsumsi suplemen germanium ini; Nah, meskipun ada yang menganggapnya sebagai obat ajaib, ada juga yang memperingatkan bahwa itu tidak menawarkan manfaat yang terbukti secara ilmiah.

Aplikasi

Optik inframerah

Beberapa sensor radiasi infra merah terbuat dari germanium atau paduannya. Sumber: Adafruit Industries via Flickr.

Germanium transparan terhadap radiasi infra merah; artinya, mereka dapat melewatinya tanpa terserap.

Berkat ini, kacamata dan lensa germanium telah dibuat untuk perangkat optik inframerah; misalnya, dipasangkan dengan detektor IR untuk analisis spektroskopi, pada lensa yang digunakan dalam teleskop antariksa inframerah jauh untuk mempelajari bintang terjauh di alam semesta, atau dalam sensor cahaya dan suhu.

Radiasi inframerah dikaitkan dengan getaran molekuler atau sumber panas; jadi perangkat yang digunakan dalam industri militer untuk melihat target night vision memiliki komponen yang terbuat dari germanium.

Bahan semikonduktor

Dioda Germanium dikemas dalam kaca dan digunakan pada tahun 60an dan 70an Sumber: Rolf Süssbrich

Germanium sebagai metaloid semikonduktor telah digunakan untuk membangun transistor, sirkuit listrik, dioda pemancar cahaya, dan microchip. Yang terakhir, paduan germanium-silikon, dan bahkan germanium, dengan sendirinya telah mulai menggantikan silikon, sehingga sirkuit yang lebih kecil dan lebih kuat dapat dirancang.

Oksidanya, GeO ₂ , karena indeks biasnya yang tinggi, ditambahkan ke kaca sehingga dapat digunakan dalam mikroskop, sasaran sudut lebar, dan serat optik.

Germanium tidak hanya menggantikan silikon dalam aplikasi elektronik tertentu, tetapi juga dapat digabungkan dengan gallium arsenide (GaAs). Dengan demikian, metaloid ini juga ada di panel surya.

Katalis

GeO ₂ telah digunakan sebagai katalis untuk reaksi polimerisasi; misalnya, di salah satu yang diperlukan untuk sintesis polietilen tereftalat, plastik yang digunakan untuk membuat botol mengkilap yang dijual di Jepang.

Demikian juga, nanopartikel dari paduan platinumnya mengkatalisasi reaksi redoks yang melibatkan pembentukan gas hidrogen, membuat sel volta ini lebih efektif.

Paduan

Terakhir, telah disebutkan bahwa ada paduan Ge-Si dan Ge-Pt. Selain itu, atom Ge-nya dapat ditambahkan ke kristal logam lain, seperti perak, emas, tembaga, dan berilium. Paduan ini menunjukkan keuletan dan ketahanan kimiawi yang lebih besar daripada logam individualnya.

Referensi

1. Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Germanium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. FisikaOpenLab. (2019). Struktur kristal silikon & germanium. Diperoleh dari: physicsopenlab.org
4. Susan York Morris. (19 Juli 2016). Apakah Germanium adalah Obat Ajaib? Media Healthline. Diperoleh dari: healthline.com
5. Lenntech BV (2019). Tabel periodik: germanium. Diperoleh dari: lenntech.com
6. Pusat Nasional untuk Informasi Bioteknologi. (2019). Germanium. Database PubChem. CID = 6326954. Diperoleh dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Dr Doug Stewart. (2019). Fakta Elemen Germanium. Chemicool. Diperoleh dari: chemicool.com
8. Emil Venere. (8 Desember 2014). Germanium pulang ke Purdue untuk pencapaian semikonduktor. Diperoleh dari: purdue.edu
9. Marques Miguel. (sf). Germanium. Diperoleh dari: nautilus.fis.uc.pt
10. Rosenberg, E. Rev Environ Sci Biotechnol. (2009). Germanium: kejadian lingkungan, kepentingan dan spesiasi. 8: 29. doi.org/10.1007/s11157-008-9143-x