ژرمانیم

ژرمانیم سی و دومین عنصر جدول تناوبی است. ژرمانیم یکی از اعضای مهم خانواده نیمه‌رساناها می‌باشد و در صنعت نیمه‌هادی کاربرد فراوان دارد. نام این عنصر لاتین واژه ژرمن (آلمان) است.

ژرمانیم، ₃₂Ge

ژرمانیم
تلفظ	‎/dʒərˈmeɪniəm/‎ ​(jər-MAY-nee-əm)
ظاهر	سفید مایل به خاکستری
جرم اتمی استاندارد (Ar، استاندارد)	۷۰۰۱۷۲۶۳۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۷۲٫۶۳۰(۸)
ژرمانیم در جدول تناوبی
Si ↑ Ge ↓ Sn گالیم ← ژرمانیم → آرسنیک
عدد اتمی (Z)	32
گروه	گروه ۱۴ (گروه کربن)
دوره	دوره 4
بلوک	بلوک-p
دسته	Metalloid
آرایش الکترونی	[Ar] 3d10 4s2 4p2
لایه الکترونی	2, 8, 18, 4
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STP	جامد
نقطه ذوب	1211.40 K ​(938.25 °C, ​1720.85 °F)
نقطه جوش	3106 K ​(2833 °C, ​5131 °F)
چگالی (near r.t.)	5.323 g/cm3
در حالت مایع (at m.p.)	5.60 g/cm3
حرارت همجوشی	36.94 kJ/mol
آنتالپی تبخیر	334 kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی	23.222 J/(mol·K)
فشار بخار فشار (Pa) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱ K ۱۰ K ۱۰۰ K در دمای (K) 1644 1814 2023 2287 2633 3104
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش	−4 −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4 (an amphoteric اکسید)
الکترونگاتیوی	مقیاس پائولینگ: 2.01
انرژی یونش	1st: 762 kJ/mol 2nd: 1537.5 kJ/mol 3rd: 3302.1 kJ/mol
شعاع اتمی	empirical: 122 pm
شعاع کووالانسی	pm 122
شعاع واندروالسی	211 pm
خط طیف نوری ژرمانیم
دیگر ویژگی ها
ساختار بلوری	​
سرعت صوت thin rod	5400 m/s (at 20 °C)
انبساط حرارتی	6.0 µm/(m·K)
رسانندگی گرمایی	60.2 W/(m·K)
رسانش الکتریکی	1  Ω·m (at 20 °C)
رسانش مغناطیسی	دیامغناطیس
مدول یانگ	103 GPa
مدول برشی	41 GPa
مدول حجمی	75 GPa
نسبت پواسون	0.26
سختی موس	6.0
شماره ثبت سی‌ای‌اس	7440-56-4
ایزوتوپ‌های ژرمانیم
ایزوتوپ فراوانی نیمه‌عمر (t۱/۲) حالت فروپاشی محصول 68Ge syn 270.8 d ε - 68Ga 70Ge 21.23% 70Ge ایزوتوپ پایدار است که 38 نوترون دارد 71Ge syn 11.26 d ε - 71Ga 72Ge 27.66% 72Ge ایزوتوپ پایدار است که 40 نوترون دارد 73Ge 7.73% 73Ge ایزوتوپ پایدار است که 41 نوترون دارد 74Ge 35.94% 74Ge ایزوتوپ پایدار است که 42 نوترون دارد 76Ge 7.44% 1.78×1021 y β−β− - 76Se

ژرمانیم عنصر شیمیایی است که با نشان Ge و عدد اتمی ۳۲ در جدول تناوبی وجود دارد. ژرمانیم شبه فلزی است سخت، درخشان، به رنگ سفید خاکستری که از نظر شیمیایی شبیه قلع می‌باشد. این عنصر تعداد بسیار زیادی از ترکیبات آلی – فلزی را تشکیل داده و ماده نیمه هادی مهمی در ترانزیستورها و نورسنجها به حساب می‌آید.

ژرمانیم عنصری سخت و به رنگ سفید مایل به خاکستری است که دارای درخشش فلزی و ساختار بلوری همانند الماس می‌باشد. توجه به این نکته ضروری است که ژرمانیم یک‌نیمه هادی با ویژگی‌های الکتریکی بین فلز و عایق می‌باشد. نوع خالص این شبه فلز، بلورین و شکننده بوده و در دمای اتاق درخشش خود در هوا را حفظ می‌کند. روش‌های تصفیه منطقه‌ای باعث تولید ژرمانیم بلورین برای نیمه هادی‌ها گشته که فقط دارای یک جز در ۱۰۱۰ ناخالصی هستند.

خاصیت اکاسیلیکون ژرمانیوم، جرم اتمی ۷2 (72.59) چگالی 5.35 (g/cm³) نقطه جوش(°C) بالا ۹۴۷ و دارای رنگ خاکستری می‌باشد.

تاریخچه

ژرمانیم (از واژه لاتین Germania به معنی آلمان) یکی از چهار عنصری بود که دمیتری مندلیف در سال ۱۸۷۱ وجود آنها را پیش‌بینی کرده بود. (مندلیف آن را "eka-silicon " نامید). وجود این عنصر را کلمنز وینکلر در سال ۱۸۸۶ اثبات نمود. این کشف تاییدیه مهمی برای نظریه مندلیف در مورد وضعیت تناوبی عناصر بود.

ساخت ترانزیستورهای ژرمانیم مقدمه استفاده‌های بی شمار از علم الکترونیک حالت جامد گشت.

از سال ۱۹۵۰ تا اوایل دهه ۸۰ این حوزه بازار روزافزونی برای ژرمانیم به وجود آورد اما بعد از آن سیلیکون خالص کم‌کم در ترانزیستورها، دیودها و یکسو کننده‌ها جایگزین ژرمانیم شد. سیلیکون خصوصیات الکتریکی برتری دارد اما نمونه‌های بسیار خالص تری نیاز دارد- درجه خلوصی که در روزهای اولیه به صورت تجاری قابل دستیابی نبود- درحالیکه نیاز به ژرمانیم در شبکه‌های ارتباطی فیبر نوری، سیستم‌های مادون قرمز دید در شب و کاتالیزورهای پلیمریزاسیون شدیداً افزایش یافت. این کاربردهای نهایی، ۸۵٪ مصرف جهانی ژرمانیم را در سال ۲۰۰۰ تشکیل می‌دهد.

تهیه و تولید

این شبه فلز در کانی‌های آرژیرودیت یا سیم سنگ (سولفید ژرمانیم و نقره)، زغال سنگ، ژرمانیت، روی و کانی‌های دیگر یافت می‌شود. ژرمانیم به صورت تجاری از پردازش سنگ معدن مذاب روی و از سوختن محصولات جانبی زغال سنگ‌های خاصی بدست می‌آید؛ بنابراین اندوخته زیادی از این عنصر در منابع زغال سنگ وجود دارند.

این شبه فلز را می‌توان به وسیلهٔ تقطیر جزئی تتراکلرید فرار آن از فلزات دیگر نیز تهیه نمود. این روش باعث تولید ژرمانیم با خلوص بسیار بالا می‌شود. قیمت هر گرم ژرمانیم در سال ۱۹۹۷ تقریباً ۳ دلار آمریکا و قیمت هر کیلو آن در پایان سال ۲۰۰۰ معادل ۱۱۵۰ دلار بود.

کاربردها

عکس لنز مادون قرمز خریداری شده از آمازون

ژرمانیم برخلاف بیشتر نیمه هادی‌ها دارای band gap (شکاف نوار) کوچکی است که امکان واکنش مؤثر به اشعه مادون قرمز را به وجود می‌آورد؛ بنابراین ژرمانیم در طیف نماهای مادون قرمز و سایر تجهیزات دیداری که نیازمند یابنده‌های حساس مادون قرمز است کاربرد دارد. ضریب شکست و ویژگی‌های تجزیه اکسید آن، استفاده از ژرمانیم را در عدسی‌های زاویه باز دوربین و عدسی‌های شیئی میکروسکوپ سودمند می‌کند. موسیقیدانانی که مایل به بازآفرینی حالت خاص تقویت کننده‌های اوایل دوره Rock and roll هستند، هنوز هم در تقویت کننده‌های گیتار برقی از ترانزیستورهای ژرمانیم استفاده می‌کنند. آلیاژ ژرمانید سیلیکون (SiGe) در حال تبدیل سریع به ماده نیمه هادی مهم در ICهای سرعت بالا می‌باشد. مدارهایی که از پیوندهای Si-SiGe استفاده می‌کنند می‌توانند نسبت به مدارهایی که تنها سیلیکون بکار می‌برند سرعت خیلی بیشتری داشته باشند. سایر کاربردها:

·عامل آلیاژساز،

·بعنوان ماده درخشان در.

·و به عنوان کاتالیزور

وظایف ژرمانیوم در بدن

1. افزایش ایمنی سلول اعصاب
2. دوباره جوان کردن سلول‌ها
3. تولید انرژی
4. محافظت در برابر سموم
5. تولید قدرت آنتی‌اکسیدانی که سبب کاهش درد می‌گردد
6. افزایش حس شنوایی

ترکیبات خاصی از ژرمانیم برای پستانداران مسمومیت کمی دارند اما برای باکتری‌های خاصی اثرات سمی دارند. این ویژگی، اینگونه ترکیبات را به عوامل شیمی درمانی مفیدی تبدیل کرده‌است.