Химия Германия

Готовый реферат на тему: Химия элемента германия. Оценен на 5, высокая уникальность (около 76% антиплагиат), грамотная структура и оформление. ...

Введение………………………………………………………………..............3

Глава 1. Германий и его свойства
1.1. Электронное строение и положение в Периодической таблице……..4
1.2. Нахождение в природе и способы получения………………………....5
1.3. Физические свойства германия………………………….……………...8
1.4. Химические свойства германия…………………………….………......9


Глава 2. Важнейшие соединения германия
2.1 Гидриды………………………………………………………………….10
2.2 Оксиды…………….………………..........................................................11
2.3 Галогениды……………………........……………………………………13
2.4 Сульфиды……………………….……………………………………….15
2.5 Комплексные соединения………………………………………………17


Области применения германия……………………………………………....18

Список использованной литературы…………………………………….…..19

Практическая часть …………………………………………………………..20

До конца XIX века этот элемент оставался неизвестен науке и его открытие стало ярким подтверждением периодического закона. В 1871 г. Д. И. Менделеев предположил, что между кремнием и оловом должен находиться ещё один, не встречавшийся ранее, элемент. Учёный дал ему имя "экасилиций", что означает "подобный кремнию", и сумел с большой точностью предсказать его свойства. Спустя 15 лет, химик Клеменс Винклер, исследуя минерал аргиродит, открыл новый химический элемент и назвал его "германий" в честь своей родины. Оказалось, что "экасилиций" и "германий" являются одним элементом, так как предсказанные Менделеевым свойства полностью совпали с полученными опытным путём. Учёные долгое время вели переписку и были признательны друг другу за внесённый вклад.

Германий является уникальным элем ентом. Он нашёл применение в самых разных областях: от полупроводников, на которых будет основана электроника будущего, до высокоточных детекторов гамма излучения. Кроме того, именно за последние годы были открыты новые свойства германия, что открывает новые горизонты в использовании этого элемента, такие как синтез перспективных германийорганических медицинских препаратов. В то же время, в повседневной жизни мы почти не слышим об этом элементе. Желание больше узнать о нём подтолкнуло меня к выбору этой темы.

Целью моей работы я считаю подробное освещение и анализ имеющейся информации касающейся химии германия и его важнейших соединений. Для этого я использовал имеющуюся в библиотеке литературу и данные интернет-ресурсов. Кроме того, я постарался организовать представленные материалы, последовательно переходя от электронного строения атома, к химическим и физическим свойствам простого вещества, а затем и к свойствам более сложных соединений элемента. Результатом этого и стала моя курсовая работа.

61434465193738500 При получении технически чистого германия тетрахлорид очищают ректификацией в кварцевых колоннах, направленной кристаллизацией и другими методами. После этого GeCl4 гидролизуется водой при 20-30 °С. Полученный GeO2 промывают водой, сушат токами СВЧ и восстанавливают до германия водородом при 600-700 °С. Порошкообразный германий при 1000-1050 °С сплавляют. Рафинируют германий методом направленной кристаллизации. В процессе выращивания монокристаллов германия, их легируют добавками As, Sb или Ga, воздействуя на те или иные свойства.Рисунок 3 – Схема процесса очищения GeCl4 в ректификационных колоннах. Полученный каждым из способов германий требует контроля качества. Даже крохотные примеси могут крайне негативно сказаться на полупроводниковых свойствах образца. Впроцессе очистки фракционной кристаллизацией и получения монокристаллов качество германия контролируют несколькими физическими методами. Как правило определяются следующие характеристики: тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни и подвижность неравновесных носителей зарядов. Электросопротивление слитков германия измеряется без разрезания вдоль его длины. Обычно части слитка с удельным сопротивлением ниже 30 Ом*см поступают на повторную очистку от примесей.71.3) Физические свойства Германия: Простое вещество германий – полуметалл светло-серого цвета, обладающий металлическим блеском. Германий имеет кристаллическую решётку вида алмаза (период a = 0,567 нм), в которой каждый атом окружен четырьмя соседями, расположенными на одинаковом расстоянии в вершинах тетраэдра. При более высоком давлении Ge переходит в другие модификации, отличающиеся большими плотностью и электрической проводимостью.Рисунок 4 – Модификации германия. Даже очень чистый германий при комнатной температуре хрупок, но выше 550 °C поддаётся пластической деформации. Температура кипения составляет 2850 °C, температура плавления 938,25 °C, плотность германия равна 5,33 кг/дм3. Легированный галлием германий в тонкой плёнке обладает сверхпроводящими свойствами. Твердость по минералогической шкале 6,0-6,5 (германий распиливают на пластины с помощью алмазного или металлического диска). Германий прозрачен для ИК-излучения при длинах волны от 2 до 16 мкм. В природе встречается только пять изотопов: 70Ge (20,55% масс.), 72Ge (27,37%), 73Ge (7,67%), 74Ge (36,74%), 76Ge (7,67 %). Среди них первые четыре являются стабильными, а пятый (76Ge) испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 1,58·1021 лет. Кроме того, на сегодняшний день удалось синтезировать 27 радиоизотопов с атомной массой от 58 до 89. Наиболее стабильным из них является 68Ge, период полураспада которого 270,95 суток.8Химические свойства германия: По своим химическим свойствам германий больше всего напоминает кремний. При обычных условиях он устойчив к окислению кислородом, взаимодействию с парами воды, разбавленными кислотам (происходит пассивация). В присутствии сильных комплексообразователей, окислителей или при нагревании германий реагирует с кислотами:Ge + H2SO4 (конц) = Ge(SO4)2 + 2SO2↑ + 4H2OGe + 6HF = H2[GeF6] + 2H2↑,Ge + 4HNO3 (конц) = H2GeO3 + 4NO2↑ + 2H2O Взаимодействие германия с царской водкой:Ge + 4HNO3 + 12HCl = GeCl4 + 4NO↑ + 8H2O С растворами щелочей германий способен взаимодействовать только в присутствии окислителей:Ge + 2NaOH + 2H2O2 = Na2[Ge(OH)6]. При нагревании до 700 °C на воздухе Ge загорается и образуется диоксид германия GeO2:Ge + O2 = GeO2 Также, германий легко взаимодействует с галогенами и халькогенами:Ge + 2I2 = GeI4. Германий способен проявлять окислительные свойства образуя германиды при высокотемпературном обжиге смеси чистых веществ в токе водорода.2Mg + Ge = Mg2Ge Кроме того, германий может взаимодействовать с органическими веществами и образовывать германийорганические соединения. Одной из подобных реакций является нагревание германия с хлористым этилом в присутствии меди:Ge + 4 C2H5Cl + 2Cu = Ge(C2H5)4 + 2CuCl29 Глава 2. Важнейшие соединения германия:2.1) ГидридыВ то время как для углерода алканы вида CnH2n+2 существуют без ограничения числа n гидриды германия образуют ограниченные ряды до Ge9H20, что связано с непрочностью связи элемент-элемент. Насколько известно, все они имеют структуру с тетраэдрическим расположением связей относительно атомов элемента. Полученные германы представляют собой бесцветные газы или летучие жидкости. Герман — GeH4 (т.кип. -88°C).Дигерман — Ge2H6 (т.кип. 29°C) Тригерман — Ge3H8 (т.кип. 110,5°C)Тетрагерман - Ge4H10 (т.кип. 176,9°C) Пентагерман - Ge5H12 (т.кип. 234°C)По своим общим свойствам германы подобны силанам. Моногерман GeH4 получают при взаимодействии борогидридов щелочного металла с кислым раствором GeO2, при этом образуются также небольшие количества Ge2H6 и Ge3H8. Кроме того, моногерман можно получить и разложением германида магния соляной кислотой:GeMg2 + HCl= GeH4 + 2MgCl2 Более высокие германы вплоть до Ge9H20 получают из GeH4 при высоком давлении и электрическом разряде. Германы воспламеняются труднее чем силаны, но они быстро окисляются кислородом до GeO2 и H2O, причём легкость окисления растёт с увеличением молекулярного веса. Ge3H8 +5O2 = 3GeO2 + 4H2OКак и силаны, они устойчивы в нейтральной и кислой средах, но в присутствии оснований гидролизуются по схеме, обычной для соединений, содержащих гидридный водород (электроотрицательность водорода выше, чем у германия). Также, встречаются и смешанные гидриды –Ge-Si-.Моногерман в жидком аммиаке может вести себя как кислота, давая ионы NH4+ и GeH3- и взаимодействовать со щелочными металлами с образованием соединений МеGeH3. Последние представляют собой белые кристаллические вещества, которые нашли широкое применение в синтетической химии. При температуре выше 200 °C моногерман диссоциирует на германий и водород.102.2) Оксиды Диоксид германия - GeO2 - представляет собой порошок белого цвета, который служит основным важнейшим соединением для производства элементарного германия. GeO2 выделяется при гидролизе тетрахлорида германия в виде гидратного осадка GeO2*nH2O. Формы диоксида германия и диоксида кремния очень похожи. GeO2 существует в виде двух кристаллических модификаций и одной аморфной:Гексагональный β-GeO2 имеет идентичную α-кварцу структуру. германий имеет координационное число 4, параметры элементарной ячейки a = 0,497 нм, c = 0,564, Z = 3, d20 = 4,70 г/см³.Тетрагональный α-GeO2 (минеральная форма — аргутит) имеет структуру типа SnO2. Германий имеет координационное число 6, параметры элементарной ячейки: а = 0,439 нм, с = 0,286 нм, d20 = 6,24 г/см³. Под высоким давлением переходит в ромбическую форму, структуры типа CaCl2.Аморфный GeO2 похож на стекловидный кварц, растворяется в воде. Параметры элементарной ячейки: а = 0,4987 нм, с = 0,5652 нм; состоит из искаженных тетраэдров с атомом германия в центре.Рисунок 5 – Свойства диоксида германия. 11 Получают диоксид гидролизом GeCl4 с последующей просушкой и прокаливанием осадка при 900 °C. При этом обычно получается смесь аморфного и гексагонального GeO2. Диоксид растворим в щелочах, причём с разбавленными он образует соли метагерманиевой кислоты, а с концентрированными — ортогерманиевой. Кроме того, германаты щелочноземельных и тяжелых металлов не растворимы в воде и не разлагаются кислотами.GeO2+ 2NaOH= Na2GeO3 + H2OGeO2+ 4NaOH (конц.) = Na4GeO4 + 2H2O При нагревании двуокись германия способна разрушить соли более слабых кислот с образованием германатов:GeO2 + Na2CO3 = Na2GeO3+CO2 Монооксид германия – GeO - являектся тёмно-серым порошком, обладающим плохой растворимостью в воде. Возгоняется при температуре 700 °C. Его стандартная энтальпия образования ΔH -255 кДж/моль. GeO образуется при восстановлении GeO2 водородом или оксидом углерода. Так же, его можно получить при сплавлении германия и оксида германия. Обладает сильными восстановительными свойствами.GeO2 + CO <=> GeO +COПри температуре выше 600 °C заметно сублимирует, одновременно в твёрдой фазе диспропорционирует по следующей реакции:2GeO <=> GeO2 + GeМонооксид германия довольно легко окисляется, например, перекисью водорода:GeO + H2O2 = GeO2 + H2OСпособен незначительно растворяться в воде с образованием германиевой кислоты:GeO + H2O = H2GeO2122.3) Галогениды германия Германий образует два ряда галогенидов: GeHal2 и GeHal4, причем последние обладают большей прочностью. -1238251121410 Дифторид германия GeF2 образуется в виде летучего белого твёрдого вещества при действии GeF4 на порошок германия при температуре от 150-300 °C. Он имеет уникальную структуру, в которой тригональные пирамиды {GeF3} сочленяются двумя атомами F и образуют бесконечные спиральные цепи (рис.6).Рисунок 6 – Кристаллическая структура GeF2: а-проекция вдоль цепей, б-координационное окружение атома Ge (псевдо-тригональная бипирамида). Тетрафторид германия GeF4 является бесцветным газом, образующимся при взаимодействии диоксида германия с плавиковой кислотой или реакцией германия в атмосфере фтора:Ge + F2 = GeF4 GeF4 является плотным несжимаемым газом с запахом чеснока. Он нашёл своё применение в синтезе SiGe, применяемого в создании космических кораблей и некоторой группе транзисторов. Тетрахлорид германия GeCl4 при нормальных условиях представляет собой бесцветную жидкость. Температура плавления GeCl4 составляет -49,5 °C, а кипения - 83 °C. Тетрахлорид германия является важнейшим соединением при производстве германия (подробнее об этом соединении см. стр.5), а также некоторых германийорганических соединений. 13 Тетрабромид германия - GeBr4. При нормальных условиях - серые кристаллы или бесцветная дымящаяся на воздухе жидкость.