German (Ge) - właściwości, działanie i występowanie germanu

Związek germanu (Ge) z Niemcami jest dość błahy – odkrywca pierwiastka pochodził z Freiburga i podobnie jak nasza rodaczka Maria Curie-Skłodowska okazał się wielkim patriotą. Pomimo dość rzadkiego występowania odgrywa on dość zasadniczą rolą w nowoczesnych technologiach i pod wieloma względami rywalizuje ze swoim sąsiadem z układu okresowego pierwiastków, krzemem. Co jeszcze warto wiedzieć o germanie, jego właściwościach i zastosowaniach?



German w układzie okresowym pierwiastków. Źródło: shutterstockGerman w układzie okresowym pierwiastków. Źródło: shutterstock
  1. Historia germanu
  2. Właściwości germanu – jakie związki tworzy?
  3. Występowanie i wydobycie germanu
  4. Zastosowania germanu
  5. Wpływ germanu na zdrowie
  6. German a ekologia
German w tablicy Mendelejewa zajmuje pozycję 32 - taka jest też liczba protonów w jego jądrze atomowym. W temperaturze pokojowej ma postać ciała stałego i prezentuje się jako srebrzyste metaliczne bryłki. Bezpośredni kontakt z nimi mają jednak praktycznie tylko pracownicy przemysłowi i naukowcy.

Historia germanu

Już w 1869 r. Dmitrij Mendelejew, ojciec słynnego układu okresowego pierwiastków, przewidział, że pomiędzy krzemem a cyną jest miejsce na jeszcze jeden pierwiastek. Przepowiednia ta okazała się prawdziwa już w przeciągu kilku dekad! Najpierw, w połowie lat 80-tych XIX w. w niemieckiej kopalni Freiburg odkryto nowy minerał, nazwany argyrodytem od widocznie znaczącej obecności srebra w strukturze. W 1886 r. lokalny naukowiec Clemens Winkler wyizolował z minerału nowy pierwiastek i jako pierwszy określił jego właściwości – co ciekawe, były one niezwykle podobne prognozom Mendelejewa. W końcu udało się też określić wzór strukturalny argyrodytu jako Ag8GeS6.

Poza ściśle naukowym znaczeniem german nie zyskał jednak początkowo większego zainteresowania w skali globalnej. Dopiero pod koniec II Wojny Światowej zaczęto wykorzystywać go do produkcji diod na cele militarne. W 1947 r. trójka naukowców z Laboratoriów Bella (Shockley, Bardeen, Brattain) zastosowała german do produkcji pierwszego tranzystora na świecie, za co przyznano im później nagrodę Nobla. Wraz z kolejnymi dekadami wachlarz potencjalnego zastosowania wyraźnie się rozwinął, a tym samym jego cena wzrosła. Rząd Stanów Zjednoczonych w latach 80-tych XX w. ogłosił nawet german za pierwiastek krytyczny i zaczął składować jego rezerwy.
Tabela przedstawiająca właściwości germanu; opracowanie własne

Właściwości germanu – jakie związki tworzy?

German jest twardym, łamliwym półmetalem, co oznacza, że posiada pewne właściwości metalów, a pod innymi względami przypomina niemetale. Tak jak krzem jest półprzewodnikiem i należy do wąskiej grupy pierwiastków, które po zamrożeniu zwiększają swoją objętość. Jego temperatura topnienia wynosi 938.3 stopni C, zaś temperatura wrzenia 2833 stopnie C. German tworzy kryształy, których struktura przypomina diament, co tłumaczy fenomen kruchości srebrzystych bryłek.

W przyrodzie spotyka się przede wszystkim trzy z pięciu naturalnych izotopów germanu – są to Ge-74, Ge-72 oraz Ge-79. Poza tym w warunkach laboratoryjnych udało się otrzymać jeszcze 19 sztucznych izotopów.

German utlenia się dopiero w temperaturze 600—700 stopni C, tworząc min. dwutlenek germanu (GeO2). Reaguje też dość ochoczo z pierwiastkami należącymi do grupy chlorowców, dając w efekcie czterochlorek germanu (GeCl4), związek o szerokim zastosowaniu przemysłowym. Z kwasów podatny jest jedynie na działanie tzw. wody królewskiej oraz skoncentrowanego kwasu siarkowego lub azotowego, ale bardzo aktywnie rozpuszcza się w zasadach: sodowej i potasowej, tworząc związki zwane germanianami.
Dioda wyprodukowana z germanu. Źródło: shutterstock

Występowanie i wydobycie germanu

Nie jest łatwo znaleźć na Ziemi german – jest on zaledwie pięćdziesiątym w kolejności pod względem występowania w skorupie ziemskiej (z częstotliwością 1.3 ppm). Mimo tej względnej rzadkości jest dość szeroko rozdystrybuowany na powierzchni naszej planety  -  w małych oczywiście ilościach. Ze względu na swoją wysoką reaktywność nigdy nie występuje w czystej postaci, a jego naturalnymi źródłami są minerały takie jak wspomniany już argyrodyt, germanit czy renieryt. Te dwa ostatnie bywają wykorzystywane do komercyjnego pozyskiwania germanu. Małe ilości pierwiastka obecne są także w rudach miedzi i arsenu oraz złożach węgla, a także kumulują się w tkankach niektórych roślin. Do celów przemysłowych wykorzystuje się jednak najczęściej osady z procesów hutnictwa cynku, które po potraktowaniu silnym kwasem chlorowodorowym i poddaniu redestylacji oraz hydrolizy dają dwutlenek germanu. Ten ostatni za pomocą wodoru redukowany jest do postaci czystego pierwiastka. Alternatywnie, w około 25% przypadków, german pozyskiwany jest także jako produkt uboczny spalania niektórych rodzajów węgla.

Aby uzyskać sztabki gotowe do wykorzystania german poddaje się również procesowi rafinacji strefowej, która zapewnia mu optymalną czystość. Po stopieniu jest dodatkowo wzbogacany minimalnymi ilościami pierwiastków takich jak arsen czy gal, aby zoptymalizować jego właściwości techniczne. Ze stopu izoluje się potem pojedyncze kryształy wykorzystywane w elektronice.

Nawet 60% światowej produkcji germanu pochodzi z Chin. Resztę podaży zapewniają razem Kanada, Finlandia, Rosja oraz USA.

Zastosowania germanu

Odkrycie, że german posiada właściwości półprzewodnika, otworzyło pole do szerokiego zastosowania technologicznego - pierwiastek dał podwaliny pod rozwój nowoczesnych komputerów! W drugiej połowie XX w. zastąpił go co prawda w dużej mierze znacznie tańszy krzem, ale german nadal wykorzystywany jest szeroko w światłowodach, ogniwach słonecznych oraz technologii LED.

Ponadto german dodaje się do stopów wykorzystywanych do produkcji lamp fosforyzujących i fluoroscencyjnych – wspomniane wyże germanian cynku emituje światło przy ekspozycji na odpowiednią dawkę energii. Jednocześnie german jest transparentny dla promieniowania podczerwonego i dzięki temu znajduje zastosowanie sprzęcie wykrywającym i mierzącym poziom radiacji. W przemyśle militarnym jest z kolei stosowany do produkcji urządzeń noktowizyjnych.

Dwutlenek germanu stosuje się także w urządzenia optycznych np. soczewkach fotograficznych czy obiektywach do mikroskopów. Jako katalizator procesu polimeryzacji wykorzystywany jest ponadto do wytwarzania politereftalanu etylenu (PET), który z kolei znajduje zastosowanie produkcji opakować plastikowych, odzieży oraz żywic syntetycznych. Wreszcie, german dodaje się również do srebra, aby ograniczyć jego matowienie.

Wpływ germanu na zdrowie

W porównaniu z ołowiem, kadmem czy rtęcią german jest zdecydowanie mniej toksyczny dla człowieka, co nie oznacza, że nie posiada szkodliwych skutków dla zdrowia. Syntetyczne związki germanu w formie ciekłej lub lotnej łączone są na przykład z podrażnieniem oczu, gardła, płuc i skóry. Ponadto badania polegające na wstrzykiwaniu roztworu nieorganicznego germanu spowodowały zaburzenia wątroby i nerek, a w konsekwencji nawet śmierć.

Paradoksalnie, istnieją niepotwierdzone naukowo doniesienia, jakoby przyjmowanie 1 mg germanu dziennie miało wspomagać zdrowie! Sugeruje się wręcz, że może on wzmacniać system odpornościowy, zwiększać dopływ tlenu do tkanek ciała i niszczyć wolne rodniki. W kategorii leczniczych zastosowań wspomina się m.in. alergie, astmę czy nawet nowotwory, takie jak białaczka czy rak płuc! Zachęcające są na przykład badania dowodzące umiarkowanych przeciwbakteryjnych właściwości germanu. Dawniej produkowano wręcz suplementy z germanem, ale w 1989 r. brytyjski rządowy Departament Zdrowia wydał oficjalne ostrzeżenie przed ich spożyciem, argumentując, że stanowią większe ryzyko dla zdrowia niż potencjalną korzyść. Obecnie german wciąż pozostaje zagadką w kontekście potencjalnego wykorzystania farmakologicznego.

Ciekawostka:
Prawie wszystkie pokarmy zawierają minimalne ilości germanu – najwięcej jest go w małżach, tuńczyku, łososiu, mleku, maśle, soku pomidorowym i fasoli z puszki.
German wykorzystywany jest m.in. w procesie produkcji tworzywa PET. Źródło: shutterstock

German a ekologia

Wykorzystanie germanu w przemyśle odbywa się na bardzo niewielką ilościową skalę, ale sprzęty i urządzenia go zawierające rzadko trafiają do środowiska naturalnego. Stąd końcowe zastosowania tego półmetalu nie są jak dotąd oficjalnie uważane za zagrożenie dla naszej planety.

Tym niemniej, problemem związanym z obecnością germanu w środowisku jest niezwykle mały rozmiar jego cząsteczek. W efekcie niezwykle łatwo przenikają one do wody i wraz z nią przedostają się do poszczególnych ekosystemów. W Chinach, gdzie germanu produkuje się najwięcej, w latach 2006-2007 odnotowano już znaczące przekroczenie norm stężenia tego pierwiastka w wodach powierzchniowych, co zdaniem naukowców może mieć negatywny wpływ na funkcjonowanie ekosystemów. W okolicach miasta Wenzhou odnotowuje się już wręcz fizyczne zanieczyszczenie wody oraz zdrowotne problemy mieszkańców. Niestety, zdaniem naukowców nawet szeroko promowana recyklacja butelek PET sprzyja przedostawaniu się germanu do środowiska naturalnego. Trudno jednak na dzień dzisiejszy przewidzieć, na jaką skalę może rozwinąć się ten problem.
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

  1. Dan Herring; “Facts about the Elements: Germanium ”; industrialheating.com; 2021-11-15
  2. Rachel Ross; “Facts About Germanium ”; livescience.com; 2021-11-15
  3. Royal Society of Chemistry; “Germanium ”; rsc.org; 2021-11-15
  4. Britannica; “Germanium ”; britannica.com; 2021-11-15
  5. Anne Marie Helmenstine; ““Germanium Facts (Atomic Number 32 or Ge)”; thoughtco.com; 2021-11-15
  6. Kundoc; “GERMANIUM: ENVIRONMENTAL POLLUTION AND HEALTH EFFECTS ”; coek.info; 2021-11-15
Ocena (3.0) Oceń: