게르마늄

Germanium
제라늄과 혼동하지 마십시오.
게르마늄
Grayish lustrous block with uneven cleaved surface
게르마늄
발음/dʒɜːr ˈ메 ɪ니 əm/ (jur-MAY-ne-əm)
외모회백의
표준원자량 Ar°(Ge)
  • 72.630±0.008
  • 72.630±0.008 (요약)[1]
주기율표의 게르마늄
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕소 카본 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브롬 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오븀 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 실버 카드뮴 인듐 주석 안티몬 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 터븀 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이터븀 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 플래티넘 골드 수성(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로탁티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 칼리포늄 아이슈타인 페르미움 멘델레비움 노벨륨 로렌시움 러더포디움 더브늄 시보리움 보흐리움 하시움 마이트네륨 다름슈타티움 로엔트게늄 코페르니슘 니혼이움 플레로비움 모스크바 주 리버모륨 테네시주 오가네손
시
↑
게
↓
Sn
갈륨 ← 게르마늄 → 비소
원자 번호 (Z)32
그룹.14조(탄소군)
기간4교시
블록 p블록
전자배치[Ar] 3d10 4s2 4p2
쉘당 전자 수2, 8, 18, 4
물리적 특성
단계 STP에서단단한
융점1211.40 K (938.25°C, 1720.85°F)
비등점3106K (2833°C, 5131°F)
밀도 (근처)5.323g/cm3
액체 상태일 때(에)5.60g/cm3
핵융합열36.94 kJ/mol
기화열334 kJ/mol
몰열용량23.222 J/(mol·K)
증기압
P (파) 1 10 100 1k 1만 100k
(K)에서 1644 1814 2023 2287 2633 3104
원자 특성
산화상태-4, -3, -2, -1, 0,[2] +1, +2, +3, +4(양수산화물)
전기 음성도폴링 눈금 : 2.01
이온화 에너지
  • 첫번째: 762kJ/mol
  • 2위: 1537.5 kJ/mol
  • 3위: 3302.1kJ/mol
원자 반지름경험 : 오후 122시
공유반경오후 122시
반데르발스 반지름오후 211시
Color lines in a spectral range
게르마늄 스펙트럼선
기타속성
자연발생태고의
결정구조 면심 다이아몬드-
Diamond cubic crystal structure for germanium
음속 얇은 막대5400 m/s (20 °C에서)
열팽창6.µm/(m ⋅K)
열전도율60.2 W/(m ⋅K)
전기저항1 ω ⋅m(20°C에서)
밴드갭0.67 eV (300 K에서)
자기순서반자성의[3]
어금니 자기 민감도-76.84x10cm−63/mol[4]
영률103 GPa[5]
전단 탄성 계수41 GPa[5]
벌크 모듈러스75 GPa[5]
포아송 비율0.26[5]
모스경도6.0
CAS 번호7440-56-4
역사
작명발견자의 고향인 독일에 이어.
예단드미트리 멘델레예프(1869)
디스커버리클레멘스 윙클러(1886)
게르마늄 동위 원소
주동위원소[6] 디케이
흥겨운 ­춤 반감기의 (t1/2) 모드 제품 ­
68게 신스 270.8 d ε 68가
70게 20.5% 안정적인.
71게 신스 11.3 d ε 71가
72게 27.4% 안정적인.
73게 7.76% 안정적인.
74게 36.5% 안정적인.
76게 7.75% 1.78x10y21 β−β− 76세
카테고리: 게르마늄
참고문헌

게르마늄은 Ge 기호와 원자 번호 32를 가진 화학 원소입니다.광택이 있고, 딱딱하며, 회백색을 띠며, 겉모습은 실리콘과 비슷합니다.탄소 그룹의 메탈로이드로, 화학적으로 이웃한 실리콘과 주석과 비슷합니다.실리콘처럼 게르마늄은 자연적으로 반응하여 자연에서 산소와 복합체를 형성합니다.

게르마늄은 고농도로 나타나는 경우가 드물기 때문에 원소 발견 시기가 상대적으로 늦었습니다.게르마늄은 지각에 있는 원소들의 상대적인 함량이 거의 50위를 차지합니다.1869년, 드미트리 멘델레예프는 주기율표의 위치로부터 그것의 존재와 그것의 일부의 성질을 예측했고, 그 원소를 에카실리콘이라고 불렀습니다.1886년, 프라이버그 대학교의 Clemens Winkler는 광물 아르기로다이트에서 은과 황과 함께 새로운 원소를 발견했습니다.윙클러는 그 원소의 이름을 그의 나라인 독일의 이름을 따서 지었습니다.게르마늄은 주로 스팔레라이트(아연의 주요 광석)에서 채굴되지만, 게르마늄은 은, 납, 구리 광석에서도 상업적으로 회수됩니다.

게르마늄 원소는 트랜지스터 및 기타 다양한 전자 장치에서 반도체로 사용됩니다.역사적으로 반도체 전자의 첫 10년은 전적으로 게르마늄에 기반을 두었습니다.현재, 주요 최종 용도는 광섬유 시스템, 적외선 광학, 태양 전지 응용 및 발광 다이오드(LED)입니다.게르마늄 화합물은 또한 중합 촉매에 사용되며, 가장 최근에는 나노와이어 생산에 사용되고 있습니다.이 원소는 테트라에틸 게르마늄과 같은 유기 금속 화학에 유용한 많은 수의 유기 금속 화합물을 형성합니다.게르마늄은 기술적으로 중요한 원소로 여겨집니다.[7]

게르마늄은 어떤 생물체에게도 필수적인 원소는 아닌 것으로 여겨집니다.실리콘 및 알루미늄과 유사하게 자연적으로 발생하는 게르마늄 화합물은 물에 불용성인 경향이 있으므로 경구 독성이 거의 없습니다.그러나 합성 가용성 게르마늄 염은 신독성이며 할로겐과 수소를 가진 합성 화학 반응성 게르마늄 화합물은 자극제와 독소입니다.

역사

게르마늄 예측, "?=70" (periodic표 1869)

러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프는 1869년 화학 원소의 주기적 법칙에 대한 보고서에서 실리콘과 주석 사이에 위치한 탄소 계열의 틈을 메울 몇 가지 알려지지 않은 화학 원소의 존재를 예측했습니다.[8]멘델레예프는 주기율표에서의 위치 때문에 그것을 에카실리콘(Es)이라고 불렀고, 그는 그것의 원자량을 70으로 추정했습니다.

1885년 중반, 작센주 프라이베르크 근처 광산에서 새로운 광물이 발견되었고 은 함유량이 높기 때문에 아르기로디테라고 이름 붙여졌습니다.[note 1]화학자 Clemens Winkler는 이 새로운 광물을 분석했는데, 그것은 은, 유황, 그리고 새로운 원소의 조합으로 증명되었습니다.윙클러는 1886년에 새로운 원소를 분리할 수 있었고 안티몬과 유사하다는 것을 발견했습니다.그는 처음에 새로운 원소를 에카-안티몬이라고 생각했지만, 곧 그것이 에카-실리콘이라고 확신했습니다.[10][11]윙클러는 새로운 원소에 대한 그의 결과를 발표하기 전에, 1846년 해왕성 행성의 발견이 그것의 존재에 대한 수학적인 예측보다 비슷하게 앞서 있었기 때문에, 그의 원소 이름을 넵투늄이라고 짓기로 결정했습니다.[note 2]그러나, "넵투늄"이라는 이름은 이미 제안된 또 다른 화학 원소(오늘날 넵투늄이라는 이름을 가진 원소는 아니지만, 1940년에 발견되었습니다)에 붙여졌습니다.[note 3]그래서 대신 윙클러는 그의 조국을 기리기 위해 새로운 원소 이름을 게르마늄(Germania, 독일어로 Germania)이라고 지었습니다.[11]Argyrodite는 AgGeS임이86 실증적으로 증명되었습니다.이 새로운 원소가 비소와 안티몬 원소와 약간의 유사성을 보였기 때문에 주기율표에서 그것의 적절한 위치를 고려 중이었지만 드미트리 멘델레예프의 예측 원소 "에카실리콘"과의 유사성이 주기율표에서 그 위치를 확인했습니다.[11][18]작센의 광산에서 나온 500 kg의 광석으로부터 더 많은 물질을 가지고, 윙클러는 1887년에 새로운 원소의 화학적 성질을 확인했습니다.[10][11][19]그는 또한 순수한 사염화 게르마늄(GeCl
4)을 분석하여 원자량 72.32를 결정했고 르코크 드 보이스바우드란은 원소의 스파크 스펙트럼의 선을 비교하여 72.3을 도출했습니다.[20]

윙클러는 플루오르화물, 염화물, 황화물, 이산화물, 그리고 최초의 유기질인 테트라에틸게르만(Ge(CH25))4을 포함한 몇몇 새로운 게르마늄 화합물을 제조할 수 있었습니다.[10]멘델레예프의 예측과 잘 일치하는 이 화합물들의 물리적 데이터는 이 발견을 멘델레예프의 원소 주기성 개념에 대한 중요한 확인으로 만들었습니다.다음은 예측과 Winkler의 데이터를 비교한 것입니다.[10]

소유물 에카실리콘
멘델레예프
예측(1871)		 게르마늄
윙클러
검색(1887)
원자 질량 72.64 72.63
밀도(g/cm3) 5.5 5.35
녹는점(°C) 높은 947
색. 회색의 회색의
산화물형 내화성 이산화물 내화성 이산화물
산화물밀도 (g/cm3) 4.7 4.7
산화물 활성 힘없이 기본적인 힘없이 기본적인
염화비등점(℃) 100세 미만의 86 (GeCl4)
염화물밀도(g/cm3) 1.9 1.9

1930년대 후반까지 게르마늄은 전도성이 나쁜 금속으로 여겨졌습니다.[21]게르마늄은 1945년 이후 전자 반도체로서의 특성이 인정되기 전까지는 경제적으로 중요하지 않았습니다.제2차 세계대전 동안, 소량의 게르마늄이 주로 다이오드인 일부 특수 전자 장치에 사용되었습니다.[22][23]최초의 주요 용도는 전쟁 중 레이더 펄스 탐지를 위한 점접촉식 쇼트키 다이오드였습니다.[21]최초의 실리콘-게르마늄 합금은 1955년에 얻어졌습니다.[24]1945년 이전에는 제련소에서 매년 몇 백 킬로그램의 게르마늄만 생산되었지만 1950년대 말에는 연간 전 세계 생산량이 40미터톤(44톤)에 달했습니다.[25]

1948년[26] 게르마늄 트랜지스터의 개발은 고체 전자공학의 수많은 응용의 문을 열었습니다.[27]1950년부터 1970년대 초까지, 이 지역은 게르마늄의 증가하는 시장을 제공했지만, 트랜지스터, 다이오드 및 정류기에서 고순도 실리콘이 게르마늄을 대체하기 시작했습니다.[28]예를 들어, Fairchild Semiconductor가 된 회사는 1957년 실리콘 트랜지스터 생산을 목적으로 설립되었습니다.실리콘은 우수한 전기적 특성을 가지고 있지만 반도체 전자의 초기에는 상업적으로 달성할 수 없었던 훨씬 더 큰 순도를 요구합니다.[29]

한편, 광섬유 통신망, 적외선 야간투시시스템, 중합촉매 등에 대한 게르마늄 수요가 크게 증가했습니다.[25]이러한 최종 사용량은 2000년 전 세계 게르마늄 소비량의 85%를 차지했습니다.[28]미국 정부는 1987년 게르마늄을 전략적이고 중요한 물질로 지정하면서 국방비축에 146톤(132톤)을 공급할 것을 요구했습니다.[25]

게르마늄은 일반적인 모래와 석영에서 나오는 실리콘이기 때문에 생산 능력에 의해서만 공급이 제한되는 반면, 게르마늄은 착취 가능한 공급원의 가용성에 의해서 공급이 제한된다는 점에서 실리콘과 다릅니다.1998년에 실리콘을 kg당 10달러 이하로 구입할 수 있었던 반면,[25] 게르마늄의 가격은 kg당 거의 800달러였습니다.[25]

특성.

표준 조건에서 게르마늄은 부서지기 쉬운 은백색의 반금속 원소입니다.[30]이 형태는 α-게르마늄으로 알려진 동소체를 구성하는데, 이 동소체는 다이아몬드와 같은 금속 광택과 다이아몬드 입방정 구조를 가지고 있습니다.[28]결정 형태에서 게르마늄은 -+ 0}의 변위 임계값 에너지를 가집니다[31] 게르마늄은 120 kbar 이상의 압력에서 β-주석과 같은 구조의 동소체 β-게르마늄이 됩니다.[32]실리콘, 갈륨, 비스무트, 안티몬 및 물과 같이 게르마늄은 용융 상태에서 응고(즉, 동결)되면서 팽창하는 몇 안 되는 물질 중 하나입니다.[32]

게르마늄은 결정질 실리콘과 마찬가지로 간접 밴드갭을 갖는 반도체입니다.존10(Zone) 정련 기술은 불순물이 10분의 1에 불과한 반도체용 결정질 게르마늄을 생산하여 지금까지 얻은 물질 중 가장 순수한 물질 중 하나로 만들었습니다.[33][34]2005년 초전도체가 된 최초의 반금속 물질은 게르마늄, 우라늄, 로듐의 합금이었습니다.[35]

순수 게르마늄은 자발적으로 매우 긴 나사 전위를 돌출시키는 것으로 알려져 있는데, 이를 게르마늄 수염이라고 합니다.이러한 수염의 성장은 게르마늄으로 만든 구형 다이오드와 트랜지스터의 고장의 주요 원인 중 하나입니다. 결국 무엇을 만질지에 따라 전기 단락으로 이어질 수 있기 때문입니다.[36]

화학

주요 기사:게르마늄 화합물

게르마늄 원소는 약 250 °C의 공기에서 천천히 산화되기 시작하여2 GeO를 [37]형성합니다. 게르마늄은 묽은 산과 알칼리에는 불용성이지만 뜨거운 농축 황산과 질산에는 천천히 용해되고 녹은 알칼리와 격렬하게 반응하여 게르마네이트([GeO
3])2−
를 생성합니다.게르마늄은 많은 +2 화합물이 알려져 있지만 대부분 산화 상태 +4에서 발생합니다.[38]다른 산화 상태는 드문 편입니다: +3은 GeCl과26 같은 화합물에서 발견되고 +3과 +1은 산화물의 표면에서 발견되거나 [39]MgGe의
2 -4와 같은 게르마늄의 음의 산화 상태입니다.Ge42−, Ge, Ge, Ge, [(Ge94−92−9)]26−와 같은 게르마늄 클러스터 음이온(Zintlion)은 에틸렌디아민 또는 크립탄의 존재 하에 액체 암모니아 중의 알칼리 금속 및 게르마늄을 포함하는 합금으로부터 추출함으로써 제조되었습니다.[38][40]이들 이온에 포함된 원소의 산화 상태는 오조니드 O와3− 유사한 정수가 아닙니다.

게르마늄의 두 산화물은 이산화 게르마늄(GeO
2, 게르마니아)과 일산화 게르마늄(GeO)으로 알려져 있습니다.[32]이산화물인 GeO는2 이황화 게르마늄(GeS
2)을 구워서 얻을 수 있으며, 흰색 분말로 물에는 약간만 용해되지만 알칼리와 반응하여 게르마네이트를 형성합니다.[32]일산화탄소인 게르마늄 산화물은 GeO와2 원소 Ge의 고온 반응으로 얻을 수 있습니다.[32]이산화물(및 관련 산화물과 게르마네이트)은 가시광선에는 굴절률이 높지만 적외선에는 투명하다는 특이한 특성을 보입니다.[41][42]비스무트 게르마네이트, BiGeO4312(BGO)는 신틸레이터로 사용됩니다.[43]

또한, 디설파이드(GeS
2) 및 디설파이드(GeSe
2), 모노설파이드(GeS) 및 모노설파이드(GeSe), 모노설파이드(GeTe)와 같은 다른 칼코겐 화합물도 알려져 있습니다.[38]황화수소가 Ge(IV)를 포함하는 강산 용액을 통과할 때, GeS는2 백색 침전물로 형성됩니다.[38]이황화물은 물과 가성 알칼리성 또는 알칼리성 황화물의 용액에 상당히 용해됩니다.그럼에도 불구하고, 그것은 산성수에는 녹지 않는데, 이것이 윙클러가 그 원소를 발견하게 해주었습니다.[44]이황화물을 수소의 전류로 가열함으로써 단황화물(GeS)이 형성되며, 단황화물은 어두운 색과 금속 광택의 얇은 판에서 승화되며 가성 알칼리 용액에 용해됩니다.[32]알칼리성 탄산염과 황으로 녹으면 게르마늄 화합물은 티오게르마네이트로 알려진 염을 형성합니다.[45]

Skeletal chemical structure of a tetrahedral molecule with germanium atom in its center bonded to four hydrogen atoms. The Ge-H distance is 152.51 picometers.
게르만은 메탄과 비슷합니다.

4개의 테트라할라이드가 알려져 있습니다.정상 조건에서 GeI는4 고체, GeFa 기체4 및 기타 휘발성 액체입니다.예를 들어, 사염화 게르마늄 GeCl은4 염소로 금속을 가열함으로써 83.1 °C에서 끓는 무색의 발연액으로서 얻어집니다.[32]모든 테트라할라이드는 수화된 이산화 게르마늄으로 쉽게 가수분해됩니다.[32]GeCl은4 유기 게르마늄 화합물의 생산에 사용됩니다.[38]4개의 디할라이드 모두 알려져 있으며 테트라할라이드와는 대조적으로 고분자 고체입니다.[38]추가적으로 GeCl과26 화학식 GeCl의n2n+2 일부 더 높은 화합물이 알려져 있습니다.[32]네오펜탄 구조를 갖는 GeCl512 단위체를 포함하는 특이한 화합물 GeCl이616 제조되었습니다.[46]

게르만(GeH4)은 메탄과 구조가 유사한 화합물입니다.화학식 GeH가n2n+2 최대 5개의 게르마늄 원자를 포함하는 알칸과 유사한 화합물인 폴리머가 알려져 있습니다.[38]독일제는 대응하는 실리콘 유사체보다 휘발성이 낮고 반응성이 낮습니다.[38]GeH는4 액체 암모니아의 알칼리 금속과 반응하여 GeH3− 음이온을 포함하는 백색 결정질 MGeH를3 형성합니다.[38]할로겐 원자가 1개, 2개, 3개인 게르마늄 하이드로할라이드는 무색의 반응성 액체입니다.[38]

Skeletal chemical structures outlining an additive chemical reaction including an organogermanium compound.
유기 마그네슘 화합물과 친핵성 첨가

최초의 유기 게르마늄 화합물은 1887년 Winkler에 의해 합성되었습니다; 사염화 게르마늄과 디에틸아연의 반응으로 테트라에틸게르만(Ge(CH
2
5))
4[10]이 생성되었습니다.테트라메틸게르만(Ge(CH
3))
4 및 테트라에틸게르만과 같은 RGe(여기서4 R은 알킬) 유형의 유기기맨은 가장 저렴한 가용성 게르마늄 테트라클로라이드 및 알킬 뉴클레오파일을 통해 액세스됩니다.이소부틸게르만(CH
3)
2CHCHGeH
2
3)과 같은 유기 게르마늄 수소화물은 덜 위험한 것으로 밝혀졌으며 반도체 응용 분야에서 독성 게르마늄 가스의 액체 대체물로 사용될 수 있습니다.많은 게르마늄 반응성 중간체들이 알려져 있습니다: 게르마일 활성 라디칼, 게르마일렌(카벤과 유사함), 게르마인(카빈과 유사함).[47][48]오가노게르마늄 화합물 2-카복시에틸게르마제스퀴옥산은 1970년대에 처음 보고되었고, 한동안 식이 보충제로 사용되었고 항종양 특성을 가질 수 있다고 생각되었습니다.[49]

Eind (1,3,3,5,5,7,7-옥타에틸-s-hydrindacen-4-yl) 게르마늄이라고 불리는 리간드를 사용하면 산소(게르마논)와 이중 결합을 형성할 수 있습니다.게르마늄 하이드라이드와 게르마늄 테트라하이드라이드는 매우 인화성이 높고 공기와 섞이면 폭발성이 있습니다.[50]

동위 원소

주요 기사:게르마늄 동위 원소

게르마늄은 5개의 천연 동위 원소에 존재합니다.70
Ge
, Ge
, Ge
, Ge
 그리고 Ge
.이 중 Ge은
반감기가 1.78×10년으로21 이중 베타 붕괴에 의해 매우 약간 방사성을 띠고 있습니다.74
Ge은
가장 일반적인 동위 원소이며, 자연적으로 약 36%의 원소를 가지고 있습니다.76
Ge은
자연적으로 약 7%[51]의 자연적인 풍부함으로 가장 흔하지 않습니다.알파 입자가 폭발하면 동위 원소 Ge는
안정한 Se를
생성하여 높은 에너지의 전자를 방출합니다.[52]이 때문에 원자력 배터리에는 라돈과 함께 사용됩니다.[52]

최소한 27개의 방사성 동위원소가 합성되었으며 원자량은 58에서 89까지 다양합니다.이들 중 가장 안정한 것은 Ge로
반감기는 270.95일로 전자 포획에 의해 붕괴됩니다.가장 안정하지 않은 것은 Ge이며
반감기는 30 ms입니다.게르마늄의 대부분의 방사성 동위원소가 베타 붕괴에 의해 붕괴되는 반면, Ge과
Ge은
β+
 지연 양성자 방출에 의해 붕괴됩니다.[51]84
Ge에서
Ge
 동위 원소는 또한 미세한 β−
 지연 중성자 방출 붕괴 경로를 보여줍니다.[51]

발생

참고 항목: 카테고리:게르마늄광물
A brown block of irregular shape and surface, about 6 cm in size.
르네라이트

게르마늄은 항성 핵합성에 의해 생성되며, 주로 점근성 거대 가지 별의 s-과정에 의해 생성됩니다.s-과정은 진동하는 적색 거성 내부의 가벼운 원소들을 천천히 중성자로 포착하는 것입니다.[53]게르마늄은 가장 멀리 떨어진[54] 몇몇 별들과 목성의 대기에서 발견되었습니다.[55]

게르마늄의 지각 내 함량은 약 1.6ppm입니다.[56]아르기로다이트, 브라이어타이트, 게르마나이트, 레니에라이트, 스팔레라이트와 같은 몇몇 광물들만이 상당한 양의 게르마늄을 포함하고 있습니다.[28][57]그들 중 몇 안 되는 것(특히 게르마나이트)만이, 아주 드물게, 채굴 가능한 양으로 발견됩니다.[58][59][60]일부 아연-구리-납 광체에는 최종 광석 농축액에서 추출하기에 충분한 게르마늄이 포함되어 있습니다.[56]특이한 자연 농축 과정은 일부 석탄 솔기에서 게르마늄을 다량 함유하게 하는데, 이는 빅토르 모리츠 골드슈미트가 게르마늄 매장량을 광범위하게 조사하는 동안 발견한 것입니다.[61][62]지금까지 발견된 가장 높은 농도는 게르마늄 1.6%를 함유한 하틀리 석탄재였습니다.[61][62]네이멍구 시린하오터 인근의 석탄 매장량은 1600톤으로 추정되는 게르마늄을 함유하고 있습니다.[56]

생산.

2011년 전 세계적으로 약 118톤의 게르마늄이 생산되었으며, 주로 중국(80t), 러시아(5t), 미국(3t)에서 생산되었습니다.[28]게르마늄은 스팔레라이트 아연 광석에서 부산물로 회수되며, 특히 저온 침전물로 호스팅되는 Zn-Pb-Cu(–Ba) 침전물과 탄산염으로 호스팅되는 Zn-Pb 침전물에서 0.3%[63]만큼 농축됩니다.[64]최근의 한 연구에 따르면 최소 10,000톤의 추출 가능한 게르마늄이 알려진 아연 매장량에 포함되어 있으며, 특히 미시시피-밸리 유형의 매장량에 의해 수용된 아연 매장량에 포함되어 있는 반면, 최소 112,000톤이 석탄 매장량에 포함되어 있는 것으로 나타났습니다.[65][66]2007년에는 재활용 게르마늄이 수요의 35%를 충족시켰습니다.[56]

연도 비용.
($/kg)[67]
1999 1,400
2000 1,250
2001 890
2002 620
2003 380
2004 600
2005 660
2006 880
2007 1,240
2008 1,490
2009 950
2010 940
2011 1,625
2012 1,680
2013 1,875
2014 1,900
2015 1,760
2016 950
2017 1,358
2018 1,300
2019 1,240
2020 1,000

그것은 주로 스팔레라이트에서 생산되지만 은, 납, 구리 광석에서도 발견됩니다.게르마늄의 또 다른 공급원은 게르마늄을 함유하고 있는 석탄 매장층으로부터 연료를 공급받는 발전소의 플라이애쉬입니다.러시아와 중국은 이것을 게르마늄의 원료로 사용했습니다.[68]러시아의 매장량은 사할린 섬의 동쪽 멀리와 블라디보스토크의 북동쪽에 위치하고 있습니다.중국의 매장량은 윈난성 린창 부근의 갈탄 광산에 주로 위치해 있으며, 내몽골의 시린하오터 부근에서도 석탄이 채굴되고 있습니다.[56]

광석 농축물은 대부분 황화물이며, 로스팅이라고 알려진 과정에서 공기 중에서 가열하여 산화물로 변환됩니다.

GeS + 3 O → GeO + 2 SO

게르마늄의 일부는 생성된 먼지 속에 남아있는 반면, 나머지는 게르마늄으로 전환되고, 이후 황산에 의해 실린더로부터 (아연과 함께) 침출됩니다.중화 후, 게르마늄과 다른 금속들이 침전되는 동안 오직 아연만이 용액에 남아있습니다.Waelz 공정에 의해 침전물 내의 아연의 일부를 제거한 후, 상주하는 Waelz 산화물은 두 번째로 침출됩니다.이산화물은 침전물로 얻어지고 염소 가스 또는 염산과 함께 사염화 게르마늄으로 전환되며, 사염화 게르마늄은 끓는점이 낮고 증류를 통해 분리될 수 있습니다.[68]

GeO + 4 HCl → GeCl + 2 HO
GeO + 2Cl → GeCl + O

사염화 게르마늄은 산화물(GeO2)로 가수분해되거나 부분 증류에 의해 정제된 후 가수분해됩니다.[68]고순도 GeO는2 이제 게르마늄 유리를 생산하기에 적합합니다.수소와 반응하여 원소로 환원되어 적외선 광학 및 반도체 생산에 적합한 게르마늄을 생성합니다.

GeO + 2 H → Ge + 2 HO

강철 생산 및 기타 산업 공정에서 사용되는 게르마늄은 일반적으로 탄소를 사용하여 감소됩니다.[69]

GeO + C → Ge + CO

적용들

2007년 전 세계적으로 게르마늄의 주요 최종 용도는 섬유 광학 35%, 적외선 광학 30%, 중합 촉매 15%, 전자 및 태양광 전기 응용 15%로 추정되었습니다.[28]나머지 5%는 인, 야금, 화학요법과 같은 용도로 사용되었습니다.[28]

광학

A drawing of four concentric cylinders.
전형적인 단일 모드 광섬유.산화 게르마늄은 코어 실리카(항목 1)의 도펀트입니다.
  1. 코어 8 µm
  2. 피복재 125 µm
  3. 완충기 250 µm
  4. 자켓 400 µm

게르마니아(GeO2)의 주목할 만한 특성은 높은 굴절률과 낮은 광학 분산입니다.광각 카메라 렌즈, 현미경 및 광섬유의 핵심 부분에 특히 유용합니다.[70][71]티타니아를 실리카 섬유의 도펀트로 대체하여 섬유를 취약하게 만드는 후속 열처리를 없앴습니다.[72]2002년 말, 광섬유 산업은 미국에서 연간 게르마늄 사용량의 60%를 소비했지만, 이는 전 세계 소비량의 10%에도 미치지 못하는 수치입니다.[71]GeSbTe는 다시 쓰기 가능한 DVD에 사용되는 것과 같은 광학 특성에 사용되는 상변화 물질입니다.[73]

게르마늄은 적외선 파장에서 투명하기 때문에 렌즈와 윈도우로 쉽게 자르고 연마할 수 있는 중요한 적외선 광학 재료입니다.8 ~ 14 마이크론 범위에서 작동하는 열화상 카메라에서 패시브 열화상 영상 및 군사, 이동식 야간 시야 및 소방 응용 분야에서 핫스팟 감지를 위해 특히 전면 광학 장치로 사용됩니다.[69]매우 민감한 적외선 검출기를 필요로 하는 적외선 분광기 및 기타 광학 장비에 사용됩니다.[71]굴절률(4.0)이 매우 높고 반사방지제를 코팅해야 합니다.특히 다이아몬드와 유사한 탄소(DLC)의 매우 단단한 특수 반사 방지 코팅인 굴절률 2.0은 잘 어울리며 많은 환경적 남용에도 견딜 수 있는 다이아몬드-하드 표면을 생성합니다.[74][75]

일렉트로닉스

게르마늄은 실리콘과 합금이 가능하며, 실리콘-게르마늄 합금은 고속 집적 회로의 중요한 반도체 재료가 되고 있습니다.Si-SiGe 이종접합의 특성을 이용하는 회로는 실리콘 단독으로 이용하는 회로보다 훨씬 더 빠를 수 있습니다.[76]고속 특성을 가진 SiGe 칩은 실리콘 칩 산업의 저비용, 잘 정립된 생산 기술로 만들 수 있습니다.[28]

고효율 태양광 패널은 게르마늄의 주요 용도입니다.게르마늄과 갈륨비소는 격자 상수가 거의 같기 때문에 갈륨비소 태양전지를 만드는 데 게르마늄 기판을 사용할 수 있습니다.[77]게르마늄은 게르마늄 전지에 삼중접합 갈륨 아르세나이드를 사용하는 화성탐사로버와 같은 우주 응용용 고효율 다중접합 태양광 전지용 웨이퍼의 기판입니다.[78]자동차 전조등과 LCD 화면을 역광하기 위해 사용되는 고휘도 LED도 중요한 응용 분야입니다.[28]

게르마늄-온-절연체(GeOI) 기판은 소형화된 칩 상의 실리콘을 대체할 가능성이 있는 것으로 여겨집니다.[28]최근 GeOI 기판을 기반으로 한 CMOS 회로가 보고되고 있습니다.[79]전자기기의 다른 용도로는 형광등과[33] 고체 발광 다이오드(LED)의 형광체가 있습니다.[28]게르마늄 트랜지스터는 초기 로큰롤 시대의 독특한 음색, 특히 달라스 아비터 퍼즈 페이스를 재현하고자 하는 음악가들에 의해 여전히 일부 효과 페달에 사용됩니다.[80]

게르마늄은 유해한 수소 가스를 발생시키지 않고 체내에 흡수되어 산화아연과 산화인듐 갈륨 기반의 구현을 대체하는 이식형 바이오 전자 센서의 잠재적인 재료로 연구되어 왔습니다.[81]

기타용도

Photo of a standard transparent plastic bottle.
페트병

이산화 게르마늄은 또한 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 제조에 중합을 위한 촉매에 사용됩니다.[82]이 폴리에스테르의 높은 광채는 일본에서 판매되는 PET병에 특히 적합합니다.[82]미국에서 게르마늄은 중합 촉매에 사용되지 않습니다.[28]

실리카(SiO2)와 이산화 게르마늄(GeO2)의 유사성 때문에, 일부 가스 크로마토그래피 칼럼의 실리카 정지상은 GeO로2 대체될 수 있습니다.[83]

최근 몇 년 동안 게르마늄은 귀금속 합금에 사용이 증가하고 있습니다.예를 들어, 스털링 은 합금의 경우, 내화성을 감소시키고, 내타니시성을 증가시키며, 강수 경화성을 향상시킵니다.아르젠티움 상표가 붙은 은 합금은 게르마늄 함량이 1.2%입니다.[28]

단결정 고순도 게르마늄으로 만들어진 반도체 검출기는 공항 보안과 같은 방사선 소스를 정확하게 식별할 수 있습니다.[84]게르마늄은 단결정 중성자 산란 및 싱크로트론 X선 회절에 사용되는 빔 라인용 단색기에 유용합니다.반사율은 중성자 및 고에너지 X선 응용 분야에서 실리콘에 비해 장점이 있습니다.[85]고순도 게르마늄 결정은 감마 분광과 암흑 물질 탐색을 위한 검출기에 사용됩니다.[86]게르마늄 결정은 또한 인, 염소, 황을 측정하기 위해 X선 분광기에 사용됩니다.[87]

게르마늄은 스핀트로닉스 및 스핀 기반 양자 컴퓨팅 응용 분야에서 중요한 재료로 부상하고 있습니다.2010년에 연구원들은 상온 스핀 수송을[88] 증명했고 더 최근에는 게르마늄의 공여 전자 스핀이 매우 긴 일관성 시간을 가지는 것으로 나타났습니다.[89]

전략적 중요성

첨단 전자 및 광학 분야에서 사용되기 때문에 게르마늄은 녹색 및 디지털 전환을 달성하는 데 필수적인 기술 핵심 요소(예: 유럽 연합)로 간주됩니다.중국은 전 세계 게르마늄 생산의 60%를 장악하고 있기 때문에 전 세계 공급망에서 지배적인 위치를 차지하고 있습니다.2023년 7월 3일, 중국은 갑자기 게르마늄(및 갈륨)의 수출을 제한하여 서방 동맹국들과의 무역 긴장을 높였습니다.중국 상무부는 "국가 안보 이익"을 환기시키며 게르마늄이 함유된 제품을 판매하려는 회사들은 수출 허가가 필요할 것이라고 통보했습니다.[90]그것은 그러한 제품들을 군사적 목적을 가지고 있을 수도 있고 따라서 추가적인 감시 계층을 보장할 수 있는 "이중 사용" 품목으로 보고 있습니다.이 새로운 분쟁은 미국과 유럽을 상대로 중국을 상대로 치열한 기술 경쟁에 새로운 장을 열었습니다.미국은 중국이 세계적인 기술 우위를 확보하는 것을 막기 위해 동맹국들이 중국 시장에 묶여 있는 첨단 전자 부품들을 강하게 억제하거나 전면 금지하기를 바라고 있습니다.중국은 게르마늄 수출규제의 배후에 있는 어떠한 티격태격 의도도 부인했습니다.[91][92][93]러시아 국영기업 로스텍은 중국의 수출규제 조치에 따라 국내 수요에 맞춰 게르마늄 생산량을 늘리겠다고 발표했습니다.[94]

게르마늄과 건강

게르마늄은 식물이나 동물의 건강에 필수적인 것으로 여겨지지 않습니다.[95]환경에 있는 게르마늄은 건강에 미치는 영향이 거의 없거나 전혀 없습니다.이것은 주로 광석 및 탄소질 물질에서 미량 원소로만 발생하고, 다양한 산업 및 전자 응용에는 섭취 가능성이 낮은 매우 적은 양이 포함되기 때문입니다.[28]비슷한 이유로, 최종 사용 게르마늄은 생물학적 유해물질로서 환경에 미치는 영향이 거의 없습니다.게르마늄의 일부 반응성 중간 화합물은 독성이 있습니다(아래 주의사항 참조).[96]

유기 게르마늄과 무기 게르마늄으로 만들어진 게르마늄 보충제는 백혈병과 폐암을 치료할 수 있는 대체 의약품으로 시판되고 있습니다.[25]그러나 의학적으로 유익하다는 증거는 없습니다. 그러한 보충제가 적극적으로 해롭다는 증거도 있습니다.[95]미국 식품의약국(FDA)의 연구는 무기 게르마늄이 영양 보충제로 사용될 때 "인간의 잠재적인 건강상의 위험을 초래한다"는 결론을 내렸습니다.[49]

일부 게르마늄 화합물은 FDA가 허용하지 않는 주사 가능한 용액으로 대체 의료인들에 의해 투여되었습니다.처음에 사용된 수용성 무기 형태의 게르마늄, 특히 시트레이트-유산염은 장기적으로 사용하는 사람들에게 신장 기능 장애, 간 지방증 및 말초 신경병증을 유발했습니다.이들 개체의 혈장 및 소변 게르마늄 농도는 내인성 수준보다 몇 배 더 높았습니다.보다 최근의 유기 형태인 베타카복시에틸게르마늄 세퀴옥사이드(프로파지마늄)는 동일한 스펙트럼의 독성 효과를 나타내지 못했습니다.[97]

게르마늄의 특정한 화합물은 포유류에게는 독성이 낮지만, 특정한 박테리아에는 독성 효과가 있습니다.[30]

화학반응성 게르마늄 화합물 주의사항

게르마늄 자체의 사용이 예방책을 요구하는 것은 아니지만, 게르마늄의 인공적으로 생산된 화합물 중 일부는 상당히 반응적이며 노출 시 인체 건강에 즉각적인 위험을 초래합니다.예를 들어, 사염화 게르마늄과 게르만은4 각각 눈, 피부, 폐, 목에 매우 자극적인 액체와 가스입니다.[98]

참고 항목

메모들

  1. ^ 그리스어로 아르기로디테는 은을 함유하고 있다는 뜻입니다.[9]
  2. ^ 새로운 원소의 존재가 예측되었던 것처럼, 해왕성 행성의 존재는 두 수학자 John Couch Adams와 Urbain Le Verrier에 의해 약 1843년에 천체역학의 계산 방법을 사용하여 예측되었습니다.그들은 천왕성이 하늘의 위치에서 약간 벗어나 있는 것처럼 보인다는 사실을 설명하기 위해 이것을 했습니다.[12]James Challis는 1846년 7월에 그것을 찾기 시작했고, 그는 1846년 9월 23일에 이 행성을 발견했습니다.[13]
  3. ^ R. 헤르만은 1877년에 주기율표의 탄탈룸 아래에서 새로운 원소를 발견했다는 주장을 발표했는데, 그는 이 원소를 그리스의 바다와 바다의 신의 이름을 따서 넵투늄이라고 이름 지었습니다.[14][15]그러나 이 금속은 나중에 니오븀과 탄탈륨 원소의 합금으로 인정되었습니다.[16]"넵투늄"이라는 이름은 이후 1940년 핵물리학 연구자들에 의해 발견된 주기율표에서 우라늄보다 한 단계 위에 합성 원소에 붙여졌습니다.[17]

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외부 링크

Wikisource는 1911년 브리태니커 백과사전의 æ디아 기사 "게르마늄"의 본문을 가지고 있습니다.