جرمانيوم

كيفية الحصول عليه

الجرمانيوم ، يوجد عادة بكميات صغيرة مخلوطًا مع فلزات أخرى ويحصل عليه بتنقية كل من المعادن الآتية: النحاس والزنك والحديد. ويتم استخراج الجرمانيوم في المقام الأول من سفاليرايت .

تاريخ تطور الجرمانيوم

في الحقيقة يعتبر تطور الجرمانيوم حلقة متسلسلة لتطور تاريخ الترانزستور حسب التسلسل الزمني التالي :
في 1869م توقع الكيميائي الروسي ديمتري إيفانوفيتش مندليف وجود عدة عناصر كيميائية غير معروفة ، بما في ذلك عنصر جديد من شأنه أن يسد فجوة في عائلة الكربون في الجدول الدوري للعناصر. ونظرا لموقعه في الجدول الدوري الواقع بين السليكون والقصدير ، سماه مند ليف ب ekasilicon (الخانات) ، وقال بأن كتلته الذرية تقدر ب 72.0 تقريبا. 
في منتصف عام 1885 ، عند انفجار لغم بالقرب من مدينتي فرايبرغ ، ساكسونيا ، تم العثور على معدن جديد سُمي بـ  (أرجيرودتي) ، لما له من الفضة على نسبة عالية من (معادن). 
قام الكيميائي كليمنس وينكلر بتحليل هذا المعدن الجديد ، وفي سنة 1886 قام بعزل عنصر جديد يشبه إلى حد ما الأنتيمون. 
وقبل ذلك نشرت نتائج وينكلر على عنصر جديد ، وقرر أنه يستطيع تسمية هذا العنصر بالنبتونيوم . ومنذ اكتشاف كوكب نبتون الأخير في عام 1846الذي سبقه التوقعات الرياضية من اكتشافه"سبق له أن اكتشف سنة 1940عنصر كيميائي آخر وإن لم يكن العنصر الذي يحمل اليوم اسم النبتونيوم ".> 
وبدلا من ذلك ،سعى إلى اكتشاف عنصر جديد الجرمانيوم (من الكلمة اللاتينية ، جرمانيا ، ل ألمانيا) على شرف وطنه. 
هذا العنصر الجديد أظهر بعض أوجه التشابه مع الزرنيخ العناصر والأنتيمون كما هو موضح بمكانه الصحيح في الجدول الدوري . وهذا ما يعطي أوجه التشابه لهذا العنصر مع التوقع السابق "ekasilicon" للعالم ديمتري مندليف ’بحيث أكدت الأوجه أنه ينتمي إلى هذا المكان في الجدول الدوري .
و في سنة 1887 أكد وينكلر الخصائص الكيميائية للعنصر الجديد. 
وكان وينكلر قادر على إعداد عدة مركبات جديدة من الجرمانيوم ، بما فيها الفلوريدات ، الكلوريدات ، كبريتيد ، وثاني أكسيد الجرمانيوم ، والمركب ( (C2H5) 4) و البيانات الفعلية من هذه المركبات وأدلى اكتشافه تأكيدا هاما من فكرة مند ليف للعناصر الدورية ( توقعات مند ليف). 
حتى أواخر سنة 1930 ، وكان يعتقد أن لا أهمية لمعدن الجرمانيوم. إلا بعد سنة1945أصبحت لديه أهمية اقتصادية ، عندما تم الاعتراف بخصائصه المماثلة لأشباه النواقل.
ومع ذلك ، خلال الحرب العالمية الثانية ، بدأت كميات صغيرة من الجرمانيوم تستخدم في صناعة بعض الأجهزة الإلكترونية الخاصة ، ومعظمها من الثنائيات. وهذه الأخيرة كان لها أول استخدام رئيسي في ربط نقاط الاتصال للكشف عن نبض الرادار خلال الحرب. 
قبل عام 1945 ،تم إنتاج سوى بضع مئات من كيلوغرام من الجرمانيوم في المصاهر كل عام ، ولكن بحلول نهاية عام 1950 ، بلغ إنتاجه السنوي في جميع أنحاء العالم 40 متري طن. 
تطورت صناعة الترانزستور وتقدم إنتاج الجرمانيوم في 1948 ,و فتح الباب أمام عدد لا يحصى من تطبيقات الالكترونيات في الحالة الصلبة. و في سنة1955  تم الحصول على أول الجرمانيوم من سبائك السليكون. 
وفي وقت مبكر من سنة 1970 للسوق المتزايد على الجرمانيوم حلت محله في الترانزستورات كل من الثنائيات ، والمقومات. رغم تفوق الخواص الكهربائية للسيليكون ، إلا أنه يتطلب نقاء أعلى من ذلك بكثير ، وهذا النقاء لا يمكن أن يتحقق تجاريا في السنوات الأولى من الالكترونيات أشباه الموصلات. 
وفي الوقت نفسه ، زاد الطلب على الجرمانيوم لاستخدامه في شبكات الألياف البصرية والاتصالات والأشعة تحت الحمراء لأنظمة الرؤية الليلية. ولاستخدامه في هذه الغاية مثل 85 ٪ من استهلاك الجرمانيوم في جميع أنحاء العالم في عام 2000. ولهذا اعتبرته الحكومة الأمريكية كمادة إستراتيجية وحاسمة ، داعيا إلى 146 طن في مخزون الدفاع الوطني في عام 1987.

ملاحظة

الجرمانيوم يختلف عن السيليكون في : أن الجرمانيوم يقتصر العرض على توفير مصادر للاستغلال ، في حين مصدرمعين من السيليكون يقتصر على تقديم الطاقة الإنتاجية لأن السيليكون يأتي من الرمال العادية أو الكوارتز. 
ونتيجة لذلك ، في عام 1998  كان ثمن شراء السليكون أقل من 10 دولارات للكيلوغرام الواحد ، إلا أن سعر 1 كغ من الجرمانيوم يقرب من 800 $.

الكيميائية

عنصر الجرمانيوم يتأكسد ببطء إلى GeO 2 في 250 درجة مئوية وفق المعادلة التالية : 
250م° 
GeO 2 -- e G 2 + 2O 
الجرمانيوم غير قابل للذوبان في الأحماض المخففة والقلويات ولكن يذوب ببطء في حامض الكبريتيك المركز ويتفاعل بعنف مع القلويات.
الجرمانيوم غالبا ما يكون في حالة الأكسدة (+4) على الرغم من أن العديد من المركبات المعروفة تصبح ذات أكسدة (+2). ويوجد تأكسد نادر، مثل (+3) وجدت في مركبات مثل Ge2Cl6 ، و التأكسدات (+)3 و( +1) لوحظت على سطح أكاسيد ، و الأكسدة السالبة لوحظت في الولايات الألمانية مثل: (-4) في المركب (GeH4). والتأكسد للعنصر في هذه الأيونات ليس صحيحا، على غرار الأكسجين ides Ooz on 3. 
ومن المعروف يوجد نوعين من أكاسيد الجرمانيوم : أولها ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO2 ، جرمانيا) والثاني أول أكسيد الجرمانيوم (جيو) ، يمكن الحصول على GeO2 من كبريتيد الجرمانيوم (GeS2) ، وهو عبارة عن مسحوق أبيض غير قابل للذوبان (بشكل طفيف فقط )في الماء ولكنه يتفاعل مع القلويات لتشكيل germanates. و أيضا مع المركبات الثنائية التالية: كبريتيد (GeS2) ، ثنائي سيلينيت (GeSe2) ، سيلينيد (GeSe) ، وتيلورايد (GeTe) .
على سبيل المثال : يتم الحصول على رابع كلوريد الجرمانيوم ، GeCl4 ، وهو سائل عديم اللون بالغليان حتى 83،1 درجة مئوية عن طريق تسخين معدن الجرمانيوم مع الكلور,حسب المعادلة الآتية: 
83،1م°
GeCl4 --- e+2ClG4

النظائر المشعة للجرمانيوم

للجرمانيوم خمسة نظائر طبيعية ذات أهمية كبيرة هي: ، 70Ge ، 72Ge ، 73Ge ،74Ge و76Ge. وتشكل عدد كبير من المركبات العضوية الفلزية. والجدول الممثل أعلاه يوضح بعض خصائصها من حيث :
توافرها الطبيعي ,نصف العمر ,نمط اضمحلالها أي (طاقة الاضمحلال بالميغا إلكترون فولت) و ناتج الاضمحلال
72Ge هو نظير مستقر وله 40 نيوترون كما سبق في الجدول و يعطي العنصر(_^77)Se مستقر مع تحرير إلكترونات ذات طاقة عالية يستخدم بالاشتراك مع غاز الرادون في البطاريات النووية. 
وأكثر من ذلك يوجد للجرمانيوم ما لا يقل عن 27 نظير وكلها نظائر مشعة تتراوح كتلتها الذرية مابين 58 – 89غ/مول.و الأكثر استقرارا من هذه العناصر هوGe 68 ، الناتج عن تحلل أسر الإلكترون .ويميزه نصف عمر يقدر ب270،95 د. و الأقل استقرارا من هذه العناصر هو Ge 60 وله نصف عمر يقدرب 30 مللي ثانية. في حين أن معظم النظائر المشعة للجرمانيوم التي تضمحل عبر الوقت تنتج عن طريق تحلل أشعة بيتا β مثل العناصر التالية : Ge 61 ,Ge 64 تنتج عن طريق انبعاث بروتون + β. أما Ge 84 ,Ge 87 تنتج عن طريق تأخر تحرير النيوترون المنبعث.

الوفرة الطبيعية

تم الكشف عن  الجرمانيوم في الغلاف الجوي لكوكب المشتري  وفي بعض النجوم الأكثر بعدا. كما له وفرة في القشرة الأرضية ما يقرب من 1،6 في المليون.  إلا أنه لا يوجد سوى عدد قليل من المعادن تحتوي على كميات ملموسة من الجرمانيوم مثل argyrodite . إلا أن بعض منها كالزنك و
خام النحاس والرصاص تحتوي على ما يكفي من الجرمانيوم التي يمكن استخراجه في الأخير من التركيز الخام النهائي. [49] وثمة عملية تخصيب اليورانيوم غير عادي يؤدي إلى انتاج نسبة عالية من الجرمانيوم في بعض طبقات الفحم ، الذي تم اكتشافه من طرف الباحث فيكتور موريتز غولدشميت خلال مسح واسع للودائع الجرمانيوم.  وجد في هارتلي أعلى تركيز من الجرمانيوم من أي وقت مضى في رماد الفحم نسبتة تصل إلى 1،6 ٪.  ،وأيضا بالقرب من منغوليا الداخلية وجد أنها تحتوي على ما يقدر ب 1600 طن من الجرمانيوم.

تطبيقات الجرمانيوم

تم استخدام الجرمانيوم في عدة مجالات من بينها: البصريات ,إلكترونيات وفي مجالات أخرى .

في البصريات

الاستخدامات الرئيسية للجرمانيوم في عام 2007 م، في جميع أنحاء العالم تشير التقديرات إلى أن استعماله بنسبة 35 ٪ لأنظمة الألياف الضوئية والبصريات و الأشعة تحت الحمراء تمثل 30 ٪ ، 15 ٪ للمحفزات البلمرة ، و 15 ٪ لتطبيقات الالكترونيات والكهرباء من الطاقة الشمسية.  5 ٪ الباقية تستعمل في استخدامات أخرى مثل فوسفورات والمعادن .
الجرمانيوم يستخدم في شبكات الألياف البصرية والاتصالات والأشعة تحت الحمراء لأنظمة الرؤية الليلية. ولاستخدامه في هذه الغاية مثل 85 ٪ من استهلاك الجرمانيوم في جميع أنحاء العالم في عام2000.مما جعله مفيدا بشكل خاص لعدسات الزاوية الواسعة . [57] [58] 
وفي نهاية عام 2002 صناعة الألياف البصرية مثلت 6 ٪ من استخدام الجرمانيوم السنوية في الولايات المتحدة .
والجرمانيوم يستخدم لتغيير الخصائص البصرية ، كما هو الحال في أقراص الفيديو الرقمية لإعادة الكتابة فيها. [60] لأن الجرمانيوم شفاف في الأشعة تحت الحمراء و مهم جدا في المواد البصرية بالأشعة تحت الحمراء ، والتي تمكن بسهولة من صقل العدسات والنوافذ. وتستخدم بوجه خاص باعتبارها أساس البصريات في كاميرات التصوير الحراري التي تعمل من 8 إلى 14 ميكرون, ،و الذي يمثل مدى الطول الموجي للتصوير الحراري السلبي والساخن في الكشف عن العمليات العسكرية وتطبيقات مكافحة الحرائق. [56] كما أنه يستخدم في المطيافية ومعدات بصرية أخرى التي تتطلب حساسية للكشف عن الأشعة تحت الحمراء. [58]

عن إلكترونيات

والجرمانيوم من أَكثر المواد استخدامًا بوصفه شبه موصل شبه الموصل. وهو شبه موصل جيد لأنّه لا يحتوي على خواص فلزية قوية. ويستخدم الجرمانيوم في صناعة الأَجهزة شبْه الموصلة مثل الصِّمامات الثنائية، وبطاريات الطاقة الشمسية، والترانزستورات. 
تستخدم فيها أيضا سبائك السيليكون الجرمانيوم -التي تتحول إلى مادة أشباه الموصلات - في الدوائر المتكاملة العالية السرعة.  السيليكون الجرمانيوم جدير بالاستعمال في أجهزة الاتصالات اللاسلكية. كما هو الحال عن رقائق SiGe التي تتميز بسرعة عالية وخصائص مميزة مع التكلفة المنخفضة لهذه التطبيقات، وتقنيات إنتاج راسخة من هذا المعدن.

زرنيخيد الجاليوم الخلية الجرمانيوم

هو بداية ليحل محل عنصر زرنيخيد الغاليوم (الغاليوم). لأن الجرمانيوم وزرنيخيد الغاليوم وثوابت شعرية مشابهة جدا ، يمكن أن تستخدم في الخلايا الشمسية.  
وهناك استخدامات أخرى في مجال الالكترونيات وتشمل فوسفورات مصابيح الفلورسنت .  ويعتبر الجرمانيوم القاعدة الصلبة لدولة الثنائيات الباعثة للضوء أي المصابيح.  وإلى حد الآن لا تزال تستخدم ترانزستورات الجرمانيوم في بعض دواسات الآثار من قبل الموسيقيين الذين يرغبون في استنساخ الطابع المميز للدرجة اللونية.

استخدامات أخرى الجرمانيوم

أيضا ثاني أكسيد الجرمانيوم في المواد المحفزة للبلمرة- وهو الاستخدام الذي غُيّب في الولايات المتحدة -  وبنسب عالية من البوليستر لإنتاج الزجاجات و تسويقها في اليابان.   
شهدت السنوات الأخيرة زيادة في استخدام الجرمانيوم في سبائك المعادن الثمينة’ الفضة على سبيل المثال , و يتطلب ذلك نسبة 1.2 ٪ من الجرمانيوم.  
يمكن استخدامه في أحد كاشفات الكريستال بالضبط لتحديد مصادر الإشعاع ، على سبيل المثال في أمن المطارات.  
الجرمانيوم معدن مفيد لحيود الأشعة السينية.  وللكشف عن طيف أشعة غاما والبحث عن المادة المظلمة.

الجرمانيوم من المكملات الغذائية

وقد اكتسب الجرمانيوم شعبية في السنوات الأخيرة لقدرتها على تحسين سمعته الطيبة على وظيفة نظام المناعة لدى مرضى السرطان. وهي متاحة في الولايات المتحدة كملحق صفة الغذائية في كبسولات أو أقراص عن طريق الفم،وكحل أدنى يمكن حقنه. وفي وقت سابق أدت الأشكال غير العضوية ، ولا سيما الملح سيترات إلى عدد كبير من حالات الفشل الكلوي ، التنكيس الدهني الكبدي والاعتلال العصبي في الأفراد الذين يستخدمون ما سبق على أساس التداوي من الأمراض المزمنة السابقة إلا أن تركيز الجرمانيوم في البلازما والبول لهؤلاء المرضى كان بنسبة كبيرة ،أدت إلى وفاة العديد منهم 
.

الاحتياطات من الجرمانيوم

اعتبارا من عام 1922 ، استخدم مجموعة من الأطباء في الولايات المتحدة الجرمانيوم لعلاج المرضى الذين يعانون من فقر الدم.  و أكثر من ذلك كان يستخدم في أشكال أخرى من العلاجات ، ولكن بكفاءات مشكوك فيها. وحسب التطور التكنولوجي قد تمت مناقشة دورها في علاج السكري و السرطان.  ولبعض المركبات من الجرمانيوم سمية منخفضة على الثدييات ، ولكن لها آثار سامة ضد بكتيريا معينة. [25] هذه الخاصية تجعل من هذه المركبات مفيدة لوكلاء العلاج الكيميائي. [72]
خلصت بحوث الإدارة الأمريكية في مجال الأغذية والدواء إلى أن الجرمانيوم ، يمكن استخدامه "كمكمل غذائي "، مع احتمال بعض المخاطر الصحية الإنسان".  
ولا يعتقد آن الجرمانيوم على أنها ضرورية لصحة النباتات أو الحيوانات.لأن بعض مركباته تمثل خطرا على صحة الإنسان . ولكن على سبيل المثال كلوريد الجرمانيوم السائلة والغازية منها، على التوالي يمكن أن تكون مزعجة جدا للعيون والجلد والرئتين والحنجرة. إلا أن الجرمانيوم له تأثير ضئيل أو لا :على البيئة لأنه عادة ما يرتبط مع العناصر في الخامات والمواد الكربونية ، ويستخدم بكميات صغيرة جدا في التطبيقات التجارية.

اضافـــــــــــات

كان متوقعا وجود عنصر جديد ، فإن وجود كوكب نبتون كان متوقعا في حوالي 1843 من قبل اثنين من الرياضيين جون آدمز الأريكة و وأربان ، وذلك باستخدام طرق حسابات الميكانيكا السماوية. فعلوا ذلك في attemopts لشرح حقيقة أن أورانوس مستوي بناء على الملاحظة الدقيقة للغاية. [7] ومع ذلك واصل جيمس شاليس البحث عنه في يوليو 1846 ، حتى شاهد هذا الكوكب يوم 23 سبتمبر 1846بعد محاولات عديدة. [8]