شیمی دبیرستان  کرمان ناحیه 2

ژرمانیم و سیلیسیم

تحقیق ازمحمد حسین حمزه نژاد

کلاس 203

 

ژرمانیوم سی و دومین عنصر جدول تناوبی است. ژرمانیوم یکی از اعضای مهم خانواده نیمه رسانا هامیباشد و در صنعت نیمه‌هادی کاربرد فراوان دارد. نام این عنصر لاتین

واژه ژرمن (آلمان) است.

ژرمانیم عنصر شیمیایی است که با نشان Ge و عدد اتمی 32 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 ازترکیبات آلی فلزی را تشکیل داده و ماده نیمه

هادی مهمی در ترانزیستور و نورسنج 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 یک نیمه 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 1010 ناخالصی هستند

.

خاصیت اکاسیلیکون ژرمانیوم ، جرم اتمی 72 (72.59) چگالی 5.35 (g/cm3) نقطه جوش(°C) بالا 947 و دارای رنگ خاکستری می باشد.

 

 

ایزوتوپ ها

 

ژرمانیم یکی از عناصری بود که مندلیف در سال 1871 وجود آنرا بعنوان یک آنالوگ گم شده گروه سیلیکون پیش بینی کرده بودوجود این عنصر را کلمینز وینکلردر سال 1886 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

گشت.ز سال 1950 تا اوایل دهه 80 این حوزه بازار روزافزونی برای ژرمانیم بوجود آورد اما بعد از آن سیلیکون خالص کم کم 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 بصورت 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 ، 85% مصرف جهانی ژرمانیم را در سال 2000 تشکیل می‌دهد.

 

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

این شبه فلز را می‌توان بوسیله 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 1997 تقریباً" 3 دلار آمریکا وقیمت هر کیلو آن در پایان سال 2000 معادل 1150 دلار بود.

کاربردها

 

ژرمانیم برخلاف بیشتر نیمه هادیها دارایشکاف نوارکوچکی است که امکان واکنش موثربه اشعه مادون قرمز را بوجود 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 کننده‌هاهستند، هنوز هم در تقویت کننده‌های گیتار برقی از ترانزیستورهای ژرمانیم استفاده می‌کنند. آلیاژ ژرمانید سیلیکوندر حال تبدیل سریع به ماده نیمه هادی مهم در IC  

های سرعت بالا می‌باشد. مدارهایی که از پیوند

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 بعنوان کاتالیزور

 

ژرمانید سیلیکونفزایش ایمنی سلول اعصابدوباره جوان کردن سلولهاتولید انرژی محافظت در برابر سمومتولید قدرت آنتی اکسیدانی کهسبب کاهش درد می گرددترکیبات 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 کرده است.

 

سیلیسیم

سیلیسیمبا نماد Si عنصر شیمیایی از خانواده شبه فلز هاست که در گروه چهارم و دوره سوم جدول تناوبی عنصرها جای دارد. عدد اتمی این عنصر ۱۴ است و چهار الکترون در لایهٔ ظرفیت دارد. جرم اتمی سیلیسیم ۲۸٫۰۸۶ است و دارای سه ایزوتوپ پایدار می‌باشد. واکنش پذیری این عنصر کمتر از کربن نافلز هم گروه و بالاسری خود است ولی واکنش پذیری آن از ژرمانیم شبه فلز پایین دستی اش بیشتر است. ستیز بر سر ویژگی‌های سیلیسیم به روز نخست که آن را پیدا کردند باز می‌گردد. نخستین بار سیلیسیم در سال ۱۸۲۴ به صورت پالوده (خالص) فراوری شد. نام آن از واژه لاتینسیلیس به معنی سنگ چخماقگرفته شده‌استسیلیسیم از دید فراوانی برپایهٔ جرم، هشتمین عنصر فراوان در جهان است. البته به سختی می‌توان آن را به صورت خالص و آزاد در طبیعت پیدا کرد. سیلیسیم را بیشتر می‌توان در گرد و غبار، ماسه، سیارک‌هاو سیاره‌ها و در قالب سیلیسیم دی اکسید و یا سیلیکات‌ها پیدا کرد. بیش از ۹۰٪ پوسته زمین از کانی‌های سیلیکات ساخته شده‌است به همین دلیل سیلیس پس از اکسیژن فراوان ترین ماده در پوسته زمین است.

 

بیشتر سیلیسیمی که به صورت تجاری کاربرد دارد بدون هیچ گونه جداسازی مورد بهره برداری قرار می‌گیرد و خیلی کم بر روی ترکیب طبیعی آن فراوری صورت می‌گیرد. در بخش صنعت ساختمان و تولید سرامیک هم هنگام کاربرد رس، ماسه و سنگ‌های سیلیسی همین رویکرد وجود دارد. سیلیکات‌ها برای ملات و اندود گچ و سیمان به سیمان پورتلند می‌روند و پس از آنکه با شن و ماسه‌های سیلیسی آمیخته شدند از آن‌ها بتُن ساخته می‌شود. کاربرد دیگر ماده در سرامیک برخی ابزارهای خانگی مانند پرسلان، شیشه‌های سنتی آهک سوددار با پایهٔ کوارتز و... است. سیلیسیم کاربیداز ترکیب‌های امروزی تر سیلیسیم است که از آن سرامیک‌های

پرمقاومت ساخته می‌شود. پلیمرهای با پایه سیلیسیم را سیلیکون می‌نامند.

ب

یشتر سیلیسیم آزاد در صنعت‌های پالایش فولاد، ریخته گری آلومینیم و بسیاری صنعت‌های حساس شیمی (مانند سیلیس دودی( کاربرد دارد. کمتر از ۱۰ درصد سیلیسیم در ساخت نیمه رساناها به کار می‌رود. این سیلیسیم که بسیار پالوده شده (درجه خلوص بالا دارد) شاید مهم ترین نقش را در اقتصاد دنیا داشته باشد چون صنعت الکترونیک، ساخت تراشه‌های مدار و درنتیجه ساخت بیشتر رایانه‌ها وابسته به آن است.

سیلیسیم در زیست شناسی هم عنصری بسیار مهم است هرچند که به نظر می‌رسد اندازه‌های بسیار کمی از آن در بدن جانوران مورد نیاز باشد.

بسیاری از گونه‌های اسفنج‌های دریایی برای ساختار بدنشان نیازمند سیلیسیم اند همچنین سیلیسیم و سیلیسیک اسید در سوخت و ساز بدن گیاهان بویژه بسیاری از علف‌ها نقشی حیاتی دارند.

ویژگی‌ها

سیلیسیم در دمای اتاق جامد است و نقطه ذوب و جوش بسیار بالایی دارد. این نقطه‌ها به ترتیب عبارتند از ۱٬۴۰۰ و ۲٬۸۰۰ درجه سانتیگراد.کته جالب درباره سیلیسیم این است که این ماده در حالت مایع چگالی بیشتری نسبت به حالت جامد دارد درنتیجه رفتار این ماده هنگام یخ زدن (جامد شدن) مانند رفتار معمول در دیگر ماده‌ها، با کاهش حجم همراه نیست بلکه حجم آن افزایش می‌یابد مانند آب که پس از یخ زدگی جرم در یکای حجمش کاهش می‌یابد و چگالی اش از آب مایع کمتر می‌شود. سیلیسیم رسانایی گرمایی بالایی داردبرای همین در پوشش جسم‌های داغ کاربردی ندارد.سیلیسیم پالوده در حالت بلوری به رنگ خاکستری است و جلای فلزی دارد. مانند ژرمانیم سخت و بسیار تُرد است و برای تراشه (ورقه ورقه) شدن مناسب است. سیلیسیم مانند کربن و ژرمانیم هنگام بلوری شدن ساختاربلوری الماس را می‌پذیردابر الکترونی بیرونی سیلیسیم مانند کربن چهار الکترون در لایهٔ آخر دارد.سیلیسیم یک نیمه‌رسانا است. ضریب دمایی مقاومت الکتریکی این ماده منفی است چون شمار جابجایی کننده‌های (حامل‌های) بارهای آزاد آن با افزایش دما افزایش می‌یابد. مقاومت الکتریکی یک تک‌بلور سیلیسیم در اثر دریافت تنش‌های مکانیکی، تغییر بسیار زیادی می‌کند.سیلیسیم یک شبه‌فلز است و به آسانی چهار الکترون بیرونی خود را به دیگری می‌دهد یا به اشتراک می‌گذارد و به این وسیله می‌تواند در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی راه یابد. سیلیسیم با هالوژن‌ها و قلیاها واکنش می‌دهد اما بیشتر اسیدها (به جز برخی ترکیب‌های بسیار واکنش دهنده اسید نیتریک و هیدروفلوئوریک اسید( اثری بر روی آن ندارند. با این حال داشتن چهار الکترون در لایهٔ ظرفیت، مانند کربن به سیلیسیم هم این امکان را می‌دهد تا در شرایط مناسب با بسیاری از عنصرها وارد واکنش شود.

ایزوتوپ ها

در طبیعت سه ایزوتوپ پایدار برای سیلیسیم پیدا می‌شود: سیلیسیم-۲۸، سیلیسیم-۲۹ و سیلیسیم-۳۰ که سیلیسیم-۲۸ بیشترین فراوانی را دارد (۹۲ درصد). جدای از این‌ها، تنها سیلیسیم-۲۹ در فرایندهای تشدید مغناطیسی هسته‌ای و تشدید پارامغناطیسی الکترون کاربرد دارد. تاکنون بیست ایزوتوپ پرتوزا شناخته شده‌است که پایدارترین آن‌ها، سیلیسیم-۳۲ با نیمه عمر ۱۷۰ سال است، پس از آن سیلیسیم-۳۱ با نیمه عمر ۱۵۷٫۳ دقیقه پایدارترین است. دیگر ایزوتوپ‌های پرتوزا نیمه عمری کمتر از ۷ ثانیه و البته بیشتر آن‌ها حتی نیمه عمری کوتاه تر از یک-دهم ثانیه دارند. سیلیسیم، هیچ ایزومر هسته‌ای شناخته شده‌ای ندارد. عدد جرمی ایزوتوپ‌های سیلیسیم از ۲۲ تا ۴۴ است. بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در میان شش ایزوتوپی که عدد جرمی کمتر از سیلیسیم-۲۸ دارند، β⁺بوده‌است که نخست باعث پدیدار گشتن ایزوتوپ‌های آلومینیم۱۳ پروتون، به عنوان محصول واپاشی، شده‌استβ⁻ بیشترین واپاشی هسته‌ای دیده شده در ۱۶ ایزوتوپ با عدد جرمی بیشتر از سیلیسیم-۲۸ است که باعث پدیدار شدن ایزوتوپ‌های فسفر (۱۵ پروتون) شده‌است.

 

کاربرد ها

 

سیلیکاتها ترکیبات دیگری از سیلیس اند که در صنایع مختلف کاربرد های فراوانی دارند. میکا وآزبست هر دو نوعی سیلیکات اند. سیلیکاتها در صنعت شیشه سازی، تهیه کاغذ سمباد و ابزارهای نوری والکترونیکی کاربرد دارند.از سلیکات سدیم در تهیه صابون و رنگرزی استفاده میشود.سیلیسیم خالص در ساخت پیلهای نوری –برقی، ترانزیستور وابزارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرد. از ترکیب سیلیسیم وکربن برای جلا دادن فلزات استفاده میشود .سیلیسیم در ساخت نیمه رساناها – که در زندگی روز مره کاربردهای فراوانی دارند – نیز بکار می رود.