Оксид германия(IV)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Диоксид германия
GeO2powder.jpg
Общие
Систематическое
наименование
Оксид германия(IV)
Сокращения ACC10380, G-15
Хим. формула GeO2
Физические свойства
Состояние белый порошок, бесцветные кристаллы
Молярная масса 104.61 г/моль
Плотность 4.228 г/см³
Термические свойства
Т. плав. 1116[1]
Т. кип. 1200[1] °C
Оптические свойства
Показатель преломления 1,7
Классификация
Рег. номер CAS [http://www.chemnet.com/cas/supplier.cgi?exact=dict&terms=1310-53-8 1310-53-8 1310-53-8 1310-53-8]
PubChem 14796
SMILES
RTECS LY5240000
ChemSpider 14112
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иного.

Оксид германия(IV) (диоксид германия, двуокись германия) представляет собой бинарное неорганическое химическое соединение германия с кислородом. Химическая формула GeO2.

Структура[править | править вики-текст]

Формы диоксида германия очень сильно схожи с диоксидом кремния. Существует в виде двух кристаллических модификаций и третьей — аморфной:

  1. Гексагональный β-GeO2 имеет такую же структуру как α-кварц, германий имеет координационное число 4, пространственная группа P3121 или P3221, параметры элементарной ячейки a = 0,4972 нм, c = 0,5648, Z = 3, d20 = 4,70 г/см³.
  2. Тетрагональный α-GeO2 (минеральная форма — аргутит (англ. argutite)) имеет структуру типа SnO2, германий имеет координационное число 6, параметры элементарной ячейки а = 0,4395 нм, с = 0,2860 нм, d20 = 6,24 г/см³. Под высоким давлением переходит в ромбическую форму, структура типа CaCl2.[2].
  3. Аморфный GeO2 похож на стекловидный кварц, растворяется в воде. (а = 0,4987 нм, с = 0,5652 нм; состоит из слегка искаженных тетраэдров с атомом германия в центре) [3].

Тетрагональный диоксида германия при 1033 °C переходит в гексагональную форму. ΔHα → β = 21,6 кДж/моль.


Некоторые свойства диоксида германия
Показатель Кристаллическая модификация Стеклообразный GeO2
α β
T.пл., °C 1086 1115
Плотн., г/см³ 6,277 4,28 3,667
K−1 5,36·10−5(298—698 K) 9,5·10−6(298—798 K) 7,5·10−6(298—698 K)
ΔHпл., кДж/моль 21,1 17,6
298, Дж/(моль·К) 39,71 55,27 69,77
С°p, Дж/(моль·К) 50,17 52,09 53
ΔHобр., кДж/моль -580,15 -554,71 -539,00

Получение[править | править вики-текст]

Получают двуокись германия гидролизом GeCl4 с последующей просушкой и прокаливанием осадка при 900 °C. При этом обычно образуется смесь аморфного и гексагонального GeO2.

~\mathsf{GeCl_4+H_2O \longrightarrow \mathit{m}GeO_2 \cdot \mathit{n}H_2O + 4HCl\uparrow \xrightarrow{900^oC} GeO_2 + H_2O\uparrow}

При температуре выше 700 °C при помощи окисления германия получается двуокись германия:

~\mathsf{Ge+O_2 \xrightarrow{>700 ^\circ C} GeO_2}

Гидролизом сульфид германия(IV) в кипящей воде:

~\mathsf{GeS_2+2H_2O \xrightarrow{100 ^\circ C} GeO_2\downarrow + 2H_2S\uparrow}

Растворяя германий в разбавленной азотной кислоте:

~\mathsf{Ge+4HNO_3 \longrightarrow GeO_2\downarrow + 4NO_2\uparrow + 2H_2O}

Окислением сульфида германия(II) концентрированной горячей азотной кислотой:

~\mathsf{GeS+10HNO_3 \longrightarrow GeO_2\downarrow + H_2SO_4 + 10NO_2\uparrow + 4H_2O}

Гидролизом или окислением германоводородов:

~\mathsf{GeH_4 + 2H_2O \xrightarrow{~T~} GeO_2\downarrow + 4H_2\uparrow}
~\mathsf{GeH_4 + 2O_2 \xrightarrow{200 ^\circ C} GeO_2 + 2H_2O}

Разрушение германатов разбавленной азотной кислотой:

~\mathsf{Na_2GeO_3 + 2HNO_3 \longrightarrow GeO_2\downarrow + 2NaNO_3 + H_2O}

Химические свойства[править | править вики-текст]

α-GeO2 и аморфный GeO2 химически более пассивны, поэтому химические свойства описывают для β-GeO2.

Нагревание диоксида германия при температуре 1000 °C дает оксид германия (GeO)[3]:

~\mathsf{2GeO_2 \rightleftarrows 2GeO + O_2}

Восстанавливается водородом и углеродом до металлического германия при нагревании:

~\mathsf{GeO_2 + 2H_2 \xrightarrow{600^oC} Ge + 2H_2O}
~\mathsf{GeO_2 + C \xrightarrow{500-600^oC} Ge + CO_2}

Диоксид германия растворяется в воде, образуя слабую метагерманиевую кислоту:

~\mathsf{GeO_2 + H_2O \longrightarrow H_2GeO_3}
~\mathsf{H_2GeO_3 + H_2O \rightleftarrows HGeO_3^- + H_3O^+;~~~~~\mathit{p}K=8,73}
~\mathsf{HGeO_3^+ + H_2O \rightleftarrows GeO_3^{2+} + H_3O^+;~~~~~~~\mathit{p}K=12,72}

Растворяется в щелочах, с разбавленными образует соли метагерманиевой кислоты, с концентрированными — ортогерманиевой:

~\mathsf{GeO_2 + 2NaOH \xrightarrow{~< 20%~} Na_2GeO_3 + H_2O}
~\mathsf{GeO_2 + 2NaOH + 2H_2O \xrightarrow{~> 20%~} Na_2[Ge(OH)_6]}

Серый нитрид германия (Ge3N4) может быть получен действием NH3 на металлический германий (или GeO2) при 700 °C[4]:

~\mathsf{4NH_3 + 3GeO_2 \xrightarrow{700 ^\circ C} Ge_3N_4 + 6H_2O}

Взаимодействует с галогеноводородами:

~\mathsf{GeO_2 + 4HCl \xrightarrow{450^oC} GeCl_4 + 2H_2O}

При нагревании разрушает соли более слабых кислот с образованием германатов:

~\mathsf{GeO_2+Na_2CO_3 \xrightarrow{1200 ^\circ C} Na_2GeO_3+CO_2}

С окислами щелочных металлов, в зависимости от их количества, образует различные германаты:

~\mathsf{GeO_2+\mathit{x}~Na_2O \xrightarrow{1000 ^\circ C} Na_2GeO_3, Na_6GeO_5, Na_4GeO_4}

Применение[править | править вики-текст]

Двуокись германия является промежуточным продуктом при производстве чистого германия и его соединений.

Двуокись германия имеет показатель преломления ~1,7, что позволяет использовать его в качестве оптического материала для широкоугольных объективов и в линзах объективов оптических микроскопов. Прозрачен в инфракрасном диапазоне спектра.

Смесь диоксида кремния и диоксида германия используется в качестве материала для оптических волокон [5]. Изменяя соотношения компонентов позволяет точно управлять преломлением света. Двуокись германия позволяет заменить диоксид титана в качестве легирующей примеси, что исключает необходимость в последующей термической обработке, которая делает волокно хрупким.[6]

Двуокись германия также используется в качестве катализатора при производстве полиэтилентерефталовой смолы [7].

Используется в качестве сырья для производства некоторых люминофоров и полупроводниковых материалов.

Токсичность[править | править вики-текст]

Двуокись германия имеет низкую токсичность, но при более высоких дозах является нефротоксином. Двуокись германия используется в некоторых БАДах[8].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Важнейшие соединения германия(недоступная ссылка — история). Проверено 16 апреля 2010. Архивировано из первоисточника 2 апреля 2007.
  2. Structural evolution of rutile-type and CaCl2-type germanium dioxide at high pressure, J. Haines, J. M.Léger, C.Chateau, A. S.Pereira, Physics and Chemistry of Minerals, 27, 8 ,(2000), 575—582,DOI:10.1007/s002690000092
  3. 1 2 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. (1997), Chemistry of the Elements (2nd ed.), Oxford: Butterworth-Heinemann, ISBN 0-08-037941-9
  4. Химия, элементы таблицы Менделеева (рус.) документ 12, страница 17. Проверено 14 мая 2010. Архивировано из первоисточника 23 апреля 2012.
  5. Robert D. Brown, Jr. GERMANIUM. U.S. Geological Survey (2000). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  6. Chapter Iii: Optical Fiber For Communications
  7. Thiele, Ulrich K. (2001). «The Current Status of Catalysis and Catalyst Development for the Industrial Process of Poly(ethylene terephthalate) Polycondensation». International Journal of Polymeric Materials 50 (3): 387 – 394. DOI:10.1080/00914030108035115.
  8. Tao, S.H. and Bolger, P.M. (June 1997). «Hazard Assessment of Germanium Supplements». Regulatory Toxicology and Pharmacology 25 (3): 211–219. DOI:10.1006/rtph.1997.1098.

Ссылки[править | править вики-текст]

  • Диоксид германия на сайте XuMuK.ru
Классы соединений германия