Оксид германия(IV)
| Диоксид германия | |
|---|---|
 | |
| Общие | |
| Систематическое наименование |
Оксид германия(IV) |
| Сокращения | ACC10380, G-15 |
| Традиционные названия | диоксид германия, двуокись германия |
| Хим. формула | GeO2 |
| Рац. формула | GeO2 |
| Физические свойства | |
| Состояние | белый порошок, бесцветные кристаллы |
| Молярная масса | 104,61 г/моль |
| Плотность | 4,228 г/см³ |
| Термические свойства | |
| Температура | |
| • плавления | 1116[1] |
| • кипения | 1200[1] °C |
| Оптические свойства | |
| Показатель преломления | 1,7 |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 1310-53-8 |
| RTECS | LY5240000 |
| Безопасность | |
| Токсичность |
низкая |
| Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. | |
Окси́д герма́ния(IV) (диоксид германия, двуокись германия) представляет собой бинарное неорганическое химическое соединение германия с кислородом, является амфотерным оксидом. Химическая формула GeO2.
Структура
 | Достоверность этого раздела статьи поставлена под сомнение. |
 | Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы литературного русского языка. |
Формы диоксида германия очень сильно схожи с диоксидом кремния. Существуют в виде двух кристаллических модификаций и третьей — аморфной:
- 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 нм, Z = 3, d20 = 4,70 г/см³.
- 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].
- Аморфный GeO2 похож на кварцевое стекло, растворяется в воде. (а = 0,4987 нм, с = 0,5652 нм; состоит из слегка искажённых тетраэдров с атомом германия в центре)[3].
Тетрагональный диоксид германия при 1033 °C переходит в гексагональную форму. ΔHα → β = 21,6 кДж/моль.
| Показатель | Кристаллическая модификация |
Стеклообразный GeO2 | |
| α | β | ||
| T.пл., °C | 1086 | 1115 | — |
| Плотн., г/см³ | 6,277 | 4,28 | 3,667 |
| ТКЛР, 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 | — |
| S°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
Получают двуокись германия гидролизом GeCl4 с последующей просушкой и прокаливанием осадка при 900 °C. При этом обычно образуется смесь аморфного и гексагонального GeO2:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeCl_4+H_2O \longrightarrow \mathit{m}GeO_2 \cdot \mathit{n}H_2O + 4HCl\uparrow \xrightarrow{900~^\circ\text{C}} GeO_2 + H_2O\uparrow}. }[/math]
При температуре выше 700 °C при помощи окисления германия получается двуокись германия:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{Ge+O_2 \xrightarrow{\gt 700~^\circ\text{C}} GeO_2}. }[/math]
Гидролизом сульфида германия(IV) в кипящей воде:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeS_2+2H_2O \xrightarrow{100~^\circ\text{C}} GeO_2\downarrow + 2H_2S\uparrow}. }[/math]
Растворяя германий в разбавленной азотной кислоте:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{Ge+4HNO_3 \longrightarrow GeO_2\downarrow + 4NO_2\uparrow + 2H_2O}. }[/math]
Окислением сульфида германия(II) концентрированной горячей азотной кислотой:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeS+10HNO_3 \longrightarrow GeO_2\downarrow + H_2SO_4 + 10NO_2\uparrow + 4H_2O}. }[/math]
Гидролизом или окислением германоводородов:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeH_4 + 2H_2O \xrightarrow{~T~} GeO_2\downarrow + 4H_2\uparrow}, }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeH_4 + 2O_2 \xrightarrow{200~^\circ\text{C}} GeO_2 + 2H_2O}. }[/math]
Разрушение германатов разбавленной азотной кислотой:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{Na_2GeO_3 + 2HNO_3 \longrightarrow GeO_2\downarrow + 2NaNO_3 + H_2O}. }[/math]
Химические свойства
α-GeO2 и аморфный GeO2 химически более пассивны, поэтому химические свойства обычно описывают для β-GeO2.
Нагревание диоксида германия при температуре 1000 °C дает оксид германия (GeO)[3]:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{2GeO_2 \rightleftarrows 2GeO + O_2}. }[/math]
Восстанавливается водородом и углеродом до металлического германия при нагревании:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeO_2 + 2H_2 \xrightarrow{600~^\circ\text{C}} Ge + 2H_2O}, }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeO_2 + C \xrightarrow{500{-}600~^\circ\text{C}} Ge + CO_2}. }[/math]
Диоксид германия растворяется в воде, образуя слабую метагерманиевую кислоту:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeO_2 + H_2O \longrightarrow H_2GeO_3}. }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathsf{H_2GeO_3 + H_2O \rightleftarrows HGeO_3^- + H_3O^+}; \quad pK = 8{,}73, }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathsf{HGeO_3^+ + H_2O \rightleftarrows GeO_3^{2+} + H_3O^+}; \quad pK = 12{,}72. }[/math]
Растворяется в щелочах, с разбавленными образует соли метагерманиевой кислоты, с концентрированными — ортогерманиевой:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeO_2 + 2NaOH \xrightarrow{\lt 20\,\%} Na_2GeO_3 + H_2O}, }[/math]
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeO_2 + 2NaOH + 2H_2O \xrightarrow{\gt 20\,\%} Na_2[Ge(OH)_6]}. }[/math]
Темно-серый нитрид германия (Ge3N4) может быть получен действием NH3 на металлический германий (или GeO2) при 700 °C[4]:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{4NH_3 + 3GeO_2 \xrightarrow{700~^\circ\text{C}} Ge_3N_4 + 6H_2O}. }[/math]
Взаимодействует с галогеноводородами:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeO_2 + 4HCl \xrightarrow{450~^\circ\text{C}} GeCl_4 + 2H_2O}. }[/math]
При нагревании разрушает соли более слабых кислот с образованием германатов:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeO_2+Na_2CO_3 \xrightarrow{1200~^\circ\text{C}} Na_2GeO_3+CO_2}. }[/math]
С окислами щелочных металлов, в зависимости от их количества, образует различные германаты:
- [math]\displaystyle{ \mathsf{GeO_2+\mathit{x}~Na_2O \xrightarrow{1000~^\circ\text{C}} Na_2GeO_3, Na_6GeO_5, Na_4GeO_4}. }[/math]
Применение
Диоксид германия является промежуточным продуктом при производстве чистого германия и его соединений.
Диоксид 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]. Изменение соотношения компонентов позволяет точно управлять преломлением света. Диоксид германия позволяет заменить диоксид титана в качестве легирующей примеси, что исключает необходимость в последующей термической обработке, которая делает волокно хрупким[6].
Диоксид германия также используется в качестве катализатора при производстве полиэтилентерефталевой смолы[7].
Используется в качестве сырья для производства некоторых люминофоров и полупроводниковых материалов.
В гистохимии используется для выявления многоатомных спиртов. Метод основан на способности германиевой кислоты образовывать сложные соединения с многоатомными спиртами (глицерин, маннит, глюкоза и др.). При обработке нефиксированных срезов диоксидом углерода в щелочной среде образуются германиевые комплексы, которые выявляют 2,3,7-тригидрокси-9-фенилфлуореноном-6.[8]
Токсичность
Диоксид германия имеет низкую токсичность, но при более высоких дозах является нефротоксином. Диоксид германия используется в некоторых БАДах[9].
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 Важнейшие соединения германия (недоступная ссылка). Дата обращения: 16 апреля 2010. Архивировано 2 апреля 2007 года.
- ↑ 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.
- ↑ 3,0 3,1 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. (1997), Chemistry of the Elements (2nd ed.), Oxford: Butterworth-Heinemann, ISBN 0-08-037941-9.
- ↑ Химия, элементы таблицы Менделеева (недоступная ссылка) документ 12, страница 17. Дата обращения: 14 мая 2010. Архивировано 27 августа 2005 года.
- ↑ Robert D. Brown, Jr. GERMANIUM. U.S. Geological Survey. Дата обращения: 16 апреля 2010. Архивировано 22 августа 2011 года.
- ↑ Chapter Iii: Optical Fiber For Communications (недоступная ссылка). Дата обращения: 16 апреля 2010. Архивировано 15 июня 2006 года.
- ↑ Thiele, Ulrich K. The Current Status of Catalysis and Catalyst Development for the Industrial Process of Poly(ethylene terephthalate) Polycondensation (англ.) // International Journal of Polymeric Materials : journal. — 2001. — Vol. 50, no. 3. — P. 387 — 394. — doi:10.1080/00914030108035115.
- ↑ Фрайштат Д.М. Реактивы и препараты для микроскопии. Справочник / ответственный = под ред. Л.Н.Ларичевой. — Москва: Химия, 1980. — С. 98. — 480 с. — ISBN УДК 54-4:578.6(031).
- ↑ Tao, S. H.; Bolger, P. M. Hazard Assessment of Germanium Supplements (англ.) // Regulatory Toxicology and Pharmacology[англ.] : journal. — 1997. — June (vol. 25, no. 3). — P. 211—219. — doi:10.1006/rtph.1997.1098.
Ссылки
- Диоксид германия на сайте [www.xumuk.ru/encyklopedia/987.html XuMuK.ru]
| Классы соединений германия |