Apakah itu unsur Germanium? Artikel ini akan membincangkan sifat, sejarah penghasilan Germanium dan kegunaannnya dalam kehidupan seharian kita
Pengenalan
Germanium merupakan sejenis unsur dalam kumpulan 14 dan terletak diantara silikon dan juga tin di dalam jadual berkala unsur. Germanium dilabel dengan simbol Ge. Germanium dilaporkan sebagai unsur kelima terbanyak pada kerak Bumi. Ia mempunyai 5 isotop semulajadi dan 19 isotop buatan yang dicipta di dalam makmal.
Sifat fizikal dan sifat kimia Germanium
Mari kita melihat kepada sifat sifat Germanium untuk lebih mengenali tentang unsur ini.
Sifat fizikal germanium yang paling utama ialah ia wujud dalam keadaan pepejal pada keadaan normal iaitu 1 atm dan 25 ℃. Ia berwarna kelabu keputihan, keras tetapi rapuh, berkilat dan merupakan unsur separa logam (semi-metallic). Seperti silikon, galium, bismuth dan air, germanium akan mengembang apabila mengalami proses pemejalan (solifified). Ia juga 5 kali ganda lebih tumpat dari udara. Oleh kerana ia merupakan unsur separa logam, ia mempunyai takat didih dan takat lebur yang sangat tinggi iaitu masing masing 2833 ℃ dan 938.25 ℃.
- Simbol: Ge
- Nombor atom: 32
- Berat atom: 72.630 g/mol
- Kumpulan: 14
- Takat lebur: 938.25 °C
- Takat didih: 2833 °C
- Ketumpatan: 5.323 g/L
- Konfigurasi elektron: [Ar] 3d10 4s2 4p2
Sejarah
Germanium dijumpai agak lewat dalam sejarah bidang kimia iaitu pada tahun 1886. Beberapa tahun sebelum penemuannya, saintis Rusia iaitu Sir Dmitri Mendeleev telah meramalkan tentang kewujudan unsur germanium ini ketika menghasilkan dan menyusun jadual berkala unsur. Ketika Menyusun unsur unsur ini mengikut berat atomnya, terdapat beberapa kekosongan pada jadual berkala tersebut. Oleh itu, beliau mengandaikan terdapat unsur unsur baru yang belum ditemui lagi pada ketika itu.
Hanya pada tahun 1886, seorang saintis Jerman iaitu Sir Clemens Winkler berjaya menemui Germanium. Ketika menjalankan penyelidikan tentang sejenis mineral baru iaitu bijih agryodite, terdapat 7% unsur yang belum diketahui. Sir Clemens berjaya mengasingkan unsur baru ini dan mendapati sifatnya sama seperti antimoni. Pada awal penemuannya, Germanium dikenali sebagai eka-antimoni.
Namun, tidak lama selepas itu, ia diklasifikasikan sebagai eka-silikon. Sebelum menerbitkan penemuannya, Clemens mahu menamakan unsur baru ini sebagai neptunium, namun nama neptunium telah diambil dan dicadangkan pada unsur kimia baru yang lain. Oleh itu, Clemens telah menamakan unsur ini sebagai Germanium yang diambil dari perkataan Latin iaitu germania bersempena tempat kelahirannya iaitu Jerman.
Kajian lanjut mengenai mineral argyrodite telah membuktikan kewujudan Germanium secara empirikal iaitu Ag8GeS6. Beberapa tahun selepas itu, Clemens berjaya menghasilkan sebatian germanium seperti sebatian fluorida, klorida, sulfida dan dioksida.
Kaedah penghasilan
Germanium pertama kali dihasilkan pada tahun 1887 oleh Sir Clemens daripada bijih mineral yang dilombong di Saxony. Pada tahun 2011, kira-kira 118 tan germanium berjaya dihasilkan dan Cina merupakan pengeluar terbesar.
Germanium terhasil daripada bijih zink sphalerite. Apabila bijih mineral ini diproses, 0.3% germanium terkandung di dalamnya. Kajian terbaru mendapati, terdapat kira-kira 10,000 tan germanium yang boleh terhasil daripada pengekstrakan zink yang terdapat di Lembah Mississippi manakala 112,000 tan lagi dapat ditemui di lombong arang batu.
Selain sphalerite, sumber germanium yang lain ialah daripada abu cerobong (fly ash) daripada loji tenaga yang menggunakan sumber arang batu sebagai bahan bakar. Negara seperti Rusia dan Cina menggunakan kaedah ini untuk menghasilkan germanium. Di negara Rusia, germanium dihasilkan di Pulau Sakhalin dan Vladivostok manakala di Cina pula, germanium dilombong di Lincang, Yunnan dan juga Xilinhaote.
Bijih mineral yang dipekatkan ini mengandungi sulfida yang tinggi. Kemudian, proses pemanasan dilakukan dan menukarkannya kepada logam oksida iaitu germanates (1). Seterusnya, germanates ini akan dilunturkan dengan asid sulfurik. Setelah proses neutralisasi selesai, mendakan germanium akan terhasil. Proses Waelz merupakan proses pelunturan kedua menggunakan asid hidroklorik (2) ataupun gas klorin (3) yang akan menghasilkan germanium tetraklorida (GeCl4). Selain itu, germantes juga akan menjalani proses penyulingan berperingkat dan tindak balas dengan gas Hidrogen menghasilkan germanium yang tulen (4). Selain itu, germanium yang digunakan dalam industri keluli, akan menjalani tindak balas kimia dengan karbon menghasilkan germanium tulen (5).
GeS2 + 3 O2 → GeO2 + 2 SO2 (1)
GeO2 + 4 HCl → GeCl4 + 2 H2O (2)
GeO2 + 2 Cl2 → GeCl4 + O2 (3)
GeO2 + 2 H2 → Ge + 2 H2O (4)
GeO2 + C → Ge + CO2 (5)
Kegunaan dan aplikasi dalam kehidupan
Bidang optik fiber merupakan pengguna terbesar bagi logam germanium dengan kira-kira 35% digunakan dalam bidang ini. Germanium dioksida (GeO2) yang mempunyai indeks pembiasan dan sebaran optik yang tinggi sangat sesuai dan berguna dalam bidang optik. Ia banyak digunakan dalam lensa kamera, mikroskop dan juga teas kepada fiber optik.
Selain itu, oleh kerana germanium bersifat telap dalam gelombang infrared, ia sangat sesuai digunakan dalam pengesan infrared.
Aloi Silikon-Germanium (Si-Ge) sangat pesat berkembang menjadi bahan semikonduktor untuk litar bersepadu berkelajuan tinggi. Litar yang menggunakan simpangan Si-SiGe ini memberi kecekapan yang lebih tinggi berbanding simpangan silikon. Aloi Si-Ge ini mula menggantikan galium arsenid (GaAs) peralatan komunikasi tanpa wayar. Selain itu, mikrocip Si-Ge yang berkuasa tinggi boleh dibuat menggunakan teknik penghasilan cip silikon yang berkos rendah dan mudah.
Panel solar juga menggunakan germanium sebagai bahan teras. Germanium merupakan substrat kepada wafer sel fotovoltaik berkuasa tinggi untuk kegunaan aeroangkasa. Dengan penggunaan germanium ini, LED yang dihasilkan mempunyai kecerahan yang sangat tinggi.
Germanium dioksida (GeO2) juga digunakan sebagai pemangkin dalam industri polimer. Penghasilan bahan plastik seperti polietilina terephthalate (PET) menggunakan germanium sebagai pemangkin utama di negara seperti Jepun. Germanium digunakan bagi meningkatkan ketelapan bagi produk plastik yang dihasilkan. Selain itu, hanya sedikit germanium digunakan sebagai mangkin dan ini dapat menjimatkan kos penghasilan produk tersebut.
Unsur yang lain
- Wikipedia : Germanium
- Brittanica : Germanius
- Royal Society of Chemistry : Germanium
- Live Science : Germanium