أكسيد الجيرمانيوم الرباعي - GeO2

في الكيمياء إن مركب أكسيد الجرمانيوم الرباعي (Germanium (IV) oxide) هو أحد المركبات الكيميائية غير العضوية وهو مصدر جرمانيوم مستقر حرارياً وغير قابل للذوبان بدرجة عالية يمتلك الصيغة الكيميائية التالية: (GeO2)، وهو عبارة عن مركب مناسب لتطبيقات الزجاج والبصريات والسيراميك، ويمكن أن يتم تحضير أكسيد الجرمانيوم في كل من الشكلين البلوري وغير المتبلور.

أكسيد الجيرمانيوم الرباعي

• يطلق على مركب أكسيد الجرمانيوم الرباعي اسم ثاني أكسيد الجرمانيوم، وهو مركب غير عضوي يتشكل على صورة طبقة تخميل على معدن الجرمانيوم في حالته النقية بعد التعرض للأكسجين، ويعرف عن ثاني أكسيد الجرمانيوم أنه يمتلك سمية منخفضة بشكل عام، لكنه في المقابل يظهر سمية كلوية شديدة عند الجرعات العالية، ولا يزال يتم عرض مركب ثاني أكسيد الجرمانيوم في السوق في بعض العلاجات المعجزة المشكوك فيها، ولكن من الممكن أن يؤدي التعرض لجرعات عالية من هذا المركب إلى حدوث التسمم بالجرمانيوم.

• يمتاز مركب أكسيد الجرمانيوم الرباعي ببعض الخواص الكيميائية منها أنه عبارة عن مسحوق أبيض سداسي ورباعي الزوايا وغير متبلور، كما ويمتلك بعض الخصائص الفيزيائية ومنها أن مركب ثاني أكسيد الجرمانيوم يظهر في تعديلين بلوريين وآخر غير متبلور: أولا شكل روتيل رباعي الزوايا يمتلك معامل الانكسار مقداره 2.05، وكثافة تساوي 6.24 جم لكل سم مكعب عند 20 درجة مئوية.

• ثانيا تعديل كوارتز سداسي أبيض يمتلك معامل الانكسار 1.735، وكثافة مقدارها 4.70 جم لكل سم مكعب عند 18 درجة مئوية، وثالثا شكل زجاجي غير متبلور يمتلك معامل انكسار 1.607، وكثافة مقدارها 3.64 جم لكل سم مكعب عند 20 درجة مئوية، إن الشكل رباعي الزوايا غير قابل للذوبان عمليا في الماء، في حين أن التعديلات السداسية وغير المتبلورة لها قابلية ذوبان منخفضة بمقدار 0.45 و 0.52٪ على التوالي عند 25 درجة مئوية.

• إن المحاليل المائية منه حمضية؛ وذلك بسبب تكوين حمض الميتاجرمنيك (H2GeO3)، يتحول التعديل السداسي إلى نظام بلوري رباعي الزوايا عند تسخينه عند درجة حرارة مقدارها 350 درجة مئوية في الماء تحت الضغط، ويتحول كلا الشكلين البلوريين إلى أكسيد الجرمانيوم الرباعي (GeO2) غير متبلور يشبه الزجاج عند تسخينه عند 1100 درجة مئوية.

تحضير وتفاعلات أكسيد الجرمانيوم الرباعي

• يتم تحضير مركب أكسيد الجرمانيوم الرباعي عن طريق تسخين عنصري الجرمانيوم بالأكسجين عند درجات حرارة مرتفعة، أو عن طريق عملية التحلل المائي لهاليدات الجرمانيوم (IV) كما في التفاعل الكيميائي التالي:

GeCl4 + 2H2O → GeO2 + 4HCl

• كما ويتم تحضيره أيضًا عن طريق أكسدة كبريتيد الجرمانيوم (II)، علما أن المنتج الذي يتم الحصول عليه في هذه التفاعلات المذكورة في شكل تعديل سداسي لـ (GeO2)، كما في المعادلة الكيميائية التالية:

GeS + 2O2 GeO2 + SO2

• يتم اختزال مركب ثاني أكسيد الجرمانيوم إلى معدن الجرمانيوم عند تسخينه بالهيدروجين عند 1000 درجة مئوية:

GeO2 + 2H2 → Ge + 2H2O

• وعندما تسخينه بالجرمانيوم، يتحول ثنائي أكسيد الجرمانيوم إلى أحادي أكسيد (GeO) كما في المعادلة التالية:

GeO2 + Ge → 2GeO

• ينتج عن العلاج بحمض الهيدروكلوريك كلوريد الجرمانيوم (IV) كما في المعادلة التالية:

GeO2 + 4HCl → GeCl4 + 2H2O

• في محلول حمضي بقوة، ينتج عن تفاعله مع كبريتيد الهيدروجين تعديل غير متبلور لكبريتيد الجرمانيوم (IV)، (GeS2)، كما وينتج عن ذوبان خليط من ثاني أكسيد الجرمانيوم وأكاسيد المعادن (orthoand metagermanates) من المعادن المقابلة، وتتفاعل المحاليل المائية للجرمان مع أحماض الموليبدك والتنغستيك مكونة أحماض غير متجانسة بتركيبات مختلفة.

استخدامات وتطبيقات مركب أكسيد الجرمانيوم الرباعي

• بشكل عام: يحتوي أكسيد الجرمانيوم على معامل انكسار عالي ونقل الأشعة تحت الحمرا، حيث يتم استخدامه في الزجاج الصناعي، كما أنه يستخدم في تحضير الجرمانيوم عالي النقاء، ويستخدم ثاني أكسيد الجرمانيوم كمادة بصرية للعدسات ذات الزاوية الواسعة وفي العدسات الموضوعية للميكروسكوب البصري.

كما ويتم استخدامه كعامل مساعد في تحضير راتينج البولي إيثيلين تيريفثاليت، وعلاوة على ذلك فإنه يتم استخدامه كمادة وسيطة لتصنيع الفوسفور ومواد أشباه الموصلات، كما أنها تستخدم في الترانزستورات والثنائيات وزجاج الإرسال بالأشعة تحت الحمراء، عندما يكون ثاني أكسيد الجرمانيوم نقيًا بنسبة 99.999٪، فإنه يتم استخدامه كأشباه موصلات في الترانزستورات والثنائيات ولصنع زجاج خاص بنقل الأشعة تحت الحمراء.

• الألياف البصرية: إن من أكثر ما يميز (GeO2) هو مؤشره العالي للانكسار والتشتت البصري المنخفض، لذا فإنه يستخدم لعدسة الكاميرا العريضة، والفحص المجهري، وللب خطوط الألياف الضوئية، وبشكل عام فإنه يتم إدخال رباعي كلوريد السيليكون (SiCl4) ورباعي كلوريد الجرمانيوم (GeCl4) بالأكسجين في شكل زجاجي مجوف، والذي يتم تسخينه بعناية للسماح بأكسدة الكواشف إلى أكاسيدها الخاصة وتشكيل خليط زجاجي، كما ويحتوي ثاني أكسيد الجرمانيوم على مؤشر انكسار عالي، علما أن مركب (GeO2) يمثل حوالي 4٪ من وزن الزجاج.

• الأشعة تحت الحمراء: إن كلا من الجرمانيوم وأكسيده الزجاجي (GeO2) شفافان بالنسبة إلى طيف الأشعة تحت الحمراء، كما ويمكن تصنيع الزجاج إلى نوافذ وعدسات تعمل بالأشعة تحت الحمراء، وتستخدم لتقنية الرؤية الليلية في المركبات العسكرية والفاخرة، كما ويُفضل (GeO2) على النظارات الشفافة الأخرى التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء لأنها قوية ميكانيكيًا وبالتالي فهي مفضلة للاستخدام العسكري القوي.

• مستقبل: اعتبارًا من عام 2000 ميلادي، يستخدم حوالي نسبة 15 ٪ من استهلاك الولايات المتحدة من الجرمانيوم من أجل تقنية بصريات الأشعة تحت الحمراء و 50 ٪ للألياف البصرية، وعلى مدار العشرين عامًا الماضية فلقد انخفض استخدام الأشعة تحت الحمراء باستمرار، ومع ذلك فإن الطلب على الألياف الضوئية يتزايد ببطء، كما أن هناك نقاش حول الإنتاج المفرط لشبكات الألياف الضوئية وأن 30-50٪ من الخطوط الحالية عبارة عن ألياف “داكنة” غير مستخدمة، مما يشير إلى انخفاض في الطلب في المستقبل، وفي جميع أنحاء العالم فإنه يتزايد الطلب بشكل كبير حيث تقوم دول مثل الصين بتوسيع الاتصالات القائمة على الألياف الضوئية في جميع أنحاء البلاد.

طرق التنقية لمركب GeO2

• في العادة ما يتم تحضير مركب أكسيد الجرمانيوم الرباعي (GeO2) من خلال التحلل المائي لـ (GeCl4) المُعاد تقطيره وإشعاله لإزالة الماء (H2O) والكلوريد، ومن الممكن أن تتم تنقيته بشكل أكبر من خلال إذابته في ماء ساخن (قابلية الذوبان 4 جم لكل لتر بارد)، ثم يتم تبخير وتجفيف المادة الصلبة المتبلورة المتبقية.

• وعندما يتم تسخين الشكل القابل للذوبان (الذي يتم إنتاجه في H2O عند 355 درجة مئوية) لمدة 100 ساعة، فإنه يتم تحويله إلى الشكل غير القابل للذوبان، وهذا النموذج مستقر عند درجات حرارة تصل إلى 1033 درجة مئوية والاندماج عند 1080 درجة مئوية لمدة 4 ساعات يؤدي إلى إزالة التزجيج بالكامل ويعود إلى الشكل القابل للذوبان.