Оксид германия (IV) — свойства, получение и применение

Содержание

Структура
Получение
Применение
Токсичность

Оксид германия(IV) представляет собой бинарное неорганическое химическое соединение германия с кислородом, является амфотерным оксидом. Химическая формула GeO₂.

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
• кипения	1200 °C
Оптические свойства
Показатель преломления	1,7
Классификация
Рег. номер CAS	1310-53-8
PubChem	14796
Рег. номер EINECS	215-180-8
SMILES	O=[Ge]=O
InChI	1S/GeO2/c2-1-3 YBMRDBCBODYGJE-UHFFFAOYSA-N
RTECS	LY5240000
ChemSpider	14112
Безопасность
Токсичность	низкая

Структура

Формы диоксида германия очень сильно схожи с диоксидом кремния. Существует 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..
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).

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

Некоторые свойства диоксида германия
Показатель	Кристаллическая модификация		Стеклообразный GeO₂
Показатель	α	β	Стеклообразный GeO₂
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)
ΔH_пл., 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
ΔH_обр., 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:

GeO_{2}+H_{2}Ouparrow }}.}

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

GeO_{2}}}.}

Гидролизом сульфида германия(IV) в кипящей воде:

GeO_{2}downarrow +2H_{2}Suparrow }}.}

Растворяя германий в разбавленной азотной кислоте:

GeO_{2}+2H_{2}O}}.}

Разрушение германатов разбавленной азотной кислотой:

Ge+2H_{2}O}},}

Ge+CO_{2}}}.}

Диоксид германия растворяется в воде, образуя слабую метагерманиевую кислоту:

Ge_{3}N_{4}+6H_{2}O}}.}

Взаимодействует с галогеноводородами:

GeCl_{4}+2H_{2}O}}.}

При нагревании разрушает соли более слабых кислот с образованием германатов:

Na_{2}GeO_{3}+CO_{2}}}.}

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

Na_{2}GeO_{3},Na_{6}GeO_{5},Na_{4}GeO_{4}}}.}

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. 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.

Диоксид германия также используется в качестве катализатора при производстве полиэтилентерефталевой смолы.

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

Токсичность

Диоксид германия имеет низкую токсичность, но при более высоких дозах является нефротоксином. Диоксид германия используется в некоторых БАДах.