저메인

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1. 개요

저메인은 무색의 자극적인 냄새가 나는 가연성 기체로, 게르마늄과 수소로 분해되며 연소 시 유독한 이산화 게르마늄이 생성된다. 목성의 대기에서 발견되며, 화학적 환원법, 전기화학적 환원법, 플라스마법으로 합성할 수 있다. 반도체 산업에서 게르마늄의 에피택셜 성장에 사용되며, 인화성이 높고 독성이 강해 흡입 시 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있다.

저메인 - [화학 물질]에 관한 문서

일반 정보

저메인의 구조식

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저메인 분자의 공-막대 모델

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저메인 분자의 공간 채우기 모델 ()

IUPAC 이름	저메인
다른 이름	수소화 게르마늄 게르마노메탄 모노게르만
화학식	GeH4
몰 질량	76.62 g/mol
외형	무색 기체
냄새	자극적인 냄새
밀도	3.3 kg/m³ (기체)
용해도	낮음
녹는점	-165 °C (108 K)
끓는점	-88 °C (185 K)
증기압	>1 atm
점성	17.21 μPa·s (이론적 추정)
분자 모양	사면체
쌍극자 모멘트	0 D (데바이)

식별자

CAS 등록번호	7782-65-2
ChemSpider ID	22420
PubChem CID	23984
KEGG	C15472
ChEBI	30443
Gmelin	587
RTECS	LY4900000
UN 번호	2192
UNII	619P6J82AE
InChI	1/GeH4/h1H4
SMILES	[H][Ge]([H])([H])[H]
표준 InChI	1S/GeH4/h1H4
표준 InChIKey	QUZPNFFHZPRKJD-UHFFFAOYSA-N

위험성

주요 위험	독성, 가연성, 공기 중에서 자연 발화 가능성 있음
NFPA 704	건강: 4 화재: 4 반응성: 3
GHS 신호어	위험
PEL (허용 노출 기준)	없음
IDLH (즉시 생명 또는 건강에 위험한 농도)	N.D.
REL (권장 노출 기준)	시간 가중 평균 (TWA) 0.2 ppm (0.6 mg/m³)
ICSC	ICSC 1244

기타 음이온	해당 없음
기타 화합물	메탄 실레인 스탄네인 플럼베인 저밀

2. 성질

저메인은 약한 산성을 띤다. 액체 암모니아에서 GeH₄는 이온화되어 NH₄⁺ 및 GeH₃⁻을 형성한다. 액체 암모니아에서 알칼리 금속과 함께 GeH₄는 반응하여 흰색 결정성 MGeH₃ 화합물을 생성한다. 칼륨 화합물(저메닐 칼륨 또는 트라이수소 게르마나이드 칼륨 KGeH₃) 및 루비듐 화합물(저메닐 루비듐 또는 트라이수소 게르마나이드 루비듐 RbGeH₃)은 염화 나트륨 구조를 가지며, 이는 트라이수소 게르마나이드 음이온 GeH₃⁻의 자유 회전을 의미한다. 반대로 세슘 화합물인 저메닐 세슘 또는 트라이수소 게르마나이드 세슘 CsGeH₃는 TlI의 변형된 염화 나트륨 구조를 갖는다.

무색의 자극적인 냄새가 나는 가연성 기체로, 비중은 공기를 1로 했을 때 2.645이다. 상온에서 안정하며, 280°C에서는 서서히, 375°C에서 급속하게 금속 게르마늄과 수소로 분해된다. 발화점은 약 150°C이므로, 상온의 공기 중에서는 자연 발화하지 않는다. 연소하면 유독한 이산화 게르마늄(GeO₂)이 생성된다.

3. 발생

저메인은 목성의 대기에서 발견되었다.

4. 합성

저메인의 합성은 다양한 방법으로 이루어진다. 주요 합성법으로는 화학적 환원법, 전기화학적 환원법, 플라스마법이 있다.

* 화학적 환원법: 게르마늄 화합물을 수소화물 시약으로 환원
* 전기화학적 환원법: 게르마늄 금속 음극에 전압을 가하여 환원
* 플라스마법: 고주파 플라스마 소스를 사용하여 게르마늄 금속과 수소 원자를 충돌

실험실 규모에서는 게르마늄(IV) 화합물과 수소화물 시약을 반응시켜 게르마늄을 제조할 수 있다. 전형적인 합성은 게르마늄산 나트륨과 붕수소화 칼륨의 반응을 포함한다.

: NaHGeO₃ + KBH₄ + H₂O → KGeH₃ + KB(OH)₄
: KGeH₃ + HO₂CCH₃ → GeH₄ + KO₂CCH₃

4.1. 화학적 환원법

저메인은 일반적으로 게르마늄 산화물, 특히 게르마늄산염을 붕수소화 나트륨, 붕수소화 칼륨, 붕수소화 리튬, 수소화 알루미늄 리튬, 수소화 알루미늄 나트륨과 같은 수소화물 시약으로 환원시켜 제조한다. 붕수소화물과의 반응은 다양한 산에 의해 촉매되며 용매인 수용액 또는 유기 용매에서 수행될 수 있다. 실험실 규모에서는 게르마늄(IV) 화합물과 이러한 수소화물 시약을 반응시켜 게르마늄을 제조할 수 있다.

화학적 환원법은 환원제를 사용하여 금속 게르마늄, 사염화 게르마늄, 이산화 게르마늄 등의 게르마늄 화합물을 환원시킨다. 반응은 물 또는 유기 용매 중에서 수행된다. 대표적인 합성법으로는 메타게르마늄산 나트륨과 수소 붕소 나트륨과의 반응이 있다.

: Na₂GeO₃ + NaBH₄ + H₂O → GeH₄ + 2 NaOH + NaBO₂

미국 특허 제4668502호에는 이산화 게르마늄과 수소 붕소 나트륨의 반응에 의한 게르메인 제조 공정이 발표되었다.

4.2. 전기화학적 환원법

몰리브덴이나 카드뮴과 같은 금속으로 구성된 양극 대 전극과 전해질 수용액에 담근 금속 게르마늄 음극에 전압을 가하여 전기화학적 환원법을 수행한다. 이 방법에서 음극에서는 게르마늄과 수소 기체가 발생하고, 양극은 반응하여 고체 산화 몰리브덴 또는 산화 카드뮴을 형성한다.

4.3. 플라스마법

플라스마법은 고주파 플라스마원을 사용하여 생성된 수소 원자(H)로 게르마늄 금속을 충돌시켜 게르메인과 다이게르메인을 생성하는 방법이다.

5. 반응

저메인은 약한 산성을 띤다. 액체 암모니아에서 GeH₄는 이온화되어 NH₄⁺ 및 GeH₃⁻을 형성한다. 액체 암모니아에서 알칼리 금속과 반응하여 흰색 결정성 MGeH₃ 화합물을 생성한다. 칼륨 화합물(저메닐 칼륨 또는 트라이수소 게르마나이드 칼륨 KGeH₃) 및 루비듐 화합물(저메닐 루비듐 또는 트라이수소 게르마나이드 루비듐 RbGeH₃)은 염화 나트륨 구조를 가지며, 이는 트라이수소 게르마나이드 음이온 GeH₃⁻의 자유 회전을 의미한다. 반면 세슘 화합물인 저메닐 세슘 또는 트라이수소 게르마나이드 세슘 CsGeH₃는 아이오딘화 탈륨(I)의 변형된 염화 나트륨 구조를 갖는다.

6. 반도체 산업에서의 이용

저메인은 열적 불안정성을 이용하여 반도체 산업에서 유기 금속 기상 성장법(MOVPE) 또는 화학 빔 에피택시를 사용한 저마늄의 에피택셜 성장에 사용된다. 아이소부틸저메인, 알킬저마늄 트리클로라이드, 다이메틸아미노저마늄 트리클로라이드와 같은 유기저메인 전구체는 MOVPE에 의한 Ge 함유 박막 증착을 위해 저메인보다 덜 위험한 액체 대체물로 연구되고 있다.

7. 안전성

저메인은 매우 인화성이 높고, 잠재적으로 자연 발화성이 있으며, 독성이 강한 기체이다. 1970년, 미국 산업위생전문가 회의(ACGIH)는 8시간 시간 가중 평균에 대한 직업적 노출 한계 값을 0.2 ppm(parts per million)으로 설정했다.

1시간 노출 시 쥐의 LC50은 622 ppm이다. 흡입 또는 노출은 권태감, 두통, 현기증, 기절, 호흡 곤란, 메스꺼움, 구토, 신장 손상 및 용혈 작용을 유발할 수 있다.

미국 교통부의 위험물 위험 등급은 2.3 유독 가스이다. 알신이나 스틸빈과 마찬가지로 용혈독이며, 동물 실험에서 헤모글로빈뇨를 일으키기 때문에, 일본에서는 독물 및 극물 취체법에 의해 의약품 외 극물로 지정되어 있다.