Kemiallisen alkuaineen germanium ominaisuudet. Tiedätkö kuinka germanium kiinnostaa kemiaa

Germanium (latinan sanasta Germanium), merkitty "Ge", Dmitri Ivanovitš Mendelejevin jaksollisen kemiallisten alkuaineiden järjestelmän IV:nnen ryhmän elementti; alkuaineen järjestysnumero on 32, atomimassa 72,59. Germanium on kiinteä aine, jolla on metallinen kiilto ja harmaanvalkoinen väri. Vaikka germaniumin väri on melko suhteellinen käsite, kaikki riippuu materiaalin pintakäsittelystä. Joskus se voi olla harmaata kuin teräs, joskus hopeaa ja joskus jopa musta. Ulkoisesti germanium on melko lähellä piitä. Nämä elementit eivät ole vain samanlaisia ​​toistensa kanssa, vaan niillä on myös suurelta osin samat puolijohdeominaisuudet. Niiden olennainen ero on se, että germanium on yli kaksi kertaa painavampaa kuin pii.

Luonnossa esiintyvä germanium on viiden stabiilin isotoopin seos, joiden massaluvut ovat 76, 74, 73, 32, 70. Vuonna 1871 kuuluisa kemisti, jaksollisen järjestelmän "isä", Dmitri Ivanovitš Mendelejev ennusti sen ominaisuudet ja olemassaolon. germanium. Hän kutsui tuolloin tuntematonta elementtiä "ecasiliconiksi", koska uuden aineen ominaisuudet olivat monella tapaa samanlaisia ​​kuin piin. Vuonna 1886 48-vuotias saksalainen kemisti K. Winkler löysi argirdiittia tutkittuaan täysin uuden kemiallisen alkuaineen luonnollisen seoksen koostumuksesta.

Aluksi kemisti halusi kutsua elementtiä neptuniumiksi, koska myös planeetta Neptunus ennustettiin paljon aikaisemmin kuin se löydettiin, mutta sitten hän huomasi, että tällaista nimeä oli jo käytetty yhden alkuaineen väärässä löydössä, joten Winkler päätti luopua tästä nimestä. Tiedemiestä pyydettiin nimeämään elementti kulmikas, joka käännöksessä tarkoittaa "kiistanalaista, kulmikasta", mutta Winkler ei hyväksynyt tätä nimeä, vaikka elementti numero 32 aiheutti todella paljon kiistaa. Tiedemies oli kansallisuudeltaan saksalainen, joten hän päätti lopulta nimetä alkuaineen germanium kotimaansa Saksan kunniaksi.

Kuten myöhemmin kävi ilmi, germanium ei ollut muuta kuin aiemmin löydetty "ekasilicium". 1900-luvun jälkipuoliskolle asti germaniumin käytännön käyttökelpoisuus oli melko kapea ja rajallinen. Metallin teollinen tuotanto alkoi vasta puolijohdeelektroniikan teollisen tuotannon alkamisen seurauksena.

Germanium on puolijohdemateriaali, jota käytetään laajalti elektroniikassa ja tekniikassa sekä mikropiirien ja transistorien valmistuksessa. Tutka-asennuksissa käytetään ohuita germaniumkalvoja, jotka levitetään lasille ja käytetään vastuksena. Germaniumin ja metallien seoksia käytetään ilmaisimissa ja antureissa.

Elementillä ei ole sellaista lujuutta kuin volframi tai titaani, se ei toimi ehtymättömänä energialähteenä, kuten plutonium tai uraani, materiaalin sähkönjohtavuus on myös kaukana korkeimmasta, ja teollisuustekniikassa päämetalli on rauta. Tästä huolimatta germanium on yksi yhteiskuntamme teknisen kehityksen tärkeimmistä komponenteista, koska se oli jopa aikaisemmin kuin piitä käytettiin puolijohdemateriaalina.

Tässä suhteessa olisi aiheellista kysyä: Mitä ovat puolijohteet ja puolijohteet? Edes asiantuntijat eivät voi vastata tähän kysymykseen varmasti, tk. voimme puhua tarkasteltavana olevien puolijohteiden tietystä ominaisuudesta. On myös tarkka määritelmä, mutta vain kansanperinteen alalta: Puolijohde - kapellimestari kahdelle autolle.

Germaniumharkko maksaa lähes saman verran kuin kultaharkko. Metalli on erittäin hauras, melkein kuin lasi, joten tällaisen harkon pudottamisen jälkeen on suuri todennäköisyys, että metalli yksinkertaisesti rikkoutuu.

Germaniummetalli, ominaisuudet

Biologiset ominaisuudet

Lääketieteellisiin tarkoituksiin germaniumia käytetään laajimmin Japanissa. Organogermaniumyhdisteiden testaustulokset eläimillä ja ihmisillä ovat osoittaneet, että niillä on myönteinen vaikutus kehoon. Vuonna 1967 japanilainen lääkäri K. Asai havaitsi, että orgaanisella germaniumilla on laaja biologinen vaikutus.

Kaikista sen biologisista ominaisuuksista on huomattava:

• - varmistaa hapen siirtyminen kehon kudoksiin;
• - kehon immuunijärjestelmän parantaminen;
• - kasvainten vastaisen aktiivisuuden ilmentymä.

Myöhemmin japanilaiset tutkijat loivat maailman ensimmäisen germaniumia sisältävän lääketieteellisen tuotteen - "Germanium - 132".

Venäjällä ensimmäinen orgaanista germaniumia sisältävä kotimainen lääke ilmestyi vasta vuonna 2000.

Maankuoren pinnan biokemialliset evoluutioprosessit eivät vaikuttaneet parhaiten sen germaniumpitoisuuteen. Suurin osa alkuaineesta on huuhtoutunut maasta valtameriin, joten sen pitoisuus maaperässä on edelleen melko alhainen.

Niistä kasveista, joilla on kyky imeä germaniumia maaperästä, johtava on ginseng (germanium jopa 0,2%). Germaniumia on myös valkosipulissa, kamferissa ja aloessa, joita käytetään perinteisesti erilaisten ihmisten sairauksien hoidossa. Kasvillisuudessa germanium löytyy karboksietyylihemioksidin muodossa. Nyt on mahdollista syntetisoida seskvioksaaneja pyrimidiinifragmentilla - germaniumin orgaanisilla yhdisteillä. Tämä yhdiste on rakenteeltaan lähellä luonnollista, kuten ginseng-juuressa.

Germanium voidaan luokitella harvinaiseksi hivenaineeksi. Sitä esiintyy useissa eri elintarvikkeissa, mutta pieninä annoksina. Orgaanisen germaniumin päiväsaanti on 8-10 mg. 125 ruoan arviointi osoitti, että noin 1,5 mg germaniumia nautitaan päivittäin ruoan kanssa. Hivenainepitoisuus 1 grammassa raakaruokaa on noin 0,1 - 1,0 μg. Germaniumia löytyy maidosta, tomaattimehusta, lohesta ja papuista. Mutta Saksan päivittäisen tarpeen tyydyttämiseksi sinun tulisi juoda 10 litraa tomaattimehua päivittäin tai syödä noin 5 kiloa lohta. Näiden tuotteiden kustannusten, ihmisen fysiologisten ominaisuuksien ja terveen järjen kannalta ei myöskään ole mahdollista käyttää tällaista määrää germaniumia sisältäviä tuotteita. Venäjän alueella noin 80-90 prosentilla väestöstä on puutetta germaniumista, minkä vuoksi on kehitetty erityisiä valmisteita.

Käytännön tutkimukset ovat osoittaneet, että elimistössä germaniumia on eniten suolistossa, mahassa, pernassa, luuytimessä ja veressä. Korkea mikroelementin pitoisuus suolistossa ja mahassa osoittaa lääkkeen veren imeytymisprosessin pitkittyneen vaikutuksen. Oletetaan, että orgaaninen germanium käyttäytyy veressä suunnilleen samalla tavalla kuin hemoglobiini, ts. sillä on negatiivinen varaus ja se osallistuu hapen siirtoon kudoksiin. Siten se estää hypoksian kehittymisen kudostasolla.

Toistuvien kokeiden tuloksena germaniumin ominaisuuden osoitettiin aktivoivan tappaja-T-soluja ja edistävän gamma-interferonien induktiota, jotka estävät nopeasti jakautuvien solujen lisääntymisprosessia. Interferonien pääasiallinen vaikutussuunta on antituumori- ja virussuoja, imusolmukkeiden radiosuojaavat ja immunomoduloivat toiminnot.

Seskvioksidin muodossa oleva germanium pystyy vaikuttamaan vetyioneihin H + tasoittamalla niiden tuhoavaa vaikutusta kehon soluihin. Takuu ihmiskehon kaikkien järjestelmien erinomaisesta toiminnasta on jatkuva hapen saanti vereen ja kaikkiin kudoksiin. Orgaaninen germanium ei vain toimita happea kaikkiin kehon osiin, vaan myös edistää sen vuorovaikutusta vetyionien kanssa.

• - Germanium on metalli, mutta sen haurautta voi verrata lasiin.
• - Jotkut hakuteokset väittävät, että germaniumilla on hopea väri. Mutta tätä ei voida sanoa, koska germaniumin väri riippuu suoraan metallipinnan käsittelymenetelmästä. Joskus se voi näyttää melkein mustalta, toisinaan se on väriltään terästä ja joskus se voi olla hopeaa.
• - Germaniumia löydettiin auringon pinnasta sekä avaruudesta pudonneista meteoriiteista.
• - Ensimmäistä kertaa orgaaninen alkuaineyhdiste germanium sai alkuaineen löytäjä Clemens Winkler germaniumtetrakloridista vuonna 1887; se oli tetraetyyligermanium. Kaikista tässä vaiheessa saaduista germaniumin organoelementtiyhdisteistä mikään ei ole myrkyllistä. Samanaikaisesti suurin osa organotina- ja lyijymikroelementeistä, jotka ovat fysikaalisilta ominaisuuksiltaan samanlaisia ​​kuin germanium, ovat myrkyllisiä.
• - Dmitri Ivanovitš Mendelejev ennusti kolme kemiallista alkuainetta jo ennen niiden löytämistä, mukaan lukien germanium, ja kutsui elementtiä ekasilikiksi sen samankaltaisuuden vuoksi piin kanssa. Kuuluisan venäläisen tiedemiehen ennustus oli niin tarkka, että se yksinkertaisesti hämmästytti tutkijoita, mukaan lukien. ja Winkler, joka löysi germaniumin. Atomipaino Mendelejevin mukaan oli 72, todellisuudessa 72,6; ominaispaino Mendelejevin mukaan oli todellisuudessa 5,5 - 5,469; atomitilavuus Mendelejevin mukaan oli todellisuudessa 13 - 13,57; korkein oksidi Mendeleevin mukaan EsO2, todellisuudessa - GeO2, sen ominaispaino Mendelejevin mukaan oli 4,7, todellisuudessa - 4,703; klooriyhdiste Mendeleevin mukaan EsCl4 - neste, kiehumispiste noin 90 ° C, todellisuudessa - kloridiyhdiste GeCl4 - neste, kiehumispiste 83 ° C, yhdiste vedyn kanssa Mendeleevin mukaan EsH4 kaasumainen, yhdiste vedyn kanssa todellisuudessa - GeH4 kaasumainen; Mendeleev Es (C2H5) 4:n mukainen organometalliyhdiste, kiehumispiste 160 °C, organometalliyhdiste todellisuudessa - Ge (C2H5) 4 kiehumispiste 163,5 °C. Kuten edellä käsitellyistä tiedoista näkyy, Mendelejevin ennustus oli yllättävän tarkka.
• - Clemens Winkler aloitti 26. helmikuuta 1886 kirjeen Mendelejeville sanoilla "Dear Sir". Melko kohteliaasti hän kertoi venäläiselle tiedemiehelle uuden alkuaineen, germaniumin, löydöstä, joka ominaisuuksiltaan oli vain Mendelejevin aiemmin ennustettu "ekasilikoni". Dmitri Ivanovitš Mendelejevin vastaus ei ollut yhtä kohtelias. Tiedemies oli samaa mieltä kollegansa löydöstä ja kutsui germaniumia "jaksollisen järjestelmänsä kruunuksi" ja Winkleria elementin "isäksi", joka on arvoinen käyttämään tätä "kruunua".
• - Germaniumista klassisena puolijohteena on tullut avain ongelman ratkaisemiseen, kun luodaan suprajohtavia materiaaleja, jotka toimivat nestemäisen vedyn lämpötilassa, mutta eivät nestemäisen heliumin lämpötilassa. Kuten tiedät, vety muuttuu nestemäiseksi kaasumaisesta tilasta, kun lämpötila saavuttaa -252,6 ° C tai 20,5 ° K. 1970-luvulla kehitettiin germanium- ja niobikalvokalvo, jonka paksuus oli vain muutama tuhat atomia. Tämä kalvo pystyy ylläpitämään suprajohtavuutensa, vaikka lämpötila saavuttaisi 23,2 °K tai sen alle.
• - Kun kasvatetaan germaniumyksikidettä, sulan germaniumin pinnalle asetetaan germaniumkide - "siemen", jota nostetaan vähitellen automaattisella laitteella, samalla kun sulamislämpötila on hieman korkeampi kuin germaniumin sulamispiste (937 °). C). "Siemen" pyörii niin, että yksikiteinen, kuten sanotaan, "kasvaa lihaa" kaikilta puolilta tasaisesti. On huomattava, että tällaisen kasvun aikana tapahtuu samaa kuin vyöhykkeen sulamisprosessissa, ts. käytännössä vain germanium siirtyy kiinteään faasiin ja kaikki epäpuhtaudet jäävät sulatteeseen.

Historia

Sellaisen alkuaineen kuin germaniumin olemassaolon ennusti jo vuonna 1871 Dmitri Ivanovitš Mendelejev, koska sen yhtäläisyydet piin kanssa, elementti nimettiin ekasilicium. Vuonna 1886 Freibergin kaivosakatemian professori löysi argyrodiitin, uuden hopean mineraalin. Sitten teknisen kemian professori Clemens Winkler tutki tätä mineraalia melko huolellisesti suorittaen mineraalin täydellisen analyysin. 48-vuotiasta Winkleria pidettiin perustellusti Freibergin kaivosakatemian parhaana analyytikona, minkä vuoksi hänelle annettiin mahdollisuus tutkia argyrodiittia.

Melko lyhyessä ajassa professori pystyi toimittamaan raportin eri alkuaineiden prosenttiosuudesta alkuperäisessä mineraalissa: hopeaa sen koostumuksessa oli 74,72%; rikki - 17,13 %; rautaoksidi - 0,66%; elohopea - 0,31%; sinkkioksidi - 0,22%.Mutta lähes seitsemän prosenttia oli jonkin käsittämättömän alkuaineen osuus, jota ei ilmeisesti ollut vielä löydetty tuolloin. Tämän yhteydessä Winkler päätti eristää argyrodptin tunnistamattoman komponentin, tutkia sen ominaisuuksia ja tajusi tutkimusprosessin aikana löytäneensä täysin uuden elementin - se oli D.I.:n ennustama selitys. Mendelejev.

Olisi kuitenkin väärin ajatella, että Winklerin työ sujui ongelmitta. Dmitri Ivanovitš Mendelejev kirjoittaa kirjansa "Kemian perusteet" kahdeksannen luvun lisäksi: "Aluksi (helmikuussa 1886) materiaalin puute, samoin kuin spektrin puuttuminen liekistä ja germaniumyhdisteiden liukoisuus vaikeutti vakavasti Winklerin tutkimusta ..." On syytä kiinnittää huomiota sanoihin "spektrin puute". Mutta miten se on? Vuonna 1886 laajalti käytetty spektrianalyysimenetelmä oli jo olemassa. Tällä menetelmällä löydettiin sellaisia ​​alkuaineita kuin tallium, rubidium, indium, cesium maan päällä ja helium Auringosta. Tiedemiehet tiesivät jo varmasti, että jokaisella kemiallisella elementillä poikkeuksetta on yksilöllinen spektri, ja sitten yhtäkkiä spektriä ei ole!

Selitys tälle ilmiölle ilmestyi hieman myöhemmin. Germaniumilla on tyypillisiä spektriviivoja. Niiden aallonpituus on 2651,18; 3039.06 Ǻ ja muutama muu. Ne kaikki sijaitsevat kuitenkin spektrin ultravioletti-näkymättömässä osassa, ja onneksi Winkler on perinteisten analyysimenetelmien kannattaja, koska juuri nämä menetelmät johtivat hänet menestykseen.

Winklerin käyttämä menetelmä germaniumin saamiseksi mineraalista on melko lähellä yhtä nykyaikaisista teollisista menetelmistä 32. alkuaineen uuttamiseksi. Ensin argardantin sisältämä germanium muutettiin dioksidiksi. Sitten saatu valkoinen jauhe kuumennettiin 600-700 °C:n lämpötilaan vetyatmosfäärissä. Tässä tapauksessa reaktio osoittautui ilmeiseksi: GeO 2 + 2H 2 → Ge + 2H 2 O.

Tällä menetelmällä saatiin ensimmäisen kerran suhteellisen puhdas alkuaine nro 32, germanium. Aluksi Winkler aikoi nimetä vanadiinineptuniumin samannimisen planeetan kunniaksi, koska Neptunus, kuten germanium, ennustettiin ensin ja vasta sitten löydettiin. Mutta sitten kävi ilmi, että tällaista nimeä oli jo käytetty kerran, yksi väärin löydetty kemiallinen alkuaine nimettiin neptuniumiksi. Winkler päätti olla tinkimättä nimestään ja löydöstään ja hylkäsi neptuniumin. Eräs ranskalainen tiedemies Rayon ehdotti kuitenkin, sitten hän tunnusti ehdotuksensa vitsiksi, ehdotti kutsumaan elementtiä kulmikkaaksi, ts. "Kiistanalainen, kulmikas", mutta tämä nimi ei pitänyt Winkleristä. Seurauksena oli, että tiedemies valitsi itsenäisesti elementilleen nimen ja kutsui sitä germaniumiksi kotimaansa Saksan kunniaksi, ajan myötä tämä nimi perustettiin.

2. kerrokseen asti. XX vuosisadalla germaniumin käyttö käytännössä jäi melko rajalliseksi. Metallin teollinen tuotanto syntyi vasta puolijohteiden ja puolijohdeelektroniikan kehityksen yhteydessä.

Luonnossa oleminen

Germanium voidaan luokitella hivenaineeksi. Luonnossa elementtiä ei esiinny ollenkaan vapaassa muodossa. Planeettamme maankuoren kokonaismetallipitoisuus on massaltaan 7 × 10 −4 %. Tämä on enemmän kuin kemiallisten alkuaineiden, kuten hopean, antimonin tai vismutin, pitoisuus. Mutta sen omat mineraalit, germanium, ovat melko niukkoja ja niitä löytyy hyvin harvoin luonnosta. Lähes kaikki näistä mineraaleista ovat sulfosuoloja, esimerkiksi germaniitti Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4, konfildiitti Ag 8 (Sn, Ce) S 6, argyrodiitti Ag8GeS6 ja muut.

Suurin osa maankuoreen hajallaan olevasta germaniumista sisältyy valtavaan määrään kiviä, samoin kuin monet mineraalit: ei-rautametallien sulfiittimalmit, rautamalmit, jotkut oksidimineraalit (kromiitti, magnetiitti, rutiili ja muut). ), graniitit, diabaasit ja basaltit. Joidenkin sfaleriittien koostumuksessa alkuainepitoisuus voi olla useita kilogrammoja per tonni, esimerkiksi frankiitissa ja sulvaniitissa 1 kg / t, enargiiteissa germaniumpitoisuus on 5 kg / t, pyrargyriitissa - jopa 10 kg / t , mutta muissa silikaateissa ja sulfideissa - kymmeniä ja satoja g/t. Pieni osa germaniumia on lähes kaikissa silikaateissa sekä joissakin öljy- ja hiiliesiintymissä.

Alkuaineen päämineraali on germaniumsulfiitti (kaava GeS2). Mineraali löytyy epäpuhtautena sinkkisulfiteista ja muista metalleista. Germaniumin tärkeimmät mineraalit ovat: germaniitti Cu 3 (Ge, Fe, Ga) (S, As) 4, plumbogermaniitti (Pb, Ge, Ga) 2 SO 4 (OH) 2 2H 2 O, stottiitti FeGe (OH) 6 , reneriitti Cu 3 (Fe, Ge, Zn) (S, As) 4 ja argyrodiitti Ag 8 GeS 6.

Saksa on läsnä kaikkien valtioiden alueilla poikkeuksetta. Mutta missään maailman teollisesti kehittyneistä maista ei ole tämän metallin teollisia esiintymiä. Germanium on hyvin, hyvin hajallaan. Maapallolla tämän metallin mineraaleja pidetään erittäin harvinaisina, ja germaniumpitoisuus on yli vähintään 1%. Tällaisia ​​mineraaleja ovat germaniitti, argyrodiitti, ultrabasiitti jne., mukaan lukien viime vuosikymmeninä löydetyt mineraalit: shtotiitti, renieriitti, plumboermaniitti ja konfildiitti. Kaikkien näiden mineraalien esiintymät eivät pysty kattamaan nykyaikaisen teollisuuden kysyntää tälle harvinaiselle ja tärkeälle kemialliselle alkuaineelle.

Suurin osa germaniumista on dispergoitunut muiden kemiallisten alkuaineiden mineraaleihin, ja sitä löytyy myös luonnollisista vesistä, hiilestä, elävistä organismeista ja maaperästä. Esimerkiksi germaniumpitoisuus tavallisessa hiilessä saavuttaa joskus yli 0,1 %. Mutta tällainen luku on melko harvinainen, yleensä germaniumin osuus on pienempi. Mutta antrasiitissa ei ole juuri lainkaan germaniumia.

Vastaanottaminen

Germaniumsulfidia käsiteltäessä saadaan GeO 2 -oksidia, joka pelkistetään vedyn avulla vapaan germaniumin saamiseksi.

Teollisessa tuotannossa germaniumia louhitaan pääasiassa sivutuotteena ei-rautametallimalmien (sinkkiseos, sinkki-kupari-lyijypolymetallirikasteet, jotka sisältävät 0,001-0,1 % germaniumia), kivihiilen poltosta syntyvän tuhkan ja joitakin koksikemiallisia tuotteita.

Aluksi germaniumrikastetta (2 % - 10 % germaniumia) eristetään edellä mainituista lähteistä eri tavoilla, joiden valinta riippuu raaka-aineen koostumuksesta. Nyrkkeilyhiilen jalostuksessa germanium saostetaan osittain (5-10 %) suprahartsivedeksi ja hartsiksi, josta se uutetaan kompleksiksi tanniinin kanssa, minkä jälkeen se kuivataan ja poltetaan 400 °C:n lämpötilassa. -500 °C. Tuloksena on tiiviste, joka sisältää noin 30-40 % germaniumia, josta germanium eristetään GeCl 4:n muodossa. Germaniumin uuttamisprosessi tällaisesta rikasteesta sisältää pääsääntöisesti samat vaiheet:

1) Konsentraatti kloorataan käyttämällä suolahappoa, hapon ja kloorin seosta vesipitoisessa väliaineessa tai muita klooraavia aineita, jotka voivat johtaa tekniseen GeCl 4:ään. GeCl4:n puhdistamiseen käytetään väkevän suolahapon rektifiointia ja epäpuhtauksien uuttamista.

2) GeCl 4:n hydrolyysi suoritetaan, hydrolyysituotteita kalsinoidaan, kunnes saadaan oksidi GeO 2.

3) GeO pelkistetään vedyllä tai ammoniakilla puhtaaksi metalliksi.

Kun saadaan puhtainta germaniumia, jota käytetään puolijohdeteknisissä välineissä, suoritetaan metallin vyöhykesulatus. Puolijohteiden valmistukseen tarvittava yksikiteinen germanium saadaan yleensä vyöhykesulatuksella tai Czochralskin menetelmällä.

Neuvostoliiton tiedemies V.A. kehitti menetelmiä germaniumin eristämiseksi koksin sivutuotetehtaiden supratervavesistä. Nazarenko. Tässä raaka-aineessa germanium on enintään 0,0003%, mutta käyttämällä niistä saatua tammiuutetta on helppo saostaa germanium tannidikompleksin muodossa.

Tanniinin pääainesosa on glukoosiesteri, jossa on meta-digalliinihapporadikaali, joka sitoo germaniumia, vaikka alkuaineen pitoisuus liuoksessa on hyvin pieni. Sedimentistä saa helposti rikasteen, jonka germaniumdioksidipitoisuus on jopa 45 %.

Myöhemmät muutokset eivät enää riipu raaka-aineen tyypistä. Germanium pelkistyy vedyllä (kuten Winkler 1800-luvulla), mutta ensin on tarpeen eristää germaniumoksidi lukuisista epäpuhtauksista. Yhden germaniumyhdisteen ominaisuuksien onnistunut yhdistelmä osoittautui erittäin hyödylliseksi tämän ongelman ratkaisemisessa.

germaniumtetrakloridi GeCl4. On haihtuva neste, joka kiehuu vain 83,1 °C:ssa. Siksi se puhdistetaan melko kätevästi tislaamalla ja rektifioimalla (pakatuissa kvartsikolonneissa).

GeCl4 on lähes liukenematon kloorivetyhappoon. Tämä tarkoittaa, että epäpuhtauksien liuottamista HCl:lla voidaan käyttää sen puhdistamiseen.

Puhdistettu germaniumtetrakloridi käsitellään vedellä, puhdistetaan ioninvaihtohartseilla. Merkki vaaditusta puhtaudesta on veden ominaisvastuksen nousu 15-20 miljoonaan ohmiin · cm.

GeCl4:n hydrolyysi tapahtuu veden vaikutuksesta:

GeCl4 + 2H2O → GeO2 + 4HCl.

Voidaan huomata, että meillä on edessämme "käänteinen" yhtälö germaniumtetrakloridin saamisreaktiolle.

Sen jälkeen GeO2 pelkistetään käyttämällä puhdistettua vetyä:

GeO2 + 2 H2O → Ge + 2 H2O.

Tuloksena saadaan jauhettua germaniumia, joka seostetaan ja puhdistetaan sitten vyöhykesulatusmenetelmällä. Tämä puhdistusmenetelmä kehitettiin jo vuonna 1952 erityisesti germaniumin puhdistamiseen.

Epäpuhtaudet, jotka ovat välttämättömiä yhden tai toisen tyyppisen johtavuuden aikaansaamiseksi germaniumille, lisätään tuotannon viimeisissä vaiheissa, nimittäin vyöhykkeen sulamisen aikana, samoin kuin yksittäisen kiteen kasvun aikana.

Sovellus

Germanium on puolijohdemateriaali, jota käytetään elektroniikassa ja tekniikassa mikropiirien ja transistorien valmistuksessa. Ohuimmat germaniumkalvot levitetään lasille, jota käytetään vastuksena tutka-asennuksissa. Germaniumin ja eri metallien seoksia käytetään ilmaisimien ja antureiden valmistuksessa. Germaniumdioksidia käytetään laajalti infrapunasäteilyä läpäisevien lasien valmistuksessa.

Germaniumtelluridi on pitkään ollut vakaa lämpösähköinen materiaali sekä osa lämpösähköisiä metalliseoksia (termosähköinen emf 50 μV / K) Erittäin puhtaalla germaniumilla on poikkeuksellisen strateginen rooli infrapunaoptiikan prismien ja linssien valmistuksessa. Suurin germaniumin kuluttaja on juuri infrapunaoptiikka, jota käytetään tietotekniikassa, tähtäys- ja ohjusten ohjausjärjestelmissä, pimeänäkölaitteissa, maanpinnan kartoittamisessa ja tutkimisessa satelliiteista. Germaniumia käytetään laajalti myös valokuitujärjestelmissä (germaniumtetrafluoridin lisääminen lasikuituihin) sekä puolijohdediodeissa.

Germaniumista klassisena puolijohteena on tullut avain ongelman ratkaisemiseksi, kun luodaan suprajohtavia materiaaleja, jotka toimivat nestemäisen vedyn lämpötilassa, mutta eivät nestemäisen heliumin lämpötilassa. Kuten tiedät, vety siirtyy nestemäiseen tilaan kaasumaisesta tilasta, kun lämpötila saavuttaa -252,6 ° C tai 20,5 ° K. 1970-luvulla kehitettiin germanium- ja niobikalvokalvo, jonka paksuus oli vain muutama tuhat atomia. Tämä kalvo pystyy ylläpitämään suprajohtavuutensa, vaikka lämpötila saavuttaisi 23,2 °K tai sen alle.

Sulattamalla indium HES-levyyn, jolloin muodostuu alue, jolla on ns. reikäjohtavuus, saadaan tasasuuntauslaite, ts. diodi. Diodilla on ominaisuus siirtää sähkövirta yhteen suuntaan: elektronialue alueelta, jossa on reikäjohto. Kun indium on sulatettu HES-levyn molemmille puolille, tämä levy muuttuu transistorin pohjaksi. Ensimmäistä kertaa maailmassa germaniumtransistori luotiin vuonna 1948, ja vain kahdenkymmenen vuoden kuluttua valmistettiin satoja miljoonia tällaisia ​​​​laitteita.

Germanium- ja triodeihin perustuvia diodeja on käytetty laajalti televisioissa ja radioissa, monenlaisissa mittalaitteissa ja laskentalaitteissa.

Germaniumia käytetään myös muilla erityisen tärkeillä modernin tekniikan alueilla: alhaisten lämpötilojen mittaamisessa, infrapunasäteilyn havaitsemisessa jne.

Harjan käyttäminen kaikilla näillä alueilla vaatii erittäin korkean kemiallisen ja fysikaalisen puhtauden olevan germaniumia. Kemiallinen puhtaus on sellaista puhtautta, että haitallisten epäpuhtauksien määrä ei saisi olla yli kymmenen miljoonasosaa (10 -7 %). Fysikaalisella puhtaudella tarkoitetaan mahdollisimman vähän dislokaatioita, mahdollisimman vähän aineen kiderakenteen rikkomuksia. Tämän saavuttamiseksi yksikiteistä germaniumia kasvatetaan erityisesti. Tässä tapauksessa koko metalliharkko on vain yksi kide.

Tätä varten sulan germaniumin pinnalle asetetaan germaniumkide - "siemen", jota nostetaan vähitellen automaattisella laitteella, samalla kun sulamislämpötila on hieman korkeampi kuin germaniumin sulamispiste (on 937 ° C). "Siemen" pyörii niin, että yksikiteinen, kuten sanotaan, "kasvaa lihaa" kaikilta puolilta tasaisesti. On huomattava, että tällaisen kasvun aikana tapahtuu samaa kuin vyöhykkeen sulamisprosessissa, ts. käytännössä vain germanium siirtyy kiinteään faasiin ja kaikki epäpuhtaudet jäävät sulatteeseen.

Fyysiset ominaisuudet

Todennäköisesti vain harvat tämän artikkelin lukijat joutuivat näkemään vanadiinin selvästi. Elementti itsessään on varsin niukka ja kallis, siitä ei tehdä kulutushyödykkeitä ja sähkölaitteissa tapahtuva germaniumin täyttö on niin pieni, että metallia on mahdoton nähdä.

Jotkut hakuteokset väittävät, että germaniumilla on hopea väri. Mutta tätä ei voida sanoa, koska germaniumin väri riippuu suoraan metallipinnan käsittelymenetelmästä. Joskus se voi näyttää melkein mustalta, toisinaan se on väriltään terästä ja joskus se voi olla hopeaa.

Germanium on niin harvinainen metalli, että sen harkon arvoa voidaan verrata kullan arvoon. Germaniumille on ominaista lisääntynyt hauraus, jota voidaan verrata vain lasiin. Ulkoisesti germanium on tarpeeksi lähellä piitä. Nämä kaksi elementtiä kilpailevat sekä tärkeimmän puolijohteen että analogien otsikosta. Vaikka osa elementin teknisistä ominaisuuksista on pitkälti samankaltaisia, materiaalien ulkonäön suhteen germanium on erittäin helppo erottaa piistä, germanium on yli kaksi kertaa raskaampaa. Piin tiheys on 2,33 g / cm3 ja germaniumin tiheys on 5,33 g / cm3.

Mutta germaniumin tiheydestä ei voida puhua yksiselitteisesti, koska luku 5,33 g/cm3 viittaa germanium-1:een. Tämä on yksi tärkeimmistä ja yleisimmistä modifikaatioista 32. elementin viidestä allotrooppisesta modifikaatiosta. Niistä neljä on kiteistä ja yksi amorfista. Germanium-1 on kevyin neljästä kiteisestä. Sen kiteet on rakennettu täsmälleen samalla tavalla kuin timanttikiteet, a = 0,533 nm. Jos tämä rakenne on kuitenkin maksimaalisen tiheä hiilelle, niin germaniumissa on myös tiheämpiä modifikaatioita. Kohtalainen kuumennus ja korkea paine (noin 30 tuhatta ilmakehää 100 °C:ssa) muuntaa germanium-1:n germanium-2:ksi, jonka kidehilan rakenne on täsmälleen sama kuin valkoisen tinan. Käytämme samaa menetelmää germanium-3:n ja germanium-4:n saamiseksi, jotka ovat vielä tiheämpiä. Kaikki nämä "ei aivan tavalliset" modifikaatiot ylittävät germanium-1:n ei vain tiheydellä, vaan myös sähkönjohtavuudella.

Nestemäisen germaniumin tiheys on 5,557 g / cm3 (1000 ° C:ssa), metallin sulamispiste on 937,5 ° C; kiehumispiste on noin 2700 °C; lämmönjohtavuuskertoimen arvo on noin 60 W / (m (K) tai 0,14 cal / (cm (sek (deg))) 25 °C:n lämpötilassa. Normaalilämpötiloissa puhdas germaniumkin on hauras, mutta kun se saavuttaa 550 ° C: se alkaa alistua mineralogisen asteikon mukaan germaniumin kovuus on 6 - 6,5; puristuvuuskertoimen arvo (painealueella 0 - 120 Gn / m2 tai 0 - 12 000 kgf / mm 2) on 1,4 · 10-7 m 2 / mn (tai 1,4 · 10-6 cm 2 / kgf); pintajännityksen ilmaisin on 0,6 n / m (tai 600 dyne / cm).

Germanium on tyypillinen puolijohde, jonka kaistaväli on 1,104 · 10 -19 tai 0,69 eV (25 °C:n lämpötilassa); erittäin puhtaan germaniumin resistiivisyys on 0,60 ohmia (m (60 ohm (cm) (25 °C)); elektronien liikkuvuusindeksi on 3900 ja reiän liikkuvuus on 1900 cm 2 / v. s) (25 °C:ssa ja pitoisuus 8 % epäpuhtauksista) Infrapunasäteillä, joiden aallonpituus on yli 2 mikronia, metalli on läpinäkyvää.

Germanium on melko hauras, se ei sovellu kuuma- tai kylmäpainekäsittelyyn alle 550 °C:n lämpötiloissa, mutta jos lämpötila nousee, metalli on sitkeä. Metallin kovuus mineralogisessa mittakaavassa on 6,0-6,5 (germanium sahataan levyiksi metalli- tai timanttilevyllä ja hioma-aineella).

Kemiallisia ominaisuuksia

Kemiallisissa yhdisteissä olevilla germaniumilla on yleensä toinen ja neljäs valenssi, mutta neliarvoiset germaniumyhdisteet ovat vakaampia. Germanium huoneenlämpötilassa kestää veden, ilman, samoin kuin alkaliliuosten ja laimeiden rikki- tai kloorivetyhapon tiivisteiden vaikutusta, mutta alkuaine liukenee melko helposti vesiregiaan tai vetyperoksidin emäksiseen liuokseen. Alkuaine hapettuu hitaasti typpihapon vaikutuksesta. Kun ilman lämpötila saavuttaa 500-700 °C, germanium alkaa hapettua oksideiksi GeO 2 ja GeO. (Iv) germaniumoksidi on valkoista jauhetta, jonka sulamispiste on 1116 °C ja vesiliukoisuus 4,3 g / l (20 °C:ssa). Kemiallisten ominaisuuksiensa mukaan aine on amfoteerinen, liukenee emäksiin, vaikeasti mineraalihappoon. Sitä saadaan tunkeutumalla hydratoituneeseen saostumaan GeO 3 nH 2 O, joka vapautuu hydrolyysin aikana. Germaniumhappojen johdannaiset, esimerkiksi metalligermanaatit (Na 2 GeO 3, Li 2 GeO 3 jne.) ovat kiinteitä aineita, joilla on korkea sulamispisteet voidaan saada sulattamalla GeO 2:ta ja muita oksideja.

Germaniumin ja halogeenien vuorovaikutuksen seurauksena voi muodostua vastaavia tetrahalogenideja. Reaktio on helpoin edetä kloorilla ja fluorilla (jopa huoneenlämpötilassa), sitten jodilla (lämpötila 700-800 °C, CO:n läsnäolo) ja bromilla (alhaisella lämmityksellä). Yksi tärkeimmistä germaniumin yhdisteistä on tetrakloridi (kaava GeCl 4). Se on väritön neste, jonka sulamispiste on 49,5 ° C, kiehumispiste 83,1 ° C ja tiheys 1,84 g / cm3 (20 ° C:ssa). Aine hydrolysoituu voimakkaasti veden kanssa, jolloin muodostuu hydratoituneen oksidin (IV) sakan. Tetrakloridia saadaan klooraamalla metallista germaniumia tai reagoimalla GeO 2 -oksidin ja väkevän suolahapon välillä. Tunnetaan myös germaniumdihalogenidit, joilla on yleinen kaava GeX 2, heksaklooridigermaani Ge 2 Cl 6, GeCl-monokloridi ja germaniumoksikloridit (esimerkiksi СеОСl 2).

Saavutettuaan 900-1000 °C:n rikki vuorovaikuttaa voimakkaasti germaniumin kanssa muodostaen GeS2-disulfidin. Se on valkoinen kiinteä aine, jonka sulamispiste on 825 °C. GeS-monosulfidin ja vastaavien germaniumyhdisteiden muodostuminen telluurin ja seleenin kanssa, jotka ovat puolijohteita, ovat myös mahdollisia. Lämpötilassa 1000-1100 °C vety reagoi hieman germaniumin kanssa muodostaen germinen (GeH) X, joka on epästabiili ja erittäin haihtuva yhdiste. Sarjan Ge n H 2n + 2 - Ge 9 H 20 germaanista vetyä voidaan muodostaa germanidien ja laimean HCl:n vuorovaikutuksessa. Tunnetaan myös germyleeni koostumuksella GeH 2. Germanium ei reagoi suoraan typen kanssa, mutta siinä on nitridi Ge 3 N 4, jota saadaan, kun germanium altistetaan ammoniakille (700-800 ° C). Germanium ei ole vuorovaikutuksessa hiilen kanssa. Monien metallien kanssa germanium muodostaa erilaisia ​​yhdisteitä - germanideja.

Tunnetaan monia monimutkaisia ​​germaniumyhdisteitä, jotka ovat yhä tärkeämpiä alkuaineen germaniumin analyyttisessä kemiassa sekä kemiallisen alkuaineen valmistusprosesseissa. Germanium pystyy muodostamaan monimutkaisia ​​yhdisteitä hydroksyyliä sisältävien orgaanisten molekyylien kanssa (moniarvoiset alkoholit, moniemäksiset hapot ja muut). On myös germaniumheteropolyhappoja. Kuten muutkin IV-ryhmän alkuaineet, germanium muodostaa tyypillisesti organometallisia yhdisteitä. Esimerkki on tetraetyyligermaani (C 2 H 5) 4 Ge 3.

germaaniumia(lat. germanium), Ge, Mendelejevin jaksollisen järjestelmän ryhmän IV kemiallinen alkuaine; sarjanumero 32, atomimassa 72,59; harmaa-valkoinen kiinteä aine, jolla on metallinen kiilto. Luonnollinen germanium on seos viidestä stabiilista isotoopista, joiden massaluvut ovat 70, 72, 73, 74 ja 76. DI Mendelejev ennusti Saksan olemassaolon ja ominaisuudet vuonna 1871 ja nimesi tämän vielä tuntemattoman alkuaineen ekasilikoniksi sen ominaisuuksien läheisyyden vuoksi. piitä. Vuonna 1886 saksalainen kemisti K. Winkler löysi uuden alkuaineen mineraaliargyrodiitista, jonka hän nimesi maansa mukaan Saksaksi; Germanium osoittautui melko identtiseksi ekasiliconin kanssa. 1900-luvun jälkipuoliskolle asti Saksan käytännön soveltaminen oli hyvin rajallista. Teollisuustuotanto Saksassa syntyi puolijohdeelektroniikan kehityksen yhteydessä.

Germaniumin kokonaispitoisuus maankuoressa on 7 · 10 -4 painoprosenttia, eli enemmän kuin esimerkiksi antimonia, hopeaa, vismuttia. Saksan omat mineraalit ovat kuitenkin erittäin harvinaisia. Lähes kaikki ne ovat sulfosuoloja: germaniitti Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4, argyrodiitti Ag 8 GeS 6, konfildiitti Ag 8 (Sn, Ge) S 6 ja muut. Suurin osa Saksasta on hajallaan maankuoressa lukuisissa kivissä ja mineraaleissa: ei-rautametallien sulfidimalmeissa, rautamalmeissa, joissakin oksidimineraaleissa (kromiitti, magnetiitti, rutiili ja muut), graniitteissa, diabaasit ja basaltit. Lisäksi germaaniumia on lähes kaikissa silikaateissa, joissakin kivihiili- ja öljyesiintymissä.

Fysikaaliset ominaisuudet Saksa. Germanium kiteytyy kuutiomaisessa timanttityyppisessä rakenteessa, yksikkökennoparametri on a = 5, 6575 Å. Kiinteän germaniumin tiheys on 5,327 g / cm3 (25 °C); neste 5,557 (1000 °C); tpl 937,5 °C; t paali noin 2700 °C; lämmönjohtavuuskerroin ~ 60 W / (m · K) tai 0,14 cal / (cm · sek · deg) 25 ° С:ssa. Jopa erittäin puhdas germanium on hauras tavallisissa lämpötiloissa, mutta yli 550 °C:ssa se soveltuu plastiseen muodonmuutokseen. Kovuus Saksa mineralogisessa asteikossa 6-6,5; kokoonpuristuvuuskerroin (painealueella 0-120 Gn / m 2 tai 0-12 000 kgf / mm 2) 1,4 · 10 -7 m 2 / mn (1,4 · 10 -6 cm 2 / kgf); pintajännitys 0,6 N/m (600 dyne/cm). Germanium on tyypillinen puolijohde, jonka kaistaväli on 1,104 · 10 -19 J tai 0,69 eV (25 °C); korkean puhtauden sähköinen ominaisvastus Saksa 0,60 ohm · m (60 ohm · cm) 25 °C:ssa; elektronien liikkuvuus on 3900 ja aukkojen liikkuvuus on 1900 cm 2 / v · sek (25 °C) (epäpuhtauspitoisuus alle 10 -8 %). Läpinäkyvä infrapunasäteille, joiden aallonpituus on yli 2 mikronia.

Kemialliset ominaisuudet Saksa. Kemiallisissa yhdisteissä germaniumilla on tavallisesti valenssit 2 ja 4, kun taas 4-arvoisen Saksan vakaammat yhdisteet ovat. Huoneenlämmössä germanium kestää ilman, veden, alkaliliuosten ja laimeiden kloorivety- ja rikkihappojen vaikutuksia, mutta liukenee helposti vesistöihin ja vetyperoksidin alkaliseen liuokseen. Se hapettuu hitaasti typpihapon kanssa. Kuumennettaessa ilmassa 500-700 °C:seen germanium hapettuu oksideiksi GeO ja GeO 2. Oxide Germany (IV) - valkoinen jauhe, jonka sulamispiste on 1116 ° C; vesiliukoisuus 4,3 g / l (20 °C). Amfoteeristen kemiallisten ominaisuuksien mukaan se liukenee emäksiin ja vaikeasti mineraalihappoihin. Sitä saadaan kalsinoimalla hydratoitunut sakka (GeO 3 · nH 2 O), joka vapautuu GeCl 4 -tetrakloridin hydrolyysin aikana. Fuusioimalla GeO 2 muiden oksidien kanssa voidaan saada germaanihappojohdannaisia ​​- metalligermanaatteja (Li 2 GeO 3, Na 2 GeO 3 ja muita) - kiinteitä aineita, joilla on korkea sulamispiste.

Kun Saksa on vuorovaikutuksessa halogeenien kanssa, muodostuu vastaavia tetrahalogenideja. Reaktio etenee helpoimmin fluorilla ja kloorilla (jo huoneenlämpötilassa), sitten bromilla (heikko kuumennus) ja jodilla (700-800 °C:ssa CO:n läsnä ollessa). Yksi tärkeimmistä yhdisteistä Saksan tetrakloridi GeCl 4 on väritön neste; tpl -49,5 °C; paali t 83,1 °C; tiheys 1,84 g/cm3 (20 °C). Se hydrolysoituu voimakkaasti vedellä vapauttaen hydratoituneen oksidin (IV) sakan. Sitä saadaan klooraamalla metallista Saksaa tai vuorovaikuttamalla GeO 2 väkevän HCl:n kanssa. Tunnetaan myös dihalogenidit Saksa, jolla on yleinen kaava GeX2, monokloridi GeCl, heksaklooridigermaani Ge2Cl6 ja oksikloridit Saksa (esimerkiksi CeOCl2).

Rikki vuorovaikuttaa voimakkaasti germaanin kanssa 900-1000 °C:ssa muodostaen disulfidi GeS 2 -valkoista kiinteää ainetta, sulamispiste 825 °C. Kuvataan myös monosulfidi GeS ja vastaavat saksalaiset seleenin ja telluurin yhdisteet, jotka ovat puolijohteita. Vety reagoi merkityksettömästi germaanin kanssa 1000-1100 °C:ssa, jolloin muodostuu itiö (GeH) X - epästabiili ja helposti haihtuva yhdiste. Germanidien vuorovaikutusta laimean kloorivetyhapon kanssa voidaan käyttää vetygermanidien saamiseksi sarjasta Ge n H 2n + 2 aina Ge 9 H 20:een asti. Tunnetaan myös germyleeni, jonka koostumus on GeH2. Germanium ei reagoi suoraan typen kanssa, mutta siinä on nitridi Ge 3 N 4, joka saadaan ammoniakin vaikutuksesta germaaniin lämpötilassa 700-800 ° C. Germanium ei ole vuorovaikutuksessa hiilen kanssa. Germanium muodostaa yhdisteitä monien metallien kanssa - germanideja.

Tunnetaan lukuisia Saksan monimutkaisia ​​yhdisteitä, jotka ovat yhä tärkeämpiä sekä Saksan analyyttisessä kemiassa että sen valmistusprosesseissa. Germanium muodostaa monimutkaisia ​​yhdisteitä orgaanisia hydroksyyliryhmiä sisältävien molekyylien kanssa (moniarvoiset alkoholit, moniemäksiset hapot ja muut). Vastaanotettu heteropolyhapot Saksa. Kuten muille ryhmän IV alkuaineille, Saksalle on ominaista organometalliyhdisteiden muodostuminen, joista esimerkki on tetraetyyligermaani (C 2 H 5) 4 Ge 3.

Saksan saaminen. Teollisessa käytännössä germaaniumia saadaan pääasiassa ei-rautametallimalmien käsittelyn sivutuotteista (sinkkiseos, sinkki-kupari-lyijypolymetallirikasteet), jotka sisältävät 0,001-0,1 % Saksaa. Raaka-aineina käytetään myös hiilen polton tuhkaa, kaasunkehittäjien pölyä ja koksilaitosten jätettä. Aluksi germaniumrikastetta (2-10 % Saksa) saadaan luetelluista lähteistä eri tavoilla raaka-aineen koostumuksesta riippuen. Saksan uuttaminen rikasteesta sisältää yleensä seuraavat vaiheet: 1) konsentraatin klooraus kloorivetyhapolla, sen sekoitus kloorin kanssa vesipitoisessa väliaineessa tai muilla kloorausaineilla teknisen GeCl 4:n saamiseksi. GeCl4:n puhdistamiseen käytetään rektifikaatiota ja epäpuhtauksien uuttamista väkevällä HCl:lla. 2) GeCl 4:n hydrolyysi ja hydrolyysituotteiden kalsinointi GeO 2:n saamiseksi. 3) GeO 2:n pelkistys vedyllä tai ammoniakilla metalliksi. Puolijohdelaitteessa käytetyn erittäin puhtaan Saksan eristämiseksi suoritetaan metallin vyöhykesulatus. Puolijohdeteollisuudelle välttämätön yksikiteinen germanium saadaan yleensä vyöhykesulattamalla tai Czochralskin menetelmällä.

Sovellus Saksa. Germanium on yksi arvokkaimmista materiaaleista nykyaikaisessa puolijohdetekniikassa. Sitä käytetään diodien, triodien, kristalliilmaisimien ja tehotasasuuntaajien valmistukseen. Yksikiteistä germaaniumia käytetään myös dosimetrialaitteissa ja laitteissa, jotka mittaavat vakio- ja vaihtuvien magneettikenttien voimakkuutta. Tärkeä sovellusalue Saksassa on infrapunatekniikka, erityisesti 8-14 mikronin alueella toimivien infrapunailmaisimien valmistus. Monet metalliseokset ovat lupaavia käytännön käyttöön, mukaan lukien germanium, GeO 2 -pohjaiset lasit ja muut saksalaiset yhdisteet.

MÄÄRITELMÄ

germaaniumia on jaksollisen järjestelmän 32. elementti. Nimitys - Ge latinan sanasta "germanium". Sijaitsee neljännellä jaksolla, IVA-ryhmä. Viittaa puolimetalleihin. Ytimen varaus on 32.

Kompaktissa tilassa germanium on väriltään hopeanhohtoinen (kuva 1) ja näyttää metallilta. Huoneenlämmössä se kestää ilmaa, happea, vettä, kloorivetyhappoa ja laimeita rikkihappoja.

Riisi. 1. Germanium. Ulkomuoto.

Germaniumin atomi- ja molekyylipaino

MÄÄRITELMÄ

Aineen suhteellinen molekyylipaino (M r) on luku, joka osoittaa, kuinka monta kertaa tietyn molekyylin massa on suurempi kuin 1/12 hiiliatomin massasta, ja alkuaineen suhteellinen atomimassa (A r)- kuinka monta kertaa kemiallisen alkuaineen atomien keskimääräinen massa on enemmän kuin 1/12 hiiliatomin massasta.

Koska vapaassa tilassa oleva germanium on monoatomisten Ge-molekyylien muodossa, sen atomi- ja molekyylimassojen arvot ovat samat. Ne ovat yhtä kuin 72,630.

germaniumin isotoopit

Tiedetään, että luonnossa germanium löytyy viiden stabiilin isotoopin muodossa: 70 Ge (20,55 %), 72 Ge (20,55 %), 73 Ge (7,67 %), 74 Ge (36,74 %) ja 76 Ge (7,67 %). ). Niiden massaluvut ovat 70, 72, 73, 74 ja 76. Germanium-isotoopin 70 Ge ydin sisältää kolmekymmentäkaksi protonia ja kolmekymmentäkahdeksan neutronia, loput isotoopit eroavat siitä vain neutronien lukumäärässä.

On olemassa keinotekoisia epävakaita germaniumin radioaktiivisia isotooppeja, joiden massaluvut ovat 58-86, joista pisin elänyt isotooppi 68 Ge, jonka puoliintumisaika on 270,95 päivää.

Jonah Saksa

Germaniumatomin ulkoisella energiatasolla on neljä elektronia, jotka ovat valenssia:

1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 p 10 4 s 2 4 p 2.

Kemiallisen vuorovaikutuksen seurauksena germanium luovuttaa valenssielektroninsa, ts. on niiden luovuttaja ja muuttuu positiivisesti varautuneeksi ioniksi:

Ge 0 -2e → Ge 2+;

Ge 0 -4e → Ge 4+.

Germaniumin molekyyli ja atomi

Vapaassa tilassa germanium esiintyy monoatomisten Ge-molekyylien muodossa. Tässä on joitain ominaisuuksia, jotka luonnehtivat germaniumin atomia ja molekyyliä:

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

ESIMERKKI 1

ESIMERKKI 2

GERMANIUM, Ge (Lat.Germania - Saksa * A. germanium; N. Germanium; F. germanium; I. germanio), on Mendelejevin jaksollisen järjestelmän ryhmän IV kemiallinen alkuaine, atominumero 32, atomimassa 72,59. Luonnollinen germanium koostuu 4 stabiilista isotoopista 70 Ge (20,55 %), 72 Ge (27,37 %), 73 Ge (7,67 %), 74 Ge (36,74 %) ja yhdestä radioaktiivisesta 76 Ge:stä (7, 67 %), joiden puoliintumisaika on 2,10 6 vuotta. Löysi vuonna 1886 saksalainen kemisti K. Winkler mineraaliargyrodiitista; ennusti vuonna 1871 D.N.Mendelejev (ekasilitsy).

Germaniumia luonnossa

Germanium viittaa. Germaniumin yleisyys on (1-2) ,10 -4 %. Sitä esiintyy epäpuhtautena piimineraaleissa, vähemmässä määrin mineraaleissa ja. Omat mineraalit germanium ovat erittäin harvinaisia: sulfosuolat - argyrodiitti, germaniitti, renieriitti ja jotkut muut; germaniumin ja raudan kaksoishydratoitu oksidi - shtottiitti; sulfaatit - itoiitti, fleischeriitti ym. Niillä ei käytännössä ole teollista arvoa. Germaniumia kertyy hydrotermisissä ja sedimenttiprosesseissa, joissa toteutuu mahdollisuus erottaa se piistä. Suurempina määrinä (0,001-0,1 %) sitä löytyy ja. Germaniumin lähteitä ovat polymetallimalmit, fossiiliset hiilet ja tietyntyyppiset vulkaani-sedimenttiesiintymät. Suurin osa germaniumista saadaan matkan varrella maanalaisesta vedestä kivihiilen koksauksen aikana, sähköä tuottavan hiilen, sfaleriitin ja magnetiitin tuhkasta. Germanium uutetaan hapolla, sublimoimalla pelkistävässä ympäristössä, fuusioimalla kaustisen soodan kanssa jne. Germaniumkonsentraatteja käsitellään kloorivetyhapolla kuumennettaessa, kondensaatti puhdistetaan ja altistetaan hydrolyyttiselle hajoamiselle, jolloin muodostuu dioksidia; jälkimmäinen pelkistetään vedyn avulla metalliksi germaniumiksi, joka puhdistetaan fraktio- ja suuntakiteytysmenetelmillä, vyöhykesulatuksella.

Levitys germanium

Germaniumia käytetään elektroniikassa ja sähkötekniikassa puolijohdemateriaalina diodien ja transistorien valmistukseen. Germaniumista valmistetaan IR-optiikan linssit, valodiodit, valovastukset, ydinsäteilyn annosmittarit, röntgenspektroskopian analysaattorit, radioaktiivisen hajoamisen muuntimet sähköenergiaksi jne. Germaniumin ja joidenkin metallien seoksia, joille on ominaista lisääntynyt kestävyys happamia syövyttäviä ympäristöjä vastaan, käytetään instrumenttien valmistuksessa, koneenrakennuksessa ja metallurgiassa. Jotkut germaniumin ja muiden kemiallisten alkuaineiden seokset ovat suprajohtimia.

Nimetty Saksan mukaan. Tämän maan tiedemies löysi ja hänellä oli oikeus kutsua häntä miksi halusi. Siis osumassa germanium.

Mendeleev ei kuitenkaan ollut onnekas, vaan Clemens Winkler. Hänet määrättiin opiskelemaan argyrodiittia. Himmelfürstin kaivokselta löydettiin uusi mineraali, joka koostuu pääasiassa mineraalista.

Winkler määritti 93 % kiven koostumuksesta ja pysähtyi loput 7 %. Johtopäätös oli, että ne sisälsivät tuntemattoman elementin.

Perusteellisempi analyysi kantoi hedelmää - oli löysi germaniumin... Se on metallia. Miten se on hyödyllistä ihmiskunnalle? Puhumme tästä, eikä vain, lisää.

Germaniumin ominaisuudet

Germanium - jaksollisen järjestelmän elementti 32... Osoittautuu, että metalli kuuluu neljänteen ryhmään. Numero vastaa elementtien valenssia.

Toisin sanoen germaniumilla on taipumus muodostaa 4 kemiallista sidosta. Tämä saa Winklerin löytämän elementin näyttämään.

Tästä syystä Mendelejevin halu kutsua vielä löytämätöntä elementtiä ekosilikiksi, jota kutsutaan nimellä Si. Dmitry Ivanovich laski 32. metallin ominaisuudet etukäteen.

Germanium on kemiallisilta ominaisuuksiltaan samanlainen kuin pii. Reagoi happojen kanssa vain kuumennettaessa. Se kommunikoi alkalien kanssa hapettimien läsnä ollessa.

Kestää vesihöyryä. Ei reagoi vedyn, hiilen,. Germanium syttyy 700 celsiusasteen lämpötilassa. Reaktioon liittyy germaniumdioksidin muodostumista.

32. alkuaine on helposti vuorovaikutuksessa halogeenien kanssa. Nämä ovat suolaa muodostavia aineita taulukon ryhmästä 17.

Jotta ei menisi hämmennyksiin, osoitamme, että uusi standardi ohjaa meitä. Vanhassa tämä on jaksollisen taulukon 7. ryhmä.

Oli pöytä mikä tahansa, siinä olevat metallit sijaitsevat porrastetun diagonaaliviivan vasemmalla puolella. 32. elementti on poikkeus.

Toinen poikkeus on. Hänen kanssaan reaktio on myös mahdollinen. Antimonia kerrostuu alustalle.

Aktiivinen vuorovaikutus tarjotaan. Kuten useimmat metallit, germanium pystyy palamaan höyryssään.

Ulkoisesti alkuaine germanium, harmahtavanvalkoinen, jossa on voimakas metallinen kiilto.

Sisärakennetta tarkasteltaessa metallilla on kuutiorakenne. Se kuvastaa atomien järjestystä yksikkösoluissa.

Ne ovat kuutioiden muotoisia. Kahdeksan atomia sijaitsee kärjessä. Rakennus on lähellä ristikkoa.

32. alkuaineessa on 5 stabiilia isotooppia. Heidän läsnäolonsa on kaikkien omaisuutta germanium-alaryhmän elementtejä.

Ne ovat tasaisia, mikä määrittää stabiilien isotooppien läsnäolon. Niitä on esimerkiksi 10.

Germaniumin tiheys on 5,3-5,5 grammaa kuutiosenttimetrissä. Ensimmäinen indikaattori on tyypillinen tilalle, toinen - nestemäiselle metallille.

Pehmennetyssä muodossa se ei ole vain tiheämpi, vaan myös muovinen. Aine, joka on hauras huoneenlämpötilassa, muuttuu 550 asteessa. Nämä ovat germaniumin ominaisuuksia.

Metallin kovuus huoneenlämmössä on noin 6 pistettä.

Tässä tilassa 32. elementti on tyypillinen puolijohde. Mutta omaisuus muuttuu "kirkkaammaksi" lämpötilan noustessa. Vertailun vuoksi vain johtimet menettävät ominaisuutensa kuumennettaessa.

Germanium ei johda virtaa vain vakiomuodossa, vaan myös liuoksissa.

Puolijohdeominaisuuksiltaan 32. elementti on myös lähellä piitä ja yhtä yleinen.

Aineiden soveltamisala vaihtelee kuitenkin. Pii on puolijohde, jota käytetään aurinkokennoissa, mukaan lukien ohutkalvotyypeissä.

Elementtiä tarvitaan myös valokennoille. Mieti nyt, missä germanium on hyödyllinen.

Levitys germanium

Germaniumia käytetään gammaspektroskopiassa. Sen instrumenteilla voidaan tutkia esimerkiksi sekaoksidikatalyyttien lisäaineiden koostumusta.

Aiemmin germaniumia lisättiin diodeihin ja transistoreihin. Aurinkokennoissa puolijohdeominaisuudet ovat myös hyödyllisiä.

Mutta jos piitä lisätään vakiomalleihin, germanium lisätään korkean suorituskyvyn uuteen sukupolveen.

Tärkeintä ei ole käyttää germaniumia lämpötiloissa, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa. Tällaisissa olosuhteissa metalli menettää kykynsä siirtää jännitettä.

Jotta germanium olisi johdin, siinä saa olla enintään 10 % epäpuhtauksia. Täydellinen ultrapuhdas kemiallinen alkuaine.

germaaniumia valmistettu tällä vyöhykesulatusmenetelmällä. Se perustuu vieraiden alkuaineiden erilaiseen liukoisuuteen nesteeseen ja faaseihin.

Kaava germanium mahdollistaa sen käytön käytännössä. Tässä ei puhuta enää elementin puolijohtavista ominaisuuksista, vaan sen kyvystä antaa kovuutta.

Samasta syystä germanium on löytänyt käyttöä hammasproteesissa. Vaikka kruunut ovat vanhentuneet, niille on edelleen vähän kysyntää.

Jos lisäät piitä ja alumiinia germaniumiin, saat juotteita.

Niiden sulamispiste on aina alhaisempi kuin liitettävien metallien sulamispiste. Joten voit tehdä monimutkaisia, suunnittelurakenteita.

Internet ei olisi ollut mahdollinen ilman Saksaa. 32. elementti on läsnä kuidussa. Sen ytimessä on kvartsi, johon on sekoitettu sankaria.

Ja sen dioksidi lisää kuidun heijastavuutta. Sen, elektroniikan, kysynnän vuoksi teollisuusyritykset tarvitsevat germaniumia suuria määriä. Mitä ja miten ne tarjotaan, tutkimme alla.

Kaivos Saksa

Germanium on melko yleinen. Maankuoressa esimerkiksi 32. alkuaine on enemmän kuin antimonia tai.

Tutkitut varat ovat noin 1000 tonnia. Lähes puolet niistä on piilossa Yhdysvaltojen suolistossa. Lisäksi 410 tonnia on omaisuutta.

Muiden maiden on siis periaatteessa ostettava raaka-aineita. tekee yhteistyötä Celestial Imperiumin kanssa. Tämä on perusteltua sekä poliittisesti että taloudellisesti.

Alkuaineen germanium ominaisuudet koska sen geokemiallinen suhde laajalle levinneisiin aineisiin, älä anna metallin muodostaa omia mineraalejaan.

Yleensä metalli on upotettu olemassa olevien verkkoon. Vieras ei tietenkään vie paljon tilaa.

Siksi germanium on uutettava vähän kerrallaan. Kivitonnia kohden löytyy useita kiloja.

Enargiiteissa ei ole enempää kuin 5 kiloa germaniumia 1000 kilogrammassa. Pyrargyrite sisältää 2 kertaa enemmän.

Yksi tonni 32. alkuaineen sulvaniittia sisältää enintään 1 kilogramman. Useimmiten germanium otetaan talteen sivutuotteena esimerkiksi muista metallimalmeista tai ei-rautapitoisista malmeista, kuten kromiitista, magnetiitista, rutiitista.

Vuotuinen germaniumin tuotanto vaihtelee 100-120 tonnin välillä kysynnästä riippuen.

Pohjimmiltaan ostetaan aineen yksikiteinen muoto. Juuri tätä tarvitaan spektrometrien, optisten kuitujen, arvokkaiden kuitujen valmistukseen. Ota selvää hinnoista.

Saksan hinta

Yksikiteistä germaniumia ostetaan yleensä tonneissa. Tästä on hyötyä suurille teollisuudenaloille.

1000 kiloa 32. elementtiä maksaa noin 100 000 ruplaa. Löydät tarjouksia 75 000 - 85 000.

Jos otat monikiteistä, eli pienemmillä kiviaineksilla ja lisääntyneellä lujuudella, voit antaa 2,5 kertaa enemmän raaka-ainekiloa kohden.

Vakiopituus on vähintään 28 senttimetriä. Lohkot on suojattu kalvolla, koska ne haalistuvat ilmassa. Monikiteinen germanium on "maaperä" yksikiteiden kasvattamiselle.