Характеристика химического элемента германия. Знаешь как Германий интересные факты химия

Германий (от латинского Germanium), обозначается «Ge», элемент IV-й группы периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева; порядковый номер элемента 32, атомная масса составляет72,59. Германий - твёрдое вещество с металлическим блеском, имеющее серо-белый цвет. Хотя цвет германия - это понятие довольно относительное, здесь все зависит от обработки поверхности материала. Иногда он может быть серым как сталь, иногда серебристым, а иногда и вовсе черным. Внешне германий довольно близок к кремнию. Данные элементы не только похожи между собой, но и обладают во многом одинаковыми полупроводниковыми свойствами. Существенным их отличием является тот факт, что германий более чем в два раза тяжелее кремния.

Германий, встречающийся в природе, является смесью пяти стабильных изотопов, имеющих массовые числа 76, 74, 73, 32, 70. Еще в 1871 году известный химик, «отец» периодической таблицы, Дмитрий Иванович Менделеев предсказал свойства и существование германия. Он называл неизвестный в те времена элемент «экасилицием», т.к. свойства нового вещества были во многом схожи с кремнием. В 1886 году после исследования минерала аргирдит, немецкий сорокавосьмилетний ученый-химик К. Винклер обнаружил в составе природной смеси совершенно новый химический элемент.

Сначала химик хотел назвать элемент нептунием, ведь планета Нептун тоже была предсказана намного раньше, чем открыта, но затем он узнал, что такое название уже использовалось при лжеоткрытии одного из элементов, поэтому Винклер решил отказаться от данного названия. Ученому предложили наименовать элемент ангулярием, что в переводе значит «вызывающий споры, угловатый», но и с этим названием Винклер не согласился, хотя споров элемент №32 вызвал действительно очень много. Ученый по национальности был немцем, вот он и решил в итоге назвать элемент германием, в честь своей родной страны Германии.

Как выяснилось позже, германий оказался ни чем иным, как открытым ранее «экасилицием». Вплоть до второй половины двадцатого века практическая полезность германия была довольно узкой и ограниченной. Индустриальное производство металла началось лишь в результате начала промышленного производства полупроводниковой электроники.

Германий является полупроводниковым материалом, широко применяемым в электронике и технике, а также при производстве микросхем и транзисторов. В радарных установках используются тонкие пленки германия, которые наносятся на стекло и применяются как сопротивления. Сплавы с германием и металлами используются в детекторах и датчиках.

Элемент не обладает такой прочностью как вольфрам или титан, он не служит неисчерпаемым источником энергии как плутоний или уран, электропроводность материала также далеко не самая высокая, да и в промышленной технике главным металлом является железо. Несмотря на это, германий является одной из важнейших составляющих технического прогресса нашего общества, т.к. он еще раньше, даже чем кремний стал использоваться как полупроводниковый материал.

В связи с этим уместно было бы спросить: Что такое полупроводимость и полупроводники? На данный вопрос даже специалисты не могут ответить точно, т.к. можно говорить о конкретно рассматриваемом свойстве полупроводников. Есть и точное определение, но лишь из области фольклора: Полупроводник - проводник на два вагона.

Слиток германия стоит практически столько же, сколько и слиток золота. Металл очень хрупок, почти как стекло, поэтому, уронив такой слиток, есть большая вероятность того, что металл просто разобьется.

Металл германий, свойства

Биологические свойства

Для медицинских нужд германий наиболее широко стали использовать в Японии. Результаты испытаний германийорганических соединений на животных и человека показали, что они способны благотворно влиять на организм. В 1967 году японец доктор К. Асаи обнаружил, что органический германий обладает широким биологическим действием.

Среди всех его биологических свойств следует отметить:

• - обеспечение переноса кислорода в ткани организма;
• - повышение иммунного статуса организма;
• - проявление противоопухолевой активности.

В последствии японские ученые создали первый в мире медицинский препарат с содержанием германия - «Германий - 132».

В России первый отечественный препарат, содержащий органический германий, появился лишь в 2000 году.

Процессы биохимической эволюции поверхности земной коры сказались не лучшим образом на содержании в ней германия. Большая часть элемента была вымыта с суши в океаны, так что содержание его в почве остается довольно низким.

Среди растений, которые обладают способностью абсорбировать германий из почвы, лидером является женьшень (германия до 0,2 %). Германий содержится также в чесноке, камфаре и алоэ, которые традиционно используются в лечении различных человеческих заболеваний. В растительности германий находится в виде полуоксид карбоксиэтила. Сейчас есть возможность синтезировать сесквиоксаны с пиримидиновым фрагментом – органические соединения германия. Данное соединение по своей структуре близко к природному, как в корне женьшеня.

Германий можно отнести к редким микроэлементам. Он присутствует во большом количестве различных продуктов, но в мизерных дозах. Суточная доза потребления органического германия установлено в размере 8-10 мг. Оценка 125-ти пищевых продуктов показала, что ежедневно с пищей в организм поступает около 1,5 мг германия. Содержание микроэлемента в 1 г сырых продуктов составляет около 0.1 – 1.0 мкг. Германий содержится в молоке, томатном соке, лососине, бобах. Но для того, чтобы удовлетворить суточную потребность в германии, следует выпивать ежедневно по 10 литров томатного сока или употреблять в пищу около 5 килограмм лососины. С точки зрения стоимости данных продуктов, физиологических свойств человека, да и здравого смысла тоже употребление такого количества германийсодержащих продуктов не возможно. На территории России около 80-90% населения имеет недостаток германия, именно поэтому были разработаны специальные препараты.

Практические исследования показали, что в организме германия больше всего в током кишечнике, желудке, селезенке, костном мозге и крови. Высокое содержание микроэлемента в кишечнике и желудке говорит о пролонгированном действии процесса всасывания препарата в кровь. Есть предположение, что органический германий ведет себя в крови примерно так же, как и гемоглобин, т.е. имеет отрицательный заряд и участвует в переносе кислорода к тканям. Тем самым он на тканевом уровне предупреждает развитие гипоксии.

В результате многократных опытов было доказано свойство германия активировать Т-киллеры и способствовать индукции гамма интерферонов, подавляющих процесс размножения быстро делящихся клеток. Основным направлением действия интерферонов является противоопухолевая и антивирусная защита, радиозащитные и иммуномодулирующие функции лимфатической системы.

Германий в форме сесквиоксида обладает способностью воздействовать на ионы водорода Н+, сглаживая их губительное действие для клеток организма. Гарантией отличной работы всех систем человеческого организма является бесперебойная поставка кислорода в кровь и все ткани. Органический германий не только доставляет кислород во все точки организма, но и способствует его взаимодействию с ионами водорода.

• - Германий является металлом, но по хрупкости его можно сравнить со стеклом.
• - В некоторых справочниках утверждается, что германий имеет серебристый цвет. Но так утверждать нельзя, ведь цвет германия напрямую зависит от способа обработки поверхности металла. Иногда он может казаться практически черным, в других случаях имеет стальной цвет, а иногда он может быть и серебристым.
• - Германий был обнаружен на поверхности солнца, а также в составе упавших с космоса метеоритов.
• - Впервые элементоорганическое соединение германия было получено первооткрывателем элемента Клеменсом Винклером из четыреххлористого германия в 1887 году, это был тетраэтилгерманий. Из всех полученных на современном этапе элементоорганических соединений германия ни одно не является ядовитым. В то же время большая часть олово- и свинецорганических микроэлементов, являющихся по своим физическим качествам аналогами германия, токсичны.
• - Дмитрий Иванович Менделеев предсказал три химических элемента еще до их открытия, в том числе и германий, назвав элемент экасилицием за счет сходства с кремнием. Предсказание известного русского ученого было настолько точным, что просто поразило ученых, в т.ч. и Винклера, открывшего германий. Атомный вес по Менделееву был равен 72, в действительности он составил 72,6; удельный вес по Менделееву составил 5,5 в действительности - 5,469; атомный объем по Менделееву составил 13 в действительности - 13,57; высший окисел по Менделееву EsO2, в реальности - GeO2, удельный вес его по Менделееву составил 4,7, в действительности - 4,703; хлористое соединение по Менделееву EsCl4 - жидкость, температура кипения примерно 90°C, в действительности - хлористое соединение GeCl4 – жидкость, температура кипения 83°C, соединение с водородом по Менделееву EsH4 газообразное, соединение с водородом в действительности - GeH4 газообразное; металлоорганическое соединение по МенделеевуEs(C2H5)4, температура кипения 160 °C, металлоорганическое соединение в реалии - Ge(C2H5)4 температура кипения 163,5°C. Как видно из рассмотренной выше информации, предсказание Менделеева было удивительно точным.
• - Клеменс Винклер 26 февраля 1886 года начинал письмо Менделееву со слов «Милостивый государь». Он в довольно вежливой форме поведал русскому ученому об открытии нового элемента, названного германием, который по своим свойствам был ничем иным, как за ранее спрогнозированным менделеевским «экасилицием». Ответ Дмитрия Ивановича Менделеева был не менее вежлив. Ученый согласился с открытием своего коллеги, назвав германий «венцом своей периодической системы», а Винклера «отцом» элемента, достойным носить данный «венец».
• - Германий как классический полупроводник стал ключом к решению проблемы создания сверхпроводящих материалов, которые работают при температуре жидкого водорода, но не жидкого гелия. Как известно водород переходит в жидкое состояние из газообразного при достижении температуры –252,6°C, либо 20,5°К. В 70-е годы была разработана пленка из германия и ниобия,толщина которой составляла всего несколько тысяч атомов. Даная пленка способна сохранять сверхпроводимость даже при достижении температуры 23,2°К и ниже.
• - При выращивании германиевого монокристалла на поверхность расплавленного германия помещается германиевый кристалл – «затравка», который постепенно поднимается при помощи автоматического устройства, при этом температура расплава немного превышает температуру плавления германия (составляет 937 °C). «Затравка» вращается, чтобы монокристалл, как говорится, «обрастал мясом» со всех равномерно сторон. Необходимо отметить, что во время подобного роста происходит то же, что и в процессе зонной плавки, т.е. в твердую фазу переходит практически один лишь германий, а все примеси остаются в расплаве.

История

Существование такого элемента, как германий, было предсказано еще в 1871 году Дмитрием Ивановичем Менделеевым, за счет своих сходств с кремнием элемент был назван экасилицием. В 1886 году профессор Фрейбергской горной академии открыл аргиродит, новый минерал серебра. Затем данный минерал довольно внимательно исследовал профессор технической химии Клеменс Винклер, проводя полный анализ минерала. Сорокавосьмилетнего Винклера по праву считали лучшим аналитиком Фрейбергской горной академии, именно поэтому ему предоставили возможность исследовать аргиродит.

За довольно короткие сроки профессор смог предоставить отчет о процентном соотношении различных элементов в исходном минерале: серебра в его составе было 74,72%; серы - 17,13%; закиси железа – 0,66%; ртути – 0,31%; окиси цинка – 0,22%.Но почти семь процентов – это была доля некого непонятного элемента, который, похоже, еще не был открыт в то далекое время. В завязи с этим Винклер решил выделить неопознанный компонент аргиродпта, изучить его свойства, и в процессе исследования понял, что на самом деле нашел совершенно новый элемент – это был экасплиций, предсказанный Д.И. Менделеевым.

Однако было бы неправильно подумать, что труды Винклера шли гладко. Дмитрий Иванович Менделеев в дополнение к восьмой главе своей книги «Основ химии» пишет: «Сначала (февраль 1886 года) нехватка материала, а также отсутствие спектра в пламени и растворимость соединений германия серьезно затрудняли исследования Винклера...» Стоит обратить внимание на слова «отсутствие спектра». Но как так? В 1886 году уже существовал широко используемый метод спектрального анализа. При помощи данного метода были открыты такие элементы, как таллий, рубидий, индий, цезий на Земле и гелий на Солнце. Ученые уже знали достоверно, что каждому без исключения химическому элементу свойствен индивидуальный спектр, а тут вдруг отсутствие спектра!

Объяснение данному явлению появилось немного позже. У германия есть характерные спектральные линии. Длина их волн составляет 2651,18; 3039,06 Ǻ и еще несколько. Однако они все лежат в пределах ультрафиолетовой невидимой части спектра, можно считать, удачей, что Винклер - приверженец традиционных методов анализа, ведь именно эти методы привели его к успеху.

Метод получения германия из минерала, который использовал Винклер, довольно близок к одному из современных промышленных методов выделения 32-го элемента. Сначала германий, который содержался в аргароднте, перевели в двуокись. Затем полученный белый порошок нагревался до температуры 600-700 °C в водородной атмосфере. При этом реакция оказалась очевидной: GeO 2 + 2H 2 → Ge + 2H 2 О.

Именно таким методом впервые был получен относительно чистый элемент №32, германий. Сперва Винклер намеревался назвать ванадий нептунием, в честь одноименной планеты, ведь Нептун, как и германий, был сначала предсказан, а только потом найден. Но затем выяснилось, что такое название уже однажды использовалась, нептунием был назван один химический элемент, открытый ложно. Винклер предпочел не компрометировать свое имя и открытие, и отказался от нептуния. Один французский ученый Район предложил, правда, потом он признал свое предложение шуткой, предложил назвать элемент ангулярием, т.е. «вызывающим споры, угловатым», но и это название не понравилось Винклеру. В результате ученый самостоятельно выбрал наименование своему элементу, и назвал его германием, в честь своей родной страны Германии, со временем данное название утвердилось.

До 2-й пол. ХХ в. практическое использование германия оставалось довольно ограниченным. Индустриальное производство металла возникло лишь в связи с развитием полупроводников и полупроводниковой электроники.

Нахождение в природе

Германий можно отнести к рассеянным элементам. В природе элемент вообще не встречается в свободном виде. Общее содержание металла в земной коре нашей планеты по массе составляет 7×10 −4 % %. Это больше чем содержание таких химических элементов, как серебро, сурьма или висмут. Но вот собственные минералы германия довольно дефицитны и весьма редко встречаются в природе. Почти все эти минералы являются сульфосолями, например, германит Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4 , конфильдит Ag 8 (Sn,Ce)S 6 , аргиродит Ag8GeS6 и другие.

Основная часть германия, рассеянного в земной коре, содержится в огромном числе горных пород, а также многих минералов: сульфитные руды цветных металлов, железные руды, некоторые окисные минералы (хромит, магнетит, рутил и другие), граниты, диабазы и базальты. В составе некоторых сфалеритов содержание элемента может достигать нескольких килограммов на тонну, например, в франкеите и сульваните 1 кг/т, в энаргитах содержание германия составляет 5 кг/т, в пираргирите - до 10 кг/т, ну а в других силикатах и сульфидах - десятки и сотни г/т. Небольшая доля германия присутствует практически во всех силикатах, а также в некоторых из месторождений нефти и каменного угля.

Основным минералом элемента является сульфит германия (формула GeS2). Минерал встречается как примесь в сульфитах цинка, других металлов. Важнейшими минералами германия являются: германит Cu 3 (Ge,Fe,Ga)(S,As) 4 , плюмбогерманит (Pb,Ge,Ga) 2 SO 4 (OH) 2 ·2H 2 O, стоттит FeGe(OH) 6 , рениерит Cu 3 (Fe,Ge,Zn)(S,As) 4 и аргиродит Ag 8 GeS 6 .

Германий присутствует на территориях всех без исключения государств. А вот промышленными месторождениями данного металла ни одна из индустриально развитых стран мира не располагает. Германий является очень и очень рассеянным. На Земле большой редкостью считаются минералы данного металла, содержание германия в которых более хотя бы 1%. К таким минералам относятся германит, аргиродит, ультрабазит и др., в том числе и минералы, открытые в последние десятилетия: штотит, реньерит, плюмбогерманит и конфильдит. Месторождения всех этих минералов не способны покрыть потребность современной промышленности в данном редком и важном химическом элементе.

Основная же масса германия рассеяна в минералах других химических элементов, а также содержится в природных водах, в углях, в живых организмах и в почве. Например, содержание германия в обыкновенном каменном угле иногда достигает более 0,1%. Но такая цифра встречается довольно редко, обычно доля германия ниже. А вот в антраците германия почти нет.

Получение

При переработке сульфида германия получают оксид GeО 2 , при помощи водорода его восстанавливают до получения свободного германия.

В промышленном производстве германий добывается в основном как побочный продукт в результате переработки руд цветных металлов (цинковая обманка, цинково-медно-свинцовые полиметаллические концентраты, содержащие 0,001—0,1% германия), золы от сжигания угля, некоторых продуктов коксохимии.

Изначально из рассмотренных выше источников выделяют германиевый концентрат (от 2% до 10% германия) различными способами, выбор которых зависит от состава сырья. На переработке боксирующих углей происходит частичное выпадение германия (от 5% до10%) в надсмольную воду и смолу, от туда он извлекается в комплексе с танином, после он высушивается и обжигается на температуре 400-500°С. В результате получается концентрат, который содержит около 30-40% германия, из него германий выделяют в виде GeCl 4 . Процесс извлечения германия из подобного концентрата, как правило, включает одни и те же стадии:

1) Концентрат хлорируют при помощи соляной кислоты, смесью кислоты и хлора в водной среде либо иными хлорирующими агентами, которые в результате могут дать технический GeCl 4 . С целью очистки GeCl 4 применяется ректификация и экстракция примесей концентрированной соляной кислоты.

2) Осуществляется гидролиз GeCl 4 , продукты гидролиза прокаливают вплоть до получения оксида GeO 2 .

3) GeO восстанавливается водородом или аммиаком до чистого металла.

При получении самого чистого германия, который используется в полупроводниковых технических средствах, проводят зонную плавку металла. Монокристаллический германий, необходимый для полупроводникового производства, обычно получают зонной плавкой либо методом Чохральского.

Способы выделения германия из надсмольных вод коксохимических заводов были разработаны советским ученым В.А. Назаренко. В данном сырье германия не более 0,0003%, однако, при помощи дубового экстракта из них несложно осаживать германий в форме таннидного комплекса.

Основная составляющая танина - это сложный эфир глюкозы, где присутствует радикал мета-дигалловой кислоты, который связывает германий, если даже концентрация элемента в растворе очень мала. Из осадка, можно легко получить концентрат, содержание двуокиси германия в котором до 45%.

Последующие превращения уже будет мало зависеть от вида сырья. Восстанавливается германий водородом (как и у Винклера в 19в.), однако, сначала необходимо выделить окись германия из многочисленных примесей. Удачное сочетание качеств одного соединения германия оказалось очень полезным для решения данной задачи.

Четыреххлористый германий GeCl4. – это летучая жидкость, которая закипает всего при 83,1°C. Поэтому она достаточно удобно очищается дистилляцией и ректификацией (в кварцевых колоннах с насадкой).

GeCl4 почти нерастворим в соляной кислоте. Значит, для его очистки можно применять растворение примесей HCl .

Очищенный четыреххлористый германий обрабатывается водой, очищено при помощи ионообменных смол. Признак нужной чистоты - увеличение показателя удельного сопротивления воды до 15-20 млн Ом·см.

Под действием воды происходит гидролиз GeCl4:

GeCl4 + 2H2O → GeO2 + 4HCl.

Можно заметить, что перед нами «записанное задом наперед» уравнение реакции получения четыреххлористого германия.

После идет восстановление GeO2 при помощи очищенного водорода:

GeO2 + 2 Н2O → Ge + 2 Н2O.

В итоге получают порошкообразный германий, который сплавляется, а затем очищается способом зонной плавки. Данный метод очистки был разработан еще в 1952 г. специально для очистки германия.

Необходимые для придания германию того или иного типа проводимости примеси вводятся на завершающих стадиях производства, а именно при зонной плавке, а также во время выращивания монокристалла.

Применение

Германий является полупроводниковым материалом, применяемым в электронике и технике при производстве микросхем и транзисторов. Тончайшие пленки германия наносятся на стекло, применяют как сопротивление в радарных установках. Сплавы германия с различными металлами используют при производстве детекторов и датчиков. Диоксид германия широко используется в производстве стекол, имеющих свойство пропускать инфракрасное излучение.

Теллурид германия уже очень давно служит стабильным термоэлектрическим материалом, а также как компонент термоэлектрических сплавов (термо- значит э.д.с 50 мкВ/К).Исключительно стратегическую роль играет германий сверхвысокой чистоты в изготовлении призм и линз инфракрасной оптики. Крупнейшим потребителем германия является именно инфракрасная оптика, которую используют в компьютерной технике, системах прицела и наведения ракет, приборах ночного видения, картографировании и исследовании поверхности земли со спутников. Германий также широко используется в оптоволоконных системах (добавка тетрафторида германия в состав стекловолокно), а также в полупроводниковых диодах.

Германий как классический полупроводник стал ключом к решению проблемы создания сверхпроводящих материалов, которые работают при температуре жидкого водорода, но не жидкого гелия. Как известно водород переходит в жидкое состояние из газообразного при достижении температуры -252,6°C, либо 20,5°К. В 70-е годы была разработана пленка из германия и ниобия,толщина которой составляла всего несколько тысяч атомов. Даная пленка способна сохранять сверхпроводимость даже при достижении температуры 23,2°К и ниже.

Путем вплавления в пластинку ГЭС индий, таким образом, создавая область с так называемой дырочной проводимостью, получают выпрямляющее устройство, т.е. диод. Диод обладает свойством пропускать электрический ток в одном направлении: электронной области из из области с дырочной проводимостью. После вплавления индия с обеих сторон ГЭС-пластинки, эта пластинка превращается в основу транзистора. Впервые в мире транзистор из германия был создан еще в 1948 году, а спустя всего двадцать лет подобные приборы выпускались сотнями миллионов.

Диоды на основе германия и триоды стали широко использоваться в телевизорах и радиоприемниках, в самой разной измерительной аппаратуре и счетно-решающих устройствах.

Применяется германия также и в других особо важных областях современной техники: при измерении низких температур, при обнаружении инфракрасного излучения и др.

Для использования метла во всех этих областях требуется германий очень высокой химической и физической чистоты. Химическая чистота – это такая чистота, при которой количество вредных примесей не должно составлять более чем одну десятимиллионную процента (10 –7 %). Физическая чистота означает минимум дислокаций, минимум нарушений кристаллической структуры вещества. Для ее достижения специально выращивается монокристаллический германий. В данном случае весь слиток металла представляет собой всего один кристалл.

Для этого на поверхность расплавленного германия помещается германиевый кристалл – «затравка», который постепенно поднимается при помощи автоматического устройства, при этом температура расплава немного превышает температуру плавления германия (составляет 937 °C). «Затравка» вращается, чтобы монокристалл, как говорится, «обрастал мясом» со всех равномерно сторон. Необходимо отметить, что во время подобного роста происходит то же, что и в процессе зонной плавки, т.е. в твердую фазу переходит практически один лишь германий, а все примеси остаются в расплаве.

Физические свойства

Вероятно, мало кому из читателей данной статьи приходилось наглядно видеть ванадий. Сам элемент довольно дефицитный и дорогой, из него не делают предметов широкого потребления, а начинка их германия, которая бывает в электрических приборах мала настолько, что разглядеть металла не возможно.

В некоторых справочниках утверждается, что германий имеет серебристый цвет. Но так утверждать нельзя, ведь цвет германия напрямую зависит от способа обработки поверхности металла. Иногда он может казаться практически черным, в других случаях имеет стальной цвет, а иногда он может быть и серебристым.

Германий настолько редкий металл, что стоимость его слитка можно сравнивать со стоимостью золота. Германий отличается повышенной хрупкостью, которую можно сопоставить разве что со стеклом. Внешне германий достаточно близок к кремнию. Два этих элемента являются одновременно и конкурентами на звание важнейшего полупроводника, и аналогами. Хотя некоторые технические свойства элементом во многом схожи, что касается и внешнего облика материалов, отличить германий от кремния очень просто, германий тяжелее более чем в два раза. Плотность кремния составляет 2,33 г/см3, а плотность германия - 5,33 г/см3.

Но однозначно о плотности германия нельзя говорить, т.к. цифра 5,33 г/см3 относится к германию-1. Это одна самая важная и самая распространенная модификация из пяти аллотропических модификаций 32-го элемента. Четыре из них кристаллические и одна аморфная. Германий-1 является самой легкой модификацией из четырех кристаллических. Кристаллы его построены точь-в-точь также как и кристаллы алмаза, а = 0,533 нм. Однако если для углерода данная структура является максимально плотной, то у германия существуют и более плотные модификации. Умеренный нагрев и высокое давление (около 30 тысяч атмосфер при 100 °C) преобразует германий-1 в германий-2, структура кристаллической решетки у которого точно такая же, как у белого олова. Походим методом получают германий-3 и германий-4, которые еще более плотные. Все эти «не совсем обычные» модификации превосходят германий-1 не только по плотности, но и по электропроводности.

Плотность жидкого германия составляет 5,557 г/см3 (при 1000°С), темература плавления металла равна 937,5 °С; температура кипения составляет около 2700°С; значение коэффициента теплопроводности равно примерно 60 вт/(м (К), либо 0,14 кал/(см (сек (град) при температуре 25 °С. При обычной температуре хрупок даже чистый германий, но при достижении 550 °С он начинает поддаваться пластической деформации. По минералогической шкале твердость германия составляет от 6 до 6,5; значение коэффициента сжимаемости (в интервале давления от 0 до 120 Гн/м 2 , либо от 0 до 12000 кгс/мм 2) составляет1,4·10—7 м 2 /мн (или 1,4·10-6 см 2 /кгс); показатель поверхностного натяжения равен 0,6 н/м (или 600 дин/см).

Германий является типичным полупроводником с размером ширины запрещенной зоны 1,104·10 -19 , либо 0,69 эв (при температуре 25 °С); у германия высокой чистоты удельное электрическое сопротивление равно 0,60 ом (м (60 ом (см) (25 °С); показатель подвижности электронов равен 3900, а подвижности дырок - 1900 см 2 /в. сек (при 25 °С и при содержании от 8% примесей). Для инфракрасных лучей, длина волны которых более 2 мкм, металл прозрачен.

Германий довольно хрупок, он не поддается ни горячей ни холодной обработке давлением до температуры ниже 550 °С, если же температура становится выше, металл пластичен. Твердость металла по минералогической шкале составляет 6,0-6,5 (германий распиливается на пластины при помощи металлического или алмазного диска и абразива).

Химические свойства

Германий, находясь в химических соединениях обычно проявляет вторую и четвертую валентности, но более стабильны соединения четырехвалентного германия. Германий при комнатной температуре устойчив к действию воды, воздуха, а также растворам щелочей и разбавленным концентратам серной или соляной кислоты, зато элемент довольно легко растворяется в царской водке или щелочном растворе водородной перекиси. Элемент медленно окисляется под действием азотной кислоты. При достижении на воздухе температуры 500-700 °С германий начинает окисляться до оксидов GeO 2 и GeO. (IV) оксид германия - это белый порошок с температурой плавления 1116° C и растворимостью в воде 4,3 г/л (при 20 °С). По своим химическим свойствам вещество амфотерно, растворяется в щелочи, с трудом в минеральной кислоте. Его получают путем проникновения гидратного осадка GeO 3 ·nH 2 O, который выделяется при гидролизе Производные кислоты германия, например,германаты металлов (Na 2 GeO 3 , Li 2 GeO 3 , и др.) – это твердые вещества, имеющие высокие температуры плавления, могут быть получены путем сплавления GeO 2 и других оксидов.

В результате взаимодействия германия и галогенов могут образовываться соответствующие тетрагалогениды. Легче всего реакция способна протекать с хлором и фтором (даже в комнатной температуре), затем с йодом (температура 700-800 °С, присутствие СО) и бромом (при слабом нагревании). Одним из важнейших соединений германия является тетрахлорид (формула GeCl 4). Это бесцветная жидкость с температурой плавления равной 49,5 °С, с температурой кипения 83,1°С и с плотность 1,84 г/см3 (при 20 °С). Вещество сильно гидролизуется водой, выделяя осадок гидратированного оксида (IV). Тетрахлорид получают путем хлорирования металлического германия либо взаимодействием оаксид GeO 2 и концентрированной соляной кислоты. Известны еще и дигалогениды германия с общей формулой GeX 2 , гексахлордигерман Ge 2 Cl 6 , монохлорид GeCl, а также оксихлориды германия (к примеру, СеОСl 2).

При достижении 900-1000 °С с германием энергично взаимодействует сера, образуя дисульфид GeS 2 . Это твердое белое вещество с температурой плавления 825 °С. Возможны также образования моносульфида GeS и аналогичных соединений германия с теллуром и селеном, являющимися полупроводниками. При температуре 1000-1100 °С с германием незначительно реагирует водород, образуя гермин (GeH) Х, являющийся малоустойчивым и легколетучим соединением. Германоводороды ряда Ge n H 2n + 2 до Ge 9 H 20 могут быть образованы путем взаимодействия германидов с разбавленной HCl . Также известен гермилен с составом GeH 2 . Германий не реагирует с азотом непосредственно, но есть нитрид Gе 3 N 4 , который получается при воздействии аммиака на германий (700-800 °С). Германий не взаимодействует с углеродом. Со многими металлами германий образует различные соединения – германиды.

Известно множество комплексных соединения германия, приобретающих все большее значение в аналитической химии элемента германий, а также в процессах получения химического элемента. Германий способен образовывать комплексные соединения с гидроксилсодержащими органическими молекулами (многоатомные спирты, многоосновные кислоты и другие). Существуют и гетерополикислоты германия. Как и другие элементы IV-й группы германий характерно образовывает металлорганические соединения. Примером может послужить тетраэтилгерман (С 2 Н 5) 4 Ge 3 .

Германий (лат. Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 32, атомная масса 72,59; твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Природный Германий представляет собой смесь пяти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76. Существование и свойства Германия предсказал в 1871 году Д. И. Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент экасилицием из-за близости свойств его с кремнием. В 1886 году немецкий химик К. Винклер обнаружил в минерале аргиродите новый элемент, который назвал Германием в честь своей страны; Германий оказался вполне тождествен экасилицию. До второй половины 20 века практическое применение Германия оставалось весьма ограниченным. Промышленное производство Германия возникло в связи с развитием полупроводниковой электроники.

Общее содержание Германий в земной коре 7·10 -4 % по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Однако собственные минералы Германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4 , аргиродит Ag 8 GeS 6 , конфильдит Ag 8 (Sn, Ge)S 6 и другие. Основная масса Германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых оксидных минералах (хромите, магнетите, рутиле и других), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, Германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти.

Физические свойства Германия. Германий кристаллизуется в кубической структуре типа алмаза, параметр элементарной ячейки а = 5, 6575Å. Плотность твердого Германий 5,327 г/см 3 (25°С); жидкого 5,557 (1000°С); t пл 937,5°С; t кип около 2700°С; коэффициент теплопроводности ~60 Вт/(м·К),или 0,14 кал/(см·сек·град) при 25°С. Даже весьма чистый Германий хрупок при обычной температуре, но выше 550°С поддается пластической деформации. Твердость Германия по минералогической шкале 6-6,5; коэффициент сжимаемости (в интервале давлений 0-120 Гн/м 2 , или 0-12000 кгс/мм 2) 1,4·10 -7 м 2 /мн (1,4·10 -6 см 2 /кгс); поверхностное натяжение 0,6 н/м (600 дин/см). Германий - типичный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,104·10 -19 дж или 0,69 эв (25°С); удельное электросопротивление Германия высокой чистоты 0,60 ом·м (60 ом·см) при 25°С; подвижность электронов 3900 и подвижность дырок 1900 см 2 /в·сек (25°С) (при содержании примесей менее 10 -8 %). Прозрачен для инфракрасных лучей с длиной волны больше 2 мкм.

Химические свойства Германия. В химические соединениях Германий обычно проявляет валентности 2 и 4, причем более стабильны соединения 4-валентного Германия. При комнатной температуре Германий устойчив к действию воздуха, воды, растворам щелочей и разбавленных соляной и серной кислот, но легко растворяется в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. Азотной кислотой медленно окисляется. При нагревании на воздухе до 500-700°С Германий окисляется до оксидов GeO и GeO 2 . Оксид Германия (IV) - белый порошок с t пл 1116°C; растворимость в воде 4,3 г/л (20°С). По химическиv свойствам амфотерна, растворяется в щелочах и с трудом в минеральных кислотах. Получается прокаливанием гидратного осадка (GeO 3 ·nH 2 O), выделяемого при гидролизе тетрахлорида GeCl 4 . Сплавлением GeO 2 с других оксидами могут быть получены производные германиевой кислоты - германаты металлов (Li 2 GeO 3 , Na 2 GeO 3 и другие) - твердые вещества с высокими температурами плавления.

При взаимодействии Германия с галогенами образуются соответствующие тетрагалогениды. Наиболее легко реакция протекает с фтором и хлором (уже при комнатной температуре), затем с бромом (слабое нагревание) и с иодом (при 700-800°С в присутствии СО). Одно из наиболее важных соединений Германия тетрахлорид GeCl 4 - бесцветная жидкость; t пл -49,5°С; t кип 83,1°С; плотность 1,84 г/см 3 (20°С). Водой сильно гидролизуется с выделением осадка гидратированного оксида (IV). Получается хлорированием металлического Германия или взаимодействием GeO 2 с концентрированной НСl. Известны также дигалогениды Германия общей формулы GeX 2 , монохлорид GeCl, гексахлордигерман Ge 2 Cl 6 и оксихлориды Германия (например, СеОСl 2).

Сера энергично взаимодействует с Германием при 900-1000°С с образованием дисульфида GeS 2 - белого твердого вещества, t пл 825°С. Описаны также моносульфид GeS и аналогичные соединения Германия с селеном и теллуром, которые являются полупроводниками. Водород незначительно реагирует с Германием при 1000-1100°С с образованием гермина (GeH) Х - малоустойчивого и легко летучего соединения. Взаимодействием германидов с разбавленной соляной кислотой могут быть получены германоводороды ряда Ge n H 2n+2 вплоть до Ge 9 H 20 . Известен также гермилен состава GeH 2 . С азотом Германий непосредственно не реагирует, однако существует нитрид Gе 3 N 4 , получающийся при действии аммиака на Германий при 700-800°С. С углеродом Германий не взаимодействует. Германий образует соединения со многими металлами - германиды.

Известны многочисленные комплексные соединения Германия, которые приобретают все большее значение как в аналитической химии Германия, так и в процессах его получения. Германий образует комплексные соединения с органическими гидроксилсодержащими молекулами (многоатомными спиртами, многоосновными кислотами и другими). Получены гетерополикислоты Германия. Так же, как и для других элементов IV группы, для Германия характерно образование металлорганических соединений, примером которых служит тетраэтилгерман (С 2 Н 5) 4 Ge 3 .

Получение Германия. В промышленного практике Германий получают преимущественно из побочных продуктов переработки руд цветных металлов (цинковой обманки, цинково-медно-свинцовых полиметаллических концентратов), содержащих 0,001-0,1% Германия. В качестве сырья используют также золы от сжигания угля, пыль газогенераторов и отходы коксохимических заводов. Первоначально из перечисленных источников различными способами, зависящими от состава сырья, получают германиевый концентрат (2-10% Германия). Извлечение Германия из концентрата обычно включает следующие стадии: 1) хлорирование концентрата соляной кислотой, смесью ее с хлором в водной среде или других хлорирующими агентами с получением технического GeCl 4 . Для очистки GеСl 4 применяют ректификацию и экстракцию примесей концентрированной НСl. 2) Гидролиз GeCl 4 и прокаливание продуктов гидролиза до получения GeO 2 . 3) Восстановление GeO 2 водородом или аммиаком до металла. Для выделения очень чистого Германия, используемого в полупроводниковых приборах, проводится зонная плавка металла. Необходимый для полупроводниковой промышленности монокристаллический Германий получают обычно зонной плавкой или методом Чохральского.

Применение Германия. Германий - один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей. Монокристаллический Германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряженность постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения Германия является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения, работающих в области 8-14 мкм. Перспективны для практическое использования многие сплавы, в состав которых входят Германий, стекла на основе GeO 2 и другие соединения Германия.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Германий - тридцать второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ge от латинского «germanium». Расположен в четвертом периоде, IVA группе. Относится к полуметаллам. Заряд ядра равен 32.

В компактном состоянии германий имеет серебристый цвет (рис. 1) и по внешнему виду похож на металл. При комнатной температуре он устойчив к действию воздуха, кислорода, воды, соляной и разбавленной серной кислот.

Рис. 1. Германий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса германия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии германий существует в виде одноатомных молекул Ge, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 72,630.

Изотопы германия

Известно, что в природе германий может находиться в виде пяти стабильных изотопов 70 Ge (20,55%), 72 Ge (20,55%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) и 76 Ge (7,67%). Их массовые числа равны 70, 72, 73, 74 и 76 соответственно. Ядро атома изотопа германия 70 Ge содержит тридцать два протона и тридцать восемь нейтронов, остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные радиоактивные изотопы германия с массовыми числами от 58-ми до 86-ти, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 68 Ge с периодом полураспада равным 270,95 суток.

Ионы германия

На внешнем энергетическом уровне атома германия имеется четыре электрона, которые являются валентными:

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

В результате химического взаимодействия германий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ge 0 -2e → Ge 2+ ;

Ge 0 -4e → Ge 4+ .

Молекула и атом германия

В свободном состоянии германий существует в виде одноатомных молекул Ge. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу германия:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

ГЕРМАНИЙ, Ge (от лат. Germania — Германия * а. germanium; н. Germanium; ф. germanium; и. germanio), — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 32, атомная масса 72,59. Природный германий состоит из 4 стабильных изотопов 70 Ge (20,55%), 72 Ge (27,37%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) и одного радиоактивного 76 Ge (7,67%) с периодом полураспада 2.10 6 лет. Открыт в 1886 немецким химиком К. Винклером в минерале аргиродите; был предсказан в 1871 Д. Н. Менделеевым (экасилиций).

Германий в природе

Германий относится к . Распространённость германия в (1-2).10 -4 %. В качестве примеси встречается в минералах кремния, в меньшей степени в минералах и . Собственные минералы германия очень редки: сульфосоли — аргиродит, германит, реньерит и некоторые другие; двойной гидратированный оксид германия и железа — штоттит; сульфаты — итоит, флейшерит и некоторые др. Промышленного значения они практически не имеют. Германий накапливается в гидротермальных и осадочных процессах, где реализуется возможность отделения его от кремния. В повышенных количествах (0,001-0,1%) встречается в , и . Источниками германия являются полиметаллические руды, ископаемые угли и некоторые типы вулканогенно-осадочных месторождений . Основное количество германия получают попутно из подсмольных вод при коксовании углей, из золы энергетических углей, сфалеритовых и магнетитовых . Германий извлекается кислотным , возгонкой в восстановительной среде, сплавлением с едким натром и др. Концентраты германия обрабатываются соляной кислотой при нагревании, конденсат очищается и подвергается гидролитическому разложению с образованием диоксида; последний восстанавливается водородом до металлического германия, который очищается методами фракционной и направленной кристаллизации, зонной плавки.

Применение германия

Германий применяют в радиоэлектронике и электротехнике как полупроводниковый материал для изготовления диодов и транзисторов. Из германия изготовляют линзы для ИК оптики, фотодиоды, фоторезисторы, дозиметры ядерных излучений, анализаторы рентгеновской спектроскопии, преобразователи энергии радиоактивного распада в электрическую и т.д. Сплавы германия с некоторыми металлами, отличающиеся повышенной стойкостью к кислым агрессивным средам, используют в приборостроении, машиностроении и металлургии. Некоторые сплавы германия с другими химическими элементами — сверхпроводники.

Назван в честь Германии. Ученый из этой страны открыл и имел право именовать его, как захочет. Так в попал германий .

Однако, посчастливилось не Менделееву, а Клеменсу Винклеру. Ему поручили изучить аргиродит. Новый минерал, состоящий, в основном, из , нашли на прииске Химмельфюрст.

Винклер определил 93% состава камня и зашел в тупик с оставшимися 7%. Напрашивался вывод, что в них входит неизвестный элемент.

Более тщательный анализ принес плоды, — был открыт германий . Это металл. Чем он пригодился человечеству? Об этом, и не только, расскажем далее.

Свойства германия

Германий – 32 элемент таблицы Менделеева . Получается, металл входит в 4-ю группу. Номер соответствует валентности элементов.

То есть, германий склонен образовывать 4 химических связи. Это делает элемент, открытый Винклером, похожим на .

Отсюда и желание Менделеева назвать еще неоткрытый элемент экосилицием, обозначаемым, как Si. Дмитрий Ивановичь заранее просчитал свойства 32-го металла.

На кремний германий похож химическими свойствами. С кислотами реагирует только при нагревании. Со щелочами «общается» в присутствии окислителей.

Устойчив к парам воды. Не вступает в реакции с водородом, углеродом, . Загорается германий при температуре в 700-от градусов Цельсия. Реакция сопровождается образованием диоксида германия.

32-ой элемент легко взаимодействует с галогенами. Это солеобразующие вещества из 17 группы таблицы.

Дабы не запутаться, укажем, что ориентируемся на новый стандарт. В старом, это 7-я группа таблицы Менделеева.

Какой бы ни была таблица, металлы в ней располагаются слева от ступенчатой диагональной линии. 32-ой элемент – исключение.

Еще одно исключение – . С ней тоже возможна реакция. Сурьма осаждается на подложке.

Активное взаимодействие обеспеченно и с . Как большинство металлов, германий способен гореть в ее парах.

Внешне элемент германий , серовато-белый, с выраженным металлическим блеском.

При рассмотрении внутреннего строения, металл имеет кубическую структуру. Она отражает расположение атомов в элементарных ячейках.

Они имеют форму кубов. Восемь атомов располагаются в вершинах. Строение близко к решетке .

У 32-го элемента 5 стабильных изотопов. Их наличие – свойство всех элементов подгруппы германия.

Они четные, что и обуславливает присутствие стабильных изотопов. У , к примеру, их 10.

Плотность германия составляет 5,3-5,5 граммов на кубический сантиметр. Первый показатель характерен для состояния, второй – для жидкого металла.

В размягченном виде он не только более плотный, но и пластичный. Хрупкое при комнатной температуре вещество становится при 550-ти градусах. Таковы особенности германия.

Твердость металла при комнатной температуре составляет около 6 баллов по .

В таком состоянии 32-ой элемент является типичным полупроводником. Но, свойство становится «ярче» при повышении температуры. Просто проводники, для сравнения, теряют свои свойства при нагреве.

Германий проводит ток не только в стандартном виде, но и в растворах.

По полупроводниковым свойствам 32-ой элемент, так же, близок кремнию и столь же распространен.

Однако, сферы применения веществ разнятся. Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, в том числе, и тонкопленочного типа.

Элемент нужен, так же, для фотоэлементов. Теперь, рассмотрим, где пригождается германий.

Применение германия

Германий применяют в гаммо-спектроскопии. Ее приборы позволяют, к примеру, изучить состав добавок в смешанных окислах катализаторов.

В прошлом, германий добавляли в диоды и транзисторы. В фотоэлементах свойства полупроводника тоже пригождаются.

Но, если кремний добавляют в стандартные модели, то германий – в высокоэффективные, нового поколения.

Главное, не использовать германий при температуре близкой к абсолютному нулю. В таких условиях металл теряет способность передавать напряжение.

Чтобы германий был проводником, примесей в нем должно быть не более 10%. Идеален ультрачистый химический элемент.

Германий делают таким методом зонной плавки. Она основана на различной растворимости сторонних элементов в жидкой и фазах.

Формула германия позволяет применять его и в деле. Здесь речь уже не о полупроводниковых свойствах элемента, а о его способности придать твердость .

По этой же причине, германий нашел применение в зубопротезировании. Хотя, коронки отживают свой век, небольшой спрос на них, все еще, есть.

Если добавить к германию и еще и кремний с алюминием, получаются припои.

Их температура плавления всегда ниже, чем у соединяемых металлов. Так что, можно делать сложные, дизайнерские конструкции.

Даже интернет без германия был бы невозможен. 32-ой элемент присутствует в оптоволокне. В его сердцевине находится кварц с примесью героя .

А его двуокись увеличивает отражательные способности оптоволокна. Учитывая спрос на него, , электронику, германий нужен промышленникам в больших объемах. Каких именно, и как их обеспечивают, изучим ниже.

Добыча германия

Германий довольно распространен. В земной коре 32-го элемента, к примеру, больше, чем , сурьмы, или .

Разведанные запасы – около 1 000 тонн. Почти половина из них сокрыта в недрах США. Еще 410 тонн – достояние .

Так что, остальным странам, в основном, приходиться закупать сырье. сотрудничает с Поднебесной. Это обосновано и с политической точки зрения, и с позиции экономии.

Свойства элемента германий , связанные с его геохимическим родством с широко распространенными веществами, не позволяют металлу образовывать собственные минералы.

Обычно, металл внедряется в решетку уже существующих . Много места гость, естественно, не займет.

Поэтому, приходиться извлекать германий по крупицам. В можно найти несколько кило на тонну породы.

В энаргитах на 1000 килограммов приходиться не больше 5 кило германия. В пираргирите в 2 раза больше.

В тонне сульванита 32-го элемента содержится не больше 1 килограмма. Чаще всего, германий извлекают в качестве побочного продукта из руд других металлов, к примеру, , или цветных, таких как хромит, магнитит, рутит.

Годовое производство германия колеблется в пределах 100-120 тонн, в зависимости от спроса.

В основном, закупается монокристаллическая форма вещества. Именно такая нужна для производства спектрометров, оптоволокна, драгоценных . Узнаем расценки.

Цена германия

Монокристаллический германий, в основном, закупают тоннами. Для больших производств это выгодно.

1 000 килограммов 32-го элемента стоит около 100 000 рублей. Можно найти предложения за 75 000 – 85 000.

Если брать поликристаллический, то есть, с агрегатами меньшего размера и повышенной прочностью, можно отдать в 2,5 раза больше всего за кило сырья.

Стандартны длинной не меньше 28-ми сантиметров. Блоки защищают пленкой, поскольку на воздухе они тускнеют. Поликристаллический германий – «почва» для выращивания монокристаллов.