Đặc điểm của nguyên tố hóa học gecmani. Bạn có biết cách hóa học sự thật thú vị của Germanium không

Germanium (từ tiếng Latinh Germanium), ký hiệu là "Ge", một nguyên tố thuộc nhóm IV trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Dmitry Ivanovich Mendeleev; số thứ tự của nguyên tố là 32, nguyên tử khối là 72,59. Gecmani là một chất rắn có ánh kim loại và màu trắng xám. Mặc dù màu sắc của gecmani là một khái niệm khá tương đối, nhưng tất cả phụ thuộc vào độ hoàn thiện bề mặt của vật liệu. Đôi khi nó có thể có màu xám như thép, đôi khi màu bạc, và đôi khi thậm chí là màu đen. Bên ngoài, gecmani khá gần với silic. Các phần tử này không chỉ tương tự nhau mà còn có các đặc tính bán dẫn phần lớn giống nhau. Sự khác biệt cơ bản của chúng là germanium nặng hơn silicon gấp đôi.

Gecmani trong tự nhiên là hỗn hợp của năm đồng vị bền với các số khối 76, 74, 73, 32, 70. Trở lại năm 1871, một nhà hóa học nổi tiếng, "cha đẻ" của bảng tuần hoàn, Dmitry Ivanovich Mendeleev, đã dự đoán các tính chất và sự tồn tại của gecmani. Ông gọi nguyên tố chưa được biết vào thời điểm đó là "ecasilicon", bởi vì các đặc tính của chất mới theo nhiều cách tương tự như các đặc tính của silicon. Năm 1886, sau khi nghiên cứu khoáng vật argirdite, nhà hóa học người Đức, K. Winkler, bốn mươi tám tuổi, đã phát hiện ra một nguyên tố hóa học hoàn toàn mới trong thành phần của một hỗn hợp tự nhiên.

Lúc đầu, nhà hóa học muốn gọi nguyên tố là neptunium, vì hành tinh Neptune cũng đã được dự đoán sớm hơn nhiều so với thời điểm nó được phát hiện, nhưng sau đó ông phát hiện ra rằng cái tên như vậy đã được sử dụng trong việc phát hiện sai một trong những nguyên tố, vì vậy Winkler quyết định từ bỏ cái tên này. Nhà khoa học được yêu cầu đặt tên cho nguyên tố là góc cạnh, trong bản dịch có nghĩa là "gây tranh cãi, góc cạnh", nhưng Winkler đã không đồng ý với tên gọi này, mặc dù nguyên tố số 32 thực sự gây ra rất nhiều tranh cãi. Nhà khoa học mang quốc tịch Đức, vì vậy cuối cùng ông đã quyết định đặt tên nguyên tố là germani, để vinh danh quê hương Đức của ông.

Hóa ra sau này, germanium hóa ra không hơn gì "ekasilicium" được phát hiện trước đó. Cho đến nửa sau của thế kỷ 20, tính hữu dụng thực tế của gecmani còn khá hẹp và hạn chế. Công nghiệp sản xuất kim loại chỉ bắt đầu như là kết quả của sự khởi đầu của công nghiệp sản xuất điện tử bán dẫn.

Gecmani là một vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong điện tử và kỹ thuật, cũng như trong sản xuất vi mạch và bóng bán dẫn. Việc lắp đặt radar sử dụng các màng mỏng gecmani dán lên thủy tinh và được sử dụng làm điện trở. Hợp kim với gecmani và kim loại được sử dụng trong máy dò và cảm biến.

Nguyên tố không có độ bền như vonfram hay titan, nó không đóng vai trò là nguồn năng lượng vô tận như plutonium hay uranium, độ dẫn điện của vật liệu cũng kém xa cao nhất, và sắt là kim loại chính trong công nghệ công nghiệp. Mặc dù vậy, gecmani là một trong những thành phần quan trọng nhất của tiến bộ kỹ thuật của xã hội chúng ta, bởi vì nó thậm chí còn sớm hơn silicon được sử dụng làm vật liệu bán dẫn.

Về vấn đề này, sẽ là thích hợp để hỏi: Chất bán dẫn và chất bán dẫn là gì? Ngay cả các chuyên gia cũng không thể trả lời câu hỏi này một cách chắc chắn, tk. chúng ta có thể nói về một đặc tính cụ thể của chất bán dẫn đang được xem xét. Ngoài ra còn có một định nghĩa chính xác, nhưng chỉ từ lĩnh vực dân gian: Chất bán dẫn - chất dẫn điện cho hai ô tô.

Một thanh gecmani có giá gần tương đương với một thanh vàng. Kim loại rất dễ vỡ, gần giống như thủy tinh, do đó, khi làm rơi một thỏi như vậy, khả năng cao là kim loại sẽ bị vỡ.

Kim loại gecmani, tính chất

Tính chất sinh học

Đối với mục đích y tế, germanium được sử dụng rộng rãi nhất ở Nhật Bản. Kết quả thử nghiệm các hợp chất organogermanium trên động vật và con người đã cho thấy chúng có thể có tác dụng hữu ích đối với cơ thể. Năm 1967, một bác sĩ người Nhật K. Asai đã phát hiện ra rằng germanium hữu cơ có tác dụng sinh học rộng rãi.

Trong số tất cả các đặc tính sinh học của nó, cần lưu ý:

• - đảm bảo việc vận chuyển oxy đến các mô của cơ thể;
• - tăng tình trạng miễn dịch của cơ thể;
• - biểu hiện của hoạt động chống khối u.

Sau đó, các nhà khoa học Nhật Bản đã tạo ra sản phẩm y tế đầu tiên trên thế giới có chứa germanium - "Germanium - 132".

Ở Nga, loại thuốc nội địa đầu tiên có chứa germanium hữu cơ chỉ xuất hiện vào năm 2000.

Các quá trình tiến hóa sinh hóa của bề mặt vỏ trái đất không có ảnh hưởng tốt nhất đến hàm lượng germani trong đó. Hầu hết các nguyên tố đã bị rửa trôi từ đất liền vào đại dương, vì vậy hàm lượng của nó trong đất vẫn còn khá thấp.

Trong số các loại thực vật có khả năng hấp thụ germanium từ đất, đứng đầu là nhân sâm (germanium lên đến 0,2%). Germanium cũng được tìm thấy trong tỏi, long não và lô hội, theo truyền thống được sử dụng để điều trị các bệnh khác nhau ở người. Trong thảm thực vật, gecmani được tìm thấy ở dạng cacboxyetyl ​​hemi-oxit. Bây giờ người ta có thể tổng hợp sesquioxan bằng một đoạn pyrimidine - các hợp chất hữu cơ của gecmani. Hợp chất này trong cấu trúc của nó gần với tự nhiên, giống như trong củ nhân sâm.

Germanium có thể được phân loại như một nguyên tố vi lượng hiếm. Nó có trong một số lượng lớn các loại thực phẩm khác nhau, nhưng với liều lượng rất nhỏ. Lượng germanium hữu cơ hàng ngày được đặt ở mức 8-10 mg. Đánh giá 125 loại thực phẩm cho thấy khoảng 1,5 mg germanium được tiêu thụ hàng ngày cùng với thức ăn. Hàm lượng nguyên tố vi lượng trong 1 g thức ăn thô khoảng 0,1 - 1,0 μg. Germanium được tìm thấy trong sữa, nước ép cà chua, cá hồi và đậu. Nhưng để đáp ứng đủ nhu cầu hàng ngày Đức nên uống 10 lít nước ép cà chua mỗi ngày hoặc ăn khoảng 5 ký cá hồi. Từ quan điểm về giá thành của các sản phẩm này, đặc tính sinh lý của một người, và thông thường, việc sử dụng một lượng sản phẩm có chứa germanium như vậy cũng không thể thực hiện được. Trên lãnh thổ Nga, khoảng 80-90% dân số bị thiếu gecmani, đó là lý do tại sao các chế phẩm đặc biệt đã được phát triển.

Các nghiên cứu thực tế đã chỉ ra rằng trong cơ thể, germanium có nhiều nhất ở ruột, dạ dày, lá lách, tủy xương và máu. Hàm lượng vi lượng cao trong ruột và dạ dày cho thấy quá trình hấp thu thuốc vào máu kéo dài. Có một giả định rằng germanium hữu cơ hoạt động trong máu theo cùng một cách với hemoglobin, tức là mang điện tích âm và tham gia vào quá trình vận chuyển oxy đến các mô. Do đó, nó ngăn ngừa sự phát triển của tình trạng thiếu oxy ở cấp độ mô.

Kết quả của các thí nghiệm lặp đi lặp lại, đặc tính của gecmani đã được chứng minh là có thể kích hoạt các tế bào T sát thủ và thúc đẩy sự cảm ứng của các interferon gamma, ngăn chặn quá trình sinh sản của các tế bào đang phân chia nhanh chóng. Hướng hoạt động chính của interferon là chống khối u và bảo vệ kháng vi-rút, bảo vệ phóng xạ và điều hòa miễn dịch chức năng của hệ bạch huyết.

Germanium ở dạng sesquioxide có khả năng tác động lên các ion hydro H +, làm dịu tác dụng phá hủy của chúng đối với các tế bào của cơ thể. Đảm bảo cho hoạt động tuyệt vời của tất cả các hệ thống của cơ thể con người là nguồn cung cấp oxy cho máu và tất cả các mô không bị gián đoạn. Gecmani hữu cơ không chỉ cung cấp oxy đến tất cả các bộ phận của cơ thể mà còn thúc đẩy sự tương tác của nó với các ion hydro.

• - Gecmani là một kim loại, nhưng độ mỏng manh của nó có thể được so sánh với thủy tinh.
• - Một số sách tham khảo cho rằng gecmani có màu trắng bạc. Nhưng điều này không thể nói, bởi vì màu sắc của gecmani phụ thuộc trực tiếp vào phương pháp xử lý bề mặt kim loại. Đôi khi nó có thể xuất hiện gần như màu đen, trong những trường hợp khác, nó có màu thép, và đôi khi nó có thể có màu bạc.
• - Germanium được tìm thấy trên bề mặt của mặt trời, cũng như trong các thiên thạch rơi từ không gian.
• - Lần đầu tiên, người phát hiện ra nguyên tố, Clemens Winkler, thu được hợp chất cơ quan germani từ germanium tetrachloride vào năm 1887; nó là tetraethyl germani. Trong số tất cả các hợp chất cơ quan của gecmani thu được ở giai đoạn hiện tại, không có hợp chất nào là độc. Đồng thời, hầu hết các nguyên tố vi lượng organotin và chì, tương tự như gecmani về tính chất vật lý của chúng, đều độc hại.
• - Dmitry Ivanovich Mendeleev đã dự đoán ba nguyên tố hóa học ngay cả trước khi phát hiện ra chúng, trong đó có germani, gọi nguyên tố là ecasilicon do tính chất tương tự như silic. Dự đoán của nhà khoa học nổi tiếng người Nga chính xác đến mức khiến các nhà khoa học phải kinh ngạc. và Winkler, người đã phát hiện ra germanium. Trọng lượng nguyên tử theo Mendeleev là 72, trên thực tế là 72,6; trọng lượng riêng theo Mendeleev trong thực tế là 5,5 - 5,469; khối lượng nguyên tử theo Mendeleev trên thực tế là 13 - 13,57; oxit cao nhất theo Mendeleev EsO2, trong thực tế - GeO2, trọng lượng riêng của nó theo Mendeleev là 4,7, trong thực tế - 4,703; hợp chất clo theo Mendeleev EsCl4 - chất lỏng, điểm sôi khoảng 90 ° C, trong thực tế - hợp chất clorua GeCl4 - chất lỏng, điểm sôi 83 ° C, hợp chất với hydro theo Mendeleev EsH4 là thể khí, hợp chất với hydro thực tế là GeH4 ở thể khí ; hợp chất cơ kim theo Mendeleev Es (C2H5) 4, điểm sôi 160 ° C, hợp chất cơ kim trong thực tế - Ge (C2H5) 4 điểm sôi 163,5 ° C. Như bạn có thể thấy từ thông tin thảo luận ở trên, dự đoán của Mendeleev chính xác một cách đáng ngạc nhiên.
• - Clemens Winkler ngày 26 tháng 2 năm 1886 bắt đầu một bức thư cho Mendeleev với dòng chữ "Thưa ngài". Theo một thái độ khá lịch sự, ông nói với nhà khoa học Nga về việc phát hiện ra một nguyên tố mới gọi là germanium, về tính chất của nó không khác gì "ecasilicon" đã được Mendeleev tiên đoán trước đó. Câu trả lời của Dmitry Ivanovich Mendeleev không kém phần lịch sự. Nhà khoa học đồng tình với phát hiện của đồng nghiệp, gọi germanium là "vương miện của hệ tuần hoàn", và Winkler là "cha đẻ" của nguyên tố, xứng đáng được đội "vương miện" này.
• - Germanium với tư cách là chất bán dẫn cổ điển đã trở thành chìa khóa để giải quyết vấn đề tạo ra vật liệu siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ của hydro lỏng, nhưng không phải heli lỏng. Như bạn đã biết, hydro chuyển thành trạng thái lỏng từ trạng thái khí khi nhiệt độ lên tới –252,6 ° C, hay 20,5 ° K. Vào những năm 1970, một lớp màng germani và niobi đã được phát triển, độ dày của lớp này chỉ là vài nghìn nguyên tử. Màng này có khả năng duy trì tính siêu dẫn ngay cả khi nhiệt độ đạt từ 23,2 ° K trở xuống.
• - Khi nuôi cấy đơn tinh thể gecmani, một tinh thể gecmani được đặt trên bề mặt của gecmani nóng chảy - một "hạt giống", được nâng dần lên bằng thiết bị tự động, trong khi nhiệt độ nóng chảy cao hơn một chút so với nhiệt độ nóng chảy của gecmani (là 937 ° C). "Hạt giống" quay để các đơn tinh thể, như người ta nói, "mọc đầy thịt" từ tất cả các phía đồng đều. Cần lưu ý rằng trong quá trình tăng trưởng như vậy, điều tương tự xảy ra như trong quá trình tan chảy vùng, tức là thực tế chỉ có gecmani đi vào pha rắn, và tất cả các tạp chất vẫn còn trong quá trình tan chảy.

Môn lịch sử

Sự tồn tại của một nguyên tố như germani đã được dự đoán từ năm 1871 bởi Dmitry Ivanovich Mendeleev, do sự tương đồng của nó với silicon, nguyên tố này được đặt tên là ekasilicium. Năm 1886, một giáo sư tại Học viện Khai thác Freiberg đã phát hiện ra argyrodite, một khoáng chất mới cho bạc. Sau đó, khoáng chất này đã được giáo sư hóa kỹ thuật, Clemens Winkler, nghiên cứu khá kỹ lưỡng, tiến hành phân tích toàn bộ khoáng chất. Winkler bốn mươi tám tuổi được coi là nhà phân tích giỏi nhất tại Học viện Khai thác mỏ Freiberg, đó là lý do tại sao anh ta được trao cơ hội để nghiên cứu argyrodite.

Trong một thời gian khá ngắn, giáo sư đã có thể cung cấp một báo cáo về tỷ lệ phần trăm các nguyên tố khác nhau trong khoáng vật ban đầu: bạc trong thành phần của nó là 74,72%; lưu huỳnh - 17,13%; oxit sắt - 0,66%; thủy ngân - 0,31%; kẽm oxit - 0,22%. Nhưng gần 7% là thành phần của một số nguyên tố khó hiểu, có vẻ như vẫn chưa được phát hiện vào thời điểm xa xôi đó. Cùng với đó, Winkler quyết định cô lập thành phần không xác định của argyrodpt, nghiên cứu các đặc tính của nó, và trong quá trình nghiên cứu, ông nhận ra rằng ông đã thực sự tìm thấy một nguyên tố hoàn toàn mới - đó là sự giải thích do D.I. Mendeleev.

Tuy nhiên, sẽ thật sai lầm nếu nghĩ rằng công việc của Winkler diễn ra suôn sẻ. Dmitry Ivanovich Mendeleev, ngoài chương thứ tám của cuốn sách "Các nguyên tắc cơ bản của hóa học", viết: "Lúc đầu (tháng 2 năm 1886) sự thiếu vật chất, cũng như không có quang phổ trong ngọn lửa và khả năng hòa tan của các hợp chất gecmani. đã cản trở nghiêm trọng đến nghiên cứu của Winkler… “Cần lưu ý đến hai chữ“ thiếu phổ ”. Nhưng đó là cách nào? Năm 1886, một phương pháp phân tích quang phổ được sử dụng rộng rãi đã tồn tại. Các nguyên tố như thallium, rubidi, indium, cesium trên Trái đất và helium trên Mặt trời được phát hiện bằng phương pháp này. Các nhà khoa học đã biết chắc chắn rằng mỗi nguyên tố hóa học không có ngoại lệ đều có một quang phổ riêng lẻ, và rồi đột nhiên không có quang phổ!

Một lời giải thích cho hiện tượng này xuất hiện sau đó ít lâu. Gecmani có các vạch phổ đặc trưng. Bước sóng của chúng là 2651,18; 3039.06 Ǻ và một số khác. Tuy nhiên, tất cả đều nằm trong vùng vô hình của tia cực tím của quang phổ, có thể coi Winkler là người tuân thủ các phương pháp phân tích truyền thống, vì chính những phương pháp này đã đưa ông đến thành công.

Phương pháp thu nhận gecmani từ một khoáng chất mà Winkler sử dụng khá gần với một trong những phương pháp công nghiệp hiện đại để chiết xuất nguyên tố thứ 32. Đầu tiên, gecmani chứa trong argardant được chuyển hóa thành điôxít. Sau đó, bột trắng thu được được nung đến nhiệt độ 600-700 ° C trong môi trường hydro. Trong trường hợp này, phản ứng xảy ra rõ ràng: GeO 2 + 2H 2 → Ge + 2H 2 O.

Chính bằng phương pháp này, nguyên tố tương đối tinh khiết số 32, germani, lần đầu tiên thu được. Lúc đầu, Winkler định đặt tên vanadium neptunium, để vinh danh hành tinh cùng tên, vì sao Hải Vương, giống như germani, lần đầu tiên được dự đoán, và sau đó mới được tìm thấy. Nhưng sau đó hóa ra cái tên như vậy đã từng được sử dụng một lần, một nguyên tố hóa học bị phát hiện giả được đặt tên là neptunium. Winkler quyết định không làm ảnh hưởng đến tên tuổi và khám phá của mình, đồng thời từ bỏ neptunium. Tuy nhiên, một nhà khoa học người Pháp Rayon đã đề xuất, sau đó ông nhận ra đề xuất của mình là một trò đùa, đề nghị gọi nguyên tố là góc cạnh, tức là "Gây tranh cãi, góc cạnh", nhưng cái tên này không hề thích Winkler. Kết quả là, nhà khoa học đã độc lập chọn tên cho nguyên tố của mình, và gọi nó là germanium, để vinh danh quê hương của ông là Đức, theo thời gian tên này đã được thành lập.

Lên đến tầng 2. Thế kỷ XX việc sử dụng gecmani trong thực tế vẫn còn khá hạn chế. Công nghiệp sản xuất kim loại chỉ nảy sinh trong mối liên hệ với sự phát triển của chất bán dẫn và điện tử bán dẫn.

Ở trong tự nhiên

Germanium có thể được phân loại như một nguyên tố vi lượng. Trong tự nhiên, nguyên tố hoàn toàn không xảy ra ở dạng tự do. Tổng hàm lượng kim loại trong vỏ trái đất của hành tinh chúng ta theo khối lượng là 7 × 10 -4%. Con số này nhiều hơn hàm lượng của các nguyên tố hóa học như bạc, antimon hoặc bitmut. Nhưng khoáng chất riêng của nó, germani, khá khan hiếm và rất hiếm khi được tìm thấy trong tự nhiên. Hầu hết tất cả các khoáng chất này đều là sulfoat, ví dụ, germanite Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4, confildite Ag 8 (Sn, Ce) S 6, argyrodite Ag8GeS6, và các loại khác.

Phần chính của gecmani, phân tán trong vỏ trái đất, được chứa trong một số lượng lớn các loại đá, cũng như nhiều khoáng chất: quặng sulfit của kim loại màu, quặng sắt, một số khoáng oxit (cromit, magnetit, rutil, và những loại khác ), đá granit, đá tiểu đường và đá bazan. Trong thành phần của một số sphalerit, hàm lượng của nguyên tố này có thể lên tới vài kg / tấn, ví dụ, trong Frankit và sulvanite 1 kg / tấn, trong enargite hàm lượng germani là 5 kg / tấn, trong pyrargyrit - lên đến 10 kg / t, nhưng trong các silicat và sulfua khác - hàng chục và hàng trăm g / t. Một tỷ lệ nhỏ gecmani có trong hầu hết các silicat, cũng như trong một số mỏ dầu và than đá.

Khoáng chất chính của nguyên tố là germani sulfit (công thức GeS2). Khoáng chất này được tìm thấy dưới dạng tạp chất trong kẽm sulfit và các kim loại khác. Các khoáng chất quan trọng nhất của gecmani là: gecmanite Cu 3 (Ge, Fe, Ga) (S, As) 4, platin (Pb, Ge, Ga) 2 SO 4 (OH) 2 2H 2 O, stottit FeGe (OH) 6 , heterit Cu 3 (Fe, Ge, Zn) (S, As) 4 và argyrodit Ag 8 GeS 6.

Đức có mặt trên lãnh thổ của tất cả các bang mà không có ngoại lệ. Nhưng không một quốc gia công nghiệp phát triển nào trên thế giới có mỏ công nghiệp kim loại này. Germanium rất, rất phân tán. Trên Trái đất, các khoáng chất của kim loại này được coi là rất hiếm, hàm lượng germanium trong đó ít nhất là hơn 1%. Các khoáng chất như vậy bao gồm germanite, argyrodite, ultrabasite, v.v., bao gồm các khoáng chất được phát hiện trong những thập kỷ gần đây: shtotite, renierite, mậnboermanite và confildite. Trữ lượng của tất cả các khoáng sản này không đủ khả năng đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp hiện đại đối với nguyên tố hóa học quý hiếm và quan trọng này.

Phần lớn gecmani được phân tán trong các khoáng chất của các nguyên tố hóa học khác, và cũng được tìm thấy trong nước tự nhiên, trong than, trong cơ thể sống và trong đất. Ví dụ, hàm lượng gecmani trong than đá thông thường có khi lên tới hơn 0,1%. Nhưng một con số như vậy là khá hiếm, thường tỷ lệ gecmani thấp hơn. Nhưng hầu như không có germani trong than antraxit.

Nhận

Khi xử lý germani sulfua, oxit GeO 2 thu được, với sự trợ giúp của hydro, nó bị khử để thu được germani tự do.

Trong sản xuất công nghiệp, gecmani được khai thác chủ yếu dưới dạng phụ phẩm do quá trình xử lý quặng kim loại màu (quặng kẽm, chất cô đặc đa kim kẽm-đồng-chì chứa 0,001-0,1% gecmani), tro từ quá trình đốt than, và một số sản phẩm hóa cốc.

Ban đầu, tinh chất gecmani (từ 2% đến 10% gecmani) được phân lập từ các nguồn được thảo luận ở trên theo nhiều cách khác nhau, việc lựa chọn loại nào phụ thuộc vào thành phần của nguyên liệu thô. Tại quá trình chế biến than đấm bốc, gecmani được kết tủa một phần (từ 5% đến 10%) thành nước và nhựa siêu nhựa, từ đó nó được chiết xuất trong một phức hợp với tanin, sau đó nó được làm khô và nung ở nhiệt độ 400 -500 ° C. Kết quả là một chất cô đặc chứa khoảng 30 - 40% gecmani, từ đó gecmani được phân lập dưới dạng GeCl 4. Quy trình chiết xuất germanium từ một chất cô đặc như vậy, theo quy luật, bao gồm các giai đoạn giống nhau:

1) Chất cô đặc được clo hóa bằng cách sử dụng axit clohydric, hỗn hợp axit và clo trong môi trường nước hoặc các tác nhân clo hóa khác có thể tạo ra GeCl 4 kỹ thuật. Để tinh chế GeCl 4, người ta dùng phương pháp chỉnh lưu và tách tạp chất của axit clohiđric đặc.

2) Người ta tiến hành thủy phân GeCl 4, nung sản phẩm của quá trình thủy phân cho đến khi thu được oxit GeO 2.

3) GeO bị khử bởi hiđro hoặc amoniac thành kim loại nguyên chất.

Khi thu được gecmani tinh khiết nhất, được sử dụng trong các phương tiện kỹ thuật bán dẫn, người ta tiến hành nung chảy vùng của kim loại. Gecmani đơn tinh thể, cần thiết cho sản xuất chất bán dẫn, thường thu được bằng cách nung chảy vùng hoặc bằng phương pháp Czochralski.

Các phương pháp phân lập gecmani từ nước siêu hắc ín của các nhà máy than cốc được phát triển bởi nhà khoa học Liên Xô V.A. Nazarenko. Trong nguyên liệu thô này, germanium không quá 0,0003%, tuy nhiên, sử dụng chiết xuất từ ​​gỗ sồi từ chúng, dễ dàng kết tủa germanium dưới dạng phức hợp tannide.

Thành phần chính của tanin là một este glucoza, nơi có gốc axit meta-digallic, gốc này liên kết với gecmani, ngay cả khi nồng độ của nguyên tố này trong dung dịch rất thấp. Từ trầm tích, bạn có thể dễ dàng thu được chất cô đặc, hàm lượng germanium dioxide trong đó lên đến 45%.

Các biến đổi sau đó sẽ ít phụ thuộc vào loại nguyên liệu. Gecmani bị khử bởi hydro (như với Winkler ở thế kỷ 19), tuy nhiên, trước tiên cần phải tách ôxít gecmani ra khỏi nhiều tạp chất. Sự kết hợp thành công các phẩm chất của một hợp chất germani được chứng minh là rất hữu ích để giải quyết vấn đề này.

Gecmani tetraclorua GeCl4. Là một chất lỏng dễ bay hơi chỉ sôi ở 83,1 ° C. Do đó, nó được tinh chế khá thuận tiện bằng cách chưng cất và chỉnh lưu (trong các cột thạch anh đóng gói).

GeCl4 hầu như không tan trong axit clohiđric. Điều này có nghĩa là hòa tan tạp chất bằng HCl có thể được sử dụng để tinh chế nó.

Gecmani tetraclorua tinh khiết được xử lý bằng nước, được làm sạch bằng cách sử dụng nhựa trao đổi ion. Một dấu hiệu của độ tinh khiết cần thiết là sự gia tăng điện trở cụ thể của nước lên 15-20 triệu Ohm · cm.

Quá trình thủy phân GeCl4 xảy ra dưới tác dụng của nước:

GeCl4 + 2H2O → GeO2 + 4HCl.

Có thể lưu ý rằng chúng ta có trước chúng ta phương trình "viết ngược" cho phản ứng thu được gecmani tetraclorua.

Sau đó, GeO2 được khử bằng cách sử dụng hydro tinh khiết:

GeO2 + 2 H2O → Ge + 2 H2O.

Kết quả là, germani dạng bột thu được, được hợp kim hóa và sau đó được tinh chế bằng phương pháp nung chảy vùng. Phương pháp thanh lọc này đã được phát triển vào năm 1952 đặc biệt để tinh chế gecmani.

Các tạp chất cần thiết để truyền một hoặc một loại dẫn điện khác cho gecmani được đưa vào ở giai đoạn sản xuất cuối cùng, cụ thể là trong quá trình nung chảy vùng, cũng như trong quá trình phát triển của một tinh thể đơn lẻ.

Ứng dụng

Gecmani là vật liệu bán dẫn được sử dụng trong điện tử và công nghệ sản xuất vi mạch và bóng bán dẫn. Các màng mỏng nhất của gecmani được áp dụng cho thủy tinh, được sử dụng làm vật cản trong các hệ thống lắp đặt radar. Hợp kim của gecmani với các kim loại khác nhau được sử dụng trong sản xuất máy dò và cảm biến. Germanium dioxide được sử dụng rộng rãi trong sản xuất kính truyền bức xạ hồng ngoại.

Gecmanide telluride từ lâu đã là một vật liệu nhiệt điện ổn định, cũng như một thành phần của hợp kim nhiệt điện (nhiệt điện có nghĩa là emf với 50 μV / K). Gecmani có độ tinh khiết siêu cao đóng một vai trò đặc biệt chiến lược trong sản xuất lăng kính và thấu kính cho quang học hồng ngoại. Người tiêu thụ germanium lớn nhất chính là quang học hồng ngoại, được sử dụng trong công nghệ máy tính, hệ thống ngắm và dẫn đường tên lửa, thiết bị nhìn ban đêm, lập bản đồ và nghiên cứu bề mặt trái đất từ ​​vệ tinh. Gecmani cũng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống cáp quang (thêm gecmani tetraflorua vào sợi thủy tinh), cũng như trong điốt bán dẫn.

Germanium với tư cách là chất bán dẫn cổ điển đã trở thành chìa khóa để giải quyết vấn đề tạo ra vật liệu siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ của hydro lỏng, nhưng không phải heli lỏng. Như bạn đã biết, hydro chuyển sang trạng thái lỏng từ trạng thái khí khi nhiệt độ đạt -252,6 ° C, hoặc 20,5 ° K. Vào những năm 1970, một màng gecmani và niobi đã được phát triển, độ dày của chúng chỉ khoảng vài nghìn nguyên tử. Màng này có khả năng duy trì tính siêu dẫn ngay cả khi nhiệt độ đạt từ 23,2 ° K trở xuống.

Bằng cách nung chảy indium vào tấm HES, do đó tạo ra một vùng có cái gọi là độ dẫn lỗ, thiết bị chỉnh lưu sẽ thu được, tức là điốt. Điốt có đặc tính cho dòng điện đi theo một hướng: vùng electron từ vùng có lỗ trống dẫn. Sau khi nung chảy indium trên cả hai mặt của tấm HES, tấm này biến thành đế của bóng bán dẫn. Lần đầu tiên trên thế giới, một bóng bán dẫn germani được tạo ra vào năm 1948, và chỉ sau hai mươi năm, hàng trăm triệu thiết bị như vậy đã được sản xuất.

Điốt dựa trên gecmani và triode đã được sử dụng rộng rãi trong ti vi và radio, trong nhiều loại thiết bị đo lường và thiết bị tính toán.

Germanium cũng được sử dụng trong các lĩnh vực đặc biệt quan trọng khác của công nghệ hiện đại: khi đo nhiệt độ thấp, khi phát hiện bức xạ hồng ngoại, v.v.

Để sử dụng chổi trong tất cả các lĩnh vực này, cần phải có gecmani có độ tinh khiết hóa học và vật lý rất cao. Độ tinh khiết hóa học là độ tinh khiết đến mức lượng tạp chất có hại không được nhiều hơn một phần mười triệu phần trăm (10 -7%). Độ tinh khiết vật lý có nghĩa là mức tối thiểu sai lệch, mức tối thiểu vi phạm cấu trúc tinh thể của một chất. Để đạt được điều này, gecmani đơn tinh thể được phát triển đặc biệt. Trong trường hợp này, toàn bộ thỏi kim loại chỉ là một tinh thể.

Đối với điều này, một tinh thể gecmani được đặt trên bề mặt của gecmani nóng chảy - một "hạt giống", được nâng dần lên bằng thiết bị tự động, trong khi nhiệt độ nóng chảy cao hơn một chút so với điểm nóng chảy của gecmani (937 ° C). "Hạt giống" quay để các đơn tinh thể, như người ta nói, "mọc đầy thịt" từ tất cả các phía đồng đều. Cần lưu ý rằng trong quá trình tăng trưởng như vậy, điều tương tự xảy ra như trong quá trình tan chảy vùng, tức là thực tế chỉ có gecmani đi vào pha rắn, và tất cả các tạp chất vẫn còn trong quá trình tan chảy.

Tính chất vật lý

Có lẽ, ít người trong số những người đọc bài viết này đã phải nhìn thấy rõ ràng vanadi. Bản thân nguyên tố này khá khan hiếm và đắt đỏ, chúng không thể tạo ra hàng tiêu dùng và việc lấp đầy gecmani của chúng, xảy ra trong các thiết bị điện, nhỏ đến mức không thể nhìn thấy kim loại.

Một số sách tham khảo cho rằng gecmani có màu bạc. Nhưng điều này không thể nói, bởi vì màu sắc của gecmani phụ thuộc trực tiếp vào phương pháp xử lý bề mặt kim loại. Đôi khi nó có thể xuất hiện gần như màu đen, trong những trường hợp khác, nó có màu thép, và đôi khi nó có thể có màu bạc.

Germanium là một kim loại quý hiếm đến mức giá trị của thỏi của nó có thể được so sánh với giá trị của vàng. Germanium được phân biệt bởi tính dễ vỡ tăng lên, chỉ có thể được so sánh với thủy tinh. Bên ngoài, gecmani đủ gần với silic. Hai yếu tố này đều là đối thủ cạnh tranh cho danh hiệu chất bán dẫn và chất tương tự quan trọng nhất. Mặc dù một số đặc tính kỹ thuật của nguyên tố phần lớn giống nhau, nhưng về hình dáng bên ngoài của vật liệu, rất dễ phân biệt gecmani với silic, gecmani nặng hơn gấp đôi. Khối lượng riêng của silic là 2,33 g / cm3 và khối lượng riêng của gecmani là 5,33 g / cm3.

Nhưng người ta không thể nói về mật độ của gecmani một cách rõ ràng, vì Hình 5.33 g / cm3 đề cập đến gecmani-1. Đây là một trong những sửa đổi quan trọng nhất và phổ biến nhất trong năm sửa đổi dị hướng của nguyên tố thứ 32. Bốn trong số chúng là tinh thể và một là vô định hình. Germanium-1 là chất nhẹ nhất trong bốn loại tinh thể. Tinh thể của nó được xây dựng theo cách giống hệt như tinh thể kim cương, a = 0,533 nm. Tuy nhiên, nếu cấu trúc này đậm đặc tối đa đối với cacbon, thì trong gecmani cũng có những biến đổi dày đặc hơn. Đun nóng vừa phải và áp suất cao (khoảng 30 nghìn atm ở 100 ° C) chuyển germani-1 thành germani-2, cấu trúc của mạng tinh thể giống hệt như cấu trúc của mạng thiếc trắng. Chúng tôi sử dụng cùng một phương pháp để thu được germanium-3 và germanium-4, chúng thậm chí còn đặc hơn. Tất cả những sửa đổi "không hoàn toàn bình thường" này vượt qua germanium-1 không chỉ về mật độ, mà còn về độ dẫn điện.

Khối lượng riêng của gecmani lỏng là 5,557 g / cm3 (ở 1000 ° C), nhiệt độ nóng chảy của kim loại là 937,5 ° C; điểm sôi khoảng 2700 ° C; giá trị của hệ số dẫn nhiệt xấp xỉ 60 W / (m (K), hoặc 0,14 cal / (cm (giây (deg)) ở nhiệt độ 25 ° C. Ở nhiệt độ bình thường, ngay cả gecmani nguyên chất cũng dễ vỡ, nhưng khi nó đạt đến 550 ° C nó bắt đầu không chịu nổi Theo thang đo khoáng vật học, độ cứng của gecmani là từ 6 đến 6,5; giá trị của hệ số nén (trong phạm vi áp suất từ ​​0 đến 120 Gn / m2, hoặc từ 0 đến 12000 kgf / mm 2) là 1,4 · 10-7 m 2 / mn (hoặc 1,4 · 10-6 cm 2 / kgf); chỉ số sức căng bề mặt là 0,6 n / m (hoặc 600 dynes / cm).

Gecmani là một chất bán dẫn điển hình với độ rộng vùng cấm là 1.104 · 10 -19, hoặc 0.69 eV (ở nhiệt độ 25 ° C); gecmani tinh khiết cao có điện trở suất là 0,60 ohm (m (60 ohm (cm) (25 ° C)); chỉ số độ linh động của điện tử là 3900 và độ linh động của lỗ trống là 1900 cm 2 / v. giây (ở 25 ° C và ở Hàm lượng tạp chất từ ​​8%) Đối với tia hồng ngoại có bước sóng lớn hơn 2 micron thì kim loại trong suốt.

Gecmani khá mỏng manh, nó không cho phép xử lý bằng áp suất nóng hoặc lạnh ở nhiệt độ dưới 550 ° C, nhưng nếu nhiệt độ trở nên cao hơn, kim loại này dễ uốn. Độ cứng của kim loại theo thang đo khoáng học là 6,0-6,5 (gecmani được xẻ thành các tấm bằng đĩa kim loại hoặc kim cương và chất mài mòn).

Tính chất hóa học

Gecmani, nằm trong các hợp chất hóa học, thường thể hiện hóa trị thứ hai và thứ tư, nhưng các hợp chất gecmani hóa trị bốn thì bền hơn. Ở nhiệt độ phòng, gecmani bền với tác dụng của nước, không khí, cũng như các dung dịch kiềm và các chất cô đặc loãng của axit sulfuric hoặc axit clohydric, nhưng nguyên tố này khá dễ bị hòa tan trong nước cường toan hoặc dung dịch kiềm của hydro peroxit. Nguyên tố bị oxi hóa chậm bởi tác dụng của axit nitric. Khi nhiệt độ trong không khí lên tới 500-700 ° C, gecmani bắt đầu bị oxy hóa thành các oxit GeO 2 và GeO. (Iv) ôxít germani là chất bột màu trắng có điểm nóng chảy là 1116 ° C và độ hòa tan trong nước là 4,3 g / l (ở 20 ° C). Theo tính chất hóa học, chất này là chất lưỡng tính, tan trong kiềm, khó trong axit khoáng. Nó thu được do sự xâm nhập của kết tủa ngậm nước GeO 3 nH 2 O, được giải phóng trong quá trình thủy phân. Các dẫn xuất của axit gecmani, ví dụ, gecanat kim loại (Na 2 GeO 3, Li 2 GeO 3, v.v.) là chất rắn có hàm lượng điểm nóng chảy, có thể thu được bằng cách nung chảy GeO 2 và các oxit khác.

Kết quả của sự tương tác của gecmani và các halogen, các chất tetrahalit tương ứng có thể được hình thành. Phản ứng dễ tiến hành nhất với clo và flo (ngay cả ở nhiệt độ phòng), sau đó với iot (nhiệt độ 700-800 ° C, có CO) và brom (đun nóng thấp). Một trong những hợp chất quan trọng nhất của gecmani là tetraclorua (công thức GeCl 4). Nó là một chất lỏng không màu có điểm nóng chảy là 49,5 ° C, nhiệt độ sôi là 83,1 ° C và khối lượng riêng là 1,84 g / cm3 (ở 20 ° C). Chất này bị thủy phân mạnh với nước, tạo ra kết tủa là oxit ngậm nước (IV). Tetrachloride thu được bằng cách clo hóa gecmani kim loại hoặc bằng sự tương tác của oxit GeO 2 và axit clohydric đậm đặc. Còn được gọi là dihalua gecmani có công thức chung GeX 2, hexachlorodigerman Ge 2 Cl 6, đơn sắc GeCl và gecmani oxyclorua (ví dụ, СеОСl 2).

Khi đạt đến 900-1000 ° C, lưu huỳnh tương tác mạnh mẽ với germani, tạo thành GeS 2 disulfide. Nó là một chất rắn màu trắng có nhiệt độ nóng chảy là 825 ° C. Cũng có thể hình thành monosulfide GeS và các hợp chất tương tự của gecmani với tellurium và selen, là những chất bán dẫn. Ở nhiệt độ 1000-1100 ° C, hiđro phản ứng nhẹ với gecmani, tạo thành gigure (GeH) X, là một hợp chất không bền và dễ bay hơi. Hydro Germanic thuộc dãy Ge n H 2n + 2 đến Ge 9 H 20 có thể được tạo thành do tương tác của germanide với HCl loãng. Còn được gọi là germylene với thành phần GeH 2. Gecmani không phản ứng trực tiếp với nitơ, nhưng có nitrit Ge 3 N 4, chất này thu được khi gecmani tiếp xúc với amoniac (700-800 ° C). Gecmani không tương tác với cacbon. Với nhiều kim loại, gecmani tạo thành các hợp chất khác nhau - gecmanide.

Nhiều hợp chất phức tạp của gecmani đã được biết đến, chúng ngày càng trở nên quan trọng trong hóa học phân tích nguyên tố gecmani, cũng như trong các quá trình thu nhận nguyên tố hóa học. Gecmani có khả năng tạo thành các hợp chất phức tạp với các phân tử hữu cơ chứa hydroxyl (rượu polyhydric, axit polybasic và những chất khác). Ngoài ra còn có các dị trùng hợp gecmani. Giống như các nguyên tố khác của nhóm IV, gecmani tạo thành các hợp chất cơ kim một cách đặc trưng. Một ví dụ là tetraetylgerman (C 2 H 5) 4 Ge 3.

Gecmani(lat. Germanium), Ge, một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV của hệ thống tuần hoàn Mendeleev; số thứ tự 32, khối lượng nguyên tử 72,59; một chất rắn màu trắng xám có ánh kim loại. Germanium tự nhiên là một hỗn hợp của năm đồng vị bền với các số khối 70, 72, 73, 74 và 76. Sự tồn tại và tính chất của nước Đức được DI Mendeleev dự đoán vào năm 1871 và được gọi là nguyên tố vẫn chưa được biết đến này là ekasilicon vì tính chất gần giống với silicon. Năm 1886, nhà hóa học người Đức K. Winkler đã phát hiện ra một nguyên tố mới trong khoáng vật argyrodite, ông đặt tên cho nước Đức theo tên đất nước của mình; Germanium hóa ra khá giống với ekasilicon. Cho đến nửa sau của thế kỷ 20, ứng dụng thực tế của Đức vẫn còn rất hạn chế. Sản xuất công nghiệp ở Đức bắt nguồn từ sự phát triển của điện tử bán dẫn.

Tổng hàm lượng của Germanium trong vỏ trái đất là 7 - 10 -4% khối lượng, tức là nhiều hơn, ví dụ, antimon, bạc, bitmut. Tuy nhiên, khoáng sản riêng của Đức là cực kỳ hiếm. Hầu hết chúng đều là sunfosit: germanite Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4, argyrodite Ag 8 GeS 6, confildite Ag 8 (Sn, Ge) S 6 và các loại khác. Phần lớn nước Đức được phân tán trong vỏ trái đất với một số lượng lớn đá và khoáng chất: trong quặng sunfua của kim loại màu, trong quặng sắt, trong một số khoáng oxit (cromit, magnetit, rutil và những loại khác), trong đá granit, bệnh tiểu đường và bazan. Ngoài ra, Germanium có trong hầu hết các silicat, trong một số mỏ than và dầu.

Tính chất vật lý Đức. Gecmani kết tinh theo cấu trúc kiểu kim cương lập phương, tham số ô đơn vị là a = 5, 6575 Å. Khối lượng riêng của Germanium rắn là 5,327 g / cm 3 (25 ° C); chất lỏng 5.557 (1000 ° C); t pl 937,5 ° C; t bale khoảng 2700 ° C; hệ số dẫn nhiệt ~ 60 W / (m · K), hoặc 0,14 cal / (cm · giây · độ) ở 25 ° С. Ngay cả Germanium rất tinh khiết cũng giòn ở nhiệt độ bình thường, nhưng trên 550 ° C, nó tự biến dạng dẻo. Độ cứng Đức trên thang điểm khoáng học 6-6,5; hệ số nén (trong phạm vi áp suất 0-120 Gn / m 2, hoặc 0-12000 kgf / mm 2) 1,4 · 10 -7 m 2 / mn (1,4 · 10-6 cm 2 / kgf); sức căng bề mặt 0,6 N / m (600 dyne / cm). Gecmani là một chất bán dẫn điển hình với độ rộng vùng cấm là 1.104 · 10 -19 J hoặc 0.69 eV (25 ° C); điện trở cụ thể của Đức độ tinh khiết cao 0,60 ohm · m (60 ohm · cm) ở 25 ° C; độ linh động của electron là 3900 và độ linh động của lỗ trống là 1900 cm 2 / v · giây (25 ° C) (với hàm lượng tạp chất nhỏ hơn 10-8%). Trong suốt đối với tia hồng ngoại có bước sóng trên 2 micron.

Tính chất hóa học Đức. Trong các hợp chất hóa học, Germanium thường thể hiện các hóa trị 2 và 4, với các hợp chất bền hơn của Đức hóa trị 4. Ở nhiệt độ phòng, Germanium có khả năng chống lại tác dụng của không khí, nước, dung dịch kiềm và axit clohydric và sulfuric loãng, nhưng dễ dàng hòa tan trong nước cường toan và trong dung dịch kiềm của hydro peroxit. Nó bị oxy hóa từ từ với axit nitric. Khi nung nóng trong không khí đến 500-700 ° C, Gecmani bị oxy hóa thành các oxit GeO và GeO 2. Oxit Đức (IV) - bột màu trắng có điểm nóng chảy 1116 ° C; độ hòa tan trong nước 4,3 g / l (20 ° C). Theo tính chất hóa học của chất lưỡng tính, nó hòa tan trong kiềm và khó khăn trong axit khoáng. Nó thu được bằng cách nung kết tủa ngậm nước (GeO 3 · nH 2 O), kết tủa này được giải phóng trong quá trình thủy phân tetraclorua GeCl 4. Bằng cách nung chảy GeO 2 với các oxit khác, có thể thu được các dẫn xuất của axit germanic - gốc kim loại (Li 2 GeO 3, Na 2 GeO 3 và các chất khác) - chất rắn có nhiệt độ nóng chảy cao.

Khi Đức tương tác với các halogen, các tetrahalit tương ứng được hình thành. Phản ứng xảy ra dễ dàng nhất với flo và clo (đã ở nhiệt độ phòng), sau đó với brom (đun nóng yếu) và với iot (ở 700-800 ° C khi có mặt CO). Một trong những hợp chất quan trọng nhất Đức tetraclorua GeCl 4 là chất lỏng không màu; t pl -49,5 ° C; bale t 83,1 ° C; tỷ trọng 1,84 g / cm 3 (20 ° C). Nó bị thủy phân mạnh với nước và giải phóng kết tủa oxit ngậm nước (IV). Nó thu được bằng cách clo hóa kim loại Đức hoặc tương tác của GeO 2 với HCl đặc. Còn được gọi là dihalua của Đức có công thức chung là GeX 2, monoclorua GeCl, hexachlorodigermane Ge 2 Cl 6 và oxyclorua của Đức (ví dụ, CeOCl 2).

Lưu huỳnh tương tác mạnh với Germanium ở 900-1000 ° C để tạo thành disulfide GeS 2 - một chất rắn màu trắng, nhiệt độ nóng chảy 825 ° C. Cũng được mô tả là monosulfide GeS và các hợp chất tương tự của Đức với selen và tellurium, là những chất bán dẫn. Hydro phản ứng không đáng kể với Germanium ở 1000-1100 ° C và tạo thành gigure (GeH) X - một hợp chất không ổn định và dễ bay hơi. Tương tác của germanide với axit clohydric loãng có thể được sử dụng để thu được hydro germanide thuộc dãy Ge n H 2n + 2 đến Ge 9 H 20. Thành phần germylene còn được gọi là GeH 2. Gecmani không phản ứng trực tiếp với nitơ, tuy nhiên, có một nitrua Ge 3 N 4, chất này thu được do tác dụng của amoniac với Gecmani ở 700-800 ° C. Gecmani không tương tác với cacbon. Gecmani tạo thành các hợp chất với nhiều kim loại - gecmanide.

Nhiều hợp chất phức tạp của Đức đã được biết đến, ngày càng trở nên quan trọng cả trong hóa học phân tích của Đức và trong các quá trình điều chế nó. Gecmani tạo thành các hợp chất phức tạp với các phân tử chứa hydroxyl hữu cơ (rượu polyhydric, axit polybasic, và những chất khác). Nhận được heteropolyacids Đức. Cũng như đối với các nguyên tố khác thuộc nhóm IV, nước Đức được đặc trưng bởi sự hình thành các hợp chất cơ kim, một ví dụ trong số đó là tetraetylgerman (C 2 H 5) 4 Ge 3.

Bắt Đức. Trong thực tế công nghiệp, Germanium chủ yếu thu được từ các sản phẩm phụ của quá trình chế biến quặng kim loại màu (kẽm blende, tinh quặng đa kim kẽm-đồng-chì) chứa 0,001-0,1% ở Đức. Tro từ quá trình đốt than, bụi từ các nhà máy phát điện khí và chất thải từ các nhà máy than cốc cũng được sử dụng làm nguyên liệu thô. Ban đầu, tinh chất gecmani (2-10% Đức) được lấy từ các nguồn được liệt kê theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào thành phần của nguyên liệu thô. Quá trình chiết xuất của Đức từ cô đặc thường bao gồm các giai đoạn sau: 1) clo hóa cô đặc bằng axit clohydric, hỗn hợp của nó với clo trong môi trường nước hoặc các tác nhân clo hóa khác để thu được GeCl 4 kỹ thuật. Để tinh chế GeCl 4, người ta dùng phương pháp chỉnh lưu và tách tạp chất bằng HCl đặc. 2) Thủy phân GeCl 4 và nung sản phẩm thủy phân thu được GeO 2. 3) Tính khử của GeO 2 bằng hiđro hoặc amoniac thành kim loại. Để cô lập Đức rất tinh khiết được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn, người ta tiến hành nung chảy vùng của kim loại. Germanium đơn tinh thể, cần thiết cho ngành công nghiệp bán dẫn, thường thu được bằng cách nung chảy vùng hoặc bằng phương pháp Czochralski.

Ứng dụng Đức. Gecmani là một trong những vật liệu có giá trị nhất trong công nghệ bán dẫn hiện đại. Nó được sử dụng để chế tạo điốt, điốt, máy dò tinh thể và bộ chỉnh lưu điện. Germanium đơn tinh thể cũng được sử dụng trong các dụng cụ đo liều lượng và dụng cụ đo cường độ của từ trường không đổi và xoay chiều. Một lĩnh vực ứng dụng quan trọng ở Đức là công nghệ hồng ngoại, đặc biệt là sản xuất đầu báo hồng ngoại hoạt động trong phạm vi 8-14 micron. Nhiều hợp kim có triển vọng sử dụng trong thực tế, bao gồm Germanium, kính dựa trên GeO 2, và các hợp chất khác từ Đức.

ĐỊNH NGHĨA

Gecmani là phần tử thứ ba mươi hai của Bảng tuần hoàn. Tên gọi - Ge từ tiếng Latinh "germanium". Nằm ở thời kỳ thứ tư, nhóm IVA. Đề cập đến bán kim loại. Điện tích của hạt nhân là 32.

Ở trạng thái đặc, gecmani có màu bạc (Hình 1) và có bề ngoài tương tự như kim loại. Ở nhiệt độ phòng, nó có khả năng chống lại không khí, oxy, nước, axit clohydric và axit sunfuric loãng.

Lúa gạo. 1. Gecmani. Ngoại hình.

Nguyên tử và trọng lượng phân tử của gecmani

ĐỊNH NGHĨA

Khối lượng phân tử tương đối của chất (M r) là một con số cho biết khối lượng của một phân tử nhất định lớn hơn 1/12 khối lượng của một nguyên tử cacbon bao nhiêu lần, và khối lượng nguyên tử tương đối của một nguyên tố (A r)- Khối lượng trung bình của nguyên tử nguyên tố hóa học lớn hơn khối lượng của nguyên tử cacbon là 1/12 bao nhiêu lần.

Vì gecmani tồn tại ở trạng thái tự do dưới dạng phân tử Ge đơn nguyên nên các giá trị của khối lượng nguyên tử và phân tử của nó trùng nhau. Chúng bằng 72,630.

Đồng vị của gecmani

Được biết, trong tự nhiên germani có thể được tìm thấy dưới dạng 5 đồng vị bền 70 Ge (20,55%), 72 Ge (20,55%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) và 76 Ge (7,67%). ). Số khối của chúng lần lượt là 70, 72, 73, 74 và 76. Hạt nhân của đồng vị gecmani 70 Ge chứa ba mươi hai proton và ba mươi tám nơtron, phần còn lại của các đồng vị chỉ khác nó ở số nơtron.

Có những đồng vị phóng xạ không bền nhân tạo của gecmani với số khối từ 58 đến 86, trong đó đồng vị 68 Ge tồn tại lâu nhất với chu kỳ bán rã 270,95 ngày.

Jonah đức

Ở mức năng lượng bên ngoài của nguyên tử gecmani, có bốn điện tử, có hóa trị:

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

Kết quả của tương tác hóa học, gecmani nhường các điện tử hóa trị của nó, tức là là nhà tài trợ của họ, và biến thành một ion tích điện dương:

Ge 0 -2e → Ge 2+;

Ge 0 -4e → Ge 4+.

Phân tử và nguyên tử của gecmani

Ở trạng thái tự do, gecmani tồn tại dưới dạng phân tử Ge đơn chất. Dưới đây là một số tính chất đặc trưng cho nguyên tử và phân tử gecmani:

Ví dụ về giải quyết vấn đề

VÍ DỤ 1

VÍ DỤ 2

GERMANIUM, Ge (từ Lat.Germania - Đức * A. germanium; N. Germanium; F. germanium; I. germanio), là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV trong hệ thống tuần hoàn của Mendeleev, số nguyên tử 32, khối lượng nguyên tử 72,59. Gecmani tự nhiên bao gồm 4 đồng vị bền 70 Ge (20,55%), 72 Ge (27,37%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) và một chất phóng xạ 76 Ge (7,67%) với chu kỳ bán rã của 2,10 6 năm. Được phát hiện vào năm 1886 bởi nhà hóa học người Đức K. Winkler trong khoáng vật argyrodite; được dự đoán vào năm 1871 bởi D.N.Mendeleev (ekasilitsy).

Germanium trong tự nhiên

Germanium đề cập đến. Tỷ lệ phổ biến của gecmani là (1-2) .10 -4%. Nó được tìm thấy như một tạp chất trong khoáng chất silic, ở mức độ thấp hơn trong khoáng chất và. Các khoáng chất riêng gecmani rất hiếm: sulfosalts - argyrodite, germanite, renierite và một số loại khác; oxit ngậm nước kép của gecmani và sắt - shtottit; sulfat - itoite, fleischerit và một số loại khác. Thực tế chúng không có giá trị công nghiệp. Gecmani tích tụ trong các quá trình thủy nhiệt và trầm tích, nơi có khả năng tách nó khỏi silic. Với số lượng tăng lên (0,001-0,1%), nó được tìm thấy trong, và. Các nguồn cung cấp gecmani là quặng đa kim, than hóa thạch và một số loại trầm tích núi lửa. Lượng gecmani chính thu được từ nước dưới đất trong quá trình luyện than cốc, từ tro của than đá, sphalerit và magnetit sản xuất điện. Gecmani được chiết xuất bằng axit, thăng hoa trong môi trường khử, phản ứng tổng hợp với xút, vv Các chất gecmani đậm đặc được xử lý bằng axit clohydric khi đun nóng, chất ngưng tụ được tinh chế và bị phân hủy thủy phân với sự tạo thành điôxít; sau đó được khử bởi hydro thành germani kim loại, được tinh chế bằng phương pháp kết tinh phân đoạn và định hướng, nóng chảy vùng.

Gecmani ứng dụng

Gecmani được sử dụng trong điện tử và kỹ thuật điện như một vật liệu bán dẫn để sản xuất điốt và bóng bán dẫn. Thấu kính cho quang học IR, điốt quang, điện trở quang, máy đo liều lượng bức xạ hạt nhân, máy phân tích quang phổ tia X, bộ chuyển đổi phân rã phóng xạ thành năng lượng điện, v.v. được làm từ gecmani. Hợp kim của gecmani với một số kim loại, có đặc điểm là tăng khả năng chống chịu với môi trường axit ăn mòn, được sử dụng trong chế tạo dụng cụ, cơ khí và luyện kim. Một số hợp kim của gecmani với các nguyên tố hóa học khác là chất siêu dẫn.

Được đặt theo tên của nước Đức. Một nhà khoa học đến từ đất nước này đã phát hiện ra và có quyền gọi anh ta bất cứ thứ gì anh ta muốn. Vì vậy, trong hit gecmani.

Tuy nhiên, người may mắn không phải Mendeleev mà là Clemens Winkler. Ông được chỉ định nghiên cứu argyrodite. Một khoáng chất mới, bao gồm chủ yếu, đã được tìm thấy tại mỏ Himmelfürst.

Winkler xác định 93% thành phần của đá và đi đến bế tắc với 7% còn lại. Kết luận là chúng bao gồm một phần tử không xác định.

Một phân tích kỹ lưỡng hơn mang lại kết quả - là phát hiện ra gecmani... Đó là kim loại. Nó có ích như thế nào đối với nhân loại? Chúng tôi sẽ nói về điều này, và không chỉ, xa hơn.

Tính chất của gecmani

Germanium - 32 nguyên tố trong bảng tuần hoàn... Nó chỉ ra rằng kim loại được bao gồm trong nhóm thứ 4. Số tương ứng với hóa trị của các nguyên tố.

Tức là, gecmani có xu hướng hình thành 4 liên kết hóa học. Điều này làm cho phần tử được phát hiện bởi Winkler trông như thế nào.

Do đó, Mendeleev muốn gọi nguyên tố vẫn chưa được khám phá là ecosilicon, được chỉ định là Si. Dmitry Ivanovich đã tính toán trước các đặc tính của kim loại thứ 32.

Germanium tương tự như silicon về các tính chất hóa học. Chỉ phản ứng với axit khi đun nóng. Nó giao tiếp với kiềm khi có mặt chất oxy hóa.

Có khả năng chống hơi nước. Không phản ứng với hiđro, cacbon,. Gecmani bốc cháy ở nhiệt độ 700 độ C. Phản ứng đi kèm với sự hình thành germani đioxit.

Nguyên tố thứ 32 dễ dàng tương tác với các halogen. Đây là những chất tạo muối từ nhóm 17 của bảng.

Để không bị nhầm lẫn, hãy cho chúng tôi biết rằng chúng tôi được hướng dẫn bởi tiêu chuẩn mới. Trong cái cũ, đây là nhóm thứ 7 của bảng tuần hoàn.

Dù ở bảng nào, các kim loại trong đó đều nằm ở bên trái của đường chéo bậc. Phần tử thứ 32 là một ngoại lệ.

Một ngoại lệ khác là. Với cô ấy, phản ứng cũng có thể xảy ra. Antimon được lắng đọng trên chất nền.

Tương tác tích cực được cung cấp với. Giống như hầu hết các kim loại, gecmani có khả năng cháy ở dạng hơi của nó.

Bên ngoài nguyên tố germani, màu trắng xám, có ánh kim loại rõ rệt.

Khi xét cấu tạo bên trong, kim loại có cấu tạo lập phương. Nó phản ánh sự sắp xếp của các nguyên tử trong các ô đơn vị.

Chúng có dạng hình khối. Tám nguyên tử nằm ở các đỉnh. Tòa nhà nằm sát lưới.

Nguyên tố thứ 32 có 5 đồng vị bền. Sự hiện diện của họ là tài sản của tất cả các nguyên tố của phân nhóm germani.

Chúng đồng đều, xác định sự hiện diện của các đồng vị ổn định. Ví dụ, có 10 người trong số họ.

Mật độ của gecmani là 5,3-5,5 gam trên một cm khối. Chỉ số đầu tiên là đặc trưng cho trạng thái, chỉ số thứ hai - cho kim loại lỏng.

Ở dạng mềm, nó không chỉ đặc hơn mà còn dẻo. Chất dễ vỡ ở nhiệt độ phòng trở nên ở 550 độ. đó là tính năng của gecmani.

Độ cứng của kim loại ở nhiệt độ phòng là khoảng 6 điểm.

Ở trạng thái này, phần tử thứ 32 là một chất bán dẫn điển hình. Nhưng, tài sản trở nên "sáng hơn" khi nhiệt độ tăng lên. Chỉ các chất dẫn điện, để so sánh, bị mất tính chất của chúng khi bị nung nóng.

Germanium dẫn dòng điện không chỉ ở dạng tiêu chuẩn, mà còn ở dạng dung dịch.

Về đặc tính bán dẫn, nguyên tố thứ 32 cũng gần với silicon và cũng phổ biến không kém.

Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng của các chất khác nhau. Silicon là một chất bán dẫn được sử dụng trong pin mặt trời, bao gồm cả loại màng mỏng.

Phần tử này cũng cần thiết cho tế bào quang điện. Bây giờ, hãy xem xét nơi nào germanium có ích.

Gecmani ứng dụng

Gecmani được sử dụng trong quang phổ gamma. Ví dụ, các thiết bị của nó cho phép nghiên cứu thành phần của các chất phụ gia trong các chất xúc tác oxit hỗn hợp.

Trong quá khứ, gecmani đã được thêm vào điốt và bóng bán dẫn. Trong pin mặt trời, các đặc tính bán dẫn cũng rất hữu ích.

Nhưng, nếu silicon được thêm vào các mô hình tiêu chuẩn, thì germanium sẽ được thêm vào thế hệ mới, hiệu suất cao.

Điều chính là không sử dụng gecmani ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối. Trong điều kiện đó, kim loại mất khả năng truyền tải điện áp.

Đối với gecmani là chất dẫn điện, không được có quá 10% tạp chất trong đó. Siêu sạch hoàn hảo nguyên tố hóa học.

Gecmaniđược thực hiện bằng phương pháp nóng chảy vùng này. Nó dựa trên sự hòa tan khác nhau của các yếu tố nước ngoài trong chất lỏng và pha.

Công thức gecmani cho phép bạn sử dụng nó trong thực tế. Ở đây chúng ta không còn nói về đặc tính bán dẫn của nguyên tố, mà là về khả năng truyền độ cứng của nó.

Vì lý do tương tự, germanium đã được tìm thấy ứng dụng trong các bộ phận phục hình nha khoa. Mặc dù mão đã hết thời nhưng nhu cầu về chúng vẫn còn rất ít.

Nếu bạn thêm silic và nhôm vào gecmani, bạn sẽ có được chất hàn.

Nhiệt độ nóng chảy của chúng luôn thấp hơn nhiệt độ của các kim loại tham gia. Vì vậy, bạn có thể tạo ra các cấu trúc thiết kế phức tạp.

Ngay cả Internet cũng không thể có nếu không có Đức. Nguyên tố thứ 32 có trong sợi. Cốt lõi của nó là thạch anh với một hỗn hợp của một anh hùng.

Và điôxít của nó làm tăng khả năng phản xạ của sợi. Với nhu cầu về nó, điện tử, các nhà công nghiệp cần germani với khối lượng lớn. Những cái nào, và chúng được cung cấp như thế nào, chúng ta sẽ nghiên cứu dưới đây.

Khai thác mỏ Đức

Germanium khá phổ biến. Ví dụ, trong vỏ trái đất, nguyên tố thứ 32 nhiều hơn antimon, hoặc.

Trữ lượng đã thăm dò khoảng 1.000 tấn. Gần một nửa trong số chúng được giấu trong ruột của Hoa Kỳ. 410 tấn khác là tài sản.

Vì vậy, các nước còn lại, về cơ bản, phải mua nguyên liệu thô. hợp tác với Celestial Empire. Điều này được chứng minh cả từ quan điểm chính trị và quan điểm kinh tế.

Tính chất của nguyên tố germani do mối quan hệ địa hóa của nó với các chất phổ biến, không cho phép kim loại tạo thành khoáng chất riêng của nó.

Thông thường, kim loại được nhúng vào lưới của những cái hiện có. Tất nhiên, khách sẽ không chiếm nhiều không gian.

Do đó, bạn phải chiết xuất germanium từng chút một. Bạn có thể tìm thấy vài kg mỗi tấn đá.

Trong enargite, không có quá 5 kilôgam gecmani trên 1000 kilôgam. Pyrargyrite chứa nhiều gấp 2 lần.

Một tấn sulvanite của nguyên tố thứ 32 chứa không quá 1 kg. Thông thường, gecmani được thu hồi như một sản phẩm phụ từ các quặng kim loại khác, ví dụ, hoặc các quặng kim loại màu, chẳng hạn như cromit, magnetit, rutit.

Sản lượng germanium hàng năm dao động từ 100-120 tấn, tùy thuộc vào nhu cầu.

Về cơ bản, dạng đơn tinh thể của chất được mua. Đây chính xác là thứ cần thiết cho việc sản xuất quang phổ kế, sợi quang học, những thứ quý giá. Tìm hiểu giá cả.

Đức giá

Gecmani đơn tinh thể thường được mua theo tấn. Điều này có lợi cho các ngành công nghiệp lớn.

1.000 kg của nguyên tố thứ 32 có giá khoảng 100.000 rúp. Bạn có thể tìm thấy các ưu đãi với giá 75.000 - 85.000.

Nếu bạn lấy đa tinh thể, tức là, với các tập hợp nhỏ hơn và sức mạnh tăng lên, bạn có thể cung cấp cho mỗi kg nguyên liệu thô nhiều hơn 2,5 lần.

Chiều dài tiêu chuẩn không nhỏ hơn 28 cm. Các khối được bảo vệ bằng một lớp phim, vì chúng bị phai trong không khí. Gecmani đa tinh thể là "đất" để phát triển các đơn tinh thể.