Германий

Германий (Ge)
Атомный номер $~32$ Внешний вид простого вещества Кристалл германия - светло-серый полупроводник с металлическим блеском
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	72,61 а. е. м. (г/моль) а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	137 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	760,0(7,88)кДж/моль(эВ)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d10 4s2 4p2
Химические свойства
Ковалентный радиус	122 пм
Радиус иона	(+4e)53(+2e)73пм
Электроотрицательность (по Полингу)	2,01
Электродный потенциал	—
Степени окисления	4
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	5,323 г/см³
Удельная теплоёмкость	0,322 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	60.2 Вт/(м·K)
Температура плавления	1210 K)
Теплота плавления	36,8 кДж/моль
Температура кипения	3103 K
Теплота испарения	n/a кДж/моль
Молярный объём	13,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	алмаз
Период решётки	5,660 Å
Отношение c/a	n/a
Температура Дебая	360,00 K

Герма́ний — химический элемент с атомным номером 32 в периодической системе, обозначается символом Ge (нем. Germanium).

История

Элемент был предсказан великим русским учёным Д. И. Менделеевым (как эка-кремний) и открыт в 1885 году немецким химиком Клеменсом Винклером при анализе минерала аргиродита Ag₈GeS₆.

Химический элемент Германий назван в честь Германии, родины Винклера.

Месторасположение

Общее содержание Германия в земной коре 7% по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Однако собственные минералы Германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu₂(Cu, Fe, Ge, Zn)₂ (S, As)₄, аргиродит Ag₈GeS₆, конфильдит Ag₈(Sn, Ce) S₆ и др. Основная масса Г. рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых окисных минералах (хромите, магнетите, рутиле и др.), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, Г. присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти.

Получение

Германий встречается в виде примеси к полиметаллическим, никелевым, вольфрамовым рудам, а также в силикатах. В результате сложных и трудоёмких операций по обогащению руды и её концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO₂,который восстанавливают водородом при 600 °C до простого вещества: GeO₂+2H₂=Ge+2H₂O.

Физические свойства

Кристаллическая структура германия

Кристаллическая решётка германия кубическая гранецентрированная по типу алмаза, параметр а = 5,660 Å. Германий как и кремний отличается ценными оптическими характеристиками — способность пропускать ИК-лучи. Важно, обладая низкой дисперсией, высокой прозрачностью и коэффициентом преломления n=1,7 (кремний n=3,4) в композициях шихты с кремнием в разных соотнешениях позволяют изготакливать линзы с нужным показателем преломления.(линзы анастигматов и зумов изготавливают в первую очередь с подбором характериситк по показетелю преломления). Линзы, (объективы) прозрачных для (пропускающих) ИК-лучей при изготовлении применяют в качестве основных оптических материалов как кремний, германий .

Механические свойства

• Модуль упругости E, ГПа — 82
• Скорость звука (t=20÷25°C) в различных напрвлениях  1000 м/с.
  • L₁₀₀ : 4,92
  • S₁₀₀ : 3,55
  • L₁₁₀ : 5,41
  • S₁₁₀ : 2,75
  • L₁₁₁ : 5,56
  • S₁₁₁ : 3,04

Электронные свойства

Схема атома Германия

Германий является типичным непрямозонным полупроводником.

• Статическая диэлектрическая проницаемость ε = 16,0
• Ширина запрещённой зоны (300 К) E_g = 0,67 эВ
• Собственная концентрация n_i=2,33×10¹³ см⁻³
• Эффективная масса :
  • электронов, продольная: m_II=1,58m₀, m_II=1,64m₀
  • электронов, поперечная: m_┴=0,0815m₀ , m_┴=0,082m₀
  • дырок, тяжелых: m_hh=0,379m₀
  • дырок, легких: m_hl=0,042m₀
• Электронное сродство: χ = 4,0 эВ

Изотопы

В природе встречается пять изотопов: ⁷⁰Ge (20,55% масс.), ⁷²Ge (27,37%), ⁷³Ge (7,67), ⁷⁴Ge (36,74%), ⁷⁶Ge (7,67%). Первые четыре стабильны, пятый (⁷⁶Ge) испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 1,58×10²¹ лет. Кроме этого существует два «долгоживущих» искусственных: ⁶⁸Ge (время полураспада 270,8 дня) и ⁷¹Ge (время полураспада 11,26 дня).

Химические свойства

В химических соединениях германий обычно проявляет валентности 4 или 2. Соединения с валентностью 4 стабильнее. При нормальных условиях устойчив к действию воздуха и воды, щелочей и кислот, растворим в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. Применение находят сплавы германия и стёкла на основе диоксида германия.

Соединения германия

Неорганические

• Гидриды
  • Герман $GeH_4$
  • Дигерман $Ge_2 H_6$
  • Тригерман $Ge_3 H_8$

• Оксиды
  • Оксид германия (II) $GeO$
  • Оксид германия (IV) $GeO_2$

• Галогениды
  • Бромид германия (IV) $GeBr_4$
  • Иодид германия (II) $GeI_2$
  • Иодид германия (IV) $GeI_4$
  • Фторид германия (IV) $GeF_4$
  • Хлорид германия (IV) $GeCl_4$

• Нитрид германия (IV) $Ge_3N_4$
• Сульфид германия (II) $GeS$
• Сульфид германия (IV) $GeS_2$

Органические

• Тетраметилгерман (Ge(CH₃)₄)
• Тетраэтилгерман (Ge(C₂H₅)₄).
• Изобутилгерман ((CH₃)₂CHCH₂GeH₃)

Применение

Металлургия

Теллурид германия издавна применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).

Ядерная энергетика

Германий широко применяется в ядерной энергетике в качестве материала для детекторов гамма-излучения.

Электроника и радиотехника

В радиотехнике, германиевые транзисторы и детекторные диоды обладают характеристиками, отличными от кремниевых, ввиду меньшего напряжения отпирания pn-перехода в германии - 0.4В против 0.6В у кремниевых приборов. В своё время германиевые полупроводниковые приборы использовались повсеместно в радиоприёмниках и других конструкциях. Например, схема JOULE (в отечественной радиотехнике известная как блокинг-генератор) позволяет питать трёхвольтовый светодиод от 0,6 В, если в ней применён кремниевый транзистор, и начиная всего с 0,125 В, если германиевый. HI-End усилители на германиевых транзисторах обладают качеством звука, сопоставимым с усилителями на радиолампах, т.к. германиевые транзисторы мягче переключатся в схемах усилителя класса "AB", имеют более линейную переходную характеристику (чем сопоставимые кремниевые транзисторы тех же лет выпуска), и не пропускают гармоники дальше пятой (тогда как кремниевые - до 11-той - из-за чего звук становится "жестким" на высоких частотах). В классификации радиоэлектроники по советскому ГОСТу кремниевые полупроводниковые элементы обозначались, начиная с буквы К или с цифры 2, а германиевые с буквы Г или цифры 1, например: ГТ313, 1Т308 — германиевые высокочастотные маломощные транзисторы. Существует старая система обозначений, например, П210,213,214,217, и некоторые транзисторы "МПxx" - также германиевые. Ещё более высоким частотным потенциалом (имеется ввиду подвижность носителей заряда в полупроводниках, а не скорость работы готового полупропроводникового прибора) обладает арсенид галлия, применяемый в светодиодах. В настоящее время германиевые диоды и транзисторы полностью вытеснены кремниевыми и не выпускаются ни в одной стране мира. Найти их можно только в старых радиоаппаратах либо из запасов радиолюбителей тех лет.

Теллурид германия издавна применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).

Диоксид германия также используется как катализатор в производстве смолы терефталата полиэтилена, и для производства других примесей или химсоединений германия.

Медицина

Для медицинских нужд германий первыми начали применять в Японии. Испытания различных германийорганических соединений в опытах на животных и в клинических испытаниях на людях показали, что они в разной степени положительно влияют на организм человека.

В 1967 г. доктор К. Асаи обнаружил, что органический германий, способ синтеза которого был ранее разработан в нашей стране, обладает широким спектром биологического действия.

Биологические свойства органического германия:

• обеспечение перенос кислорода в тканях организма;
• повышение иммунного статуса организма;
• проявление противоопухолевой активности.

Японскими учеными был создан первый препарат с содержанием органического германия «Германий–132», который используется для коррекции иммунного статуса при различных заболеваниях человека.

В России, как обычно, биологическое действие германия изучалось давно, но создание первого российского препарата «Гермавит» стало возможным только в 2000 г., когда финансы в развитие науки и, в частности, медицины стали вкладывать российские бизнесмены, понимающие, что здоровье нации требует самого пристального внимания, а его укрепление без должного финансирования — это разговоры, не решающие важнейшей социальной задачи нашего времени.

Оптическое стекло

Германий в виде диоксида GeO₂ находит широкое применение в изготовлении оптических устройств как линз, объективов и др., применяемых в оптической промышленности.

Свойства оптического стекла из GeO₂:

• Коэффициент преломления n=1.7;
• Дополнительно высокая прозрачность к ИК-лучам света;
• Низкая дисперсия;
• Высокая твёрдость.

Это делают его полезным как оптический материал для изготовления широкоугольных объективов, применения линз в оптическом микроскопе.

Смесь кремниевого диоксида и диоксида германия ("кварц-germania") используется как оптический материал для оптоволокон и оптических волноводов.

Правильная дозировка примесей диоксида германия с элементами кварца, кремниевыми составляющими и др. при приготовлении шихты при стекловарении позволяет точно контролировать и регулировать величину коэффициента преломления линз. Например, очки из кварца-германия имеют более низкую вязкость и более высокий преломляющий коэффициент, нежели чем очки из чистого кварца.

В оптоволоконном производстве Германий сейчас заменяет титан как примесь кварца для волокна из кварца, устраняя потребность в последующей термообработке, которая делает волокна ломкими.

Прочие области применения

Теллурид германия издавна применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).

Диоксид германия также используется как катализатор в производстве смолы терефталата полиэтилена, и для производства других примесей или химсоединений германия.

Качере Бровина ("генератор Бровина-Теслы") лучше работает на германиевых транзисторах.

Цены

Средние цены на германий в 2007 году /по материалам infogeo.ru/metalls

• Германий металлический $1200/кг
• Германий диоксид (двуокись) $840/кг

Биологическая роль

Биологические свойства органического германия:

• обеспечение перенос кислорода в тканях организма;
• повышение иммунного статуса организма;
• проявление противоопухолевой активности.

Германий обнаружен в животных и растительных организмах. Малые количества германия не оказывают физиологического действия на растения, но токсичны в больших количествах. Германий нетоксичен для плесневых грибков.

Для животных германий малотоксичен. Допустимая концентрация германия и его оксида в воздухе - 2 мг/м³, т.е. такая же, как и для асбестовой пыли.

Соединения двухвалентного германия значительно более токсичны .

См.также

• Соединения германия
• Названия химических элементов на различных языках
• Кремний
• Углерод

Литература

• Тананаев И. В., Шпирт М. Я. Химия германия. М., «Химия», 1967. 451 с.

Ссылки

• Германий на Webelements
• Германий в Популярной библиотеке химических элементов

Периодическая система элементов

1

H

He

2

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

3

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

4

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

5

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

6

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

7

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Uuo

8

Uue

Ubn

Ubu

Ubb

Ubt

Ubq

Ubp

Ubh

Iа

IIа

IIIб

IIIб: лантаноиды и актиноиды и Суперактиноиды

IVб

Vб

VIб

VIIб

VIIIб

Iб

IIб

IIIа

IVа

Vа

VIа

VIIа

VIIIа

Химические семейства элементов периодической таблицы

Щелочные металлы	Щёлочноземельные металлы	Лантаноиды	Актиноиды	Переходные металлы
Лёгкие металлы	Полуметаллы	Неметаллы	Галогены	Инертные газы