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

История открытия германия

Существование элемента экасилиция – аналога кремния предсказано Д.И. Менделеевым еще в 1871 г. А в 1886 г. один из профессоров Фрейбергской горной академии открыл новый минерал серебра – аргиродит. Этот минерал был затем передан профессору технической химии Клеменсу Винклеру для полного анализа.

Сделали это не случайно: 48-летний Винклер считался лучшим аналитиком академии.

Довольно быстро он выяснил, что серебра в минерале 74,72%, серы – 17,13, ртути – 0,31, закиси железа – 0,66, окиси цинка – 0,22%. И почти 7% веса нового минерала приходилось на долю некоего непонятного элемента, скорее всего еще неизвестного. Винклер выделил неопознанный компонент аргиродпта, изучил его свойства и понял, что действительно нашел новый элемент – предсказанный Менделеевым экасплиций. Такова вкратце история элемента с атомным номером 32.

Однако неправильно было бы думать, что работа Винклера шла гладко, без сучка, без задоринки. Вот что пишет по этому поводу Менделеев в дополнениях к восьмой главе «Основ химии»: «Сперва (февраль 1886 г.) недостаток материала, отсутствие спектра в пламени горелки и растворимость многих соединений германия затрудняли исследования Винклера...» Обратите внимание на «отсутствие спектра в пламени». Как же так? Ведь в 1886 г. уже существовал метод спектрального анализа; этим методом на Земле уже были открыты рубидий, цезий, таллий, индий, а на Солнце – гелий. Ученые достоверно знали, что каждому химическому элементу свойствен совершенно индивидуальный спектр, и вдруг отсутствие спектра!

Объяснение появилось позже. Характерные спектральные линии у германия есть – с длиной волн 2651,18, 3039,06 Ǻ и еще несколько. Но все они лежат в невидимой ультрафиолетовой части спектра, и можно считать, удачей приверженность Винклера традиционным методам анализа – именно они привели к успеху.

Примененный Винклером способ выделения германия похож на один из нынешних промышленных методов получения элемента №32. Вначале германий, содержавшийся в аргароднте, был переведен в двуокись, а затем этот белый порошок нагревали до 600...700°C в атмосфере водорода. Реакция очевидна: GeO 2 + 2H 2 → Ge + 2H 2 О.

Так был впервые получен относительно чистый германий. Винклер сначала намеревался назвать новый элемент нептунием в честь планеты Нептун. (Как и элемент №32, эта планета была предсказана раньше, чем открыта). Но потом оказалось, что такое имя раньше присваивалось одному ложно открытому элементу, и, не желая компрометировать свое открытие, Винклер отказался от первого намерения. Не принял он и предложения назвать новый элемент ангулярием, т.е. «угловатым, вызывающим споры» (а споров это открытие действительно вызвало немало). Правда, французский химик Район, выдвинувший такую идею, говорил позже, что его предложение было не более чем шуткой. Винклер назвал новый элемент германием в честь своей страны, и это название утвердилось.

Нахождение германия в природе

Следует отметить, что процессе геохимической эволюции земной коры произошло вымывание значительного количества германия с большей части поверхности суши в океаны, поэтому в настоящее время количество этого микроэлемента, содержащегося в почве – крайне незначительно.

Общее содержание германия в земной коре 7×10 −4 % по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Германий вследствие незначительного содержания в земной коре и геохимического сродства с некоторыми широко распространёнными элементами обнаруживает ограниченную способность к образованию собственных минералов, рассеиваясь в решётках других минералов. Поэтому собственные минералы германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4 (6 – 10% Ge), аргиродит Ag 8 GeS 6 (3,6 – 7% Ge), конфильдит Ag 8 (Sn, Ge) S 6 (до 2% Ge) и др. Основная масса германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов. Так, например, в некоторых сфалеритах содержание германия достигает килограммов на тонну, в энаргитах до 5 кг/т, в пираргирите до 10 кг/т, в сульваните и франкеите 1 кг/т, в других сульфидах и силикатах – сотни и десятки г/т. Германий концентрируется в месторождениях многих металлов - в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых окисных минералах (хромите, магнетите, рутиле и др.), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти.

Получение германия

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.

GeO 2 + 4H 2 = Ge + 2H 2 O

Германий полупроводниковой чистоты с содержанием примесей 10 -3 -10 -4 % получают зонной плавкой, кристаллизацией или термолизом летучего моногермана GeH 4:

GeH 4 = Ge + 2H 2 ,

который образуется при разложении кислотами соединений активных металлов с Ge - германидов:

Mg 2 Ge + 4HCl = GeH 4 – + 2MgCl 2

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 GeO 2 , который восстанавливают водородом при 600 °C до простого вещества:

GeO 2 + 2H 2 = Ge + 2H 2 O.

Очистка и выращивание монокристаллов германия производится методом зонной плавки.

Чистая двуокись германия впервые в СССР была получена в начале 1941 г. Из нее сделали германиевое стекло с очень высоким коэффициентом преломления света. Исследования элемента №32 и способов его возможного получения возобновились после войны, в 1947 г. Теперь германий интересовал тогда ещё советских ученых именно как полупроводник.

Физические свойства германия

По внешнему виду германий нетрудно спутать с кремнием.

Германий кристаллизуется в кубической структуре типа алмаза, параметр элементарной ячейки а = 5, 6575Å.

Этот элемент не так прочен, как титан или вольфрам. 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.

Германий почти так же хрупок, как стекло, и может соответственно себя вести. Даже 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 %).

Все «необычные» модификации кристаллического германия превосходят Ge-I и электропроводностью. Упоминание именно об этом свойстве не случайно: величина удельной электропроводности (или обратная величина – удельное сопротивление) для элемента-полупроводника особенно важна.

Химические свойства германия

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.

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 .

Соединения двухвалентного германия.

Гидрид германия (II) GeH 2 . Белый неустойчивый порошок (на воздухе или в кислороде он разлагается со взрывом). Реагирует со щелочами и бромом.

Полимер моногидрида германия (II) (полигермин) (GeH 2) n . Коричневато-черный порошок. Плохо растворяется в воде, мгновенно разлагается на воздухе и взрывается при нагревании до 160 о С в вакууме или в атмосфере инертного газа. Образуется в процессе электролиза германида натрия NaGe.

Оксид германия (II) GeO. Черные кристаллы, обладающие основными свойствами. Разлагается при 500°С на GeO 2 и Ge. Медленно окисляется в воде. Мало растворим в хлороводородной кислоте. Проявляет восстановительные свойства. Получают действием СО 2 на металлический германий, нагретый до 700-900 о С, щелочей - на хлорид германия (II), прокаливанием Ge(OН) 2 или восстановлением GeO 2 .

Гидроксид германия (II) Ge(OH) 2 . Красно-оранжевые кристаллы. При нагревании превращается в GeO. Проявляет амфотерный характер. Получают обработкой солей германия (II) щелочами и гидролизом солей германия (II).

Фторид германия (II) GeF 2 . Бесцветные гигроскопичные кристаллы, t пл =111°С. Получают действием паров GeF 4 на металлический германий при нагревании.

Хлорид германия (II) GeCl 2 . Бесцветные кристаллы. t пл =76,4°С, t кип =450°С . При 460°С разлагается на GeCl 4 и металлический германий. Гидролизуется водой, мало растворим в спирте. Получают действием паров GeCl 4 на металлический германий при нагревании.

Бромид германия (II) GeBr 2 . Прозрачные игольчатые кристаллы. t пл =122°С . Гидролизуется водой. Мало растворим в бензоле. Растворяется в спирте, ацетоне. Получают взаимодействием гидроксида германия (II) с бромоводородной кислотой. При нагревании диспропорционирует на металлический германий и бромид германия (IV).

Иодид германия (II) GeI 2 . Желтые гексагональные пластинки, диамагнитен. t пл =460 о С. Мало растворим в хлороформе и тетрахлорметане. При нагревании выше 210°С разлагается на металлический германий и тетраиодид германия. Получают восстановлением иодида германия (II) гипофосфорной кислотой или термическим разложением тетраиодида германия.

Сульфид германия (II) GeS. Полученный сухим путем - серовато-черные блестящие ромбические непрозрачные кристаллы. t пл =615°С, плотность равна 4,01г/см 3 . Мало растворим в воде и в аммиаке. Растворяется в гидроксиде калия. Полученный мокрым путем - красно-коричневый аморфный осадок, плотность равна 3,31г/см 3 . Растворяется в минеральных кислотах и полисульфиде аммония. Получают нагреванием германия с серой или пропуская сероводород через раствор соли германия (II).

Соединения четырехвалентного германия.

Гидрид германия (IV) GeH 4 . Бесцветный газ (плотность равна 3,43 г/см 3 ). Он ядовит, очень неприятно пахнет, кипит при -88 о С , плавится около -166 о С , диссоциирует термически выше 280 о С. Пропуская GeН 4 через нагретую трубку, получают на ее стенках блестящее зеркало из металлического германия. Получают действием LiAlH 4 на хлорид германия (IV) в эфире или обработкой раствора хлорида германия (IV) цинком и серной кислотой.

Оксид германия (IV) GeO 2 . Существует в виде двух кристаллических модификаций (гексагональной с плотность равна 4,703 г/см 3 и тетраэдрической с плотность равна 6,24 г/см 3 ). Обе устойчивы на воздухе. Мало растворимы в воде. t пл =1116 о С, t кип =1200 о С . Проявляет амфотерный характер. Восстанавливается алюминием, магнием, углеродом до металлического германия при нагревании. Получают синтезом из элементов, прокаливанием солей германия с летучими кислотами, окислением сульфидов, гидролизом тетрагалогенидов германия, обработкой германитов щелочных металлов кислотами, металлического германия - концентрированной серной или азотной кислотами.

Фторид германия (IV) GeF 4 . Бесцветный газ, дымящий на воздухе. t пл =-15 о C, t кип =-37°С. Гидролизуется водой. Получают разложением тетрафторогерманата бария.

Хлорид германия (IV) GeCl 4 . Бесцветная жидкость. t пл =-50 о С, t кип =86 о С, плотность равна 1,874 г/см 3 . Гидролизуется водой, растворяется в спирте, эфире, сероуглероде, тетрахлорметане. Получают нагреванием германия с хлором и пропусканием хлороводорода через суспензию оксида германия (IV).

Бромид германия (IV) GeBr 4 . Октаэдрические бесцветные кристаллы. t пл =26 о С, t кип =187 о С, плотность равна 3,13 г/см 3 . Гидролизуется водой. Растворяется в бензоле, сероуглероде. Получают пропусканием паров брома над нагретым металлическим германием или действием бромоводородной кислоты на оксид германия (IV).

Иодид германия (IV) GeI 4 . Желто-оранжевые октаэдрические кристаллы, t пл =146 о С, t кип =377 о С, плотность равна 4,32 г/см 3 . При 445 о С разлагается. Растворяется в бензоле, сероуглероде, и гидролизуется водой. На воздухе постепенно разлагается на иодид германия (II) и иод. Присоединяет аммиак. Получают пропусканием паров иода над нагретым германием или действием иодоводородной кислоты на оксид германия (IV).

Сульфид германия (IV) GeS 2 . Белый кристаллический порошок, t пл =800 о С , плотность равна 3,03г/см 3 . Мало растворим в воде и медленно в ней гидролизуется. Растворяется в аммиаке, сульфиде аммония и в сульфидах щелочных металлов. Получают нагреванием оксида германия (IV) в токе диоксида серы с серой или пропусканием сероводорода через раствор соли германия (IV).

Сульфат германия (IV) Ge(SO 4) 2 . Бесцветные кристаллы, плотность равна 3,92 г/см 3 . Разлагается при 200 о С. Восстанавливается углем или серой до сульфида. Реагирует с водой и с растворами щелочей. Получают нагреванием хлорида германия (IV) с оксидом серы (VI).

Изотопы германия

В природе встречается пять изотопов: 70 Ge (20,55 % масс.), 72 Ge (27,37 %), 73 Ge (7,67), 74 Ge (36,74 %), 76 Ge (7,67 %). Первые четыре стабильны, пятый (76 Ge) испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 1,58×10 21 лет. Кроме этого существует два «долгоживущих» искусственных: 68 Ge (время полураспада 270,8 дня) и 71 Ge (время полураспада 11,26 дня).

Применение германия

Германий применяют в производстве оптики. Благодаря прозрачности в инфракрасной области спектра металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики. 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.

Подробнее см. статью применение германия.

Биологическая роль германия

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. У соединений германия не обнаружено фармакологическое действие. Допустимая концентрация германия и его оксида в воздухе - 2 мг/м³, то есть такая же, как и для асбестовой пыли.

Соединения двухвалентного германия значительно более токсичны.

В экспериментах, определяющих распределение органического германия в организме через 1.5 часа после его перорального введения, были получены следующие результаты: большое количество органического германия содержится в желудке, тонком кишечнике, костном мозге, селезенке и крови. Причем высокое его содержание в желудке и кишечнике показывает, что процесс его всасывания в кровь имеет пролонгированное действие.

Высокое содержание органического германия в крови позволило выдвинуть доктору Асаи следующую теорию механизма его действия в организме человека. Предполагаются, что в крови органический германий ведет себя аналогично гемоглобину, также несущему в себе отрицательный заряд и подобно гемоглобину участвует в процессе переноса кислорода в тканях организма. Тем самым предупреждается развитие кислородной недостаточности (гипоксии) на тканевом уровне. Органический германий предотвращает развитие так называемой кровяной гипоксии, возникающей при уменьшении количества гемоглобина, способного присоединить кислород (уменьшении кислородной ёмкости крови), и развивающейся при кровопотерях, отравлении окисью углерода, при радиационных воздействиях. Наиболее чувствительны к кислородной недостаточности центральная нервная система, мышца сердца, ткани почек, печени.

В результате опытов было также установлено, что органический германий способствует индукции гамма интерферонов, которые подавляют процессы размножения быстро делящихся клеток, активируют специфические клетки (Т-киллеры). Основными направлениями действия интерферонов на уровне организма является антивирусная и противоопухолевая защита, иммуномодулирующие и радиозащитные функции лимфатической системы

В процессе изучения патологических тканей и тканей с первичными признаками заболеваний было установлено, что они всегда характеризуются недостатком кислорода и присутствием положительно заряженных радикалов водорода Н + . Ионы Н + оказывают крайне негативное воздействие на клетки организма человека, вплоть до их гибели. Ионы кислорода, обладая способностью объединяться с ионами водорода, позволяют выборочно и локально компенсировать повреждения клеток и тканей, которые наносят им ионы водорода. Действие германия на ионы водорода обусловлено его органической формой – формой сесквиоксида. При подготовке статьи использованы материалы Супоненко А. Н.

(Germanium; от лат. Germania - Германия), Ge - хим. элемент IV группы периодической системы элементов; ат. н. 32, ат. м. 72,59. Серебристо-серое вещество с металлическим блеском. В хим. соединениях проявляет степени окисления + 2 и +4. Соединения со степенью окисления +4 более стойки. Природный германий состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 70 (20,55%), 72 (27,37%), 73(7, 67%) и 74 (36,74%) и одного радиоактивного изотопа с массовым числом 76 (7,67%) и периодом полураспада 2 106 лет. Искусственно (с помощью различных ядерных реакций) получено много радиоактивных изотопов; наибольшее значение имеет изотоп 71 Ge с периодом полураспада 11,4 дня.

Существование и св-ва германия (под названием «экасилиций») предсказал в 1871 рус ученый Д. И. Менделеев. Однако лишь в 1886 нем. химик К. Винклер обнаружил в минерале аргиродите неизвестный элемент, св-ва к-рого совпадали со св-вами «экасилиция». Начало пром. произ-ва германий относится к 40-м гг. 20 в., когда он получил применение в качестве полупроводникового материала. Содержание германия в земной коре (1-2) 10~4 %. Германий относится к рассеянным элементам и редко встречается в виде собственных минералов. Известно семь минералов, в к-рых его концентрация больше 1 %, среди них: Cu2 (Си, Ge, Ga, Fe, Zn)2 (S, As)4X X (6,2-10,2% Ge), рениерит (Cu, Fe)2 (Cu, Fe, Ge, Ga, Zn)2 X X (S, As)4 (5,46-7,80% Ge) и аргиродит Ag8GeS6 (3/55-6,93% Ge). Г. накапливается также в каустобиолитах (гумусовых углях, горючих сланцах, нефти). Стойкая при обычных условиях кристаллическая модификация Г. имеет кубическую структуру типа алмаза, с периодом а = 5,65753 A (Gel).

Плотность германия (т-ра 25° С) 5,3234 г/см3, tпл 937,2° С; tкип 2852° С; теплота плавления 104,7 кал/г, теплота сублимации 1251 кал/г, теплоемкость (т-ра 25° С) 0,077 кал/г град; коэфф. теплопроводности, (т-ра 0° С) 0,145 кал/см сек град, температурный коэфф. линейного расширения (т-ра 0-260° С),5,8 х 10-6 град-1. При плавлении германий уменьшается в объеме (примерно на 5,6%), плотность его увеличивается на 4% ч При высоком давлении алмазо-подобная модификация. Германий претерпевает полиморфные превращения, образуя кристаллические модификации: тетрагональную структуру типа B-Sn (GeII), объемноцентрированную тетрагональную структуру с периодами а = 5,93 А, с = 6,98 A (GeIII) и объемноцентрированную кубическую структуру с периодом а = 6,92 A(GeIV). Эти модификации по сравнению с GeI отличаются большими плотностью и электропроводностью.

Аморфный германий может быть получен в виде пленок (толщиной примерно 10-3 см) при конденсации пара. Плотность его меньше плотности кристаллического Г. Структура энергетических зон в кристалле Г. обусловливает его полупроводниковые св-ва. Ширина запрещенной зоны Г. равна 0,785 эв (т-ра 0 К), удельное электрическое сопротивление (т-ра 20° С) 60 ом · см и с повышением т-ры значительно понижается по экспоненциальному закону. Примеси придают Г. т. н. примесную проводимость электронного (примеси мышьяка, сурьмы, фосфора) или дырочного (примеси галлия, алюминия, индия) типа. Подвижность носителей зарядов в Г. (т-ра 25° С) для электронов - около 3600 см2/в сек, для дырок - 1700 см2/в · сек, собственная концентрация носителей зарядов (т-ра 20° С) 2,5 . 10 13 см-3. Г. диамагнитен. При плавлении переходит в металлическое состояние. Германий очень хрупок, твердость его по Моосу 6,0, микротвердость 385 кгс/мм2, предел прочности на сжатие (т-ра 20° С) 690 кгс/см2. С повышением т-ры твердость снижается, выше т-ры 650° С он становится пластичным, поддается мех. обработке. Германий практически инертен к воздуху, кислороду и к неокисляющим электролитам (если нет растворенного кислорода) при т-ре до 100° С. Стойкий к действию соляной и разбавленной серной к-т; медленно растворяется в концентрированных серной и азотной к-тах при нагревании (образующаяся при этом пленка двуокиси замедляет растворение), хорошо растворяется в «царской водке», в растворах ги-похлоритов или гидроокисей щелочных металлов (при наличии перекиси водорода), в расплавах щелочей, перекисей, нитратов и карбонатов щелочных металлов.

Выше т-ры 600° С окисляется на воздухе и в токе кислорода, образуя с кислородом окись GeO и двуокись (Ge02). Окись германия- темно-серый порошок, возгоняющийся при т-ре 710° С, незначительно растворяется в воде с образованием слабой германитной к-ты (H2Ge02), соли к-рой (германиты) малостойки. В к-тах GeO легко растворяется с образованием солей двухвалентного Г. Двуокись германия- порошок белого цвета, существует в нескольких полиморфных модификациях, сильно различающихся по хим. св-вам: гексагональная модификация двуокиси сравнительно хорошо растворяется в воде (4,53 zU при т-ре 25° С), растворах щелочей и к-т, тетрагональная модификация практически нерастворима в воде и инертна к к-там. Растворяясь в щелочах, двуокись и ее гидрат образуют соли метагерманатной (H2Ge03) и ортогерманатной (H4Ge04) к-т - германаты. Германаты щелочных металлов растворяются в воде, остальные германаты практически нерастворимы; свежеосажденные растворяются в минеральных к-тах. Г. легко соединяется с галогенами, образуя при нагревании (около т-ры 250° С) соответствующие тетрагало-гениды - несолеобразные соединения, легко гидролизующиеся водой. Известны Г.- темно-коричневый (GeS) и белый (GeS2).

Для германия характерны соединения с азотом - коричневый нитрид (Ge3N4) и черный нитрид (Ge3N2), отличающийся меньшей хим. стойкостью. С фосфором Г. образует малостойкий фосфид (GeP) черного цвета. С углеродом не взаимодействует и не сплавляется, с кремнием образует непрерывный ряд твердых растворов. Для германий, как аналога углерода и кремния, характерна способность образовывать германоводороды типа GenH2n + 2 (германы), а также твердые соединения типов GeH и GeH2 (гермены).Германий образует металлические соединения () и со мн. металлами. Извлечение Г. из сырья заключается в получении богатого германиевого концентрата, а из него - высокой чистоты. В пром. масштабе германий получают из тетрахлорида, используя при очистке его высокую летучесть (для выделения из концентрата), малую в концентрированной соляной к-те и высокую в органических растворителях (для очистки от примесей). Часто для обогащения используют высокую летучесть низших сульфида и окисла Г., к-рые легко сублимируются.

Для получения полупроводникового германий применяют направленную кристаллизацию и зонную перекристаллизацию. Монокристаллический германий получают вытягиванием из расплава. В процессе выращивания Г. легируют спец. добавками, регулируя те или иные св-ва монокристалла. Г. поставляют в виде слитков длиной 380- 660 мм и поперечным сечением до 6,5 см2. Германий применяют в радиоэлектронике и электротехнике как полупроводниковый материал для изготовления диодов и транзисторов. Из него изготовляют линзы для приборов инфракрасной оптики, дозиметры ядерных излучений, анализаторы рентгеновской спектроскопии, датчики, использующие эффект Холла, преобразователи энергии радиоактивного распада в электрическую. Германий используют в микроволновых аттенюаторах, термометрах сопротивления, эксплуатируемых при т-ре жидкого гелия. Пленка Г., нанесенная на рефлектор, отличается высокой отражательной способностью, хорошей коррозионной стойкостью. германия с некоторыми металлами, отличающиеся повышенной стойкостью к кислым агрессивным средам, используют в приборостроении, машиностроении и металлургии. гемания с золотом образуют низкоплавкую эвтектику и расширяются при охлаждении. Двуокись Г. применяют для изготовления спец. стекол, характеризующихся высоким коэфф. преломления и прозрачностью в инфракрасной части спектра, стеклянных электродов и термисторов, а также эмалей и декоративных глазурей. Германаты используют в качестве активаторов фосфоров и люминофоров.

Германий — химический элемент периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. И обозначается символом Ge , германий это простое вещество серо-белого цвета и имеет твердые характеристики как для метала.

Cодержание в земной коре 7.10-4% по массе. относится к рассеянным элементам, из за сваей реакционной способности к окислению в свободном состоянии как чистый метал не встречается.

Нахождение германия в природе

Германий — один из трёх химических элементов, предсказанных Д.И. Менделеевым на основании их положения в периодической системы (1871 г).

Он относится к редким рассеянным элементам.

В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются отходы цинкового производства, коксования углей, зола некоторых некоторых видов углей, в примесях силикатов, осадочных породах железа, в никелевых и вольфрамовый рудах, торфе, нефти, геотермальных водах и в некоторых водорослях.

Основные минералы содержащие германий

Плюмбогерматит (PbGeGa) 2 SO 4 (OH) 2 +H 2 O содержание до 8.18 %

яргиродит AgGeS6 содержит от 3.65 до 6.93 % германия .

рениерит Cu 3 (FeGeZn)(SAs) 4 содержит от 5.5 до 7.8% германия.

В некоторых странах получение германия является побочным продуктом переработки некоторых руд таких как цинк-свинец-медь. Также германий получают в производстве кокса, а также в золе бурого угля с содержанием от 0.0005 до 0.3% и в золе каменных углей с содержанием от 0.001 до 1 -2 % .

Германий как металл очень устойчив к действию кислорода воздуха, кислорода, воды некоторых кислот, разбавленной серной и соляной кислоты. Но сконцентрированной серной кислотой реагирует очень медленно.

Германий реагирует с азотной кислотой HNO 3 и царской водкой, медленно реагирует едкими щелочами с образованием соли германата, но при добавлении перекиси водорода H 2 O 2 реакция протекает очень быстро.

При воздействии высоких температур свыше 700 °С германий легко окисляется на воздухе с образованием GeO 2 , легко вступает в реакцию с галогенами, получая при этом тетрагалогениты.

С водородом, кремнием, азотом и углеродом не вступает в реакцию.

Известны летучие соединения германия с характеристиками:

Германия гексагидрид -дигерман, Ge 2 H 6 — горючий газ, при длительном хранении на свету разлагается, окрашиваясь в желтый затем в коричневый цвет превращаясь в твёрдое вещество тёмно — коричневого цвета, разлагается водой и щелочами.

Германия тетрагидрид, моногерман — GeH 4 .

Применение германия

Германий, как и некоторые другие , имеет свойства так называемых полупроводников. Все по их электропроводности делятся на три группы: проводники, полупроводники и изоляторы (диэлектрики) . Удельная электропроводность металлов находиться в интервале 10В4 — 10В6 Ом.смВ-1 , приведённое деление условно. Однако можно указать принципиальное различие в электрофизических свойствах проводников и полупроводников. У первых электропроводность с повышением температуры падает, у полупроводников — возрастает. При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводники превращаются в изоляторы. Как известно, металлические проводники проявляют в таких условиях свойства сверхпроводимости.

Полупроводниками могут быть различные вещества. К ним относятся : бор, ( или

Германий - чрезвычайно ценный для человека элемент таблицы Менделеева. Его уникальные свойства, как полупроводника, позволили создать диоды, широко используемые в различных измерительных приборах и радиоприемниках. Он нужен для производства линз и оптического волокна.

Однако технические успехи - это только часть достоинств этого элемента. Органические соединения германия обладают редкими терапевтическими свойствами, оказывая широкое биологическое воздействие на здоровье и самочувствие человека, а эта особенность дороже любых драгоценных металлов.

История открытия германия

Дмитрий Иванович Менделеев, анализируя свою периодическую таблицу элементов, в 1871 году предположил, что в ней не хватает еще одного элемента, принадлежащего к IV группе. Он описал его свойства, подчеркнул сходство с кремнием и назвал экасилиций.

Через несколько лет, в 1886 году, в феврале, профессор горной академии города Фрейберг открыл аргиродит - новое соединение серебра. Его полный анализ было поручено сделать Клеменсу Винклеру, профессору технической химии и лучшему аналитику академии. После изучения нового минерала, он выделил из него 7% веса, как отдельное неопознанное вещество. Тщательное изучение его свойств показало, что перед ними экасилиций, предсказанный Менделеевым. Важно, что способ выделения экасилиция, использованный Винклером, до сих пор применяется при его промышленном получении.

История названия германия

Экасилиций в периодической таблице Менделеева занимает 32 позицию. Сначала Клеменс Винклер хотел дать ему имя Нептун.в честь планеты, которую тоже сначала предсказали, а обнаружили после. Однако выяснилось, что один ложно открытый компонент уже так называли и могла возникать ненужная путаницы и споры.

В результате, Винклер выбрал для него имя Германий в честь своей страны, чтобы снять все разногласия. Это решение Дмитрий Иванович поддержал, закрепив такое название за своим "детищем".

Как выглядит германий

Этот дорогой и редкий элемент, как стекло, хрупкий. Стандартный германиевый слиток выглядит, как цилиндр диаметром от 10 до 35 мм. Цвет германия зависит от обработки его поверхности и может быть черным, похожим на сталь или серебристым. Его внешний вид легко перепутать с кремнием – его самым ближайшим родственником и конкурентом.

Чтобы разглядеть мелкие германиевые детали в приборах нужны специальные средства увеличения.

Применение органического германия в медицине

Органическое соединение германия синтезировал японец, доктор К. Асаи в 1967 году. Он доказал наличие у него противоопухолевых свойств. Продолжение исследований доказало, что разные соединения германия обладают такими важными свойствами для человека, как обезболивание, снижение артериального давления, снижение риска анемии, укрепление иммунитета и уничтожения вредоносных бактерий.

Направления влияния германия в организме:

• Способствует насыщению тканей кислородом и ,
• Ускоряет заживление ран,
• Способствует очищению клеток и тканей от токсинов и ядов,
• Улучшает состояние центральной нервной системы и ее функционирование,
• Ускоряет восстановление после тяжелой физической нагрузки,
• Повышает общую работоспособность человека,
• Усиливает защитные реакции всей иммунной системы.

Роль органического германия в иммунной системе и в переносе кислорода

Способность германия переносить кислород на уровне тканей организма особенно ценна для предупреждения гипоксии (кислородной недостаточности). Это также снижает вероятность развития кровяной гипоксии, которая возникает при уменьшении количества гемоглобина в эритроцитах. Доставка кислорода в любую клетку позволяет снизить опасность кислородного голодания и спасти от гибели наиболее чувствительные к нехватке кислорода клетки: головного мозга, тканей почек и печени, мышц сердца.

Германий |32 | Ge| — Цена

Германий (Ge) — рассеянный редкий металл , атомный номер — 32, атомная масса-72,6, плотность:
твёрдый при 25ОС — 5.323 г/см3;
жидкий при 100ОС — 5.557г/см3;
Температура плавления — 958,5ОС, коэффициент линейного расширения α.106,при температуре, КО:
273-573— 6.1
573-923— 6.6
Твёрдость по минералогической шкале-6-6,5.
Удельное электросопротивление монокристаллического высокочистого германия (при 298ОК), Ом.м-0,55-0,6..
Германий был открыт в 1885 году и в начале получен в виде сульфида. Этот металл был предсказан Д.И.Менделеевым в 1871 году, с точным указанием его свойств и назван им экосилицием. Германий, назван учёными исследователями, в честь страны в которой он был открыт.
Германий –серебристо-белый металл , по внешнему виду похож на олово, хрупкий при нормальных условиях. Поддаётся пластической деформации при температуре свыше 550ОС. Германий обладает полупроводниковыми свойствами . Удельное электросопротивление германия зависит от чистоты— примеси его резко снижают. Германий оптически прозрачен в инфракрасной области спектра, обладает высоким коэффициентом преломления, что позволяет применять его для изготовления различных оптических систем.
Германий стоек на воздухе при температурах до 700ОС, при более высоких температурах-окисляется, а выше температуры плавления-сгорает, образуя диоксид германия. Водород с германием не взаимодействует, а при температуре плавления, расплав германия поглощает кислород. Германий не реагирует с азотом. С хлором, образует при комнатной температуре, хлорид германия.
Германий не взаимодействует с углеродом, устойчив в воде, медленно взаимодействует с кислотами, легко растворяется в царской водке. Растворы щелочей слабо действуют на германий. Германий сплавляется со всеми металлами.
Несмотря на то, что германия в природе больше чем свинца, производство его ограничено из-за его сильной распылённости в земной коре, а стоимость германия достаточно высока. Германий образует минералы аргиродит и германит, однако они мало используются для его получения. Германий извлекается попутно при переработке сульфидных полиметаллических руд, некоторых железных руд, в которых содержится до 0,001% германия, из подсмольных вод при коксовании угля.

ПОЛУЧЕНИЕ.

Получение германия из различного сырья осуществляется сложными способами, при которых конечным продуктом является четырёххлористый германий или диоксид германия, из которого получают металлический германий. Его очищают и,далее, методом зонной плавки выращивают германиевые монокристаллы с заданными электрофизическими свойствами. В промышленности получают монокристаллический и поликристаллический германий.
Полупродукты полученные переработкой минералов содержат незначительное количество германия и для их обогащения применяются различные методы пиро- и гидрометаллургической обработки. Пирометаллургические способы основаны на возгонке летучих соединений содержащих германий, гидрометаллургические способы-на избирательном растворении соединений германия.
Для получения концентратов германия, продукты пирометаллургического обогащения(возгоны, огарки) обрабатывают кислотами и переводят германий в раствор, из которого получают концентрат различными методами (осаждением, соосаждением и сорбцией, электрохимическими методами). В концентрате содержится от 2 до 20% германия, из которого выделяют чистый диоксид германия. Диоксид германия восстанавливают водородом, однако, полученный металл недостаточно чист для полупроводниковых приборов и поэтому он подвергается очистке кристаллографическими методами (направленная кристаллизация-зонная очистка-получение монокристалла). Направленная кристаллизация совмещается с восстановлением диоксида германия водородом. Расплавленный металл постепенно выдвигают из горячей зоны в холодильник. Металл кристаллизуется постепенно по длине слитка. В конечной части слитка собираются примеси и её удаляют. Оставшийся слиток разрезают на куски, которые загружают в зонную очистку.
В результате зонной очистки получают слиток, в котором чистота металла различна по его длине. Слиток также разрезают и отдельные его части выводятся из процесса. Таким образом, при получении монокристаллического германия из зоноочищенного, прямой выход составляет не более 25%.
Для получения полупроводниковых приборов монокристалл германия разрезают на пластины, из которых выкраивают миниатюрные детали, которые затем шлифуют и полируют. Эти детали и являются конечным продуктом для создания полупроводниковых приборов.

ПРИМЕНЕНИЕ.

• Благодаря своим полупроводниковым свойствам германий широко используется в радиоэлектронике для изготовления кристаллических выпрямителей (диодов) и кристаллических усилителей (триодов), для вычислительной техники, телемеханики, радаров и т.п.

• Триоды из германия используются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

• В радиотехнике используются германиевые плёночные сопротивления.

• Германий применяется в фотодиодах и фотосопротивлениях, для изготовления термисторов.

• В ядерной технике используются германиевые детекторы гамма-излучений, а в приборах инфракрасной техники — германиевые линзы, легированные золотом.

• Германий добавляют к сплавам для высокочувствительных термопар.

• Германий используется в качестве катализатора при производстве искусственных волокон.

• В медицине изучают некоторые органические соединения германия, предполагая, что они могут быть биологически активными и способствовать задержанию развития злокачественных опухолей, понижению артериального давления, обезболиванию.

Мини – реферат

«Элемент Германий»

Цель:

Дать характеристику элемента Ge

Дать описание свойств элемента Ge

Рассказать о применение и использовании данного элемента

История элемента ……….………………………………….……. 1

Свойства элемента …..……………………………………..…… 2

Применение ……………….….…………………………………….. 3

Опасность для здоровья ………..………………………....… 4

Источники ………………………….…………………….…………… 5

Из истории элемента..

Г ерманий (лат. Germanium) - химический элемент IV группы, главной подгруппы периодической системы Д.И. Менделеева, обозначается символом Ge, относится к семейству металлов, порядковый номер 32, атомная масса 72,59. Представляет собой твердое вещество серо - белого цвета с металлическим блеском.

Существование и свойства Германия предсказал в 1871 году Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент – «Экасилицием» из-за близости свойств его с кремнием.

В 1886 году немецкий химик К. Винклер, исследуя минерал, нашел, что в нём присутствует какой-то неизвестный элемент, не обнаруживаемый анализом. После упорной работы он открыл соли нового элемента и выделил некоторое количество самого элемента в чистом виде. В первом сообщении об открытии Винклер высказал предположение, что новый элемент является аналогом сурьмы и мышьяка. Винклер предполагал назвать элемент нептунием (Neptunium), но это имя уже было дано одному ложно открытому элементу. Винклер переименовал открытый им элемент на германий (Germanium) в честь своего отечества. И даже Менделеев в письме к Винклеру решительно поддержал название элемента.

Но до второй половины 20 века практическое применение Германия оставалось весьма ограниченным. Промышленное производство этого элемента возникло в связи с развитием полупроводниковой электроники.

Свойства элемента Ge

Для медицинских нужд наиболее широко 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. Прорыв наступил в 1967 г., когда доктор К. Асаи обнаружил, что органический германий обладает широким спектром биологического действия.

Свойства:

Переносит кислород в тканях организма - германий в крови ведет себя аналогично гемоглобину. Он участвует в процессе переноса кислорода к тканям организма, что гарантирует нормальное функционирование всех систем организма.

стимулирует иммунитет - германий в виде органических соединений способствует продукции гамма-интерферонов, которые подавляют процессы размножения быстро делящихся микробных клеток, и активирует специфические клетки иммунитета (Т-клетки)

противоопухолевое - германий задерживает развитие злокачественных новообразований и препятствует появлению метастазов, а также обладает защитными свойствами против радиоактивного облучения.

биоцидное (противогрибковое, противовирусное, антибактериальное) - органические соединения германия стимулируют продукцию интерферона - защитного белка, вырабатываемого организмом в ответ на внедрение чужеродных тел.

Применение и использование элемента Германий в жизни

В промышленной практике Германий получают преимущественно из побочных продуктов переработки руд цветных металлов. Различными способами, зависящими от состава сырья, получают германиевый концентрат (2-10% Германия). Для выделения очень чистого Германия, используемого в полупроводниковых приборах, проводится зонная плавка металла. Необходимый для полупроводниковой промышленности монокристаллический Германий получают обычно зонной плавкой.

Это один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей. Германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряженность постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения элемента является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения. Перспективны для практического использования многие сплавы, в состав которых входят Германий. Например, стекла на основе GeO 2 и другие соединения Ge. 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. А азотной кислотой окисляется медленно.

Сплавы германия, обладающие высокой твердостью и прочностью, используют в ювелирной и зубопротезной технике для прецизионных отливок. Германий присутствует в природе только в связанном состоянии и никогда в свободном. Самые обычные германийсодержащие минералы - это аргиродит и германит Крупные запасы германиевых минералов редки, но сам элемент широко встречается в составе других минералов, особенно в сульфидах (чаще всего в сульфидах цинка и силикатах). Небольшие количества также обнаружены в разных типах каменного угля.

Мировое производство Германия составляет 65 кг в год.

Опасность для здоровья

Профессиональные проблемы со здоровьем могут вызываться рассеиванием пыли в процессе загрузки германиевого концентрата, измельчения и загрузки диоксида для выделения металлического германия и загрузки порошкообразного германия для переплавки в бруски. Другие источники вреда для здоровья - тепловое излучение от трубчатых печей и в процессе переплавки порошкообразного германия в бруски, а также образование угарного газа.

Абсорбированный германий быстро выводится из организма, в основном с мочой. Информации о токсичности неорганических соединений германия для человека мало. Тетрахлорид германия раздражает кожу. В клинических испытаниях и других долговременных случаях перорального приема кумулятивных доз, достигающих 16 г спирогермания - германий-органического антиопухолевого препарата, - или других германиевых соединений, была отмечена нейротоксическая и нефротоксическая активность. Таким дозам обычно не подвергаются в условиях производства. Эксперименты на животных с целью определения воздействия германия и его соединений на организм показали, что пыль металлического германия и диоксида германия при вдыхании в высоких концентрациях приводит к общему ухудшению здоровья (ограничение прироста веса). В легких животных были обнаружены морфологические изменения, аналогичные пролиферативным реакциям, таким как утолщение альвеолярных разделов и гиперплазия лимфатических сосудов вокруг бронхов и кровеносных сосудов. Диоксид германия не раздражает кожу, но при контакте с влажной слизистой оболочкой глаза он образует германиевую кислоту, которая действует как глазной раздражитель. Продолжительные внутрибрюшинные инъекции в дозах 10 мг/кг приводят к изменениям в периферической крови.

Наиболее вредные соединения германия - это гидрид германия и хлорид германия. Гидрид может вызывать острое отравление. Морфологические обследования органов животных, погибших при острой фазе, выявили нарушения в системе кровообращения и дегенеративные клеточные изменения в паренхиматозных органах. Таким образом, гидрид является многоцелевым ядом, поражающим нервную систему и систему периферийного кровообращения.

Тетрахлорид германия - сильный раздражитель дыхательной системы, кожи и глаз. Пороговая концентрация – 13мг/м 3 . В этой концентрации он подавляет у экспериментальных животных легочный ответ на клеточном уровне. В больших концентрациях он приводит к раздражению верхних дыхательных путей и конъюнктивиту, а также к изменениям в частоте и ритме дыхания. У животных, переживших острое отравление, развились катарально-десквамативный бронхит и интерстициальная пневмония несколькими днями позже. Хлорид германия также обладает общим токсическим эффектом. Морфологические изменения наблюдались в печени, почках и других органах животных.

Источники всей представленной информации