Германий

32 ГаллийГерманийМышьяк
Внешний вид простого вещества
Кристалл германия
Светло-серый полупроводник с металлическим блеском
Свойства атома
Имя, символ, номер

Герма́ний/ Germanium (Ge), 32

Атомная масса
(молярная масса)

72, 61 а. е. м. (г/моль

)
Электронная конфигурация

[Ar] 3d10 4s2 4p2

Радиус атома

137 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

122 пм

Радиус иона

(+4e) 53 (+2e) 73 пм

Электроотрицательность

2, 01 (шкала Полинга

)
Электродный потенциал

0

Степени окисления

4, 2

Энергия ионизации
(первый электрон)

760, 0 (7, 88) кДж/моль (эВ

)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

5, 323 г/см³

Температура плавления

1210, 6 K

Температура кипения

3103 K

Теплота плавления

36, 8 кДж/моль

Теплота испарения

328 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

23, 32[1] Дж/(K·моль

)
Молярный объём

13, 6 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

алмазная

Параметры решётки

5, 660 Å

Температура Дебая

360 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 60, 2 Вт/(м·К

)
32
Германий
Ge
72, 61
3d104s24p2

Герма́ний — химический элемент с атомным номером 32 в периодической системе, обозначается символом Ge (немGermanium

).

Содержание

История

Элемент был предсказан Д. И. Менделеевым (как эка-кремний) и открыт[2][3] в 1886 году немецким химиком Клеменсом Винклером, профессором Фрейбергской горной академии, при анализе минерала аргиродита Ag8GeS6

.

Происхождение названия

Назван в честь Германии, родины Винклера

.

Нахождение в природе

Общее содержание германия в земной коре 1, 5·10−4% 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, внедряясь в кристаллические решётки других минералов. Поэтому собственные минералы германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu2(Cu, Fe, Ge, Zn)2 (S, As)4 (6 — 10 % Ge), аргиродит Ag8GeS6 (3, 6 — 7 % Ge), конфильдит Ag8(Sn, Ge) S6 (до 2 % Ge) и др. редкие минералы (ультрабазит, ранерит, франкеит). 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. Концентрация германия в морской воде 6·10−5 мг/л[4]

.

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.

Очистка и выращивание монокристаллов германия производится методом зонной плавки

.

Физические свойства

Кристаллическая структура германия.

Кристаллическая решётка германия — кубическая гранецентрированная типа алмаза, пространственная группа F d3m, постоянная решётки а = 0, 5658 нм. Германий — один из немногих элементов и веществ, плотность которого в жидком состоянии (5, 57 г/см3) выше, чем в твёрдом (5, 33 г/см3). Другие,  например,  — кремний, галлий, висмут, вода

.

Механические свойства[5]

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

Электронные свойства

Германий является типичным непрямозонным полупроводником

.

Легированный галлием германий в тонкой плёнке можно привести в сверхпроводящее состояние[8]

.

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

Органические

Германийорганические соединения — металлоорганические соединения содержащие связь «германий-углерод». Иногда ими называются любые органические соединения, содержащие германий

.

Первое германоорганическое соединение — тетраэтилгерман, было синтезировано немецким химиком Клеменсом Винклером (немClemens Winkler) в 1887 году

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

Применение

Оптика

Радиоэлектроника

  • Германий используется в производстве полупроводниковых приборов: транзисторов и диодов. Германиевые транзисторы и детекторные диоды обладают характеристиками, отличными от кремниевых, ввиду меньшего напряжения отпирания p-n-перехода в германии — 0, 35...0, 4 В против 0, 6...0, 7 В у кремниевых приборов[14]. Кроме того, обратные токи у германиевых приборов на несколько порядков больше таковых у кремниевых — скажем, в одинаковых условиях кремниевый диод будет иметь обратный ток 10 пА, а германиевый — 100 нА, что в 10000 раз больше[15]. До 1960-х гг. германиевые полупроводниковые приборы использовались повсеместно. По советскому ГОСТ 10862-64 (1964 г.) и более поздним стандартам германиевые полупроводниковые приборы имеют обозначение, начинающиеся с буквы Г или цифры 1, Например: ГТ313, 1Т308 — высокочастотные маломощные транзисторы, ГД507 — импульсный диод. До того транзисторы имели индексы, начинающиеся с букв С, Т или П (МП), а диоды — Д, и определить материал прибора по индексу было невозможно; впрочем, большинство из них были германиевые. В настоящее время германиевые диоды и транзисторы практически полностью вытеснены кремниевыми.
  • Теллурид германия применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).

Прочие применения

Экономика

Цены

Год Цена
($/кг)[16]
1999 1 400
2000 1 250
2001 890
2002 620
2003 380
2004 600
2005 660
2006 880
2007 1 240
2008 1 490
2009 950

Средние цены на германий в 2007 году[17]

Биологическая роль

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[18]

.

См. также

Примечания

  1. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 531. — 623 с. — 100 000 экз.
  2. Экасилиций — нептуний — ангулярий — германий в «Популярной библиотеке химических элементов» на сайте «Наука и техника»
  3. Германий в Геологической энциклопедии
  4. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
  5. 1 2 Физические величины: справочник/ А. П. Бабичев Н. А. Бабушкина, А. М. Бартковский и др. под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с — ISBN 5-283-04013-5
  6. Баранский П. И., Клочев В. П., Потыкевич И. В. Полупроводниковая электроника. Свойства материалов: Справочник. Киев: Наукова думка, 1975. 704с
  7. 1 2 3 Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.:Мир, 1984. 455с
  8. Compulenta
  9. Rieke, G.H. (2007). «Infrared Detector Arrays for Astronomy». Annu. Rev. Astro. Astrophys. 45: 77. DOI:10.1146/annurev.astro.44.051905.092436.
  10. 1 2 Brown, Jr., Robert D. Germanium (pdf). U.S. Geological Survey (2000). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 22 сентября 2008.
  11. Lettington, Alan H. (1998). «Applications of diamond-like carbon thin films». Carbon 36 (5–6): 555–560. DOI:10.1016/S0008-6223(98)00062-1.
  12. Gardos, Michael N.; Bonnie L. Soriano, Steven H. Propst (1990). «Study on correlating rain erosion resistance with sliding abrasion resistance of DLC on germanium». Proc. SPIE, 1325 (Mechanical Properties): 99. DOI:10.1117/12.22449.
  13. Understanding Recordable & Rewritable DVD First Edition (pdf). Optical Storage Technology Association (OSTA).(недоступная ссылка — история) Проверено 22 сентября 2008.
  14. Полупроводники. Принцип действия. Свойства электронно-дырочных переходов. — Принцип действия
  15. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника М.: Мир, 1982, 512 с.
  16. R.N. Soar. (January 2003, January 2004, January 2005, January 2006, January 2007). «Germanium» (pdf). U.S. Geological Survey Mineral Commodity Summaries (USGS Mineral Resources Program): 1–2. Проверено 2008-08-28.
  17. [infogeo.ru/metalls] [уточнить]
  18. Назаренко В. А. Аналитическая химия германия. М., Наука, 1973. 264 с.

Литература

Ссылки


Wikimedia Foundation. 2010.