Германий

32	Галлий ← Германий → Мышьяк
Si; ↑; Ge; ↓; Sn	32Ge
Внешний вид простого вещества
	; 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	122,5 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 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)

Запрос «Ge» перенаправляется сюда; о корпорации см. General Electric.

32	Германий
Ge 72,61
3d¹⁰4s²4p²

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

История [править]

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 [править]

Назван в честь Германии, родины Винклера.

Нахождение в природе [править]

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 [править]

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 [править]

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] [править]

Модуль упругости E, ГПа — 82

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 [править]

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^[5]
Эффективная масса^[6]:
- электронов, продольная: m_II=1,58m₀, m_II=1,64m₀^[7]
- электронов, поперечная: m_┴=0,0815m₀ , m_┴=0,082m₀^[7]
- дырок, тяжелых: m_hh=0,379m₀
- дырок, легких: m_hl=0,042m₀
Электронное сродство: χ = 4,0 эВ^[7]

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

Изотопы [править]

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 [править]

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 [править]

Неорганические [править]

Гидриды
- Гермилен $Ge H_2$
- Герман $GeH_4$
- Дигерман $Ge_2 H_6$
- Тригерман $Ge_3 H_8$

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

Гидроксиды
- Гидроксид германия(II) $Ge(OH)_2$

Соли
- 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) $GeS_2$
- Сульфат германия(IV) $Ge(SO_4)_2$

Органические [править]

Основная статья: Германийорганические соединения

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 (нем. Clemens Winkler) в 1887 году

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

Применение [править]

Оптика [править]

Благодаря прозрачности в инфракрасной области спектра металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики: линз, призм, оптических окон датчиков^[9]^[10]. Наиболее важная область применения — оптика тепловизионных камер, работающих в диапазоне длин волн от 8 до 14 микрон. Такие устройства используются в системах пассивного тепловидения, военных системах инфракрасного наведения, приборах ночного видения, противопожарных системах. Германий также используется в ИК-спектроскопии в оптических приборах, использующих высокочувствительные ИК-датчики^[10]. Оптические детали из Ge обладают очень высоким показателем преломления (4,0) и обязательно требует использования просветляющих покрытий. В частности, используется покрытие из очень твердого алмазоподобного углерода, с показателем преломления 2,0^[11]^[12].
Наиболее заметные физические характеристики оксида германия (GeO₂) — его высокий показатель преломления и низкая оптическая дисперсия. Эти свойства находят применение в изготовлении широкоугольных объективов камер, микроскопии, и производстве оптического волокна.
Тетрахлорид германия используется в производстве оптоволокна, так как образующийся в процессе разложения этого соединения диоксид германия удобен для данного применения благодаря своему высокому показателю преломления и низкому оптическому рассеиванию и поглощению.
Сплав GeSbTe используется при производстве перезаписываемых DVD. Сущность перезаписи заключается в изменении оптических свойств этого соединения при фазовом переходе под действием лазерного излучения.^[13]

Радиоэлектроника [править]

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 [править]

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

Экономика [править]

Цены [править]

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]

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

Биологическая роль [править]

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 [править]

Примечания [править]

↑ Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 531. — 623 с. — 100 000 экз.
↑ Экасилиций — нептуний — ангулярий — германий в «Популярной библиотеке химических элементов» на сайте «Наука и техника»
↑ Германий в Геологической энциклопедии
↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
↑ 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
↑ Баранский П. И., Клочев В. П., Потыкевич И. В. Полупроводниковая электроника. Свойства материалов: Справочник. Киев: Наукова думка, 1975. 704с
↑ ¹ ² ³ Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.:Мир, 1984. 455с
↑ Compulenta
↑ Rieke, G.H. (2007). «Infrared Detector Arrays for Astronomy». Annu. Rev. Astro. Astrophys. 45: 77. DOI:10.1146/annurev.astro.44.051905.092436.
↑ ¹ ² Brown, Jr., Robert D. Germanium (pdf). U.S. Geological Survey (2000). Архивировано из первоисточника 22 августа 2011. Проверено 22 сентября 2008.
↑ 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.
↑ 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.
↑ Understanding Recordable & Rewritable DVD First Edition (pdf)(недоступная ссылка — история). Optical Storage Technology Association (OSTA). Проверено 22 сентября 2008.
↑ Полупроводники. Принцип действия. Свойства электронно-дырочных переходов. — Принцип действия
↑ Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника М.: Мир, 1982, 512 с.
↑ 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.
↑ [infogeo.ru/metalls] ^{[уточнить]}
↑ Назаренко В. А. Аналитическая химия германия. М., Наука, 1973. 264 с.

Литература [править]

Германий // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Ссылки [править]

[.D0.A5.D0.AD-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

[PhysVals-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

[ReferenceA-7] ¹ ² ³ Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.:Мир, 1984. 455с

[cl-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.

[Brown-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)(недоступная ссылка — история). Optical Storage Technology Association (OSTA). 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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

Германий

Содержание

История [править]

Происхождение названия [править]

Нахождение в природе [править]

Получение [править]