Характеристика химического элемента германия. Германий элемент

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.

ГЕРМАНИЙ, Ge (от лат. Germania — Германия * а. germanium; н. Germanium; ф. germanium; и. germanio), — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 32, атомная масса 72,59. Природный германий состоит из 4 стабильных изотопов 70 Ge (20,55%), 72 Ge (27,37%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) и одного радиоактивного 76 Ge (7,67%) с периодом полураспада 2.10 6 лет. Открыт в 1886 немецким химиком К. Винклером в минерале аргиродите; был предсказан в 1871 Д. Н. Менделеевым (экасилиций).

Германий в природе

Германий относится к . Распространённость германия в (1-2).10 -4 %. В качестве примеси встречается в минералах кремния, в меньшей степени в минералах и . Собственные минералы германия очень редки: сульфосоли — аргиродит, германит, реньерит и некоторые другие; двойной гидратированный оксид германия и железа — штоттит; сульфаты — итоит, флейшерит и некоторые др. Промышленного значения они практически не имеют. Германий накапливается в гидротермальных и осадочных процессах, где реализуется возможность отделения его от кремния. В повышенных количествах (0,001-0,1%) встречается в , и . Источниками германия являются полиметаллические руды, ископаемые угли и некоторые типы вулканогенно-осадочных месторождений . Основное количество германия получают попутно из подсмольных вод при коксовании углей, из золы энергетических углей, сфалеритовых и магнетитовых . Германий извлекается кислотным , возгонкой в восстановительной среде, сплавлением с едким натром и др. Концентраты германия обрабатываются соляной кислотой при нагревании, конденсат очищается и подвергается гидролитическому разложению с образованием диоксида; последний восстанавливается водородом до металлического германия, который очищается методами фракционной и направленной кристаллизации, зонной плавки.

Применение германия

Германий применяют в радиоэлектронике и электротехнике как полупроводниковый материал для изготовления диодов и транзисторов. Из германия изготовляют линзы для ИК оптики, фотодиоды, фоторезисторы, дозиметры ядерных излучений, анализаторы рентгеновской спектроскопии, преобразователи энергии радиоактивного распада в электрическую и т.д. Сплавы германия с некоторыми металлами, отличающиеся повышенной стойкостью к кислым агрессивным средам, используют в приборостроении, машиностроении и металлургии. Некоторые сплавы германия с другими химическими элементами — сверхпроводники.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Германий - тридцать второй элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ge от латинского «germanium». Расположен в четвертом периоде, IVA группе. Относится к полуметаллам. Заряд ядра равен 32.

В компактном состоянии германий имеет серебристый цвет (рис. 1) и по внешнему виду похож на металл. При комнатной температуре он устойчив к действию воздуха, кислорода, воды, соляной и разбавленной серной кислот.

Рис. 1. Германий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса германия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии германий существует в виде одноатомных молекул Ge, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 72,630.

Изотопы германия

Известно, что в природе германий может находиться в виде пяти стабильных изотопов 70 Ge (20,55%), 72 Ge (20,55%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) и 76 Ge (7,67%). Их массовые числа равны 70, 72, 73, 74 и 76 соответственно. Ядро атома изотопа германия 70 Ge содержит тридцать два протона и тридцать восемь нейтронов, остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные радиоактивные изотопы германия с массовыми числами от 58-ми до 86-ти, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 68 Ge с периодом полураспада равным 270,95 суток.

Ионы германия

На внешнем энергетическом уровне атома германия имеется четыре электрона, которые являются валентными:

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

В результате химического взаимодействия германий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ge 0 -2e → Ge 2+ ;

Ge 0 -4e → Ge 4+ .

Молекула и атом германия

В свободном состоянии германий существует в виде одноатомных молекул Ge. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу германия:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание	Рассчитайте массовые доли элементов, входящих в состав оксида германия (IV), если его молекулярная формула имеет вид GeO 2 .
Решение	Массовая доля элемента в составе какой-либо молекулы определяется по формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / Mr (HX) × 100%.

Германий

ГЕРМА́НИЙ -я; м. Химический элемент (Ge), твёрдое вещество серовато-белого цвета с металлическим блеском (является основным полупроводниковым материалом). Пластинка германия.

◁ Герма́ниевый, -ая, -ое. Г-ое сырьё. Г. слиток.

герма́ний

(лат. Germanium), химический элемент IV группы периодической системы. Название от латинского Germania - Германия, в честь родины К. А. Винклера. Серебристо-серые кристаллы; плотность 5,33 г/см 3 , t пл 938,3ºC. В природе рассеян (собственные минералы редки); добывают из руд цветных металлов. Полупроводниковый материал для электронных приборов (диоды, транзисторы и др.), компонент сплавов, материал для линз в ИК-приборах, детекторов ионизирующего излучения.

ГЕРМАНИЙ

ГЕРМА́НИЙ (лат. Germanium), Gе (читается «гертемпманий»), химический элемент с атомным номером 32, атомная масса 72,61. Природный германий состоит из пяти изотопов с массовыми числами 70 (содержание в природной смеси 20,51% по массе), 72 (27,43%), 73 (7,76%), 74 (36,54%), и 76 (7,76%). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s 2 p 2 . Степени окисления +4, +2 (валентности IV, II). Расположен в группе IVA, в 4 периоде в периодической системе элементов.
История открытия
Был открыт К. А. Винклером (см. ВИНКЛЕР Клеменс Александр) (и назван в честь его родины - Германии) в 1886 при анализе минерала аргиродита Ag 8 GeS 6 после того, как существование этого элемента и некоторые его свойства были предсказаны Д. И. Менделеевым (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) .
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 1,5·10 -4 % по массе. Относится к рассеянным элементам. В природе в свободном виде не встречается. Содержится в виде примеси в силикатах, осадочных железных, полиметаллических, никелевых и вольфрамовых рудах, углях, торфе, нефтях, термальных водах и водорослях. Важнейшие минералы: германит Cu 3 (Ge,Fe,Ga)(S,As) 4 , стоттит FeGe(OH) 6 , плюмбогерманит (Pb,Ge,Ga) 2 SO 4 (OH) 2 ·2H 2 O, аргиродит Ag 8 GeS 6 , рениерит Cu 3 (Fe,Ge,Zn)(S,As) 4 .
Получение германия
Для получения германия используют побочные продукты переработки руд цветных металлов, золу от сжигания углей, некоторые продукты коксохимии. Сырье, содержащее Ge, обогащают флотацией. Затем концентрат переводят в оксид GeO 2 , который восстанавливают водородом (см. ВОДОРОД) :
GeO 2 + 4H 2 = Ge + 2H 2 O
Германий полупроводниковой чистоты с содержанием примесей 10 -3 -10 -4 % получают зонной плавкой (см. ЗОННАЯ ПЛАВКА) , кристаллизацией (см. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ) 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
Физические и химические свойства
Германий - вещество серебристого цвета с металлическим блеском. Кристаллическая решетка устойчивой модификации (Ge I), кубическая, гранецентрированная типа алмаза, а = 0,533 нм (при высоких давлениях получены три другие модификации). Температура плавления 938,25 °C, кипения 2850 °C, плотность 5,33 кг/дм 3 . Обладает полупроводниковыми свойствами, ширина запрещенной зоны 0,66 эВ (при 300 К). Германий прозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны больше 2 мкм.
По химическим свойствам Ge напоминает кремний (см. КРЕМНИЙ) . При обычных условиях устойчив к кислороду (см. КИСЛОРОД) , парам воды, разбавленным кислотам. В присутствии сильных комплексообразователей или окислителей, при нагревании Ge реагирует с кислотами:
Ge + H 2 SO 4 конц = Ge(SO 4) 2 + 2SO 2 + 4H 2 O,
Ge + 6HF = H 2 + 2H 2 ,
Ge + 4HNO 3 конц. = H 2 GeO 3 + 4NO 2 + 2H 2 O
Ge реагирует с царской водкой (см. ЦАРСКАЯ ВОДКА) :
Ge + 4HNO 3 + 12HCl = GeCl 4 + 4NO + 8H 2 O.
С растворами щелочей Ge взаимодействует в присутствии окислителей:
Ge + 2NaOH + 2H 2 O 2 = Na 2 .
При нагревании на воздухе до 700 °C Ge загорается. Ge легко взаимодействует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) и серой (см. СЕРА) :
Ge + 2I 2 = GeI 4
С водородом (см. ВОДОРОД) , азотом (см. АЗОТ) , углеродом (см. УГЛЕРОД) германий непосредственно в реакции не вступает, соединения с этими элементами получают косвенным путем. Например, нитрид Ge 3 N 4 образуется при растворении дииодида германия GeI 2 в жидком аммиаке:
GeI 2 + NH 3 жидк -> n -> Ge 3 N 4
Оксид германия (IV), GeO 2 , - белое кристаллическое вещество, существующее в двух модификациях. Одна из модификаций частично растворима в воде с образование сложных германиевых кислот. Проявляет амфотерные свойства.
С щелочами GeO 2 взаимодействует как кислотный оксид:
GeO 2 + 2NaOH = Na 2 GeO 3 + H 2 O
GeO 2 взаимодействует с кислотами:
GeO 2 + 4HCl = GeCl 4 + 2H 2 O
Тетрагалогениды Ge - неполярные соединения, легко гидролизующиеся водой.
3GeF 4 + 2H 2 O = GeO 2 + 2H 2 GeF 6
Тетрагалогениды получают прямым взаимодействием:
Ge + 2Cl 2 = GeCl 4
или термическим разложением:
BaGeF 6 = GeF 4 ­ + BaF 2
Гидриды германия по химическим свойствам подобны гидридам кремния, но моногерман GeH 4 более устойчив, чем моносилан SiH 4 . Германы образуют гомологические ряды Ge n H 2n+2 , Ge n H 2n и другие, но эти ряды короче, чем у силанов.
Моногерман GeH 4 - газ, устойчивый на воздухе, не реагирующий с водой. При длительном хранении разлагается на H 2 и Ge. Получают моногерман восстановлением диоксида германия GeO 2 борогидридом натрия NaBH 4:
GeO 2 + NaBH 4 = GeH 4 ­ + NaBO 2 .
Очень неустойчивый монооксид GeO образуется при умеренном нагревании смеси германия и диоксида GeO 2:
Ge + GeO 2 = 2GeO.
Соединения Ge (II) легко диспропорционируют с выделением Ge:
2GeCl 2 -> Ge + GeCl 4
Дисульфида германия GeS 2 - белое аморфное или кристаллическое вещество, получается осаждением H 2 S из кислых растворов GeCl 4:
GeCl 4 + 2H 2 S = GeS 2 Ї + 4HCl
GeS 2 растворяется в щелочах и сульфидах аммония или щелочных металлов:
GeS 2 + 6NaOH = Na 2 + 2Na 2 S,
GeS 2 + (NH 4) 2 S = (NH 4) 2 GeS 3
Ge может входить в состав органических соединений. Известны (CH 3) 4 Ge, (C 6 H 5) 4 Ge, (CH 3) 3 GeBr, (C 2 H 5) 3 GeOH и другие.
Применение
Германий - полупроводниковый материал, применяется в технике и радиоэлектронике при производстве транзисторов и микросхем. Тонкие пленки Ge, нанесенные на стекло, применяют в качестве сопротивлений в радарных установках. Сплавы Ge с металлами используются в датчиках и детекторах. Диоксид германия применяют в производстве стекол, пропускающих инфракрасное излучение.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "германий" в других словарях:

Химический элемент, открытый в 1886 г. в редком минерале аргиродите, найденном в Саксонии. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. германий (назв. в честь родины ученого, открывшего элемент) хим. элемент,… … Словарь иностранных слов русского языка

- (Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 32, атомная масса 72,59; неметалл; полупроводниковый материал. Германий открыт немецким химиком К. Винклером в 1886 … Современная энциклопедия

германий - Ge Элемент IV группы Периодич. системы; ат. н. 32, ат. м. 72,59; тв. вещ во с металлич. блеском. Природный Ge — смесь пяти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76. Существование и свойства Ge предсказал в 1871 г. Д. И.… … Справочник технического переводчика

Германий - (Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 32, атомная масса 72,59; неметалл; полупроводниковый материал. Германий открыт немецким химиком К. Винклером в 1886. … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (лат. Germanium) Ge, химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 32, атомная масса 72,59. Назван от латинского Germania Германия, в честь родины К. А. Винклера. Серебристо серые кристаллы; плотность 5,33 г/см³, tпл 938,3 … Большой Энциклопедический словарь

- (символ Ge), бело серый металлический элемент IV группы периодической таблицы МЕНДЕЛЕЕВА, в которой были предсказаны свойства еще не открытых элементов, в частности, германия (1871 г.). Открыт элемент в 1886 г. Побочный продукт выплавки цинковых… … Научно-технический энциклопедический словарь

Ge (от лат. Germania Германия * a. germanium; н. Germanium; ф. germanium; и. germanio), хим. элемент IV группы периодич. системы Менделеева, ат.н. 32, ат. м. 72,59. Природный Г. состоит из 4 стабильных изотопов 70Ge (20,55%), 72Ge… … Геологическая энциклопедия

- (Ge), синтетич. монокристалл, ПП, точечная группа симметрии m3m, плотность 5,327 г/см3, Tпл=936 °С, тв. по шкале Мооса 6, ат. м. 72,60. Прозрачен в ИК области l от 1,5 до 20 мкм; оптически анизотропен, для l=1,80 мкм коэфф. преломления n=4,143.… … Физическая энциклопедия

Сущ., кол во синонимов: 3 полупроводник (7) экасилиций (1) элемент (159) … Словарь синонимов

ГЕРМАНИЙ - хим. элемент, символ Ge (лат. Germanium), ат. н. 32, ат. м. 72,59; хрупкое серебристо серое кристаллическое вещество, плотность 5327 кг/м3, bил = 937,5°С. В природе рассеян; добывают его главным образом при переработке цинковой обманки и… … Большая политехническая энциклопедия

(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).

Германий это

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.

— 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, (