Германий | это... Что такое Германий? (original) (raw)
Запрос «Ge» перенаправляется сюда; о корпорации см. General Electric.
32 Галлий ← Германий → Мышьяк 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 | 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) |
Герма́ний — химический элемент с атомным номером 32 в периодической системе, обозначается символом Ge (нем. Germanium).
Содержание
- 1 История
- 2 Происхождение названия
- 3 Нахождение в природе
- 4 Получение
- 5 Физические свойства
- 6 Химические свойства
- 7 Применение
- 8 Экономика
- 9 Биологическая роль
- 10 См. также
- 11 Примечания
- 12 Литература
- 13 Ссылки
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:
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]
- 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
Германий является типичным непрямозонным полупроводником.
- Статическая диэлектрическая проницаемость ε = 16,0
- Ширина запрещённой зоны (300 К) Eg = 0,67 эВ
- Собственная концентрация ni=2,33·1013 см−3[5]
- Эффективная масса[6]:
- Электронное сродство: χ = 4,0 эВ[7]
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
- Гидриды
- Оксиды
- Гидроксиды
- Гидроксид германия(II)
- Соли
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 (нем. Clemens Winkler) в 1887 году
- Тетраметилгерман (Ge(CH3)4)
- Тетраэтилгерман (Ge(C2H5)4).
- Изобутилгерман ((CH3)2CHCH2GeH3)
Применение
Оптика
- 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
- 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
- Германий широко применяется в ядерной физике в качестве материала для детекторов гамма-излучения.
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]
- Германий металлический $1200/кг
- Германий диоксид (двуокись) $840/кг
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
- ↑ 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). Optical Storage Technology Association (OSTA).(недоступная ссылка — история) 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
- Германий // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
Ссылки
Германий на Викискладе? |
---|
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева | ||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |||||||||||||||
1 | H | He | ||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||||||||||
3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||
4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | ||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | ||||||||||||||
6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Uut | Fl | Uup | Lv | Uus | Uuo |
Щелочные металлы Щёлочноземельные металлы Лантаноиды Актиноиды Переходные металлы Другие металлы Металлоиды Другие неметаллы Галогены Инертные газы |
Электрохимический ряд активности металлов |
---|
Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu, Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H2, W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au Элементы расположены в порядке возрастания стандартного электродного потенциала. |