Германий

Германий
Атомный номер	32
Внешний вид простого вещества	Кристалл германия — светло-серый полупроводник с металлическим блеском
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	72,61 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	137 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	760,0 (7,88) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d10 4s2 4p2
Химические свойства
Ковалентный радиус	122 пм
Радиус иона	(+4e) 53 (+2e) 73 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	2,01
Электродный потенциал	0
Степени окисления	4
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	5,323 г/см³
Молярная теплоёмкость	23,32[1] Дж/(K·моль)
Теплопроводность	60,2 Вт/(м·K)
Температура плавления	1210,6 K
Теплота плавления	36,8 кДж/моль
Температура кипения	3103 K
Теплота испарения	328 кДж/моль
Молярный объём	13,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	алмазная
Параметры решётки	5,660 Å
Отношение c/a	—
Температура Дебая	360 K

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

Схема атома германия

 

Нахождение в природе

Общее содержание германия в земной коре 7×10⁻⁴% по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Однако собственные минералы германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu₂(Cu, Fe, Ge, Zn)₂ (S, As)₄, аргиродит Ag₈GeS₆, конфильдит Ag₈(Sn, Ce) S₆ и др. Основная масса германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: 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

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.

Физические свойства

Кристаллическая структура германия.

Кристаллическая решетка германия кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 5,660 Å .

Механические свойства

• 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) E_g = 0,67 эВ
• Собственная концентрация n_i=2,33×10¹³ см⁻³
• Эффективная масса
  • электронов, продольная: m_II=1,58m₀, m_II=1,64m₀
  • электронов, поперечная: m_┴=0,0815m₀ , m_┴=0,082m₀
  • дырок, тяжелых: m_hh=0,379m₀
  • дырок, легких: m_hl=0,042m₀
• Электронное сродство: χ = 4,0 эВ

Легированный галлием германий в тонкой плёнке можно привести в сверхпроводящее состояние.

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
  • Герман GeH₄
  • Дигерман Ge₂H₆
  • Тригерман Ge₃H₈

• Оксиды
  • Оксид германия (II) GeO
  • Оксид германия (IV) GeO₂

• Галогениды
  • Бромид германия (IV) GeBr₄
  • Иодид германия (II) GeI₂
  • Иодид германия (IV) GeI₄
  • Фторид германия (IV) GeF₄
  • Хлорид германия (IV) GeCl₄

• Нитрид германия (IV) Ge₃N₄
• Сульфид германия (II) GeS
• Сульфид германия (IV) GeS₂

Органические

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

Применение

Средние цены на германий в 2007 году /по материалам infogeo.ru/metalls

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

• Теллурид германия издавна применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).
• Совершенно исключительное стратегическое значение имеет металлический германий сверхвысокой чистоты в производстве линз, и призм 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. В своё время германиевые полупроводниковые приборы использовались повсеместно в радиоприёмниках и других конструкциях. Например, схема JOULE (в отечественной радиотехнике известная как блокинг-генератор) позволяет питать трёхвольтовый светодиод от 0,6 В, если в ней применён кремниевый транзистор, и начиная всего с 0,125 В, если германиевый. HI-End усилители на германиевых транзисторах обладают качеством звука, сопоставимым с усилителями на радиолампах, так как германиевые транзисторы мягче переключатся в схемах усилителя класса «AB», имеют более линейную переходную характеристику (чем сопоставимые кремниевые транзисторы тех же лет выпуска), и не пропускают гармоники дальше пятой (тогда как кремниевые — до 11-той — из-за чего звук становится «жестким» на высоких частотах). В классификации радиоэлектроники по советскому ГОСТу кремниевые полупроводниковые элементы обозначались, начиная с буквы К или с цифры 2, а германиевые с буквы Г или цифры 1, например: ГТ313, 1Т308 — германиевые высокочастотные маломощные транзисторы. Существует старая система обозначений, например, П210,213,214,217, и некоторые транзисторы «МПxx» — также германиевые. Ещё более высоким частотным потенциалом (имеется ввиду подвижность носителей заряда в полупроводниках, а не скорость работы готового полупропроводникового прибора) обладает арсенид галлия, применяемый в светодиодах. В настоящее время кремниевые диоды и транзисторы полностью вытеснили германиевые, и они не выпускаются ни в одной стране мира. Найти их можно только в старых радиоаппаратах либо из запасов радиолюбителей тех лет.
• Качер Бровина («генератор Бровина-Теслы») ^{[источник?]} лучше работает на германиевых транзисторах.
• Германий широко применяется в ядерной физике в качестве материала для детекторов гамма-излучения.

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.

Дополнительная информация

Кремний