Электронным аналогом углерода является германий. Характеристика химического элемента германия

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.

В 1870 году Д.И. Менделеев на основании периодического закона предсказал еще неоткрытый элемент IV группы, назвав его экасилицием, и описал его основные свойства. В 1886 году немецкий химик Клеменс Винклер, при химическом анализе минерала аргиродита обнаружил этот химический элемент. Первоначально Винклер хотел назвать новый элемент «нептунием», но это название уже было дано одному из предполагаемых элементов, поэтому элемент получил название в честь родины учёного - Германии.

Нахождение в природе, получение:

Германий встречается в сульфидных рудах, железной руде, обнаруживается почти во всех силикатах. Основные минералы содержащие германий: аргиродит Ag 8 GeS 6 , конфильдит Ag 8 (Sn,Ce)S 6 , стоттит FeGe(OH) 6 , германит Cu 3 (Ge,Fe,Ga)(S,As) 4 , рениерит Cu 3 (Fe,Ge,Zn)(S,As) 4 .
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
Очистку германия проводят методом зонной плавки, что делает его одним из самых химически чистых материалов.

Физические свойства:

Твёрдое вещество серо-белого цвета, с металлическим блеском(tпл 938°C, tкип 2830°С)

Химические свойства:

При нормальных условиях германий устойчив к действию воздуха и воды, щелочей и кислот, растворяется в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. Степени окисления германия в его соединениях: 2, 4.

Важнейшие соединения:

Оксид германия(II) , GeO, серо-чёрн., слабо раств. в-во, при нагревании диспропорционирует: 2GeO = Ge + GeO 2
Гидроксид германия(II) Ge(OH) 2 , крас.-оранж. крист.,
Йодид германия(II) , GeI 2 , желт. кр., раств. в воде, гидрол. по кат.
Гидрид германия(II) , GeH 2 , тв. бел. пор., легко окисл. и разлаг.

Оксид германия(IV) , GeO 2 , бел. крист., амфотерн., получают гидролизом хлорида, сульфида, гидрида германия, или реакцией германия с азотной кислотой.
Гидроксид германия(IV), (германиевая кислота) , H 2 GeO 3 , слаб. неуст. двухосн. к-та, соли германаты, напр. германат натрия , Na 2 GeO 3 , бел. крист., раств. в воде; гигроскопичен. Существуют также гексагидроксогерманаты Na 2 (орто-германаты), и полигерманаты
Сульфат германия(IV) , Ge(SO 4) 2 , бесцв. кр., гидролизуются водой до GeO 2 , получают нагреванием при 160°C хлорида германия(IV) с серным ангидридом: GeCl 4 + 4SO 3 = Ge(SO 4) 2 + 2SO 2 + 2Cl 2
Галогениды германия(IV), фторид GeF 4 - бесц. газ, необр. гидрол., реагирует с HF, образуя H 2 – германофтористоводородную кислоту: GeF 4 + 2HF = H 2 ,
хлорид GeCl 4 , бесцв. жидк., гидр., бромид GeBr 4 , сер. кр. или бесцв. жидк., раств. в орг. соед.,
йодид GeI 4 , желт.-оранж. кр., медл. гидр., раств. в орг. соед.
Сульфид германия(IV) , GeS 2 , бел. кр., плохо раств. в воде, гидрол., реагирует со щелочами:
3GeS 2 + 6NaOH = Na 2 GeO 3 + 2Na 2 GeS 3 + 3H 2 O, образуя германаты и тиогерманаты.
Гидрид германия(IV), "герман" , GeH 4 , бесцв. газ, органические производные тетраметилгерман Ge(CH 3) 4 , тетраэтилгерман Ge(C 2 H 5) 4 - бесцв. жидкости.

Применение:

Важнейший полупроводниковый материал, основные направления применения: оптика, радиоэлектроника, ядерная физика.

Соединения германия мало токсичны. Германий – микроэлемент, который в организме человека повышает эффективность иммунной системы организма, борется с онкозаболеваниями, уменьшает болевые ощущения. Отмечается также, что германий способствует переносу кислорода к тканям организма и является мощным антиоксидантом – блокатором свободных радикалов в организме.
Суточная потребность организма человека – 0,4–1,5 мг.
Чемпионом по содержанию германия среди пищевых продуктов является чеснок (750 мкг германия на 1 г сухой массы зубков чеснока).

Материал подготовлен студентами ИФиХ ТюмГУ
Демченко Ю.В., Борноволоковой А.А.
Источники:
Германий//Википедия./ URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=63504262 (дата обращения: 13.06.2014).
Германий//Allmetals.ru/URL: http://www.allmetals.ru/metals/germanium/ (дата обращения: 13.06.2014).

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%.

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

Книги

• Ионное легирование полупроводников (кремний и германий) , Дж. Мейер, Л. Эриксон, Дж. Дэвис. Книга посвящена возникшему в последние годы методу введения в полупроводники примесных элементов в виде ускоренных ионов. Метод позволяет регулировать плотностьпримесных атомов и глубину их…
• Жизнь вне Земли , В. Фирсов. Успехи в освоении космоса заставляют уделять все больше внимания проблеме жизни вне Земли: из области научной фантастики эта проблема переходит в область научныхисследований. Книга…

Химический элемент германий находится в четвертой группе (подгруппе главной) в таблице элементов Менделеева. Он относится к семейству металлов, его относительная атомная масса составляет 73. По массе содержание германия в земной коре оценивается показателем 0,00007 процента по массе.

История открытия

Химический элемент германий был установлен благодаря прогнозам Дмитрия Ивановича Менделеева. Именно им предсказано существование экасилиция, были даны рекомендации по его поиску.

Считал, что данный металлический элемент находится в титановых, циркониевых рудах. Менделеев пытался своими силами найти данный химический элемент, но его попытки не увенчались успехом. Только спустя пятнадцать лет на прииске, расположенном в Химмельфюрсте, был найден минерал, получивший название аргиродит. Своему названию данное соединение обязано серебру, обнаруженному в этом минерале.

Химический элемент германий в составе был обнаружен только после того, как к исследованиям приступила группа химиков из горной академии г. Фрейберга. Под руководством К. Винклера они выяснили, что на долю оксидов цинка, железа, а также на серу, ртуть приходится только 93 процента минерала. Винклер предположил, что оставшиеся семь процентов приходится на неведомый в то время химический элемент. После проведения дополнительных химических экспериментов был обнаружен германий. О своем открытии химик сообщил в докладе, представил информацию, полученную о свойствах нового элемента, Немецкому химическому обществу.

Химический элемент германий был представлен Винклером в качестве неметалла, по аналогии с сурьмой и мышьяком. Химик хотел назвать его нептунием, но это название уже использовалось. Тогда его стали называть германий. Химический элемент, открытый Винклером, вызвал серьезную дискуссию между ведущими химиками того времени. Немецкий ученый Рихтер предположил, что это и есть тот самый экасилициум, о котором говорил Менделеев. Спустя некоторое время данное предположение было подтверждено, что доказало жизнеспособность периодического закона, созданного великим русским химиком.

Физические свойства

Как можно охарактеризовать германий? Химический элемент имеет 32 порядковый номер в Менделеева. Данный металл плавится при 937,4 °С. Температура кипения этого вещества составляет 2700 °С.

Германий - элемент, который впервые стали применять в Японии для медицинских целей. После многочисленных исследований германийорганических соединений, проводимых на животных, а также в ходе исследований на людях, удалось обнаружить положительное воздействие таких руд на живые организмы. В 1967 году доктору К. Асаи удалось обнаружить тот факт, что у органического германия существует огромный спектр биологического воздействия.

Биологическая активность

Какова характеристика химического элемента германия? Он способен переносить кислород по всем тканям живого организма. Попадая в кровь, он ведет себя по аналогии с гемоглобином. Германий гарантирует полноценное функционирование всех систем организма человека.

Именно этот металл является стимулятором размножения клеток иммунитета. Он, в виде органических соединений, позволяет формировать гамма-интерфероны, которые подавляют размножение микробов.

Германий препятствует образованию злокачественных опухолей, не дает развиваться метастазам. Органические соединения данного химического элемента способствуют выработке интерферона, защитной белковой молекулы, которая вырабатывается организмом в качестве защитной реакции на появление инородных тел.

Области применения

Противогрибковое, антибактериальное, противовирусное свойство германия стало основой сфер его применения. В Германии этот элемент в основном получили как побочный продукт переработки цветных руд. Разными способами, которые зависят от состава исходного сырья, выделяли германиевый концентрат. В его составе содержалось не больше 10 процентов металла.

Как именно в полупроводниковой современной технике применяется германий? Характеристика элемента, данная ранее, подтверждает возможность его использования для производства триодов, диодов, силовых выпрямителей, кристаллических детекторов. Также германий используется при создании дозиметрических приборов, устройств, которые необходимы для измерения напряженности постоянного и переменного магнитного поля.

Существенную область применения данного металла составляет изготовление детекторов инфракрасного излучения.

Перспективным является использование не только самого германия, но и некоторых его соединений.

Химические свойства

Германий при комнатной температуре довольно стоек к воздействию влаги, кислорода воздуха.

В ряду - германий - олово) наблюдается увеличение восстановительной способности.

Германий устойчив к воздействию растворов соляной и серной кислот, он не вступает во взаимодействие с растворами щелочей. При этом данный металл довольно быстро растворяется в царской водке (семи азотной и соляной кислот), а также в щелочном растворе пероксида водорода.

Как дать полную характеристику химическому элементу? Германий и его сплавы необходимо проанализировать не только по физическим, химическим свойствам, но и областям применения. Процесс окисления германия азотной кислотой протекает достаточно медленно.

Нахождение в природе

Попробуем дать характеристику химическому элементу. Германий в природе обнаружен только в виде соединений. Среди самых распространенных в природе германийсодержащих минералов выделим германит и аргиродит. Кроме того, германий присутствует в сульфидах и силикатах цинка, а в незначительном количестве он есть в различных типах каменного угля.

Вред для здоровья

Какое воздействие оказывает на организм германий? Химический элемент, электронная формула которого имеет вид 1е; 8 е; 18 е; 7 е, может негативно воздействовать на человеческий организм. Например, при загрузке германиевого концентрата, измельчении, а также загрузке диоксида данного металла, могут появляться профессиональные заболевания. В качестве иных источников, приносящих вред здоровью, можно рассматривать процесс переплавки порошка германии в бруски, получение угарного газа.

Адсорбированный германий можно достаточно быстро вывести из организма, в большей степени с мочой. В настоящее время нет детальной информации о том, насколько токсичны неорганические соединения германия.

Раздражающее действие на кожу оказывает тетрахлорид германия. В клинических испытаниях, а также при длительном пероральном приеме кумулятивных количеств, которые достигали 16 граммов спирогермания (органического противоопухолевого препарата), а также иных германиевых соединений, обнаружена нефротоксическая и нейротоксическая активность данного металла.

Подобные дозировки в основном не характерны для промышленных предприятий. Те эксперименты, что проводились на животных, были направлены на изучение действия германия и его соединений на живой организм. В результате удалось установить ухудшение здоровья при вдыхании существенного объема пыли металлического германия, а также его диоксида.

Ученые обнаружили в легких животных серьезные морфологические изменения, которые аналогичны пролиферативным процессам. Например, было выявлено существенное утолщение альвеолярных разделов, а также гиперплазия лимфатических сосудов вокруг бронхов, утолщения кровеносных сосудов.

Диоксид германия не оказывает раздражающего действия на кожу, но непосредственный контакт этого соединения с оболочкой глаза приводит к образованию германиевой кислоты, являющейся серьезным глазным раздражителем. При продолжительных внутрибрюшинных инъекциях были обнаружены серьезные изменения в периферической крови.

Важные факты

Самыми вредными соединениями германия являются хлорид и гидрид германия. Последнее вещество провоцирует серьезное отравление. В результате морфологического обследования органов животных, которые погибли при острой фазе, показали существенные нарушения в системе кровообращения, а также клеточные модификации в паренхиматозных органах. Ученые пришли к выводу, что гидрид представляет собой многоцелевой яд, который поражает нервную систему, угнетает систему периферийного кровообращения.

Тетрахлорид германия

Он является сильным раздражителем дыхательной системы, глаз, кожи. В концентрации 13 мг/м 3 он способен подавлять на клеточном уровне легочный ответ. При увеличении концентрации данного вещества наблюдается серьезное раздражение верхних дыхательных путей, существенные изменения ритма и частоты дыхания.

Отравление данным веществом приводит к катарально-десквамативным бронхитам, интерстициальной пневмонии.

Получение

Так как в природе германий представлен в качестве примеси к никелевым, полиметаллическим, вольфрамовым рудам, для выделения чистого металла в промышленности проводят несколько трудоемких процессов, связанных с обогащением руды. Из нее выделяют сначала оксид германия, затем проводят его восстановление водородом при повышенной температуре до получения простого металла:

GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O.

Электронные свойства и изотопы

Германий считают непрямозонным типичным полупроводником. Величина его диэлектрической статистической проницаемости составляет 16, а величина сродства к электрону - 4эВ.

В тонкой пленке легированным галлием можно придать германию состояние сверхпроводимости.

В природе присутствует пять изотопов этого металла. Из них стабильными являются четыре, а пятый подвергается двойному бета-распаду, период полураспада составляет 1,58×10 21 лет.

Заключение

В настоящее время органические соединения данного металла применяют в разных сферах промышленности. Прозрачность в инфракрасной спектральной области металлического германия сверхвысокой чистоты важна для изготовления оптических элементов инфракрасной оптики: призм, линз, оптических окон современных датчиков. Самой распространенной областью использования германия считают создание оптики тепловизионных камер, которые функционируют в диапазоне длин волн от 8 до 14 микрон.

Подобные устройства применяют в военной технике для систем инфракрасного наведения, ночного видения, пассивного тепловидения, противопожарных системах. Также германий имеет высокий показатель преломления, что необходимо для антибликового покрытия.

В радиотехнике транзисторы на основе германия имеют характеристики, которые по многим показателям превышают показатели кремниевых элементов. Обратные токи у германиевых элементов существенно выше, чем у их кремниевых аналогов, что позволяет существенно увеличивать эффективность подобных радиоприборов. Учитывая, что германий не так распространен в природе, как кремний, в радиоприборах в основном применяют кремниевые полупроводниковые элементы.