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.

Германий - чрезвычайно ценный для человека элемент таблицы Менделеева. Его уникальные свойства, как полупроводника, позволили создать диоды, широко используемые в различных измерительных приборах и радиоприемниках. Он нужен для производства линз и оптического волокна.

Однако технические успехи - это только часть достоинств этого элемента. Органические соединения германия обладают редкими терапевтическими свойствами, оказывая широкое биологическое воздействие на здоровье и самочувствие человека, а эта особенность дороже любых драгоценных металлов.

История открытия германия

Дмитрий Иванович Менделеев, анализируя свою периодическую таблицу элементов, в 1871 году предположил, что в ней не хватает еще одного элемента, принадлежащего к IV группе. Он описал его свойства, подчеркнул сходство с кремнием и назвал экасилиций.

Через несколько лет, в 1886 году, в феврале, профессор горной академии города Фрейберг открыл аргиродит - новое соединение серебра. Его полный анализ было поручено сделать Клеменсу Винклеру, профессору технической химии и лучшему аналитику академии. После изучения нового минерала, он выделил из него 7% веса, как отдельное неопознанное вещество. Тщательное изучение его свойств показало, что перед ними экасилиций, предсказанный Менделеевым. Важно, что способ выделения экасилиция, использованный Винклером, до сих пор применяется при его промышленном получении.

История названия германия

Экасилиций в периодической таблице Менделеева занимает 32 позицию. Сначала Клеменс Винклер хотел дать ему имя Нептун.в честь планеты, которую тоже сначала предсказали, а обнаружили после. Однако выяснилось, что один ложно открытый компонент уже так называли и могла возникать ненужная путаницы и споры.

В результате, Винклер выбрал для него имя Германий в честь своей страны, чтобы снять все разногласия. Это решение Дмитрий Иванович поддержал, закрепив такое название за своим "детищем".

Как выглядит германий

Этот дорогой и редкий элемент, как стекло, хрупкий. Стандартный германиевый слиток выглядит, как цилиндр диаметром от 10 до 35 мм. Цвет германия зависит от обработки его поверхности и может быть черным, похожим на сталь или серебристым. Его внешний вид легко перепутать с кремнием – его самым ближайшим родственником и конкурентом.

Чтобы разглядеть мелкие германиевые детали в приборах нужны специальные средства увеличения.

Применение органического германия в медицине

Органическое соединение германия синтезировал японец, доктор К. Асаи в 1967 году. Он доказал наличие у него противоопухолевых свойств. Продолжение исследований доказало, что разные соединения германия обладают такими важными свойствами для человека, как обезболивание, снижение артериального давления, снижение риска анемии, укрепление иммунитета и уничтожения вредоносных бактерий.

Направления влияния германия в организме:

• Способствует насыщению тканей кислородом и ,
• Ускоряет заживление ран,
• Способствует очищению клеток и тканей от токсинов и ядов,
• Улучшает состояние центральной нервной системы и ее функционирование,
• Ускоряет восстановление после тяжелой физической нагрузки,
• Повышает общую работоспособность человека,
• Усиливает защитные реакции всей иммунной системы.

Роль органического германия в иммунной системе и в переносе кислорода

Способность германия переносить кислород на уровне тканей организма особенно ценна для предупреждения гипоксии (кислородной недостаточности). Это также снижает вероятность развития кровяной гипоксии, которая возникает при уменьшении количества гемоглобина в эритроцитах. Доставка кислорода в любую клетку позволяет снизить опасность кислородного голодания и спасти от гибели наиболее чувствительные к нехватке кислорода клетки: головного мозга, тканей почек и печени, мышц сердца.

На момент создания периодической таблицы германий еще открыт не был, но Менделеев предсказал его существование. А спустя 15 лет после доклада в одной из шахт Фрайберга обнаружили неизвестный минерал, в 1886 году из него выделили новый элемент. Заслуга принадлежит немецкому химику Винклеру, давшему элементу имя своей родины. Даже при множестве полезных свойств германия, среди которых нашлось место и лечебным, использовать его начали только в начале Второй мировой войны, и то не очень активно. Поэтому даже сейчас нельзя сказать, что элемент хорошо изучен, но некоторые его способности уже доказаны и успешно применяются.

Лечебные свойства германия

В чистом виде элемент не встречается, выделение его трудоемко, поэтому при первой возможности его заменяли более дешевыми компонентами. Сначала его использовали в диодах и транзисторах, но кремний оказался более удобным и доступным, поэтому изучение химических свойств германия продолжилось. Сейчас он входит в состав термоэлектрических сплавов, применяется в СВЧ-устройствах, инфракрасной технике.

Медицина тоже заинтересовалась новым элементом, но значимый результат удалось получить только в конце 70-х годов прошлого века. Японским специалистам удалось открыть лечебные свойства германия и наметить пути их применения. После испытаний на животных и клинических наблюдений влияния на человека выяснилось, что элемент способен:

• стимулировать ;
• доставлять кислород к тканям;
• бороться с опухолями;
• увеличивать проводимость нервных импульсов.

Сложность использования состоит в токсичности германия в больших дозах, поэтому требовался препарат, способный оказывать позитивное влияние на определенные процессы в организме с минимальным вредом. Первым стал «Германий-132», который помогает улучшать иммунный статус человека, помогает избежать недостатка кислорода в случае падения уровня гемоглобина. Также опыты показали влияние элемента на производство интерферонов, которые противостоят быстро делящимся (опухолевым) клеткам. Польза наблюдается только при введении внутрь, ношение ювелирных изделий с германием никакого эффекта не даст.

Недостаток германия снижает природные способности организма противостоять внешним воздействиям, что приводит к различным нарушениям. Рекомендуемая суточная доза составляет 0,8-1,5 мг. Получить необходимый элемент можно при регулярном употреблении молока, лососины, грибов, чеснока и бобов.

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.

Германий (лат. Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 32, атомная масса 72,59; твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Природный Германий представляет собой смесь пяти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76. Существование и свойства Германия предсказал в 1871 году Д. И. Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент экасилицием из-за близости свойств его с кремнием. В 1886 году немецкий химик К. Винклер обнаружил в минерале аргиродите новый элемент, который назвал Германием в честь своей страны; Германий оказался вполне тождествен экасилицию. До второй половины 20 века практическое применение Германия оставалось весьма ограниченным. Промышленное производство Германия возникло в связи с развитием полупроводниковой электроники.

Общее содержание Германий 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 Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4 , аргиродит Ag 8 GeS 6 , конфильдит Ag 8 (Sn, Ge)S 6 и другие. Основная масса Германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых оксидных минералах (хромите, магнетите, рутиле и других), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, Германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти.

Физические свойства Германия. Германий кристаллизуется в кубической структуре типа алмаза, параметр элементарной ячейки а = 5, 6575Å. 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. Даже весьма чистый Германий хрупок 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 %). Прозрачен для инфракрасных лучей с длиной волны больше 2 мкм.

Химические свойства 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 .

Получение Германия. В промышленного практике 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.

Применение Германия. Германий - один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей. Монокристаллический Германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряженность постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения Германия является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения, работающих в области 8-14 мкм. Перспективны для практическое использования многие сплавы, в состав которых входят Германий, стекла на основе GeO 2 и другие соединения Германия.