И дори преди силиция, германият стана най-важният полупроводников материал.
Уместен въпрос тук е: какво представляват полупроводниците и полупроводимостта? Дори експертите понякога се затрудняват да отговорят недвусмислено на този въпрос. „Точното определяне на полупроводимостта е трудно и зависи от това какво свойство на полупроводниците се разглежда“ - този уклончив отговор е заимстван от напълно уважаван научен труд за полупроводниците. Има обаче едно много ясно определение: „Полупроводникът е един проводник за две коли“, но това вече е в сферата на фолклора...
Основното нещо за елемент номер 32 е, че той е полупроводник. Ще се върнем към обяснението на това свойство по-късно. Междувременно за Германия като физикохимична „личност“.
Германий такъв, какъвто е
Вероятно по-голямата част от читателите никога не са виждали германий. Този елемент е доста рядък, скъп, потребителски стоки не се произвеждат от него, а германиевият „пълнеж“ на полупроводниковите устройства е толкова малък, че е трудно да се види какво представлява. германий, трудно е, дори и да счупите тялото на устройството. Затова ще говорим за основните свойства на германия, неговия външен вид и характеристики. И се опитвате да изпълнявате мислено тези прости операции, които авторът трябваше да направи повече от веднъж.
Изваждаме стандартен германиев блок от опаковката. Това е малко тяло с почти правилна цилиндрична форма, с диаметър от 10 до 35 и дължина от няколко десетки милиметра. Някои справочници посочват, че елемент #32 е сребро, но това не винаги е вярно: Цветът на германия зависи от повърхностната обработка. Понякога изглежда почти черен, понякога прилича на стомана, но понякога може да е сребрист.
Когато разглеждате кюлче германий, не забравяйте, че то струва приблизително колкото златно кюлче и поради тази причина не трябва да го изпускате на пода. Но има и друга причина, много по-важна: германият е почти толкова крехък, колкото стъклото, и може да се държи по съответния начин. Виждал съм как след такъв провал невнимателен експериментатор дълго пълзи по пода, опитвайки се да събере всеки един фрагмент... На външен вид германият не е трудно да се обърка със силиций. Тези елементи са не само конкуренти, претендиращи за основния полупроводников материал, но и аналози. Въпреки сходството на много технически свойства и външен вид, е доста лесно да се разграничи германиев слитък от силиций: германият е повече от два пъти по-тежък от силиция (плътност съответно 5,33 и 2,33 g / cm 3).
Последното твърдение се нуждае от пояснение, въпреки че изглежда, че числата изключват коментар. Факт е, че числото 5.33 се отнася за германий-1 - най-разпространената и най-важна от петте алотропни модификации на елемент № 32. Една от тях е аморфна, четири са кристални. От кристалния германий-1 той е най-лекият. Неговите кристали са изградени по същия начин като диамантените кристали, но ако за въглерода такава структура определя максималната плътност, тогава германият също има по-плътни „опаковки“. Високото налягане с умерено нагряване (30 хиляди atm и 100 ° C) превръща Ge-I в Ge-II с кристална решетка като бял калай.
По подобен начин е възможно да се получи дори по-плътен от Ge-II, Ge-III и Ge-IV
Всички „необичайни“ модификации на кристален германий превъзхождат Ge-I по електрическа проводимост. Споменаването на това конкретно свойство не е случайно: стойността на електрическата проводимост (или нейната обратна стойност - съпротивление) е особено важна за полупроводников елемент.
Но какво е полупроводник?
Формално полупроводникът е вещество със съпротивление от хилядни до милиони ома на 1 см. Рамките "от" и "до" са много широки, но мястото на германия в този диапазон е напълно определено. Съпротивлението на сантиметър куб, направен от чист германий при 18°C е 72 ома. При 19°C съпротивлението на същия куб намалява до 68 ома. Това обикновено е типично за полупроводниците - значителна промяна в електрическото съпротивление с лека промяна в температурата. С повишаване на температурата съпротивлението обикновено намалява. Той се променя значително както под въздействието на облъчване, така и на механична деформация.
Чувствителността на германия (както и на други полупроводници) не само към външни влияния е забележителна. Свойствата на германия се влияят значително дори от малки количества примеси. Химическата природа на примесите е не по-малко важна.
Добавянето на елемент от група V прави възможно получаването на полупроводник с електронен тип проводимост. Така се приготвя GES (електронен германий, легиран с антимон). Добавяйки елемент от група III, ще създадем дупчен тип проводимост в него (най-често това е GDH - дупчен германий, легиран с галий).
Нека си припомним, че „дупките“ са места, освободени от електрони, които са се преместили на друго енергийно ниво. „Апартамент“, освободен от мигрант, може веднага да бъде зает от неговия съсед, но той също е имал собствен апартамент. Преместванията се правят едно след друго, а дупката се мести.
Комбинацията от области с електронна и дупкова проводимост формира основата на най-важните полупроводникови устройства - диоди и транзистори. Например, като разтопим индия в HES плоча и по този начин създадем област с дупкова проводимост, получаваме изправително устройство - диод. Той пропуска електрически ток предимно в една посока - от областта с дупкова проводимост към електронна проводимост. Чрез топене на индий от двете страни на HES плочата, ние превръщаме тази плоча в основа на транзистор.
Първият в света германиев транзистор е създаден през 1948 г., а вече 20 години по-късно са произведени стотици милиони такива устройства. Германиевите диоди и триоди се използват широко в радио и телевизори, компютри и различни измервателни уреди.
Германий се използва и в други критично важни области на съвременната технология: за измерване на ниски температури, за откриване на инфрачервено лъчение и др. Всички тези области изискват германий с много висока чистота - физична и химична. Химическата чистота е такава, че количеството вредни примеси не надвишава една десет милионна от процента (107%). Физическата чистота е минимум размествания и смущения в кристалната структура. За да се постигне това, се отглежда монокристален германий: целият слитък е един кристал.
В името на тази невъобразима чистота
Германий в земната кора не е много малко - 7 * 10 -4% от нейната маса. Това е повече от олово, сребро, волфрам. Германий е открит на Слънцето и в метеорити. Германий се среща във всички страни. Но очевидно нито една индустриализирана страна няма промишлени находища на германиеви минерали. Германий е много разсеян. Минералите, в които този елемент е повече от 1% - аргиродит, германит, ултрабазит и други, включително ренерит, щотит, конфилдит и плумбогерманит, открити едва през последните десетилетия, са много редки. Те не са в състояние да покрият световното търсене на този важен елемент.
И по-голямата част от земния германий е разпръснат в минерали от други елементи, въглища, природни води, почва и живи организми. Във въглищата, например, съдържанието на германий може да достигне една десета от процента. Може, но не винаги го постига. В антрацита например почти го няма... С една дума германий има навсякъде и никъде.
Следователно методите за концентриране на германий са много сложни и разнообразни. Те зависят преди всичко от вида на суровината и съдържанието на този елемент в нея.
Ръководител на цялостното изследване и решаване на проблема с германия в СССР беше академик Николай Петрович Сажин. Как се ражда съветската полупроводникова индустрия е описано в неговата статия, публикувана в списание Chemistry and Life година и половина преди смъртта на този изключителен учен и организатор на науката.
Чист германиев диоксид е получен за първи път у нас в началото на 1941 г. От него се произвежда германиево стъкло с много висок коефициент на пречупване на светлината. Изследванията на елемент № 32 и методите за неговото възможно производство са възобновени след войната, през 1947 г. Сега учените се интересуват от германий именно като полупроводник.
Новите методи за анализ помогнаха да се идентифицира нов източник на германиеви суровини - катранени води от коксови заводи. Германия в тях е не повече от 0,0003%, но с помощта на дъбов екстракт се оказа лесно да се утаи германий под формата на таниден комплекс. Основният компонент на танина е глюкозният естер. Той е способен да свързва германий, дори ако концентрацията на този елемент в разтвора е изчезващо малка.
От получената утайка, чрез разрушаване на органичната материя, не е трудно да се получи концентрат, съдържащ до 45% германиев диоксид.
По-нататъшните трансформации вече не зависят много от вида на суровината. Германий се редуцира с водород (Winkler направи това), но първо е необходимо да се отдели германиевият оксид от множество примеси. За решаването на този проблем се оказа много полезна успешна комбинация от свойствата на едно от съединенията на германия.
Германиевият тетрахлорид GeCl 4 е летлива течност с ниска точка на кипене (83,1°C). Следователно е удобно да се пречиства чрез дестилация и ректификация (процесът се извършва в кварцови колони с дюза). Германиевият тетрахлорид е почти неразтворим в концентрирана солна киселина. Следователно, за пречистване на GeCl 4, може да се използва разтварянето на примеси със солна киселина.
Пречистеният GeCl4 се третира с вода, от която почти всички замърсители са предварително отстранени с йонообменни смоли. Знак за необходимата чистота е увеличаването на съпротивлението на водата до 15-20 милиона Ohm-cm.
Под въздействието на водата се извършва хидролиза на германиев тетрахлорид: GeCl 4 + 2H 2 O → GeO 2 + 4HCl. Обърнете внимание, че това е „обърнатото“ уравнение за реакцията, която произвежда германиев тетрахлорид. Това е последвано от редукция на GeO 2 с пречистен водород: GeO 2 + 2H 2 → Ge + 2H 2 O. Резултатът е прахообразен германий, който се стопява и след това допълнително се пречиства чрез зоново топене. Между другото, този метод за пречистване на материали е разработен през 1952 г. специално за пречистване на полупроводников германий.
Примесите, необходими за придаване на германий на един или друг тип проводимост (електронна или дупка), се въвеждат в последните етапи на производството, т.е. по време на зоновото топене и по време на растежа на единичен кристал.
Откакто беше открито през 1942 г., че би било изгодно да се заменят част от електронните тръби в радарните системи с полупроводникови детектори, интересът към германия нараства от година на година. Изследването на този неизползван преди това елемент допринесе за развитието на науката като цяло и преди всичко на физиката на твърдото тяло. А значението на полупроводниковите устройства - диоди, транзистори, термистори, тензодатчици, фотодиоди и други - за развитието на радиоелектрониката и техниката като цяло е толкова голямо и толкова добре известно, че не си струва да се говори. във възвишени тонове отново е някак неудобно. До 1965 г. повечето полупроводникови устройства бяха направени на базата на германий. Но през следващите години започна да се развива процесът на постепенно изместване на „ека-силиция“ от самия силиций.
Германий под атака от силиций
Силициевите полупроводникови устройства се различават благоприятно от германиевите устройства главно по тяхната по-добра производителност при повишени температури и по-ниски обратни токове. Голямо предимство на силиция беше устойчивостта на неговия диоксид на външни влияния. Именно това направи възможно създаването на по-напреднала планарна технология за производство на полупроводникови устройства, която се състои в нагряване на силиконова пластина в кислород или смес от кислород и водна пара и покриването й със защитен слой от SiO 2 .
След това гравирани „прозорци“ на правилните места, през тях се въвеждат допинг примеси, контактите също се свързват тук и устройството като цяло междувременно е защитено от външни влияния. За германий такава технология все още не е възможна: стабилността на неговия диоксид е недостатъчна. Под натиска на силиций, галиев арсенид и други полупроводници, германият загуби позицията си на основен полупроводников материал. През 1968 г. Съединените щати вече произвеждаха много повече силициеви транзистори, отколкото германиеви. Сега световното производство на германий, според чуждестранни експерти, е 90-100 тона годишно. Неговата позиция в технологиите е доста силна.
- Първо, полупроводниковият германий е значително по-евтин от полупроводниковия силиций.
- Второ, някои полупроводникови устройства все още са по-прости и по-изгодни да се правят от германий, отколкото от силиций.
- Трето, физическите свойства на германия го правят практически незаменим при производството на определени видове устройства, по-специално тунелни диоди.
Всичко това дава основание да се смята, че значението на германия винаги ще бъде голямо.
ОЩЕ ЕДНА ТОЧНА ПРОГНОЗА. Много е писано за прозрението на Д. И. Менделеев, който описва свойствата на три все още неоткрити елемента. Без да искаме да се повтаряме, просто искаме да обърнем внимание на точността на прогнозата на Менделеев. Сравнете данните, представени в таблица от Менделеев и Винклер.
Ексасилиций Атомно тегло 72 Специфично тегло 5,5 Атомен обем 13 По-висок оксид EsO 2 Специфично тегло 4,7
Хлоридното съединение EsCl 4 е течност с точка на кипене около 90°C
Съединението с водород EsH 4 е газообразно
Органометално съединение Es(C2H 5) 4 с точка на кипене 160°C
Германий Атомно тегло 72,6 Специфично тегло 5,469 Атомен обем 13,57 Висш оксид GeO 2 Специфично тегло 4,703
Хлоридното съединение GeCl 4 е течност с точка на кипене 83°C
Съединението с водород GeH 4 е газообразно
Органометално съединение Ge(C2H5)4 с точка на кипене 163,5°C
ПИСМО ОТ КЛЕМЕНС ВИНКЛЕР
"Ваше Величество!
Позволете ми да ви дам препечатка на съобщението, от което следва, че съм открил нов елемент „германий“. Отначало бях на мнение, че този елемент запълва празнината между антимона и бисмута във вашата забележително проницателна периодична таблица и че този елемент съвпада с вашия екасилиций, но всичко сочи, че тук имаме работа с екасилиций.
Надявам се скоро да ви разкажа повече за това интересно вещество; днес се ограничавам само да ви уведомя за много вероятния триумф на вашето гениално изследване и да засвидетелствам пред вас своето уважение и дълбоко уважение.
МЕНДЕЛЕЕВ ОТГОВОРИ: „Тъй като откриването на германия е венецът на периодичната система, тогава този венец принадлежи на вас, като „баща“ на германия; За мен е ценна ролята ми на предшественик и приятелското отношение, което срещнах с вас.”
ГЕРМАНИЙ И ОРГАНИКА. Първото органоелементно съединение на елемент № 32, тетраетилгерманий, е получено от Винклер от германиев тетрахлорид. Интересно е, че нито едно от органо-елементните съединения на германия, получени досега, не е токсично, докато повечето оловни и органокалаени съединения (тези елементи са аналози на германия) са токсични.
КАК ДА ОТГЛЕЖДАМЕ МОНОКРИСТАЛ ГЕРМАНИЙ. Германиев кристал - "семе" - се поставя върху повърхността на разтопен германий, който постепенно се повдига от автоматично устройство; температурата на топене е малко по-висока от точката на топене на германия (937°C). Семената се въртят, така че монокристалът да „расте с месо“ равномерно от всички страни. Важно е, че по време на такъв растеж се случва същото, както при зоновото топене: почти изключително германият преминава в „растеж“ (твърда фаза), а повечето от примесите остават в стопилката.
ГЕРМАНИЙ И СВЪРХПРОВОДИМОСТ. Класическият полупроводников германий участва в решаването на друг важен проблем - създаването на свръхпроводящи материали, които работят при температурата на течен водород, а не на течен хелий. Водородът, както е известно, преминава от газообразно в течно състояние при температура - 252,6 ° C или 20,5 ° K. В началото на 70-те години филм от германиева сплав с ниобий с дебелина само няколко хиляди атома беше получено. Този филм запазва свръхпроводимост при температури от 24,3° K и по-ниски.
Химичният елемент германий е в четвърта група (главна подгрупа) в периодичната таблица на елементите. Той принадлежи към семейството на металите и има относителна атомна маса от 73. По маса съдържанието на германий в земната кора се оценява на 0,00007 процента от масата.
История на откритието
Химическият елемент германий е установен благодарение на предсказанията на Дмитрий Иванович Менделеев. Именно те предсказаха съществуването на ека-силиций и дадоха препоръки за неговото търсене.
Вярвах, че този метален елемент се намира в титанови и циркониеви руди. Менделеев се опита сам да открие този химичен елемент, но опитите му бяха неуспешни. Само петнадесет години по-късно в мина в Химелфюрст е открит минерал, наречен аргиродит. Това съединение дължи името си на среброто, намерено в този минерал.
Химическият елемент германий в състава е открит едва след като група химици от Фрайбергската минна академия започват изследвания. Под ръководството на К. Винклер те установиха, че делът на оксидите на цинка, желязото, както и на сярата и живака представлява само 93 процента от минерала. Винклер предполага, че останалите седем процента идват от химичен елемент, непознат по това време. След допълнителни химични експерименти е открит германий. Химикът съобщава за откритието си в доклад и представя получената информация за свойствата на новия елемент на Германското химическо общество.
Химическият елемент германий е представен от Винклер като неметал по аналогия с антимона и арсена. Химикът искаше да го нарече нептуний, но това име вече се използваше. Тогава започнаха да го наричат германий. Химическият елемент, открит от Винклер, предизвика сериозен дебат сред водещите химици на времето. Германският учен Рихтер предположи, че това е същият екасилиций, за който говори Менделеев. След известно време това предположение беше потвърдено, което доказа жизнеспособността на периодичния закон, създаден от великия руски химик.
Физични свойства
Как може да се характеризира германият? Химическият елемент има атомен номер 32 по Менделеев. Този метал се топи при 937,4 °C. Точката на кипене на това вещество е 2700 °C.
Германий е елемент, който за първи път е използван в Япония за медицински цели. След множество изследвания на органогерманиеви съединения, проведени върху животни, както и при изследвания върху хора, беше възможно да се открият положителните ефекти на такива руди върху живите организми. През 1967 г. д-р К. Асаи открива факта, че органичният германий има огромен набор от биологични ефекти.
Биологична активност
Каква е характеристиката на химичния елемент германий? Той е способен да транспортира кислород през всички тъкани на живия организъм. Веднъж попаднал в кръвта, той се държи подобно на хемоглобина. Германият гарантира пълноценното функциониране на всички системи на човешкото тяло.
Именно този метал стимулира пролиферацията на имунните клетки. Той, под формата на органични съединения, позволява образуването на гама интерферони, които потискат пролиферацията на микробите.
Германият предотвратява образуването на злокачествени тумори и предотвратява развитието на метастази. Органичните съединения на този химичен елемент допринасят за производството на интерферон, защитна протеинова молекула, която се произвежда от тялото като защитна реакция срещу появата на чужди тела.
Области на използване
Противогъбичните, антибактериалните и антивирусните свойства на германия са станали основа за неговите области на приложение. В Германия този елемент се получава главно като страничен продукт от обработката на цветни руди. Германиевият концентрат се изолира по различни начини в зависимост от състава на суровината. Съставът му съдържаше не повече от 10 процента метал.
Как точно се използва германият в съвременната полупроводникова технология? Дадените по-рано характеристики на елемента потвърждават възможността за използването му за производството на триоди, диоди, токоизправители и кристални детектори. Германий се използва и при създаването на дозиметрични инструменти, устройства, които са необходими за измерване на силата на постоянни и променливи магнитни полета.
Значителна област на приложение на този метал е производството на детектори за инфрачервено лъчение.
Обещаващо е използването не само на самия германий, но и на някои от неговите съединения.
Химични свойства
Германият при стайна температура е доста устойчив на влага и атмосферен кислород.
В серията - германий - калай) има увеличение на редукционната способност.
Германият е устойчив на разтвори на солна и сярна киселина, не взаимодейства с алкални разтвори. Освен това този метал се разтваря доста бързо в царска вода (седем азотна и солна киселина), както и в алкален разтвор на водороден прекис.
Как да характеризираме напълно химически елемент? Германият и неговите сплави трябва да бъдат анализирани не само за физични и химични свойства, но и за области на приложение. Процесът на окисление на германий с азотна киселина протича доста бавно.
Да бъдеш сред природата
Нека се опитаме да характеризираме химичния елемент. Германий се среща в природата само под формата на съединения. Сред най-разпространените минерали, съдържащи германий в природата, подчертаваме германита и аргиродита. Освен това германий присъства в цинкови сулфиди и силикати, а в малки количества се намира в различни видове въглища.
Вреда за здравето
Какъв е ефектът на германия върху тялото? Химичен елемент, чиято електронна формула е 1e; 8 e; 18-ти; 7 д, може да има отрицателен ефект върху човешкото тяло. Например при зареждане на германиев концентрат, смилане, както и зареждане на диоксид на този метал могат да се появят професионални заболявания. Други източници, вредни за здравето, включват процеса на топене на прах от германий на пръчки и производството на въглероден окис.
Адсорбираният германий може бързо да се елиминира от тялото, най-вече чрез урината. В момента няма подробна информация за това колко токсични са неорганичните германиеви съединения.
Германиевият тетрахлорид има дразнещ ефект върху кожата. При клинични изпитвания, както и при продължително перорално приложение на кумулативни количества, достигащи 16 грама спирогерманий (органично противотуморно лекарство), както и други германиеви съединения, е открита нефротоксична и невротоксична активност на този метал.
Такива дози обикновено не са типични за промишлени предприятия. Тези експерименти, които бяха проведени върху животни, бяха насочени към изучаване на ефекта на германия и неговите съединения върху живия организъм. В резултат на това беше възможно да се установи влошаване на здравето поради вдишване на значително количество метален прах от германий, както и неговия диоксид.
Учените са открили сериозни морфологични промени в белите дробове на животни, които са подобни на пролиферативни процеси. Например, установено е значително удебеляване на алвеоларните участъци, както и хиперплазия на лимфните съдове около бронхите и удебеляване на кръвоносните съдове.
Германиевият диоксид не дразни кожата, но директният контакт на това съединение с мембраната на окото води до образуването на германова киселина, която е сериозен дразнител на очите. При продължителни интраперитонеални инжекции са открити сериозни промени в периферната кръв.
Важни факти
Най-вредните съединения на германия са германиев хлорид и хидрид. Последното вещество провокира сериозно отравяне. В резултат на морфологично изследване на органите на животни, умрели в острата фаза, се установяват значителни нарушения в кръвоносната система, както и клетъчни модификации в паренхимните органи. Учените са стигнали до заключението, че хидридът е многофункционална отрова, която засяга нервната система и инхибира периферната кръвоносна система.
Германиев тетрахлорид
Силно дразни дихателната система, очите и кожата. В концентрация от 13 mg/m3 той е в състояние да потисне белодробния отговор на клетъчно ниво. С увеличаване на концентрацията на това вещество се наблюдава сериозно дразнене на горните дихателни пътища и значителни промени в ритъма и честотата на дишане.
Отравянето с това вещество води до катарален десквамативен бронхит и интерстициална пневмония.
Касова бележка
Тъй като в природата германият присъства като примес в никелови, полиметални и волфрамови руди, в промишлеността се извършват няколко трудоемки процеса, свързани с обогатяването на рудата, за да се изолира чист метал. Германиевият оксид първо се изолира от него, след което се редуцира с водород при повишена температура, за да се получи прост метал:
GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O.
Електронни свойства и изотопи
Германият се счита за типичен полупроводник с индиректна празнина. Стойността на неговата диелектрична статистическа константа е 16, а стойността на неговия електронен афинитет е 4 eV.
В тънък филм от легиран галий, германий може да получи свръхпроводящо състояние.
В природата има пет изотопа на този метал. От тях четири са стабилни, а петият претърпява двойно бета разпадане, полуживотът е 1,58 × 10 21 години.
Заключение
В момента органичните съединения на този метал се използват в различни индустрии. Прозрачността в инфрачервената спектрална област на метален германий със свръхвисока чистота е важна за производството на оптични елементи на инфрачервената оптика: призми, лещи, оптични прозорци на съвременни сензори. Най-често срещаната област на използване на германий е създаването на оптика за термовизионни камери, които работят в диапазона на дължината на вълната от 8 до 14 микрона.
Подобни устройства се използват във военно оборудване за инфрачервени системи за насочване, нощно виждане, пасивни термични изображения и противопожарни системи. Германият също има висок коефициент на пречупване, който е необходим за антирефлексното покритие.
В радиотехниката транзисторите на базата на германий имат характеристики, които в много отношения надвишават тези на силициевите елементи. Обратните токове на германиевите елементи са значително по-високи от тези на техните силициеви аналози, което прави възможно значително повишаване на ефективността на такива радиоустройства. Като се има предвид, че германият не е толкова разпространен в природата, колкото силиция, силициевите полупроводникови елементи се използват главно в радиоустройства.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Германий- тридесет и втори елемент от периодичната таблица. Обозначение - Ge от латинското "германий". Намира се в четвърти период, IVA група. Отнася се за полуметали. Ядреният заряд е 32.
В компактното си състояние германият има сребрист цвят (фиг. 1) и на външен вид е подобен на метала. При стайна температура е устойчив на въздух, кислород, вода, солна и разредена сярна киселина.
Ориз. 1. Германий. Външен вид.
Атомна и молекулна маса на германий
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относителна молекулна маса на веществото (Mr)е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 масата на въглероден атом, и относителна атомна маса на елемент (A r)— колко пъти средната маса на атомите на даден химичен елемент е по-голяма от 1/12 от масата на въглероден атом.
Тъй като германият съществува в свободно състояние под формата на моноатомни Ge молекули, стойностите на неговите атомни и молекулни маси съвпадат. Те са равни на 72,630.
Изотопи на германий
Известно е, че в природата германий може да се намери под формата на пет стабилни изотопа 70 Ge (20,55%), 72 Ge (20,55%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) и 76 Ge (7,67%) ). Техните масови числа са съответно 70, 72, 73, 74 и 76. Ядрото на атома на изотопа на германий 70 Ge съдържа тридесет и два протона и тридесет и осем неутрона, други изотопи се различават от него само по броя на неутроните.
Съществуват изкуствени нестабилни радиоактивни изотопи на германия с масови числа от 58 до 86, сред които най-дългоживеещият изотоп 68 Ge с период на полуразпад 270,95 дни.
Германиеви йони
Външното енергийно ниво на германиевия атом има четири електрона, които са валентни електрони:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 .
В резултат на химично взаимодействие германият отдава своите валентни електрони, т.е. е техен донор и се превръща в положително зареден йон:
Ge 0 -2e → Ge 2+ ;
Ge 0 -4e → Ge 4+ .
Молекула и атом на германий
В свободно състояние германият съществува под формата на едноатомни Ge молекули. Ето някои свойства, характеризиращи атома и молекулата на германия:
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Упражнение | Изчислете масовите дялове на елементите, които изграждат германиев (IV) оксид, ако неговата молекулна формула е GeO 2. |
| Решение | Масовата част на елемент в състава на всяка молекула се определя по формулата: ω (X) = n × Ar (X) / Mr (HX) × 100%. |
(Germanium; от лат. Germania – Германия), Ge – хим. елемент от IV група на периодичната система от елементи; при. н. 32, в. м. 72.59. Сребристо-сиво вещество с метален блясък. В хим. съединенията показват степени на окисление + 2 и +4. Съединенията със степен на окисление +4 са по-стабилни. Естественият германий се състои от четири стабилни изотопа с масови числа 70 (20,55%), 72 (27,37%), 73 (7,67%) и 74 (36,74%) и един радиоактивен изотоп с масово число 76 (7,67%) и период на полуразпад от 2106 години. Много радиоактивни изотопи са произведени изкуствено (чрез различни ядрени реакции); Изотопът 71 Ge е от най-голямо значение с период на полуразпад от 11,4 дни.
Съществуването на свещения германий (под името „екасиликон”) е предсказано през 1871 г. от руския учен Д. И. Менделеев. Въпреки това едва през 1886г Химикът К. Винклер открива неизвестен елемент в минерала аргиродит, чиито свойства съвпадат със свойствата на "екзасилиция". Начало на бала. Производството на германий датира от 40-те години. 20 век, когато се използва като полупроводников материал. Съдържанието на германий в земната кора е (1-2) 10~4%. Германият е микроелемент и рядко се среща под формата на собствени минерали. Известни са седем минерала, в които концентрацията му е повече от 1%, сред които: Cu2 (Cu, 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) . G. се натрупва и в каустобиолити (хумусни въглища, нефтени шисти, нефт). Кристалната модификация на гел, която е стабилна при нормални условия, има кубична структура като диамант, с период a = 5,65753 A (гел).
Германий е
Плътност на германий (температура 25° C) 5,3234 g/cm3, точка на топене 937,2° C; точка на кипене 2852° С; топлина на топене 104,7 cal/g, топлина на сублимация 1251 cal/g, топлинен капацитет (температура 25°C) 0,077 cal/g deg; коефициент топлопроводимост, (температура 0°C) 0,145 cal/cm sec deg, температурен коеф. линейно разширение (температура 0-260° C), 5,8 x 10-6 deg-1. При топене германият намалява обема си (с около 5,6%), плътността му се увеличава с 4% h При високо налягане, подобна на диамант модификация. Германият претърпява полиморфни трансформации, образувайки кристални модификации: тетрагонална структура от типа B-Sn (GeII), тялоцентрирана тетрагонална структура с периоди a = 5,93 A, c = 6,98 A (GeIII) и тялоцентрирана кубична структура с период a = 6, 92 A(GeIV). Тези модификации се отличават с по-висока плътност и електропроводимост в сравнение с GeI.
Аморфният германий може да се получи под формата на филми (с дебелина около 10-3 cm) чрез кондензация на пара. Плътността му е по-малка от плътността на кристалните кристални кристали Структурата на енергийните ленти в кристалния кристален кристал определя неговите полупроводникови свойства. Ширината на забранената зона е 0,785 eV (температура 0 K), електрическото съпротивление (температура 20° C) е 60 ohm cm и с повишаване на температурата намалява значително по експоненциален закон. Примесите придават на Г. т.нар. примесна проводимост от електронен (примеси от арсен, антимон, фосфор) или дупка (примеси от галий, алуминий, индий) тип. Подвижността на носителите на заряд в гравитацията (температура 25°C) за електрони е около 3600 cm2/s, за дупки - 1700 cm2/s, собствената концентрация на носители на заряд (температура 20°C) е 2,5. 10 13 cm-3. Ж. диамагнитни. Когато се стопи, той преминава в метално състояние. Германият е много крехък, неговата твърдост по Моос е 6,0, микротвърдостта му е 385 kgf/mm2, якостта на натиск (температура 20°C) е 690 kgf/cm2. С повишаване на температурата твърдостта намалява; над температура от 650 ° C става пластична и отстъпва място на козината. обработка. Германият е практически инертен към въздух, кислород и неокисляващи електролити (ако няма разтворен кислород) при температури до 100° C. Устойчив на действието на солна киселина и разредена сярна киселина; разтваря се бавно в концентрирани серни и азотни съединения при нагряване (получаващият се филм от диоксид забавя разтварянето), разтваря се добре в царска вода, в разтвори на хипохлорити или хидроксиди на алкални метали (в присъствието на водороден прекис), в алкални стопилки, пероксиди , нитрати и карбонати на алкални метали.
При температури над 600° C той се окислява във въздуха и в поток от кислород, образувайки GeO оксид и диоксид (Ge02) с кислород. Германиевият оксид е тъмносив прах, който сублимира при температура от 710 ° C, леко се разтваря във вода с образуването на слабо германитно съединение (H2Ge02), солите (германити) не са стабилни. GeO лесно се разтваря в съединения, за да образува двувалентни соли G. Германиевият диоксид е бял прах, който съществува в няколко полиморфни модификации, които се различават значително по химични свойства. Светци: хексагоналната модификация на диоксида е относително добре разтворима във вода (4,53 zU при температура 25 ° C), алкални разтвори и други подобни, тетрагоналната модификация е практически неразтворима във вода и инертна към тях. Разтваряйки се в основи, диоксидът и неговият хидрат образуват метагерманатни (H2Ge03) и ортогерманатни (H4Ge04) соли - германати. Германатите на алкални метали са разтворими във вода, докато другите германати са практически неразтворими; прясно утаените се разтварят в минерални съединения. G. лесно се свързва с халогени, образувайки при нагряване (около 250 ° C) съответните тетрахалогениди - несолеви съединения, които лесно се хидролизират от вода. Известни г. - тъмнокафяв (GeS) и бял (GeS2).
Германий се характеризира със съединения с азот - кафяв нитрид (Ge3N4) и черен нитрид (Ge3N2), характеризиращи се с по-нисък хим. постоянство. С фосфор G. образува нискоустойчив фосфид (GeP) с черен цвят. Той не взаимодейства с въглерод и не се слива; със силиций образува непрекъсната серия от твърди разтвори. Германий, като аналог на въглерод и силиций, се характеризира със способността да образува германиеви водороди от типа GenH2n + 2 (германи), както и твърди съединения от типа GeH и GeH2 (гермени). Германий образува метални съединения () и с много други. метали. Извличането на германий от суровини включва получаване на богат на германий концентрат и от него висока чистота. В бала. В голям мащаб германий се получава от тетрахлорид, като по време на пречистването се използва високата му летливост (за изолиране от концентрата), ниско съдържание на концентрирана солна киселина и високо съдържание на органични разтворители (за пречистване от примеси). Често за обогатяване се използва високата летливост на нисшите сулфиди и оксиди, които лесно се сублимират.
За получаване на полупроводников германий се използва насочена кристализация и зонова прекристализация. Монокристален германий се получава чрез изтегляне от стопилка. По време на процеса на отглеждане G. се допира със специални. добавки, регулиращи определени свойства на монокристала. G. се доставя под формата на слитъци с дължина 380-660 mm и напречно сечение до 6,5 cm2. Германият се използва в радиоелектрониката и електротехниката като полупроводников материал за производството на диоди и транзистори. От него се произвеждат лещи за инфрачервени оптични устройства, дозиметри за ядрено лъчение, анализатори за рентгенова спектроскопия, сензори, използващи ефекта на Хол, и преобразуватели на енергията на радиоактивния разпад в електрическа енергия. Германият се използва в микровълнови атенюатори и съпротивителни термометри, работещи при температурата на течен хелий. G. филмът, нанесен върху рефлектора, се характеризира с висока отразяваща способност и добра устойчивост на корозия. германий с някои метали, характеризиращи се с повишена устойчивост на киселинни агресивни среди, се използват в инструментостроенето, машиностроенето и металургията. Хеманият и златото образуват евтектика с ниска топимост и се разширяват при охлаждане. G. диоксид се използва за производството на специални продукти. очила, характеризиращи се с висок коеф. пречупване и прозрачност в инфрачервената част на спектъра, стъклени електроди и термистори, както и емайли и декоративни глазури. Германатите се използват като активатори на фосфор и фосфор.
— химичен елемент от периодичната система на химичните елементи D.I. Менделеев. И обозначен със символа Ge, германият е просто вещество със сиво-бял цвят и има твърдите характеристики на метал.
Съдържание в земната кора е 7,10-4% от теглото. се отнася до микроелементи, поради купчините реактивност към окисляване в свободно състояние, не се среща като чист метал.
Намиране на германий в природата
Германий е един от трите химични елемента, предсказани от D.I. Менделеев въз основа на позицията им в периодичната таблица (1871 г.).
Принадлежи към редки микроелементи.
Понастоящем основните източници на промишлено производство на германий са отпадъци от производството на цинк, коксуване на въглища, пепел от някои видове въглища, силикатни примеси, седиментни железни скали, никелови и волфрамови руди, торф, нефт, геотермални води и някои водорасли .
Основни минерали, съдържащи германий
Плумбогерматит (PbGeGa) 2 SO 4 (OH) 2 +H 2 Съдържание на O до 8,18%
яргиродитът AgGeS6 съдържа от 3,65 до 6,93%Германия
рениерит Cu 3 (FeGeZn)(SAs) 4 съдържа от 5,5 до 7,8% германий.
В някои страни германий се получава като страничен продукт от преработката на някои руди като цинк-олово-мед. Германий се получава и при производството на кокс, както и в пепелта от кафяви въглища със съдържание от 0,0005 до 0,3% и в пепелта от каменни въглища със съдържание от 0,001 до 1-2%.
Германият като метал е много устойчив на атмосферен кислород, кислород, вода, някои киселини, разредена сярна и солна киселина. Но той реагира много бавно с концентрирана сярна киселина.
Германий реагира с азотна киселина HNO 3 и царска вода, реагира бавно с разяждащи алкали, за да образува германатна сол, но с добавяне на водороден пероксид H 2 O 2 реакцията протича много бързо.
Когато е изложен на високи температури над 700 °C, германият лесно се окислява във въздуха, за да образува GeO 2 , лесно реагира с халогени, като по този начин произвежда тетрахалогенити.
Не реагира с водород, силиций, азот и въглерод.
Известни са летливи съединения на германий със следните характеристики:
Германия хексахидрид -дигерман, Ge 2 H 6 - запалим газ, когато се съхранява на светлина за дълго време, той се разлага, става жълт и след това кафяв, превръщайки се в тъмнокафяво твърдо вещество, разлага се от вода и основи.
Германия тетрахидрид, моногерман - GeH 4 .
Приложение на германий
Германият, подобно на някои други, има свойствата на така наречените полупроводници. Въз основа на тяхната електропроводимост всичко се разделя на три групи: проводници, полупроводници и изолатори (диелектрици). Специфичната електропроводимост на металите е в диапазона 10V4 - 10V6 Ohm.cmV-1, като даденото деление е произволно. Въпреки това е възможно да се посочи фундаментална разлика в електрическите свойства на проводниците и полупроводниците. При първите електрическата проводимост намалява с повишаване на температурата, докато при полупроводниците се увеличава. При температури, близки до абсолютната нула, полупроводниците се превръщат в изолатори. Както е известно, металните проводници проявяват свръхпроводящи свойства при такива условия.
Полупроводниците могат да бъдат различни вещества. Те включват: бор, (
Моля, имайте предвид, че ние получаваме германий във всякакво количество и форма, вкл. под формата на скрап. Можете да продавате германий, като се обадите на телефонния номер в Москва, посочен по-горе.
Германий е крехък, сребристо-бял полуметал, открит през 1886 г. Този минерал не се среща в чиста форма. Намира се в силикати, железни и сулфидни руди. Някои от неговите съединения са токсични. Германият се използва широко в електрическата индустрия, където неговите полупроводникови свойства са полезни. Незаменим е при производството на инфрачервена и фиброоптика.
Какви свойства има германият?
Този минерал има точка на топене 938,25 градуса по Целзий. Учените все още не могат да обяснят показателите за неговата топлинна мощност, което я прави незаменима в много области. Германият има способността да увеличава плътността си при разтопяване. Има отлични електрофизични свойства, което го прави отличен полупроводник с индиректна междина.
Ако говорим за химичните свойства на този полуметал, трябва да се отбележи, че той е устойчив на киселини и основи, вода и въздух. Германий се разтваря в разтвор на водороден прекис и царска вода.
Германия добив
В момента се добива ограничено количество от този полуметал. Залежите му са значително по-малки от находищата на бисмут, антимон и сребро.
Поради факта, че делът на този минерал в земната кора е доста малък, той образува свои собствени минерали поради въвеждането на други метали в кристалните решетки. Най-високо съдържание на германий се наблюдава в сфалеритите, пираргиритите, сулфанитите, цветните и железните руди. Среща се, но много по-рядко, в находища на нефт и въглища.
Използване на германий
Въпреки факта, че германият е открит доста отдавна, той започва да се използва в промишлеността преди около 80 години. Полуметалът е използван за първи път във военното производство за производството на определени електронни устройства. В този случай той намери приложение като диоди. Сега ситуацията се промени донякъде.
Най-популярните области на приложение на германий включват:
- производство на оптика. Полуметалът стана незаменим при производството на оптични елементи, които включват оптични сензорни прозорци, призми и лещи. Свойствата на прозрачност на германия в инфрачервената област бяха полезни тук. Полуметалът се използва в производството на оптика за термовизионни камери, противопожарни системи и устройства за нощно виждане;
- производство на радиоелектроника. В тази област полуметалът се използва при производството на диоди и транзистори. През 70-те години обаче германиевите устройства бяха заменени със силициеви, тъй като силицийът направи възможно значително подобряване на техническите и експлоатационните характеристики на произвежданите продукти. Повишени са показателите за устойчивост на температурни влияния. Освен това устройствата с германий издават много шум по време на работа.
Текуща ситуация с германия
В момента полуметалът се използва в производството на микровълнови устройства. Германиевият телерид се е доказал добре като термоелектричен материал. Сега цените на германия са доста високи. Един килограм метален германий струва 1200 долара.
Закупуване на Германия
Сребристосивият германий е рядък. Крехкият полуметал има полупроводникови свойства и се използва широко за създаване на съвременни електрически уреди. Използва се и за създаване на високоточни оптични инструменти и радио оборудване. Германият има голяма стойност както под формата на чист метал, така и под формата на диоксид.
Компанията Goldform е специализирана в изкупуването на германий, различни метални отпадъци и радиокомпоненти. Предлагаме съдействие при оценка на материалите и транспорт. Можете да изпратите германий по пощата и да получите парите си в пълен размер.
