Čak i prije silicija, germanij je postao najvažniji poluvodički materijal.
Ovdje je prikladno pitanje: šta su poluprovodnici i poluprovodnici? Čak je i stručnjacima ponekad teško da na njega nedvosmisleno odgovore. "Tačna definicija poluprovodljivosti je teška i zavisi od toga koja se osobina poluprovodnika razmatra" - ovaj izbegavajući odgovor je pozajmljen iz prilično respektabilnog naučnog rada o poluprovodnicima. Istina, postoji vrlo jasna definicija: "Poluprovodnik je jedan provodnik za dva automobila", ali to je već iz oblasti folklora ...
Glavna stvar kod elementa broj 32 je da je poluvodič. Kasnije ćemo se vratiti na objašnjenje ovog svojstva. U međuvremenu, o germanijumu kao fizičko-hemijskoj "ličnosti".
germanijum kakav jeste
Verovatno velika većina čitalaca nikada nije videla germanijum. Ovaj element je prilično rijedak, skup, od njega se ne pravi roba široke potrošnje, a germanijumska "punjenja" poluvodičkih uređaja je toliko mala da se vidi o čemu se radi, germanijum, teško, čak i ako je kućište uređaja slomljeno. Stoga ćemo govoriti o glavnim svojstvima germanija, njegovom izgledu, karakteristikama. I pokušavate mentalno raditi one jednostavne operacije koje je autor morao učiniti više puta.
Izvadimo standardni ingot germanijuma iz pakovanja. Ovo je malo tijelo gotovo pravilnog cilindričnog oblika, prečnika od 10 do 35 i dužine od nekoliko desetina milimetara. Neke referentne knjige navode da je predmet #32 srebro, ali to nije uvijek tačno: boja germanijuma zavisi od njegove površinske obrade. Nekada izgleda skoro crno, ponekad kao čelik, ali ponekad je i srebrno.
Kada razmišljate o ingotu germanija, ne zaboravite da košta otprilike isto kao zlato, i barem iz tog razloga ne biste ga trebali ispustiti na pod. Ali postoji još jedan razlog, mnogo važniji: germanijum je skoro jednako krt kao staklo i može se ponašati u skladu s tim. Vidio sam kako je, nakon takvog neuspjeha, neoprezni eksperimentator dugo puzao po podu, pokušavajući sakupiti sve komadiće u jedan... Po izgledu, germanij je lako pobrkati sa silicijumom. Ovi elementi nisu samo konkurenti koji tvrde da su glavni poluvodički materijal, već i analozi. Međutim, unatoč sličnosti mnogih tehničkih svojstava i izgleda, prilično je jednostavno razlikovati ingot germanija od ingota silicija: germanij je više nego dvostruko teži od silicija (gustoća 5,33 i 2,33 g / cm 3, respektivno).
Posljednju konstataciju treba pojasniti, iako se čini da brojke onemogućuju komentar. Činjenica je da se broj 5,33 odnosi na germanij-1 - najčešću i najvažniju od pet alotropskih modifikacija elementa br. 32. Jedna od njih je amorfna, četiri su kristalne. Od kristalnog germanijuma-1 je najlakši. Njegovi kristali su građeni na isti način kao i dijamantski kristali, ali ako takva struktura određuje maksimalnu gustoću za ugljik, onda germanij ima i gušće “pakiranje”. Visok pritisak uz umjereno zagrijavanje (30 hiljada atm i 100 ° C) pretvara Ge-I u Ge-II s kristalnom rešetkom, poput bijelog kalaja.
Na sličan način mogu se dobiti čak i gušće od Ge-II, Ge-III i Ge-IV.
Sve "neobične" modifikacije kristalnog germanijuma su superiornije od Ge-I i električne provodljivosti. Spominjanje ove osobine nije slučajno: vrijednost električne provodljivosti (ili recipročne vrijednosti - otpornosti) za poluvodički element je posebno važna.
Ali šta je poluprovodnik?
Formalno, poluprovodnik je supstanca sa otpornošću od hiljaditih delova do miliona oma po 1 cm. Okviri "od" i "do" su veoma široki, ali mesto germanijuma u ovom opsegu je sasvim određeno. Otpor centimetarske kocke čistog germanijuma na 18°C je 72 oma. Na 19°C otpor iste kocke se smanjuje na 68 oma. Ovo je općenito karakteristično za poluvodiče - značajna promjena električnog otpora uz malu promjenu temperature. Kako temperatura raste, otpor se obično smanjuje. Značajno se mijenja kako pod utjecajem zračenja tako i tijekom mehaničkih deformacija.
Izvanredna je osetljivost germanijuma (kao i drugih poluprovodnika) ne samo na spoljašnje uticaje. Na svojstva germanijuma snažno utiču čak i zanemarljive količine nečistoća. Hemijska priroda nečistoća nije ništa manje važna.
Dodatak elementa V grupe omogućava dobijanje poluprovodnika sa elektronskim tipom provodljivosti. Tako se pripremaju hidroelektrane (elektronski germanijum dopiran antimonom). Dodavanjem elementa grupe III stvorićemo u njemu rupičasti tip provodljivosti (najčešće je to GDH - rupičasti germanijum dopiran galijumom).
Podsjetimo da su "rupe" mjesta napuštena od strane elektrona koji su prešli na drugi energetski nivo. "Stan" koji je migrant napustio može odmah da zauzme njegov komšija, ali je imao i svoj stan. Preseljavanja se vrše jedno za drugim, a rupa se pomera.
Kombinacija područja s elektronskom i provodljivošću rupa činila je osnovu najvažnijih poluvodičkih uređaja - dioda i tranzistora. Na primjer, spajanjem indija u HES ploču i tako stvarajući područje s provodljivošću rupa, dobijamo ispravljački uređaj - diodu. Propušta električnu struju uglavnom u jednom smjeru - od područja s provodljivošću rupa u elektronski. Otopivši indij na obje strane HPP ploče, ovu ploču pretvaramo u osnovu tranzistora.
Prvi germanijumski tranzistor na svetu stvoren je 1948. godine, a nakon 20 godina proizvedene su stotine miliona takvih uređaja. Germanijeve diode i triode imaju široku primjenu u radijima i televizorima, računalima i različitoj mjernoj opremi.
Germanijum se takođe koristi u drugim najvažnijim oblastima moderne tehnologije: za merenje niskih temperatura, za detekciju infracrvenog zračenja itd. Sve ove oblasti zahtevaju germanijum veoma visoke čistoće – fizičke i hemijske. Hemijska čistoća je takva da količina štetnih nečistoća ne prelazi desetmilioniti dio procenta (107%). Fizička čistoća je minimum dislokacija, poremećaja u kristalnoj strukturi. Da bi se to postiglo, uzgaja se monokristalni germanijum: ceo ingot je jedan kristal.
Za ovu nevjerovatnu čistoću
U zemljinoj kori germanijum nije jako mali - 7 * 10 -4% njegove mase. Ovo je više od olova, srebra, volframa. Germanijum se nalazi na Suncu i u meteoritima. Njemačka je prisutna u svim zemljama. Ali industrijska nalazišta germanijumskih minerala, očigledno, nemaju nijednu industrijalizovanu zemlju. Germanijum je veoma rasut. Minerali u kojima je ovog elementa više od 1% - argirodit, germanit, ultramafit i drugi, uključujući renijerit, štotit, konfilit i plumbogermanit otkriveni tek posljednjih desetljeća - vrlo su rijetki. Oni nisu u stanju da pokriju potrebe svijeta za ovim važnim elementom.
A najveći deo zemaljskog germanijuma raspršen je u mineralima drugih elemenata, u ugljevlju, prirodnim vodama, tlu i živim organizmima. U uglju, na primjer, sadržaj germanija može doseći desetinu procenta. Možda, ali ne dopire uvijek. U antracitu, na primjer, gotovo ga nema... Jednom riječju, germanij je svuda i nigdje.
Stoga su metode koncentracije germanija vrlo složene i raznolike. One prvenstveno zavise od vrste sirovine i sadržaja ovog elementa u njoj.
Akademik Nikolaj Petrovič Sažin bio je rukovodilac sveobuhvatnog proučavanja i rešavanja problema germanijuma u SSSR-u. Kako je nastala sovjetska industrija poluprovodnika, opisuje njegov članak objavljen u časopisu "Chemistry and Life" godinu i po dana prije smrti ovog izuzetnog naučnika i organizatora nauke.
U našoj zemlji prvi put je dobijen čisti germanijum dioksid početkom 1941. godine. Od njega je napravljeno germanijumsko staklo sa veoma visokim indeksom prelamanja svetlosti. Istraživanja elementa br. 32 i metoda za njegovu moguću proizvodnju nastavljena su nakon rata, 1947. godine. Sada su naučnici bili zainteresovani za germanijum upravo kao poluprovodnik.
Nove metode analize pomogle su da se otkrije novi izvor germanijumskih sirovina - katranske vode koksara. Njemačka u njima nije više od 0,0003%, ali se uz pomoć ekstrakta hrasta iz njih pokazalo da je lako precipitirati germanij u obliku kompleksa tanida. Glavna komponenta tanina je estar glukoze. On je u stanju da veže germanijum čak i ako je koncentracija ovog elementa u rastvoru nestajuća mala.
Od nastalog taloga, uništavajući organsku materiju, lako se dobija koncentrat koji sadrži do 45% germanijum dioksida.
Dalje transformacije malo zavise od vrste sirovine. Germanij se reducira vodonikom (kao što je to učinio Winkler), ali prvo morate odvojiti germanij oksid od brojnih nečistoća. Za rješavanje ovog problema, uspješna kombinacija svojstava jednog od jedinjenja germanija pokazala se vrlo korisnom.
Germanijum tetrahlorid GeCl 4 je isparljiva tečnost sa niskom tačkom ključanja (83,1°C). Zbog toga ga je pogodno prečistiti destilacijom i rektifikacijom (proces se odvija u kvarcnim kolonama sa pakovanjem). Germanij tetrahlorid je gotovo nerastvorljiv u koncentrovanoj hlorovodoničkoj kiselini. Stoga se rastvaranje nečistoća hlorovodoničnom kiselinom može koristiti za pročišćavanje GeCl 4 .
Pročišćeni GeCl4 se tretira vodom, iz koje su gotovo svi zagađivači prethodno uklonjeni pomoću jonoizmjenjivačkih smola. Znak željene čistoće je povećanje otpornosti vode na 15-20 miliona ohm-cm.
Pod dejstvom vode, germanijum tetrahlorid se hidrolizira: GeCl 4 + 2H 2 O → GeO 2 + 4HCl. Imajte na umu da je ovo "obrnuta" jednadžba reakcije u kojoj se dobija germanij tetrahlorid. Nakon toga slijedi redukcija GeO 2 prečišćenim vodonikom: GeO 2 + 2H 2 → Ge + 2H 2 O. Dobija se germanij u prahu koji se legira i dalje prečišćava zonskim topljenjem. Inače, ovaj metod prečišćavanja materijala razvijen je 1952. godine posebno za pročišćavanje poluvodičkog germanijuma.
Nečistoće potrebne za davanje germanijuma jedne ili druge vrste provodljivosti (elektronske ili šupljine) uvode se u poslednjim fazama proizvodnje, odnosno tokom zonskog topljenja i u procesu uzgoja monokristala.
Otkako je 1942. godine ustanovljeno da bi bilo korisno deo vakuumskih cevi u radarskim sistemima zameniti poluprovodničkim detektorima, interesovanje za germanijum raste iz godine u godinu. Proučavanje ovog ranije nekorišćenog elementa doprinelo je razvoju nauke uopšte i, pre svega, fizike čvrstog stanja. A važnost poluvodičkih uređaja - dioda, tranzistora, termistora, mjerača naprezanja, fotodioda i drugih - za razvoj radio elektronike i tehnologije općenito je toliko velika i toliko poznata da o tome vrijedi govoriti. u uzvišenim tonovima opet nekako neprijatno. Do 1965. godine većina poluprovodničkih uređaja bila je napravljena na bazi germanijuma. Ali u narednim godinama, počeo se razvijati proces postepenog istiskivanja "ekasilicijuma" samim silicijumom.
Germanijum pod pritiskom silicijuma
Silicijumski poluvodički uređaji su povoljno u poređenju sa germanijumskim uređajima prvenstveno po boljim performansama na povišenim temperaturama i nižim reverznim strujama. Velika prednost silicijuma bila je i otpornost njegovog dioksida na vanjske utjecaje. Upravo je ona omogućila stvaranje progresivnije - planarne tehnologije za proizvodnju poluvodičkih uređaja, koja se sastoji u činjenici da se silikonska ploča zagrijava u kisiku ili mješavini kisika s vodenom parom i prekrivena je zaštitnim slojem. od SiO 2.
Nakon što su "prozori" urezani na prava mjesta, kroz njih se uvode dodaci, ovdje se spajaju kontakti, a uređaj u cjelini je u međuvremenu zaštićen od vanjskih utjecaja. Za germanij takva tehnologija još nije moguća: stabilnost njegovog dioksida je nedovoljna. Pod naletom silicijuma, galijum arsenida i drugih poluprovodnika, germanijum je izgubio svoju poziciju glavnog poluprovodničkog materijala. Godine 1968. Sjedinjene Države su proizvodile mnogo više silicijumskih tranzistora nego germanijumskih. Sada je svjetska proizvodnja germanija, prema stranim stručnjacima, 90-100 tona godišnje. Njegova pozicija u tehnologiji je prilično jaka.
- Prvo, poluvodički germanij je znatno jeftiniji od poluvodičkog silicija.
- Drugo, lakše je i isplativije napraviti neke poluvodičke uređaje, kao i prije, od germanija, a ne od silicija.
- Treće, fizička svojstva germanija čine ga praktički nezamjenjivim u proizvodnji određenih vrsta uređaja, posebno tunelskih dioda.
Sve ovo daje razlog za vjerovanje da će vrijednost germanija uvijek biti velika.
JOŠ JEDNO TAČNO PREDVIĐANJE. Mnogo je napisano o predviđanju D. I. Mendeljejeva, koji je opisao svojstva tri još neotkrivena elementa. Ne želeći da se ponavljamo, samo želimo da skrenemo pažnju na tačnost prognoze Mendeljejeva. Uporedite podatke Mendeljejeva i Winklera sažete u tabeli.
Ekasilicijum Atomska težina 72 Specifična težina 5,5 Atomska zapremina 13 Viši oksid EsO 2 Njegova specifična težina 4,7
Hloridno jedinjenje EsCl 4 - tečnost sa tačkom ključanja od oko 90 ° C
Vodikova veza EsH 4 gasovita
Organometalno jedinjenje Es(C2H 5) 4 sa tačkom ključanja od 160°C
Germanij Atomska težina 72,6 Specifična težina 5,469 Atomska zapremina 13,57 Viši oksid GeO 2 Njegova specifična težina 4,703
Hloridno jedinjenje GeCl 4 - tečnost sa tačkom ključanja od 83 ° C
Vodikova veza GeH 4 gasovita
Organometalno jedinjenje Ge (C2H 5) 4 sa tačkom ključanja od 163,5 °C
PISMO OD CLEMENSA WINKLERA
"Vaše veličanstvo!
Dozvolite mi da vam ovim putem dam reprint poruke iz koje proizilazi da sam otkrio novi element "germanijum". U početku sam bio mišljenja da je ovaj element popunio prazninu između antimona i bizmuta u vašem divno prodorno konstruisanom periodičnom sistemu i da se taj element poklapa sa vašim ekaantimonom, ali sve ukazuje da je ovde reč o ekasilicijumu.
Nadam se da ću vam uskoro reći više o ovoj zanimljivoj supstanci; danas se ograničavam na to da vas obavestim o vrlo verovatnom trijumfu vašeg briljantnog istraživanja i da vam svedočim svoje poštovanje i duboko poštovanje.
MENDELEEV JE ODGOVORIO: „Pošto je otkriće germanijuma kruna periodnog sistema, onda vi, kao „otac“ germanijuma, posedujete ovu krunu; za mene je dragocena moja uloga prethodnika i prijateljski odnos koji sam sreo sa vama.
GERMANIJUM I ORGANICI. Prvo organoelementno jedinjenje elementa br. 32, tetraetilgermanijum, dobio je Winkler iz germanijum tetrahlorida. Zanimljivo je da nijedno od do sada dobijenih organskih jedinjenja germanijuma nije toksično, dok je većina jedinjenja olova i kalaja (ovi elementi su analozi germanijuma) toksična.
KAKO SE GAJI MONOKRISTA GERMANIJA. Kristal germanija se postavlja na površinu rastopljenog germanijuma - "sjeme", koje se postepeno podiže automatskim uređajem; temperatura topljenja je nešto viša od tačke topljenja germanijuma (937°C). Sjemenka se rotira tako da monokristal ravnomjerno sa svih strana "obraste mesom". Važno je da se u procesu takvog rasta dešava isto što i kod zonskog topljenja: gotovo isključivo germanijum prelazi u „nagradnju“ (čvrstu fazu), a većina nečistoća ostaje u talini.
GERMANIJA I SUPERVODLJIVOST. Pokazalo se da je klasični poluvodički germanij uključen u rješavanje još jednog važnog problema - stvaranje supravodljivih materijala koji rade na temperaturi tekućeg vodika, a ne tekućeg helijuma. Vodik, kao što je poznato, prelazi iz gasovitog u tečno stanje na temperaturi od -252,6°C, odnosno 20,5°K. Početkom 70-ih godina prošlog veka dobijen je film od legure germanijuma sa niobijem debljine samo nekoliko hiljada atoma. Ovaj film zadržava supravodljivost na temperaturama od 24,3°K i niže.
Hemijski element germanijum nalazi se u četvrtoj grupi (glavna podgrupa) u periodnom sistemu elemenata. Pripada porodici metala, njegova relativna atomska masa je 73. Po masi, sadržaj germanijuma u zemljinoj kori se procjenjuje na 0,00007 mas. posto.
Istorija otkrića
Hemijski element germanijum ustanovljen je zahvaljujući predviđanjima Dmitrija Ivanoviča Mendeljejeva. On je bio taj koji je predvidio postojanje ekasilikona i date su preporuke za njegovo traženje.
Vjerovao je da se ovaj metalni element nalazi u rudama titana, cirkonija. Mendeljejev je sam pokušao da pronađe ovaj hemijski element, ali njegovi pokušaji su bili neuspešni. Samo petnaest godina kasnije, u rudniku u Himelfurstu, pronađen je mineral, nazvan argirodit. Ovo jedinjenje duguje svoje ime srebru koje se nalazi u ovom mineralu.
Hemijski element germanij u sastavu otkriven je tek nakon što je grupa hemičara sa Akademije rudarstva u Freibergu započela istraživanje. Pod vodstvom K. Winklera, otkrili su da samo 93 posto minerala čine oksidi cinka, željeza, kao i sumpor, živa. Winkler je sugerirao da preostalih sedam posto dolazi od hemijskog elementa nepoznatog u to vrijeme. Nakon dodatnih hemijskih eksperimenata, otkriven je germanijum. Hemičar je objavio svoje otkriće u izvještaju, iznio primljene informacije o svojstvima novog elementa njemačkom kemijskom društvu.
Hemijski element germanijum je Winkler uveo kao nemetal, po analogiji sa antimonom i arsenom. Hemičar je htio da ga nazove neptunijumom, ali je to ime već korišteno. Tada se počeo zvati germanijum. Hemijski element koji je otkrio Winkler izazvao je ozbiljnu raspravu među vodećim hemičarima tog vremena. Njemački naučnik Rihter sugerisao je da je ovo isti eksasilikon o kojem je govorio Mendeljejev. Nešto kasnije, ova pretpostavka je potvrđena, što je dokazalo održivost periodičnog zakona koji je stvorio veliki ruski hemičar.
Fizička svojstva
Kako se može okarakterisati germanijum? Hemijski element ima 32 serijski broj u Mendeljejevu. Ovaj metal se topi na 937,4 °C. Tačka ključanja ove supstance je 2700 °C.
Germanij je element koji je prvi put korišten u Japanu u medicinske svrhe. Nakon brojnih istraživanja organogermanijumskih spojeva sprovedenih na životinjama, kao i tokom studija na ljudima, bilo je moguće utvrditi pozitivan efekat takvih ruda na žive organizme. Godine 1967. dr K. Asai je uspeo da otkrije činjenicu da organski germanijum ima ogroman spektar bioloških efekata.
Biološka aktivnost
Koja je karakteristika hemijskog elementa germanijuma? U stanju je da prenosi kiseonik do svih tkiva živog organizma. Kada uđe u krv, ponaša se po analogiji sa hemoglobinom. Germanijum garantuje potpuno funkcionisanje svih sistema ljudskog tela.
Upravo ovaj metal stimulira reprodukciju imunoloških stanica. On, u obliku organskih jedinjenja, omogućava stvaranje gama-interferona, koji inhibiraju razmnožavanje mikroba.
Germanijum sprečava nastanak malignih tumora, sprečava razvoj metastaza. Organska jedinjenja ovog hemijskog elementa doprinose proizvodnji interferona, zaštitne proteinske molekule koju telo proizvodi kao zaštitnu reakciju na pojavu stranih tela.
Područja upotrebe
Antifungalna, antibakterijska, antivirusna svojstva germanijuma postala su osnova za njegovu primjenu. U Njemačkoj se ovaj element uglavnom dobivao kao nusproizvod preradom ruda obojenih metala. Koncentrat germanija izolovan je različitim metodama koje zavise od sastava sirovine. Nije sadržavao više od 10 posto metala.
Kako se zapravo germanij koristi u modernoj poluvodičkoj tehnologiji? Ranije navedena karakteristika elementa potvrđuje mogućnost njegove upotrebe za proizvodnju trioda, dioda, energetskih ispravljača i kristalnih detektora. Germanij se također koristi u izradi dozimetrijskih instrumenata, uređaja koji su neophodni za mjerenje jačine konstantnog i naizmjeničnog magnetnog polja.
Bitno područje primjene ovog metala je proizvodnja detektora infracrvenog zračenja.
Obećavajuće je korištenje ne samo samog germanija, već i nekih njegovih spojeva.
Hemijska svojstva
Germanij je na sobnoj temperaturi prilično otporan na vlagu i atmosferski kisik.
U seriji - germanij - kalaj) uočava se povećanje redukcijske sposobnosti.
Germanij je otporan na rastvore hlorovodonične i sumporne kiseline, ne reaguje sa rastvorima alkalija. Istovremeno, ovaj metal se prilično brzo otapa u aqua regia (sedam dušične i hlorovodonične kiseline), kao i u alkalnoj otopini vodikovog peroksida.
Kako dati potpuni opis hemijskog elementa? Germanij i njegove legure moraju se analizirati ne samo u pogledu fizičkih i hemijskih svojstava, već iu smislu primjene. Proces oksidacije germanija dušičnom kiselinom odvija se prilično sporo.
Biti u prirodi
Pokušajmo okarakterizirati kemijski element. Germanij se u prirodi nalazi samo u obliku jedinjenja. Među najčešćim mineralima koji sadrže germanij u prirodi izdvajamo germanit i argirodit. Osim toga, germanij je prisutan u cink sulfidima i silikatima, te u malim količinama u raznim vrstama uglja.
Šteta po zdravlje
Kakav uticaj germanijum ima na organizam? Hemijski element čija je elektronska formula 1e; 8 e; 18 e; 7 e, može negativno uticati na ljudski organizam. Na primjer, prilikom punjenja koncentrata germanija, mljevenja, kao i punjenja dioksida ovog metala, mogu se pojaviti profesionalne bolesti. Kao druge izvore koji su štetni po zdravlje možemo uzeti u obzir proces pretapanja praha germanijuma u šipke, čime se dobija ugljen monoksid.
Adsorbovani germanijum može se brzo izlučiti iz organizma, uglavnom urinom. Trenutno ne postoje detaljne informacije o tome koliko su toksična neorganska jedinjenja germanija.
Germanijum tetrahlorid deluje iritativno na kožu. U kliničkim ispitivanjima, kao i pri dugotrajnoj oralnoj primjeni kumulativnih količina koje su dostizale 16 grama spirogermanija (organski antitumorski lijek), kao i drugih germanijevih spojeva, utvrđena je nefrotoksična i neurotoksična aktivnost ovog metala.
Takve doze uglavnom nisu tipične za industrijska preduzeća. Ti eksperimenti koji su izvedeni na životinjama imali su za cilj proučavanje utjecaja germanija i njegovih spojeva na živi organizam. Kao rezultat toga, bilo je moguće utvrditi pogoršanje zdravlja prilikom udisanja značajne količine prašine metalnog germanija, kao i njegovog dioksida.
Naučnici su otkrili ozbiljne morfološke promjene u plućima životinja, koje su slične proliferativnim procesima. Na primjer, otkriveno je značajno zadebljanje alveolarnih presjeka, kao i hiperplazija limfnih žila oko bronhija, zadebljanje krvnih sudova.
Germanijum dioksid ne iritira kožu, ali direktan kontakt ovog jedinjenja sa membranom oka dovodi do stvaranja germanske kiseline, koja je ozbiljan iritans oka. Kod produženih intraperitonealnih injekcija nađene su ozbiljne promjene u perifernoj krvi.
Važne činjenice
Najštetnija jedinjenja germanijuma su germanijum hlorid i germanijum hidrid. Posljednja tvar izaziva ozbiljno trovanje. Kao rezultat morfološkog pregleda organa životinja koje su uginule u akutnoj fazi, uočene su značajne smetnje u cirkulatornom sistemu, kao i ćelijske modifikacije u parenhimskim organima. Naučnici su došli do zaključka da je hidrid višenamenski otrov koji utiče na nervni sistem i depresira periferni cirkulatorni sistem.
germanijum tetrahlorid
Snažan je iritant za respiratorni sistem, oči i kožu. U koncentraciji od 13 mg/m 3 sposoban je da potisne plućni odgovor na ćelijskom nivou. S povećanjem koncentracije ove tvari dolazi do ozbiljne iritacije gornjih dišnih puteva, značajnih promjena u ritmu i učestalosti disanja.
Trovanje ovom supstancom dovodi do kataralno-deskvamativnog bronhitisa, intersticijske pneumonije.
Potvrda
Budući da je u prirodi germanij prisutan kao nečistoća u rudama nikla, polimetala, volframa, u industriji se provodi nekoliko radno intenzivnih procesa povezanih s obogaćivanjem rude kako bi se izolirao čisti metal. Prvo se iz njega izoluje germanijum oksid, zatim se redukuje vodonikom na povišenoj temperaturi da bi se dobio jednostavan metal:
GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O.
Elektronska svojstva i izotopi
Germanij se smatra tipičnim poluprovodnikom s indirektnim razmakom. Vrijednost njegove permitivnosti je 16, a vrijednost afiniteta elektrona 4 eV.
U tankom filmu dopiranom galijumom, moguće je germanijumu dati stanje supravodljivosti.
U prirodi postoji pet izotopa ovog metala. Od toga su četiri stabilna, a peti prolazi kroz dvostruki beta raspad, sa poluživotom od 1,58×10 21 godinu.
Zaključak
Trenutno se organska jedinjenja ovog metala koriste u raznim industrijama. Transparentnost u infracrvenom spektralnom području metalnog germanijuma ultra-visoke čistoće važna je za proizvodnju optičkih elemenata infracrvene optike: prizme, sočiva, optički prozori savremenih senzora. Najčešća upotreba germanijuma je stvaranje optike za termovizijske kamere koje rade u opsegu talasnih dužina od 8 do 14 mikrona.
Takvi uređaji se koriste u vojnoj opremi za infracrvene sisteme za navođenje, noćni vid, pasivno termalno snimanje i sisteme za gašenje požara. Takođe, germanijum ima visok indeks prelamanja koji je neophodan za antirefleksni premaz.
U radiotehnici, tranzistori na bazi germanijuma imaju karakteristike koje u mnogim aspektima prevazilaze karakteristike silicijumskih elemenata. Reverzne struje germanijumskih ćelija su znatno veće od onih kod njihovih silikonskih kolega, što omogućava značajno povećanje efikasnosti takvih radio uređaja. S obzirom na to da germanijum nije tako čest u prirodi kao silicijum, silicijumski poluvodički elementi se uglavnom koriste u radio uređajima.
DEFINICIJA
germanijum je trideset drugi element periodnog sistema. Oznaka - Ge od latinskog "germanium". Smješten u četvrtom periodu, IVA grupa. Odnosi se na polumetale. Nuklearni naboj je 32.
U kompaktnom stanju, germanijum ima srebrnastu boju (slika 1) i izgleda kao metal. Na sobnoj temperaturi otporan je na zrak, kisik, vodu, hlorovodoničnu i razrijeđenu sumpornu kiselinu.
Rice. 1. Germanijum. Izgled.
Atomska i molekulska težina germanijuma
DEFINICIJA
Relativna molekulska težina supstance (M r) je broj koji pokazuje koliko je puta masa date molekule veća od 1/12 mase atoma ugljika, i relativna atomska masa elementa (A r)- koliko je puta prosječna masa atoma nekog kemijskog elementa veća od 1/12 mase atoma ugljika.
Budući da germanij postoji u slobodnom stanju u obliku jednoatomskih Ge molekula, vrijednosti njegove atomske i molekularne mase se poklapaju. One su jednake 72.630.
Izotopi germanijuma
Poznato je da se germanijum može pojaviti u prirodi u obliku pet stabilnih izotopa 70 Ge (20,55%), 72 Ge (20,55%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) i 76 Ge (7,67%) . Njihovi maseni brojevi su 70, 72, 73, 74 i 76, redom. Jezgro izotopa germanija 70 Ge sadrži trideset dva protona i trideset osam neutrona, preostali izotopi se od njega razlikuju samo po broju neutrona.
Postoje umjetni nestabilni radioaktivni izotopi germanija s masenim brojevima od 58 do 86, među kojima je najdugovječniji izotop 68 Ge s vremenom poluraspada od 270,95 dana.
joni germanijuma
Na vanjskom energetskom nivou atoma germanija postoje četiri elektrona koji su valentni:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 .
Kao rezultat hemijske interakcije, germanijum odustaje od svojih valentnih elektrona, tj. je njihov donor, i pretvara se u pozitivno nabijeni ion:
Ge 0 -2e → Ge 2+;
Ge 0 -4e → Ge 4+ .
Molekul i atom germanijuma
U slobodnom stanju germanijum postoji u obliku jednoatomskih Ge molekula. Evo nekih svojstava koja karakteriziraju atom i molekulu germanija:
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
PRIMJER 2
| Vježbajte | Izračunajte masene udjele elemenata koji čine germanij (IV) oksid ako je njegova molekulska formula GeO 2 . |
| Rješenje | Maseni udio elementa u sastavu bilo koje molekule određuje se formulom: ω (X) = n × Ar (X) / Mr (HX) × 100%. |
(Germanijum; od lat. Germania - Nemačka), Ge - hemikalija. element IV grupe periodnog sistema elemenata; at. n. 32, at. m. 72,59. Srebrno-siva supstanca sa metalnim sjajem. In chem. spojevi pokazuju oksidacijska stanja + 2 i +4. Jedinjenja s oksidacijskim stanjem +4 su stabilnija. Prirodni germanijum se sastoji od četiri stabilna izotopa masenih brojeva 70 (20,55%), 72 (27,37%), 73(7,67%) i 74 (36,74%) i jednog radioaktivnog izotopa masenog broja 76 (7,67%) i poluraspada od 2.106 godina. Umjetno (uz pomoć raznih nuklearnih reakcija) su dobiveni mnogi radioaktivni izotopi; najvažniji je izotop 71 Ge sa poluživotom od 11,4 dana.
Postojanje svetog germanijuma (pod imenom "ekasilitsij") je 1871. godine predvideo ruski naučnik D. I. Mendeljejev. Međutim, tek 1886. godine. hemičar K. Winkler otkrio je nepoznati element u mineralu argiroditu, čija se svojstva poklapaju sa svojstvima "ekasilicijuma". Početak mature. proizvodnja germanijuma datira iz 40-ih godina. 20. vijeka, kada se koristio kao poluprovodnički materijal. Sadržaj germanijuma u zemljinoj kori (1-2) je 10~4%. Germanijum je element u tragovima i retko se nalazi kao sopstveni mineral. Poznato je sedam minerala u kojima je njegova koncentracija veća od 1%, među kojima su: Cu2 (Cu, Ge, Ga, Fe, Zn) 2 (S, As) 4X X (6,2-10,2% Ge), renijerit (Cu, Fe)2 (Cu, Fe, Ge, Ga, Zn)2 X X (S, As)4 (5,46-7,80% Ge) i argirodit Ag8GeS6 (3/55-6,93% Ge) . G. se takođe akumulira u kaustobiolitima (humusni ugljevi, uljni škriljci, nafta). Kristalna modifikacija dijamanta, stabilna u normalnim uslovima, ima kubičnu strukturu poput dijamanta, sa periodom a = 5,65753 A (gel).
Germanijum je
Gustoća germanija (t-ra 25°C) 5,3234 g/cm3, tmelt 937,2°C; tbp 2852°C; toplota fuzije 104,7 cal/g, toplota sublimacije 1251 cal/g, toplotni kapacitet (temperatura 25°C) 0,077 cal/g deg; koeficijent toplotna provodljivost, (t-ra 0°C) 0,145 cal/cm sec deg, temperaturni koeficijent. linearno širenje (t-ra 0-260°C), 5,8 x 10-6 deg-1. Tokom topljenja germanijum se smanjuje u zapremini (za oko 5,6%), njegova gustina se povećava za 4% h. Pri visokom pritisku, modifikacija nalik dijamantu. Germanij prolazi kroz polimorfne transformacije, formirajući kristalne modifikacije: tetragonalnu strukturu tipa B-Sn (GeII), tetragonalnu strukturu usredsređenu na tijelo s periodima a = 5,93 A, c = 6,98 A (GeIII) i kubičnu strukturu usmjerenu na tijelo sa period a = 6, 92A(GeIV). Ove modifikacije karakteriše veća gustina i električna provodljivost u poređenju sa GeI.
Amorfni germanijum se može dobiti u obliku filmova (debljine oko 10-3 cm) kondenzacijom pare. Njegova gustina je manja od gustine kristalnog G. Struktura energetskih zona u G. kristalu određuje njegove poluprovodničke osobine. Širina pojasa G. je jednaka 0,785 eV (t-ra 0 K), električna otpornost (t-ra 20 °C) je 60 ohm cm, a sa povećanjem temperature značajno opada prema eksponencijalnom zakonu. Nečistoće daju G. t. provodljivost nečistoća elektronskog (nečistoće arsena, antimona, fosfora) ili rupe (nečistoće galija, aluminijuma, indija) tipa. Mobilnost nosača naboja u G. (t-ra 25°C) za elektrone je oko 3600 cm2/v sec, za rupe - 1700 cm2/v sec, intrinzična koncentracija nosilaca naboja (t-ra 20°C) je 2.5. 10 13 cm-3. G. je dijamagnetna. Nakon topljenja, prelazi u metalno stanje. Germanijum je veoma krhak, njegova Mohsova tvrdoća je 6,0, mikrotvrdoća je 385 kgf/mm2, čvrstoća na pritisak (temperatura 20°C) je 690 kgf/cm2. S povećanjem t-ry, tvrdoća se smanjuje, iznad t-ry 650 ° C, postaje plastična, podložna krznu. obrada. Germanij je praktično inertan na zrak, kisik i neoksidirajuće elektrolite (ako nema otopljenog kisika) na temperaturama do 100°C. Otporan na djelovanje hlorovodonične i razrijeđene sumporne kiseline; polako se otapa u koncentrovanoj sumpornoj i azotnoj kiselini kada se zagrije (nastali film dioksida usporava otapanje), dobro se otapa u kraljevskoj vodi, u rastvorima hipohlorita ili alkalnih hidroksida (u prisustvu vodikovog peroksida), u alkalnim topljenjima, peroksidima, nitratima i karbonati alkalnih metala.
Iznad t-ry 600°C oksidira se u zraku i u struji kisika, stvarajući oksid GeO i dioksid (Ge02) s kisikom. Germanij oksid je tamno sivi prah koji sublimira na t-re 710°C, slabo rastvorljiv u vodi sa stvaranjem slabog germanita to-you (H2Ge02), slanog roja (germanita) niske otpornosti. U to-takhu GeO se lako otapa sa stvaranjem soli dvovalentnog H. Germanijum dioksid je beli prah, postoji u nekoliko polimorfnih modifikacija koje se u velikoj meri razlikuju po hemijskom sastavu. St. you: heksagonalna modifikacija dioksida je relativno dobro rastvorljiva u vodi (4,53 zU na t-re 25°C), alkalnim rastvorima i to-t, tetragonalna modifikacija je praktično nerastvorljiva u vodi i inertna na kiseline. Rastvarajući se u alkalijama, dioksid i njegov hidrat formiraju soli metagermanata (H2Ge03) i ortogermanata (H4Ge04) to-t - germanata. Germanati alkalnih metala se rastvaraju u vodi, preostali germanati su praktično nerastvorljivi; svježe istaloženo otopiti u mineralnim to-tah. G. se lako kombinuje sa halogenima, formirajući pri zagrevanju (oko t-ry 250 ° C) odgovarajuće tetrahalogenide - jedinjenja koja nisu nalik solima koja se lako hidroliziraju vodom. Poznati su G. - tamnosmeđi (GeS) i bijeli (GeS2).
Germanijum karakterišu jedinjenja sa azotom - smeđi nitrid (Ge3N4) i crni nitrid (Ge3N2), koji karakteriše manja hemikalija. upornost. Sa fosforom G. formira niskootporni fosfid (GeP) crne boje. Ne stupa u interakciju s ugljikom i ne legira; formira kontinuirani niz čvrstih otopina sa silicijumom. Germanij, kao analog ugljika i silicijuma, odlikuje se sposobnošću stvaranja germanovodonika tipa GenH2n + 2 (germani), kao i čvrstih jedinjenja tipa GeH i GeH2 (germeni). sa mnogim drugima. metali. G. ekstrakcija iz sirovina se sastoji u dobijanju bogatog koncentrata germanijuma, a iz njega - visoke čistoće. Na maturalnoj večeri. skale, germanijum se dobija iz tetrahlorida, koristeći njegovu visoku isparljivost tokom prečišćavanja (za izolaciju iz koncentrata), malo koncentrisane hlorovodonične kiseline i visokog sadržaja organskih rastvarača (za prečišćavanje od nečistoća). Često se za obogaćivanje koristi visoka isparljivost nižeg sulfida i oksida G., koji se lako sublimiraju.
Za dobivanje poluvodičkog germanija koriste se usmjerena kristalizacija i zonska rekristalizacija. Monokristalni germanijum se dobija izvlačenjem iz taline. U procesu uzgoja G., dodaju se posebne legure. aditiva, prilagođavajući određena svojstva monokristala. G. se isporučuje u obliku ingota dužine 380-660 mm i poprečnog presjeka do 6,5 cm2. Germanij se koristi u radio elektronici i elektrotehnici kao poluvodički materijal za proizvodnju dioda i tranzistora. Od njega se izrađuju leće za infracrvene optičke uređaje, dozimetri nuklearnog zračenja, analizatori rendgenske spektroskopije, senzori koji koriste Hallov efekat i pretvarači energije radioaktivnog raspada u električnu energiju. Germanij se koristi u mikrotalasnim atenuatorima, otpornim termometrima, koji rade na temperaturi tečnog helijuma. G. film nanesen na reflektor odlikuje se visokom refleksijom i dobrom otpornošću na koroziju. germanijum sa nekim metalima, koji se odlikuje povećanom otpornošću na kisele agresivne sredine, koristi se u izradi instrumenata, mašinstvu i metalurgiji. gemanijum sa zlatom formiraju eutektiku niskog taljenja i šire se pri hlađenju. G.-ov dioksid se koristi za proizvodnju specijal. staklo, koje se odlikuje visokim koeficijentom. prelamanja i prozirnosti u infracrvenom dijelu spektra, staklenih elektroda i termistora, kao i emajla i dekorativnih glazura. Germanati se koriste kao aktivatori fosfora i fosfora.
- hemijski element periodnog sistema hemijskih elemenata D.I. Mendeljejev. I označen simbolom Ge, germanij je jednostavna supstanca sivo-bijele boje i ima čvrste karakteristike poput metala.
Sadržaj u zemljinoj kori je 7,10-4% po težini. odnosi se na elemente u tragovima, zbog svoje reaktivnosti na oksidaciju u slobodnom stanju, ne javlja se kao čisti metal.
Pronalaženje germanijuma u prirodi
Germanijum je jedan od tri hemijska elementa koje je predvideo D.I. Mendeljejeva na osnovu njihovog položaja u periodičnom sistemu (1871).
Spada u retke elemente u tragovima.
Trenutno su glavni izvori industrijske proizvodnje germanijuma otpad iz proizvodnje cinka, koksovanje uglja, pepeo nekih određenih vrsta uglja, u silikatnim nečistoćama, sedimentne željezne stene, rude nikla i volframa, treset, nafta, geotermalne vode i neke alge. .
Glavni minerali koji sadrže germanijum
Plumbohermatit (PbGeGa) 2 SO 4 (OH) 2 + H 2 O sadržaj do 8,18%
jargirodit AgGeS6 sadrži od 3,65 do 6,93% Njemačka.
renjerit Cu 3 (FeGeZn) (SAs) 4 sadrži od 5,5 do 7,8% germanijuma.
U nekim zemljama dobijanje germanijuma je nusproizvod prerade određenih ruda kao što su cink-olovo-bakar. Germanijum se dobija i u proizvodnji koksa, kao iu pepelu mrkog uglja sa sadržajem od 0,0005 do 0,3% i u pepelu kamenog uglja sa sadržajem od 0,001 do 1-2%.
Germanij je kao metal vrlo otporan na djelovanje atmosferskog kisika, kisika, vode, nekih kiselina, razrijeđenih sumpornih i hlorovodoničnih kiselina. Ali koncentrirana sumporna kiselina reagira vrlo sporo.
Germanijum reaguje sa azotnom kiselinom HNO 3 i aqua regia, polako reaguje sa kaustičnim alkalijama da formira germanatnu so, ali uz dodatak vodikovog peroksida H 2O2 reakcija je veoma brza.
Kada je izložen visokim temperaturama iznad 700 °C, germanij se lako oksidira na zraku i formira GeO 2 , lako reaguje sa halogenima i formira tetrahalide.
Ne reaguje sa vodonikom, silicijumom, azotom i ugljenikom.
Poznata su hlapljiva jedinjenja germanija sa sljedećim karakteristikama:
Njemačka heksahidrid-digerman, Ge 2 H 6 - zapaljivi gas, razgrađuje se tokom dugotrajnog skladištenja na svetlu, žuti pa smeđi pretvarajući se u tamno smeđu čvrstu supstancu, razloženu vodom i alkalijama.
Njemački tetrahidrid, monogerman - GeH 4 .
Primena germanijuma
Germanijum, kao i neki drugi, ima svojstva takozvanih poluprovodnika. Svi se prema njihovoj električnoj provodljivosti dijele u tri grupe: provodnici, poluvodiči i izolatori (dielektrici). Specifična električna provodljivost metala je u opsegu 10V4 - 10V6 Ohm.cmV-1, data podjela je uslovna. Međutim, može se ukazati na fundamentalnu razliku u elektrofizičkim svojstvima provodnika i poluprovodnika. Za prve, električna provodljivost opada s porastom temperature, za poluvodiče raste. Na temperaturama blizu apsolutne nule, poluvodiči se pretvaraju u izolatore. Kao što je poznato, metalni provodnici pokazuju svojstva supravodljivosti u takvim uslovima.
Poluprovodnici mogu biti različite supstance. To uključuje: bor, (
Napominjemo da germanijum uzimamo u bilo kojoj količini i obliku, uklj. oblik otpada. Germanijum možete prodati pozivom na gore navedeni telefonski broj u Moskvi.
Germanijum je krhki, srebrno-bijeli polumetal otkriven 1886. Ovaj mineral se ne nalazi u svom čistom obliku. Nalazi se u silikatima, željeznim i sulfidnim rudama. Neki od njegovih spojeva su toksični. Germanij je bio naširoko korišten u elektroindustriji, gdje su njegove poluvodičke osobine bile korisne. Neophodan je u proizvodnji infracrvenih i optičkih vlakana.
Koja su svojstva germanijuma
Ovaj mineral ima tačku topljenja od 938,25 stepeni Celzijusa. Pokazatelji njegovog toplotnog kapaciteta naučnici još uvijek ne mogu objasniti, što ga čini nezamjenjivim u mnogim oblastima. Germanijum ima sposobnost da poveća svoju gustinu kada se rastopi. Ima odlična električna svojstva, što ga čini odličnim indirektnim poluprovodnikom.
Ako govorimo o hemijskim svojstvima ovog polumetala, treba napomenuti da je otporan na kiseline i alkalije, vodu i zrak. Germanij se rastvara u otopini vodikovog peroksida i carske vode.
rudarenje germanijuma
Sada se iskopava ograničena količina ovog polumetala. Njegove naslage su mnogo manje u odnosu na naslage bizmuta, antimona i srebra.
Zbog činjenice da je udio sadržaja ovog minerala u zemljinoj kori prilično mali, on stvara svoje minerale zbog unošenja drugih metala u kristalne rešetke. Najveći sadržaj germanijuma uočen je u sfaleritu, pirargiritu, sulfanitu, u rudama obojenih i željeznih ruda. Javlja se, ali mnogo rjeđe, u nalazištima nafte i uglja.
Upotreba germanijuma
Unatoč činjenici da je germanij otkriven prilično davno, počeo se koristiti u industriji prije oko 80 godina. Polumetal je prvi put korišten u vojnoj proizvodnji za proizvodnju nekih elektroničkih uređaja. U ovom slučaju se koristi kao diode. Sada se situacija donekle promijenila.
Najpopularnija područja primjene germanija uključuju:
- proizvodnja optike. Polumetal je postao nezamjenjiv u proizvodnji optičkih elemenata, koji uključuju optičke prozore senzora, prizme i sočiva. Ovdje su dobro došla svojstva prozirnosti germanija u infracrvenom području. Polumetal se koristi u proizvodnji optike za termovizijske kamere, protivpožarne sisteme, uređaje za noćno osmatranje;
- proizvodnja radio elektronike. U ovoj oblasti polumetal se koristio u proizvodnji dioda i tranzistora. Međutim, 1970-ih, germanijumski uređaji zamijenjeni su silikonskim, jer je silicij omogućio značajno poboljšanje tehničkih i operativnih karakteristika proizvedenih proizvoda. Povećana otpornost na temperaturne efekte. Osim toga, germanijumski uređaji emituju mnogo buke tokom rada.
Trenutna situacija sa Njemačkom
Trenutno se polumetal koristi u proizvodnji mikrovalnih uređaja. Teleridni germanijum se dokazao kao termoelektrični materijal. Cijene germanijuma su sada prilično visoke. Jedan kilogram metalnog germanijuma košta 1.200 dolara.
Kupovina Njemačke
Srebrno sivi germanijum je rijedak. Krhki polumetal odlikuje se svojim poluvodičkim svojstvima i naširoko se koristi za izradu modernih električnih uređaja. Takođe se koristi za izradu visoko preciznih optičkih instrumenata i radio opreme. Germanij je od velike vrijednosti i u obliku čistog metala i u obliku dioksida.
Kompanija Goldform specijalizovana je za otkup germanijuma, raznog starog metala i radio komponenti. Nudimo pomoć oko procene materijala, oko prevoza. Možete poslati germanijum poštom i dobiti ceo novac nazad.
