Och redan före kisel blev germanium det viktigaste halvledarmaterialet.
Här är frågan lämplig: vad är halvledare och halvledare? Även experter har ibland svårt att svara entydigt på det. "Den exakta definitionen av halvledning är svår och beror på vilken egenskap hos halvledare som anses" - detta undvikande svar är lånat från ett ganska respektabelt vetenskapligt arbete om halvledare. Det finns visserligen en mycket tydlig definition: "En halvledare är en ledare för två bilar", men det här är redan från folkloreområdet ...
Huvudsaken med element nummer 32 är att det är en halvledare. Vi återkommer till förklaringen av denna egenskap senare. Under tiden om germanium som en fysikalisk-kemisk "personlighet".
germanium som det är
Förmodligen har de allra flesta läsare aldrig sett germanium. Detta element är ganska sällsynt, dyrt, konsumtionsvaror är inte gjorda av det, och germanium "fyllning" av halvledarenheter är så liten att du kan se vad det är, germanium, svårt, även om enhetens kropp är trasig. Därför kommer vi att prata om germaniums huvudegenskaper, dess utseende, funktioner. Och du försöker mentalt göra de där enkla operationerna som författaren var tvungen att göra mer än en gång.
Vi extraherar ett standardgöt av germanium från förpackningen. Detta är en liten kropp av nästan regelbunden cylindrisk form, med en diameter på 10 till 35 och en längd på flera tiotals millimeter. Vissa referensböcker säger att artikel #32 är silver, men detta är inte alltid sant: färgen på germanium beror på dess ytbehandling. Ibland ser det nästan svart ut, ibland ser det ut som stål, men ibland är det också silver.
När du överväger ett germaniumgöt, glöm inte att det kostar ungefär lika mycket som guld, och åtminstone av denna anledning bör du inte tappa det på golvet. Men det finns en annan anledning, mycket viktigare: germanium är nästan lika sprött som glas och kan bete sig därefter. Jag har sett hur, efter ett sådant misslyckande, en slarvig experimenterare kröp längs golvet under en lång tid och försökte samla alla bitarna till en enda ... Till utseendet är germanium lätt att förväxla med kisel. Dessa element är inte bara konkurrenter som påstår sig vara det huvudsakliga halvledarmaterialet, utan också analoger. Men trots likheten mellan många tekniska egenskaper och utseende är det ganska enkelt att skilja ett germaniumgöt från ett kiselgöt: germanium är mer än dubbelt så tungt som kisel (densitet 5,33 respektive 2,33 g / cm 3).
Det sista påståendet måste förtydligas, även om det verkar som att siffrorna utesluter kommentarer. Faktum är att siffran 5,33 hänvisar till germanium-1 - den vanligaste och viktigaste av de fem allotropa modifikationerna av element nr 32. En av dem är amorf, fyra är kristallina. Av det kristallina germanium-1 är det lättaste. Dess kristaller är byggda på samma sätt som diamantkristaller, men om en sådan struktur bestämmer den maximala densiteten för kol, har germanium också tätare "packningar". Högt tryck med måttlig uppvärmning (30 tusen atm och 100 ° C) omvandlar Ge-I till Ge-II med ett kristallgitter, som vit tenn.
På liknande sätt kan även tätare än Ge-II, Ge-III och Ge-IV erhållas.
Alla "ovanliga" modifieringar av kristallint germanium är överlägsna Ge-I och elektrisk ledningsförmåga. Omnämnandet av denna speciella egenskap är inte av misstag: värdet av elektrisk ledningsförmåga (eller reciprokt värde - resistivitet) för ett halvledarelement är särskilt viktigt.
Men vad är en halvledare?
Formellt är en halvledare ett ämne med en resistivitet från tusendelar till miljoner ohm per 1 cm. "från" och "till" ramarna är mycket breda, men germaniums plats i detta intervall är ganska bestämd. Motståndet för en centimeterkub av rent germanium vid 18°C är 72 ohm. Vid 19°C reduceras resistansen för samma kub till 68 ohm. Detta är generellt karakteristiskt för halvledare - en betydande förändring i elektriskt motstånd med en liten förändring i temperaturen. När temperaturen stiger minskar vanligtvis motståndet. Det förändras avsevärt både under påverkan av bestrålning och under mekaniska deformationer.
Anmärkningsvärt är känsligheten hos germanium (liksom för andra halvledare) inte bara för yttre påverkan. Germaniums egenskaper påverkas starkt av till och med försumbara mängder föroreningar. Den kemiska naturen hos föroreningar är inte mindre viktig.
Tillägget av ett element i V-gruppen gör det möjligt att erhålla en halvledare med en elektronisk typ av konduktivitet. Så förbereds vattenkraftverk (elektroniskt germanium dopat med antimon). Genom att lägga till ett element i grupp III kommer vi att skapa en håltyp av konduktivitet i den (oftast är det GDH - hålgermanium dopat med gallium).
Kom ihåg att "hål" är platser som lämnats av elektroner som har passerat till en annan energinivå. Den "lägenhet" som migranten utrymt kan omedelbart ockuperas av hans granne, men han hade också en egen lägenhet. Omplaceringar görs en efter en, och hålet rör sig.
Kombinationen av områden med elektronisk och hålledningsförmåga utgjorde grunden för de viktigaste halvledarenheterna - dioder och transistorer. Till exempel genom att smälta indium till en HES-platta och på så sätt skapa en region med hålledning, får vi en likriktaranordning - en diod. Den leder elektrisk ström huvudsakligen i en riktning - från området med hålledningsförmåga till den elektroniska. Efter att ha smält indium på båda sidor av HPP-plattan förvandlar vi denna platta till basen för transistorn.
Världens första germaniumtransistor skapades 1948, och efter 20 år producerades hundratals miljoner sådana enheter. Germaniumdioder och trioder används ofta i radio och tv, datorer och olika mätutrustningar.
Germanium används också inom andra viktiga områden av modern teknik: för att mäta låga temperaturer, för att detektera infraröd strålning, etc. Alla dessa områden kräver germanium av mycket hög renhet - fysisk och kemisk. Den kemiska renheten är sådan att mängden skadliga föroreningar inte överstiger en tiomiljondels procent (107%). Fysisk renhet är ett minimum av dislokationer, störningar i kristallstrukturen. För att uppnå det odlas enkristall germanium: hela götet är en kristall.
För denna otroliga renhet
I jordskorpan är germanium inte särskilt liten - 7 * 10 -4% av sin massa. Detta är mer än bly, silver, volfram. Germanium finns på solen och i meteoriter. Tyskland finns i alla länder. Men industriella fyndigheter av germaniummineraler har tydligen inte något industrialiserat land. Germanium är mycket spritt. Mineraler där detta grundämne är mer än 1% - argyrodite, germanit, ultramafisk och andra, inklusive renierit, shtotite, confieldite och plumbogermanite som upptäckts först under de senaste decennierna - är mycket sällsynta. De kan inte täcka världens behov av detta viktiga element.
Och huvuddelen av jordbundet germanium är dispergerat i mineraler av andra element, i kol, i naturliga vatten, i jord och levande organismer. I till exempel kol kan halten germanium nå en tiondels procent. Kanske, men det når inte alltid. I antracit, till exempel, är det nästan frånvarande ... Med ett ord, germanium finns överallt och ingenstans.
Därför är metoderna för koncentration av germanium mycket komplexa och olika. De beror främst på typen av råmaterial och innehållet av detta element i det.
Akademikern Nikolai Petrovich Sazhin var chef för den omfattande studien och lösningen av germaniumproblemet i Sovjetunionen. Hur den sovjetiska halvledarindustrin föddes beskrivs i hans artikel publicerad i tidskriften "Chemistry and Life" ett och ett halvt år innan denna enastående vetenskapsman och arrangör av vetenskapen dog.
Ren germaniumdioxid erhölls för första gången i vårt land i början av 1941. Den användes för att tillverka germaniumglas med ett mycket högt ljusbrytningsindex. Forskningen om element nr 32 och metoder för dess möjliga produktion återupptogs efter kriget, 1947. Nu var forskare intresserade av germanium just som halvledare.
Nya analysmetoder hjälpte till att avslöja en ny källa till germaniumråvaror - tjärvatten från koksväxter. Tyskland i dem är inte mer än 0,0003%, men med hjälp av ett ekextrakt från dem visade det sig vara lätt att fälla ut germanium i form av ett tannidkomplex. Huvudkomponenten i tannin är en glukosester. Det kan binda germanium även om koncentrationen av detta element i lösning är försvinnande liten.
Från den resulterande fällningen, som förstör det organiska materialet, är det lätt att få ett koncentrat som innehåller upp till 45% germaniumdioxid.
Ytterligare omvandlingar beror lite på typen av råvara. Germanium reduceras med väte (som Winkler gjorde), men först måste du separera germaniumoxid från många föroreningar. För att lösa detta problem visade sig en framgångsrik kombination av egenskaperna hos en av germaniumföreningarna vara mycket användbar.
Germaniumtetraklorid GeCl 4 är en flyktig vätska med låg kokpunkt (83,1°C). Därför är det bekvämt att rena det genom destillation och rektifikation (processen sker i kvartskolonner med en packning). Germaniumtetraklorid är nästan olösligt i koncentrerad saltsyra. Därför kan upplösningen av föroreningar med saltsyra användas för att rena GeCl 4 .
Renad GeCl4 behandlas med vatten, från vilket nästan alla föroreningar tidigare avlägsnats med jonbytarhartser. Ett tecken på den önskade renheten är en ökning av vattenresistiviteten till 15-20 miljoner ohm-cm.
Under inverkan av vatten hydrolyseras germaniumtetraklorid: GeCl 4 + 2H 2 O → GeO 2 + 4 HCl. Observera att detta är den "omvända" ekvationen för reaktionen där germaniumtetraklorid erhålls. Detta följs av reduktion av GeO 2 med renat väte: GeO 2 + 2H 2 → Ge + 2H 2 O. Pulveriserat germanium erhålls, som legeras och sedan renas ytterligare genom zonsmältning. Förresten, denna metod för rening av material utvecklades 1952 specifikt för rening av halvledargermanium.
Föroreningar som är nödvändiga för att ge germanium en eller annan typ av ledningsförmåga (elektronisk eller hål) införs i de sista stegen av produktionen, d.v.s. under zonsmältning och i processen att växa en enkristall.
Ända sedan man 1942 konstaterade att det skulle vara fördelaktigt att ersätta en del av vakuumrören i radarsystem med halvledardetektorer har intresset för germanium växt från år till år. Studiet av detta tidigare oanvända element bidrog till utvecklingen av vetenskapen i allmänhet och framför allt av fasta tillståndets fysik. Och betydelsen av halvledarenheter - dioder, transistorer, termistorer, töjningsmätare, fotodioder och andra - för utvecklingen av radioelektronik och teknik i allmänhet är så stor och så välkänd att det är värt att prata om. i höga toner återigen på något sätt obehagligt. Fram till 1965 tillverkades de flesta halvledarenheter på germaniumbasis. Men under de efterföljande åren började processen med gradvis förskjutning av "ecasilikon" av kisel själv att utvecklas.
Germanium under tryck av kisel
Kiselhalvledarenheter kan jämföras med germaniumenheter, främst genom bättre prestanda vid förhöjda temperaturer och lägre backströmmar. Den stora fördelen med kisel var också dess dioxids motståndskraft mot yttre påverkan. Det var hon som gjorde det möjligt att skapa en mer progressiv - plan teknik för produktion av halvledarenheter, bestående av det faktum att en kiselplatta värms upp i syre eller en blandning av syre med vattenånga och den är täckt med ett skyddande lager av SiO2.
Efter att sedan etsat "fönstren" på rätt ställen, införs dopämnen genom dem, kontakter ansluts här, och enheten som helhet är under tiden skyddad från yttre påverkan. För germanium är en sådan teknik ännu inte möjlig: stabiliteten hos dess dioxid är otillräcklig. Under anstormningen av kisel, galliumarsenid och andra halvledare förlorade germanium sin position som det huvudsakliga halvledarmaterialet. 1968 tillverkade USA mycket fler kiseltransistorer än germaniumtransistorer. Nu är världsproduktionen av germanium, enligt utländska experter, 90-100 ton per år. Hans position inom tekniken är ganska stark.
- För det första är halvledargermanium märkbart billigare än halvledarkisel.
- För det andra är det lättare och mer lönsamt att göra vissa halvledarenheter, som tidigare, från germanium och inte från kisel.
- För det tredje gör de fysiska egenskaperna hos germanium det praktiskt taget oumbärligt vid tillverkning av vissa typer av anordningar, särskilt tunneldioder.
Allt detta ger anledning att tro att värdet av germanium alltid kommer att vara stort.
EN ANNAN KORREKT FÖRUTSägelse. Mycket har skrivits om framsyntheten hos D. I. Mendeleev, som beskrev egenskaperna hos tre ännu oupptäckta element. Vi vill inte upprepa oss själva, vi vill bara uppmärksamma noggrannheten i Mendeleev-prognosen. Jämför data från Mendeleev och Winkler sammanfattade i tabellen.
Ekasilicon Atomvikt 72 Specifik vikt 5,5 Atomvolym 13 Högre oxid EsO 2 Dess specifika vikt 4,7
Kloridförening EsCl 4 - vätska med en kokpunkt på cirka 90 ° C
Vätebindning EsH 4 gasformig
Organometallisk förening Es(C2H 5) 4 med en kokpunkt på 160°C
Germanium Atomvikt 72,6 Specifik vikt 5,469 Atomvolym 13,57 Högre oxid GeO 2 Dess specifika vikt 4,703
Kloridförening GeCl 4 - vätska med en kokpunkt på 83 ° C
Vätebindning GeH 4 gasformig
Organometallisk förening Ge (C2H 5) 4 med en kokpunkt på 163,5 ° C
BREV FRÅN CLEMENS WINKLER
"Ers Majestät!
Tillåt mig härmed att ge dig ett omtryck av meddelandet, av vilket det följer att jag har upptäckt ett nytt grundämne "germanium". Först var jag av den åsikten att detta grundämne fyllde gapet mellan antimon och vismut i ditt underbart genomträngande konstruerade periodiska system och att detta grundämne sammanfaller med din ekaantimon, men allt tyder på att vi här har att göra med ekasilicium.
Jag hoppas snart kunna berätta mer om detta intressanta ämne; idag begränsar jag mig till att meddela dig om den mycket troliga triumfen av din lysande forskning och vittna om min respekt och djupa respekt för dig.
MENDELEEV SVAR: "Eftersom upptäckten av germanium är kronan på det periodiska systemet, äger du som germaniums "fader" denna krona; för mig är min roll som föregångare och den vänliga attityd som jag mötte med dig värdefull.
GERMANIUM OCH EKOLOGISKA. Den första organoelementföreningen av grundämne nr 32, tetraetylgermanium, erhölls av Winkler från germaniumtetraklorid. Intressant nog är ingen av de germaniumorganiska elementföreningarna som erhållits hittills giftig, medan de flesta bly- och tennorganiska föreningar (dessa element är analoger av germanium) är giftiga.
HUR GERMANIUM MONOCRYSTAL ODLAS. En germaniumkristall placeras på ytan av smält germanium - ett "frö", som gradvis höjs av en automatisk anordning; smälttemperaturen är något högre än smältpunkten för germanium (937°C). Fröet roteras så att enkristallen "övervuxen med kött" jämnt från alla sidor. Det är viktigt att i processen med sådan tillväxt händer samma sak som vid zonsmältning: nästan uteslutande germanium passerar in i "uppbyggnaden" (fast fas), och de flesta av föroreningarna förblir i smältan.
GERMANIUM OCH SUPERLEDNING. Den klassiska halvledaren germanium visade sig vara inblandad i att lösa ett annat viktigt problem - skapandet av supraledande material som arbetar vid temperaturen av flytande väte, och inte flytande helium. Väte, som är känt, går från ett gasformigt till ett flytande tillstånd vid en temperatur av -252,6 ° C, eller 20,5 ° K. I början av 70-talet erhölls en film från en legering av germanium med niob med en tjocklek av endast en några tusen atomer. Denna film bibehåller supraledning vid temperaturer på 24,3°K och lägre.
Det kemiska grundämnet germanium är i den fjärde gruppen (huvudundergruppen) i grundämnenas periodiska system. Den tillhör familjen metaller, dess relativa atommassa är 73. I massa uppskattas innehållet av germanium i jordskorpan till 0,00007 viktprocent.
Upptäcktshistoria
Det kemiska elementet germanium etablerades tack vare förutsägelserna från Dmitry Ivanovich Mendeleev. Det var han som förutspådde existensen av ecasilikon, och rekommendationer gavs för dess sökning.
Han trodde att detta metallelement finns i titan, zirkoniummalmer. Mendeleev försökte på egen hand hitta detta kemiska element, men hans försök var misslyckade. Bara femton år senare, vid en gruva belägen i Himmelfurst, hittades ett mineral, kallat argyrodite. Denna förening har sitt namn till silver som finns i detta mineral.
Det kemiska elementet germanium i kompositionen upptäcktes först efter att en grupp kemister från Freiberg Mining Academy började forskning. Under ledning av K. Winkler fick de reda på att endast 93 procent av mineralet utgörs av oxider av zink, järn, samt svavel, kvicksilver. Winkler föreslog att de återstående sju procenten kom från ett då okänt kemiskt element. Efter ytterligare kemiska experiment upptäcktes germanium. Kemisten tillkännagav sin upptäckt i en rapport, presenterade den mottagna informationen om egenskaperna hos det nya elementet för det tyska kemisamfundet.
Det kemiska grundämnet germanium introducerades av Winkler som en icke-metall, i analogi med antimon och arsenik. Kemisten ville kalla det neptunium, men det namnet hade redan använts. Sedan började det kallas germanium. Det kemiska elementet som upptäcktes av Winkler orsakade en allvarlig diskussion bland tidens ledande kemister. Den tyske vetenskapsmannen Richter föreslog att detta är samma exasilicon som Mendeleev talade om. En tid senare bekräftades detta antagande, vilket bevisade livskraften för den periodiska lagen skapad av den store ryske kemisten.
Fysikaliska egenskaper
Hur kan germanium karakteriseras? Det kemiska elementet har 32 serienummer i Mendeleev. Denna metall smälter vid 937,4 °C. Kokpunkten för detta ämne är 2700 °C.
Germanium är ett grundämne som först användes i Japan för medicinska ändamål. Efter många studier av organogermaniumföreningar utförda på djur, såväl som under studier på människor, var det möjligt att finna en positiv effekt av sådana malmer på levande organismer. 1967 lyckades Dr K. Asai upptäcka det faktum att organiskt germanium har ett enormt spektrum av biologiska effekter.
Biologisk aktivitet
Vad kännetecknar det kemiska grundämnet germanium? Det kan transportera syre till alla vävnader i en levande organism. Väl i blodet beter sig det analogt med hemoglobin. Germanium garanterar full funktion av alla system i människokroppen.
Det är denna metall som stimulerar reproduktionen av immunceller. Det, i form av organiska föreningar, tillåter bildandet av gamma-interferoner, som hämmar reproduktionen av mikrober.
Germanium förhindrar bildandet av maligna tumörer, förhindrar utvecklingen av metastaser. Organiska föreningar av detta kemiska element bidrar till produktionen av interferon, en skyddande proteinmolekyl som produceras av kroppen som en skyddande reaktion på uppkomsten av främmande kroppar.
Användningsområden
Den svampdödande, antibakteriella, antivirala egenskapen hos germanium har blivit grunden för dess användningsområden. I Tyskland erhölls detta element huvudsakligen som en biprodukt från bearbetningen av icke-järnhaltiga malmer. Germaniumkoncentrat isolerades med olika metoder, som beror på sammansättningen av råvaran. Den innehöll inte mer än 10 procent av metallen.
Hur exakt används germanium i modern halvledarteknik? Egenskapen hos elementet som gavs tidigare bekräftar möjligheten att det kan användas för produktion av trioder, dioder, effektlikriktare och kristalldetektorer. Germanium används också för att skapa dosimetriska instrument, enheter som är nödvändiga för att mäta styrkan hos ett konstant och alternerande magnetfält.
Ett viktigt användningsområde för denna metall är tillverkning av infraröda strålningsdetektorer.
Det är lovande att använda inte bara germanium självt, utan också några av dess föreningar.
Kemiska egenskaper
Germanium vid rumstemperatur är ganska resistent mot fukt och atmosfäriskt syre.
I serien - germanium - tenn) observeras en ökning av reduceringsförmågan.
Germanium är resistent mot lösningar av salt- och svavelsyror, det interagerar inte med alkalilösningar. Samtidigt löser sig denna metall ganska snabbt i aqua regia (sju salpeter- och saltsyror), såväl som i en alkalisk lösning av väteperoxid.
Hur ger man en fullständig beskrivning av ett kemiskt element? Germanium och dess legeringar måste analyseras inte bara i termer av fysikaliska och kemiska egenskaper, utan också i termer av tillämpningar. Processen för oxidation av germanium med salpetersyra fortskrider ganska långsamt.
Att vara i naturen
Låt oss försöka karakterisera det kemiska elementet. Germanium finns i naturen endast i form av föreningar. Bland de vanligaste germaniumhaltiga mineralerna i naturen pekar vi ut germanit och argyrodit. Dessutom finns germanium i zinksulfider och silikater, och i små mängder i olika typer av kol.
Skada på hälsan
Vilken effekt har germanium på kroppen? Ett kemiskt element vars elektroniska formel är 1e; 8 e; 18 e; 7 e, kan påverka människokroppen negativt. Till exempel, när man laddar ett germaniumkoncentrat, maler, samt laddar dioxiden från denna metall, kan yrkessjukdomar uppstå. Som andra källor som är skadliga för hälsan, kan vi överväga processen att smälta om germaniumpulver till stänger och erhålla kolmonoxid.
Adsorberat germanium kan snabbt utsöndras från kroppen, mestadels med urin. För närvarande finns det ingen detaljerad information om hur giftiga oorganiska germaniumföreningar är.
Germaniumtetraklorid har en irriterande effekt på huden. I kliniska prövningar, såväl som med långvarig oral administrering av kumulativa mängder som nådde 16 gram spirogermanium (ett organiskt antitumörläkemedel), såväl som andra germaniumföreningar, fann man nefrotoxisk och neurotoxisk aktivitet av denna metall.
Sådana doser är i allmänhet inte typiska för industriföretag. De experiment som utfördes på djur syftade till att studera effekten av germanium och dess föreningar på en levande organism. Som ett resultat var det möjligt att fastställa en försämring av hälsan vid inandning av en betydande mängd damm av metalliskt germanium, såväl som dess dioxid.
Forskare har hittat allvarliga morfologiska förändringar i lungorna hos djur, som liknar proliferativa processer. Till exempel avslöjades en betydande förtjockning av de alveolära sektionerna, liksom hyperplasi av lymfkärlen runt bronkierna, förtjockning av blodkärlen.
Germaniumdioxid irriterar inte huden, men direkt kontakt av denna förening med ögats membran leder till bildandet av germansyra, som är ett allvarligt ögonirriterande. Vid långvariga intraperitoneala injektioner fann man allvarliga förändringar i perifert blod.
Viktiga fakta
De mest skadliga germaniumföreningarna är germaniumklorid och germaniumhydrid. Det senare ämnet framkallar allvarlig förgiftning. Som ett resultat av en morfologisk undersökning av organen hos djur som dog under den akuta fasen, visade de betydande störningar i cirkulationssystemet, såväl som cellulära modifieringar i de parenkymala organen. Forskare kom till slutsatsen att hydrid är ett multifunktionsgift som påverkar nervsystemet och trycker ner det perifera cirkulationssystemet.
germaniumtetraklorid
Det är starkt irriterande för andningsorganen, ögonen och huden. Vid en koncentration av 13 mg/m 3 kan den undertrycka pulmonell respons på cellnivå. Med en ökning av koncentrationen av detta ämne uppstår en allvarlig irritation i de övre luftvägarna, betydande förändringar i rytmen och andningsfrekvensen.
Förgiftning med detta ämne leder till katarral-deskvamativ bronkit, interstitiell lunginflammation.
Mottagande
Eftersom germanium i naturen är närvarande som en förorening till nickel-, polymetall-, volframmalmer, utförs flera arbetsintensiva processer förknippade med malmberikning i industrin för att isolera ren metall. Först isoleras germaniumoxid från den, sedan reduceras den med väte vid en förhöjd temperatur för att erhålla en enkel metall:
Ge02 + 2H2 = Ge + 2H2O.
Elektroniska egenskaper och isotoper
Germanium anses vara en typisk halvledare med indirekt gap. Värdet på dess permittivitet är 16 och värdet på elektronaffinitet är 4 eV.
I en tunn film dopad med gallium är det möjligt att ge germanium ett tillstånd av supraledning.
Det finns fem isotoper av denna metall i naturen. Av dessa är fyra stabila, och den femte genomgår dubbel beta-sönderfall, med en halveringstid på 1,58×10 21 år.
Slutsats
För närvarande används organiska föreningar av denna metall i olika industrier. Transparens i det infraröda spektrala området av metalliskt germanium med ultrahög renhet är viktigt för tillverkning av optiska element av infraröd optik: prismor, linser, optiska fönster för moderna sensorer. Den vanligaste användningen av germanium är skapandet av optik för värmekameror som arbetar i våglängdsområdet från 8 till 14 mikron.
Sådana anordningar används i militär utrustning för infraröda styrsystem, mörkerseende, passiv värmeavbildning och brandbekämpningssystem. Germanium har också ett högt brytningsindex, vilket är nödvändigt för antireflekterande beläggning.
Inom radioteknik har germaniumbaserade transistorer egenskaper som i många avseenden överstiger kiselelementens. De omvända strömmarna hos germaniumceller är betydligt högre än hos deras kiselmotsvarigheter, vilket gör det möjligt att avsevärt öka effektiviteten hos sådana radioenheter. Med tanke på att germanium inte är lika vanligt i naturen som kisel, används kiselhalvledarelement främst i radioenheter.
DEFINITION
Germaniumär det trettioandra elementet i det periodiska systemet. Beteckning - Ge från latinets "germanium". Beläget i den fjärde perioden, IVA-gruppen. Avser halvmetaller. Kärnladdningen är 32.
I kompakt tillstånd har germanium en silverfärgad färg (fig. 1) och ser ut som en metall. Vid rumstemperatur är den resistent mot luft, syre, vatten, saltsyra och utspädd svavelsyra.
Ris. 1. Germanium. Utseende.
Atom- och molekylvikt för germanium
DEFINITION
Relativ molekylvikt för ett ämne (M r)är ett tal som visar hur många gånger massan av en given molekyl är större än 1/12 av massan av en kolatom, och relativ atommassa för ett grundämne (A r)- hur många gånger den genomsnittliga massan av atomer i ett kemiskt element är större än 1/12 av massan av en kolatom.
Eftersom germanium finns i det fria tillståndet i form av monoatomiska Ge-molekyler, sammanfaller värdena för dess atom- och molekylmassa. De är lika med 72.630.
Isotoper av germanium
Det är känt att germanium kan förekomma i naturen i form av fem stabila isotoper 70 Ge (20,55%), 72 Ge (20,55%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) och 76 Ge (7,67%) . Deras massnummer är 70, 72, 73, 74 respektive 76. Kärnan i germaniumisotopen 70 Ge innehåller trettiotvå protoner och trettioåtta neutroner, de återstående isotoperna skiljer sig från den endast i antalet neutroner.
Det finns konstgjorda instabila radioaktiva isotoper av germanium med masstal från 58 till 86, bland vilka 68 Ge-isotopen med en halveringstid på 270,95 dagar är den längsta livslängden.
germaniumjoner
På den yttre energinivån hos germaniumatomen finns det fyra elektroner som är valens:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 .
Som ett resultat av kemisk interaktion ger germanium upp sina valenselektroner, d.v.s. är deras donator och förvandlas till en positivt laddad jon:
Geo-2e → Ge2+;
Ge 0 -4e → Ge 4+.
Molekyl och atom av germanium
I det fria tillståndet finns germanium i form av monoatomiska Ge-molekyler. Här är några egenskaper som kännetecknar germaniumatomen och molekylen:
Exempel på problemlösning
EXEMPEL 1
EXEMPEL 2
| Träning | Beräkna massfraktionerna av de grundämnen som utgör germanium(IV)oxid om dess molekylformel är GeO 2 . |
| Lösning | Massfraktionen av ett element i sammansättningen av någon molekyl bestäms av formeln: ω (X) = n × Ar (X) / Mr (HX) × 100%. |
(Germanium; från lat. Germania - Tyskland), Ge - kemisk. element i grupp IV i det periodiska systemet av element; på. n. 32, kl. m. 72,59. Silvergrå substans med metallglans. I chem. föreningar uppvisar oxidationstillstånd +2 och +4. Föreningar med ett oxidationstillstånd på +4 är mer stabila. Naturligt germanium består av fyra stabila isotoper med masstal 70 (20,55 %), 72 (27,37 %), 73 (7,67 %) och 74 (36,74 %) och en radioaktiv isotop med massnummer 76 ( 7,67 %) och en halveringstid på 2 106 år. På konstgjord väg (med hjälp av olika kärnreaktioner) har många radioaktiva isotoper erhållits; den viktigaste är isotopen 71 Ge med en halveringstid på 11,4 dagar.
Förekomsten av heligt germanium (under namnet "ekasilitsiy") förutspåddes 1871 av den ryska vetenskapsmannen D. I. Mendeleev. Dock först 1886 det. kemisten K. Winkler upptäckte ett okänt grundämne i mineralet argyrodite, vars egenskaper sammanföll med egenskaperna hos "ecasilicon". Början av balen. tillverkningen av germanium går tillbaka till 40-talet. 1900-talet, då det användes som ett halvledarmaterial. Innehållet germanium i jordskorpan (1-2) är 10~4%. Germanium är ett spårämne och finns sällan som sina egna mineraler. Sju mineraler är kända, i vilka dess koncentration är mer än 1%, bland dem: Cu2 (Cu, Ge, Ga, Fe, Zn) 2 (S, As) 4X X (6,2-10,2% Ge), rhenierit (Cu, Fe)2 (Cu, Fe, Ge, Ga, Zn)2 X X (S, As)4 (5,46-7,80% Ge) och argyrodite Ag8GeS6 (3/55-6,93% Ge). G. ansamlas också i kaustobioliter (humuskol, oljeskiffer, olja). Den kristallina modifieringen av diamant, stabil under vanliga förhållanden, har en kubisk struktur som diamant, med en period a = 5,65753 A (Gel).
Germanium är
Densiteten av germanium (t-ra 25°C) 5,3234 g/cm3, smältpunkt 937,2°C; tbp 2852°C; smältvärme 104,7 cal/g, sublimeringsvärme 1251 cal/g, värmekapacitet (temperatur 25°C) 0,077 cal/g grader; koefficient värmeledningsförmåga, (t-ra 0 ° C) 0,145 cal / cm sek grader, temperaturkoefficient. linjär expansion (t-ra 0-260°C), 5,8 x 10-6 grader-1. Under smältning minskar germanium i volym (med cirka 5,6%), dess densitet ökar med 4% h. Vid högt tryck, en diamantliknande modifiering. Germanium genomgår polymorfa transformationer och bildar kristallina modifikationer: en tetragonal struktur av B-Sn-typ (GeII), en kroppscentrerad tetragonal struktur med perioderna a = 5,93 A, c = 6,98 A (GeIII) och en kroppscentrerad kubisk struktur med en period a = 6, 92A(GeIV). Dessa modifieringar kännetecknas av högre densitet och elektrisk ledningsförmåga jämfört med GeI.
Amorft germanium kan erhållas i form av filmer (ca 10-3 cm tjocka) genom ångkondensation. Dess densitet är mindre än densiteten för kristallint G. Strukturen av energizoner i G. kristall bestämmer dess halvledaregenskaper. Bredden på bandgapet G. är lika med 0,785 eV (t-ra 0 K), den elektriska resistiviteten (t-ra 20 ° C) är 60 ohm cm, och med ökande temperatur minskar den avsevärt enligt en exponentiell lag. Orenheter ger G. t. föroreningsledningsförmåga av den elektroniska (föroreningar av arsenik, antimon, fosfor) eller hål (föroreningar av gallium, aluminium, indium) typ. Rörligheten för laddningsbärare i G. (t-ra 25 ° C) för elektroner är cirka 3600 cm2 / v sek, för hål - 1700 cm2 / v sek, den inneboende koncentrationen av laddningsbärare (t-ra 20 ° C) är 2.5. 10 13 cm-3. G. är diamagnetisk. Vid smältning omvandlas den till ett metalliskt tillstånd. Germanium är mycket skört, dess Mohs-hårdhet är 6,0, mikrohårdheten är 385 kgf/mm2, tryckhållfastheten (temperatur 20°C) är 690 kgf/cm2. Med en ökning av t-ry minskar hårdheten, över t-ry 650 ° C, det blir plastiskt, mottagligt för päls. bearbetning. Germanium är praktiskt taget inert mot luft, syre och mot icke-oxiderande elektrolyter (om det inte finns något löst syre) vid temperaturer upp till 100 ° C. Resistent mot verkan av saltsyra och utspädd svavelsyra; löser sig långsamt i koncentrerad svavelsyra och salpetersyra vid upphettning (den resulterande filmen av dioxid saktar ner upplösningen), löser sig väl i regenvatten, i lösningar av hypokloriter eller alkalihydroxider (i närvaro av väteperoxid), i alkalismältor, peroxider, nitrater och karbonater av alkalimetaller.
Över t-ry 600 ° C oxideras i luft och i en ström av syre, och bildar oxid GeO och dioxid (Ge02) med syre. Germaniumoxid är ett mörkgrått pulver som sublimeras vid t-re 710 ° C, lätt lösligt i vatten med bildning av en svag germanit till dig (H2Ge02), en saltsvärm (germaniter) med låg motståndskraft. In to-takh GeO löses lätt med bildning av salter av tvåvärt H. Germaniumdioxid är ett vitt pulver, finns i flera polymorfa modifieringar som skiljer sig mycket i kemisk. St. du: den hexagonala modifieringen av dioxid är relativt vällöslig i vatten (4,53 zU vid t-re 25 ° C), alkalilösningar och to-t, den tetragonala modifieringen är praktiskt taget olöslig i vatten och inert mot syror. Dioxiden och dess hydrat löses upp i alkalier och bildar salter av metagermanat (H2Ge03) och orthogermanat (H4Ge04) till-t - germanater. Alkalimetallgermanater löses i vatten, de återstående germanaten är praktiskt taget olösliga; nyutfälld lös i mineral till-tah. G. kombineras lätt med halogener och bildar vid upphettning (cirka t-ry 250 ° C) motsvarande tetrahalogenider - icke-saltliknande föreningar som lätt hydrolyseras av vatten. G. är kända - mörkbrun (GeS) och vit (GeS2).
Germanium kännetecknas av föreningar med kväve - brun nitrid (Ge3N4) och svart nitrid (Ge3N2), kännetecknad av en mindre kemikalie. envishet. Med fosfor bildar G. en lågresistent fosfid (GeP) av svart färg. Det interagerar inte med kol och legerar inte, det bildar en kontinuerlig serie av fasta lösningar med kisel. Germanium, som en analog av kol och kisel, kännetecknas av förmågan att bilda germanoväte av typen GenH2n + 2 (germanes), såväl som fasta föreningar av GeH- och GeH2-typerna (germenes). Germanium bildar metallföreningar () och med många andra. metaller. G:s utvinning ur råvaror består i att få ett rikt germaniumkoncentrat, och från det - hög renhet. I balen. germanium erhålls från tetraklorid, med sin höga flyktighet under rening (för isolering från koncentrat), låg halt av koncentrerad saltsyra och hög halt av organiska lösningsmedel (för rening från föroreningar). Ofta för anrikning använda hög flyktighet av lägre sulfid och oxid G., till-råg är lätt sublimeras.
För att erhålla halvledargermanium används riktad kristallisation och zonomkristallisation. Monokristallint germanium erhålls genom att dra från smältan. I processen att odla G. tillsätts speciella legeringar. tillsatser, justering av vissa egenskaper hos monokristallen. G. levereras i form av tackor med en längd av 380-660 mm och ett tvärsnitt på upp till 6,5 cm2. Germanium används inom radioelektronik och elektroteknik som ett halvledarmaterial för tillverkning av dioder och transistorer. Linser för infraröda optiska enheter, nukleär strålningsdosimetrar, röntgenspektroskopianalysatorer, sensorer som använder Hall-effekten och omvandlare av radioaktiv sönderfallsenergi till elektrisk energi tillverkas av det. Germanium används i mikrovågsdämpare, motståndstermometrar, som drivs vid en temperatur av flytande helium. G.-filmen som avsatts på reflektorn kännetecknas av hög reflektivitet och god korrosionsbeständighet. germanium med vissa metaller, kännetecknat av ökad motståndskraft mot sura aggressiva miljöer, används inom instrumenttillverkning, maskinteknik och metallurgi. gemanium med guld bildar ett lågsmältande eutektikum och expanderar vid kylning. G:s dioxid används för tillverkning av special. glas, kännetecknat av en hög koefficient. brytning och transparens i den infraröda delen av spektrumet, glaselektroder och termistorer, samt emaljer och dekorativa glasyrer. Germanater används som aktivatorer av fosforer och fosforer.
- ett kemiskt element i det periodiska systemet av kemiska element D.I. Mendelejev. Och betecknad med symbolen Ge, germanium är ett enkelt ämne som är gråvit till färgen och har solida egenskaper som en metall.
Innehållet i jordskorpan är 7,10-4 viktprocent. hänvisar till spårämnen, på grund av dess reaktivitet mot oxidation i fritt tillstånd förekommer den inte som en ren metall.
Hitta germanium i naturen
Germanium är ett av de tre kemiska grundämnena som förutspåtts av D.I. Mendeleev på grundval av deras position i det periodiska systemet (1871).
Det tillhör sällsynta spårämnen.
För närvarande är de huvudsakliga källorna till industriell produktion av germanium avfall från zinkproduktion, kolkoksning, aska från vissa typer av kol, i silikatföroreningar, sedimentära järnstenar, nickel- och volframmalmer, torv, olja, geotermiska vatten och vissa alger .
De viktigaste mineralerna som innehåller germanium
Plumbohermatite (PbGeGa) 2SO4 (OH)2 + H2 O-halt upp till 8,18 %
yargyrodite AgGeS6 innehåller från 3,65 till 6,93 % Tyskland.
rhenierit Cu 3 (FeGeZn)(SAs) 4 innehåller från 5,5 till 7,8 % germanium.
I vissa länder är att erhålla germanium en biprodukt av bearbetningen av vissa malmer som zink-bly-koppar. Germanium erhålls även vid framställning av koks, såväl som i brunkolaska med en halt av 0,0005 till 0,3 % och i stenkolsaska med en halt av 0,001 till 1 -2 %.
Germanium som en metall är mycket resistent mot verkan av atmosfäriskt syre, syre, vatten, vissa syror, utspädda svavelsyra och saltsyror. Men koncentrerad svavelsyra reagerar mycket långsamt.
Germanium reagerar med salpetersyra HNO 3 och aqua regia, reagerar långsamt med kaustikalkalier för att bilda ett germanatsalt, men med tillsats av väteperoxid H 2O2 reaktionen är mycket snabb.
När det utsätts för höga temperaturer över 700 °C oxideras germanium lätt i luften för att bilda GeO 2 reagerar lätt med halogener för att bilda tetrahalider.
Reagerar inte med väte, kisel, kväve och kol.
Flyktiga germaniumföreningar är kända med följande egenskaper:
Tyskland hexahydrid-digermane, Ge 2 H 6 - brännbar gas, sönderdelas under långtidsförvaring i ljuset, blir gul och sedan brun förvandlas till ett mörkbrunt fast ämne som sönderdelas av vatten och alkalier.
Tyskland tetrahydrid, monogerman - GeH 4 .
Applicering av germanium
Germanium har liksom vissa andra egenskaperna hos så kallade halvledare. Alla enligt deras elektriska ledningsförmåga är indelade i tre grupper: ledare, halvledare och isolatorer (dielektriska). Den specifika elektriska ledningsförmågan för metaller ligger i intervallet 10V4 - 10V6 Ohm.cmV-1, den angivna uppdelningen är villkorad. Man kan dock peka på en grundläggande skillnad i de elektrofysiska egenskaperna hos ledare och halvledare. För de förra minskar den elektriska ledningsförmågan med ökande temperatur, för halvledare ökar den. Vid temperaturer nära absolut noll förvandlas halvledare till isolatorer. Såsom är känt uppvisar metalliska ledare egenskaperna hos supraledning under sådana förhållanden.
Halvledare kan vara olika ämnen. Dessa inkluderar: bor, (
Observera att germanium tas av oss i valfri kvantitet och form, inkl. formen av skrot. Du kan sälja germanium genom att ringa telefonnumret i Moskva som anges ovan.
Germanium är en spröd, silvervit halvmetall som upptäcktes 1886. Detta mineral finns inte i sin rena form. Det finns i silikater, järn- och sulfidmalmer. Vissa av dess föreningar är giftiga. Germanium användes flitigt inom elindustrin, där dess halvledaregenskaper kom väl till pass. Det är oumbärligt vid produktion av infraröd och fiberoptik.
Vilka egenskaper har germanium
Detta mineral har en smältpunkt på 938,25 grader Celsius. Indikatorerna för dess värmekapacitet kan fortfarande inte förklaras av forskare, vilket gör det oumbärligt på många områden. Germanium har förmågan att öka sin densitet när den smälts. Den har utmärkta elektriska egenskaper, vilket gör den till en utmärkt halvledare med indirekt gap.
Om vi pratar om de kemiska egenskaperna hos denna halvmetall, bör det noteras att den är resistent mot syror och alkalier, vatten och luft. Germanium löses i en lösning av väteperoxid och aqua regia.
bryta germanium
Nu bryts en begränsad mängd av denna halvmetall. Dess avlagringar är mycket mindre jämfört med de av vismut, antimon och silver.
På grund av det faktum att andelen av innehållet av detta mineral i jordskorpan är ganska liten, bildar det sina egna mineraler på grund av införandet av andra metaller i kristallgittren. Den högsta halten germanium observeras i sfalerit, pyrargyrit, sulfanit, i icke-järn- och järnmalmer. Det förekommer, men mycket mindre frekvent, i olje- och kolfyndigheter.
Användning av germanium
Trots att germanium upptäcktes för ganska länge sedan började det användas inom industrin för cirka 80 år sedan. Halvmetall användes först i militär produktion för tillverkning av vissa elektroniska enheter. I det här fallet fann den användning som dioder. Nu har situationen förändrats något.
De mest populära användningsområdena för germanium inkluderar:
- optikproduktion. Semimetall har blivit oumbärligt vid tillverkning av optiska element, som inkluderar optiska fönster av sensorer, prismor och linser. Här kom transparensegenskaperna hos germanium i det infraröda området väl till pass. Halvmetall används i produktionen av optik för värmekameror, brandsystem, mörkerseende;
- produktion av radioelektronik. I detta område användes halvmetall vid tillverkning av dioder och transistorer. Men på 1970-talet ersattes germaniumenheter med kisel, eftersom kisel gjorde det möjligt att avsevärt förbättra de tekniska och operativa egenskaperna hos tillverkade produkter. Ökat motstånd mot temperatureffekter. Dessutom avgav germaniumenheter mycket ljud under drift.
Den nuvarande situationen med Tyskland
För närvarande används halvmetall vid tillverkning av mikrovågsapparater. Telleride germanium har visat sig vara ett termoelektriskt material. Germaniumpriserna är nu ganska höga. Ett kilo metalliskt germanium kostar 1 200 dollar.
Köper Tyskland
Silvergrå germanium är sällsynt. Den spröda halvmetallen kännetecknas av sina halvledaregenskaper och används ofta för att skapa moderna elektriska apparater. Den används också för att skapa optiska instrument och radioutrustning med hög precision. Germanium är av stort värde både i form av en ren metall och i form av dioxid.
Företaget Goldform är specialiserat på inköp av germanium, olika metallskrot och radiokomponenter. Vi erbjuder hjälp med bedömning av materialet, med transport. Du kan posta germanium och få dina pengar tillbaka i sin helhet.
