І навіть раніше кремнію германій став найважливішим напівпровідниковим матеріалом.
Тут доречне питання: а що ж таке напівпровідники і напівпровідність? Однозначно відповісти на нього іноді не можуть навіть фахівці. «Точне визначення напівпровідності важко і залежить від того, яка властивість напівпровідників розглядається», - ця ухильна відповідь запозичена із цілком респектабельної наукової праці за напівпровідниками. Є, щоправда, і дуже чітке визначення: «Напівпровідник – один провідник на два вагони», – але це вже з області фольклору.
Головне в елементі №32 те, що він напівпровідник. До пояснення його властивості ми ще повернемося. Поки що ж про Німеччину як про фізикохімічну «особистість».
Німеччин як він є
Ймовірно, переважній більшості читачів бачити Німеччини не доводилося. Елемент цей досить рідкісний, дорогий, предметів ширвжитку з нього не роблять, а німецька «начинка» напівпровідникових приладів має настільки малі розміри, що розглянути, який він, германійважко, навіть якщо розламати корпус приладу. Тому розповімо про основні властивості германію, його зовнішній вигляд, особливості. А ви спробуйте подумки зробити ті нескладні операції, які неодноразово доводилося робити автору.
Виймаємо з упаковки стандартний злиток Німеччини. Це невелике тіло майже правильної циліндричної форми, діаметром від 10 до 35 і завдовжки кілька десятків міліметрів. Деякі довідники стверджують, що елемент № 32 сріблястого кольору, але це не завжди правильно: колір германію залежить від обробки його поверхні. Іноді він здається майже чорним, іноді схожим на сталь, але іноді буває сріблястим.
Розглядаючи германієвий злиток, не забувайте, що він коштує приблизно стільки ж, скільки золотий, і хоча б тому кидати його на підлогу не слід. Але є й інша причина, набагато важливіша: германій майже так само крихкий, як скло, і може відповідно поводитися. Мені доводилося бачити, як після такої невдачі недбалий експериментатор довго повзав по підлозі, намагаючись зібрати всі уламки до єдиного... На вигляд германій неважко сплутати з кремнієм. Ці елементи як конкуренти, претендують звання головного напівпровідникового матеріалу, а й аналоги. Втім, незважаючи на схожість багатьох технічних властивостей і зовнішнього вигляду, відрізнити германієвий злиток від кремнієвого досить просто: германій вдвічі важчий кремнію (щільність 5,33 і 2,33 г/см 3 відповідно).
Останнє твердження потребує уточнення, хоча, начебто, цифри виключають коментар. Справа в тому, що цифра 5,33 відноситься до германію-1 - найпоширенішої та найважливішої з п'яти алотропічних модифікацій елемента № 32. Одна з них аморфна, чотири кристалічні. З кристалічних германій-1 найлегший. Його кристали побудовані так само, як кристали алмазу, але якщо для вуглецю така структура визначає і максимальну щільність, то у германію є і більш щільні «упаковки». Високий тиск при помірному нагріванні (30 тис. атм і 100°C) перетворює Ge-I на Ge-II з кристалічною решіткою, як у білого олова.
Подібним чином можна отримати ще щільніші, ніж Ge-II, Ge-III і Ge-IV
Усі «незвичайні» модифікації кристалічного германію перевершують Ge-I та електропровідністю. Згадка саме про цю властивість не випадкова: величина питомої електропровідності (або зворотна величина – питомий опір) для елемента-напівпровідника особливо важлива.
Але що таке напівпровідник?
Формально, напівпровідник - це речовина з питомим опором від тисячних часток до мільйонів омів на 1 см. Рамки від і до дуже широкі, але місце германію в цьому діапазоні зовсім певне. Опір сантиметрового кубика з чистого германію при 18 ° С дорівнює 72 ом. При 19°С опір того ж кубика зменшується до 68 ом. Це взагалі притаманно напівпровідників - значне зміна електричного опору при незначному зміні температури. Зі зростанням температури опір зазвичай падає. Воно суттєво змінюється і під впливом опромінення, і за механічних деформацій.
Чудова чутливість германію (як, втім, та інших напівпровідників) як до зовнішнім впливам. На властивості германію сильно впливають навіть незначні кількості домішок. Не менш важливою є хімічна природа домішок.
Додавання елемента V групи дозволяє отримати напівпровідник із електронним типом провідності. Так готують ГЕС (німецький електронний, легований сурмою). Додавши ж елемент III групи, ми створимо у ньому дірковий тип провідності (найчастіше це ГДГ - германій дірковий, легований галієм).
Нагадаємо, що «дірки» – це місця, звільнені електронами, які перейшли на інший енергетичний рівень. «Квартиру», звільнену переселенцем, може відразу зайняти його сусід, але той теж мав свою квартиру. Переселення відбуваються одне за одним, і дірка зрушується.
Поєднання областей з електронною та дірковою провідністю лягло в основу найважливіших напівпровідникових приладів – діодів та транзисторів. Наприклад, вплавляючи в пластинку ГЕС індій і створюючи таким чином область з дірковою провідністю, отримуємо пристрій, що випрямляє - діод. Він пропускає електричний струм переважно в одному напрямку – з області з дірковою провідністю до електронної. Вплавивши індій з обох боків пластинки ГЕС, перетворюємо цю пластинку на основу транзистора.
Перший у світі германієвий транзистор створено 1948 р., а вже за 20 років випускалися сотні мільйонів таких приладів. Германієві діоди та тріоди знайшли широке застосування в радіоприймачах і телевізорах, рахунково-вирішальних пристроях та у різноманітній вимірювальній апаратурі.
Germanium застосовують і в інших першорядно важливих сферах сучасної техніки: для вимірювання низьких температур, для виявлення інфрачервоного випромінювання і т. д. Для всіх цих областей потрібен германій дуже високої чистоти - фізичної та хімічної. Хімічна чистота така, щоб кількість шкідливих домішок не перевищувала однієї десятимільйонної відсотки (107%). Фізична чистота – це мінімум дислокацій, порушень у кристалічній структурі. Для її досягнення вирощують монокристалічний германій: весь злиток - один кристал.
Заради цієї неймовірної чистоти
У земній корі германію дуже мало - 7*10 -4 % її маси. Це більше, ніж свинцю, срібла, вольфраму. Німеччина виявлена на Сонці та в метеоритах. Німеччина є на території всіх країн. Але промисловими родовищами мінералів германію, очевидно, немає жодна промислово розвинена країна. Німеччина дуже розсіяна. Мінерали, в яких цього елемента більше 1%, - аргіродит, германіт, ультрабазит та інші, включаючи відкриті лише в останні десятиліття реньєрит, штотит, конфільд і плюмбогерманіт - велика рідкість. Вони не можуть покрити світову потребу в цьому важливому елементі.
А основна маса земного германію розсіяна в мінералах інших елементів, у вугіллі, у природних водах, у ґрунті та живих організмах. У кам'яному куті, наприклад, вміст германію може досягати десятої частки відсотка. Може, але сягає далеко не завжди. В антрациті, наприклад, його майже немає... Словом, германій – усюди й ніде.
Тому методи концентрування германію дуже складні і різноманітні. Вони залежать передусім від виду сировини та вмісту у ньому цього елемента.
Керівником комплексного вивчення та вирішення германієвої проблеми в СРСР був академік Микола Петрович Сажин. Про те, як зароджувалася радянська промисловість напівпровідників, розказано у статті, опублікованій у журналі «Хімія і життя» за півтора року до смерті цього видатного вченого та організатора науки.
Чистий двоокис германію вперше в нашій країні було отримано на початку 1941 р. З неї зробили германієве скло з дуже високим коефіцієнтом заломлення світла. Дослідження елемента № 32 та способів його можливого одержання відновилися після війни, у 1947 р. Тепер германій цікавив учених саме як напівпровідник.
Нові методи аналізу допомогли виявити нове джерело германієвої сировини – надсмольні води коксохімічних заводів. Німеччина в них не більше 0,0003%, але за допомогою дубового екстракту з них виявилося нескладно осадити германію у вигляді таннидного комплексу. Головна складова танніну – складний ефір глюкози. Він здатний зв'язувати germanium, навіть якщо концентрація цього елемента у розчині зникаюче мала.
З отриманого осаду, зруйнувавши органіку, легко отримати концентрат, що містить до 45% двоокису германію.
Подальші перетворення вже мало залежить від виду сировини. Відновлюють германій воднем (так чинив ще Вінклер), але спочатку потрібно відокремити окис германію від численних домішок. Для розв'язання цього завдання виявилося дуже корисним вдале поєднання властивостей однієї зі з'єднань германію.
Чотирьоххлористий германій GeCl 4 - летюча рідина з низькою температурою кипіння (83,1 ° С). Отже, її зручно очищати дистиляцією та ректифікацією (процес йде в кварцових колонах із насадкою). Чотирьоххлористий германій майже нерозчинний у концентрованій соляній кислоті. Отже, для очищення GeCl 4 можна застосувати розчинення домішок соляною кислотою.
Очищений GeCl4 обробляють водою, з якої за допомогою іонообмінних смол попередньо вилучено практично всі забруднення. Ознакою необхідної чистоти служить збільшення питомого опору води до 15-20 млн. Ом-см.
Під дією води відбувається гідроліз чотирихлористого германію: GeCl 4 + 2H 2 O → GeO 2 + 4HCl. Зауважимо, що це «записане навпаки» рівняння реакції, у якій одержують чотирихлористий германій. Потім слідує відновлення GeO 2 очищеним воднем: GeO 2 + 2H 2 → Ge +2H 2 O. Виходить порошкоподібний германій, який сплавляють, а потім додатково очищають методом зонної плавки. До речі, цей метод очищення матеріалів був розроблений в 1952 р. саме для очищення напівпровідникового германію.
Домішки, необхідні надання германію тієї чи іншої типу провідності (електронної чи дірочної), вводять останніх стадіях виробництва, т. е. при зонної плавці й у процесі вирощування монокристалу.
З того часу, як у 1942 р. було встановлено, що в радіолокаційних системах частину електронних ламп вигідно замінювати напівпровідниковими детекторами, інтерес до германію зростав рік у рік. Вивчення цього елемента, що раніше ніде не застосовувався, сприяло розвитку науки в цілому і насамперед фізики твердого тіла. А значення напівпровідникових приладів – діодів, транзисторів, термісторів, тензорезисторів, фотодіодів та інших – для розвитку радіоелектроніки та техніки загалом настільки велике і настільки відомо, що говорити про нього. у піднесених тонах ще раз незручно. До 1965 р. більшість напівпровідникових приладів робилася на германієвій основі. Але в наступні роки почав розвиватися процес поступового витіснення «екасиліція» самим силіціумом.
Німеччина під натиском кремнію
Кремнієві напівпровідникові прилади вигідно відрізняються від германієвих насамперед найкращою працездатністю при підвищених температурах та меншими зворотними струмами. Великою перевагою кремнію виявилася і стійкість його двоокису до зовнішніх впливів. Саме вона дозволила створити більш прогресивну - планарну технологію виробництва напівпровідникових приладів, яка полягає в тому, що кремнієву пластинку нагрівають у кисні або суміші кисню з водяною парою і вона покривається захисним шаром SiO 2 .
Витруєвши потім у потрібних місцях «віконця», через них вводять легуючі домішки, тут же приєднують контакти, а прилад загалом тим часом захищений від зовнішніх впливів. Для германію така технологія поки що неможлива: стійкість його двоокису недостатня. Під тиском кремнію, арсеніду галію та інших напівпровідників германій втратив становище головного напівпровідникового матеріалу. У 1968 р. США вироблялося вже набагато більше кремнієвих транзисторів, ніж германієвих. Зараз світове виробництво Німеччини, за оцінками зарубіжних фахівців, становить 90-100 т на рік. Його позиції у техніці досить міцні.
- По-перше, напівпровідниковий германій помітно дешевше напівпровідникового кремнію.
- По-друге, деякі напівпровідникові прилади простіше і вигідніше робити, як і раніше, з германію, а не з кремнію.
- По-третє, фізичні властивості германію роблять його практично незамінним при виготовленні приладів деяких типів, зокрема тунельних діодів.
Усе це дає підстави вважати, що значення германію завжди буде велике.
ЩЕ ОДИН ТОЧНИЙ ПРОГНОЗ. Про прозорливості Д. І. Менделєєва, який описав властивості трьох ще відкритих елементів, написано багато. Не бажаючи повторюватись, хочемо лише звернути увагу на точність менделєєвського прогнозу. Зіставте зведені в таблицю дані Менделєєва та Вінклера.
Екасилицій Атомна вага 72 Питома вага 5,5 Атомний об'єм 13 Вищий оксид EsO 2 Питома вага його 4,7
Хлориста сполука EsCl 4 - рідина з температурою кипіння близько 90°С
З'єднання з воднем EsH 4 газоподібне
Металоорганічна сполука Es(C2H 5) 4 з температурою кипіння 160°С
Німеччина Атомна вага 72,6 Питома вага 5,469 Атомний об'єм 13,57 Вищий окис GeO 2 Питома вага його 4,703
Хлориста сполука GeCl 4 - рідина з температурою кипіння 83°С
З'єднання з воднем GeH 4 газоподібне
Металоорганічна сполука Ge(C2H 5) 4 з температурою кипіння 163,5°С
ЛИСТ КЛЕМЕНСУ ВІНКЛЕРА
"Милостивий государ!
Дозвольте мені передати Вам відбиток повідомлення, з якого випливає, що мною виявлено новий елемент «германій». Спочатку я був тієї думки, що цей елемент заповнює прогалину між сурмою та вісмутом у Вашій чудово проникливо побудованій періодичній системі і що цей елемент збігається з Вашою екасурмою, але все вказує на те, що тут ми маємо справу з екасилицієм.
Я сподіваюся незабаром повідомити Вам більш докладно про цю цікаву речовину; сьогодні я обмежуюсь лише тим, що повідомляю Вас про ймовірний тріумф Вашого геніального дослідження і свідчу Вам свою повагу та глибоку повагу.
МЕНДЕЛЄЄВ ВІДПОВІДІВ: «Оскільки відкриття германію є вінцем періодичної системи, то Вам, як «батькові» германію, належить цей вінець; для мене ж є цінною моя роль попередника і те дружнє ставлення, яке я зустрів у Вас».
НІМЕЧЧИНИ ТА ОРГАНІКИ. Перша елементоорганічна сполука елемента № 32, тетраетилгерманій, одержана Вінклером з чотирихлористого германію. Цікаво, що жодна з отриманих досі елементоорганічних сполук германію не отруйна, тоді як більшість свинець - і оловоорганічних сполук (ці елементи - аналоги германію) токсичні.
ЯК ВИРОЩУЮТЬ НІМЕЧЧИНИЙ МОНОКРИСТАЛ. На поверхню розплавленого германію поміщають германієвий кристал - «затравку», яку поступово піднімають автоматичним пристроєм; температура розплаву трохи вище за температуру плавлення германію (937°С). Затравку обертають, щоб монокристал «обростав м'ясом» рівномірно з усіх боків. Важливо, що в процесі такого зростання відбувається те саме, що при зонній плавці: в «нарост» (тверду фазу) переходить майже виключно германій, а більшість домішок залишається в розплаві.
НІМЕЧЧИНИ І СВЕРХПРОВІДНІСТЬ. Класичний напівпровідник германій виявився причетним до вирішення іншої важливої проблеми - створення надпровідних матеріалів, що працюють при температурі рідкого водню, а не рідкого гелію. Водень, як відомо, переходить з газоподібного в рідкий стан при температурі - 252,6 ° С, або 20,5 ° К. На початку 70-х років була отримана плівка зі сплаву германію з ніобієм завтовшки всього кілька тисяч атомів. Ця плівка зберігає надпровідність при температурі 24,3 ° К і нижче.
Хімічний елемент германій знаходиться у четвертій групі (підгрупі головної) у таблиці елементів Менделєєва. Він відноситься до сімейства металів, його відносна атомна маса становить 73. За масою вміст германію в земній корі оцінюється показником 0,00007 відсотка за масою.
Історія відкриття
Хімічний елемент германій було встановлено завдяки прогнозам Дмитра Івановича Менделєєва. Саме їм передбачено існування екасиліції, були надані рекомендації щодо його пошуку.
Вважав, що цей металевий елемент знаходиться у титанових, цирконієвих рудах. Менделєєв намагався самотужки знайти цей хімічний елемент, але його спроби не увінчалися успіхом. Лише через п'ятнадцять років на копальні, розташованій у Хіммельфюрсті, було знайдено мінерал, який отримав назву аргіродит. Своєю назвою це з'єднання зобов'язане сріблу, виявленому в цьому мінералі.
Хімічний елемент германій у складі виявили тільки після того, як до досліджень приступила група хіміків з гірничої академії м. Фрейберга. Під керівництвом К. Вінклера вони з'ясували, що частку оксидів цинку, заліза, і навіть на сірку, ртуть припадає лише 93 відсотка мінералу. Вінклер припустив, що сім відсотків припадає на невідомий на той час хімічний елемент. Після проведення додаткових хімічних експериментів виявили германій. Про своє відкриття хімік повідомив у доповіді, надав інформацію, отриману про властивості нового елемента, Німецькому хімічному суспільству.
Хімічний елемент германій був представлений Вінклер як неметал, за аналогією з сурмою і миш'яком. Хімік хотів назвати його нептунієм, але ця назва вже використовувалася. Тоді його почали називати Німеччиною. Хімічний елемент, відкритий Вінклер, викликав серйозну дискусію між провідними хіміками того часу. Німецький вчений Ріхтер припустив, що це є той самий екасилиціум, про який говорив Менделєєв. Через деякий час це припущення було підтверджено, що довело життєздатність періодичного закону, створеного великим російським хіміком.
Фізичні властивості
Як можна охарактеризувати Німеччини? Хімічний елемент має 32 порядковий номер в Менделєєва. Даний метал плавиться за 937,4 °С. Температура кипіння цієї речовини становить 2700 °С.
Німеччина - елемент, який вперше почали застосовувати в Японії для медичних цілей. Після численних досліджень германійорганічних сполук, які проводяться на тваринах, а також у ході досліджень на людях, вдалося виявити позитивний вплив таких руд на живі організми. У 1967 року професору К. Асаї вдалося виявити те що, що з органічного германію існує величезний спектр біологічного впливу.
Біологічна активність
Якою є характеристика хімічного елемента германію? Він здатний переносити кисень по всіх тканинах живого організму. Потрапляючи в кров, він поводиться за аналогією з гемоглобіном. Німеччина гарантує повноцінне функціонування всіх систем організму людини.
Саме цей метал є стимулятором розмноження клітин імунітету. Він у вигляді органічних сполук дозволяє формувати гамма-інтерферони, які пригнічують розмноження мікробів.
Німеччина перешкоджає утворенню злоякісних пухлин, що не дає розвиватися метастазам. Органічні сполуки даного хімічного елемента сприяють виробленню інтерферону, захисної білкової молекули, яка виробляється організмом як захисна реакція на появу сторонніх тіл.
Області застосування
Протигрибкова, антибактеріальна, противірусна властивість германію стала основою сфер його застосування. У Німеччині цей елемент переважно отримали як побічний продукт переробки кольорових руд. Різними способами, які залежать від складу вихідної сировини, виділяли германієвий концентрат. У його складі містилося трохи більше 10 відсотків металу.
Як саме у напівпровідникової сучасної техніки застосовується германій? Характеристика елемента, дана раніше, підтверджує можливість використання для виробництва тріодів, діодів, силових випрямлячів, кристалічних детекторів. Також германій використовується при створенні дозиметричних приладів, пристроїв, які необхідні вимірювання напруженості постійного і змінного магнітного поля.
Істотну сферу застосування даного металу становить виготовлення детекторів інфрачервоного випромінювання.
Перспективним є використання як самого германію, а й деяких його сполук.
Хімічні властивості
Німеччина при кімнатній температурі досить стійка до впливу вологи, кисню повітря.
У ряду – германій – олово) спостерігається збільшення відновлювальної здатності.
Німеччина стійка до впливу розчинів соляної та сірчаної кислот, він не вступає у взаємодію з розчинами лугів. При цьому цей метал досить швидко розчиняється в царській горілці (семи азотної та соляної кислот), а також у лужному розчині пероксиду водню.
Як надати повну характеристику хімічному елементу? Німеччин та її сплави необхідно проаналізувати як за фізичними, хімічними властивостями, а й областям застосування. Процес окислення германію азотною кислотою протікає досить повільно.
Знаходження у природі
Спробуємо надати характеристику хімічному елементу. Німеччин у природі виявлено лише як сполук. Серед найпоширеніших у природі германийсодержащих мінералів виділимо германіт і аргіродит. Крім того, германій є присутнім у сульфідах і силікатах цинку, а в незначній кількості він є в різних типах кам'яного вугілля.
Шкода для здоров'я
Яке впливає на організм германій? Хімічний елемент, електронна формула якого має вигляд 1е; 8 е; 18 е; 7е, може негативно впливати на людський організм. Наприклад, при завантаженні германієвого концентрату, подрібненні, а також завантаженні діоксиду даного металу можуть з'являтися професійні захворювання. Як інші джерела, які завдають шкоди здоров'ю, можна розглядати процес переплавлення порошку германії в бруски, отримання чадного газу.
Адсорбований германій можна досить швидко вивести з організму, переважно із сечею. Нині немає детальної інформації у тому, наскільки токсичні неорганічні сполуки германію.
Дратівливу дію на шкіру має тетрахлорид германію. У клінічних випробуваннях, а також при тривалому пероральному прийомі кумулятивних кількостей, які досягали 16 г спірогерманію (органічного протипухлинного препарату), а також інших германієвих сполук, виявлено нефротоксичну та нейротоксичну активність даного металу.
Подібні дозування переважно не характерні для промислових підприємств. Ті експерименти, що проводилися на тваринах, були спрямовані на вивчення дії германію та його сполук на живий організм. Внаслідок цього вдалося встановити погіршення здоров'я при вдиханні суттєвого об'єму пилу металевого германію, а також його діоксиду.
Вчені виявили у легенях серйозні морфологічні зміни, які аналогічні проліферативним процесам. Наприклад, було виявлено суттєве потовщення альвеолярних розділів, а також гіперплазію лімфатичних судин навколо бронхів, потовщення кровоносних судин.
Діоксид германію не чинить подразнювальної дії на шкіру, але безпосередній контакт цієї сполуки з оболонкою ока призводить до утворення германієвої кислоти, що є серйозним подразником очей. При тривалих внутрішньочеревних ін'єкціях було виявлено серйозні зміни у периферичній крові.
Важливі факти
Найбільш шкідливими сполуками германію є хлорид та гідрид германію. Остання речовина провокує серйозне отруєння. В результаті морфологічного обстеження органів тварин, які загинули під час гострої фази, показали суттєві порушення у системі кровообігу, а також клітинні модифікації у паренхіматозних органах. Вчені дійшли висновку, що гідрид є багатоцільовою отрутою, яка вражає нервову систему, пригнічує систему периферійного кровообігу.
Тетрахлорид Німеччина
Він є сильним подразником дихальної системи, очей, шкіри. У концентрації 13 мг/м 3 він здатний пригнічувати на клітинному рівні легеневу відповідь. При збільшенні концентрації цієї речовини спостерігається серйозне подразнення верхніх дихальних шляхів, суттєві зміни ритму та частоти дихання.
Отруєння цією речовиною призводить до катарально-десквамативних бронхітів, інтерстиціальної пневмонії.
Отримання
Так як у природі германій представлений як домішка до нікелевих, поліметалевих, вольфрамових руд, для виділення чистого металу в промисловості проводять кілька трудомістких процесів, пов'язаних зі збагаченням руди. З неї виділяють спочатку оксид германію, потім проводять відновлення воднем при підвищеній температурі до отримання простого металу:
GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O.
Електронні властивості та ізотопи
Німеччини вважають непрямозонним типовим напівпровідником. Розмір його діелектричної статистичної проникності становить 16, а величина спорідненості до електрону - 4еВ.
У тонкій плівці легованим галієм можна надати Німеччині стан надпровідності.
У природі є п'ять ізотопів цього металу. З них стабільними є чотири, а п'ятий піддається подвійному розпаду бета, період напіврозпаду становить 1,58×10 21 років.
Висновок
Нині органічні сполуки даного металу застосовують у різних галузях промисловості. Прозорість в інфрачервоній спектральній області металевого германію надвисокої чистоти важлива виготовлення оптичних елементів інфрачервоної оптики: призм, лінз, оптичних вікон сучасних датчиків. Найпоширенішою областю використання германію вважають створення оптики тепловізійних камер, які функціонують у діапазоні довжин хвиль від 8 до 14 мікронів.
Подібні пристрої застосовують у військовій техніці для систем інфрачервоного наведення, нічного бачення, пасивного теплобачення, протипожежних систем. Також германій має високий показник заломлення, що необхідно для покриття антивідблиску.
У радіотехніці транзистори з урахуванням германію мають характеристики, які за багатьма показниками перевищують показники кремнієвих елементів. Зворотні струми у германієвих елементів істотно вищі, ніж у кремнієвих аналогів, що дозволяє істотно збільшувати ефективність подібних радіоприладів. Враховуючи, що германій негаразд поширений у природі, як кремній, в радіоприладах переважно застосовують кремнієві напівпровідникові елементи.
ВИЗНАЧЕННЯ
Німеччина- 32-ий елемент Періодичної таблиці. Позначення – Ge від латинського «germanium». Розташований у четвертому періоді, IVA групі. Належить до напівметалів. Заряд ядра дорівнює 32.
У компактному стані германій має сріблястий колір (рис. 1) і на вигляд схожий на метал. При кімнатній температурі він стійкий до дії повітря, кисню, води, соляної та розведеної сірчаної кислоти.
Мал. 1. Німеччина. Зовнішній вигляд.
Атомна та молекулярна маса германію
ВИЗНАЧЕННЯ
Відносна молекулярна маса речовини (M r)- це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента (A r)- у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.
Оскільки у вільному стані германій існує у вигляді одноатомних молекул Ge, значення його атомної та молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 72,630.
Ізотопи Німеччина
Відомо, що у природі германій може бути у вигляді п'яти стабільних ізотопів 70 Ge (20,55%), 72 Ge (20,55%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) і 76 Ge (7,67%). Їхні масові числа дорівнюють 70, 72, 73, 74 і 76 відповідно. Ядро атома ізотопу германію 70 Ge містить тридцять два протони і тридцять вісім нейтронів, решта ізотопів відрізняються від нього тільки числом нейтронів.
Існують штучні нестабільні радіоактивні ізотопи германію з масовими числами від 58 до 86, серед яких найбільш довгоживучим є ізотоп 68 Ge з періодом напіврозпаду рівним 270,95 діб.
Іони Німеччина
На зовнішньому енергетичному рівні атома германію є чотири електрони, які є валентними:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 .
Через війну хімічного взаємодії германій віддає свої валентні електрони, тобто. є їх донором, і перетворюється на позитивно заряджений іон:
Ge 0 -2e → Ge 2+;
Ge 0 -4e → Ge 4+.
Молекула та атом Німеччини
У вільному стані германій існує як одноатомних молекул Ge. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу германію:
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
ПРИКЛАД 2
| Завдання | Розрахуйте масові частки елементів, що входять до складу оксиду германію (IV), якщо його молекулярна формула має вигляд GeO2. |
| Рішення | Масова частка елемента у складі будь-якої молекули визначається за формулою: ω (Х) = n × Ar (X) / Mr (HX) × 100%. |
(Germanium; від лат. Germania – Німеччина), Ge – хім. елемент IV групи періодичної системи елементів; ат. н. 32, ат. м. 72,59. Сріблясто-сіра речовина з металевим блиском. У хім. з'єднаннях виявляє ступеня окислення + 2 та +4. З'єднання зі ступенем окиснення +4 більш стійкі. Природний германій складається з чотирьох стабільних ізотопів з масовими числами 70 (20,55%), 72 (27,37%), 73(7, 67%) та 74 (36,74%) та одного радіоактивного ізотопу з масовим числом 76 ( 7,67%) та періодом піврозпаду 2 106 років. Штучно (за допомогою різних ядерних реакцій) одержано багато радіоактивних ізотопів; Найбільше значення має ізотоп 71 Ge із періодом напіврозпаду 11,4 дня.
Існування і св-ва германію (під назвою «екасилицій») передбачив у 1871 рус вчений Д. І. Менделєєв. Однак лише у 1886 ньому. хімік К. Вінклер виявив у мінералі аргіродиті невідомий елемент, св-ва якого збігалися зі св-вами «екасиліція». Початок пром. произ-ва германій належить до 40-х гг. 20 в., коли він отримав застосування напівпровідникового матеріалу. Зміст германію в земній корі (1-2) 10-4%. Німеччина відноситься до розсіяних елементів і рідко зустрічається у вигляді власних мінералів. Відомо сім мінералів, в яких брало його концентрація більше 1%, серед них: Cu2 (Сі, Ge, Ga, Fe, Zn)2 (S, As) 4X X (6,2-10,2% Ge), ренієрит (Cu, Fe)2 (Cu, Fe, Ge, Ga, Zn)2 X X (S, As)4 (5,46-7,80% Ge) та аргіродит Ag8GeS6 (3/55-6,93% Ge) . Р. накопичується також у каустобіолітах (гумусовому вугіллі, горючих сланцях, нафті). Стійка за звичайних умов кристалічна модифікація Р. має кубічну структуру типу алмазу, з періодом а = 5,65753 A (Gel).
Німеччина це
Щільність германію (т-ра 25 ° С) 5,3234 г/см3, tпл 937,2 ° С; tкіп 2852 ° С; теплота плавлення 104,7 кал/г, теплота сублімації 1251 кал/г, теплоємність (т-ра 25 ° С) 0,077 кал/г град; коеф. теплопровідності, (т-ра 0 ° С) 0,145 кал/см сек град, температурний коеф. лінійного розширення (т-ра 0-260 ° С), 5,8 х 10-6 град-1. При плавленні германій зменшується обсягом (приблизно на 5,6%), щільність його збільшується на 4% год При високому тиску алмазо-подібна модифікація. Німеччина зазнає поліморфних перетворень, утворюючи кристалічні модифікації: тетрагональну структуру типу B-Sn (GeII), об'ємноцентровану тетрагональну структуру з періодами а = 5,93 А, с = 6,98 A (GeIII) та об'ємноцентровану кубічну структуру з періодом а = 6, 92 A(GeIV). Ці модифікації в порівнянні з GeI відрізняються великою щільністю та електропровідністю.
Аморфний германій може бути отриманий у вигляді плівок (товщиною приблизно 10-3 см) при конденсації пари. Щільність його менше щільності кристалічного Р. Структура енергетичних зон у кристалі Р. зумовлює його напівпровідникові св-ва. Ширина забороненої зони Р. дорівнює 0,785 ев (т-ра 0 К), питомий електричний опір (т-ра 20 ° С) 60 ом · см і з підвищенням т-ри значно знижується за експоненційним законом. Домішки надають Р. т. зв. домішкову провідність електронного (домішки миш'яку, сурми, фосфору) або діркового (домішки галію, алюмінію, індія) типу. Рухливість носіїв зарядів в Р. (т-ра 25 ° С) для електронів - близько 3600 см2 / с, для дірок - 1700 см2 / с, власна концентрація носіїв зарядів (т-ра 20 ° С) 2,5 . 10 13 см-3. Р. діамагнітний. При плавленні перетворюється на металевий стан. Німеччина дуже тендітна, твердість його за Моосом 6,0, мікротвердість 385 кгс/мм2, межа міцності на стиск (т-ра 20 ° С) 690 кгс/см2. З підвищенням т-ри твердість знижується, вище т-ри 650° він стає пластичним, піддається хутро. обробці. Німеччина практично інертна до повітря, кисню і до неокисляючих електролітів (якщо немає розчиненого кисню) при т-рі до 100 ° С. Стійкий до дії соляної і розведеної сірчаної к-т; повільно розчиняється в концентрованих сірчаної та азотної к-тах при нагріванні (утворюється при цьому плівка двоокису уповільнює розчинення), добре розчиняється в «царській горілці», в розчинах гіпохлоритів або гідроксидів лужних металів (за наявності перекису водню), в розплавах лугів, перекисів, нітратів та карбонатів лужних металів.
Вище т-ри 600° З окислюється повітря і струмі кисню, утворюючи з киснем окис GeO і двоокис (Ge02). Окис германію- темно-сірий порошок, що виганяється при т-рі 710 ° С, незначно розчиняється у воді з утворенням слабкої германітної к-ти (H2Ge02), солі к-рой (германіти) малостійкі. У к-тах GeO легко розчиняється з утворенням солей двовалентного Г. Двоокис германію-порошок білого кольору, існує в декількох поліморфних модифікаціях, що сильно розрізняються за хімічними. св-вам: гексагональна модифікація двоокису порівняно добре розчиняється у воді (4,53 zU при т-рі 25 ° С), розчинах лугів і к-т, тетрагональна модифікація практично нерозчинна у воді і інертна до к-там. Розчиняючись у лугах, двоокис та її гідрат утворюють солі метагерманатної (H2Ge03) та ортогерманатної (H4Ge04) к-т – германати. Германати лужних металів розчиняються у воді, інші германати майже нерозчинні; свіжоосаджені розчиняються в мінеральних к-тах. Г. легко з'єднується з галогенами, утворюючи при нагріванні (близько т-ри 250 ° С) відповідні тетрагало-геніди - несолеподібні сполуки, що легко гідролізуються водою. Відомі Г.- темно-коричневий (GeS) та білий (GeS2).
Для германію характерні сполуки з азотом - коричневий нітрид (Ge3N4) та чорний нітрид (Ge3N2), що відрізняється меншою хім. стійкістю. З фосфором Г. утворює малостійкий фосфід (GeP) чорного кольору. З вуглецем не взаємодіє і сплавляється, з кремнієм утворює безперервний ряд твердих розчинів. Для германій, як аналога вуглецю і кремнію, характерна здатність утворювати германоводороди типу GenH2n + 2 (германи), а також тверді сполуки типів GeH і GeH2 (гермени). Німеччина утворює металеві сполуки () і багато інших. металами. Вилучення Г. з сировини полягає в отриманні багатого германієвого концентрату, а з нього високої чистоти. У пром. масштабі германій отримують з тетрахлориду, використовуючи при очищенні його високу леткість (для виділення з концентрату), малу концентрованої соляної к-ті і високу в органічних розчинниках (для очищення від домішок). Часто для збагачення використовують високу леткість нижчих сульфіду і окислу Г., які легко сублімуються.
Для отримання напівпровідникових германій застосовують спрямовану кристалізацію та зонну перекристалізацію. Монокристалічний германій отримують витягуванням з розплаву. У процесі вирощування Р. легують спец. добавками, регулюючи ті чи інші св-ва монокристалу. Г. поставляють у вигляді злитків довжиною 380-660 мм і поперечним перерізом до 6,5 см2. Німеччин застосовують у радіоелектроніці та електротехніці як напівпровідниковий матеріал для виготовлення діодів та транзисторів. З нього виготовляють лінзи для приладів інфрачервоної оптики, дозиметри ядерних випромінювань, аналізатори рентгенівської спектроскопії, датчики використовують ефект Холла, перетворювачі енергії радіоактивного розпаду в електричну. Німеччин використовують у мікрохвильових атенюаторах, термометрах опору, що експлуатуються при т-рі рідкого гелію. Плівка Р., нанесена на рефлектор, відрізняється високою відбивною здатністю, гарною корозійною стійкістю. германію з деякими металами, що відрізняються підвищеною стійкістю до кислих агресивних середовищ, використовують у приладобудуванні, машинобудуванні та металургії. геманія із золотом утворюють низькоплавку евтектику і розширюються при охолодженні. Двоокис Р. застосовують виготовлення спец. стекол, що характеризуються високим коеф. заломлення та прозорістю в інфрачервоній частині спектру, скляних електродів та термісторів, а також емалей та декоративних глазурів. Германати використовують як активатори фосфорів і люмінофорів.
- Хімічний елемент періодичної системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва. І позначається символом Ge, германій це проста речовина сіро-білого кольору і має тверді характеристики як для металу.
Вміст у земній корі 7.10-4% за масою. відноситься до розсіяних елементів, через свою реакційну здатність до окислення у вільному стані як чистий метал не зустрічається.
Знаходження германію у природі
Німеччина — один із трьох хімічних елементів, передбачених Д.І. Менделєєвим виходячи з їх становища в періодичної системи (1871 р).
Він відноситься до рідкісних розсіяних елементів.
В даний час основними джерелами промислового отримання германію є відходи цинкового виробництва, коксування вугілля, зола деяких деяких видів вугілля, в домішках силікатів, осадових породах заліза, нікелевих і вольфрамових рудах, торфі, нафті, геотермальних водах і в деяких водоростях.
Основні мінерали, що містять германій
Плюмбогерматит (PbGeGa) 2 SO 4 (OH) 2 +H 2 O вміст до 8.18%
яргіродит AgGeS6 містить від 3.65 до 6.93%Німеччина .
ренієрит Cu 3 (FeGeZn)(SAs) 4 містить від 5,5 до 7,8% германію.
У деяких країнах отримання германію є побічним продуктом переробки деяких руд, таких як цинк-свинець-мідь. Також германій отримують у виробництві коксу, а також у золі бурого вугілля з вмістом від 0.0005 до 0.3% та в золі кам'яного вугілля з вмістом від 0.001 до 1-2%.
Німеччина як метал дуже стійка до дії кисню повітря, кисню, води деяких кислот, розбавленої сірчаної та соляної кислоти. Але сконцентрованою сірчаною кислотою реагує дуже повільно.
Німеччина реагує з азотною кислотою HNO 3 і царською горілкою, що повільно реагує їдкими лугами з утворенням солі германату, але при додаванні перекису водню H 2 O 2 реакція протікає дуже швидко.
При дії високих температур понад 700 °С германій легко окислюється на повітрі з утворенням GeO 2 легко вступає в реакцію з галогенами, отримуючи при цьому тетрагалогеніти.
З воднем, кремнієм, азотом та вуглецем не вступає в реакцію.
Відомі леткі сполуки германію з характеристиками:
Німеччина гексагідрид-дігерман, Ge 2 H 6 - горючий газ, при тривалому зберіганні на світлі розкладається, забарвлюючись на жовтий потім коричневий колір перетворюючись на тверду речовину темно-коричневого кольору, розкладається водою і лугами.
Німеччина тетрагідрид, моногерман - GeH 4 .
Застосування Німеччини
Німеччина, як і деякі інші, має властивості так званих напівпровідників. Усі з їхньої електропровідності поділяються на три групи: провідники, напівпровідники та ізолятори (діелектрики). Питома електропровідність металів знаходиться в інтервалі 10В4 - 10В6 Ом.смВ-1, наведений поділ умовно. Однак можна вказати принципову відмінність у електрофізичних властивостях провідників та напівпровідників. У перших електропровідність із підвищенням температури падає, у напівпровідників зростає. При температурі, близькій до абсолютного нуля, напівпровідники перетворюються на ізолятори. Як відомо, металеві провідники виявляють за таких умов властивості надпровідності.
Напівпровідниками можуть бути різні речовини. До них відносяться: бор, (
Звертаємо Вашу увагу, що прийом германію проводиться нами у будь-якій кількості та вигляді, в т.ч. вигляді брухту. Продати германій можна, зателефонувавши в Москві, зазначеному вище.
Німеччина - тендітний напівметал сріблясто-білого кольору, відкритий у 1886 році. Ця корисна копалина не зустрічається в чистому вигляді. Воно міститься в силікатах, залізняку та сульфідних рудах. Деякі його сполуки токсичні. Німеччина набула широкого поширення в електротехнічній промисловості, де знадобилися його властивості напівпровідника. Незамінний він при виробництві інфрачервоної та волоконної оптики.
Які властивості має германій
Ця корисна копалина має температуру плавлення 938,25 градусів за Цельсієм. Показники його теплоємності досі не можуть пояснити вчені, що робить його незамінним у багатьох сферах. Німеччина має здатність збільшувати свою щільність при плавленні. Він має чудові електрофізичні властивості, що дозволяє назвати його чудовим непрямозонним напівпровідником.
Якщо говорити про хімічні властивості цього напівметалу, то слід зазначити, що він має стійкість до впливу кислот і лугів, води та повітря. Німеччин розчиняється в розчині перекису водню та царської горілки.
Видобуток Німеччини
Наразі добувають обмежену кількість цього напівметалу. Його родовища значно менші порівняно з родовищами вісмуту, сурми, срібла.
Через те, що частка вмісту цієї корисної копалини в земній корі досить мала, воно утворює власні мінерали за рахунок впровадження в кристалічні решітки інших металів. Найбільший вміст германію спостерігається у сфалеритах, піраргірите, сульфаніті, в кольорових і залізних рудах. Зустрічається, але набагато рідше, у родовищах нафти та кам'яного вугілля.
Використання Німеччини
Незважаючи на те, що германій виявили досить давно, використати в промисловості його почали приблизно 80 років тому. Напівметал вперше почали застосовувати у військовому виробництві для виготовлення деяких електронних пристроїв. У цьому випадку він знайшов застосування як діоди. Нині ситуація дещо змінилася.
До найпопулярніших сфер застосування германію слід віднести:
- Виробництво оптики. Напівметал став незамінним при виготовленні оптичних елементів, до яких слід віднести оптичні вікна датчиків, призми, лінзи. Тут припали до речі властивості прозорості германію в інфрачервоній області. Напівметал використовують при виробництві оптики тепловізійних камер, пожежних систем, приладів нічного бачення;
- Виробництво радіоелектроніки. У цій сфері напівметал використовували для виготовлення діодів і транзисторів. Однак у 70-х роках германієві прилади замінили на кремнієві, оскільки кремній дозволив значно підвищити технічні та експлуатаційні характеристики продукції, що випускається. Збільшились показники стійкості до температурних впливів. З іншого боку, германієві прилади у процесі експлуатації видавали сильний шум.
Поточна ситуація з Німеччиною
В даний час напівметал використовують у сфері виробництва НВЧ-пристроїв. Телерід германію чудово себе зарекомендував як термоелектричний матеріал. Ціни на Німеччину зараз досить високі. Один кілограм металевого германію коштує 1200 доларів.
Скупка Німеччини
Сріблясто-сірий германій рідко зустрічається. Крихкий напівметал відрізняється напівпровідниковими властивостями, що широко застосовується для створення сучасних електроприладів. Він також використовується для створення високоточних оптичних приладів та радіотехнічного обладнання. Велику цінність германій становить як чистого металу, і у вигляді діоксиду.
Компанія Goldform спеціалізується на скуповуванні германію, різного металевого брухту, радіодеталей. Ми пропонуємо допомогу з оцінкою матеріалу, транспортуванням. Ви можете відправити німецькі поштою і отримати свої гроші в повному обсязі.
