В человеческом организме содержится огромное количество микро- и макроэлементов, без которых полноценное функционирование всех органов и систем было бы просто невозможным. О некоторых из них люди слышат постоянно, а о существовании других вовсе не подозревают, но все они играют свою роль в хорошем самочувствии. К последней группе относится и германий, содержащийся в теле человека в органическом виде. Что это за элемент, за какие процессы отвечает и какой его уровень считается нормой - читайте далее.
Описание и характеристика
В общем понимании германий является одним из химических элементов, представленных в известной таблице Менделеева (относится к четвертой группе). В природе он представлен в виде твердого, серо-белого вещества с металлическим отблеском, но в человеческом теле содержится в органической форме.
Надо сказать, что его нельзя назвать очень редким, поскольку он обнаруживается в железных и сульфидных рудах и силикатах, хоть собственных минералов германий практически не образует. Содержание химического элемента в коре Земли превышает концентрацию серебра, сурьмы и висмута в несколько раз, а в отдельных минералах его количество доходит до 10 кг на тонну. Воды мирового океана содержат в себе около 6 10-5 мг/л германия.
Многие растения, произрастающие на разных континентах, способны абсорбировать небольшое количество данного химического элемента и его соединений из грунта, после чего они могут попасть и в организм человека. В органическом виде все такие составляющие принимают непосредственное участие в различных обменных и восстановительных процессах, о чем пойдет речь далее.
Знаете ли вы? Впервые данный химический элемент был замечен в 1886 году, а узнали о нем благодаря стараниям немецкого ученного-химика К. Винклера. Правда, до этого момента о его существовании говорил и Менделеев (в 1869 году), который сначала условно назвал его «экасилицием».
Функции и роль в организме
Еще совсем недавно ученные считали, что германий совершенно бесполезен для человека и в принципе не выполняет совершенно никакой функции в теле живых организмов. Тем не менее, на сегодняшний день, точно известно, что отдельные органические соединения данного химического элемента могут успешно использоваться даже в роли лекарственных составов, хотя на счет их эффективности говорить пока рано.
Опыты, проводимые на лабораторных грызунах, показали, что даже небольшое количество германия способно увеличить продолжительность жизни животных на 25-30%, а это уже само по себе хорошая причина задуматься о его пользе и для человека.
Уже проведенные исследования роли органического германия в человеческом организме позволяют выделить следующие биологические функции этого химического элемента:
- предотвращение кислородного голодания организма путем перенесения кислорода к тканям (снижается риск так называемой «кровяной гипоксии», проявляющейся при снижении количества гемоглобина в эритроцитах);
- стимуляция развития защитных функций организма путем подавления процессов распространения микробных клеток и активации специфических клеток иммунитета;
- активное противогрибковое, противовирусное и антибактериальное воздействие за счет продуцирования интерферона, защищающего организм от вредоносных микроорганизмов;
- мощное антиоксидантное воздействие, выражающееся в блокировке свободных радикалов;
- задержка развития опухолевых новообразований и предупреждение образования метастаз (в данном случае германий нейтрализует действие отрицательно заряженных частиц);
- выступает регулятором клапанных систем пищеварения, венозной системы и перистальтики;
- за счет остановки движения электронов в нервных клетках, соединения германия способствуют снижению разнообразных болевых проявлений.
Все проводимые эксперименты, предусматривающие определение скорости распределения германия в человеческом организме после его перорального употребления, показали, что спустя 1,5 часа после приема больше всего данного элемента содержится в желудке, тонком кишечнике, селезенке, костном мозге, ну и, конечно же, в крови. То есть, высокий уровень германия в органах пищеварительной системы доказывает его пролонгированное действие при всасывании в кровоток.
Важно! Не стоит самостоятельно проверять на себе действие указанного химического элемента, ведь неправильный расчет дозировки вполне может привести к серьезному отравлению.
В чем содержится германий: продукты источники
Любой микроэлемент в нашем организме выполняет определенную функцию, поэтому для хорошего самочувствия и поддержания тонуса так важно обеспечить оптимальный уровень тех или иных составляющих. Это касается и германия. Пополнить его запасы, можно ежедневно употребляя чеснок (именно здесь его содержится больше всего), пшеничные отруби, бобовые культуры, белые грибы, томаты, рыбу и морепродукты (в частности, креветок и мидий), и даже , черемшу и алоэ.
Усилить же действие германия на организм можно с помощью селена.
Многие из указанных продуктов без проблем найдутся в доме у каждой хозяйки, поэтому никаких трудностей возникать не должно.
Суточная потребность и нормы
Не секрет, что переизбыток даже полезных компонентов может навредить ничуть не меньше чем их недостача, поэтому, прежде, чем переходить к восполнению утраченного количества германия, важно знать о его допустимой суточной норме. Обычно это значение колеблется в пределах от 0,4 до 1,5 мг и зависит от возраста человека и имеющегося дефицита микроэлемента.
Человеческий организм хорошо справляется с абсорбцией германия (поглощение указанного химического элемента составляет 95%) и сравнительно равномерно распределяет его по тканям и органам (неважно идет речь о внеклеточном или внутриклеточном пространстве). Вывод германия наружу происходит вместе с мочой (выходит до 90%).
Дефицит и переизбыток
Как мы уже упоминали выше, любая крайность не к добру. То есть, как недостача, так и превышение количества германия в организме способно отрицательно сказаться на его функциональных особенностях. Так, при дефиците микроэлемента (является результатом его ограниченного потребления вместе с пищей или нарушения обменных процессов в организме) возможно развитие остеопороза и деминерализации костной ткани, а также в несколько раз повышается возможность онкологических состояний.
Чрезмерное количество германия оказывает отравляющее воздействие на организм, причем особо опасными считаются соединения двухлетнего элемента. В большинстве случаев его избыток можно объяснить вдыханием чистых паров в производственных условиях (ПДК в воздухе может составлять 2 мг/куб.м). При непосредственном контакте с хлоридом германия не исключены местные раздражения кожи, а его попадание внутрь организма часто чревато поражениями печени и почек.
Знаете ли вы? В медицинских целях описанным элементом впервые заинтересовались японцы, а настоящим прорывом в этом направлении стало исследование доктора Асаи, обнаружившего широкий спектр биологического действия германия.
Как видим, описанный микроэлемент действительно нужен нашему организму, пусть его роль пока и не до конца изучена. Поэтому, чтобы поддерживать оптимальный баланс просто кушайте побольше перечисленных продуктов и постарайтесь не находиться во вредных производственных условиях.
Назван в честь Германии. Ученый из этой страны открыл и имел право именовать его, как захочет. Так в попал германий .
Однако, посчастливилось не Менделееву, а Клеменсу Винклеру. Ему поручили изучить аргиродит. Новый минерал, состоящий, в основном, из , нашли на прииске Химмельфюрст.
Винклер определил 93% состава камня и зашел в тупик с оставшимися 7%. Напрашивался вывод, что в них входит неизвестный элемент.
Более тщательный анализ принес плоды, — был открыт германий . Это металл. Чем он пригодился человечеству? Об этом, и не только, расскажем далее.
Свойства германия
Германий – 32 элемент таблицы Менделеева . Получается, металл входит в 4-ю группу. Номер соответствует валентности элементов.
То есть, германий склонен образовывать 4 химических связи. Это делает элемент, открытый Винклером, похожим на .
Отсюда и желание Менделеева назвать еще неоткрытый элемент экосилицием, обозначаемым, как Si. Дмитрий Ивановичь заранее просчитал свойства 32-го металла.
На кремний германий похож химическими свойствами. С кислотами реагирует только при нагревании. Со щелочами «общается» в присутствии окислителей.
Устойчив к парам воды. Не вступает в реакции с водородом, углеродом, . Загорается германий при температуре в 700-от градусов Цельсия. Реакция сопровождается образованием диоксида германия.
32-ой элемент легко взаимодействует с галогенами. Это солеобразующие вещества из 17 группы таблицы.
Дабы не запутаться, укажем, что ориентируемся на новый стандарт. В старом, это 7-я группа таблицы Менделеева.
Какой бы ни была таблица, металлы в ней располагаются слева от ступенчатой диагональной линии. 32-ой элемент – исключение.
Еще одно исключение – . С ней тоже возможна реакция. Сурьма осаждается на подложке.
Активное взаимодействие обеспеченно и с . Как большинство металлов, германий способен гореть в ее парах.
Внешне элемент германий , серовато-белый, с выраженным металлическим блеском.
При рассмотрении внутреннего строения, металл имеет кубическую структуру. Она отражает расположение атомов в элементарных ячейках.
Они имеют форму кубов. Восемь атомов располагаются в вершинах. Строение близко к решетке .
У 32-го элемента 5 стабильных изотопов. Их наличие – свойство всех элементов подгруппы германия.
Они четные, что и обуславливает присутствие стабильных изотопов. У , к примеру, их 10.
Плотность германия составляет 5,3-5,5 граммов на кубический сантиметр. Первый показатель характерен для состояния, второй – для жидкого металла.
В размягченном виде он не только более плотный, но и пластичный. Хрупкое при комнатной температуре вещество становится при 550-ти градусах. Таковы особенности германия.
Твердость металла при комнатной температуре составляет около 6 баллов по .
В таком состоянии 32-ой элемент является типичным полупроводником. Но, свойство становится «ярче» при повышении температуры. Просто проводники, для сравнения, теряют свои свойства при нагреве.
Германий проводит ток не только в стандартном виде, но и в растворах.
По полупроводниковым свойствам 32-ой элемент, так же, близок кремнию и столь же распространен.
Однако, сферы применения веществ разнятся. Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, в том числе, и тонкопленочного типа.
Элемент нужен, так же, для фотоэлементов. Теперь, рассмотрим, где пригождается германий.
Применение германия
Германий применяют в гаммо-спектроскопии. Ее приборы позволяют, к примеру, изучить состав добавок в смешанных окислах катализаторов.
В прошлом, германий добавляли в диоды и транзисторы. В фотоэлементах свойства полупроводника тоже пригождаются.
Но, если кремний добавляют в стандартные модели, то германий – в высокоэффективные, нового поколения.
Главное, не использовать германий при температуре близкой к абсолютному нулю. В таких условиях металл теряет способность передавать напряжение.
Чтобы германий был проводником, примесей в нем должно быть не более 10%. Идеален ультрачистый химический элемент.
Германий делают таким методом зонной плавки. Она основана на различной растворимости сторонних элементов в жидкой и фазах.
Формула германия позволяет применять его и в деле. Здесь речь уже не о полупроводниковых свойствах элемента, а о его способности придать твердость .
По этой же причине, германий нашел применение в зубопротезировании. Хотя, коронки отживают свой век, небольшой спрос на них, все еще, есть.
Если добавить к германию и еще и кремний с алюминием, получаются припои.
Их температура плавления всегда ниже, чем у соединяемых металлов. Так что, можно делать сложные, дизайнерские конструкции.
Даже интернет без германия был бы невозможен. 32-ой элемент присутствует в оптоволокне. В его сердцевине находится кварц с примесью героя .
А его двуокись увеличивает отражательные способности оптоволокна. Учитывая спрос на него, , электронику, германий нужен промышленникам в больших объемах. Каких именно, и как их обеспечивают, изучим ниже.
Добыча германия
Германий довольно распространен. В земной коре 32-го элемента, к примеру, больше, чем , сурьмы, или .
Разведанные запасы – около 1 000 тонн. Почти половина из них сокрыта в недрах США. Еще 410 тонн – достояние .
Так что, остальным странам, в основном, приходиться закупать сырье. сотрудничает с Поднебесной. Это обосновано и с политической точки зрения, и с позиции экономии.
Свойства элемента германий , связанные с его геохимическим родством с широко распространенными веществами, не позволяют металлу образовывать собственные минералы.
Обычно, металл внедряется в решетку уже существующих . Много места гость, естественно, не займет.
Поэтому, приходиться извлекать германий по крупицам. В можно найти несколько кило на тонну породы.
В энаргитах на 1000 килограммов приходиться не больше 5 кило германия. В пираргирите в 2 раза больше.
В тонне сульванита 32-го элемента содержится не больше 1 килограмма. Чаще всего, германий извлекают в качестве побочного продукта из руд других металлов, к примеру, , или цветных, таких как хромит, магнитит, рутит.
Годовое производство германия колеблется в пределах 100-120 тонн, в зависимости от спроса.
В основном, закупается монокристаллическая форма вещества. Именно такая нужна для производства спектрометров, оптоволокна, драгоценных . Узнаем расценки.
Цена германия
Монокристаллический германий, в основном, закупают тоннами. Для больших производств это выгодно.
1 000 килограммов 32-го элемента стоит около 100 000 рублей. Можно найти предложения за 75 000 – 85 000.
Если брать поликристаллический, то есть, с агрегатами меньшего размера и повышенной прочностью, можно отдать в 2,5 раза больше всего за кило сырья.
Стандартны длинной не меньше 28-ми сантиметров. Блоки защищают пленкой, поскольку на воздухе они тускнеют. Поликристаллический германий – «почва» для выращивания монокристаллов.
И даже раньше кремния германий стал важнейшим полупроводниковым материалом.
Здесь уместен вопрос: а что же такое полупроводники и полупроводимосгь? Однозначно ответить на него иногда затрудняются даже специалисты. «Точное определение полупроводимости затруднительно и зависит от того, какое свойство полупроводников рассматривается», - этот уклончивый ответ заимствован из вполне респектабельного научного труда по полупроводникам. Есть, правда, и очень четкое определение: «Полупроводник - один проводник на два вагона», - но это уже из области фольклора...
Главное в элементе № 32 то, что он полупроводник. К объяснению этого его свойства мы еще вернемся. Пока же о германии как о физикохимической «личности».
Германий как он есть
Вероятно, подавляющему большинству читателей видеть германий не приходилось. Элемент этот достаточно редкий, дорогой, предметов ширпотреба из него не делают, а германиевая «начинка» полупроводниковых приборов имеет настолько малые размеры, что разглядеть, какой он, германий , трудно, даже если разломать корпус прибора. Поэтому расскажем об основных свойствах германия, его внешнем виде, особенностях. А вы попробуйте мысленно проделать те несложные операции, которые не раз приходилось делать автору.
Извлекаем из упаковки стандартный слиток германия. Это небольшое тело почти правильной цилиндрической формы, диаметром от 10 до 35 и длиной в несколько десятков миллиметров. Некоторые справочники утверждают, что элемент № 32 серебристого цвета, но это не всегда верно: цвет германия зависит от обработки его поверхности . Иногда он кажется почти черным, иногда похож на сталь, но иногда бывает и серебристым.
Рассматривая германиевый слиток, не забывайте, что он стоит примерно столько же, сколько золотой, и хотя бы поэтому ронять его на пол не следует. Но есть и другая причина, намного более важная: германий почти так же хрупок, как стекло, и может соответственно себя вести. Мне приходилось видеть, как после такой неудачи небрежный экспериментатор долго ползал по полу, пытаясь собрать все осколки до единого... По внешнему виду германий нетрудно спутать с кремнием. Эти элементы не только конкуренты, претендующие на звание главного полупроводникового материала, но и аналоги. Впрочем, несмотря на сходство многих технических свойств и внешнего облика, отличить германиевый слиток от кремниевого довольно просто: германий в два с лишним раза тяжелее кремния (плотность 5,33 и 2,33 г/см 3 соответственно).
Последнее утверждение нуждается в уточнении, хотя, казалось бы, цифры исключают комментарий. Дело в том, что цифра 5,33 относится к германию-1 - самой распространенной и самой важной из пяти аллотропических модификаций элемента № 32. Одна из них аморфная, четыре кристаллические. Из кристаллических германий-1 самый легкий. Его кристаллы построены так же, как кристаллы алмаза , но если для углерода такая структура определяет и максимальную плотность, то у германия есть и более плотные «упаковки». Высокое давление при умеренном нагреве (30 тыс. атм и 100°C) преобразует Ge-I в Ge-II с кристаллической решеткой, как у белого олова .
Подобным же образом можно получить еще более плотные, чем Ge-II, Ge-III и Ge-IV
Все «необычные» модификации кристаллического германия превосходят Ge-I и электропроводностью. Упоминание именно об этом свойстве не случайно: величина удельной электропроводности (или обратная величина - удельное сопротивление) для элемента-полупроводника особенно важна.
Но что такое полупроводник?
Формально, полупроводник - это вещество с удельным сопротивлением от тысячных долей до миллионов омов на 1 см. Рамки «от» и «до» очень широкие, но место германия в этом диапазоне совершенно определенное. Сопротивление сантиметрового кубика из чистого германия при 18°С равно 72 ом. При 19°С сопротивление того же кубика уменьшается до 68 ом. Это вообще характерно для полупроводников - значительное изменение электрического сопротивления при незначительном изменении температуры. С ростом температуры сопротивление обычно падает. Оно существенно изменяется и под влиянием облучения, и при механических деформациях.
Замечательна чувствительность германия (как, впрочем, и других полупроводников) не только к внешним воздействиям. На свойства германия сильно влияют даже ничтожные количества примесей. Не менее важна химическая природа примесей.
Добавка элемента V группы позволяет получить полупроводник с электронным типом проводимости. Так готовят ГЭС (германий электронный, легированный сурьмой). Добавив же элемент III группы, мы создадим в нем дырочный тип проводимости (чаще всего это ГДГ - германий дырочный, легированный галлием).
Напомним, что «дырки» - это места, освобожденные электронами, перешедшими на другой энергетический уровень. «Квартиру», освобожденную переселенцем, может тут же занять его сосед, но у того тоже была своя квартира. Переселения совершаются одно за другим, и дырка сдвигается.
Сочетание областей с электронной и дырочной проводимостью легло в основу самых важных полупроводниковых приборов - диодов и транзисторов. Например, вплавляя в пластинку ГЭС индий и создавая таким образом область с дырочной проводимостью, получаем выпрямляющее устройство - диод. Он пропускает электрический ток преимущественно в одном направлении - из области с дырочной проводимостью к электронной. Вплавив индий с обеих сторон пластинки ГЭС, превращаем эту пластинку в основу транзистора.
Первый в мире германиевый транзистор создан в 1948 г., а уже через 20 лет выпускались сотни миллионов таких приборов. Германиевые диоды и триоды нашли широкое применение в радиоприемниках и телевизорах, счетно-решающих устройствах и в разнообразной измерительной аппаратуре.
Germanium применяют и в других первостепенно важных областях современной техники: для измерения низких температур, для обнаружения инфракрасного излучения и т. д. Для всех этих областей нужен германий очень высокой чистоты - физической и химической. Химическая чистота такая, чтобы количество вредных примесей не превышало одной десятимиллионной процента (107%). Физическая чистота - это минимум дислокаций, нарушений в кристаллической структуре. Для достижения ее выращивают монокристаллический германий: весь слиток - один кристалл.
Ради этой немыслимой чистоты
В земной коре германия не очень мало - 7*10 -4 % ее массы. Это больше, чем свинца, серебра , вольфрама. Германий обнаружен на Солнце и в метеоритах. Германий есть на территории всех стран. Но промышленными месторождениями минералов германия, по-видимому, не располагает ни одна промышленно развитая страна. Германий очень рассеян. Минералы, в которых этого элемента больше 1%, - аргиродит , германит , ультрабазит и другие, включая открытые лишь в последние десятилетия реньерит, штотит, конфильдит и плюмбогерманит - большая редкость. Они не в состоянии покрыть мировую потребность в этом важном элементе.
А основная масса земного германия рассеяна в минералах других элементов, в углях, в природных водах, в почве и живых организмах. В каменном угле, например, содержание германия может достигать десятой доли процента. Может, но достигает далеко не всегда. В антраците, например, его почти нет... Словом, германий - всюду и нигде.
Поэтому способы концентрирования германия очень сложны и разнообразны. Они зависят прежде всего от вида сырья и содержания в нем этого элемента.
Руководителем комплексного изучения и решения германиевой проблемы в СССР был академик Николай Петрович Сажин. О том, как зарождалась советская промышленность полупроводников, рассказано в его статье, опубликованной в журнале «Химия и жизнь» за полтора года до кончины этого выдающегося ученого и организатора науки.
Чистая двуокись германия впервые в нашей стране была получена в начале 1941 г. Из нее сделали германиевое стекло с очень высоким коэффициентом преломления света. Исследования элемента № 32 и способов его возможного получения возобновились после войны, в 1947 г. Теперь германий интересовал ученых именно как полупроводник.
Новые методы анализа помогли выявить новый источник германиевого сырья - надсмольные воды коксохимических заводов. Германия в них не больше 0,0003%, но с помощью дубового экстракта из них оказалось несложно осадить германий в виде таннидного комплекса. Главная составляющая таннина - сложный эфир глюкозы. Он способен связывать germanium, даже если концентрация этого элемента в растворе исчезающе мала.
Из полученного осадка, разрушив органику, нетрудно получить концентрат, содержащий до 45% двуокиси германия.
Дальнейшие превращения уже мало зависят от вида сырья. Восстанавливают германий водородом (так поступал еще Винклер), но прежде нужно отделить окись германия от многочисленных примесей. Для решения этой задачи оказалось очень полезным удачное сочетание свойств одного из соединений германия.
Четыреххлористый германий GeCl 4 - летучая жидкость с низкой температурой кипения (83,1°С). Следовательно, ее удобно очищать дистилляцией и ректификацией (процесс идет в кварцевых колоннах с насадкой). Четыреххлористый германий почти нерастворим в концентрированной соляной кислоте. Следовательно, для очистки GeCl 4 можно применить растворение примесей соляной кислотой.
Очищенный GeCl4 обрабатывают водой, из которой с помощью ионообменных смол предварительно изъяты практически все загрязнения. Признаком нужной чистоты служит увеличение удельного сопротивления воды до 15-20 млн. Ом-см.
Под действием воды происходит гидролиз четыреххлористого германия: GeCl 4 + 2H 2 O → GeO 2 + 4HCl. Заметим, что это «записанное наоборот» уравнение реакции, в которой получают четыреххлористый германий. Затем следует восстановление GeO 2 очищенным водородом: GeO 2 + 2H 2 → Ge +2H 2 O. Получается порошкообразный германий, который сплавляют, а затем дополнительно очищают методом зонной плавки. Между прочим, этот метод очистки материалов был разработан в 1952 г. именно для очистки полупроводникового германия.
Примеси, необходимые для придания германию того или иного типа проводимости (электронной или дырочной), вводят на последних стадиях производства, т. е. при зонной плавке и в процессе выращивания монокристалла.
С тех пор как в 1942 г. было установлено, что в радиолокационных системах часть электронных ламп выгодно заменять полупроводниковыми детекторами, интерес к германию рос из года в год. Изучение этого ранее нигде не применявшегося элемента способствовало развитию науки в целом и прежде всего физики твердого тела. А значение полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов, термисторов, тензорезисторов, фотодиодов и других - для развития радиоэлектроники и техники в целом настолько велико и настолько известно, что говорить о нем. в возвышенных тонах еще раз как-то неудобно. До 1965 г. большая часть полупроводниковых приборов делалась на германиевой основе. Но в последующие годы стал развиваться процесс постепенного вытеснения «экасилиция» самим силициумом.
Германий под натиском кремния
Кремниевые полупроводниковые приборы выгодно отличаются от германиевых прежде всего лучшей работоспособностью при повышенных температурах и меньшими обратными токами. Большим преимуществом кремния оказалась и устойчивость его двуокиси к внешним воздействиям. Именно она позволила создать более прогрессивную - планарную технологию производства полупроводниковых приборов, состоящую в том, что кремниевую пластинку нагревают в кислороде или смеси кислорода с водяным паром и она покрывается защитным слоем SiO 2 .
Вытравив затем в нужных местах «окошки», через них вводят легирующие примеси, здесь же присоединяют контакты, а прибор в целом тем временем защищен от внешних воздействии. Для германия такая технология пока невозможна: устойчивость его двуокиси недостаточна. Под натиском кремния, арсенида галлия и других полупроводников германий утратил положение главного полупроводникового материала. В 1968 г. в США производилось уже намного больше кремниевых транзисторов, чем германиевых. Сейчас мировое производство германия, по оценкам зарубежных специалистов, составляет 90-100 т в год. Его позиции в технике достаточно прочны.
- Во-первых, полупроводниковый германий заметно дешевле полупроводникового кремния.
- Во-вторых, некоторые полупроводниковые приборы проще и выгоднее делать по-прежнему из германия, а не из кремния.
- В-третьих, физические свойства германия делают его практически незаменимым при изготовлении приборов некоторых типов, в частности туннельных диодов.
Все это дает основание полагать, что значение германия всегда будет велико.
ЕЩЕ ОДИН ТОЧНЫЙ ПРОГНОЗ. О прозорливости Д. И. Менделеева, описавшего свойства трех еще не открытых элементов, написано много. Не желая повторяться, хотим лишь обратить внимание на точность менделеевского прогноза. Сопоставьте сведенные в таблицу данные Менделеева и Винклера.
Экасилиций Атомный вес 72 Удельный вес 5,5 Атомный объем 13 Высший окисел EsO 2 Удельный вес его 4,7
Хлористое соединение EsCl 4 - жидкость с температурой кипения около 90°С
Соединение с водородом EsH 4 газообразно
Металлоорганическое соединение Es(C2H 5) 4 с температурой кипения 160°С
Германий Атомный вес 72,6 Удельный вес 5,469 Атомный объем 13,57 Высший окисел GeO 2 Удельный вес его 4,703
Хлористое соединение GeCl 4 - жидкость с температурой кипения 83°С
Соединение с водородом GeH 4 газообразно
Металлоорганическое соединение Ge(C2H 5) 4 с температурой кипения 163,5°С
ПИСЬМО КЛЕМЕНСА ВИНКЛЕРА
«Милостивый государь!
Разрешите мне при сем передать Вам оттиск сообщения, из которого следует, что мной обнаружен новый элемент «германий». Сначала я был того мнения, что этот элемент заполняет пробел между сурьмой и висмутом в Вашей замечательно проникновенно построенной периодической системе и что этот элемент совпадает с Вашей экасурьмой, но все указывает на то, что здесь мы имеем дело с экасилицием.
Я надеюсь вскоре сообщить Вам более подробно об этом интересном веществе; сегодня я ограничиваюсь лишь тем, что уведомляю Вас о весьма вероятном триумфе Вашего гениального исследования и свидетельствую Вам свое почтение и глубокое уважение.
МЕНДЕЛЕЕВ ОТВЕТИЛ: «Так как открытие германия является венцом периодической системы, то Вам, как «отцу» германия, принадлежит этот венец; для меня же является ценной моя роль предшественника и то дружеское отношение, которое я встретил у Вас».
ГЕРМАНИЙ И ОРГАНИКА. Первое элементоорганическое соединение элемента № 32, тетраэтилгерманий, получено Винклером из четыреххлористого германия. Интересно, что ни одно из полученных до сих пор элементоорганических соединений германия не ядовито, в то время как большинство свинец - и оловоорганических соединений (эти элементы - аналоги германия) токсичны.
КАК ВЫРАЩИВАЮТ ГЕРМАНИЕВЫЙ МОНОКРИСТАЛЛ. На поверхность расплавленного германия помещают германиевый же кристалл - «затравку», которую постепенно поднимают автоматическим устройством; температура расплава чуть выше температуры плавления германия (937°С). Затравку вращают, чтобы монокристалл «обрастал мясом» равномерно со всех сторон. Важно, что в процессе такого роста происходит то же самое, что при зонной плавке: в «нарост» (твердую фазу) переходит почти исключительно германий, а большая часть примесей остается в расплаве.
ГЕРМАНИЙ И СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ. Классический полупроводник германий оказался причастен к решению другой важной проблемы - созданию сверхпроводящих материалов, работающих при температуре жидкого водорода , а не жидкого гелия . Водород, как известно, переходит из газообразного в жидкое состояние при температуре - 252,6°С, или 20,5° К. В начале 70-х годов была получена пленка из сплава германия с ниобием толщиной всего в несколько тысяч атомов. Эта пленка сохраняет сверхпроводимость при температуре 24,3° К и ниже.
(Germanium; от лат. Germania - Германия), Ge - хим. элемент IV группы периодической системы элементов; ат. н. 32, ат. м. 72,59. Серебристо-серое вещество с металлическим блеском. В хим. соединениях проявляет степени окисления + 2 и +4. Соединения со степенью окисления +4 более стойки. Природный германий состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 70 (20,55%), 72 (27,37%), 73(7, 67%) и 74 (36,74%) и одного радиоактивного изотопа с массовым числом 76 (7,67%) и периодом полураспада 2 106 лет. Искусственно (с помощью различных ядерных реакций) получено много радиоактивных изотопов; наибольшее значение имеет изотоп 71 Ge с периодом полураспада 11,4 дня.
Существование и св-ва германия (под названием «экасилиций») предсказал в 1871 рус ученый Д. И. Менделеев. Однако лишь в 1886 нем. химик К. Винклер обнаружил в минерале аргиродите неизвестный элемент, св-ва к-рого совпадали со св-вами «экасилиция». Начало пром. произ-ва германий относится к 40-м гг. 20 в., когда он получил применение в качестве полупроводникового материала. Содержание германия в земной коре (1-2) 10~4 %. Германий относится к рассеянным элементам и редко встречается в виде собственных минералов. Известно семь минералов, в к-рых его концентрация больше 1 %, среди них: Cu2 (Си, Ge, Ga, Fe, Zn)2 (S, As)4X X (6,2-10,2% Ge), рениерит (Cu, Fe)2 (Cu, Fe, Ge, Ga, Zn)2 X X (S, As)4 (5,46-7,80% Ge) и аргиродит Ag8GeS6 (3/55-6,93% Ge). Г. накапливается также в каустобиолитах (гумусовых углях, горючих сланцах, нефти). Стойкая при обычных условиях кристаллическая модификация Г. имеет кубическую структуру типа алмаза, с периодом а = 5,65753 A (Gel).
Германий это
Плотность германия (т-ра 25° С) 5,3234 г/см3, tпл 937,2° С; tкип 2852° С; теплота плавления 104,7 кал/г, теплота сублимации 1251 кал/г, теплоемкость (т-ра 25° С) 0,077 кал/г град; коэфф. теплопроводности, (т-ра 0° С) 0,145 кал/см сек град, температурный коэфф. линейного расширения (т-ра 0-260° С),5,8 х 10-6 град-1. При плавлении германий уменьшается в объеме (примерно на 5,6%), плотность его увеличивается на 4% ч При высоком давлении алмазо-подобная модификация. Германий претерпевает полиморфные превращения, образуя кристаллические модификации: тетрагональную структуру типа B-Sn (GeII), объемноцентрированную тетрагональную структуру с периодами а = 5,93 А, с = 6,98 A (GeIII) и объемноцентрированную кубическую структуру с периодом а = 6,92 A(GeIV). Эти модификации по сравнению с GeI отличаются большими плотностью и электропроводностью.
Аморфный германий может быть получен в виде пленок (толщиной примерно 10-3 см) при конденсации пара. Плотность его меньше плотности кристаллического Г. Структура энергетических зон в кристалле Г. обусловливает его полупроводниковые св-ва. Ширина запрещенной зоны Г. равна 0,785 эв (т-ра 0 К), удельное электрическое сопротивление (т-ра 20° С) 60 ом · см и с повышением т-ры значительно понижается по экспоненциальному закону. Примеси придают Г. т. н. примесную проводимость электронного (примеси мышьяка, сурьмы, фосфора) или дырочного (примеси галлия, алюминия, индия) типа. Подвижность носителей зарядов в Г. (т-ра 25° С) для электронов - около 3600 см2/в сек, для дырок - 1700 см2/в · сек, собственная концентрация носителей зарядов (т-ра 20° С) 2,5 . 10 13 см-3. Г. диамагнитен. При плавлении переходит в металлическое состояние. Германий очень хрупок, твердость его по Моосу 6,0, микротвердость 385 кгс/мм2, предел прочности на сжатие (т-ра 20° С) 690 кгс/см2. С повышением т-ры твердость снижается, выше т-ры 650° С он становится пластичным, поддается мех. обработке. Германий практически инертен к воздуху, кислороду и к неокисляющим электролитам (если нет растворенного кислорода) при т-ре до 100° С. Стойкий к действию соляной и разбавленной серной к-т; медленно растворяется в концентрированных серной и азотной к-тах при нагревании (образующаяся при этом пленка двуокиси замедляет растворение), хорошо растворяется в «царской водке», в растворах ги-похлоритов или гидроокисей щелочных металлов (при наличии перекиси водорода), в расплавах щелочей, перекисей, нитратов и карбонатов щелочных металлов.
Выше т-ры 600° С окисляется на воздухе и в токе кислорода, образуя с кислородом окись GeO и двуокись (Ge02). Окись германия- темно-серый порошок, возгоняющийся при т-ре 710° С, незначительно растворяется в воде с образованием слабой германитной к-ты (H2Ge02), соли к-рой (германиты) малостойки. В к-тах GeO легко растворяется с образованием солей двухвалентного Г. Двуокись германия- порошок белого цвета, существует в нескольких полиморфных модификациях, сильно различающихся по хим. св-вам: гексагональная модификация двуокиси сравнительно хорошо растворяется в воде (4,53 zU при т-ре 25° С), растворах щелочей и к-т, тетрагональная модификация практически нерастворима в воде и инертна к к-там. Растворяясь в щелочах, двуокись и ее гидрат образуют соли метагерманатной (H2Ge03) и ортогерманатной (H4Ge04) к-т - германаты. Германаты щелочных металлов растворяются в воде, остальные германаты практически нерастворимы; свежеосажденные растворяются в минеральных к-тах. Г. легко соединяется с галогенами, образуя при нагревании (около т-ры 250° С) соответствующие тетрагало-гениды - несолеобразные соединения, легко гидролизующиеся водой. Известны Г.- темно-коричневый (GeS) и белый (GeS2).
Для германия характерны соединения с азотом - коричневый нитрид (Ge3N4) и черный нитрид (Ge3N2), отличающийся меньшей хим. стойкостью. С фосфором Г. образует малостойкий фосфид (GeP) черного цвета. С углеродом не взаимодействует и не сплавляется, с кремнием образует непрерывный ряд твердых растворов. Для германий, как аналога углерода и кремния, характерна способность образовывать германоводороды типа GenH2n + 2 (германы), а также твердые соединения типов GeH и GeH2 (гермены).Германий образует металлические соединения () и со мн. металлами. Извлечение Г. из сырья заключается в получении богатого германиевого концентрата, а из него - высокой чистоты. В пром. масштабе германий получают из тетрахлорида, используя при очистке его высокую летучесть (для выделения из концентрата), малую в концентрированной соляной к-те и высокую в органических растворителях (для очистки от примесей). Часто для обогащения используют высокую летучесть низших сульфида и окисла Г., к-рые легко сублимируются.
Для получения полупроводникового германий применяют направленную кристаллизацию и зонную перекристаллизацию. Монокристаллический германий получают вытягиванием из расплава. В процессе выращивания Г. легируют спец. добавками, регулируя те или иные св-ва монокристалла. Г. поставляют в виде слитков длиной 380- 660 мм и поперечным сечением до 6,5 см2. Германий применяют в радиоэлектронике и электротехнике как полупроводниковый материал для изготовления диодов и транзисторов. Из него изготовляют линзы для приборов инфракрасной оптики, дозиметры ядерных излучений, анализаторы рентгеновской спектроскопии, датчики, использующие эффект Холла, преобразователи энергии радиоактивного распада в электрическую. Германий используют в микроволновых аттенюаторах, термометрах сопротивления, эксплуатируемых при т-ре жидкого гелия. Пленка Г., нанесенная на рефлектор, отличается высокой отражательной способностью, хорошей коррозионной стойкостью. германия с некоторыми металлами, отличающиеся повышенной стойкостью к кислым агрессивным средам, используют в приборостроении, машиностроении и металлургии. гемания с золотом образуют низкоплавкую эвтектику и расширяются при охлаждении. Двуокись Г. применяют для изготовления спец. стекол, характеризующихся высоким коэфф. преломления и прозрачностью в инфракрасной части спектра, стеклянных электродов и термисторов, а также эмалей и декоративных глазурей. Германаты используют в качестве активаторов фосфоров и люминофоров.
— химический элемент периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. И обозначается символом Ge , германий это простое вещество серо-белого цвета и имеет твердые характеристики как для метала.
Cодержание в земной коре 7.10-4% по массе. относится к рассеянным элементам, из за сваей реакционной способности к окислению в свободном состоянии как чистый метал не встречается.
Нахождение германия в природе
Германий — один из трёх химических элементов, предсказанных Д.И. Менделеевым на основании их положения в периодической системы (1871 г).
Он относится к редким рассеянным элементам.
В настоящее время основными источниками промышленного получения германия являются отходы цинкового производства, коксования углей, зола некоторых некоторых видов углей, в примесях силикатов, осадочных породах железа, в никелевых и вольфрамовый рудах, торфе, нефти, геотермальных водах и в некоторых водорослях.
Основные минералы содержащие германий
Плюмбогерматит (PbGeGa) 2 SO 4 (OH) 2 +H 2 O содержание до 8.18 %
яргиродит AgGeS6 содержит от 3.65 до 6.93 % германия .
рениерит Cu 3 (FeGeZn)(SAs) 4 содержит от 5.5 до 7.8% германия.
В некоторых странах получение германия является побочным продуктом переработки некоторых руд таких как цинк-свинец-медь. Также германий получают в производстве кокса, а также в золе бурого угля с содержанием от 0.0005 до 0.3% и в золе каменных углей с содержанием от 0.001 до 1 -2 % .
Германий как металл очень устойчив к действию кислорода воздуха, кислорода, воды некоторых кислот, разбавленной серной и соляной кислоты. Но сконцентрированной серной кислотой реагирует очень медленно.
Германий реагирует с азотной кислотой HNO 3 и царской водкой, медленно реагирует едкими щелочами с образованием соли германата, но при добавлении перекиси водорода H 2 O 2 реакция протекает очень быстро.
При воздействии высоких температур свыше 700 °С германий легко окисляется на воздухе с образованием GeO 2 , легко вступает в реакцию с галогенами, получая при этом тетрагалогениты.
С водородом, кремнием, азотом и углеродом не вступает в реакцию.
Известны летучие соединения германия с характеристиками:
Германия гексагидрид -дигерман, Ge 2 H 6 — горючий газ, при длительном хранении на свету разлагается, окрашиваясь в желтый затем в коричневый цвет превращаясь в твёрдое вещество тёмно — коричневого цвета, разлагается водой и щелочами.
Германия тетрагидрид, моногерман — GeH 4 .
Применение германия
Германий, как и некоторые другие , имеет свойства так называемых полупроводников. Все по их электропроводности делятся на три группы: проводники, полупроводники и изоляторы (диэлектрики) . Удельная электропроводность металлов находиться в интервале 10В4 — 10В6 Ом.смВ-1 , приведённое деление условно. Однако можно указать принципиальное различие в электрофизических свойствах проводников и полупроводников. У первых электропроводность с повышением температуры падает, у полупроводников — возрастает. При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводники превращаются в изоляторы. Как известно, металлические проводники проявляют в таких условиях свойства сверхпроводимости.
Полупроводниками могут быть различные вещества. К ним относятся : бор, (
Химический элемент германий находится в четвертой группе (подгруппе главной) в таблице элементов Менделеева. Он относится к семейству металлов, его относительная атомная масса составляет 73. По массе содержание германия в земной коре оценивается показателем 0,00007 процента по массе.
История открытия
Химический элемент германий был установлен благодаря прогнозам Дмитрия Ивановича Менделеева. Именно им предсказано существование экасилиция, были даны рекомендации по его поиску.
Считал, что данный металлический элемент находится в титановых, циркониевых рудах. Менделеев пытался своими силами найти данный химический элемент, но его попытки не увенчались успехом. Только спустя пятнадцать лет на прииске, расположенном в Химмельфюрсте, был найден минерал, получивший название аргиродит. Своему названию данное соединение обязано серебру, обнаруженному в этом минерале.
Химический элемент германий в составе был обнаружен только после того, как к исследованиям приступила группа химиков из горной академии г. Фрейберга. Под руководством К. Винклера они выяснили, что на долю оксидов цинка, железа, а также на серу, ртуть приходится только 93 процента минерала. Винклер предположил, что оставшиеся семь процентов приходится на неведомый в то время химический элемент. После проведения дополнительных химических экспериментов был обнаружен германий. О своем открытии химик сообщил в докладе, представил информацию, полученную о свойствах нового элемента, Немецкому химическому обществу.
Химический элемент германий был представлен Винклером в качестве неметалла, по аналогии с сурьмой и мышьяком. Химик хотел назвать его нептунием, но это название уже использовалось. Тогда его стали называть германий. Химический элемент, открытый Винклером, вызвал серьезную дискуссию между ведущими химиками того времени. Немецкий ученый Рихтер предположил, что это и есть тот самый экасилициум, о котором говорил Менделеев. Спустя некоторое время данное предположение было подтверждено, что доказало жизнеспособность периодического закона, созданного великим русским химиком.
Физические свойства
Как можно охарактеризовать германий? Химический элемент имеет 32 порядковый номер в Менделеева. Данный металл плавится при 937,4 °С. Температура кипения этого вещества составляет 2700 °С.
Германий - элемент, который впервые стали применять в Японии для медицинских целей. После многочисленных исследований германийорганических соединений, проводимых на животных, а также в ходе исследований на людях, удалось обнаружить положительное воздействие таких руд на живые организмы. В 1967 году доктору К. Асаи удалось обнаружить тот факт, что у органического германия существует огромный спектр биологического воздействия.
Биологическая активность
Какова характеристика химического элемента германия? Он способен переносить кислород по всем тканям живого организма. Попадая в кровь, он ведет себя по аналогии с гемоглобином. Германий гарантирует полноценное функционирование всех систем организма человека.
Именно этот металл является стимулятором размножения клеток иммунитета. Он, в виде органических соединений, позволяет формировать гамма-интерфероны, которые подавляют размножение микробов.
Германий препятствует образованию злокачественных опухолей, не дает развиваться метастазам. Органические соединения данного химического элемента способствуют выработке интерферона, защитной белковой молекулы, которая вырабатывается организмом в качестве защитной реакции на появление инородных тел.
Области применения
Противогрибковое, антибактериальное, противовирусное свойство германия стало основой сфер его применения. В Германии этот элемент в основном получили как побочный продукт переработки цветных руд. Разными способами, которые зависят от состава исходного сырья, выделяли германиевый концентрат. В его составе содержалось не больше 10 процентов металла.
Как именно в полупроводниковой современной технике применяется германий? Характеристика элемента, данная ранее, подтверждает возможность его использования для производства триодов, диодов, силовых выпрямителей, кристаллических детекторов. Также германий используется при создании дозиметрических приборов, устройств, которые необходимы для измерения напряженности постоянного и переменного магнитного поля.
Существенную область применения данного металла составляет изготовление детекторов инфракрасного излучения.
Перспективным является использование не только самого германия, но и некоторых его соединений.
Химические свойства
Германий при комнатной температуре довольно стоек к воздействию влаги, кислорода воздуха.
В ряду - германий - олово) наблюдается увеличение восстановительной способности.
Германий устойчив к воздействию растворов соляной и серной кислот, он не вступает во взаимодействие с растворами щелочей. При этом данный металл довольно быстро растворяется в царской водке (семи азотной и соляной кислот), а также в щелочном растворе пероксида водорода.
Как дать полную характеристику химическому элементу? Германий и его сплавы необходимо проанализировать не только по физическим, химическим свойствам, но и областям применения. Процесс окисления германия азотной кислотой протекает достаточно медленно.
Нахождение в природе
Попробуем дать характеристику химическому элементу. Германий в природе обнаружен только в виде соединений. Среди самых распространенных в природе германийсодержащих минералов выделим германит и аргиродит. Кроме того, германий присутствует в сульфидах и силикатах цинка, а в незначительном количестве он есть в различных типах каменного угля.
Вред для здоровья
Какое воздействие оказывает на организм германий? Химический элемент, электронная формула которого имеет вид 1е; 8 е; 18 е; 7 е, может негативно воздействовать на человеческий организм. Например, при загрузке германиевого концентрата, измельчении, а также загрузке диоксида данного металла, могут появляться профессиональные заболевания. В качестве иных источников, приносящих вред здоровью, можно рассматривать процесс переплавки порошка германии в бруски, получение угарного газа.
Адсорбированный германий можно достаточно быстро вывести из организма, в большей степени с мочой. В настоящее время нет детальной информации о том, насколько токсичны неорганические соединения германия.
Раздражающее действие на кожу оказывает тетрахлорид германия. В клинических испытаниях, а также при длительном пероральном приеме кумулятивных количеств, которые достигали 16 граммов спирогермания (органического противоопухолевого препарата), а также иных германиевых соединений, обнаружена нефротоксическая и нейротоксическая активность данного металла.
Подобные дозировки в основном не характерны для промышленных предприятий. Те эксперименты, что проводились на животных, были направлены на изучение действия германия и его соединений на живой организм. В результате удалось установить ухудшение здоровья при вдыхании существенного объема пыли металлического германия, а также его диоксида.
Ученые обнаружили в легких животных серьезные морфологические изменения, которые аналогичны пролиферативным процессам. Например, было выявлено существенное утолщение альвеолярных разделов, а также гиперплазия лимфатических сосудов вокруг бронхов, утолщения кровеносных сосудов.
Диоксид германия не оказывает раздражающего действия на кожу, но непосредственный контакт этого соединения с оболочкой глаза приводит к образованию германиевой кислоты, являющейся серьезным глазным раздражителем. При продолжительных внутрибрюшинных инъекциях были обнаружены серьезные изменения в периферической крови.
Важные факты
Самыми вредными соединениями германия являются хлорид и гидрид германия. Последнее вещество провоцирует серьезное отравление. В результате морфологического обследования органов животных, которые погибли при острой фазе, показали существенные нарушения в системе кровообращения, а также клеточные модификации в паренхиматозных органах. Ученые пришли к выводу, что гидрид представляет собой многоцелевой яд, который поражает нервную систему, угнетает систему периферийного кровообращения.
Тетрахлорид германия
Он является сильным раздражителем дыхательной системы, глаз, кожи. В концентрации 13 мг/м 3 он способен подавлять на клеточном уровне легочный ответ. При увеличении концентрации данного вещества наблюдается серьезное раздражение верхних дыхательных путей, существенные изменения ритма и частоты дыхания.
Отравление данным веществом приводит к катарально-десквамативным бронхитам, интерстициальной пневмонии.
Получение
Так как в природе германий представлен в качестве примеси к никелевым, полиметаллическим, вольфрамовым рудам, для выделения чистого металла в промышленности проводят несколько трудоемких процессов, связанных с обогащением руды. Из нее выделяют сначала оксид германия, затем проводят его восстановление водородом при повышенной температуре до получения простого металла:
GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O.
Электронные свойства и изотопы
Германий считают непрямозонным типичным полупроводником. Величина его диэлектрической статистической проницаемости составляет 16, а величина сродства к электрону - 4эВ.
В тонкой пленке легированным галлием можно придать германию состояние сверхпроводимости.
В природе присутствует пять изотопов этого металла. Из них стабильными являются четыре, а пятый подвергается двойному бета-распаду, период полураспада составляет 1,58×10 21 лет.
Заключение
В настоящее время органические соединения данного металла применяют в разных сферах промышленности. Прозрачность в инфракрасной спектральной области металлического германия сверхвысокой чистоты важна для изготовления оптических элементов инфракрасной оптики: призм, линз, оптических окон современных датчиков. Самой распространенной областью использования германия считают создание оптики тепловизионных камер, которые функционируют в диапазоне длин волн от 8 до 14 микрон.
Подобные устройства применяют в военной технике для систем инфракрасного наведения, ночного видения, пассивного тепловидения, противопожарных системах. Также германий имеет высокий показатель преломления, что необходимо для антибликового покрытия.
В радиотехнике транзисторы на основе германия имеют характеристики, которые по многим показателям превышают показатели кремниевых элементов. Обратные токи у германиевых элементов существенно выше, чем у их кремниевых аналогов, что позволяет существенно увеличивать эффективность подобных радиоприборов. Учитывая, что германий не так распространен в природе, как кремний, в радиоприборах в основном применяют кремниевые полупроводниковые элементы.
