germanium alkuaine. Germaniumin ominaisuudet, uuttaminen ja käyttö

germaaniumia- erittäin arvokas jaksollisen järjestelmän elementti ihmisille. Sen ainutlaatuiset ominaisuudet puolijohteena ovat tehneet mahdolliseksi luoda diodeja, joita käytetään laajasti erilaisissa mittauslaitteissa ja radiovastaanottimissa. Sitä tarvitaan linssien ja optisten kuitujen valmistukseen.

Tekninen kehitys on kuitenkin vain osa tämän elementin etuja. Orgaanisilla germaniumyhdisteillä on harvinaisia ​​terapeuttisia ominaisuuksia, joilla on laaja biologinen vaikutus ihmisten terveyteen ja hyvinvointiin, ja tämä ominaisuus on kalliimpaa kuin mitkään jalometallit.

Germaniumin löytämisen historia

Dmitri Ivanovitš Mendelejev analysoi jaksollista elementtitaulukkoaan vuonna 1871, että siitä puuttui toinen ryhmään IV kuuluva elementti. Hän kuvaili sen ominaisuuksia, korosti sen yhtäläisyyksiä piin kanssa ja antoi sille nimeksi eca-pii.

Muutamaa vuotta myöhemmin, vuonna 1886, helmikuussa, Freibergin kaivosakatemian professori löysi argyrodiitin, uuden hopeayhdisteen. Hänen täydellinen analyysi uskottiin Clemens Winklerille, teknisen kemian professorille ja akatemian parhaalle analyytikolle. Tutkittuaan uutta mineraalia hän eristi 7 % sen painosta erillisenä tunnistamattomana aineena. Sen ominaisuuksien perusteellinen tutkimus osoitti, että tämä on Mendelejevin ennustama eca-pii. On tärkeää, että Winklerin käyttämää eca-piin eristysmenetelmää käytetään edelleen sen teollisessa tuotannossa.

Saksa-nimen historia

Ecasilicon on jaksollisessa taulukossa sijalla 32. Aluksi Clemens Winkler halusi antaa sille nimen Neptunus planeetan kunniaksi, joka myös ensin ennustettiin ja löydettiin myöhemmin. Kuitenkin kävi ilmi, että yhtä väärin löydettyä komponenttia kutsuttiin jo sellaiseksi, ja siitä voi syntyä tarpeetonta hämmennystä ja kiistaa.

Tämän seurauksena Winkler valitsi hänelle nimen Germanium maansa kunniaksi poistaakseen kaikki erot. Dmitry Ivanovich tuki tätä päätöstä ja antoi tämän nimen "aivolapselleen".

Miltä germanium näyttää?

Tämä kallis ja harvinainen elementti, kuten lasi, on hauras. Tavallinen germaniumharkko näyttää sylinteriltä, ​​jonka halkaisija on 10-35 mm. Germaniumin väri riippuu sen pintakäsittelystä ja voi olla musta, teräsmäinen tai hopea. Sen ulkonäkö voidaan helposti sekoittaa piiiin, sen lähimpään sukulaiseen ja kilpailijaan.

Tarvitset erityisiä suurennustyökaluja nähdäksesi pieniä germaniumosia laitteissa.

Orgaanisen germaniumin käyttö lääketieteessä

Orgaanisen yhdisteen germanium syntetisoi japanilainen tohtori K. Asai vuonna 1967. Hän osoitti, että sillä on kasvaimia estäviä ominaisuuksia. Jatkuvat tutkimukset ovat osoittaneet, että erilaisilla germaniumyhdisteillä on ihmisille sellaisia ​​tärkeitä ominaisuuksia kuin kivunlievitys, verenpaineen alentaminen, anemiariskin vähentäminen, immuunijärjestelmän vahvistaminen ja haitallisten bakteerien tuhoaminen.

Germaniumin vaikutuksen ohjeet kehossa:

• Edistää kudosten kyllästymistä hapella ja
• Nopeuttaa haavan paranemista,
• Auttaa puhdistamaan solut ja kudokset myrkyistä ja myrkyistä,
• Parantaa keskusyksikön kuntoa hermosto ja sen toiminta,
• Nopeuttaa toipumista vakavan vaivan jälkeen liikunta,
• Lisää ihmisen yleistä suorituskykyä,
• Vahvistaa puolustusreaktioita kauttaaltaan immuunijärjestelmä.

Orgaanisen germaniumin rooli immuunijärjestelmässä ja hapenkuljetuksessa

Germaniumin kyky kuljettaa happea kehon kudosten tasolla on erityisen arvokas hypoksian ehkäisyssä ( hapenpuute). Tämä vähentää myös veren hypoksian kehittymisen todennäköisyyttä, joka tapahtuu, kun hemoglobiinin määrä punasoluissa vähenee. Hapen toimittaminen mihin tahansa soluun voi vähentää hapenpuutteen riskiä ja pelastaa hapenpuutteelle herkimmät solut kuolemasta: aivot, munuais- ja maksakudokset sekä sydänlihakset.

Vuonna 1870 D.I. Mendelejev ennusti jaksollisen lain perusteella vielä löytämättömän ryhmän IV elementin, kutsuen sitä eca-piiksi, ja kuvasi sen pääominaisuuksia. Vuonna 1886 saksalainen kemisti Clemens Winkler löysi tämän kemiallisen alkuaineen mineraaliargyrodiitin kemiallisen analyysin aikana. Alun perin Winkler halusi kutsua uutta elementtiä "neptuniumiksi", mutta tämä nimi oli jo annettu yhdelle ehdotetuista elementeistä, joten elementti nimettiin tiedemiehen kotimaan Saksan kunniaksi.

Luonnossa oleminen, vastaanottaminen:

Germaniumia löytyy sulfidimalmeista, rautamalmi, löytyy melkein kaikista silikaateista. Tärkeimmät germaniumia sisältävät mineraalit ovat: argyrodiitti Ag 8 GeS 6 , konfieldiitti Ag 8 (Sn,Ce)S 6, stottiitti FeGe(OH) 6, germaniitti Cu 3 (Ge,Fe,Ga)(S,As) 4, renieriitti Cu 3 (Fe,Ge,Zn)(S,As)4.
Monimutkaisten ja työvaltaisten malmin rikastus- ja rikastusoperaatioiden tuloksena germanium eristetään GeO 2 -oksidin muodossa, joka pelkistetään vedyllä 600 °C:ssa yksinkertaiseksi aineeksi.
GeO2 + 2H2 =Ge + 2H2O
Germanium puhdistetaan vyöhykesulatusmenetelmällä, mikä tekee siitä yhden kemiallisesti puhtaimmista materiaaleista.

Fyysiset ominaisuudet:

Harmaanvalkoinen kiinteä aine, jolla on metallin kiilto (sp. 938 °C, kp. 2830 °C)

Kemialliset ominaisuudet:

klo normaaleissa olosuhteissa germanium kestää ilmaa ja vettä, emäksiä ja happoja, liukenee veteen ja vetyperoksidin alkaliseen liuokseen. Germaniumin hapetusaste sen yhdisteissä: 2, 4.

Tärkeimmät liitännät:

germanium(II)oksidi, GeO, harmaa-musta, hieman liukeneva. b-in, kuumennettaessa se on epäsuhtainen: 2GeO = Ge + GeO 2
germanium(II)hydroksidi Ge(OH) 2, punaoranssi. Kristus.,
germanium(II)jodidi, GeI 2, keltainen. kr., sol. vedessä, hydrol. Hei hei.
germanium(II)hydridi, GeH 2, tv. valkoinen huokoset, helposti hapettuva. ja rappeutuminen.

germanium(IV)oksidi, GeO 2 , valkoinen amfoteerinen kide, joka saadaan germaniumkloridin, sulfidin, hydridin hydrolyysillä tai germaniumin reaktiolla typpihapon kanssa.
germaanium(IV)hydroksidi (germaanihappo), H 2 GeO 3 , heikko. undef. biaksiaalinen esimerkiksi germanaattisuolat, esimerkiksi. natriumgermanaatti, Na 2 GeO 3 , valkoinen kristalli, sol. vedessä; hygroskooppinen. On myös Na 2 -heksahydroksogermanaatteja (orto-germanaatteja) ja polygermanaatteja
germanium(IV)sulfaatti, Ge(SO 4) 2, väritön. kiteet, jotka on hydrolysoitu vedellä GeO 2:ksi, saatu kuumentamalla germanium(IV)kloridia rikkihapon anhydridillä 160 °C:ssa: GeCl 4 + 4SO 3 = Ge(SO 4) 2 + 2SO 2 + 2Cl 2
germanium(IV)halogenidit, fluoridi GeF 4 - parhaat. kaasu, raaka hydrol., reagoi HF:n kanssa muodostaen H 2 - fluorivetyhappoa: GeF 4 + 2HF = H 2,
kloridi GeCl 4, väritön. neste, hydr., bromidi GeBr 4, harmaa kr. tai väritöntä neste, sol. in org. yhteys,
jodidi GeI 4, kelta-oranssi kr., hidas. hydr., sol. in org. yhteys
germanium(IV)sulfidi, GeS 2, valkoinen cr., huonosti liukeneva. vedessä, hydrol., reagoi alkalien kanssa:
3GeS 2 + 6NaOH = Na 2 GeO 3 + 2Na 2 GeS 3 + 3H 2 O, muodostaen germanaatteja ja tiogermanaatteja.
germanium(IV)hydridi, "germane", GeH 4, väritön. kaasu, orgaaniset johdannaiset tetrametyyligermaani Ge(CH 3) 4, tetraetyyligermaani Ge(C 2 H 5) 4 - väritön. nesteitä.

Sovellus:

Tärkeimmät puolijohdemateriaalit, pääasialliset käyttöalueet: optiikka, radioelektroniikka, ydinfysiikka.

Germaniumyhdisteet ovat lievästi myrkyllisiä. Germanium on hivenaine, joka ihmiskehossa lisää elimistön immuunijärjestelmän tehokkuutta, taistelee syöpää vastaan ​​ja vähentää kipua. On myös huomattava, että germanium edistää hapen siirtymistä kehon kudoksiin ja on voimakas antioksidantti – kehon vapaiden radikaalien estäjä.
Ihmiskehon päivittäinen tarve on 0,4–1,5 mg.
Mestari germaniumpitoisuuden joukossa elintarvikkeita on valkosipuli (750 mikrogrammaa germaniumia 1 g valkosipulin kynsien kuivapainoa kohti).

Materiaalin ovat laatineet Tjumenin osavaltion yliopiston fysiikan ja kemian instituutin opiskelijat
Demchenko Yu.V., Bornovolokova A.A.
Lähteet:
Germanium//Wikipedia./ URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=63504262 (käyttöpäivä: 13.6.2014).
Germanium//Allmetals.ru/URL: http://www.allmetals.ru/metals/germanium/ (käyttöpäivä: 13.6.2014).

Mini-abstrakti

"Elementti germanium"

Kohde:

Kuvaile elementtiä Ge

Kuvaile elementin Ge ominaisuuksia

Kerro meille tämän elementin sovelluksesta ja käytöstä

Elementin historia………………………………………….……. 1

Elementin ominaisuudet…………………………………………………… 2

Hakemus……………….….………………………………………….. 3

Terveysvaara………………………………………… 4

Lähteet………………………………………………………………………5

Elementin historiasta..

Ggermanium(lat. Germanium) - ryhmän IV kemiallinen alkuaine, pääalaryhmä jaksollinen järjestelmä DI. Mendelejev, merkitty symbolilla Ge, kuuluu metallien perheeseen, sarjanumero 32, atomimassa 72,59. Se on harmaanvalkoinen kiinteä aine, jolla on metallinen kiilto.

Mendelejev ennusti Saksan olemassaolon ja ominaisuudet vuonna 1871 ja antoi tälle vielä tuntemattomalle elementille nimen "Ekasilikon" sen ominaisuuksien samankaltaisuuden vuoksi piin kanssa.

Vuonna 1886 saksalainen kemisti K. Winkler havaitsi mineraalia tutkiessaan, että se sisälsi jotain tuntematonta alkuainetta, jota ei voitu havaita analyysillä. Kovan työn jälkeen hän löysi uuden alkuaineen suolat ja eristi osan itse alkuaineesta puhtaassa muodossaan. Ensimmäisessä löytöraportissa Winkler ehdotti, että uusi alkuaine oli antimonin ja arseenin analogi. Winkler aikoi nimetä elementille Neptunium, mutta tämä nimi oli jo annettu yhdelle väärin löydetylle elementille. Winkler nimesi löytämänsä alkuaineen uudelleen germaniumiksi (Germanium) isänmaansa kunniaksi. Ja jopa Mendeleev tuki Winklerille lähettämässään kirjeessä voimakkaasti elementin nimeä.

Mutta 1900-luvun jälkipuoliskolle asti Saksan käytännön soveltaminen oli hyvin rajallista. Tämän elementin teollinen tuotanto syntyi puolijohdeelektroniikan kehityksen yhteydessä.

Elementin ominaisuudetGe

Saksa oli ensimmäinen, jota käytettiin laajimmin lääketieteellisiin tarkoituksiin Japanissa. Erilaisten organogermaniumyhdisteiden kokeet eläinkokeissa ja ihmisillä tehdyissä kliinisissä kokeissa ovat osoittaneet, että niillä on vaihtelevassa määrin positiivinen vaikutus ihmiskehoon. Läpimurto tapahtui vuonna 1967, kun tohtori K. Asai huomasi, että orgaanisella germaniumilla on laaja valikoima biologisia vaikutuksia.

Ominaisuudet:

Kuljettaa happea kehon kudoksissa - veressä oleva germanium käyttäytyy samalla tavalla kuin hemoglobiini. Se osallistuu hapen kuljettamiseen kehon kudoksiin, mikä takaa kaikkien kehon järjestelmien normaalin toiminnan.

stimuloi immuunijärjestelmää - germanium orgaanisten yhdisteiden muodossa edistää gamma-interferonien tuotantoa, jotka estävät nopeasti jakautuvien mikrobisolujen lisääntymisprosesseja ja aktivoivat spesifisiä immuunisoluja (T-soluja)

kasvainten vastainen - germanium viivästyttää pahanlaatuisten kasvainten kehittymistä ja estää etäpesäkkeiden ilmaantumista, ja sillä on myös suojaavia ominaisuuksia säteilyaltistumista vastaan.

biosidinen (sieni-, virus-, antibakteerinen) - orgaaniset germaniumyhdisteet stimuloivat interferonin tuotantoa - suojaava proteiini elimistön tuottamana vastauksena vieraiden esineiden tuomiseen.

Alkuaineen germanium käyttö ja käyttö elämässä

Teollisessa käytännössä germaaniumia saadaan pääasiassa ei-rautametallimalmien käsittelyn sivutuotteista. Germaniumrikastetta (2-10 % Saksa) saadaan eri menetelmillä raaka-aineiden koostumuksesta riippuen. Puolijohdelaitteissa käytettävän erittäin puhtaan germaniumin eristämiseksi suoritetaan metallin vyöhykesulatus. Puolijohdeteollisuudessa tarvittava yksikiteinen germanium saadaan yleensä vyöhykesulattamalla.

Tämä on yksi eniten arvokkaita materiaaleja nykyaikaisessa puolijohdetekniikassa. Sitä käytetään diodien, triodien, kristalliilmaisimien ja tehotasasuuntaajien valmistukseen. Germaniumia käytetään myös dosimetrisissä laitteissa ja instrumenteissa, jotka mittaavat vakio- ja vaihtuvien magneettikenttien voimakkuutta. Tärkeä elementin sovellusalue on infrapunatekniikka, erityisesti ilmaisimien valmistus infrapunasäteily. Monet germaniumia sisältävät seokset ovat lupaavia käytännön käyttöön. Esimerkiksi lasit, jotka perustuvat GeO 2:een ja muihin Ge-yhdisteisiin. Huoneenlämmössä germanium kestää ilmaa, vettä, alkaliliuoksia ja laimeita kloorivety- ja rikkihappoja, mutta liukenee helposti vesistöihin ja emäksiseen vetyperoksidiliuokseen. Ja se hapettuu hitaasti typpihapon kanssa.

Korkean kovuuden ja lujuuden omaavia germaaniseoksia käytetään koruissa ja hammastekniikassa tarkkuusvaluissa. Germaniumia esiintyy luonnossa vain sidottu tila eikä koskaan ilmaiseksi. Yleisimmät germaniumia sisältävät mineraalit ovat argyrodiitti ja germaniitti.Suuret germaniummineraalien varat ovat harvinaisia, mutta itse alkuainetta löytyy laajalti muista mineraaleista, erityisesti sulfideista (yleisimmin sinkkisulfideista ja silikaateista). Pieniä määriä löytyy myös erilaisista hiileistä.

Maailmantuotanto Saksassa on 65 kg vuodessa.

Terveysvaara

Työterveysongelmia voi aiheuttaa pölyn leviäminen germaniumrikasteen lastauksen aikana, jauhaminen ja dioksidin lastaus germaniummetallin erottamiseksi sekä jauhetun germaniumin lastaus tankoiksi sulatettaviksi. Muita terveyshaittojen lähteitä ovat putkiuunien lämpösäteily ja jauhetun germaniumin tankoiksi sulaminen sekä hiilimonoksidin muodostuminen.

Imeytynyt germanium erittyy nopeasti elimistöstä pääasiassa virtsan mukana. Epäorgaanisten germaniumyhdisteiden myrkyllisyydestä ihmisille on vähän tietoa. Germaniumtetrakloridi on ihoa ärsyttävä aine. Neurotoksista ja nefrotoksista aktiivisuutta on havaittu kliinisissä tutkimuksissa ja muissa pitkäaikaisissa tapauksissa, joissa on annettu suun kautta enintään 16 g:n kumulatiivisia annoksia spirogermaniumia, orgaanista germaniumsyöpälääkettä tai muita germaniumyhdisteitä. Tällaisia ​​annoksia ei yleensä altisteta teollisille olosuhteille. Eläinkokeet, joilla selvitetään germaniumin ja sen yhdisteiden vaikutuksia kehoon, ovat osoittaneet, että germaniummetallipöly ja germaniumdioksidi hengitettynä suurina pitoisuuksina johtavat yleiseen huonoon terveyteen (rajoitettu painonnousu). Eläinten keuhkoissa havaittiin proliferatiivisten reaktioiden kaltaisia ​​morfologisia muutoksia, kuten keuhkorakkuloiden paksuuntumista ja keuhkoputkien ja verisuonten ympärillä olevien imusuonten hyperplasiaa. Germaanidioksidi ei ole ihoa ärsyttävä, mutta joutuessaan kosketuksiin silmän kostean limakalvon kanssa se muodostaa germaanihappoa, joka toimii silmiä ärsyttävänä aineena. Pitkäaikaiset vatsaontelonsisäiset injektiot annoksina 10 mg/kg aiheuttavat muutoksia perifeerisessä veressä .

Haitallisimmat germaniumyhdisteet ovat germaniumhydridi ja germaniumkloridi. Hydridi voi aiheuttaa akuutin myrkytyksen. Akuutin vaiheen aikana kuolleiden eläinten elinten morfologiset tutkimukset paljastivat verenkiertoelinten häiriöitä ja rappeuttavia solumuutoksia parenkymaalisissa elimissä. Siten hydridi on monikäyttöinen myrkky, joka vaikuttaa hermostoon ja perifeeriseen verenkiertojärjestelmään.

Germaniumtetrakloridi ärsyttää voimakkaasti hengityselimiä, ihoa ja silmiä. Kynnyspitoisuus – 13 mg/m3. Tällä pitoisuudella se vaimentaa keuhkovastetta solutasolla koe-eläimillä. Suurina pitoisuuksina se johtaa ylempien hengitysteiden ärsytykseen ja sidekalvotulehdukseen sekä hengitystiheyden ja -rytmin muutoksiin. Eläimet, jotka selvisivät akuutista myrkytyksestä, saivat useita päiviä myöhemmin katarraali-desquamatiivisen keuhkoputkentulehduksen ja interstitiaalisen keuhkokuumeen. Germaniumkloridilla on myös yleinen myrkyllinen vaikutus. Morfologisia muutoksia havaittiin eläinten maksassa, munuaisissa ja muissa elimissä.

Kaikkien esitettyjen tietojen lähteet

germanium |32 | Ge| — Hinta

Germanium (Ge) on dispergoitu harvinainen metalli, atomiluku - 32, atomimassa - 72,6, tiheys:
kiinteä aine 25 °C:ssa - 5,323 g/cm3;
neste 100 °C:ssa - 5,557 g/cm3;
Sulamispiste - 958,5°C, lineaarilaajenemiskerroin α,106, lämpötilassa, KO:
273-573— 6.1
573-923— 6.6
Kovuus mineralogisella asteikolla on 6-6,5.
Yksikiteisen erittäin puhtaan germaniumin sähköresistanssi (298OK), ohm.m-0,55-0,6.
Germanium löydettiin vuonna 1885, ja se saatiin alun perin sulfidina. D.I. Mendelejev ennusti tämän metallin vuonna 1871 ja antoi sille tarkan osoituksen sen ominaisuuksista ja nimesi sen ekosilikiksi. Tiedemiehet nimesivät germaanin sen maan kunniaksi, jossa se löydettiin.
Germanium on hopeanvalkoinen metalli, Tekijä: ulkomuoto samanlainen kuin tina, hauras normaaleissa olosuhteissa. Kestää plastisen muodonmuutoksen yli 550°C lämpötiloissa. Germaniumilla on puolijohtavia ominaisuuksia. Germaniumin sähkövastus riippuu sen puhtaudesta – epäpuhtaudet vähentävät sitä jyrkästi. Germanium on optisesti läpinäkyvä spektrin infrapuna-alueella ja sillä on korkea taitekerroin, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää erilaisten optisten järjestelmien valmistukseen.
Germanium on stabiili ilmassa jopa 700°C:n lämpötiloissa, korkeammissa lämpötiloissa se hapettuu ja sulamispisteen yläpuolella palaa muodostaen germaniumdioksidia. Vety ei ole vuorovaikutuksessa germaniumin kanssa, ja sulamislämpötilassa germaniumsula imee happea. Germanium ei reagoi typen kanssa. Kloorin kanssa se muodostaa huoneenlämmössä germaniumkloridia.
Germanium ei ole vuorovaikutuksessa hiilen kanssa, on stabiili vedessä, reagoi hitaasti happojen kanssa ja liukenee helposti vesistöihin. Alkaliliuoksilla on vain vähän vaikutusta germaniumiin. Germanium on seostettu kaikkien metallien kanssa.
Huolimatta siitä, että germanium on luonnossa runsaammin kuin lyijy, sen tuotanto on rajoitettua sen suuren leviämisen vuoksi maankuoressa, ja germaniumin hinta on melko korkea. Germanium muodostaa mineraaleja argyrodiittia ja germaniittia, mutta niitä käytetään vähän sen valmistuksessa. Germaniumia uutetaan sivutuotteena sulfidipolymetallimalmien ja joidenkin jopa 0,001 % germaniumia sisältävien rautamalmien jalostuksen yhteydessä tervavesistä hiilen koksauksen aikana.

Kuitti.

Germaniumin valmistus erilaisista raaka-aineista tapahtuu monimutkaisin menetelmin, joissa lopputuotteena on germaniumtetrakloridia tai germaniumdioksidia, josta saadaan germaniummetallia. Se puhdistetaan ja lisäksi kasvatetaan vyöhykesulatusmenetelmällä germaniumyksityiskiteitä, joilla on tietyt sähköiset ominaisuudet. Yksikiteistä ja monikiteistä germaniumia tuotetaan teollisuudessa.
Mineraalien käsittelyllä saadut välituotteet sisältävät pienen määrän germaniumia ja niiden rikastamiseen käytetään erilaisia ​​pyro- ja hydrometallurgisia prosessointimenetelmiä. Pyrometallurgiset menetelmät perustuvat germaniumia sisältävien haihtuvien yhdisteiden sublimaatioon, kun taas hydrometallurgiset menetelmät perustuvat germaniumyhdisteiden selektiiviseen liuottamiseen.
Germaniumrikasteiden saamiseksi pyrometallurgiset rikastustuotteet (sublimaatit, tuhka) käsitellään hapoilla ja germanium siirretään liuokseen, josta saadaan konsentraatti erilaisia ​​menetelmiä(saostus, yhteissaostus ja sorptio, sähkökemialliset menetelmät). Konsentraatti sisältää 2-20 % germaniumia, josta eristetään puhdasta germaniumdioksidia. Germaniumdioksidi pelkistetään vedyllä, mutta tuloksena oleva metalli ei ole tarpeeksi puhdasta puolijohdelaitteisiin ja siksi se puhdistetaan kristallografisilla menetelmillä (suunnattu kiteytys-vyöhykepuhdistus-yksikidetuotanto). Suuntakiteytys yhdistetään germaniumdioksidin pelkistämiseen vedyllä. Sula metalli työnnetään vähitellen ulos kuumalta alueelta jääkaappiin. Metalli kiteytyy vähitellen harkon pituudella. Epäpuhtaudet kerääntyvät harkon viimeiseen osaan ja poistetaan. Jäljelle jäänyt harkko leikataan paloiksi, jotka ladataan vyöhykkeen puhdistukseen.
Vyöhykepuhdistuksen tuloksena saadaan harkko, jossa metallin puhtaus vaihtelee sen pituudella. Myös harkko leikataan ja sen yksittäiset osat poistetaan prosessista. Siten, kun yksikiteinen germanium saadaan vyöhykkeellä puhdistetusta germaniumista, suora saanto on enintään 25 %.
Puolijohdelaitteiden valmistamiseksi yksittäinen germaniumkide leikataan kiekoiksi, joista leikataan pieniä osia, jotka sitten hiotaan ja kiillotetaan. Nämä osat ovat lopputuote puolijohdelaitteiden luomiseen.

SOVELLUS.

• Puolijohdeominaisuuksiensa vuoksi germaniumia käytetään laajalti radioelektroniikassa kiteisten tasasuuntaajien (diodien) ja kiteisten vahvistimien (triodien) valmistukseen, tietotekniikkaan, telemekaniikkaan, tutkoihin jne.

• Germaniumtriodeja käytetään sähköisten värähtelyjen vahvistamiseen, synnyttämiseen ja muuntamiseen.

• Radiotekniikassa käytetään germaniumkalvovastuksia.

• Germaniumia käytetään valodiodeissa ja valovastuksissa sekä termistorien valmistuksessa.

• Ydinteknologiassa käytetään germanium-gammasäteilyilmaisimia ja infrapunatekniikan laitteissa kullalla seostettuja germaniumlinssejä.

• Germaniumia lisätään erittäin herkkien lämpöparien seoksiin.

• Germaniumia käytetään katalyyttinä tekokuitujen valmistuksessa.

• Lääketieteessä tutkitaan joitain germaniumin orgaanisia yhdisteitä, mikä viittaa siihen, että ne voivat olla biologisesti aktiivisia ja auttaa viivästyttämään pahanlaatuisten kasvainten kehittymistä, alentamaan verenpainetta ja lievittämään kipua.

Germanium (latinan sanasta Germanium), nimeltään "Ge", on Dmitri Ivanovitš Mendelejevin kemiallisten alkuaineiden jaksollisen taulukon IV ryhmän elementti; alkuaineen järjestysluku on 32, atomimassa 72,59. Germanium on kiinteä aine, jolla on metallinen kiilto ja harmaanvalkoinen väri. Vaikka germaniumin väri on melko suhteellinen käsite, kaikki riippuu materiaalin pintakäsittelystä. Joskus se voi olla harmaata kuin teräs, joskus hopeaa ja joskus täysin musta. Ulkoisesti germanium on melko lähellä piitä. Nämä elementit eivät ole vain samanlaisia ​​toistensa kanssa, vaan niillä on myös suurelta osin samat puolijohdeominaisuudet. Niiden merkittävä ero on se, että germanium on yli kaksi kertaa painavampaa kuin pii.

Luonnossa esiintyvä germanium on viiden stabiilin isotoopin seos, joiden massaluvut ovat 76, 74, 73, 32, 70. Vuonna 1871 kuuluisa kemisti, "isä" jaksollinen järjestelmä, Dmitri Ivanovitš Mendelejev ennusti germaniumin ominaisuuksia ja olemassaoloa. Hän kutsui tuolloin tuntematonta elementtiä "exasiliconiksi", koska. uuden aineen ominaisuudet olivat monella tapaa piin kaltaisia. Vuonna 1886 48-vuotias saksalainen kemisti K. Winkler löysi argirdiittia tutkittuaan täysin uuden kemiallisen alkuaineen luonnollisesta seoksesta.

Aluksi kemisti halusi kutsua elementtiä neptuniumiksi, koska myös planeetta Neptunus ennustettiin paljon aikaisemmin kuin se löydettiin, mutta sitten hän sai tietää, että tätä nimeä oli jo käytetty yhden alkuaineen väärässä löydössä, joten Winkler päätti. kieltäytyä tästä nimestä. Tiedemiestä pyydettiin nimeämään elementti angularium, joka käännettynä tarkoittaa "kiistanalaista, kulmikasta", mutta Winkler ei myöskään hyväksynyt tätä nimeä, vaikka elementti nro 32 aiheutti todella paljon kiistaa. Tiedemies oli kansallisuudeltaan saksalainen, joten hän päätti lopulta nimetä alkuaineen germaniumiksi kotimaansa Saksan kunniaksi.

Kuten myöhemmin kävi ilmi, germanium osoittautui vain aiemmin löydetyksi "eksasilikiksi". 1900-luvun jälkipuoliskolle asti germaniumin käytännön käyttökelpoisuus oli melko kapea ja rajallinen. Metallin teollinen tuotanto alkoi vasta puolijohdeelektroniikan teollisen tuotannon alkamisen seurauksena.

Germanium on puolijohdemateriaali, jota käytetään laajalti elektroniikassa ja tekniikassa sekä mikropiirien ja transistorien valmistuksessa. Tutkajärjestelmissä käytetään ohuita germaniumkalvoja, jotka kerrostetaan lasille ja käytetään vastuksena. Germaniumin ja metallien seoksia käytetään ilmaisimissa ja antureissa.

Elementillä ei ole sellaista lujuutta kuin volframi tai titaani, se ei toimi ehtymättömänä energialähteenä kuten plutonium tai uraani, materiaalin sähkönjohtavuus on myös kaukana korkeimmasta, ja teollisuustekniikassa päämetalli on rauta. Tästä huolimatta germanium on yksi yhteiskuntamme teknisen kehityksen tärkeimmistä komponenteista, koska sitä alettiin käyttää puolijohdemateriaalina jopa aikaisemmin kuin piitä.

Tässä suhteessa olisi aiheellista kysyä: Mitä ovat puolijohtavuus ja puolijohteet? Päällä Tämä kysymys Edes asiantuntijat eivät voi vastata tarkasti, koska... voimme puhua puolijohteiden erityisestä ominaisuudesta. On myös tarkka määritelmä, mutta vain kansanperinteen alueelta: Puolijohde on johdin kahdelle autolle.

Germaniumpatukka maksaa melkein saman verran kuin kultaharkko. Metalli on erittäin hauras, melkein kuin lasi, joten jos pudotat tällaisen harkon, on suuri todennäköisyys, että metalli yksinkertaisesti rikkoutuu.

Germaniummetalli, ominaisuudet

Biologiset ominaisuudet

Germaniumia käytettiin laajimmin lääketieteellisiin tarkoituksiin Japanissa. Organogermaniumyhdisteiden testitulokset eläimillä ja ihmisillä ovat osoittaneet, että niillä voi olla myönteinen vaikutus kehoon. Vuonna 1967 japanilainen tohtori K. Asai havaitsi, että orgaanisella germaniumilla on laajat biologiset vaikutukset.

Kaikista sen biologisista ominaisuuksista on huomattava:

• - varmistaa hapen siirtyminen kehon kudoksiin;
• - kehon immuunijärjestelmän parantaminen;
• - kasvainten vastaisen aktiivisuuden ilmentymä.

Myöhemmin japanilaiset tiedemiehet loivat maailman ensimmäisen lääketieteellinen lääke sisältää germaniumia - "Germanium - 132".

Venäjällä ensimmäinen orgaanista germaniumia sisältävä kotimainen lääke ilmestyi vasta vuonna 2000.

Maankuoren pinnan biokemialliset evoluutioprosessit eivät vaikuttaneet parhaalla mahdollisella tavalla se sisältää germaniumia. Suurin osa alkuaineesta on huuhtoutunut maasta valtameriin, joten sen pitoisuus maaperässä on edelleen melko alhainen.

Niistä kasveista, joilla on kyky imeä germaniumia maaperästä, johtava on ginseng (germanium jopa 0,2 %). Germaniumia on myös valkosipulissa, kamferissa ja aloessa, joita käytetään perinteisesti erilaisten ihmisten sairauksien hoidossa. Kasvillisuudessa germanium löytyy karboksietyylisemioksidin muodossa. Nyt on mahdollista syntetisoida seskvioksaaneja pyrimidiinifragmentilla - germaniumin orgaanisilla yhdisteillä. Tämä yhteys sen rakenne on lähellä luonnollista, kuten ginseng-juuri.

Germanium voidaan luokitella harvinaiseksi hivenaineeksi. Hän on läsnä suuria määriä erilaisia ​​tuotteita, mutta pieninä annoksina. Orgaanisen germaniumin päiväsaanti on 8-10 mg. 125 elintarviketuotteen arviointi osoitti, että noin 1,5 mg germaniumia pääsee kehoon päivittäin ruoan mukana. Hivenainepitoisuus 1 grammassa raakaruokaa on noin 0,1 – 1,0 mcg. Germaniumia löytyy maidosta, tomaattimehusta, lohesta ja papuista. Mutta tyydyttääkseen päivittäinen tarve Saksassa kannattaa juoda 10 litraa tomaattimehua päivässä tai syödä noin 5 kiloa lohta. Näiden tuotteiden kustannusten näkökulmasta ihmisen fysiologiset ominaisuudet ja maalaisjärkeä On myös mahdotonta kuluttaa tällaisia ​​määriä germaniumia sisältäviä tuotteita. Venäjällä noin 80-90 prosentilla väestöstä on germaniumin puutos, minkä vuoksi kehitettiin erityisiä valmisteita.

Käytännön tutkimukset ovat osoittaneet, että elimistössä olevaa germaniumia on eniten suolistossa, mahassa, pernassa, luuytimessä ja veressä. Korkea mikroelementin pitoisuus suolistossa ja mahassa osoittaa lääkkeen verenkiertoon imeytymisen pitkittyneen vaikutuksen. Oletetaan, että orgaaninen germanium käyttäytyy veressä suunnilleen samalla tavalla kuin hemoglobiini, ts. Sillä on negatiivinen varaus ja se osallistuu hapen kuljettamiseen kudoksiin. Siten se estää hypoksian kehittymisen kudostasolla.

Toistuvien kokeiden tuloksena on todistettu germaniumin kyky aktivoida T-tappajasoluja ja edistää gamma-interferonien induktiota, jotka estävät nopeasti jakautuvien solujen lisääntymisprosessia. Interferonien pääasiallinen vaikutussuunta on kasvainten vastainen ja antiviraalinen suoja, imusolmukkeiden radiosuojaavat ja immunomoduloivat toiminnot.

Seskvioksidin muodossa oleva germanium kykenee vaikuttamaan vetyioneihin H+ ja tasoittaa niiden tuhoavaa vaikutusta kehon soluihin. Takuu kaikkien ihmiskehon järjestelmien erinomaisesta toiminnasta on jatkuva hapen saanti vereen ja kaikkiin kudoksiin. Orgaaninen germanium ei vain toimita happea kaikkiin kehon kohtiin, vaan myös edistää sen vuorovaikutusta vetyionien kanssa.

• - Germanium on metalli, mutta sen haurautta voi verrata lasiin.
• - Jotkut hakuteokset väittävät, että germaniumilla on hopea väri. Mutta tätä ei voida sanoa, koska germaniumin väri riippuu suoraan metallipinnan käsittelymenetelmästä. Joskus se voi näyttää melkein mustalta, toisinaan se on teräksen värinen ja joskus se voi olla hopeanhohtoinen.
• - Germaniumia löydettiin auringon pinnasta sekä avaruudesta pudonneista meteoriiteista.
• - Ensimmäisen germaniumin organoelementtiyhdisteen sai alkuaineen löytäjä Clemens Winkler germaniumtetrakloridista vuonna 1887, se oli tetraetyyligermanium. Kaikista vastaanotetuista moderni näyttämö Yksikään germaniumin organoelementtiyhdisteistä ei ole myrkyllinen. Samaan aikaan suurin osa orgaaniset tina- ja lyijyhivenaineet, jotka ovat fysikaalisin ominaisuuksiltaan germaniumin analogeja, ovat myrkyllisiä.
• - Dmitri Ivanovitš Mendelejev ennusti kolme kemiallista alkuainetta jo ennen niiden löytämistä, mukaan lukien germanium, ja kutsui elementtiä ekasilikiksi sen samankaltaisuuden vuoksi piin kanssa. Kuuluisan venäläisen tiedemiehen ennustus oli niin tarkka, että se yksinkertaisesti hämmästytti tutkijoita, mukaan lukien. ja Winkler, joka löysi germaniumin. Atomipaino Mendelejevin mukaan oli 72, todellisuudessa 72,6; tietty painovoima Mendelejevin mukaan se oli todellisuudessa 5,5 - 5,469; atomitilavuus Mendelejevin mukaan oli todellisuudessa 13 - 13,57; korkein oksidi Mendelejevin mukaan on EsO2, todellisuudessa - GeO2, sen ominaispaino Mendelejevin mukaan oli 4,7, todellisuudessa - 4,703; kloridiyhdiste Mendeleevin mukaan EsCl4 - neste, kiehumispiste noin 90°C, todellisuudessa - kloridiyhdiste GeCl4 - neste, kiehumispiste 83°C, yhdiste vedyn kanssa Mendeleevin mukaan EsH4 on kaasumainen, yhdiste vedyn kanssa todellisuudessa - GeH4 kaasumainen; Mendeleev Es(C2H5)4:n mukainen organometalliyhdiste, kiehumispiste 160 °C, todellinen organometalliyhdiste Ge(C2H5)4, kiehumispiste 163,5 °C. Kuten edellä käsitellyistä tiedoista voidaan nähdä, Mendelejevin ennustus oli yllättävän tarkka.
• - 26. helmikuuta 1886 Clemens Winkler aloitti kirjeen Mendelejeville sanoilla "Arvoisa herra". Melko kohteliaasti hän kertoi venäläiselle tiedemiehelle uudesta alkuaineesta nimeltä germanium, joka ominaisuuksiltaan ei ollut muuta kuin Mendelejevin aiemmin ennustettu "ekasilikoni". Dmitri Ivanovitš Mendelejevin vastaus ei ollut yhtä kohtelias. Tiedemies oli samaa mieltä kollegansa löydön kanssa ja kutsui germaniumia "jaksollisen järjestelmänsä kruunuksi" ja Winkleria elementin "isäksi", joka on tämän "kruunun" arvoinen.
• - Germaniumista klassisena puolijohteena on tullut avain ongelman ratkaisemiseksi suprajohtavien materiaalien luomisessa, jotka toimivat nestemäisen vedyn lämpötilassa, mutta eivät nestemäisen heliumin lämpötilassa. Kuten tiedetään, vety muuttuu nestemäiseksi kaasumaisesta tilasta saavuttaessaan lämpötilan -252,6 °C tai 20,5 °K. 70-luvulla kehitettiin germanium- ja niobikalvokalvo, jonka paksuus oli vain muutama tuhat atomia. Tämä kalvo pystyy ylläpitämään suprajohtavuutensa jopa silloin, kun lämpötilat saavuttavat 23,2 K tai sen alle.
• - Germaniumyksikidettä kasvatettaessa sulan germaniumin pinnalle asetetaan germaniumkide – ”siemen”, jota nostetaan vähitellen automaattilaitteella ja sulamislämpötila on hieman korkeampi kuin germaniumin sulamispiste (937). °C). "Siemen" pyörii niin, että yksikidekide, kuten sanotaan, "kasvaa lihan kanssa" joka puolelta tasaisesti. On huomattava, että tällaisen kasvun aikana tapahtuu sama asia kuin vyöhykkeen sulamisen aikana, ts. Lähes vain germanium siirtyy kiinteään faasiin, ja kaikki epäpuhtaudet jäävät sulatteeseen.

Tarina

Germaniumin kaltaisen alkuaineen olemassaolon ennusti jo vuonna 1871 Dmitri Ivanovitš Mendelejev; sen samankaltaisuuksien vuoksi piin kanssa elementti nimettiin eca-piiksi. Vuonna 1886 Freibergin kaivosakatemian professori löysi argyrodiitin, uuden hopeamineraalin. Sitten tämä mineraali Teknisen kemian professori Clemens Winkler tutki sitä melko huolellisesti ja suoritti täydellisen analyysin mineraalista. 48-vuotiasta Winkleria pidettiin perustellusti Freibergin kaivosakatemian parhaana analyytikona, minkä vuoksi hänelle annettiin mahdollisuus opiskella argyrodiittia.

Ihan varsinkin lyhyt aika professori pystyi antamaan raportin prosenteista erilaisia ​​elementtejä alkuperäisessä mineraalissa: hopeaa sen koostumuksessa oli 74,72%; rikki - 17,13 %; rautaoksidi - 0,66%; elohopea - 0,31%; sinkkioksidi - 0,22%.Mutta lähes seitsemän prosenttia - tämä oli jonkin tuntemattoman alkuaineen osuus, jota ei ilmeisesti ollut vielä löydetty tuolloin. Tämän yhteydessä Winkler päätti eristää tuntemattoman argyrodpt-komponentin, tutkia sen ominaisuuksia, ja tutkimusprosessin aikana hän tajusi, että hän oli itse asiassa löytänyt täysin uuden alkuaineen - se oli escaplicium, jonka D.I ennusti. Mendelejev.

Olisi kuitenkin väärin ajatella, että Winklerin työ sujui ongelmitta. Dmitri Ivanovitš Mendelejev kirjoittaa kirjansa ”Kemian perusteet” kahdeksannen luvun lisäksi: ”Aluksi (helmikuussa 1886) materiaalin puute, samoin kuin spektrin puute liekissä ja germaniumin liukoisuus. yhdisteet, haittasivat vakavasti Winklerin tutkimusta...” Sanoihin ”spektrin puute” kannattaa kiinnittää huomiota. Mutta kuinka niin? Vuonna 1886 oli jo olemassa laajalti käytetty spektrianalyysimenetelmä. Tällä menetelmällä löydettiin sellaisia ​​alkuaineita kuin tallium, rubidium, indium, cesium maan päällä ja helium Auringosta. Tiedemiehet tiesivät jo varmasti, että jokaisella kemiallisella alkuaineella on poikkeuksetta yksilöllinen spektri, mutta yhtäkkiä spektriä ei ole!

Selitys tälle ilmiölle ilmestyi hieman myöhemmin. Germaniumilla on tyypillisiä spektriviivoja. Niiden aallonpituus on 2651,18; 3039.06 Ǻ ja muutama muu. Ne kaikki ovat kuitenkin spektrin ultravioletti-näkymättömässä osassa, voidaan pitää onnekkaasti, että Winkler on seuraaja perinteisiä menetelmiä analyysi, koska juuri nämä menetelmät johtivat hänet menestykseen.

Winklerin käyttämä menetelmä germaniumin saamiseksi mineraalista on melko lähellä yhtä nykyaikaisista. teollisia menetelmiä korostaen 32. elementtiä. Ensin argarodniitin sisältämä germanium muutettiin dioksidiksi. Sitten syntynyt valkoinen jauhe kuumennettiin 600-700 °C:n lämpötilaan vetyatmosfäärissä. Tässä tapauksessa reaktio osoittautui ilmeiseksi: GeO 2 + 2H 2 → Ge + 2H 2 O.

Tällä menetelmällä saatiin ensimmäisen kerran suhteellisen puhdas alkuaine nro 32, germanium. Aluksi Winkler aikoi nimetä vanadiinineptuniumin samannimisen planeetan kunniaksi, koska Neptunus, kuten germanium, ennustettiin ensin ja vasta sitten löydettiin. Mutta sitten kävi ilmi, että tätä nimeä oli käytetty jo kerran; yhtä kemiallista alkuainetta, joka löydettiin väärin, kutsuttiin neptuniumiksi. Winkler päätti olla tinkimättä nimestään ja löydöstään ja kieltäytyi neptuniumista. Eräs ranskalainen tiedemies Rayon ehdotti, mutta sitten hän myönsi, että hänen ehdotuksensa oli vitsi, hän ehdotti elementin kutsumista angulariumiksi, ts. "kiistanalainen, kulmikas", mutta Winkler ei myöskään pitänyt tästä nimestä. Tämän seurauksena tiedemies valitsi itsenäisesti nimen elementilleen ja kutsui sitä germaniumiksi kotimaansa Saksan kunniaksi, ja ajan myötä tämä nimi vakiintui.

2. puoliajalle asti. XX vuosisadalla Germaniumin käyttö käytännössä jäi melko rajalliseksi. Teollinen metallituotanto syntyi vasta puolijohteiden ja puolijohdeelektroniikan kehityksen yhteydessä.

Luonnossa oleminen

Germanium voidaan luokitella hivenaineeksi. Elementtiä ei löydy luonnosta ollenkaan. vapaa muoto. Planeettamme maankuoren kokonaismetallipitoisuus on 7 × 10 −4 %. Tämä on enemmän kuin kemiallisten alkuaineiden, kuten hopean, antimonin tai vismutin, pitoisuus. Mutta germaniumin omat mineraalit ovat melko niukkoja ja niitä tavataan hyvin harvoin luonnossa. Melkein kaikki nämä mineraalit ovat sulfosuoloja, esimerkiksi germaniitti Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4, konfieldiitti Ag 8 (Sn,Ce)S 6, argyrodiitti Ag8GeS6 ja muut.

Suurin osa maankuoreen levinneestä germaniumista sisältyy valtavaan määrään kiviä, samoin kuin monia mineraaleja: ei-rautametallien sulfiittimalmit, rautamalmit, jotkut oksidimineraalit (kromiitti, magnetiitti, rutiili ja muut), graniitit, diabaasit ja basaltit. Joissakin sfaleriiteissa alkuaineen pitoisuus voi olla useita kiloja tonnia kohden, esimerkiksi frankeiteissa ja sulvaniitissa 1 kg/t, enargiiteissa germaniumpitoisuus on 5 kg/t, pyrargyriitissa jopa 10 kg/t ja muissa silikaateissa ja sulfideissa - kymmeniä ja satoja g/t. Pieni osa germaniumia on lähes kaikissa silikaateissa sekä joissakin öljy- ja hiiliesiintymissä.

Alkuaineen päämineraali on germaniumsulfiitti (kaava GeS2). Mineraali löytyy epäpuhtautena sinkkisulfiteista ja muista metalleista. Tärkeimmät germaniummineraalit ovat: germaniitti Cu 3 (Ge,Fe,Ga)(S,As) 4, plumbogermaniitti (Pb,Ge,Ga) 2 SO 4 (OH) 2 2H 2 O, stottiitti FeGe(OH) 6, renieriitti Cu3 (Fe,Ge,Zn)(S,As)4 ja argyrodiitti Ag8GeS6.

Saksa on läsnä kaikkien valtioiden alueilla poikkeuksetta. Mutta tämän metallin teollisuusesiintymissä ei mikään teollinen kehitysmaat maailmalla ei ole. Germanium on hyvin, hyvin hajanaista. Maapallolla tämän metallin mineraaleja pidetään erittäin harvinaisina, jos ne sisältävät enemmän kuin vähintään 1 % germaniumia. Tällaisia ​​mineraaleja ovat germaniitti, argyrodiitti, ultrabasiitti jne., mukaan lukien mineraalit, jotka on löydetty viime vuosikymmeninä: shtotiitti, reneriitti, plumbogermaniitti ja konfieldiitti. Kaikkien näiden mineraalien esiintymät eivät pysty kattamaan kysyntää moderni teollisuus tässä harvinaisessa ja tärkeässä kemiallisessa alkuaineessa.

Suurin osa germaniumista on dispergoitunut muiden kemiallisten alkuaineiden mineraaleihin, ja sitä löytyy myös luonnollisista vesistä, hiilestä, elävistä organismeista ja maaperästä. Esimerkiksi tavallisen hiilen germaniumpitoisuus saavuttaa joskus yli 0,1 %. Mutta tällainen luku on melko harvinainen, yleensä germaniumin osuus on pienempi. Mutta antrasiitissa ei ole juuri lainkaan germaniumia.

Kuitti

Germaniumsulfidia käsiteltäessä saadaan GeO 2 -oksidia, joka pelkistetään vedyn avulla vapaan germaniumin saamiseksi.

SISÄÄN teollisuustuotanto germaniumia louhitaan pääasiassa ei-rautametallimalmien (sinkkiseos, sinkki-kupari-lyijypolymetallirikasteet, jotka sisältävät 0,001-0,1 % germaniumia), hiilen poltosta syntyvän tuhkan ja joidenkin koksikemiallisten tuotteiden jalostuksen sivutuotteena.

Aluksi germaniumrikastetta (2 % - 10 % germaniumia) eristetään edellä mainituista lähteistä eri tavoilla, joiden valinta riippuu raaka-aineen koostumuksesta. Nyrkkeilyhiilen käsittelyn aikana germanium saostuu osittain (5-10 %) tervavedeksi ja hartsiksi, josta se uutetaan yhdessä tanniinin kanssa, minkä jälkeen se kuivataan ja poltetaan 400-500°C:n lämpötilassa. . Tuloksena on tiiviste, joka sisältää noin 30-40 % germaniumia, josta germanium eristetään GeCl 4:n muodossa. Germaniumin uuttamisprosessi tällaisesta rikasteesta sisältää pääsääntöisesti samat vaiheet:

1) Konsentraatti kloorataan käyttämällä suolahappoa, hapon ja kloorin seosta vesiympäristö tai muita klooraavia aineita, jotka voivat aiheuttaa teknistä GeCl 4 :a. GeCl4:n puhdistamiseen käytetään epäpuhtauksien rektifikaatiota ja uuttamista väkevällä kloorivetyhapolla.

2) GeCl4:n hydrolyysi suoritetaan, hydrolyysituotteet kalsinoidaan Ge02-oksidin saamiseksi.

3) GeO pelkistetään vedyllä tai ammoniakilla puhtaaksi metalliksi.

Saamalla puhtainta germaniumia, jota käytetään puolijohteessa teknisiä keinoja, suorita metallin vyöhykesulatus. Puolijohteiden valmistukseen tarvittava yksikiteinen germanium saadaan yleensä vyöhykesulatuksella tai Czochralskin menetelmällä.

Neuvostoliiton tiedemies V.A. kehitti menetelmiä germaniumin eristämiseksi koksilaitosten tervavesistä. Nazarenko. Tämä raaka-aine sisältää enintään 0,0003 % germaniumia, mutta tammiuutteen avulla germanium on helppo saostaa tannidikompleksin muodossa.

Tanniinin pääkomponentti on glukoosiesteri, joka sisältää meta-digalliinihapporadikaalin, joka sitoo germaniumia, vaikka alkuaineen pitoisuus liuoksessa on hyvin pieni. Sedimentistä saat helposti rikasteen, joka sisältää jopa 45 % germaniumdioksidia.

Myöhemmät muutokset riippuvat vähän raaka-aineen tyypistä. Germanium pelkistetään vedyllä (kuten Winkler 1800-luvulla), mutta germaniumoksidi on ensin eristettävä lukuisista epäpuhtauksista. Yhden germaniumyhdisteen ominaisuuksien onnistunut yhdistelmä osoittautui erittäin hyödylliseksi tämän ongelman ratkaisemisessa.

germaniumtetrakloridi GeCl4. on haihtuva neste, joka kiehuu vain 83,1 °C:ssa. Siksi se puhdistetaan melko kätevästi tislaamalla ja rektifioimalla (kvartsikolonneissa, joissa on pakkaus).

GeCl4 on lähes liukenematon kloorivetyhappoon. Tämä tarkoittaa, että sen puhdistamiseen voit käyttää epäpuhtauksien liuottamista HCl:lla.

Puhdistettu germaniumtetrakloridi käsitellään vedellä ja puhdistetaan ioninvaihtohartseilla. Merkki vaaditusta puhtaudesta on veden resistiivisuuden nousu 15-20 miljoonaan Ohm cm.

GeCl4:n hydrolyysi tapahtuu veden vaikutuksesta:

GeCl4 + 2H2O → GeO2 + 4HCl.

Saatat huomata, että meillä on edessämme germaniumtetrakloridin tuottamisen reaktion yhtälö "käänteisesti kirjoitettuna".

Sitten tulee GeO2:n pelkistys puhdistetun vedyn avulla:

GeO2 + 2 H2O → Ge + 2 H2O.

Tuloksena on jauhettu germanium, joka sulatetaan ja puhdistetaan sitten vyöhykesulattamalla. Tämä menetelmä puhdistus kehitettiin jo vuonna 1952 erityisesti germaniumin puhdistamiseen.

Epäpuhtaudet, jotka ovat välttämättömiä yhden tyyppisen johtavuuden aikaansaamiseksi germaniumille, lisätään tuotannon viimeisissä vaiheissa, nimittäin vyöhykkeen sulamisen aikana, sekä yksittäisen kiteen kasvun aikana.

Sovellus

Germanium on puolijohdemateriaali, jota käytetään elektroniikassa ja tekniikassa mikropiirien ja transistorien valmistuksessa. Ohuimmat germaniumkalvot kerrostetaan lasille ja niitä käytetään vastuksena tutka-asennuksissa. germaanilejeeringit erilaisia ​​metalleja käytetään ilmaisimien ja antureiden valmistuksessa. Germaniumdioksidia käytetään laajalti infrapunasäteilyä läpäisevien lasien valmistuksessa.

Germaniumtelluridi on pitkään toiminut stabiilina lämpösähköisenä materiaalina ja myös lämpösähköisten metalliseosten komponenttina (termosähköinen emf 50 μV/K). strateginen rooli Erittäin puhtaalla germaniumilla on rooli infrapunaoptiikan prismien ja linssien valmistuksessa. Suurin germaniumin kuluttaja on infrapunaoptiikka, jota käytetään mm tietokone teknologia, tähtäys- ja ohjusohjausjärjestelmät, yönäkölaitteet, maanpinnan kartoitus ja tutkimus satelliiteista. Germaniumia käytetään laajalti myös valokuitujärjestelmissä (germaniumtetrafluoridin lisääminen lasikuituihin) sekä puolijohdediodeissa.

Klassisena puolijohteena germaniumista on tullut avain ongelman ratkaisemiseen, kun luodaan suprajohtavia materiaaleja, jotka toimivat nestemäisen vedyn lämpötilassa, mutta eivät nestemäisen heliumin lämpötilassa. Kuten tiedät, vety muuttuu nestemäiseksi kaasumaisesta tilasta saavuttaessaan lämpötilan -252,6 °C tai 20,5 °K. 70-luvulla kehitettiin germanium- ja niobikalvokalvo, jonka paksuus oli vain muutama tuhat atomia. Tämä kalvo pystyy ylläpitämään suprajohtavuutensa jopa silloin, kun lämpötilat saavuttavat 23,2 K tai sen alle.

Sulattamalla indium HES-levyyn, jolloin muodostuu alue, jolla on ns. reikäjohtavuus, saadaan tasasuuntauslaite, ts. diodi. Diodilla on ominaisuus siirtää sähkövirtaa yhteen suuntaan: elektroniseen alueeseen reiän johtavuuden alueelta. Kun indium on sulatettu vesisähkölevyn molemmille puolille, tämä levy muuttuu transistorin pohjaksi. Ensimmäistä kertaa maailmassa germaniumista valmistettu transistori luotiin jo vuonna 1948, ja vain kaksikymmentä vuotta myöhemmin vastaavia laitteita valmistettiin satoja miljoonia.

Germaniumpohjaisia ​​diodeja ja triodeja on käytetty laajalti televisioissa ja radioissa, monenlaisissa mittalaitteissa ja tietokoneissa.

Saksaa käytetään myös muilla erityisen tärkeillä alueilla moderni teknologia: mitattaessa matalat lämpötilat, havaitessaan infrapunasäteilyä jne.

Harjan käyttäminen kaikissa näissä sovelluksissa vaatii erittäin korkean kemiallisen ja fysikaalisen puhtauden olevan germaniumia. Kemiallinen puhtaus on sellaista puhtautta, jossa haitallisten epäpuhtauksien määrä ei saa olla enempää kuin yksi kymmenesmiljoonasosa (10–7 %). Fysikaalisella puhtaudella tarkoitetaan mahdollisimman vähän dislokaatioita, mahdollisimman vähän häiriöitä aineen kiderakenteessa. Tämän saavuttamiseksi yksikiteistä germaniumia kasvatetaan erityisesti. Tässä tapauksessa koko metalliharkko on vain yksi kide.

Tätä varten sulan germaniumin pinnalle asetetaan germaniumkide, "siemen", jota nostetaan vähitellen automaattilaitteella, samalla kun sulamislämpötila on hieman korkeampi kuin germaniumin sulamispiste (937 °C). "Siemen" pyörii niin, että yksikidekide, kuten sanotaan, "kasvaa lihan kanssa" joka puolelta tasaisesti. On huomattava, että tällaisen kasvun aikana tapahtuu sama asia kuin vyöhykkeen sulamisen aikana, ts. Lähes vain germanium siirtyy kiinteään faasiin, ja kaikki epäpuhtaudet jäävät sulatteeseen.

Fyysiset ominaisuudet

Todennäköisesti harvoilla tämän artikkelin lukijoista oli mahdollisuus nähdä visuaalisesti vanadiini. Elementti itsessään on varsin niukka ja kallis, siitä ei valmisteta kulutustavaroita, ja niiden sähkölaitteista löytyvä germaniumtäyte on niin pieni, että metallia on mahdoton nähdä.

Jotkut hakuteokset sanovat, että germaniumilla on hopean värinen. Mutta tätä ei voida sanoa, koska germaniumin väri riippuu suoraan metallipinnan käsittelymenetelmästä. Joskus se voi näyttää melkein mustalta, toisinaan se on teräksen värinen ja joskus se voi olla hopeanhohtoinen.

Germanium on niin harvinainen metalli, että sen jalometalliharkkojen hintaa voidaan verrata kullan hintaan. Germaniumille on ominaista lisääntynyt hauraus, jota voidaan verrata vain lasiin. Ulkoisesti germanium on melko lähellä piitä. Nämä kaksi elementtiä kilpailevat sekä tärkeimmän puolijohteen että analogien tittelistä. Vaikka jotkin elementtien tekniset ominaisuudet ovat pitkälti samanlaisia, mukaan lukien materiaalien ulkonäkö, germanium on erittäin helppo erottaa piistä, germanium on yli kaksi kertaa raskaampaa. Piin tiheys on 2,33 g/cm3 ja germaniumin 5,33 g/cm3.

Mutta emme voi puhua yksiselitteisesti germaniumin tiheydestä, koska luku 5,33 g/cm3 viittaa germanium-1:een. Se on yksi tärkeimmistä ja yleisimmistä elementin 32 viidestä allotrooppisesta modifikaatiosta. Niistä neljä on kiteistä ja yksi amorfista. Germanium-1 on kevyin muunnelma neljästä kiteisestä. Sen kiteet on rakennettu täsmälleen samalla tavalla kuin timanttikiteet, a = 0,533 nm. Jos hiilelle tämä rakenne on kuitenkin mahdollisimman tiheä, germaniumilla on myös tiheämpiä modifikaatioita. Kohtalainen lämpö ja korkeapaine(noin 30 tuhatta ilmakehää 100 °C:ssa) muuttaa germanium-1:n germanium-2:ksi, rakenne kristallihila joka on täsmälleen sama kuin valkoinen tina. Samanlaista menetelmää käytetään germanium-3:n ja germanium-4:n saamiseksi, jotka ovat vieläkin tiheämpiä. Kaikki nämä "ei aivan tavalliset" modifikaatiot ovat parempia kuin germanium-1 ei vain tiheyden, vaan myös sähkönjohtavuuden suhteen.

Nestemäisen germaniumin tiheys on 5,557 g/cm3 (1000 °C:ssa), metallin sulamispiste on 937,5 °C; kiehumispiste on noin 2700 °C; lämmönjohtavuuskertoimen arvo on noin 60 W/(m (K)) tai 0,14 cal/(cm (sek (deg)) 25 °C:n lämpötilassa. Tavallisissa lämpötiloissa puhdas germaniumkin on hauras, mutta kun se saavuttaa 550 °C:n se alkaa antaa plastisina muodonmuutoksina. Mineraalisessa mittakaavassa germaniumin kovuus vaihtelee välillä 6-6,5, kokoonpuristuvuuskertoimen arvo (painealueella 0-120 Hn/m 2 tai alkaen 0 - 12000 kgf/mm 2) on 1,4 10-7 m 2 /mn (tai 1,4 × 10-6 cm 2 /kgf), pintajännitys on 0,6 n/m (tai 600 dyneä/cm).

Germanium on tyypillinen puolijohde, jonka kaistavälin koko on 1,104·10-19 tai 0,69 eV (25 °C:n lämpötilassa); erittäin puhtaan germaniumin ominaissähköresistanssi on 0,60 ohmia (m (60 ohm (cm) (25 °C)); elektronien liikkuvuus on 3900 ja aukkojen liikkuvuus on 1900 cm 2 /v.s. 25 °C:ssa ja pitoisuudessa) 8 % epäpuhtauksia) Infrapunasäteillä, joiden aallonpituus on yli 2 mikronia, metalli on läpinäkyvää.

Germanium on melko hauras, sitä ei voida työstää kuumalla tai kylmällä paineella alle 550 °C:n lämpötiloihin, mutta jos lämpötila nousee, metalli on sitkeää. Metallin kovuus mineralogisessa mittakaavassa on 6,0-6,5 (germanium sahataan levyiksi metalli- tai timanttilevyllä ja hioma-aineella).

Kemialliset ominaisuudet

Germanium, ollessa mukana kemialliset yhdisteet tavallisesti on toinen ja neljäs valenssi, mutta neliarvoiset germaniumyhdisteet ovat stabiilimpia. Germanium huoneenlämpötilassa kestää vettä, ilmaa sekä alkaliliuoksia ja laimeita rikki- tai kloorivetyhappokonsentraatteja, mutta alkuaine liukenee melko helposti vesiregiaan tai vetyperoksidin alkaliseen liuokseen. Alkuaine hapettuu hitaasti altistuessaan typpihappo. Kun ilman lämpötila saavuttaa 500-700 °C, germanium alkaa hapettua oksideiksi GeO 2 ja GeO. (IV) germaniumoksidi on valkoista jauhetta, jonka sulamispiste on 1116 °C ja vesiliukoisuus 4,3 g/l (20 °C:ssa). Omiensa mukaan kemialliset ominaisuudet aine on amfoteerinen, liukenee emäksiin ja vaikeasti mineraalihappoon. Sitä saadaan tunkeutumalla hydrolyysin aikana vapautuvaan hydraatiosakkaan GeO 3 nH 2 O. Germaniumhapon johdannaiset, esimerkiksi metalligermanaatit (Na 2 GeO 3, Li 2 GeO 3 jne.) ovat kiinteitä aineita, joilla on korkeita lämpötiloja sulava, voidaan saada sulattamalla GeO2 ja muut oksidit.

Germaniumin ja halogeenien vuorovaikutuksen seurauksena voi muodostua vastaavia tetrahalogenideja. Reaktio voi edetä helpoimmin kloorilla ja fluorilla (jopa huoneenlämpötilassa), sitten jodilla (lämpötila 700-800 °C, läsnä CO) ja bromilla (alhaisessa lämmössä). Yksi tärkeimmistä germaniumin yhdisteistä on tetrakloridi (kaava GeCl 4). Se on väritön neste, jonka sulamispiste on 49,5 °C, kiehumispiste 83,1 °C ja tiheys 1,84 g/cm3 (20 °C:ssa). Aine hydrolysoituu voimakkaasti veden vaikutuksesta vapauttaen hydratoituneen oksidin (IV) sakan. Tetrakloridia saadaan klooraamalla germaniummetallia tai saattamalla GeO 2 -oksidin ja väkevän suolahapon reagoimaan. germaniumdihalogenidit kanssa yleinen kaava GeX 2, heksaklooridigermaani Ge 2 Cl 6, GeCl monokloridi sekä germaniumoksikloridit (esimerkiksi CeOCl 2).

Kun 900-1000 °C saavutetaan, rikki vuorovaikuttaa voimakkaasti germaniumin kanssa muodostaen GeS2-disulfidia. Se on valkoinen kiinteä aine, jonka sulamispiste on 825 °C. Monosulfidi GeS ja vastaavien germaniumyhdisteiden muodostuminen telluurin ja seleenin kanssa, jotka ovat puolijohteita, on myös mahdollista. Lämpötilassa 1000-1100 °C vety reagoi hieman germaniumin kanssa muodostaen germinen (GeH) X, joka on epästabiili ja erittäin haihtuva yhdiste. Sarjan Ge n H 2n + 2 - Ge 9 H 20 vetygermanideja voidaan muodostaa saattamalla germanideja reagoimaan laimean HCl:n kanssa. Tunnetaan myös germyleeni, jonka koostumus on GeH2. Germanium ei reagoi suoraan typen kanssa, mutta siinä on nitridi Ge 3 N 4, joka saadaan, kun germanium altistetaan ammoniakille (700-800 ° C). Germanium ei reagoi hiilen kanssa. Monien metallien kanssa germanium muodostaa erilaisia ​​yhdisteitä - germanideja.

Tunnetaan monia monimutkaisia ​​germaniumyhdisteitä, joista on tulossa yhä tärkeämpiä alkuaineen germanium analyyttisessä kemiassa sekä valmistusprosesseissa. kemiallinen alkuaine. Germanium pystyy muodostamaan monimutkaisia ​​yhdisteitä hydroksyyliä sisältävien orgaanisten molekyylien kanssa (moniarvoiset alkoholit, moniemäksiset hapot jne.). On myös germaniumheteropolyhappoja. Kuten muutkin ryhmän IV alkuaineet, germanium muodostaa tyypillisesti organometallisia yhdisteitä. Esimerkki on tetraetyyligermaani (C 2 H 5) 4 Ge 3.