Германий - Germanium

Германий,  32 Ge
Серовато-блестящий блок с неровной сколотой поверхностью
Германий
Произношение / ɜːr м п I ə м / ( jur- МОЖЕТ -nee-əm )
Появление серовато-белый
Стандартный атомный вес A r, std (Ge) 72,630 (8)
Германий в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
Si

Ge

Sn
галлийгерманиймышьяк
Атомный номер ( Z ) 32
Группа группа 14 (углеродная группа)
Период период 4
Блокировать   p-блок
Электронная конфигурация [ Ar ] 3d 10 4s 2 4p 2
Электронов на оболочку 2, 8, 18, 4
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый
Температура плавления 1211,40  К (938,25 ° С, 1720,85 ° F)
Точка кипения 3106 К (2833 ° С, 5131 ° F)
Плотность (около  rt ) 5,323 г / см 3
в жидком состоянии (при  т. пл. ) 5,60 г / см 3
Теплота плавления 36,94  кДж / моль
Теплота испарения 334 кДж / моль
Молярная теплоемкость 23,222 Дж / (моль · К)
Давление газа
P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс.
при  T  (K) 1644 1814 г. 2023 г. 2287 2633 3104
Атомные свойства
Состояния окисления −4 −3, −2, −1, 0, +1, +2 , +3, +4 амфотерный оксид)
Электроотрицательность Шкала Полинга: 2,01
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирический: 122  пм
Ковалентный радиус 122 вечера
Радиус Ван-дер-Ваальса 211 вечера
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии германия
Прочие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура гранецентрированной алмаз кубической
Кубическая кристаллическая структура алмаза для германия
Скорость звука тонкого стержня 5400 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширение 6,0 мкм / (м⋅К)
Теплопроводность 60,2 Вт / (м⋅K)
Удельное электрическое сопротивление 1 Ом⋅м (при 20 ° C)
Ширина запрещенной зоны 0,67  эВ (при 300 К)
Магнитный заказ диамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость −76,84 × 10 −6  см 3 / моль
Модуль для младших 103 ГПа
Модуль сдвига 41 ГПа
Объемный модуль 75 ГПа
коэффициент Пуассона 0,26
Твердость по шкале Мооса 6.0
Количество CAS 7440-56-4
История
Именование после Германии родина первооткрывателя
Прогноз Дмитрий Менделеев (1869)
Открытие Клеменс Винклер (1886)
Основные изотопы германия
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
68 Гэ син 270,95 г ε 68 Ga
70 гэ 20,52% стабильный
71 Гэ син 11,3 г ε 71 Ga
72 Гэ 27,45% стабильный
73 Ge 7,76% стабильный
74 Ge 36,7% стабильный
76 Гэ 7,75% 1,78 × 10 21  г β - β - 76 Se
Категория Категория: Германий
| использованная литература

Германий - это химический элемент с символом Ge и атомным номером 32. Это блестящий, твердый, серовато-белый металлоид в группе углерода , химически подобный своей группе, которая соседствует с кремнием и оловом . Чистый германий - это полупроводник, внешне похожий на элементарный кремний. Подобно кремнию, германий естественным образом реагирует и образует комплексы с кислородом в природе.

Поскольку он редко встречается в высоких концентрациях, германий был открыт сравнительно поздно в истории химии . Германий занимает около пятидесятого места по относительному содержанию элементов в земной коре . В 1869 году Дмитрий Менделеев предсказал его существование и некоторые свойства, исходя из его положения в своей периодической таблице , и назвал этот элемент экасиликонием . Почти два десятилетия спустя, в 1886 году, Клеменс Винклер обнаружил новый элемент, наряду с серебром и серой , в необычном минерале под названием аргиродит . Хотя новый элемент несколько напоминал мышьяк и сурьму по внешнему виду, соотношение компонентов в соединениях соответствовало предсказаниям Менделеева для кремния. Винклер назвал элемент в честь своей страны, Германии . Сегодня германий добывают в основном из сфалерита (первичной руды цинка ), хотя германий также коммерчески извлекают из серебряных , свинцовых и медных руд .

Элементный германий используется в качестве полупроводника в транзисторах и различных других электронных устройствах. Исторически первое десятилетие полупроводниковой электроники полностью основывалось на германии. В настоящее время основными конечными потребителями являются волоконно-оптические системы, инфракрасная оптика , солнечные элементы и светоизлучающие диоды (светодиоды). Соединения германия также используются для катализаторов полимеризации и совсем недавно нашли применение в производстве нанопроволок . Этот элемент образует большое количество германийорганических соединений , таких как тетраэтилгерманий , используемых в металлоорганической химии . Германий считается технологически важным элементом .

Считается, что германий не является важным элементом для любого живого организма . Некоторые сложные органические соединения германия исследуются как возможные фармацевтические препараты, хотя ни одно из них еще не оказалось успешным. Подобно кремнию и алюминию, соединения германия природного происхождения обычно нерастворимы в воде и, следовательно, имеют низкую токсичность при пероральном введении . Однако синтетические растворимые соли германия нефротоксичны , а синтетические химически активные соединения германия с галогенами и водородом являются раздражителями и токсинами.

История

Предсказание германия "? = 70" (таблица Менделеева 1869 г.)

В своем докладе о Периодическом законе химических элементов в 1869 году русский химик Дмитрий Менделеев предсказал существование нескольких неизвестных химических элементов , в том числе одного, который заполнит пробел в семействе углерода , расположенный между кремнием и оловом . Из-за его положения в периодической таблице Менделеев назвал его экасиликом (Es) , и он оценил его атомный вес в 70 (позже 72).

В середине 1885 года на шахте недалеко от Фрайберга, Саксония , был обнаружен новый минерал, названный аргиродитом из-за высокого содержания в нем серебра . Химик Клеменс Винклер проанализировал этот новый минерал, который оказался комбинацией серебра, серы и нового элемента. Винклер смог выделить новый элемент в 1886 году и обнаружил, что он похож на сурьму . Первоначально он считал новый элемент эка-сурьмой, но вскоре убедился, что это эка-кремний. Прежде чем Винклер опубликовал свои результаты по новому элементу, он решил, что назовет свой элемент нептунием , поскольку недавнему открытию планеты Нептун в 1846 году аналогичным образом предшествовали математические предсказания ее существования. Однако название «нептуний» уже было дано другому предложенному химическому элементу (хотя и не тому элементу, который сегодня носит название нептуний , который был открыт в 1940 году). Вместо этого Винклер назвал новый элемент германий (от латинского слова Germania - Германия) в честь своей родины. Эмпирически доказано, что аргиродит представляет собой Ag 8 GeS 6 . Поскольку этот новый элемент имел некоторое сходство с элементами мышьяка и сурьмы, его надлежащее место в периодической таблице рассматривалось, но его сходство с предсказанным Дмитрием Менделеевым элементом «экасиликон» подтвердило это место в периодической таблице. С дополнительным материалом из 500 кг руды из рудников в Саксонии Винклер подтвердил химические свойства нового элемента в 1887 году. Он также определил атомный вес 72,32, анализируя чистый тетрахлорид германия ( GeCl
4
), а Лекок де Буабодран вывел 72,3 путем сравнения линий в искровом спектре элемента.

Винклеру удалось приготовить несколько новых соединений германия, включая фториды , хлориды , сульфиды , диоксид и тетраэтилгерман (Ge (C 2 H 5 ) 4 ), первый органогерман. Физические данные этих соединений - которые хорошо соответствовали предсказаниям Менделеева - сделали открытие важным подтверждением идеи Менделеева о периодичности элементов . Вот сравнение прогноза и данных Винклера:

Имущество Экасиликоновое предсказание
Менделеева
(1871 г.)
Открытие германия
Винклера
(1887 г.)
атомная масса 72,64 72,63
плотность (г / см 3 ) 5.5 5,35
точка плавления (° C) высокий 947
цвет серый серый
оксидный тип тугоплавкий диоксид тугоплавкий диоксид
плотность оксида (г / см 3 ) 4,7 4,7
оксидная активность слабо простой слабо простой
температура кипения хлорида (° C) до 100 86 (GeCl 4 )
плотность хлорида (г / см 3 ) 1.9 1.9

До конца 1930-х годов германий считался плохо проводящим металлом . Германий стал экономически значимым только после 1945 года, когда были признаны его свойства как электронного полупроводника. Во время Второй мировой войны небольшое количество германия использовалось в некоторых специальных электронных устройствах , в основном в диодах . Первым крупным применением были точечные диоды Шоттки для обнаружения радиолокационных импульсов во время войны. Первые кремний-германиевые сплавы были получены в 1955 году. До 1945 года на плавильных заводах производилось всего несколько сотен килограммов германия в год, но к концу 1950-х годов годовое мировое производство достигло 40 метрических тонн (44 коротких тонны ). .

Разработка германиевого транзистора в 1948 году открыла двери для бесчисленных приложений твердотельной электроники . С 1950 по начало 1970-х годов эта область обеспечивала растущий рынок германия, но затем кремний высокой чистоты начал заменять германий в транзисторах, диодах и выпрямителях . Например, компания, получившая название Fairchild Semiconductor, была основана в 1957 году с конкретной целью производства кремниевых транзисторов. Кремний обладает превосходными электрическими свойствами, но для него требуется гораздо большая чистота, которая не могла быть коммерчески доступна в первые годы полупроводниковой электроники .

Между тем спрос на германий для волоконно-оптических сетей связи, инфракрасных систем ночного видения и катализаторов полимеризации резко возрос. На эти конечные применения приходилось 85% мирового потребления германия в 2000 году. Правительство США даже обозначило германий как стратегический и критически важный материал, потребовав 146  тонн (132  тонны ) поставок в запасы национальной обороны в 1987 году.

Германий отличается от кремния тем, что предложение ограничено доступностью пригодных для использования источников, в то время как предложение кремния ограничено только производственными мощностями, поскольку кремний получают из обычного песка и кварца . В то время как кремний можно было купить в 1998 году менее чем за 10 долларов за килограмм, цена германия составляла почти 800 долларов за килограмм.

Характеристики

В стандартных условиях германий представляет собой хрупкий серебристо-белый полуметаллический элемент. Эта форма представляет собой аллотроп, известный как α-германий , который имеет металлический блеск и кубическую кристаллическую структуру алмаза , такую ​​же, как у алмаза . Находясь в кристаллической форме, германий имеет пороговую энергию смещения . При давлениях выше 120 кбар германий становится аллотропным β-германием с той же структурой, что и β- олово . Подобно кремнию, галлию , висмуту , сурьме и воде , германий является одним из немногих веществ, которое расширяется при затвердевании (то есть замерзании ) из расплавленного состояния.

Германий - полупроводник . Методы зонной очистки привели к производству кристаллического германия для полупроводников, содержание примесей которого составляет всего одну часть из 10 10 , что делает его одним из самых чистых материалов, когда-либо полученных. Первым металлическим материалом, обнаруженным (в 2005 году), который стал сверхпроводником в присутствии чрезвычайно сильного электромагнитного поля, был сплав германия, урана и родия .

Известно, что чистый германий самопроизвольно выдавливает очень длинные винтовые дислокации , называемые вискерами германия . Рост этих усов является одной из основных причин выхода из строя старых диодов и транзисторов, сделанных из германия, поскольку, в зависимости от того, к чему они в конечном итоге прикасаются, они могут привести к короткому замыканию .

Химия

Элементарный германий начинает медленно окисляться на воздухе при температуре около 250 ° C, образуя GeO 2 . Германий нерастворим в разбавленных кислотах и щелочах, но медленно растворяется в горячих концентрированных серной и азотной кислотах и ​​бурно реагирует с расплавленными щелочами с образованием германатов ( [GeO
3
]2−
). Германий встречается в основном в степени окисления +4, хотя известно множество соединений +2. Другие степени окисления встречаются редко: +3 встречается в таких соединениях, как Ge 2 Cl 6 , а +3 и +1 обнаруживаются на поверхности оксидов, или отрицательные степени окисления в германидах , такие как -4 в Mg.
2
Ge
. Кластерные анионы германия ( ионы Zintl ), такие как Ge 4 2- , Ge 9 4- , Ge 9 2- , [(Ge 9 ) 2 ] 6- , были получены экстракцией из сплавов, содержащих щелочные металлы и германий, в жидком аммиаке в наличие этилендиамина или криптанда . Степени окисления элемента в этих ионах не являются целыми числами - подобно озонидам O 3 - .

Известны два оксида германия: диоксид германия ( GeO
2
, германия ) и оксид германия ( GeO ). Диоксид GeO 2 может быть получен обжигом дисульфида германия ( GeS
2
) и представляет собой белый порошок, который мало растворим в воде, но реагирует со щелочами с образованием германатов. Монооксид, оксид германия, может быть получен путем высокотемпературной реакции GeO 2 с металлическим Ge. Диоксид (и родственные оксиды и германаты) демонстрирует необычное свойство: высокий показатель преломления для видимого света, но прозрачность для инфракрасного света. В качестве
сцинтиллятора используется германат висмута Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO) .

Бинарные соединения с другими халькогенов также известны, такие как ди - сульфидных ( GeS
2
), ди селенид ( GeSe
2
), а также моносульфид (GeS), селенид (GeSe) и теллурид (GeTe). GeS 2 образуется в виде белого осадка при пропускании сероводорода через сильнокислые растворы, содержащие Ge (IV). Дисульфид хорошо растворим в воде и растворах едких щелочей или щелочных сульфидов. Тем не менее, он не растворяется в кислой воде, что позволило Винклеру открыть этот элемент. При нагревании дисульфида в токе водорода образуется моносульфид (GeS), который сублимируется в тонких пластинах темного цвета с металлическим блеском и растворяется в растворах едких щелочей. При плавлении со щелочными карбонатами и серой соединения германия образуют соли, известные как тиогерманаты.

Скелетная химическая структура тетраэдрической молекулы с атомом германия в центре, связанным с четырьмя атомами водорода.  Расстояние Ge-H составляет 152,51 пикометра.
Герман похож на метан .

Четыре тетра галогениды известны. В нормальных условиях GeI 4 представляет собой твердое тело, GeF 4 - газ, а остальные - летучие жидкости. Например, тетрахлорид германия GeCl 4 получают в виде бесцветной дымящей жидкости с температурой кипения 83,1 ° C при нагревании металла с хлором. Все тетрагалогениды легко гидролизуются до гидратированного диоксида германия. GeCl 4 используется в производстве германийорганических соединений. Все четыре дигалогенида известны и в отличие от тетрагалогенидов представляют собой твердые полимерные вещества. Кроме того, известны Ge 2 Cl 6 и некоторые высшие соединения формулы Ge n Cl 2 n +2 . Получено необычное соединение Ge 6 Cl 16 , содержащее звено Ge 5 Cl 12 со структурой неопентана .

Germane (GeH 4 ) представляет собой соединение , сходное по структуре с метаном . Известны полигерманы - соединения, похожие на алканы, с формулой Ge n H 2 n +2, содержащие до пяти атомов германия. Германы менее летучие и менее реакционноспособные, чем их соответствующие кремниевые аналоги. GeH 4 реагирует с щелочными металлами в жидком аммиаке с образованием белого кристаллического MGeH 3, который содержит анион GeH 3 - . Гидрогалогениды германия с одним, двумя и тремя атомами галогена представляют собой бесцветные реакционноспособные жидкости.

Скелетные химические структуры, описывающие аддитивную химическую реакцию, включая германийорганическое соединение.
Нуклеофильное присоединение с германийорганическим соединением.

Первое германийорганическое соединение было синтезировано Винклером в 1887 году; реакция тетрахлорида германия с диэтилцинком дает тетраэтилгерман ( Ge (C
2
ЧАС
5
)
4
). Органогерманы типа R 4 Ge (где R представляет собой алкил ), такие как тетраметилгерман ( Ge (CH
3
)
4
) и тетраэтилгерман доступны через самый дешевый доступный предшественник германия тетрахлорид германия и алкилнуклеофилы. Органические гидриды германия, такие как изобутилгерман ( (CH
3
)
2
CHCH
2
GeH
3
) были признаны менее опасными и могут использоваться в качестве жидкого заменителя токсичного германового газа в полупроводниках . Многие германиевая реакционноспособные промежуточные продукты известны: гермильные свободные радикалы , гермилена ( по аналогии с карбенов ) и germynes ( по аналогии с карбин ). О германийорганическом соединении 2-карбоксиэтилгермасквиоксане впервые было сообщено в 1970-х годах, какое-то время его использовали в качестве пищевой добавки и считали, что он, возможно, обладает противоопухолевыми свойствами.

Используя лиганд под названием Eind (1,1,3,3,5,5,7,7-октаэтил-s-гидриндацен-4-ил), германий способен образовывать двойную связь с кислородом (германоном). Гидрид германия и тетрагидрид германия очень огнеопасны и даже взрывоопасны при смешивании с воздухом.

Изотопы

Германий встречается в 5 природных изотопах :70
Ge
, 72
Ge
, 73
Ge
, 74
Ge
, а также 76
Ge
. Из этих,76
Ge
очень слабо радиоактивен, распадаясь на двойной бета - распад с периодом полураспада от1,78 × 10 21  год .74
Ge
является наиболее распространенным изотопом с естественным содержанием около 36%.76
Ge
является наименее распространенным с естественным изобилием около 7%. При бомбардировке альфа-частицами изотоп72
Ge
создаст стабильную 77
Se
, высвобождая при этом электроны с высокой энергией. Из-за этого он используется в сочетании с радоном для ядерных батарей .

Было также синтезировано не менее 27 радиоизотопов с атомной массой от 58 до 89. Наиболее стабильным из них является68
Ge
, распадаясь за счет захвата электрона с периодом полураспада270.95 г AYS. Наименее стабильным является60
Ge
, с периодом полураспада 30  мс . Хотя большая часть радиоизотопов германия распадается в результате бета-распада ,61
Ge
а также 64
Ge
распад
β+
запаздывающее испускание протонов .84
Ge
через 87
Ge
изотопы также показывают второстепенные
β-
пути распада эмиссии запаздывающих нейтронов .

Вхождение

Германий создается звездным нуклеосинтезом , в основном s-процессом в асимптотических звездах ветви гигантов . S-процесс - это медленный нейтронный захват более легких элементов внутри пульсирующих красных звезд- гигантов . Германий был обнаружен в некоторых из самых далеких звезд и в атмосфере Юпитера.

Содержание германия в земной коре составляет примерно 1,6  промилле . Лишь некоторые минералы, такие как аргиродит , бриартит , германит , рениерит и сфалерит, содержат заметные количества германия. Лишь некоторые из них (особенно германит) очень редко встречаются в добываемых количествах. Некоторые цинк-медно-свинцовые рудные тела содержат достаточно германия, чтобы оправдать извлечение из конечного рудного концентрата. Необычный процесс естественного обогащения приводит к высокому содержанию германия в некоторых угольных пластах, обнаруженных Виктором Морицем Гольдшмидтом во время обширного исследования месторождений германия. Самая высокая концентрация, когда-либо обнаруженная, была в золе угля Хартли с содержанием германия 1,6%. Угольные месторождения в районе Xilinhaote , Внутренняя Монголия , содержат примерно 1600  тонн германии.

Производство

В 2011 году во всем мире было произведено около 118  тонн германия, в основном в Китае (80 т), России (5 т) и США (3 т). Германий извлекают в виде побочного продукта из сфалерита цинка руд , где он концентрируется в количествах , так велика , как 0,3%, особенно от низкотемпературного осадка организовали, массивный Zn - Pb - Cu (- Ba ) месторождений и карбонат-Zn- принимал Pb месторождения. Недавнее исследование показало, что не менее 10 000 т извлекаемого германия содержится в известных запасах цинка, особенно в месторождениях типа Миссисипи-Вэлли , в то время как не менее 112 000 т находится в запасах угля. В 2007 году 35% спроса было удовлетворено за счет вторичного германия.

Год Стоимость
( $ / кг)
1999 г. 1,400
2000 г. 1,250
2001 г. 890
2002 г. 620
2003 г. 380
2004 г. 600
2005 г. 660
2006 г. 880
2007 г. 1,240
2008 г. 1,490
2009 г. 950
2010 г. 940
2011 г. 1,625
2012 г. 1,680
2013 1875
2014 г. 1 900
2015 г. 1,760
2016 г. 950
2017 г. 1,358
2018 г. 1,300
2019 г. 1,240
2020 г. 1,000

Хотя он производится в основном из сфалерита , он также содержится в серебряных , свинцовых и медных рудах. Еще одним источником германия является летучая зола электростанций, работающих на угольных месторождениях, содержащих германий. Россия и Китай использовали его как источник германия. Российские месторождения расположены на крайнем востоке острова Сахалин и северо-восточнее Владивостока . Месторождения в Китае расположены в основном в шахтах лигнита недалеко от Линцанга , Юньнань ; уголь также добывается около Xilinhaote , Внутренней Монголии .

Рудные концентраты преимущественно сульфидные ; они превращаются в оксиды при нагревании на воздухе в процессе, известном как обжиг :

GeS 2 + 3 O 2 → GeO 2 + 2 SO 2

Часть германия остается в образующейся пыли, а остальная часть превращается в германаты, которые затем выщелачиваются (вместе с цинком) из огарки серной кислотой. После нейтрализации в растворе остается только цинк, в то время как германий и другие металлы осаждаются. После удаления некоторого количества цинка из осадка с помощью вельц-процесса оставшийся вельц-оксид выщелачивают второй раз. Диоксид получают в виде осадка и преобразуется с хлором газом или соляной кислотой до тетрахлорида германия , который имеет низкую температуру кипения , и может быть выделен путем перегонкой:

GeO 2 + 4 HCl → GeCl 4 + 2 H 2 O
GeO 2 + 2 Cl 2 → GeCl 4 + O 2

Тетрахлорид германия либо гидролизуют до оксида (GeO 2 ), либо очищают фракционной перегонкой, а затем гидролизуют. GeO 2 высокой степени чистоты теперь пригоден для производства германиевого стекла. Он превращается в элемент, реагируя с водородом, производя германий, пригодный для инфракрасной оптики и производства полупроводников:

GeO 2 + 2 H 2 → Ge + 2 H 2 O

Германий для производства стали и других промышленных процессов обычно восстанавливается с использованием углерода:

GeO 2 + C → Ge + CO 2

Приложения

Основными конечными потребителями германия в 2007 году во всем мире, по оценкам, будут: 35% для волоконной оптики , 30% для инфракрасной оптики , 15% для катализаторов полимеризации и 15% для электроники и солнечной энергетики. Остальные 5% пошли на такие виды использования, как люминофор, металлургия и химиотерапия.

Оптика

Чертеж четырех концентрических цилиндров.
Типичное одномодовое оптическое волокно. Оксид германия является легирующей примесью кремнезема активной зоны (поз. 1).
  1. Сердечник 8 мкм
  2. Оболочка 125 мкм
  3. Буфер 250 мкм
  4. Куртка 400 мкм

Примечательными свойствами германия (GeO 2 ) являются высокий показатель преломления и низкая оптическая дисперсия . Это делает его особенно полезным для широкоугольных объективов камер , микроскопии и сердцевины оптических волокон . Он заменил диоксид титана в качестве присадки для кварцевого волокна, исключив последующую термообработку, которая делала волокна хрупкими. В конце 2002 года промышленность волоконной оптики потребляла 60% годового потребления германия в Соединенных Штатах, но это менее 10% мирового потребления. GeSbTe - это материал с фазовым переходом, используемый из-за его оптических свойств, например, используемый в перезаписываемых DVD .

Поскольку германий прозрачен в инфракрасном диапазоне длин волн, он является важным оптическим материалом для инфракрасного излучения, который можно легко разрезать и отполировать для получения линз и окон. Он особенно используется в качестве передней оптики в тепловизионных камерах, работающих в диапазоне от 8 до 14  микрон, для пассивного тепловидения и для обнаружения горячих точек в военных, мобильных устройствах ночного видения и пожаротушении. Он используется в инфракрасных спектроскопах и другом оптическом оборудовании, требующем чрезвычайно чувствительных инфракрасных детекторов . Он имеет очень высокий показатель преломления (4,0) и должен быть покрыт антибликовыми добавками. В частности, очень твердое специальное просветляющее покрытие из алмазоподобного углерода (DLC) с показателем преломления 2,0 хорошо сочетается и дает алмазную твердую поверхность, которая может выдерживать большие воздействия окружающей среды.

Электроника

Кремний-германиевые сплавы быстро становятся важным полупроводниковым материалом для быстродействующих интегральных схем. Схемы, использующие свойства переходов Si-SiGe, могут быть намного быстрее, чем схемы, использующие только кремний. Кремний-германий начинает заменять арсенид галлия (GaAs) в устройствах беспроводной связи. Микросхемы SiGe, обладающие быстродействующими свойствами, могут быть изготовлены с использованием недорогих, хорошо зарекомендовавших себя производственных технологий в индустрии кремниевых кристаллов .

Солнечные панели - одно из основных применений германия. Германий является основой пластин для высокоэффективных многопереходных фотоэлектрических элементов для космических приложений. Светодиоды высокой яркости, используемые для автомобильных фар и подсветки ЖК-экранов, являются важным применением.

Поскольку германий и арсенид галлия имеют очень похожие постоянные решетки, германиевые подложки могут использоваться для изготовления солнечных элементов из арсенида галлия . В марсоходах и несколько спутников используют арсенид галлия тройного стыка на германиевые клетки.

Подложки из германия на изоляторе (GeOI) рассматриваются как потенциальная замена кремнию на миниатюрных микросхемах. КМОП-схема на основе подложек GeOI появилась недавно. Другие применения в электронике включают люминофоры в люминесцентных лампах и твердотельных светодиодах (светодиодах). Германиевые транзисторы до сих пор используются в некоторых педалях эффектов музыкантами, которые хотят воспроизвести характерный тональный характер «фузз» -тона из ранней эпохи рок-н-ролла , особенно в Dallas Arbiter Fuzz Face .

Другое использование

Германий диоксид также используется в катализаторах для полимеризации в производстве полиэтилентерефталата (ПЭТ). Высокий блеск этого полиэстера особенно важен для бутылок из ПЭТ, продаваемых в Японии. В Соединенных Штатах германий не используется в катализаторах полимеризации.

Из-за сходства между диоксидом кремния (SiO 2 ) и диоксидом германия (GeO 2 ) неподвижную фазу диоксида кремния в некоторых колонках для газовой хроматографии можно заменить на GeO 2 .

В последние годы германий все чаще используется в сплавах драгоценных металлов. В фунтах стерлингов серебряных сплавов, например, это уменьшает firescale , увеличивает стойкость к потускнению, и улучшает дисперсионное твердение. Защищающий от потускнения серебряный сплав под торговой маркой Argentium содержит 1,2% германия.

Полупроводниковые детекторы, изготовленные из монокристалла германия высокой чистоты, могут точно идентифицировать источники излучения, например, в системе безопасности аэропортов. Германий полезен для монохроматоров для пучков, используемых в рассеянии нейтронов на монокристаллах и синхротронной дифракции рентгеновских лучей. Отражательная способность имеет преимущества по сравнению с кремнием при использовании нейтронов и рентгеновских лучей высоких энергий . Кристаллы германия высокой чистоты используются в детекторах для гамма-спектроскопии и поиска темной материи . Кристаллы германия также используются в рентгеновских спектрометрах для определения фосфора, хлора и серы.

Германий становится важным материалом для спинтроники и спиновых квантовых вычислений . В 2010 году исследователи продемонстрировали перенос спинов при комнатной температуре, а недавно было показано, что спины донорных электронов в германии имеют очень долгое время когерентности .

Германий и здоровье

Германий не считается необходимым для здоровья растений или животных. Германий в окружающей среде практически не влияет на здоровье. Это в первую очередь связано с тем, что он обычно присутствует только в виде следового элемента в рудах и углеродистых материалах, а различные промышленные и электронные приложения требуют очень малых количеств, которые вряд ли попадут в организм. По тем же причинам конечный германий оказывает незначительное воздействие на окружающую среду как биологическая опасность. Некоторые реактивные промежуточные соединения германия ядовиты (см. Меры предосторожности ниже).

Добавки германия, сделанные как из органического, так и из неорганического германия, были проданы как альтернативное лекарство, способное лечить лейкемию и рак легких . Однако нет никаких медицинских доказательств пользы; некоторые данные свидетельствуют о том, что такие добавки активно вредят.

Некоторые соединения германия применялись практикующими альтернативными врачами в виде инъекционных растворов, не разрешенных Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. Растворимые неорганические формы германия, использованные вначале, особенно цитрат-лактатная соль, вызвали в некоторых случаях почечную дисфункцию, стеатоз печени и периферическую невропатию у людей, употребляющих их в течение длительного времени. Концентрация германия в плазме и моче у этих людей, некоторые из которых умерли, на несколько порядков превышала эндогенные уровни. Более поздняя органическая форма, полуторный бета-карбоксиэтилгерманий ( пропагерманий ), не проявляет такого же спектра токсических эффектов.

Исследования Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США показали, что неорганический германий при использовании в качестве пищевой добавки «представляет потенциальную опасность для здоровья человека ».

Некоторые соединения германия обладают низкой токсичностью для млекопитающих , но обладают токсическим действием против определенных бактерий .

Меры предосторожности для химически активных соединений германия

Некоторые из искусственно произведенных соединений германия весьма реактивны и представляют непосредственную опасность для здоровья человека при воздействии. Так , например, германиевый хлорид и германа (Geh 4 ) представляют собой жидкость и газ, соответственно, которые могут быть очень раздражает глаз, кожи, легких и горла.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки