Химический элемент германий (Ge) - состав, характеристика и основные свойства

История происхождения

В 1869 году русский химик Д. И. Менделеев заявил, что в природе должно существовать несколько элементов, которые всё ещё не найдены людьми. Его идея была связана с Периодической таблицей, по которой между некоторыми веществами находились пробелы. Один из элементов он назвал экасилиций. Менделеев считал, что по свойствам это вещество похоже на кремний.

В 1886 году в Фрейбергской академии наук открыли новый минерал, который назвали аргиродит. Профессор К. Винклер тщательно изучил его и нашёл в его составе неизвестный элемент. Вскоре он раскрыл его свойства и несколько соединений. Винклер пришёл к выводу, что это и есть то самое вещество, названное Менделеевым экасилиций. Сначала химик хотел назвать его нептунием, но это наименование дали другому предполагаемому веществу, поэтому элемент получил название Germanium в честь родины Винклера.

До второй половины XX века германий почти не применялся в промышленности. Только во время Второй мировой войны элемент стали использовать в диодах и других электронных устройствах.

Местонахождение и получение

В чистом виде химический элемент не встречается в природе. Обычно его можно отыскать в качестве примесей в разных полезных ископаемых. Общий объём вещества по массе в земной коре планеты составляет около 1,5⋅10⁻⁴%. Редко металл встречается в собственных минералах (сульфосолях):

• германит;
• плюмбогерманит;
• конфильдит;
• рениерит;
• стоттит;
• аргиродит.

В основном германий добывают из горных пород и различных минералов таких, как железные руды, сульфидные руды цветных металлов, базальт, диабаз, магнетит, рутил, хромит, гранит. В больших объёмах вещество содержится в некоторых сфалеритах. Примеси германия присутствуют почти во всех силикатах и некоторых месторождениях каменного угля и нефти.

Химический элемент распространён практически по всей планете. Однако промышленных месторождений этого металла нет ни в одной стране. Небольшое количество элемента, содержащегося в его минералах, не может покрыть потребность современной промышленности в этом редком, но важном веществе.

Германий можно получить несколькими методами. Основной способ заключается в применении сульфида металла, который перерабатывают до получения оксида GeO2 и затем освобождают элемент с добавлением водорода. В промышленной области материал выходит в побочных продуктах после переработки руд цветных металлов или золы от сжигания угля.

Физические особенности

Германий относится к 14-й группе 4 периода в таблице Менделеева. Его порядковый номер — 32, обозначение — Ge. В виде простого вещества германий выглядит как хрупкий полуметалл стального или серебристого оттенка. Материал характеризуется металлическим блеском. Элемент относится к непрямозонным полупроводникам.

Валентность металла в разных соединениях может быть II или IV; электронная формула германия (конфигурация) — 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p². Следует узнать и о строении атома элемента. Он включает 32 протона и 41 нейтрон. По четырём орбитам движутся 32 электрона.

В нормальном состоянии атом элемента характеризуется двумя s-парными и двумя p-парными отрицательно заряженными частицами, поэтому вещество может образовывать две химические связи. В возбуждённом состоянии один из s-электронов покидает свою орбиталь и переходит на свободное место на p-подуровне. Поскольку образуется 4 неспаренных электрона, германий способен образовывать 4 связи по обменному механизму.

Основные физические свойства элемента:

• температура плавления — 938,2 °C;
• температура кипения — 2850 °C;
• плотность — 5,33 г/см³;
• молярный объём — 13,6 см³/моль;
• атомная масса — 72,6 а. е. м.;
• молярная теплоёмкость — 23,32 Дж/К·моль.

При нормальных условиях кристаллическая решётка элемента алмазная, или кубическая. У полуметалла есть необычное физическое свойство: германий считается одним из редких аномальных веществ, у которых при плавлении увеличивается показатель плотности. Кроме того, при повышении температуры возрастает почти в 13 раз удельная проводимость германия, однако при достижении 1100 °C она падает.

Химическая природа

В соединениях металл проявляет степень окисления +4, +2 или -4. Если рассматривать химические свойства германия, вещество напоминает кремний. При нормальных условиях он устойчив к воздействию воздуха, воды, щелочей и кислот. Германий способен растворяться в царской водке и в щелочном растворе пероксида водорода.

На воздухе при 500−700 °C металл окисляется до оксидов. Производные кислоты элемента представлены твёрдыми веществами, которые характеризуются высокими температурами плавления. Их можно получить путём сплавления оксидов германия.

При реакции с галогенами металл образует тетрагалогениды. Легче процесс проходит с фтором и хлором. Тетрахлорид получают при хлорировании германия в твёрдом состоянии или при реакции его оксида (GeO2) с концентрированной соляной кислотой. При гидролизе дигалогенидов элемента получается гидроксид. Монооксид можно получить при нагревании металла с его диоксидом.

Взаимодействуя с серой при температуре 1000 °C, германий образует дисульфид, который представлен твёрдым веществом белого цвета. При нагревании до 1100 °C металл незначительно реагирует с водородом. В результате получается малоустойчивое соединение гермин. При воздействии на германий аммиака образуется нитрид. С углеродом элемент не взаимодействует. Также вещество способно образовывать металлорганические (например, тетраэтилгерман) и комплексные соединения с гидроксилсодержащими органическими молекулами (многоосновные кислоты, многоатомные спирты).

Сферы использования

Поскольку германий выступает полупроводником, он широко применяется в электронике и технике при создании микросхем и транзисторов. Сплавы металла необходимы при изготовлении датчиков и детекторов, а его диоксид применяется для производства стёкол, пропускающих инфракрасное излучение. Элемент используют в радарных установках в качестве сопротивления.

Германий используют при создании призм и линз инфракрасной оптики. Без материала не обходятся оптоволоконные системы и полупроводниковые диоды. Элемент применяется при измерении низких температур и обнаружении инфракрасного излучения. Диоды и триоды на основе вещества используются в телевизорах, радиоприёмниках и счётно-решающих средствах.

Влияние на здоровье человека

Германий в незначительном объёме обнаружен в организме человека. Пока учёные не смогли установить, в каком количестве должен присутствовать этот элемент в составе тканей и крови. Металл практически полностью усваивается человеческим организмом. Излишки микроэлемента выводятся через почки. Также не выявлено, какие вещества могут улучшить или ухудшить его поглощаемость.

Специалистам удалось открыть в металле некоторые лечебные свойства. Германий оказывает положительное воздействие на здоровье человека:

• Вещество транспортирует кислород к тканям.
• Элемент замещает свойства пониженного гемоглобина.
• Германий укрепляет иммунную систему, подавляет размножение вредных бактерий и стимулирует выработку противомикробных клеток.
• Металл выступает антиоксидантом, предотвращая образование опухолей.
• Вещество способно подавлять болезненные ощущения.

Но у германия есть не только плюсы. Среди минусов следует отметить, что большие дозировки этого вещества представляют опасность для организма человека и могут вызвать отравление.

Обычно такие последствия вызывает вдыхание паров чистого металла и его оксидов на производственных мероприятиях. После перорального приёма больших дозировок германия может наблюдаться раздражение кожного покрова или нарушение работы почек и печени. Очистить организм от избытка элемента необходимо с помощью симптоматического лечения с сорбентами. Из-за недостатка германия возможно развитие остеопороза.

Поддерживать необходимый уровень элемента в организме помогут следующие продукты:

• бобовые;
• молоко;
• грибы;
• лосось;
• чеснок;
• корень женьшеня;
• томатный сок.

В Японии производят добавки с германием для поддержания здоровья. Поскольку это вещество ещё недостаточно изучено, средство пока не получило массового распространения. В начале XXI века в России начали выпускать БАД «Гермавит». Добавку выписывают для укрепления иммунной и костной систем, а также для защиты от кислородного голодания.

Занимательные факты

Любой химический элемент отличается определёнными особенностями и свойствами, которые не характерны для других веществ. О германии имеется немало интересных фактов:

• Хотя элемент относится к группе металлов, по хрупкости его можно сравнить со стеклом. Если его уронить, он может разбиться.
• Германий может быть не только серебристого оттенка. Его цвет зависит от метода обработки. В некоторых случаях металл имеет стальной окрас, а иногда получается практически чёрным.
• Элемент обнаружен на поверхности солнца и в упавших с космоса метеоритах.
• Практически все свойства и характеристики вещества, которые предсказал Менделеев, оказались на удивление точными.
• Около 500 тонн элемента, что составляет половину разведанных запасов металла, скрыто в недрах США. Почти 400 тонн обнаружено в Китае.
• Элемент способен проводить ток не только в стандартном виде, но и в твёрдых растворах.
• Цена слитка германия и золота практически одинаковая.
• Плёнка из германия и ниобия, имеющая толщину несколько тысяч атомов, может сохранять сверхпроводимость даже при температуре 23,2 °К и ниже.
• Ни одно из полученных элементоорганических соединений этого металла не ядовито.

Ежегодно специалисты открывают новые свойства веществ, которые могут повлиять на дальнейшее развитие технологий. Возможно, что в скором будущем германию найдут широкое применение не только в промышленности, но и в области медицины.