В 1870 году Д.И. Менделеев на основании периодического закона предсказал еще неоткрытый элемент IV группы, назвав его экасилицием, и описал его основные свойства. В 1886 году немецкий химик Клеменс Винклер, при химическом анализе минерала аргиродита обнаружил этот химический элемент. Первоначально Винклер хотел назвать новый элемент «нептунием», но это название уже было дано одному из предполагаемых элементов, поэтому элемент получил название в честь родины учёного - Германии.
Нахождение в природе, получение:
Германий встречается в сульфидных рудах, железной руде, обнаруживается почти во всех силикатах. Основные минералы содержащие германий: аргиродит Ag 8 GeS 6 , конфильдит Ag 8 (Sn,Ce)S 6 , стоттит FeGe(OH) 6 , германит Cu 3 (Ge,Fe,Ga)(S,As) 4 , рениерит Cu 3 (Fe,Ge,Zn)(S,As) 4 .
В результате сложных и трудоёмких операций по обогащению руды и её концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO 2 , который восстанавливают водородом при 600°C до простого вещества.
GeO 2 + 2H 2 =Ge + 2H 2 O
Очистку германия проводят методом зонной плавки, что делает его одним из самых химически чистых материалов.
Физические свойства:
Твёрдое вещество серо-белого цвета, с металлическим блеском(tпл 938°C, tкип 2830°С)
Химические свойства:
При нормальных условиях германий устойчив к действию воздуха и воды, щелочей и кислот, растворяется в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода.
Степени окисления германия в его соединениях: 2, 4.
Важнейшие соединения:
Оксид германия(II)
, GeO, серо-чёрн., слабо раств. в-во, при нагревании диспропорционирует: 2GeO = Ge + GeO 2
Гидроксид германия(II)
Ge(OH) 2 , крас.-оранж. крист.,
Йодид германия(II)
, GeI 2 , желт. кр., раств. в воде, гидрол. по кат.
Гидрид германия(II)
, GeH 2 , тв. бел. пор., легко окисл. и разлаг.
Оксид германия(IV)
, GeO 2 , бел. крист., амфотерн., получают гидролизом хлорида, сульфида, гидрида германия, или реакцией германия с азотной кислотой.
Гидроксид германия(IV), (германиевая кислота)
, H 2 GeO 3 , слаб. неуст. двухосн. к-та, соли германаты, напр. германат натрия
, Na 2 GeO 3 , бел. крист., раств. в воде; гигроскопичен. Существуют также гексагидроксогерманаты Na 2 (орто-германаты), и полигерманаты
Сульфат германия(IV)
, Ge(SO 4) 2 , бесцв. кр., гидролизуются водой до GeO 2 , получают нагреванием при 160°C хлорида германия(IV) с серным ангидридом:
GeCl 4 + 4SO 3 = Ge(SO 4) 2 + 2SO 2 + 2Cl 2
Галогениды германия(IV), фторид
GeF 4 - бесц. газ, необр. гидрол., реагирует с HF, образуя H 2 – германофтористоводородную кислоту:
GeF 4 + 2HF = H 2 ,
хлорид
GeCl 4 , бесцв. жидк., гидр., бромид
GeBr 4 , сер. кр. или бесцв. жидк., раств. в орг. соед.,
йодид
GeI 4 , желт.-оранж. кр., медл. гидр., раств. в орг. соед.
Сульфид германия(IV)
, GeS 2 , бел. кр., плохо раств. в воде, гидрол., реагирует со щелочами:
3GeS 2 + 6NaOH = Na 2 GeO 3 + 2Na 2 GeS 3 + 3H 2 O, образуя германаты и тиогерманаты.
Гидрид германия(IV), "герман"
, GeH 4 , бесцв. газ, органические производные тетраметилгерман Ge(CH 3) 4 , тетраэтилгерман Ge(C 2 H 5) 4 - бесцв. жидкости.
Применение:
Важнейший полупроводниковый материал, основные направления применения: оптика, радиоэлектроника, ядерная физика.
Соединения германия мало токсичны. Германий – микроэлемент, который в организме человека повышает эффективность иммунной системы организма, борется с онкозаболеваниями, уменьшает болевые ощущения. Отмечается также, что германий способствует переносу кислорода к тканям организма и является мощным антиоксидантом – блокатором свободных радикалов в организме.
Суточная потребность организма человека – 0,4–1,5 мг.
Чемпионом по содержанию германия среди пищевых продуктов является чеснок (750 мкг германия на 1 г сухой массы зубков чеснока).
Материал подготовлен студентами ИФиХ ТюмГУ
Демченко Ю.В., Борноволоковой А.А.
Источники:
Германий//Википедия./ URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=63504262 (дата обращения: 13.06.2014).
Германий//Allmetals.ru/URL: http://www.allmetals.ru/metals/germanium/ (дата обращения: 13.06.2014).
На момент создания периодической таблицы германий еще открыт не был, но Менделеев предсказал его существование. А спустя 15 лет после доклада в одной из шахт Фрайберга обнаружили неизвестный минерал, в 1886 году из него выделили новый элемент. Заслуга принадлежит немецкому химику Винклеру, давшему элементу имя своей родины. Даже при множестве полезных свойств германия, среди которых нашлось место и лечебным, использовать его начали только в начале Второй мировой войны, и то не очень активно. Поэтому даже сейчас нельзя сказать, что элемент хорошо изучен, но некоторые его способности уже доказаны и успешно применяются.
Лечебные свойства германия
В чистом виде элемент не встречается, выделение его трудоемко, поэтому при первой возможности его заменяли более дешевыми компонентами. Сначала его использовали в диодах и транзисторах, но кремний оказался более удобным и доступным, поэтому изучение химических свойств германия продолжилось. Сейчас он входит в состав термоэлектрических сплавов, применяется в СВЧ-устройствах, инфракрасной технике.
Медицина тоже заинтересовалась новым элементом, но значимый результат удалось получить только в конце 70-х годов прошлого века. Японским специалистам удалось открыть лечебные свойства германия и наметить пути их применения. После испытаний на животных и клинических наблюдений влияния на человека выяснилось, что элемент способен:
- стимулировать ;
- доставлять кислород к тканям;
- бороться с опухолями;
- увеличивать проводимость нервных импульсов.
Сложность использования состоит в токсичности германия в больших дозах, поэтому требовался препарат, способный оказывать позитивное влияние на определенные процессы в организме с минимальным вредом. Первым стал «Германий-132», который помогает улучшать иммунный статус человека, помогает избежать недостатка кислорода в случае падения уровня гемоглобина. Также опыты показали влияние элемента на производство интерферонов, которые противостоят быстро делящимся (опухолевым) клеткам. Польза наблюдается только при введении внутрь, ношение ювелирных изделий с германием никакого эффекта не даст.
Недостаток германия снижает природные способности организма противостоять внешним воздействиям, что приводит к различным нарушениям. Рекомендуемая суточная доза составляет 0,8-1,5 мг. Получить необходимый элемент можно при регулярном употреблении молока, лососины, грибов, чеснока и бобов.
Назван в честь Германии. Ученый из этой страны открыл и имел право именовать его, как захочет. Так в попал германий .
Однако, посчастливилось не Менделееву, а Клеменсу Винклеру. Ему поручили изучить аргиродит. Новый минерал, состоящий, в основном, из , нашли на прииске Химмельфюрст.
Винклер определил 93% состава камня и зашел в тупик с оставшимися 7%. Напрашивался вывод, что в них входит неизвестный элемент.
Более тщательный анализ принес плоды, — был открыт германий . Это металл. Чем он пригодился человечеству? Об этом, и не только, расскажем далее.
Свойства германия
Германий – 32 элемент таблицы Менделеева . Получается, металл входит в 4-ю группу. Номер соответствует валентности элементов.
То есть, германий склонен образовывать 4 химических связи. Это делает элемент, открытый Винклером, похожим на .
Отсюда и желание Менделеева назвать еще неоткрытый элемент экосилицием, обозначаемым, как Si. Дмитрий Ивановичь заранее просчитал свойства 32-го металла.
На кремний германий похож химическими свойствами. С кислотами реагирует только при нагревании. Со щелочами «общается» в присутствии окислителей.
Устойчив к парам воды. Не вступает в реакции с водородом, углеродом, . Загорается германий при температуре в 700-от градусов Цельсия. Реакция сопровождается образованием диоксида германия.
32-ой элемент легко взаимодействует с галогенами. Это солеобразующие вещества из 17 группы таблицы.
Дабы не запутаться, укажем, что ориентируемся на новый стандарт. В старом, это 7-я группа таблицы Менделеева.
Какой бы ни была таблица, металлы в ней располагаются слева от ступенчатой диагональной линии. 32-ой элемент – исключение.
Еще одно исключение – . С ней тоже возможна реакция. Сурьма осаждается на подложке.
Активное взаимодействие обеспеченно и с . Как большинство металлов, германий способен гореть в ее парах.
Внешне элемент германий , серовато-белый, с выраженным металлическим блеском.
При рассмотрении внутреннего строения, металл имеет кубическую структуру. Она отражает расположение атомов в элементарных ячейках.
Они имеют форму кубов. Восемь атомов располагаются в вершинах. Строение близко к решетке .
У 32-го элемента 5 стабильных изотопов. Их наличие – свойство всех элементов подгруппы германия.
Они четные, что и обуславливает присутствие стабильных изотопов. У , к примеру, их 10.
Плотность германия составляет 5,3-5,5 граммов на кубический сантиметр. Первый показатель характерен для состояния, второй – для жидкого металла.
В размягченном виде он не только более плотный, но и пластичный. Хрупкое при комнатной температуре вещество становится при 550-ти градусах. Таковы особенности германия.
Твердость металла при комнатной температуре составляет около 6 баллов по .
В таком состоянии 32-ой элемент является типичным полупроводником. Но, свойство становится «ярче» при повышении температуры. Просто проводники, для сравнения, теряют свои свойства при нагреве.
Германий проводит ток не только в стандартном виде, но и в растворах.
По полупроводниковым свойствам 32-ой элемент, так же, близок кремнию и столь же распространен.
Однако, сферы применения веществ разнятся. Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, в том числе, и тонкопленочного типа.
Элемент нужен, так же, для фотоэлементов. Теперь, рассмотрим, где пригождается германий.
Применение германия
Германий применяют в гаммо-спектроскопии. Ее приборы позволяют, к примеру, изучить состав добавок в смешанных окислах катализаторов.
В прошлом, германий добавляли в диоды и транзисторы. В фотоэлементах свойства полупроводника тоже пригождаются.
Но, если кремний добавляют в стандартные модели, то германий – в высокоэффективные, нового поколения.
Главное, не использовать германий при температуре близкой к абсолютному нулю. В таких условиях металл теряет способность передавать напряжение.
Чтобы германий был проводником, примесей в нем должно быть не более 10%. Идеален ультрачистый химический элемент.
Германий делают таким методом зонной плавки. Она основана на различной растворимости сторонних элементов в жидкой и фазах.
Формула германия позволяет применять его и в деле. Здесь речь уже не о полупроводниковых свойствах элемента, а о его способности придать твердость .
По этой же причине, германий нашел применение в зубопротезировании. Хотя, коронки отживают свой век, небольшой спрос на них, все еще, есть.
Если добавить к германию и еще и кремний с алюминием, получаются припои.
Их температура плавления всегда ниже, чем у соединяемых металлов. Так что, можно делать сложные, дизайнерские конструкции.
Даже интернет без германия был бы невозможен. 32-ой элемент присутствует в оптоволокне. В его сердцевине находится кварц с примесью героя .
А его двуокись увеличивает отражательные способности оптоволокна. Учитывая спрос на него, , электронику, германий нужен промышленникам в больших объемах. Каких именно, и как их обеспечивают, изучим ниже.
Добыча германия
Германий довольно распространен. В земной коре 32-го элемента, к примеру, больше, чем , сурьмы, или .
Разведанные запасы – около 1 000 тонн. Почти половина из них сокрыта в недрах США. Еще 410 тонн – достояние .
Так что, остальным странам, в основном, приходиться закупать сырье. сотрудничает с Поднебесной. Это обосновано и с политической точки зрения, и с позиции экономии.
Свойства элемента германий , связанные с его геохимическим родством с широко распространенными веществами, не позволяют металлу образовывать собственные минералы.
Обычно, металл внедряется в решетку уже существующих . Много места гость, естественно, не займет.
Поэтому, приходиться извлекать германий по крупицам. В можно найти несколько кило на тонну породы.
В энаргитах на 1000 килограммов приходиться не больше 5 кило германия. В пираргирите в 2 раза больше.
В тонне сульванита 32-го элемента содержится не больше 1 килограмма. Чаще всего, германий извлекают в качестве побочного продукта из руд других металлов, к примеру, , или цветных, таких как хромит, магнитит, рутит.
Годовое производство германия колеблется в пределах 100-120 тонн, в зависимости от спроса.
В основном, закупается монокристаллическая форма вещества. Именно такая нужна для производства спектрометров, оптоволокна, драгоценных . Узнаем расценки.
Цена германия
Монокристаллический германий, в основном, закупают тоннами. Для больших производств это выгодно.
1 000 килограммов 32-го элемента стоит около 100 000 рублей. Можно найти предложения за 75 000 – 85 000.
Если брать поликристаллический, то есть, с агрегатами меньшего размера и повышенной прочностью, можно отдать в 2,5 раза больше всего за кило сырья.
Стандартны длинной не меньше 28-ми сантиметров. Блоки защищают пленкой, поскольку на воздухе они тускнеют. Поликристаллический германий – «почва» для выращивания монокристаллов.
Германий (Ge) - химический элемент с атомным номером 32. В элементарном виде германий представляет собой твердый полуметалл серо-белого цвета, имеющий металлический блеск. По электрофизическим свойствам является непрямозонным полупроводником.
Этот химический элемент впервые был извлечен в 1886 году усилиями немецкого химика Клеменса Винклера. Для этой цели он использовал минерал аргиродит. Однако существование германия еще 1869 году предсказал создатель Периодической системы Д.И. Менделеев, который тогда же дал ему условное название "экасилиций", поскольку в системе химических элементов он занимал место в следующем периоде сразу под кремнием.
Германий - не самый редкий химический элемент. Встречается в сульфидных и железных рудах, а также в рассеянном виде в силикатах, свои минералы образует очень редко. Его содержание в земной коре составляет порядка 10 -4 %, что выше, чем концентрация сурьмы, висмута и даже серебра. В некоторых минералах (пираргирит, энаргит и др.) содержание германия может составлять до 10 кг на тонну. Концентрация этого химического элемента в водах Мирового океана около 6 10 -5 мг/л.
В середине ХХ века германий получил широкую известность благодаря своим полупроводниковым свойствам и стал использоваться в производстве диодов, транзисторов и других полупроводниковых приборов. В дальнейшем он нашел применение при изготовлении инфракрасной оптики и в волоконной промышленности.
Роль германия в организме человека
До недавнего времени было принято считать, что германий не играет никакой роли в живых организмах. Впоследствии выяснилось, что некоторые органические соединения германия могут использоваться в качестве лекарственных средств, хотя пока их эффективность не установлена. Опыты на крысах показали, что введение в рацион небольшого количества соединений германия увеличивает продолжительность их жизни на 25-30%.
Некоторые его соединения токсичны для человека.
Германий хорошо усваивается организмом (около 95%) и его концентрация в теле человека примерно равномерна. Из организма он выводится преимущественно с мочой (90%).
Значение германия в организме человека состоит в следующем:
- участвует в процессах переноса кислорода, тем самым обеспечивая антигипоксическое действие (предупреждает развитие в тканях кислородной недостаточности, поддерживает достаточный уровень гемоглобина в крови);
- обладает антимикробным, противовирусным и противогрибковым действием, активирует макрофаги, стимулирует синтез интерферона, то есть стимулирует иммунную систему;
- является сильным антиоксидантом, защищая наш организм от вредного действия свободных радикалов;
- подавляет жизнедеятельность раковых клеток, препятствует появлению метастазов;
- регулирует все клапанные системы организма (в желудочно-кишечном тракте, сердечно-сосудистой системе);
- блокируя движение электронов в нейронах, оказывает обезболивающее действие.
Суточная потребность человеческого организма в германии составляет 0,4-1,5 мг. Потребность в нем возрастает во время инфекционных заболеваний, слабости и упадке сил, в восстановительном периоде после перенесенных операций и заболеваний, при малокровии, остеопорозе и иммунодефицитных состояниях.
Источники германия в организме человека
Самое высокое содержания германия обнаружено в чесноке (как в зубках, так и в зелени) (в зубках концентрация германия доходит до 750 мкг на 1 г сухой массы) и женьшене (до 0,2%). Относительно высока его концентрация в следующих продуктах питания:
- отруби;
- бобовые;
- белые грибы;
- томаты;
- рыба и морепродукты (мидии, кальмары, креветки);
- морская капуста;
- молоко.
Синергистом (усиливающим действие) германия является селен.
Нехватка германия в организме человека
Причины нехватки германия :
- недостаточное поступление с пищей;
- нарушения обмена веществ.
Симптомами нехватки германия являются:
- развитие остеопороза и деминерализация костей;
- повышение риска развития онкологических заболеваний.
Избыток германия в организме человека
В больших количествах соединения германия токсичны для организма. Особой токсичностью отличаются соединения двухвалентного германия.
Чаще всего причиной избытка германия является вдыхание паров чистого германия и его оксидов на вредном производстве, ПДК которых в воздухе составляет 2 мг/куб.м.
При контакте с хлоридом германия может возникнуть раздражение кожи, при поступлении соединений германия в больших дозах внутрь могут быть поражены печень или почки.
Германий - чрезвычайно ценный для человека элемент таблицы Менделеева. Его уникальные свойства, как полупроводника, позволили создать диоды, широко используемые в различных измерительных приборах и радиоприемниках. Он нужен для производства линз и оптического волокна.
Однако технические успехи - это только часть достоинств этого элемента. Органические соединения германия обладают редкими терапевтическими свойствами, оказывая широкое биологическое воздействие на здоровье и самочувствие человека, а эта особенность дороже любых драгоценных металлов.
История открытия германия
Дмитрий Иванович Менделеев, анализируя свою периодическую таблицу элементов, в 1871 году предположил, что в ней не хватает еще одного элемента, принадлежащего к IV группе. Он описал его свойства, подчеркнул сходство с кремнием и назвал экасилиций.
Через несколько лет, в 1886 году, в феврале, профессор горной академии города Фрейберг открыл аргиродит - новое соединение серебра. Его полный анализ было поручено сделать Клеменсу Винклеру, профессору технической химии и лучшему аналитику академии. После изучения нового минерала, он выделил из него 7% веса, как отдельное неопознанное вещество. Тщательное изучение его свойств показало, что перед ними экасилиций, предсказанный Менделеевым. Важно, что способ выделения экасилиция, использованный Винклером, до сих пор применяется при его промышленном получении.
История названия германия
Экасилиций в периодической таблице Менделеева занимает 32 позицию. Сначала Клеменс Винклер хотел дать ему имя Нептун.в честь планеты, которую тоже сначала предсказали, а обнаружили после. Однако выяснилось, что один ложно открытый компонент уже так называли и могла возникать ненужная путаницы и споры.
В результате, Винклер выбрал для него имя Германий в честь своей страны, чтобы снять все разногласия. Это решение Дмитрий Иванович поддержал, закрепив такое название за своим "детищем".
Как выглядит германий
Этот дорогой и редкий элемент, как стекло, хрупкий. Стандартный германиевый слиток выглядит, как цилиндр диаметром от 10 до 35 мм. Цвет германия зависит от обработки его поверхности и может быть черным, похожим на сталь или серебристым. Его внешний вид легко перепутать с кремнием – его самым ближайшим родственником и конкурентом.
Чтобы разглядеть мелкие германиевые детали в приборах нужны специальные средства увеличения.
Применение органического германия в медицине
Органическое соединение германия синтезировал японец, доктор К. Асаи в 1967 году. Он доказал наличие у него противоопухолевых свойств. Продолжение исследований доказало, что разные соединения германия обладают такими важными свойствами для человека, как обезболивание, снижение артериального давления, снижение риска анемии, укрепление иммунитета и уничтожения вредоносных бактерий.
Направления влияния германия в организме:
- Способствует насыщению тканей кислородом и ,
- Ускоряет заживление ран,
- Способствует очищению клеток и тканей от токсинов и ядов,
- Улучшает состояние центральной нервной системы и ее функционирование,
- Ускоряет восстановление после тяжелой физической нагрузки,
- Повышает общую работоспособность человека,
- Усиливает защитные реакции всей иммунной системы.
Роль органического германия в иммунной системе и в переносе кислорода
Способность германия переносить кислород на уровне тканей организма особенно ценна для предупреждения гипоксии (кислородной недостаточности). Это также снижает вероятность развития кровяной гипоксии, которая возникает при уменьшении количества гемоглобина в эритроцитах. Доставка кислорода в любую клетку позволяет снизить опасность кислородного голодания и спасти от гибели наиболее чувствительные к нехватке кислорода клетки: головного мозга, тканей почек и печени, мышц сердца.
