Германий

Общие сведения и методы получения

Германий ( Ge ) — элемент серовато-белого цвета в компактном состоя­нии и серого в диспергированном. Существование и свойства этого эле­мента предсказаны в 1871 г. Д И. Менделеевым, который назвал его экасилицием. Новый элемент был открыт А. Винклсром в 1886 г. во Фрайберге (Германия) в минерале аргиродите 4 Ag ₂ S - GeS ₂ и назван гер­манием в честь роднны ученого. Практический интерес к этому элементу возник в период второй мировой войны в связи с развитием полупровод­никовой электроники. Начало промышленного производства германия относится к 1945—1950 гг.

Содержание германия в земной коре составляет 7*10^-4 % (по массе). Основное количество элемента находится в рассеянном состоянии в си­ликатах, сульфидах н минералах, представляющих собой сульфосоли. Известно несколько минералов типа сульфосолей с высоким содержани­ем германия, которые ие имеют промышленного значения: аргнродит— Ag ₈ GeS ₆ (5—7%), германит Cu ₃ ( Fe , Ge , Са, Zn ) ( As , S )₄ (6—10%), рениернт ( Cu , Fe )₃( Fc , Ge , Zn , Sn ) ( S , As )₄ (6,37—7,8%). Источниками получения германия являются сульфидные руды, а также малометамор-физированные угли и некоторые железные руды (до 0,01 % Ge ).

В зависимости от состава исходного сырья применяют различные способы его первичной обработки:

— выщелачивание серной кислотой с последующим выделением гер­мания из растворов;

— сульфатизирующий обжиг материалов;

— возгонка сульфида GeS или монооксида GcO в восстановительной среде;

— сульфатизирующий обжиг материала;

— восстановительная плавка в присутствии меди или железа;

— экстракция;

— ионообменная сорбция.

Германиевые концентраты могут быть выделен л из растворов сле­дующими способами:

— осаждение в виде малорастворимых соединений;

— соосаждение с гидратами железа, цинка, с сульфидами цника, меди и т. д ;

— осаждение из сернокислых растворов на цинковой пыли (цемен­тация).

С целью получения четыреххлористого германия германиевые кон­центраты обрабатывают концентрированной соляной кислотой в токе хлора. Образующийся тетрахлорид германия ( GeCI ₄ ) отгоняют от хло­ридов металлов, имеющих более высокие температуры кипения В ре­зультате гидролиза очищенного четыреххлористого германия получа­ют диоксид германия Qe 0₂ Элементарный германий получают восста­новлением очищенного и просушенного диоксида чистым водородом. Восстановленный германий подвергают дальнейшей очистке от примесей фракционной кристаллизацией Из высокочистого германия методом зонной плавки или по способу Чохральского выращивают монокристал­лы с заданными электрофизическими свойствами. Промышленность вы­пускает поли- и монокристаллический германий.

Германий марки ГПЗ-1 предназначен для получения монокристалли­ческого иелегированного и легированного германия, а также специаль­ных целей, марки ГПЗ-2 — для получения монокристаллического леги­рованного германия и других целей, марки ГПЗ-3 — для получения сплавов и заготовок для оптических деталей. Германий поставляется в виде слитков в форме сегмента, каждый из которых упаковывают в по­лиэтиленовый пакет. Слиток в полиэтиленовой упаковке помещают в картонную или пластмассовую тару и уплотняют мягкой прокладкой, обеспечивающей сохранность его при транспортировке и хранении. До­ставка осуществляется любым видом крытого транспорта.

Физические свойства

Атомные характеристики Атомный номер 32, атомная масса 72,59 а е м , атомный объем 13,64-10^⁶ м³/моль, атомный радиус 0,139 нм, ионный радиус Qe ² + 0,065 нм, Ge ⁴ + 0,044 нм. Электронное строение свободного атома германия 4s²p² . Потенциалы ионизации / (эВ): 7,88; 15,93; 34,21. Электроотрицательность 2,0. Кристаллическая решетка германия — ку­бическая типа алмаза с периодом а = 0,5657 нм. Энергия кристалличе­ской решетки 328,5 мкДж/кмоль. Координационное число 4. Каждый атом германия окружен четырьмя соседними, расположенными на оди­наковых расстояниях в вершинах тетраэдра. Связи между атомами осу­ществляются спаренными валентными электронами.

Химические свойства

В соединениях германий проявляет степень окисления +2 и +4, ре­же +1 и +3. Нормальный электродный потенциал реакции Ge —2е«=* *± Ge ² + ф₀=— 0,45 В.

В атмосфере сухого воздуха германий покрывается тонким слоем оксидов толщиной около 2 нм, но не изменяет при этом своего цвета. Во влажном воздухе германий, особенно поликристаллический, посте­пенно тускнеет. Заметное окисление начинается при 500 °С.

В ряду напряжений германий располагается после водорода — между медью и серебром. Германий не взаимодействует с водой и не раство-стся в разбавленной и концентрированной соляной кислоте. Растворя­ется в горячей концентрированной серной кислоте с образованием Ge ( S 04) u и выделением SO 2. При взаимодействии с азотной кислотой образует осадок диоксида германия xGe 02-(/ H ₂ 0. Хорошо растворяется в царской водке и смеси HF + HNC 4. Лучшим растворителем для гер­мания является щелочной раствор пероксида водорода. Быстро раство­ряют германий расплавленные едкие щелочи. При этом образуются гер-маиаты щелочных металлов, гидролизующиеся водой.

Диоксид Ge0₂ может быть получен прокаливанием германия на воз­духе, прокаливанием сульфидов, растворением элементарного германия в 3 %-ном пероксиде водорода в платиновом тигле с последующим вы­париванием раствора и прокаливанием остатка. Ge 0₂ существует в двух полиморфных модификациях: низкотемпературной а с тетрагональной решеткой (1123°С) и высокотемпературной й с гексагональной решеткой (выше 1123°С). Температура плавления Ge 0₂ 1725°С. При плавлении образуется прозрачный расплав. Диоксид германия растворяется в воде с образованием германиевой кислоты НгйеОз, легко переводится в раст­вор щелочами с образованием солей германиевой кислоты — гсрманатов. При действии пероксида водорода на концентрированные растворы ''ер-манатов получаются соли надгерманиевых кислот, образующие кристал­логидраты, например Na₂ Ge 0₅-4 H₂ 0.

Имеется несколько соединений германия с водородом. Установлено существование GeH — темного, легко взрывающегося порошка. Известны также соединения типа германов GenH ₂ „+₂ (например, Ge ₂ H ₄ , Ge ₂ He ), которые прн малых значениях п являются летучими. Моногерман GeH 4 —бесцветный газ с температурой кипения 88,9 °С. Днгерман и трн-герман при комнатной температуре и обычном давлении существуют в жидкой фазе. Растворимость водорода в германии при 800 °С не пре­вышает 1,5-10^-7 % (эт.).

Углерод практически нерастворим в германии. В жидком германии вблизи температуры плавления растворимость углерода оценивается в 0,23 % (ат.). По данным различных авторов определена концентрация углерода в монокристаллическом германии от 7*10^-4 до 5,2*10^-3 %.

При нагреве германия до 700—750 °С в азоте или NH ₃ образуются Ge ₃ N ₄ и Ge ₃ N ₂ . Нитрид германия Ge ₃ N ₂ представляет собой темно-корич­невые кристаллы, легко подвергающиеся гидролизу. Термический распад на элементы начинается при 500 °С. Более стабилен нитрид Ge ₂ N ₄ , кото­рый разлагается выше 1000 °С.

Непосредственное взаимодействие германия с галогенами начинается около 250 °С. Наибольшее практическое значение имеет тетрахлорид GeCl ₄ — основной промежуточный продукт при получении полупроводни­кового германия. С иодом германий образует иодид Gel ₄ — вещество желтого цвета с температурой плавления 146 °С и температурой кипения 375 °С. Gel ₄ используется для получения высокочистого германия мето­дом транспортных реакций. Галогениды неустойчивы к воде.

Из соединений с серой известен дисульфид GeS ₂ , который выделяет­ся из сильнокислых растворов солей четырехвалентного германия при пропускании интенсивного тока сероводорода. Кристаллический GcS ₂ представляет собой белые чешуйки с перламутровым блеском, расплав застывает в янтарно-желтую прозрачную массу н обнаруживает полу­проводниковые свойства Температура плавления GeS ₂ —825 °С. Моно­сульфид германия GeS существует в аморфном и монокристаллическом состояниях. Кристаллический GeS темно-серого цвета, плавится при 615 "С. Все халькогеннды германия (сульфиды, селениды и теллуриды) обнаруживают полупроводниковые свойства. С фосфором германий дает соединение GeP .

Технологические свойства

Германий характеризуется сравнительно высокой твердостью, большой хрупкостью и потому не может быть подвергнут холодной обработке давлением. Деформирование возможно при температурах, близких к температуре плавления, и в условиях всестороннего неравномерного сжатия.

С помощью алмазной пилы слиток германия может быть распилен на тонкие пластинки. Поверхность пластин шлифуется тонким корундо­вым порошком на стекле и полируется на сукне с суспензией из окиси алюминия.

Области применения

Германий играет исключительную роль в радиоэлектронике. Его приме­няют для изготовления кристаллических выпрямителей (диодов) и кри­сталлических усилителей (триодов), которые используются в вычисли­тельной технике, телемеханике, радарных установках и т. д.

На основе германия созданы также мощные выпрямители с высо­ким к. п. д. для выпрямления переменного тока обычной частоты, рас­считанные на силу тока до 10000 А н выше.

Германиевые триоды широко используются для усиления, генериро­вания или преобразования электрических колебаний.

В радиотехнике получили распространение пленочные сопротивления от 1000 Ом до нескольких мегаом.

Благодаря значительному изменению проводимости под действием излучения германий используется в различных фотодиодах н фотосо-противленнях.

Германий находит применение для изготовления термистеров (при этом используется сильная температурная зависимость электросопротив­ления германия).

В ядерной технике применяются германиевые детекторы у^излУ^че-ния.

Германиевые линзы, легированные золотом, являются неотъемлемой частью приборов инфракрасной техники. Из диоксида германия изго­товляют специальные оптические стекла с большим коэффициентом преломления. Германий вводят также в состав сплавов для высокочув­ствительных термопар.

Значительно увеличивается потребление германия в качестве катали­затора в производстве искусственного волокна.

Ряд соединений германия с переходными металлами имеет высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, в частности мате­риалы на основе соединения Nb ₃ Ge ( T „>22 К).

Предполагают, что некоторые органические соединения германия биологически активны: задерживают развитие злокачественных образо­ваний, понижают кровяное давление, оказывают обезболивающее дей­ствие.