Германий
Общие сведения
Германий представляет собой химический элемент, относящийся к группе полуметаллов. Существование данного элемента было теоретически предсказано Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1870 году, который назвал его экасилицием в рамках разработки периодического закона. Фактическое открытие германия произошло в 1885 году в Саксонии при исследовании минерала аргиродита. Немецкий химик Клеменс Винклер выделил новый элемент, установил его химический состав и официально сообщил об открытии 6 февраля 1886 года. Изначально первооткрыватель рассматривал вариант названия нептуний, однако в итоге элемент получил наименование германий в честь его родины, от латинского слова Germania. Практическое освоение элемента и его интенсивное использование началось в период Второй мировой войны, когда он стал применяться при создании полупроводниковых диодов для первых вычислительных машин.
Свойства и характеристики
По физическим свойствам германий является хрупким полуметаллом серебристо-белого цвета. Основная кристаллическая модификация имеет кубическую структуру, аналогичную строению алмаза. Температура плавления вещества составляет 938 градусов Цельсия, а температура кипения достигает 2850 градусов. Элемент обладает рядом аномальных физических характеристик, среди которых выделяется не объясняемый в полной мере современными физическими законами пик теплоемкости, а также способность увеличивать плотность при плавлении. По электрофизическим параметрам германий представляет собой непрямозонный полупроводник с благоприятной шириной запрещенной зоны. В виде тонких пленок в сплаве с галлием при низких температурах элемент проявляет свойства сверхпроводника, однако при нормальных температурах сверхпроводящее состояние не достигается. Природный германий состоит из смеси пяти изотопов, четыре из которых стабильны, а пятый обладает слабой радиоактивностью. Искусственным путем получено 27 радиоактивных изотопов. В химическом отношении элемент проявляет степени окисления плюс два и плюс четыре, при этом последняя является наиболее устойчивой, сочетая свойства металла и неметалла. Вещество медленно растворяется в горячих растворах серной и азотной кислот с образованием гидратированного оксида, а в присутствии сильных окислителей взаимодействует с расплавами щелочей, образуя германаты. На воздухе элемент окисляется до диоксида германия. Известно множество химических соединений элемента, включая гидриды, галогениды, халькогениды, нитриды, оксиды, гидроксиды и соли. Также синтезированы различные комплексные соединения и германийорганические вещества. Биологическая роль германия практически отсутствует ввиду его редкости в природе. Элемент считается малотоксичным, однако существуют требования к предельно допустимой концентрации его пыли, которая при оседании в легких способна наносить вред здоровью.
Нахождение в природе
Содержание германия в земной коре в целом невелико, хотя и несколько превышает концентрации сурьмы, серебра и висмута. Элемент относится к категории редких. Собственные минералы встречаются крайне редко и обычно представляют собой сложные соединения с серой. Среди них выделяются германит, содержащий медь, железо и серу, аргиродит, включающий значительное количество серебра, а также канфильдит, ультрабазит и реньерит. Значительно чаще германий присутствует в виде микропримесей в различных горных породах, таких как сфалериты, энаргиты и пираргиты, где его концентрация варьируется от 5 до 10 килограммов на тонну. Кроме того, элемент концентрируется в некоторых угольных месторождениях, например, на Павловском месторождении Сахалина и в Забайкалье, где на тонну угля может приходиться около 200 граммов германия.
Получение
Процесс извлечения германия из руд, где он присутствует в виде примесей, отличается высокой сложностью и требует значительных затрат, что обуславливает высокую итоговую стоимость чистого вещества. Технология предполагает первоначальное выделение диоксида германия, который затем восстанавливается водородом до образования чистого полуметалла и воды. Для достижения необходимой для промышленности степени чистоты применяется метод зонной плавки. В настоящее время абсолютным лидером по производству германия в мире является Китай, а глобальное потребление по состоянию на 2023 год оценивается примерно в 60 тонн. Масштабное промышленное производство в СССР было начато в 1959 году для нужд развивающейся электроники. В шестидесятые и семидесятые годы выпуск осуществлялся на Ангренском химико-металлургическом заводе, Медногорском медно-серном комбинате, где перерабатывалась пыль медноколчеданных руд, а также на Красноярском заводе цветных металлов. В современной России производство продолжается в ограниченных объемах на специализированном предприятии в Тульской области, тогда как выпуск на Медногорском комбинате был остановлен в 2010 году.
Применение
В середине двадцатого века германий занимал господствующее положение в производстве радиоэлектроники, выступая основным материалом для создания транзисторов и диодов. В семидесятые годы он был в значительной степени вытеснен кремнием по причине экономической целесообразности. В настоящее время структура потребления германия существенно изменилась. Около 65 процентов добываемого вещества расходуется на нужды оптической промышленности. Элемент критически важен для производства инфракрасной оптики, линз, приборов ночного видения и создания просветляющих покрытий. Важнейшим технологическим направлением является использование тетрахлорида германия при изготовлении оптоволокна, обеспечивающего функционирование сетей высокоскоростного интернета. Порядка 15 процентов германия применяется в качестве химических катализаторов, и еще 15 процентов направляется в электронную промышленность. В современной электронике материал востребован при создании сверхвысокочастотных приборов, а также в качестве компонента термоэлектрических сплавов, таких как теллурид германия. Элемент также находит специфическое применение в ядерной физике в качестве материала для детекторов гамма-излучения.