Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение германий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 122 pm — это 0,122 нм, поэтому около 4,1 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Германий находится в жидком состоянии в диапазоне 1895 K — от 1211 K до 3106 K.
История
Германий — это полупроводник, с которого началась компьютерная эпоха. Этот блестящий, твёрдый, серовато-белый металлоид стал основой первых транзисторов и компьютерных микросхем, что делает его одним из наиболее важных с исторической точки зрения элементов в технологии. Хотя кремний со временем заменил его в большинстве применений, германий по-прежнему играет важную роль в специализированной электронике, оптоволоконной связи и инфракрасных устройствах. Германий был открыт в 1886 году немецким химиком Клеменсом Винклером и стал ещё одним впечатляющим подтверждением периодической таблицы Менделеева. В 1871 году Менделеев предсказал существование элемента, который назвал «эка-кремнием», подробно описав его свойства. Когда Винклер обнаружил германий, он почти идеально соответствовал этим предсказаниям, доказав силу периодического закона. Особенно интересны уникальные полупроводниковые свойства германия. При комнатной температуре чистый германий является плохим проводником, но добавление небольших количеств примесей (легирование) превращает его в полупроводник n-типа или p-типа. Это свойство позволило изобрести транзистор в 1947 году в Bell Labs и положило начало электронной революции, подарившей нам компьютеры, смартфоны и интернет. Германий обладает и замечательными оптическими свойствами. Он прозрачен для инфракрасного излучения и непрозрачен для видимого света, что делает его идеальным материалом для инфракрасных окон, линз и тепловизионных камер. Военные системы ночного видения, медицинская термография и промышленный контроль температуры используют германиевую оптику. Вот что удивительно: когда-то германий считался совершенно бесполезным. В течение десятилетий после открытия он не имел практического применения и оставался лишь лабораторной диковинкой. Только во время Второй мировой войны, с развитием радиолокации, полупроводниковые свойства германия приобрели ценность, практически за одну ночь превратив его из бесполезного материала в бесценный.
Открытие германия стало одним из наиболее впечатляющих подтверждений периодической таблицы Менделеева: оно началось с предсказания Менделеевым в 1871 году элемента, который он назвал «эка-кремнием», и завершилось выделением настоящего элемента Клеменсом Винклером пятнадцать лет спустя. Менделеев предсказал, что атомная масса этого неизвестного элемента будет около 72, он будет образовывать оксид с формулой XO2, а его свойства будут промежуточными между свойствами кремния и олова. Его предсказания оказались чрезвычайно точными, когда элемент наконец обнаружили. Открытие произошло в 1886 году, когда немецкий химик Клеменс Александр Винклер анализировал редкую серебряную руду аргиродит из шахты Химмельсфюрст близ Фрайберга в Саксонии. Винклер заметил, что процентное содержание элементов в результатах химического анализа не составляло 100%, что указывало на присутствие неизвестного элемента, составлявшего около 7% массы минерала. С помощью систематического химического анализа и методов разделения Винклер успешно выделил новый элемент и определил его свойства. Он назвал его «германием» в честь Germania — латинского названия Германии, своей родины. Тщательные измерения Винклера показали, что свойства германия поразительно точно соответствуют предсказаниям Менделеева: атомная масса составила 72,6 (предсказывалось 72), плотность — 5,47 g/cm³ (предсказывалось 5,5), а формула оксида действительно оказалась GeO2. Это открытие стало убедительным подтверждением периодического закона и утвердило периодическую таблицу Менделеева как фундаментальный организующий принцип химии. Винклер опубликовал свои результаты в 1887 году, подробно описав химические и физические свойства германия, которые остаются достоверными и сегодня. Открытие германия стало хрестоматийным примером успешного научного предсказания и помогло укрепить доверие научного сообщества к периодической таблице.
Применение
Германий играет важную роль в современной технологии, а его основные применения связаны с полупроводниковыми приборами, оптоволоконными системами и инфракрасным оптическим оборудованием. В полупроводниковой промышленности германий имел историческое значение как один из первых материалов, использовавшихся для изготовления транзисторов и диодов, хотя кремний в большинстве применений в значительной степени заменил его. Тем не менее германий сохраняет важные специализированные применения в высокочастотной электронике, где его более высокая подвижность электронов делает его ценным для радиочастотных устройств и высокоскоростных переключателей. Элемент широко используется для производства сплавов кремния и германия (SiGe), необходимых для изготовления высокопроизводительных микропроцессоров и микросхем беспроводной связи. Эти полупроводники SiGe обеспечивают более высокую скорость обработки и повышенную энергоэффективность электронных устройств. Наиболее значимое современное применение германия связано с оптоволоконной связью, где диоксид германия используется для производства оптических волокон с улучшенными характеристиками передачи. Высокий показатель преломления элемента позволяет создавать ступенчатые оптические волокна, способные передавать данные на большие расстояния с минимальными потерями сигнала. В инфракрасной оптике германий незаменим при изготовлении линз, окон и призм для тепловизионных камер, оборудования ночного видения и военных систем наблюдения. Аэрокосмическая и оборонная отрасли используют германиевую оптику в спутниковых датчиках, системах наведения ракет и оборудовании для инфракрасной спектроскопии. В солнечной энергетике германий применяется как подложка для высокоэффективных многопереходных солнечных элементов, используемых в космосе, где крайне важна максимальная выработка энергии. В медицине германий используется в специализированном оборудовании для визуализации и в некоторых методах альтернативной медицины, хотя научные доказательства пользы для здоровья остаются ограниченными. Продолжаются исследования потенциального применения германия в квантовых вычислениях, где германиевые квантовые точки демонстрируют перспективность для обработки квантовой информации.
Сегодня наиболее распространённое применение германия — оптоволоконные кабели, составляющие основу глобальной интернет-инфраструктуры; легированное германием кварцевое стекло обеспечивает высокоскоростную передачу данных между континентами. Каждый смартфон и компьютерный процессор содержит сплавы кремния и германия, повышающие производительность и снижающие энергопотребление. Инфракрасные камеры, используемые в системах безопасности, автомобильных системах ночного видения и медицинской термографии, оснащаются германиевыми линзами и оптическими компонентами. Солнечные панели для космических миссий, в том числе панели, питающие спутники и Международную космическую станцию, используют германиевые подложки для достижения максимальной эффективности. Военные и правоохранительные органы применяют тепловизионное оборудование на основе германия для наблюдения и поисковых операций. Системы промышленного контроля качества используют германиевые инфракрасные детекторы для мониторинга производственных процессов и обнаружения изменений температуры. Автомобильные производители устанавливают полупроводники с добавлением германия в передовые системы помощи водителю и силовую электронику электромобилей. Медицинские учреждения используют германиевые детекторы в некоторых видах оборудования для радиационного контроля и визуализации. Научно-исследовательские лаборатории по всему миру применяют кристаллы германия для гамма-спектроскопии и экспериментов в области ядерной физики. Сектор возобновляемой энергетики использует германий в концентраторных фотоэлектрических системах, отслеживающих движение солнца для максимальной выработки энергии. Бытовая электроника получает преимущества от германиевых сплавов в схемах управления питанием, продлевающих срок службы аккумуляторов. Даже в специализированных устройствах, таких как гитарные усилители и аудиооборудование высокого класса, иногда применяются германиевые транзисторы благодаря их уникальным характеристикам звучания.
Откуда он происходит
1,5 мг/кг земной коры · более распространён, чем 55% элементов
Германий — относительно редкий элемент земной коры со средней концентрацией около 1,6 части на миллион; по распространённости он примерно сопоставим с серебром, но его гораздо труднее экономично извлекать. Элемент редко встречается в концентрированных залежах и обычно присутствует как примесь в различных минеральных рудах. Уголь, особенно месторождения бурого и суббитуминозного угля, является одним из наиболее значимых источников германия; его концентрация там может достигать нескольких сотен частей на миллион. При сжигании угля на электростанциях германий концентрируется в золе-уносе, что делает угольную золу пригодным источником для извлечения германия. Цинковые руды, особенно сфалерит, содержат германий в виде примеси, и большая часть промышленного производства германия является побочным продуктом переработки цинка. Медные руды также содержат небольшие количества германия, особенно в сульфидных месторождениях, где элемент замещает другие металлы в кристаллической структуре. Некоторые свинцовые и серебряные руды содержат извлекаемые количества германия, хотя эти источники имеют меньшее экономическое значение. Минерал аргиродит, сульфид серебра и германия, исторически имел большое значение для производства германия и стал источником, из которого этот элемент впервые выделили. К другим германийсодержащим минералам относятся германит, реньерит и канфильдит, однако они редки и не разрабатываются в промышленных масштабах. Морская вода содержит крайне низкие концентрации германия — около 0,05 части на миллиард, поэтому извлечение из морской воды экономически нецелесообразно. Некоторые растения, особенно отдельные виды риса и бобовых, способны концентрировать германий из почвы, что приводит к его повышенному содержанию в этих сельскохозяйственных продуктах. Географическое распределение ресурсов германия тесно связано с месторождениями угля и регионами добычи цветных металлов; значительными источниками являются Китай, США, Россия и Канада.
Обращение
Металлический германий и большинство его неорганических соединений обычно считаются малотоксичными при остром воздействии, однако при обращении с ними и их переработке следует соблюдать надлежащие меры безопасности. Чистый металлический германий при нормальных условиях представляет минимальный непосредственный риск для здоровья, хотя прямого контакта с кожей следует избегать, чтобы предотвратить возможное раздражение. Пыль и порошки германия представляют большую опасность; при работе с ними необходимо использовать подходящие средства защиты органов дыхания, чтобы не допустить вдыхания, поскольку мелкие частицы могут вызвать раздражение дыхательных путей. Некоторые органические соединения германия значительно токсичнее неорганических форм и требуют специальных процедур обращения и средств защиты. Работники промышленности, занятые переработкой германия или производством полупроводников, должны соблюдать установленные нормы воздействия на рабочем месте и использовать надлежащие системы вентиляции. Элемент может вызывать раздражение кожи и глаз при непосредственном контакте, особенно в порошкообразном виде или в химических растворах. Проглатывание больших количеств соединений германия может вызвать расстройство желудочно-кишечного тракта, хотя при правильном обращении острые отравления случаются редко. В некоторых исследованиях хроническое воздействие германия связывают с возможным повреждением почек, что подчёркивает важность минимизации длительного воздействия. Беременным женщинам следует проявлять особую осторожность при работе с соединениями германия, поскольку возможное воздействие на репродуктивную систему изучено не полностью. При чрезвычайных ситуациях необходимо немедленно промыть водой глаза или кожу при контакте и обратиться за медицинской помощью, если случайно проглочено большое количество вещества. Утилизация материалов, содержащих германий, должна соответствовать местным экологическим нормам, особенно в отношении электронных отходов и промышленных остатков. Персонал лабораторий должен соблюдать стандартные протоколы химической безопасности, включая надлежащую вентиляцию, использование средств защиты и безопасное хранение при работе с соединениями германия.
Краткие ответы
Германий (символ Ge) — элемент 32 в периодической таблице, представитель семейства металлоид в 4 периоде, 14 группе. Первый полупроводник: самый первый транзистор был изготовлен из германия, а не из кремния. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p²; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 18, 4. На внешней оболочке находится 4 электрона, что определяет характер химических связей.Германий плавится при 1211.4 K (938.3 °C) и кипит при 3106 K (2832.9 °C).
Стандартная атомная масса Германий составляет 72.63 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Германий составляет 5.323 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Германий примерно в 5.3× тяжелее.
Электроотрицательность Германий по шкале Полинга составляет 2.01. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Германий был открыт в 1886 году Clemens Winkler. Назван в честь латинское Germania, Германия.
На долю Германий приходится около 1.5 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.