Германий реферат. Германий. Германий

• Название: Германий
• Анкор: Германий реферат
• Дата: 25.11.2021
• Размер: 25.44 Kb.
• Имя файла: Германий.doc
• Тип: Реферат; #281878

Реферат на тему:

Германий

План:

Введение

• 
  1 История
  
• 
  2 Происхождение названия
  
• 
  3 Нахождение в природе
  
• 
  4 Получение
  
• 
  5 Физические свойства
  
  • 
    5.1 Механические свойства^[3]
    
  • 
    5.2 Электронные свойства
    
  • 
    5.3 Изотопы
    
• 
  6 Химические свойства
  
  • 
    6.1 Соединения германия
    
    • 
      6.1.1 Неорганические
      
    • 
      6.1.2 Органические
      
• 
  7 Применение
  
  • 
    7.1 Оптика
    
  • 
    7.2 Радиоэлектроника
    
• 
  8 Экономика
  
  • 
    8.1 Производство
    
  • 
    8.2 Потребление
    
  • 
    8.3 Цены
    
• 
  9 Биологическая роль Примечания
  

Введение

Герма́ний — химический элемент с атомным номером 32 в периодической системе, обозначается символом Ge (нем. Germanium).

1. История

Элемент был предсказан Д. И. Менделеевым (как эка-кремний) и открыт в 1885 году немецким химиком Клеменсом Винклером при анализе минерала аргиродита Ag₈GeS₆.

2. Происхождение названия

Назван в честь Германии, родины Винклера.

3. Нахождение в природе

Общее содержание германия в земной коре 7×10⁻⁴% по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Германий вследствие незначительного содержания в земной коре и геохимического сродства с некоторыми широко распространёнными элементами обнаруживает ограниченную способность к образованию собственных минералов, рассеиваясь в решётках других минералов. Поэтому собственные минералы германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu₂(Cu, Fe, Ge, Zn)₂ (S, As)₄ (6 — 10 % Ge), аргиродит Ag₈GeS₆ (3,6 — 7 % Ge), конфильдит Ag₈(Sn, Ge) S₆ (до 2 % Ge) и др. Основная масса германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов. Так, например, в некоторых сфалеритах содержание германия достигает килограммов на тонну, в энаргитах до 5 кг/т, в пираргирите до 10 кг/т, в сульваните и франкеите 1 кг/т, в других сульфидах и силикатах — сотни и десятки г/т. Германий концентрируется в месторождениях многих металлов — в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых окисных минералах (хромите, магнетите, рутиле и др.), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти. Концентрация германия в морской воде 6×10⁻⁵ мг/л[2].

4. Получение

Германий встречается в виде примеси к полиметаллическим, никелевым, вольфрамовым рудам, а также в силикатах. В результате сложных и трудоёмких операций по обогащению руды и её концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO₂, который восстанавливают водородом при 600 °C до простого вещества:

GeO₂ + 2H₂ = Ge + 2H₂O.

Очистка и выращивание монокристаллов германия производится методом зонной плавки.

5. Физические свойства

Кристаллическая структура германия.

Кристаллическая решетка германия кубическая гранецентрированная типа алмаза, пространственная группа F d3m, параметр а = 0,5658 нм.

5.1. Механические свойства[3]

• 
  Модуль упругости E, ГПа — 82
  

• 
  Скорость звука (t=20÷25 °C) в различных направлениях ·1000 м/с.
  
  • 
    L₁₀₀ : 4,92
    
  • 
    S₁₀₀ : 3,55
    
  • 
    L₁₁₀ : 5,41
    
  • 
    S₁₁₀ : 2,75
    
  • 
    L₁₁₁ : 5,56
    
  • 
    S₁₁₁ : 3,04
    

5.2. Электронные свойства

Германий является типичным непрямозонным полупроводником.

• 
  Статическая диэлектрическая проницаемость ε = 16,0
  
• 
  Ширина запрещённой зоны (300 К) E_g = 0,67 эВ
  
• 
  Собственная концентрация n_i=2,33×10¹³ см⁻³[3]
  
• 
  Эффективная масса[4]:
  
  • 
    электронов, продольная: m_II=1,58m₀, m_II=1,64m₀[5]
    
  • 
    электронов, поперечная: m_┴=0,0815m₀ , m_┴=0,082m₀[5]
    
  • 
    дырок, тяжелых: m_hh=0,379m₀
    
  • 
    дырок, легких: m_hl=0,042m₀
    
• 
  Электронное сродство: χ = 4,0 эВ[5]
  

Легированный галлием германий в тонкой плёнке можно привести в сверхпроводящее состояние[6].

5.3. Изотопы

В природе встречается пять изотопов: ⁷⁰Ge (20,55 % масс.), ⁷²Ge (27,37 %), ⁷³Ge (7,67 %), ⁷⁴Ge (36,74 %), ⁷⁶Ge (7,67 %). Первые четыре стабильны, пятый (⁷⁶Ge) испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 1,58×10²¹ лет. Кроме этого существует два «долгоживущих» искусственных: ⁶⁸Ge (время полураспада 270,8 дня) и ⁷¹Ge (время полураспада 11,26 дня).

6. Химические свойства

В химических соединениях германий обычно проявляет валентности 4 или 2. Соединения с валентностью 4 стабильнее. При нормальных условиях устойчив к действию воздуха и воды, щелочей и кислот, растворим в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. Применение находят сплавы германия и стёкла на основе диоксида германия.

6.1. Соединения германия

6.1.1. Неорганические

• 
  Гидриды
  
  • 
    Гермилен GeH₂
    
  • 
    Герман GeH₄
    
  • 
    Дигерман Ge₂H₆
    
  • 
    Тригерман Ge₃H₈
    

• 
  Оксиды
  
  • 
    Оксид германия(II) GeO
    
  • 
    Оксид германия(IV) GeO₂
    

• 
  Гидроксиды
  
  • 
    Гидроксид германия(II) Ge(OH)₂
    

• 
  Соли
  
  • 
    Галогениды
    
    • 
      Бромид германия (IV) GeBr₄
      
    • 
      Иодид германия (II) GeI₂
      
    • 
      Иодид германия (IV) GeI₄
      
    • 
      Фторид германия (IV) GeF₄
      
    • 
      Хлорид германия (IV) GeCl₄
      
  • 
    Нитрид германия (IV) Ge₃N₄
    
  • 
    Сульфид германия (II) GeS
    
  • 
    Сульфид германия (IV) GeS₂
    
  • 
    Сульфат германия (IV) Ge(SO₄)₂
    

6.1.2. Органические

Германийорганические соединения — металлоорганические соединения содержащие связь «германий-углерод». Иногда ими называются любые органические соединения, содержащие германий.

Первое германоорганическое соединение — тетраэтилгерман, было синтезировано немецким химиком Клеменсом Винклером (нем. Clemens Winkler) в 1887 году

• 
  Тетраметилгерман (Ge(CH₃)₄)
  
• 
  Тетраэтилгерман (Ge(C₂H₅)₄).
  
• 
  Изобутилгерман ((CH₃)₂CHCH₂GeH₃)
  

7. Применение

7.1. Оптика

• 
  Благодаря прозрачности в инфракрасной области спектра металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики: линз, призм, оптических окон датчиков[7][8]. Наиболее важная область применения — оптика тепловизионных камер, работающих в диапазоне длин волн от 8 до 14 микрон. Такие устройства используются в системах пассивного тепловидения, военных системах инфракрасного наведения, приборах ночного видения, противопожарных системах. Германий также используется в ИК-спектроскопии в оптических приборах, использующих высокочувствительные ИК-датчики[8]. Материал обладает очень высоким показателем преломления (4,0) и требует использования антибликового покрытия. В частности, используется покрытие из очень твердого алмазоподобного углерода, с показателем преломления 2,0[9][10].
  
• 
  Наиболее заметные физические характеристики оксида германия (GeO₂) — его высокий показатель преломления и низкая оптическая дисперсия. Эти свойства находят применение в изготовлении широкоугольных объективов камер, микроскопии, и производстве оптического волокна.
  
• 
  Тетрахлорид германия благодаря своей высокой степени рефракции и низкому оптическому рассеиванию применяется в производстве оптоволокна.
  
• 
  Изменения оптических свойств при фазовом переходе сплава GeSbTe используется при производстве Перезаписываемых DVD.[11]
  

7.2. Радиоэлектроника

• 
  Германий — типичный полупроводник используется в производстве полупроводниковых элементов: транзисторов и диодов.
  

В радиотехнике, германиевые транзисторы и детекторные диоды обладают характеристиками, отличными от кремниевых, ввиду меньшего напряжения отпирания pn-перехода в германии — 0,1-0,2В против 0,6-0,7В у кремниевых приборов. Кроме того, обратные токи у германиевых приборов на несколько порядков больше таковых у кремниевых — скажем, в одинаковых условиях кремниевый диод будет иметь обратный ток 10пА, а германиевый — 100нА, что в 10000 раз больше[12]. В своё время германиевые полупроводниковые приборы использовались повсеместно в радиоприёмниках и других конструкциях. Например, схема JOULE[13] (в отечественной радиотехнике известная как блокинг-генератор) позволяет питать трёхвольтовый светодиод от 0,6 В, если в ней применён кремниевый транзистор, и начиная всего с 0,125 В, если германиевый. В классификации радиоэлектроники по советскому ГОСТу кремниевые полупроводниковые элементы обозначались, начиная с буквы К или с цифры 2, а германиевые с буквы Г или цифры 1, например: ГТ313, 1Т308 — германиевые высокочастотные маломощные транзисторы. Существует старая система обозначений, например, П210,213,214,217, и некоторые транзисторы «МПxx» — также германиевые. В настоящее время кремниевые диоды и транзисторы полностью вытеснили германиевые, и они не выпускаются ни в одной стране мира. Найти их можно только в старых радиоаппаратах либо из запасов радиолюбителей тех лет.

• 
  Теллурид германия издавна применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).
  
• 
  Качер Бровина лучше работает на германиевых транзисторах.
  
• 
  Германий широко применяется в ядерной физике в качестве материала для детекторов гамма-излучения.
  

8. Экономика

8.1. Производство

8.2. Потребление

8.3. Цены

Год	Цена ($/кг)[14]
1999	1 400
2000	1 250
2001	890
2002	620
2003	380
2004	600
2005	660
2006	880
2007	1 240
2008	1 490
2009	950

Средние цены на германий в 2007 году /по материалам infogeo.ru/metalls

• 
  Германий металлический $1200/кг
  
• 
  Германий диоксид (двуокись) $840/кг
  

9. Биологическая роль

Германий обнаружен в животных и растительных организмах. Малые количества германия не оказывают физиологического действия на растения, но токсичны в больших количествах. Германий нетоксичен для плесневых грибков.

Для животных германий малотоксичен. У соединений германия не обнаружено фармакологическое действие. Допустимая концентрация германия и его оксида в воздухе — 2 мг/м³, то есть такая же, как и для асбестовой пыли.

Соединения двухвалентного германия значительно более токсичны[15].

Примечания

1. 
   Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т.. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 531. — 623 с. — 100 000 экз.
   
2. 
   J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. I, 1965
   
3. 
   ↑ ^{1 2} Физические величины: справочник/ А. П. Бабичев Н. А. Бабушкина, А. М. Бартковский и др. под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М.; Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с — ISBN 5-283-04013-5
   
4. 
   Баранский П. И., Клочев В. П., Потыкевич И. В. Полупроводниковая электроника. Свойства материалов: Справочник. Киев: Наукова думка, 1975. 704с
   
5. 
   ↑ ^{1 2 3} Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.:Мир, 1984. 455с
   
6. 
   Compulenta - www.compulenta.ru/science/physics/429661/
   
7. 
   Rieke, G.H. (2007). «Infrared Detector Arrays for Astronomy». Annu. Rev. Astro. Astrophys. 45: 77. DOI:10.1146/annurev.astro.44.051905.092436 - dx.doi.org/10.1146/annurev.astro.44.051905.092436.
   
8. 
   ↑ ^{1 2} Brown, Jr., Robert D. Germanium - minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/220400.pdf (pdf). U.S. Geological Survey (2000).
   
9. 
   Lettington, Alan H. (1998). «Applications of diamond-like carbon thin films». Carbon 36 (5–6): 555–560. DOI:10.1016/S0008-6223(98)00062-1 - dx.doi.org/10.1016/S0008-6223(98)00062-1.
   
10. 
    Gardos, Michael N.; Bonnie L. Soriano, Steven H. Propst (1990). «Study on correlating rain erosion resistance with sliding abrasion resistance of DLC on germanium». Proc. SPIE, 1325 (Mechanical Properties): 99. DOI:10.1117/12.22449 - dx.doi.org/10.1117/12.22449.
    
11. 
    Understanding Recordable & Rewritable DVD First Edition - www.osta.org/technology/pdf/dvdqa.pdf (pdf). Optical Storage Technology Association (OSTA).
    
12. 
    Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника М.: Мир, 1982, 512 с.
    
13. 
    Схема «Juole Thief» - ru.youtube.com/watch?v=gTAqGKt64WM на YouTube
    
14. 
    R.N. Soar. (January 2003 - minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/220303.pdf, January 2004 - minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/germamcs04.pdf, January 2005 - minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/germamcs05.pdf, January 2006 - minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/germamcs06.pdf, January 2007 - minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/germamcs07.pdf). «Germanium» (pdf). U.S. Geological Survey Mineral Commodity Summaries: 1–2. Проверено 2008-08-28.
    
15. 
    Назаренко В. А. Аналитическая химия германия. М., Наука, 1973. 264 с.