ГЕРМА́НИЙ

ГЕРМА́НИЙ (лат. Germanium), Ge, хи­мич. эле­мент IV груп­пы ко­рот­кой фор­мы (14-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 32, ат. м. 72,64. В при­ро­де пять ста­биль­ных нук­ли­дов: ⁷⁰Ge (20,84% по мас­се), ⁷²Ge (27,54%), ⁷³Ge (7,73%), ⁷⁴Ge (36,28%) и ⁷⁶Ge (7,61%). Г. от­но­сит­ся к ред­ким и рас­се­ян­ным эле­мен­там; его со­дер­жа­ние в зем­ной ко­ре 1,5·10^–4% по мас­се; ми­не­ра­лы Г. ар­ги­ро­дит, гер­ма­нит, ре­ние­рит и плюм­бо­гер­ма­нит очень ред­ки. В ка­че­ст­ве при­ме­си Г. со­дер­жит­ся в си­ли­ка­тах, по­ли­ме­тал­лич. ру­дах, неф­тях и при­род­ных уг­лях.

Историческая справка

Су­ще­ст­во­ва­ние Г. («эка­си­ли­ция») пред­ска­зал в нач. 1870-х гг. Д. И. Мен­де­ле­ев, он так­же опи­сал не­ко­то­рые свой­ст­ва это­го эле­мен­та. В 1886 К. Винк­лер вы­де­лил из ми­не­ра­ла ар­ги­ро­ди­та но­вый эле­мент, ко­то­рый на­звал в честь сво­ей ро­ди­ны (от лат. Germania – Гер­ма­ния).

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма Г. 4s²4p²; в со­еди­не­ни­ях обыч­но про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния +4, ред­ко +1, +2, +3 и –4; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 2,01; атом­ный ра­ди­ус 125 пм, ра­ди­ус ио­на Ge⁴⁺ 67 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6).

При нор­маль­ных ус­ло­ви­ях Г. – свет­ло-се­рое ве­ще­ст­во с ме­тал­лич. бле­ском, хруп­кое и твёр­дое. Су­ще­ст­ву­ет в ви­де не­сколь­ких по­ли­морф­ных мо­ди­фи­ка­ций; для наи­бо­лее ус­той­чи­вой кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ции Ge I с ку­бич. ре­шёт­кой ти­па ал­ма­за t_пл 938,3 °C, t_кип 2820 °C, плот­ность 5330 кг/м³ (25 °C). Г. об­лада­ет по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми свой­ст­ва­ми; ши­ри­на за­пре­щён­ной зо­ны 0,66 эВ (300 К). Про­зра­чен для ИК-из­лу­че­ния с дли­ной вол­ны вы­ше 2 мкм.

Г. ус­той­чив в ат­мо­сфер­ном воз­ду­хе, при силь­ном на­гре­ва­нии реа­ги­ру­ет с ки­сло­ро­дом (об­ра­зу­ют­ся ок­си­ды GeO₂ и GeO) и се­рой (суль­фи­ды GeS и GeS₂). При взаи­мо­дей­ст­вии Г. с га­ло­ге­на­ми в за­ви­си­мо­сти от ус­ло­вий про­ве­де­ния ре­ак­ции по­лу­ча­ют­ся тет­ра­га­ло­ге­ни­ды (напр., тет­ра­хло­рид GeCl₄) и ди­га­ло­ге­ни­ды (напр., дии­о­дид GeI₂). Г. реа­ги­ру­ет с азот­ной ки­сло­той, го­ря­чи­ми рас­тво­ра­ми ще­ло­чей (ре­ак­ция про­те­ка­ет бы­ст­ро в при­сут­ст­вии окис­ли­те­лей, напр. пе­рок­си­да во­до­ро­да). Ди­ок­сид GeO₂ из­вес­тен в аморф­ной и двух кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ци­ях. Ок­си­ды GeO₂ и GeО об­ла­да­ют ам­фо­тер­ны­ми свой­ст­ва­ми и реа­ги­ру­ют с рас­тво­ра­ми ки­слот и ще­ло­чей. Взаи­мо­дей­ст­вие ок­си­дов Г. со ще­ло­ча­ми при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию гер­ма­на­тов. Г. об­ра­зу­ет не­ус­той­чи­вые ток­сич­ные га­зо­об­раз­ные гер­ма­но­во­до­ро­ды, для ко­то­рых су­ще­ст­ву­ют го­мо­ло­ги­че­ские ря­ды Ge_nH_2n+2, Ge_nH_2n и др. (n=1–10). Со мн. ме­тал­ла­ми Г. об­ра­зу­ет гер­ма­ни­ды, напр. гер­ма­нид ва­на­дия V₃Ge, об­ла­да­ющий сверх­про­во­дя­щи­ми свой­ст­ва­ми, и гер­ма­нид мар­ган­ца Mn₅Ge₃, ко­торый яв­ля­ет­ся фер­ро­маг­не­ти­ком. Г. об­ра­зу­ет гер­ма­ний­ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния.

Получение

Сырь­ём для по­лу­че­ния Г. слу­жат от­хо­ды пе­ре­ра­бот­ки руд цвет­ных ме­тал­лов, зо­ла от сжи­га­ния уг­лей. Из это­го сы­рья ме­то­дом со­оса­ж­де­ния вы­де­ля­ют кон­цен­трат Г., об­ра­ба­ты­ва­ют кон­цен­трир. HCl, дис­тил­ля­ци­ей из­вле­ка­ют GeCl₄, ко­то­рый очи­ща­ют и гид­роли­зу­ют. По­лу­чен­ный ди­ок­сид GeO₂ вос­ста­нав­ли­ва­ют во­до­ро­дом при на­гре­ва­нии. Для по­лу­че­ния Г. вы­со­кой чис­то­ты ис­поль­зу­ют зон­ную плав­ку и на­прав­лен­ную кри­стал­ли­за­цию. Ме­то­дом на­прав­лен­ной кри­стал­ли­за­ции вы­ра­щи­ва­ют мо­но­кри­стал­лы Г., ко­то­рые в про­цес­се рос­та ле­ги­ру­ют мик­ро­при­ме­ся­ми (сурь­ма, гал­лий, мышь­як, крем­ний и др.) для при­да­ния тре­буе­мых по­лу­про­вод­ни­ко­вых свойств; со­дер­жа­ние при­ме­сей 10^–4–10^–3%. Ми­ро­вое про­из-во Г. пре­вы­ша­ет 10⁵ кг/год.

Применение

Мо­но­кри­стал­лич. Г. ис­поль­зу­ют для из­го­тов­ле­ния дио­дов, тран­зи­сто­ров, фо­то­дио­дов, тер­мо- и фо­то­рези­сто­ров, де­тек­то­ров ио­ни­зи­рую­щих из­лу­че­ний и др. Ди­ок­сид GeO₂ при­ме­ня­ют как ма­те­ри­ал во­ло­кон­ной оп­ти­ки, а так­же при из­го­тов­ле­нии стё­кол, про­зрач­ных для ИК-из­лу­че­ния.