Герма́ний — химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы четвёртой группы) 4 периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 32. Обозначается символом Ge (нем. Germanium). Простое вещество германий — типичный полупроводник серо-белого цвета, с металлическим блеском.

История открытия и этимология

В своём докладе о периодическом законе химических элементов в 1869 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев предсказал существование нескольких неизвестных на то время химических элементов, в частности и германия. В статье, датированной 11 декабря (29 ноября по старому стилю) 1870 года, Д. И. Менделеев назвал неоткрытый элемент экасилицием (из-за его местонахождения в Периодической таблице) и предсказал его атомную массу и другие свойства^[3][4].

В 1885 году в Фрайберге (Саксония) в одной из шахт был обнаружен новый минерал аргиродит. При химическом анализе нового минерала немецкий химик Клеменс Винклер обнаружил новый химический элемент. Учёному удалось в 1886 году выделить этот элемент, также химиком была отмечена схожесть германия с сурьмой. Об открытии нового элемента Винклер сообщил в двухстраничной статье, датируемой 6 февраля 1886 года и предложил в ней имя для нового элемента Germanium и символ Ge^[5]. В последующих двух больших статьях 1886—1887 гг. Винклер подробно описал свойства германия^[6][7].

Первоначально Винклер хотел назвать новый элемент «нептунием», но это название было дано одному из предполагаемых элементов, поэтому элемент получил название в честь родины учёного — Германии.

Путём анализа тетрахлорида германия GeCl₄ Винклер определил атомный вес германия, а также открыл несколько новых соединений этого металла^[7].

До конца 1930-х годов германий не использовался в промышленности^[8]. Во время Второй мировой войны германий использовался в некоторых электронных устройствах, главным образом в диодах^[9].

Нахождение в природе

Общее содержание германия в земной коре 1,5·10⁻⁴% 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, внедряясь в кристаллические решётки 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. редкие минералы (ультрабазит, ранерит, франкеит). 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^[10].

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:

${\displaystyle {\mathsf {GeO_{2}+2H_{2}\rightarrow Ge+2H_{2}O}}}$

Получение чистого германия происходит методом зонной плавки, что делает его одним из самых химически чистых материалов^[11].

Промышленное производство германия в России

Производство германия в промышленных масштабах в России началось в 1959 году, когда на Медногорском медно-серном комбинате (ММСК) был введён в действие цех переработки пыли^[12][13]. Специалисты комбината под руководством А. А. Бурбы в сотрудничестве с проектным институтом «Унипромедь» разработали и внедрили в производство уникальную химико-металлургическую технологию получения германиевого концентрата путём комплексной переработки пылей шахтных металлургических печей медеплавильного производства и золы от сжигания энергетических углей, служивших топливом для электростанции^[14]. После этого СССР смог полностью отказаться от импорта германия. Впервые в мировой практике было выполнено извлечение германия из медноколчеданных руд. Пуск промышленного цеха переработки пыли на ММСК относят к крупнейшим внедрениям в цветной металлургии ХХ века^[15].

В 1962 году по инициативе и при участии А. А. Бурбы аналогичное производство было создано также на Ангренском химико-металлургическом заводе (АХМЗ) в городе Ангрен в Узбекистане (ныне предприятие «Ангренэнергоцветмет»)^[16][17]. Практически весь объём производства концентрата германия в СССР приходился на ММСК и АХМЗ^[18]. Создание крупномасштабного производства германия внесло значительный вклад в обеспечение экономической и оборонной безопасности страны. Уже в 1960-е годы Советский Союз смог отказаться от импорта германия, а в 1970-е начать его экспорт и стать мировым лидером по производству германия^[19].

Для переработки выпускавшегося на ММСК и АХМЗ германиевого концентрата в конечные продукты (чистый германий и его соединения) в 1961—1962 гг. на Красноярском аффинажном заводе (с 1967 г. — Красноярский завод цветных металлов, затем — ОАО «Красцветмет») был создан цех по производству германия (с 1991 г. — ОАО «Германий»)^[20][21]. В 1962—1963 гг. цех производил 600 кг монокристаллического германия в год^[22]. В 1968—1969 гг., когда внутренние потребности в германии были обеспечены, СССР впервые начал экспортировать диоксид германия, а в 1970 г. начался также экспорт поликристаллического зонноочищенного германия^[23]. СССР удерживал мировое лидерство по производству германия, увеличив выпуск металла настолько, что до 40 % производства уходило на экспорт^[24]. После распада СССР, вплоть до 2010 г., ММСК оставался единственным производителем германиевого концентрата в России^[25]. С 2010 г. производство германия в концентрате на ММСК приостановлено, а оборудование законсервировано. Одновременно с этим начато производство германия в концентрате на ООО «Германий и приложения» в г. Новомосковске Тульской области^[26][27].

В 2000-х годах для получения германия в России используются германиеносные угли следующих месторождений: Павловское (Михайловский район Приморского края), Новиковское (Корсаковский городской округ Сахалинской области), Тарбагатайское (Петровск-Забайкальский район Забайкальского края). Германиеносные угли этих месторождений в среднем содержат 200 граммов германия на тонну^[28][29].

Физические свойства

Германий — хрупкий, серебристо-белый полуметалл. Кристаллическая решётка устойчивой при нормальных условиях аллотропной модификации — кубическая типа алмаза^[30].

Температура плавления 938,25 °C, температура кипения 2850 °C, плотность германия 5,33 г/см^3[30].

Теплоёмкость германия имеет аномальный вид, а именно, содержит пик над уровнем нормальной (колебательной) составляющей^[31][32], который, как пишет Ф.Зейтц : «не может быть объяснён никакой теорией, предполагающей гуковский закон сил, ибо никакая суперпозиция эйнштейновских функций не даёт кривой с максимумом»^[33] и объясняется, как и аномальность поведения теплоёмкостей гафния, алмаза и графита, больцмановским фактором, контролирующим диффузионную (диссоциационную) компоненту^[34].

Германий является одним из немногих аномальных веществ, которые увеличивают плотность при плавлении. Плотность твёрдого германия 5,327 г/см³ (25 °С), жидкого — 5,557 г/см³ (1000 °С)^[35]. Другие вещества, обладающие этим свойством — вода, кремний, галлий, сурьма, висмут, церий.

Германий по электрофизическим свойствам является непрямозонным полупроводником.

Основные полупроводниковые свойства нелегированного монокристаллического германия

• Статическая диэлектрическая проницаемость ε = 16,0
• Ширина запрещённой зоны (при 300 К) E_g = 0,67 эВ
• Собственная концентрация n_i=2,33·10¹³ см^−3[36]
• Эффективная масса^[37]:
  • электронов, продольная: m_II=1,58m₀, m_II=1,64m₀^[38]
  • электронов, поперечная: m_┴=0,0815m₀ , m_┴=0,082m₀^[38]
  • дырок, тяжелых: m_hh=0,379m₀
  • дырок, легких: m_hl=0,042m₀
• Энергия сродства к электрону: χ = 4,0 эВ^[38].

Легированный галлием германий в виде тонкой плёнки переходит при низких температурах в сверхпроводящее состояние^[39].

Изотопы

Природный германий состоит из смеси пяти изотопов: ⁷⁰Ge (20,55 % масс.), ⁷²Ge (27,37 %), ⁷³Ge (7,67 %), ⁷⁴Ge (36,74 %), ⁷⁶Ge (7,67 %).

Первые четыре изотопа стабильны, пятый (⁷⁶Ge) весьма слабо радиоактивен и испытывает двойной бета-распад с периодом полураспада 1,58·10²¹ лет.

Искусственно получено 27 радиоизотопов с атомными массами от 58 до 89. Наиболее стабильным из радиоизотопов является ⁶⁸Ge, с периодом полураспада 270,95 суток. А наименее стабильным — ⁶⁰Ge, с периодом полураспада 30 мс.

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.

Соединения германия

Неорганические

• Гидриды
  • Гермилен ${\displaystyle GeH_{2}}$
  • Герман ${\displaystyle GeH_{4}}$
  • Дигерман ${\displaystyle Ge_{2}H_{6}}$
  • Тригерман ${\displaystyle Ge_{3}H_{8}}$
• Оксиды
  • Оксид германия(II) ${\displaystyle GeO}$
  • Оксид германия(IV) ${\displaystyle GeO_{2}}$
• Гидроксиды
  • Гидроксид германия(II) ${\displaystyle Ge(OH)_{2}}$
• Соли
  • Галогениды
    • Бромид германия(IV) ${\displaystyle GeBr_{4}}$
    • Иодид германия(II) ${\displaystyle GeI_{2}}$
    • Иодид германия(IV) ${\displaystyle GeI_{4}}$
    • Фторид германия(IV) ${\displaystyle GeF_{4}}$
    • Хлорид германия (IV) ${\displaystyle GeCl_{4}}$
  • Нитрид германия(IV) ${\displaystyle Ge_{3}N_{4}}$
  • Сульфид германия(II) ${\displaystyle GeS}$
  • Сульфид германия(IV) ${\displaystyle GeS_{2}}$
  • Сульфат германия(IV) ${\displaystyle Ge(SO_{4})_{2}}$

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)

Применение

В 2007 году основными потребителями германия были: 35 % волоконная оптика; 30 % тепловизорная оптика; 15 % химические катализаторы; 15 % электроника; небольшие количества германия потребляет металлургия.^[40]

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^[41][42]. Наиболее важная область применения — оптика тепловизионных камер, работающих в диапазоне длин волн от 8 до 14 микрон. Это диапазон для наиболее популярных инфракрасных матриц на микроболометрах используемых 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^[42]. Германий проигрывает по пропускающей способности света в диапазоне от 8 до 14 микрон сульфиду цинка.^[43] Однако германий в отличии от сульфида цинка продолжает пропускать порядка 25 % инфракрасного излучения до длины волны 23 микрона, поэтому является одним из основных материалов для длинноволновой инфракрасной оптики обычно используемой в военных прицелах.^[44]
• Оптические детали из Ge обладают очень высоким показателем преломления (4,0) и обязательно требует использования просветляющих покрытий. В частности, используется покрытие из очень твердого алмазоподобного углерода, с показателем преломления 2,0^[45][46].
• 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 используется в производстве оптоволокна, так как образующийся в процессе разложения этого соединения диоксид германия удобен для данного применения благодаря своему высокому показателю преломления и низкому оптическому рассеиванию и поглощению.
• Сплав GeSbTe используется при производстве перезаписываемых DVD. Сущность перезаписи заключается в изменении оптических свойств этого соединения при фазовом переходе под действием лазерного излучения.^[47]

Радиоэлектроника

• До 1970-х годов германий был основным полупроводниковым материалом электронной промышленности и широко использовался в производстве транзисторов и диодов. Впоследствии германий был полностью вытеснен кремнием. Германиевые транзисторы и диоды обладают характеристиками, отличными от кремниевых, ввиду меньшего напряжения отпирания p-n-перехода в германии — 0,35…0,4 В против 0,6…0,7 В у кремниевых приборов^[48][49]. Кроме того, обратные токи у германиевых приборов имеют сильную зависимость от температуры, и на несколько порядков больше таковых у кремниевых — скажем, в одинаковых условиях кремниевый диод будет иметь обратный ток 10 пА, а германиевый — 100 нА, что в 10000 раз больше. Также у германиевых приборов значительно выше шум и ниже температура, при которой происходит разрушение p-n-переходов^[50]. По советскому ГОСТ 10862-64 (1964 г.) и более поздним стандартам германиевые полупроводниковые приборы имеют обозначение, начинающиеся с буквы Г или цифры 1, например: ГТ313, 1Т308 — высокочастотные маломощные транзисторы, ГД507 — импульсный диод. До того транзисторы имели индексы, начинающиеся с букв С, Т или П (МП), а диоды — Д, и определить материал прибора по индексу было сложнее. Диоды и транзисторы с индексами меньше 100, были германиевыми, от 100 до 199, — кремниевыми. Далее индексы зависели от частоты и мощности, причём, у транзисторов и диодов правила отличались. До конца 1960-х гг. германиевые полупроводниковые приборы использовались повсеместно, в настоящее время германиевые диоды и транзисторы практически полностью вытеснены кремниевыми, как имеющими значительно лучшие эксплуатационные характеристики.
• Сейчас в электронике германий используется в СВЧ-устройствах, как составная часть структур SiGe, позволяя достичь субтерагерцовых частот^[51]. Работы Жореса Алфёрова по структурам SiGe, в частности, заложили основу этого направления.
• Теллурид германия применяется как стабильный термоэлектрический материал и компонент термоэлектрических сплавов (термо-ЭДС 50 мкВ/К).

Прочие применения

• Германий широко применяется в ядерной физике в качестве материала для детекторов гамма-излучения.

Экономика

Цены

Средние цены на германий в 2007 году^[53]

• Германий металлический $1200/кг
• Германия диоксид $840/кг

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^[54].