Германий как химический элемент таблицы Менделеева

Г Германий является химическим элементом таблицы Менделеева с атомным номером 32 и условным обозначением Ge. Германий представляет собой блестящий, хрупкий, серовато-белый металлоид из углеродной группы.

Как был открыт Германий

История открытия германия очень таинственная. Русский ученый и химик Д.И. Менделеев в своей работе «Периодический закон химических элементов» предположил существование нескольких неизвестных пока химических элементов в 1869 году. Одним из таких элементов был как раз и германий. Дмитрий Иванович назвал этот элемент «экосиликон» и предположил, что его вес будет равен 72 а.е.м.

Через 16 лет в середине 1885 года в одной из шахт расположенных вблизи Фрайдберга (Германия) бвл обнаружен новый минерал. Его назвали аргиродитом из-за высокого содержания серебра. Немецкий химик Клеменс Винклер проанализировал новый минерал и выяснил, что он состоит из серебра, серы и неизвестного элемента. В 1886 году Винклер смог выделить новый элемент и выявил, что он похож на сурьму.

Клеменс Винклер перед тем как опубликовать данные своих опытов решил, что назовет новый элемент нептуний. Это решение он принял потому что открытию планеты Нептун так же предшествовали математические расчеты, как и в истории с Менделеевым. Как оказалось это имя было уже занято другим элементом, но не тем которое имеет такое название сейчас. Сегодняшний нептуний был открыт только в 1940 году. По-этому Винклер принял решение назвать новый элемент Германием в честь своей Родины, аналогично Галлию.

До конца 1930-х годов предполагалось, что этот элемент плохо проводит электричество. В те времена мировое производство германия насчитывало всего несколько килограммов в год. Ситуация координально изменилась только в 1945 году, когда его признали значимым полупроводником. В 1955 году были получены первые кремний-германиевые сплавы, которые уже имели значительный коммерческий вес. К концу этого десятилетия мировое производство германия составляло порядка 40 тонн ежегодно.

Где и как добывают Германий

На сегодняшний день, мировое производство германия составляет порядка 120 тонн ежегодно. Лидерами в этом направлении являются Китай(80 тонн), Россия(5 тонн) и США(3 тонны). В большинстве случаев германий добывают в качестве побочного продукта производства таких металлов как цинк, медь, свинец и серебро. Наибольшее процентное соотношение содержания этого элемента приходится на руду цинка — сфалерит. Его содержание в этом минерале варьируется около 0.3%. По оценкам ученых в известных на сей день запасах цинка содержится как минимум 10 000 тонн германия.

Интересным моментом является то, что это не самый главный источник этого элемента. По оценкам экспертов в месторождениях угля находится порядка 120 000 тонн этого элемента. В таких месторождениях германий добывают из так называемой «летучей золы», которая являлась топливом для электростанций. Такой метод добычи германия был разработан и введен в производство в СССР в 1959 году. Алекса́ндр Адо́льфович Бу́рба совместно с Институтом «Унипромедь» разработали и внедрили его в производство на Медногорский медно-серный комбинат. Еще через три года этот метод внедрили на Ангренском химико-металлургическом заводе. Эти два завода перекрывали потребность СССР в этом химическом элементе и в 1970 году начали продавать его на экспорт. После такого успеха этой технологией начал пользоваться и Китай.

Процесс получения германия из металлических руд на примере сфалерита выглядит следующим образом. Руда методом нагревания и обжига на воздухе превращается в оксиды. В результате одна часть германия остается в пыли, а другая превращается в германаты. Вместе с цинком они выщелачиваются из шлака серной кислотой. В результате в растворе остается только цинк, а остальные металлы выпадают в виде осадка. После этого оставшийся в осадке цинк удаляется так называемым «вельц-процессом» и выщелачивается еще раз. В результате в осадке остается диоксид германия который под воздействием хлора или соляной кислоты преобразуется в тетрахлорид германия. Из-за того, что германий имеет низкую температуру кипения он может быть выделен методом отгонки.

Распространенность Германия

Германий является редким элементом как в природе так и во Вселенной. В межзвездном пространстве этот элемент вырабатывается звездным нуклеосинтезом. Преимущественно это происходит в результате S-синтеза гигантских асимптотических ветвящихся звезд. S-синтез представляет собой медленный нейтронный захват более легких элементов внутри пульсирующих красных гигантских звезд. С помощью спектрального анализа германий был обнаружен в некоторых из самых отдаленных звезд и в атмосфере Юпитера. Процентное содержание этого элемента во Вселенной не было определено.

Что же касается распространенности в земной коре, то содержание германия тут оценивается в 1.6 ppm. Это означает что на одну тонну массы содержится 1.6 граммов элемента. Сегодня науке известно лишь несколько минералов которые содержат заметное содержание металла. К германийсодержащим минералам относятся аргиродит, бриартит, германит и рениерит. Еще такими минералами являются аргутит, бартелькеит и криеселит, но содержание элемента в них чрезвычайно маленькое. Кроме всего прочего эти минералы так же встречаются массово крайне редко. Из-за этого организовать добычу из этих минералов массово не представляется возможным. Редкость элемента и трудозатраты его добычи и переработки обуславливают его высокую цену. Цена за 1 кг чистого германия может достигать 2 тысяч американских долларов. Если вдуматься в цифру то за 1 тонну чистого германия страна производитель может получить до 2 000 000$.

Применение Германия

Применение германия является довольно ограниченным из-за его редкости и высокой стоимости. Основное распределение этого элемента идет по следующим направлениям в зависимости от спроса. 35% идет на изготовление оптоволоконной продукции. 30% находят применение в различного рода тепловизорах. 15% приходится на катализаторы полимеризации. Еще 15% осваиваются для производства электроники и солнечно-электронных приборов. Оставшиеся 5% распределяются между металлургией, химиотерапией и люминофором.

Благодаря таким свойствам германия, как высокий показатель преломления и низкая оптическая дисперсия, он становится полезным для производства широкоугольных объективов камер, микроскопов и сердечной жилы оптоволокна. Так как германий прозрачен в инфракрасных длиннах волн, он становится важным оптическим материалом. Его часто используют в качестве передней оптики тепловизионных камер. Обычно такие приборы работают в диапазоне от 8 до 14 микрон.

Широко распространены в приборах ночного видения и системах пожаротушения. Так же дистанционные измерители температуры. Которые находят применение как в технике(автомобильный измеритель температуры антифриза), медицине(измеритель температуры тела) и военной сфере(самонаводящиеся головки тепловых ракет). В электронике кремниево-германиевые сплавы находят применение в высокоскоростных интегральных схемах. Как показала практика микропроцессоры из  кремниево-германиевого сплава намного быстрее чем просто кремниевые.

Так же довольно существенный процент применения германия занимают солнечные батареи. Германий обычно выступает подложкой для пластин высокоэффективных многопереходных фотоэлементов.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с германием достаточно много. Стоит начать с того, что некоторые соединения германия являются очень реакционноспособными. В связи с этим они могут взаимодействовать со слизистой человека и могут привести даже к смерти.

Так же интересным фактом является то, что в 1948 году был разработан первый транзистор на основе германия. Считается, что этот момент положил начало твердотельной электронике. На сегодняшний день, германий является самым чистым химическим элементом, который людям удалось очистить. Количество примесей в этом образце составила 1 часть на 10¹⁰. В 2005 году из-за этого открытия германий стал первым в мире сверхпроводником и его применение открыло второе дыхание.