გერმანიუმი

გერმანიუმი (ქიმიური სიმბოლო — Ge), ეკა-სილიციუმი — ელემენტთა პერიოდული სისტემის მეოთხე პერიოდის, მეთოთხმეტე ჯგუფის (მოძველებული კლასიფიკაციით — მეოთხე ჯგუფის მთავარი ქვეჯგუფის, IVა) ქიმიური ელემენტი. მისი ატომური ნომერია 32, ატომური მასა — 72.630, tდნ — 938.25 °C, tდუღ — 2833 °C, სიმკვრივე — 5.323 გ/სმ3. იგი ბზინვარე, მძიმე, მონაცისფრო-თეთრი ფერის მეტალოიდია, შედეის ნახშირბადის ჯგუფში და ქიმიურად მსგავსია ჯგუფში მის მეზობლად მდებარე სილიციუმისა და გალიუმისა. გერმანიუმს გააჩნია ხუთი ბუნებრივი იზოტოპი, რომელთა მასა მერყეობს 70-დან 76-მდე. იგი წარმოქმნის დიდი რაოდენობით მეტალორგანულ ნაერთებს, მათ შორის ტეტრაეთილგერმანიუმს და იზობუტილგერმანიუმს.
ისტორია
1869 წ. ელემენტი იწინასწარმეტყველა დიმიტრი მენდელეევმა (როგორც ეკო-სილიციუმი) და აღმოჩენილ იქნა 1885 წელს გერმანელი ქიმიკოსის ალექსანდრ ქლემენს ვინკლერის მიერ, მინერალ არგიროდიტის ანალიზის დროს Ag8GeS6.
გერმენიუმი შედარებით მოგვიანებით იქნა აღმოჩენილი, რადგანაც მინერალების ძალიან მცირე რიცხვი შეიცავს მას მაღალი კონცენტრაციით. გერმანიუმს დედამიწის ქერქის შემადგენელ ელემენტებს შორის უკავია დაახლოებით ორმოცდამეათე ადგილი.
სახელწოდების წარმომავლობა
სახელი დარქმეულია გერმანიის ვინკლერის სამშობლოს პატივსაცემად.
ბუნებაში
დედამიწის ქერქში გერმანიუმის საერთო შემცველობა არის 7% მასის მიხედვით, ანუ მეტი, ვიდრე მაგალითად, სტიბიუმი, ვერცხლი, ბისმუტი. გერმანიუმის მცირე შემცველობის გამო დედამიწის ქერქში და მისი გეოქიმიური მსგავსებისა ზოგ ფართოდ გავრცელებულ ელემენტებთან მას აღენიშნება შეზღუდული უნარი საკუთარი მინერალების წარმოქმნისა, და იბნევა სხვა მინერალების მესერში. ამიტომაც გერმანიუმის საკუთარი მინერალები გვხვდება განსაკუთრებულად იშვიათად. თითქმის ყველა ისინი წარმოადგენენ მინერალ-სულფომარილებს: გერმანიტი Cu2(Cu, Fe, Ge, Zn)2 (S, As)4 (6 — 10 % Ge), არგიროდიტი Ag8GeS6 (3,6 — 7 % Ge), კონფილდიტი Ag8(Sn, Ge) S6 (до 2 % Ge) და სხვა. გერმანიუმის ძირითადი მასა გაბნეულია დედამიწის ქერქში უმეტესწილად მთის ქანებში და მინერალებში. ასე მაგალითად, ზოგ სფალერიტებში გერმანიუმის შემცველობა აღწევს კილოგრამებს ტონაზე, ენარგიტებში 5 კგ/ტ-ზე, პირარგირიტში 10 კგ/ტ, სულვანიტში და ფრანკეიტში 1 კგ/ტ-ზე, სხვა სულფიდებში და სილიკატებში — ასეული და ათეულ გრამს/ტონაზე. გერმანიუმი კონცენტრირდება ბევრი ლითონის საბადოებში — ფერადი ლითონების სულფიდურ მადნებში, რკინის მადნებში, ზოგ ჟანგურ ოქსიდურ მინერალებში (ქრმიტებში, მაგნეტიტში, რუტილში და სხვა.), გრანიტებში, დიაბაზებში და ბაზალტებში. ამას გარდა, გერმანიუმი არის თითქმის ყველა სილიკატში, ზოგი ქვანახშირის და ნავთობის საბადოში. გერმანიუმის კონცენტრაცია ზღვის წყალში არის 6 მგრ/ლ.
მიღება
გერმანიუმი ასევე გვხვდება პოლიმეტალური, ნიკელის და ვოლფრამის მადნებში როგორც მინარევი, ასევე სილიკატებში. რთული და შრომატევადი ოპერაციების შედეგად მადნის გამდიდრებისათვის და მისი კონცენტრირებისათვის გერმანიუმს გამოყოფენ ოქსიდის სახით GeO2, რომელსაც აღადგენენ წყალბადით 600 °C-ის პირობებში მარტივ ნივთიერებამდე:
GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2O.
გერმანიუმის მონოკრისტალების გაწმენდა და მოყვანა ხდება ზონური გამოდნობის მეთოდით.
ფიზიკური თვისებები
გერმანიუმის კრისტალური მესერი კუბური წახნაგცენტრირებული ალმასის ტიპისაა, სივრცული ჯგუფა F d3m, პარამეტრები а = 0,5658 ნმ.
მექანიკური თვისებები
დრეკადობის მოდული E, გპა — 82
ბგერის სიჩქარე (t=20÷25 °C) სხვადასხვა მიმართულებით ·1000 მ/წმс.
L100 : 4,92
S100 : 3,55
L110 : 5,41
S110 : 2,75
L111 : 5,56
S111 : 3,04
ელექტრული თვისებები
გერმანიუმი წარმოადგენს ტიპურ ნახევარგამტარს.
სტატიკური შეფარდებითი დიელექტრიკული შეღწევადობა ε = 16,0
აკრძალული ზონის სიფართე (300 К) Eg = 0,67 ევ
საკუთარი კონცენტრაცია ni=2,33 სმ−3
ეფექტური მასა:
ელექტრონების, გრძივი: mII=1,58m0, mII=1,64m0
ელექტრონების, განივი: m┴=0,0815m0 , m┴=0,082m0
ხვრელების, მძიმეების: mhh=0,379m0
ხვრელების, მჩატეების: mhl=0,042m0
ელექტრონული მსგავსება: χ = 4,0 ევ
გერმანიუმის ლეგირება გალიუმის თხელი ფენით იწვევს ზეგამტარ მდგომარეობას.
იზოტოპები
ბუნებაში გვხვდება ხუთი იზოტოპი: 70Ge (20,55 % მასა), 72Ge (27,37 %), 73Ge (7,67 %), 74Ge (36,74 %), 76Ge (7,67 %).
პირველი ოთხი სტაბილურია, მეხუთე (76Ge) განიცდის ორმაგ ბეტა- დაშლას ნახევარდაშლის პერიოდით 1,58 წელი.
ამას გარდა არსებობს ორი შედარებით «ხანგრძლივ მცხოვრები» ხელოვნური იზოტოპი: 68Ge (ნახევარდაშლის დრო 270,8 დღე) და 71Ge (ნახევარდაშლის დრო 11,26 დღე).
ქიმიური თვისებები
ქიმიურ ნაერთებში გერმანიუმი ჩვეულებრივ ავლენს 4.ან 2 ვალენტობას.
ნაერთები სადაც გერმანიუმი ავლენს 4 ვალენტობას უფრო სტაბილურებია.
ნორმალურ პირობებში მდგრადია ჰაერის, წყლის ტუტის და მჟავეების ზემოქმედების მიმართ, იხსნება царская водка და წყალბადის ზეჟანგის ტუტე ხსნარში.
გამოიყენება ერმანიუმის შენადნობები და მინები გერმანიუმის დიოქსიდის საფუძველზე.
გერმანიუმის ნაერთები
არაორგანული
ჰიდრიდები
გერმილენი
გერმანი
დიგერმანი
ტრიგერმანი
ოქსიდები
გერმანიუმის ოქსიდი(II)
გერმანიუმის ოქსიდი (IV)
ჰიდროქსიდები
გერმანიუმის ჰიდროქსიდი(II)
მარილები
ჰალოგენიდები
გერმანიუმის ბრომიდი(IV)
გერმანიუმის იოდიდი(II)
გერმანიუმის იოდიდი(IV)
გერმანიუმის ფტორიდი(IV)
გერმანიუმის ქლორიდი(IV)
გერმანიუმის ნიტრიდი(IV)
გერმანიუმის სულფიდი (II)
გერმანიუმის სულფიდი (IV)
გერმანიუმის სულფატი (IV)
ორგანული
გერმანიუმორგანული ნაერთები — არის მეტალოორგანული ნაერთები რომლებსაც გააჩნიათ «გერმანიუმ-ნახშირბადის» კავშირი, ბმა. ზოგჯერ ასე უწოდებენ ყველანაირ ორგანულ ნაერთს რომელიც შეიცავს გერმანიუმს.
პირველი გერმანიუმორგანული ნაერთია — ტეტრაეთილგერმანიუმი, სინთეზირებული იქნა გერმანელი ქიმიკოსის ქლემენს ვინკლერის მიერ 1887 წელს.
ტეტამეთილგერმანი (Ge(CH3)4)
ტეტრაეთილგერმანი (Ge(C2H5)4).
იზობუტილგერმანი ((CH3)2CHCH2GeH3)
გამოყენება
ოპტიკა
ინფრაწითელ ინტერვალში ზეწმინდა ლითონური გერმანიუმის გამჭვირვალობის გამო მას გააჩნია სტრატეგიული მნიშვნელობა ოპტიკური ელემენტების ინფრაწითელი ოპტიკის: ლინზების, პრიზმების, მრიცხველემის ოპტიკური ფანჯრები. ყველაზე მნიშვნელოვანი გამოყენების დარგია — თბოვიზიური კამერების ოპტიკა, რომლებიც მუშაობენ ტალღების შემდეგი სიგრძის დიაპაზონში 8-დან 14 მიკრონამდე. ასეთი მოწყობილობები გამოიყენება პასიურ ხედვის თბოსისტემებში, სამხედრო ღამის ხედვის მოწყობილობის, ინფრაწითელი დამიზნების სისტემებში, ხანძარსაწინააღმდეგო სისტემებში. გერმანიუმი ასევე გამოიყენება ინფრაწითელ-სპექტროსკოპიაში ოპტიკურ ხელსაწყოებში, რომლებიც გამოიყენება მაღალმგრძნობიარე ინფრაწითელ-სენსორებში. მასალას გააჩნია გარდატეხის ძალიან მაღალი მაჩვენებელი (4,0) და მოითხოვს ანტიათინათის საფარს. კერძოდ კი, გამოიყენება ალმასისმაგვარი ძალიან მაგარი ნახშირბადის საფარი, გარდატეხის მაჩვენებელით 2,0.
გერმანიუმის ოქსიდის (GeO2) ყველაზე შესამჩნევი ფიზიკური მახასიათებელი არის — მისი მაღალი გარდატეხის მაჩვენებელი და დაბალი ოპტიკური დისპერსია. ეს თვისებები პოულობეთ გამოყენებას კამერების ფართოკუთხიანი ობიექტივის დასამზადებლად, მიკროსლოპიაში, და ოპტიკური ბოჭკოს წარმოებაში.
გერმანიუმის ტეტრაქლორიდი თავისი მაღალი რეფრაქციის ხარისხის გამო და ოპტიკური დაბალი ოპტიკური გაბნეულობის გამო გამოიყენება ოპტობოჭკოების წარმოებაში.
შენადნობის - GeSbTe-ის ოპტიკური თვისებების შეცვლა ფაზური გადასვლის დროს გამოიყენება გადაწერადი DVD-ის წარმოებაში.
რადიოელექტრონიკა
გერმანიუმი გამოიყენება ნახევარგამტარიან ხელსაწყოებში: ტრანზისტორებში, და დიოდებში. გერმანიუმიანი ტრანზისტორებს და სენსორებიან, დეტექტორებიან დიოდებს ააქვთ მაჩვენებლები, რომლებიც განსხვავდებიან სილიციუმისაგან. ამას გარდა, უკუ დენი გერმანიუმიან ხელსაწყოებს რამდენიმეჯერ მეტი აქვთ ვიდრე სილიციუმიანს — ვთქვათ, ერთნაირ პირობებში სილიციუმის დიოდს ექნება უკუ დენი 10 პა, ხოლო გერმანიუმიანს — 100 ნა, რაც 10000 ჯერ მეტია. 1960-წ-მდე. გერმანიუმის ნახევარგამტარებიანი ხელსაწყოები გამოიყენებოდა საყოველთაოდ. საბჭოთა სტანდარტით ГОСТ 10862-64 (1964 წ.) და უფრო გვიანი სტანდარტით, გერმანიუმიან ნახევარგატარებიან ხელსაწყოებს აქვთ აღნიშვნა, რომელიც იწყება ასოებით Г ან ციფრით 1, მაგალითად: ГТ313, 1Т308 — მაღალსიხშირიანი მცირესიმძლავრის ტრანზისტირები, ГД507 — იმპულსური დიოდია. მანამ ტრანზისტორებს ჰქონდათ ინდექსი, რომლებიც იწყებოდა ასოებით С, Т ან П (МП), ხოლო დიოდებისა — Д, ხელსაწყოს მასალის განსაზღვრისთვის ინდექსით შეუძლებელი იყო; თუმცა, მათი უმეტესობა იყო გერმანიუმის. ახლა გერმანიუმიანი დიოდები და ტრანზისტორები თითქმის მთლიანად გაძევებულია სიცილიუმიანით.
გერმანიუმის ტელურიდი გამოიყენება როგორც სტაბილური თერმოელექტრული მასალა და თერმო ელექტრომამოძრავებელი ძალა 50 მკვ/К).
გერმანიუმი ფართოდ გამოიყენება ბირთვულ ფიზიკაში როგორც გამა-გამოსხივების დეტექტორების მასალა.
ეკონომიკა
წარმოება
მოხმარება
ფასები
გერმანიუმის საშუალო ფასები 2007 წელს/infogeo.ru/metalls-ის მასალების მიხედვით
ლითონური გერმანიუმი $1200/კგ
გერმანიუმის დიოქსიდი $840/კგ
ბიოლოგიური როლი
გერმანიუმი აღმოჩენილია ცხოველებისა და მცენარეების ორგანიზმებში. გერმანიუმის მცირე რაოდენობა არ ახდენს ფიზიოლოგიურ ზემოქმედებას მცენარეებზე, მაგრამ ტოქსიკურია დიდი რაოდენობით. გერმანიუმი არატოქსიკურია ობის სოკოებისათვის.
ცხოველებისათვის გერმანიუმი ნაკლებადტოქსიკურია. გერმანიუმის ნაერთებს არ აღმოაჩნდათ ფარმაკოლოგიური ზემოქმედება. გერმანიუმის და მისი ოქსიდის დასაშვები კონცენტრაცია ჰაერში არის — 2 მგრ/მ³, ანუ ისეთივე, როგორიც ასბესტის მტვერის წილი.
ორვალენტიანი გერმანიუმის ნაერთები გაცილებით ტოქსიკურია.
იხილეთ აგრეთვე
სილიციუმი
გალიუმის არსენიდი
რესურსები ინტერნეტში
გერმანიუმი Webelements-ზე
გერმანიუმი ქიმიური ელემენტების პოპულარულ ბიბლიოთეკაში
სქოლიო