锗

特性

在标准状况下，锗是一种银白色的半金属元素，硬但易碎。这种形式构成一种同素异形体，技术上叫α锗，它带金属光泽，结构与钻石一样，为钻石立方晶体结构。当压力高于120kPa时，会形成另一种同素异形体，叫β锗，它的结构与β锡一样。与硅、镓、铋、锑与水一样，锗在熔化态固体化时（即凝固）会膨胀，而有这种特性的物质并不多。
锗是一种半导体。用区熔技术生产出的半导体用锗晶体，其杂质含量只有一百亿分之一，因此这种晶体是史上最纯的材料之一。第一种在极强电磁场下成为超导体的金属材料，是一种含锗、铑和铀的合金，于2005年被发现。
已知纯锗能自发地挤出非常长螺旋位错，叫“锗须”。这些晶须的增长，是较旧的锗制二极管和晶体管坏掉的主要原因，因为晶须很可能会构成短路，但短路与否视最终接触到的物质而定。

化学性质

在250℃时，锗会缓慢地氧化成GeO₂。锗不溶于稀酸及碱，但溶于浓硫酸，并与熔碱反应，生成锗酸盐（GeO₃²⁻）。锗最常出现的氧化态是+4，但是已知它在不少化合物中的氧化态为+2。其他的氧化态则很罕见，例如化合物Ge₂Cl₆中为+3，在氧化层表面测到的+3与+1氧化态。多种含锗的阴性簇离子（津特耳离子）已经被制备出来，当中包括Ge₄²⁻、Ge₉⁴⁻、Ge₉²⁻及[(Ge₉)₂]⁶⁻，其中一种方法是在乙二胺或穴醚的催化下，从置于液态氨的锗与碱金属合金中进行提取。这些离子中锗的氧化态并非整数——这点跟臭氧根离子中的氧一样。
已知锗共有两种氧化物：二氧化锗和一氧化锗。焙烧二硫化锗（GeS₂）后可得二氧化锗，二氧化锗是一种白色的粉末，微溶于水，但与碱反应并生成锗酸盐。当二氧化锗与锗金属发生高温反应时，会生成一氧化锗。二氧化锗（及其相关的氧化物及锗酸盐）有一种很不寻常的特性，就是对可见光有着高折射率，但同时对红外线隐形。而锗酸铋则被用作闪铄器（scintillator）。
锗还能与氧族元素生成二元化合物，例如二硫化物、二硒化物（GeSe₂）、一硫化物（GeS）、一硒化物（GeSe）及碲化物（GeTe）。把硫化氢气体通过含Ge(IV)的浓酸溶液时，会生成白色沉淀物，即二硫化锗。二硫化锗能很好地溶于水、苛性钠溶液及碱金属硫化物溶液中。但是，它不溶于酸性溶液，温克勒就是凭借这项性质才发现了锗。把二硫化锗置于氢气流中加热，会生成一硫化锗（GeS），它升华后会形成一圈色暗但具金属光泽的薄层，它可溶于苛性钠溶液中。把一硫化锗、碱金属碳酸盐与硫一起加热后，会生成一种锗盐化合物，叫硫代锗酸盐。
锗共有四种已知的四卤化物。在正常状况下四碘化锗（GeI₄）为固体，四氟化锗（GeF₄）为气体，其余两种为挥发性液体。把锗与氯一块加热，会得到一种沸点为83.1℃的无色发烟液体，即四氯化锗。锗的所有四卤化物都容易水解，生成带结晶水的二氧化锗。四氯化锗用于制备有机锗化合物。跟四卤化物相反的是，全部四种已知的二卤化物，皆为聚合固体。另外已知的卤化物还包括Ge₂Cl₆及GeₙCl₂ₙ₊₂。还有一种奇特的化合物Ge₆Cl₁₆，其中含有类似新戊烷结构的Ge₅Cl₁₂。
甲锗烷（GeH₄）是一种结构与甲烷相近的化合物。多锗烷（即与烷烃相似的锗化合物）的化学式为GeₙH₂ₙ₊₂，现时仍没有发现n大于五的多锗烷。相对于硅烷，锗烷的挥发性和活性都较低。GeH₄在液态氨中与碱金属反应后，会产生白色的MGeH₃晶体，当中含有GeH₃⁻阴离子。含一、二、三个卤素原子的氢卤化锗，皆为无色的活性液体。
温克勒于1887年合成出第一种有机锗化合物（organogermanium compound）；四氯化锗与二乙基锌反应生成四乙基锗（Ge(C₂H₅)₄）。R₄Ge型（其中R为烃基）的有机锗烷，如四甲基锗（Ge(CH₃)₄）及四乙基锗，是由最便宜的锗前驱物四氯化锗及甲基亲核剂反应而成。有机锗氢化物，如异丁基锗烷（(CH₃)₂CHCH₂GeH₃）的危险性比较低，因此半导体工业会用液体的氢化物来取代气体的甲锗烷。已知锗有不少活性中间物：锗代自由基、锗烯（与碳烯相近）和锗炔（与卡宾相近）。有机锗化合物2-羧乙基锗倍半氧烷（2-carboxyethylgermasesquioxane），于1970年被发现，曾经有一段时间被用作膳食补充剂，当时认为它可能对肿瘤有疗效。

同位素

锗共有五种天然存在的同位素：⁷⁰Ge、⁷²Ge、⁷³Ge、⁷⁴Ge和⁷⁶Ge。当中，⁷⁶Ge带微弱的放射性，其衰变模式为双β衰变，半衰期为1.58 × 10²¹年。⁷⁴Ge是最常见的同位素，丰度约为36%。⁷⁶Ge的自然丰度是最低的，约为7%。当⁷²Ge被α粒子轰击时，会产生稳定的⁷⁷Se，并在过程中释放出高能量的电子。因此，它与氡组合后可用作核电池。
锗最少有27种合成放射性同位素，各原子质量介乎58至89之间。当中最稳定的是⁶⁸Ge，其衰变模式为电子捕获，半衰期则为270.95 d。而当中最不稳定的则是⁶⁰Ge，其半衰期为30 ms。尽管大部分锗同位素的衰变模式皆为β衰变，但是也有例外。⁶¹Ge及⁶⁴Ge的衰变模式为β⁺迟延质子发射（proton emission），而⁸⁴Ge至⁸⁷Ge则有可能进行β⁻迟延中子发射。

自然丰度

锗是由恒星核合成所创造的，主要是透过渐近巨星分支上恒星内的S-过程。S-过程是一种慢中子捕获过程，发生于脉冲红巨星中的轻元素。在木星的大气层中能探测到锗，在一些遥远的行星中也能探测到锗。锗在地球的地壳丰度约为1.6 ppm。含锗量可观的矿石只有几种，如硫银锗矿、灰锗矿（briartitie）、硫锗铜矿（germanite）及硫锗铁铜矿（renierite），而它们都没有可供开采的矿床。尽管如此，开采这些矿石都不是为了它们所含的锗。一些锌铜铅矿体的含锗量够高，因此可以从它们最终的浓缩矿物中提取锗。
德国矿物学家威特·戈斯密（Victor Goldschmidt）在测量锗矿床时，发现了一种奇特的浓缩过程，它使得一些煤矿层能拥有高含锗量。最高的含锗量出现在英国诺森伯兰郡哈特莱村（Hartley）的煤灰中，达1.6%。内蒙古锡林浩特市附近的煤矿层含锗量估计达1600公吨。

应用

锗在2007年的估计全球终端应用为：光纤系统占35%，红外线光学（infrared optics）占30%，聚合催化剂占15%，及电子和太阳能发电也占15%。余下的5%为其他应用，如磷光体（phosphor）、冶金及化学治疗。

光学

二氧化锗最值得注意的物理特性，就是它的高折射率，和低色散。因此特别适用于广角镜、显微镜和光纤核心。它更取代了二氧化钛，成为了二氧化硅光纤核心的掺杂物，这样就不用再做后续热处理，而这种处理会使光纤变得易碎。在2002年末，光纤工业占美国锗用量的60%，但只占全球用量不到10%。锗锑碲（GeSbTe）是一种相变合金，以其光学特性著称，应用例子包括可重写光盘。
由于红外线可以无损失的穿透锗，因此它成了一种重要的红外线光学材料，能很容易地被切割或打磨成镜片及窗户。它在红外线光学中的一项重要应用，就是制作热图像照相机（thermal imaging camera）的镜头涂层。含锗的这一种镜头用于波长为8至14微米的红外线，这样的红外线可用于被动热成像及热点探测，因此能被应用于军事、汽车夜视系统及消防。这样的镜头还能用于显微镜光谱仪，及其他需要极敏感红外线探测的光学仪器。锗这种材料有着非常高的折射率（4.0），因此需要抗反射涂层。特别是类金刚石碳的抗反射涂层，这是一种特别坚硬的特殊涂层，其折射率为2.0，与锗相若，而且会产生一层如钻石坚硬的表面，足以面对户外的各种严苛环境。

电子工业

晶体管主要由锗和硅两种高纯度半导体制作，而锗晶体管（简称锗管）曾是晶体管时代早期（于40年代末开始）最重要的半导体产品，因为当时制作高纯硅和制造硅管的工艺都不够成熟。锗晶体管相比硅管，有B-E结压降低（锗管约0.2V，而硅管为0.6V左右)的优势，但是热稳定性较差，且响应速度的极限明显不如硅管。锗管的大规模应用大概持续到1970年左右，此后从发达国家开始逐渐淘汰，到1980年，几乎在全世界范围完全被硅管取代而退出电子工业。然而，一些音响发烧友认为锗管具有独特的音色，相对于硅管的“冷硬”，锗管温暖醇厚的声音特性被一些玩家称为‘低压电子管’因此一些生产于60年代的电声设备和零件至今受到部分玩家的追捧，一些音乐用的踏板效果器还在用锗晶体管，因为这种效果器能产生早期摇滚特有的“模糊”音质，当中最有名的是Dallas Arbiter公司所生产的Fuzz Face效果器。
近年来电子材料界又燃起了对锗材料的兴趣，不过已不局限于纯锗晶体。锗化硅合金（一般称为“硅锗”）正急速地成为一种重要的半导体材料，用于高速集成电路。使用了Si-SiGe接面的电路，由于这种接面的特性，而比只用Si的要快得多。在无线通讯（wireless communication）装置中，锗化硅正开始取代砷化镓。有着高速特性的SiGe芯片，可以用硅芯片工业传统的生产技巧，并以低廉的成本生产。
最近能源成本的上涨，使得太阳能板的经济有所提高，而这也是锗的一大潜在应用。锗是太空用高效多结光伏电池的晶圆衬底。因为锗的晶格常数（lattice constant）与砷化镓相近，所以可以用锗衬底来制造砷化镓太阳能电池。火星探测漫游者及数个人造卫星，都有使用锗上三联点砷化镓电池。
上锗下绝缘体的衬底，有望可以取代微型芯片中的硅。其他电子应用还包括萤光灯的磷光体（phosphor），及锗基固态发光二极管。

其他应用

在生产聚对苯二甲酸乙二酯的过程中，二氧化锗还可以用于催化聚合作用。这样生产出来的成品耀度很高，所以在日本销售的PET瓶子都专门选用这一种聚酯。然而，美国不把锗用作聚合催化剂。由于二氧化硅与二氧化锗相近，所以气相色谱柱中的固定相二氧化硅，可用二氧化锗来取代。
近年，在贵金属合金中加入锗是愈来愈多。例如，在英币标准银（sterling silver）（含银量达95%以上的合金）中加入锗，就能减少火纹（firescale）、增加抗锈色性（tarnish）及增加对析出硬化（precipitation hardening）的反应。有一种抗锈色的银合金，商标名叫Argentium，其含锗量需达1.2%。
高纯度锗单晶探测器，能准确地探测出辐射的来源，因此可用于机场保安系统。锗亦被用于晶体单光仪（crystal monochromator），这台仪器能生成单晶中子散射（neutron scattering）及同步X射线衍射所需的线性束。在中子及高能X射线的应用，锗的反射性比硅优胜。高纯度的锗晶体还被用于伽玛光谱学（gamma spectroscopy）和探寻暗物质的探测器中。
锗的一些化合物对哺乳类动物没什么毒性，可是对某些细菌则有着相当的毒性。就因为这项特性，所以这些锗化合物可用作化学治疗剂。

膳食补充剂，药物开发，及健康危害

早在1922年，美国的医生曾运用无机锗来治疗贫血。无机锗还被用于其他治疗，但疗效存疑。它对癌症的疗效已经被讨论过，还没有可靠证据可证实锗对癌症的预防或治疗有效。美国食品药品监督管理局的研究结论为，当锗被用作膳食补充剂时“有可能危害人体健康”。
一般认为锗对动植物的健康并不重要。然而它的一些化合物能危害人体健康。例如，四氯化锗及甲锗烷，分别为液体及气体，能对眼睛、皮肤、肺部及喉咙造成很大的刺激。由于锗在矿石与碳质（carbonaceous）材料中是一种稀有元素，加上在商业应用中使用的量也不算多，所以它对自然并没有什么影响。