（；舊譯鈤），是一種化學元素，化學符號為，原子序數為 32，原子量為。鍺是一種灰白色類金屬，有光澤，質地硬，屬於碳族元素，化學性質與同族的錫與矽相近。在自然中，鍺共有 5 種同位素，原子質量數在 70 至 76 之間。鍺能形成許多不同的有機金屬化合物，例如四乙基鍺及異丁基鍺烷等。 即使地球表面上鍺的豐度地殼蘊含量相對較高，但由於礦石中很少含有高濃度的鍺，所以它在化學史上發現得比較晚。德米特里伊萬諾維奇門捷列夫在 1869 年根據元素週期表的位置，預測到鍺的存在與其各項屬性，並把它稱作 eka 矽。克萊門斯溫克勒於 1886 年在一種叫硫銀鍺礦的稀有礦物中，除了找到硫和銀之外，還發現了一種新元素。儘管這種新元素的外觀跟砷和銻有點像，但是新元素在化合物中的化合比符合矽下元素的預測。溫克勒以他的國家 德國的拉丁語名來為這種元素命名。 鍺是一種重要的半導體材料，用於製造電晶體及各種電子裝置。主要的終端應用為光纖系統與紅外線光學，也用於聚合反應的催化劑，製造電子器件與太陽能電力等。現在，開採鍺用的主要礦石是閃鋅礦（鋅的主要礦石），也可以在銀、鉛和銅中，用商業方式提取鍺。一些鍺化合物，如四氯化鍺（GeCl4）和甲鍺烷（GeH4），會刺激眼睛、皮膚、肺部與喉嚨。 發現史 門捷列夫於 1869 年發表了一份名為《化學元素週期律》的研究報告，當中預測了數種未知元素的存在，其中一種填補了碳族中矽及錫之間的空缺 。由於它在週期表的位置，門捷列夫把它命名為擬矽（Ekasilicon Es），並將其原子量定為 72。 1885 年夏季，在薩克森王國弗賴堡附近的一個礦場，發現了一種新的礦物。由於這種礦物的含銀量高，所以被命名為硫銀鍺礦。克萊門斯溫克勒檢驗了這種礦物，並於 1886 年成功從中分離出一種與銻相似的元素。在他發表成果之前，他原本打算用海王星來為新元素命名，因為在 1846 年被發現的海王星，數學理論也預測它的存在。然而，zhcn 錼；zhtw 錼；zhhk 錼；（Neptunium）這個名字當時已被另一元素佔用（不過不是今天叫 zhcn 錼；zhtw 錼；zhhk 錼； 的那種元素，它到 1940 年才被發現），因此溫克勒改用他的祖國 德國的拉丁語（germanium）來為元素命名。由於鍺跟砷和銻相近，所以它當時是否該出現在週期表上仍備受爭論，不過它的性質與 門捷列夫的擬矽很像，因此才確立了它在週期表的確實位置 在發現後，薩克森的礦場再給了溫克勒五百公斤的礦石，因此他能進行後續研究，並在 1887 年確立了這種新元素的化學性質 。他透過分析純四氯化鍺，得出鍺的原子量為 7232，而德布瓦博德蘭則透過比較該元素的火花光譜線，得出 723。 溫克勒當時成功製備了幾種新的鍺化合物，包括氟化物、氯化物、硫化物、二氧化鍺及四乙基鍺，而四乙基鍺則是第一種有機鍺烷。有了從這些化合物而來的物理資料 它們符合門捷列夫的預測 鍺的發現成為了確認門捷列夫元素週期的重要證據。下表比較了預測與溫克勒的資料： 特性 擬矽（預測） 鍺 原子質量 72 7259 密度（gcm3） 55 535 熔點 高 947 顏色 灰色 灰色 氧化物種類 耐火（refractory）二氧化物 耐火二氧化物 氧化物密度（gcm3） 47 47 氧化物性質 弱鹼 弱鹼 氯化物熔點 100以下 86 （GeCl4） 氯化物密度（gcm3） 19 19 直至 1930 年代末期，科學家們一直以為鍺只是一種導電性差的金屬。因為它的半導體特性對電子元件來說是非常有價值的，所以到 1945 年鍺成了一種有利可圖的材料。在第二次世界大戰期間的 1941 年，鍺二極體就開始取代電子裝置中的真空管。它的第一項主要用途為製造蕭特基二極體的接點，該二極體在二戰期間用於雷達接收。第一種矽鍺合金誕生於 1955 年。在 1945 年以前，鍺的年產量只有幾百千克，但到了 1950 年代末，世界年產量就已經達到 40 公噸。 鍺電晶體在 1948 年的出現，開啟了固態電子無數的應用之門。從 1950 年至 1970 年代初，這個領域為鍺提供了增長中的市場，但之後電晶體、二極體和整流器都開始轉用高純度矽。矽的電子特性比鍺優越，但是所需的純度就高得多 這樣的純度用早年的商業方法實在達不到。 與此同時，光纖通訊網路、紅外線夜視系統及聚合反應催化劑對鍺的需求量正在急速增長。這些終端應用代表了 2000 年鍺用量的 80。美國政府甚至把鍺定為戰略及關鍵材料，並因此於 1987 年下令國家防禦儲備中心存入 132 公噸的鍺。生產鍺與矽不同的是，矽的產量只受生產力限制，而鍺的產量則受開採來源的短缺所限制。正因如此，矽在 1998 年的價格為每千克 10 美元以下，而當時鍺的價格達每千克 1800 美元。 特性 在標準狀況下，鍺是一種銀白色的半金屬元素，硬但易碎。這種形式構成一種同素異形體，技術上叫 α 鍺，它帶金屬光澤，結構與鑽石一樣，為鑽石立方晶體結構。當壓力高於 120kPa 時，會形成另一種同素異形體，叫 β 鍺，它的結構與 β 錫一樣。與矽、鎵、鉍、銻與水一樣，鍺在熔化態固體化時（即凝固）會膨脹，而有這種特性的物質並不多。 鍺是一種半導體。用區熔技術生產出的半導體用鍺晶體，其雜質含量只有一百億分之一，因此這種晶體是史上最純的材料之一。第一種在極強電磁場下成為超導體的金屬材料，是一種含鍺、銠和鈾的合金，於 2005 年被發現。 已知純鍺能自發地擠出非常長螺旋位錯，叫 鍺鬚。這些晶鬚的增長，是較舊的鍺製二極體和電晶體壞掉的主要原因，因為晶鬚很可能會構成短路，但短路與否視最終接觸到的物質而定。 化學性質 在 250時，鍺會緩慢地氧化成 GeO2。鍺不溶於稀酸及鹼，但溶於濃硫酸，並與熔鹼反應，生成鍺酸鹽（GeO32）。鍺最常出現的氧化態是 4，但是已知它在不少化合物中的氧化態為 2。其他的氧化態則很罕見，例如化合物 Ge2Cl6 中為 3，以及在氧化物表面測得的 3 與 1 氧化態，或者鍺化物中的負氧化態，像是中的 4。多種含鍺的陰性簇離子（津特耳離子）已經被製備出來，當中包括 Ge42、Ge94、Ge92 及 Ge9 2 6，其中一種方法是在乙二胺或穴醚的催化下，從置於液態氨的鍺與鹼金屬合金中進行提取。這些離子中鍺的氧化態並非整數 這點跟臭氧根離子中的氧一樣。 已知鍺共有兩種氧化物：二氧化鍺和一氧化鍺。焙燒二硫化鍺（GeS2）後可得二氧化鍺，二氧化鍺是一種白色的粉末，微溶於水，但與鹼反應並生成鍺酸鹽。當二氧化鍺與鍺金屬在高溫下反應時，會生成一氧化鍺。二氧化鍺（及其相關的氧化物及鍺酸鹽）有一種很不尋常的特性，就是對可見光有著高折射率，但同時對紅外線隱形。而鍺酸鉍則被用作閃鑠器（scintillator）。 鍺還能與其它氧族元素生成二元化合物，例如二硫化物（GeS2）、二硒化物（GeSe2）、一硫化物（GeS）、一硒化物（GeSe）及碲化物（GeTe）。把硫化氫氣體透過含 Ge IV 的強酸溶液時，會生成白色沉澱物，即二硫化鍺。二硫化鍺能很好地溶於水、苛性鈉溶液及鹼金屬硫化物溶液中。但是，它不溶於酸性溶液，溫克勒就是憑藉這項性質才發現了鍺。把二硫化鍺置於氫氣流中加熱，會生成一硫化鍺（GeS），它昇華後會形成一圈色暗但具金屬光澤的薄層，它可溶於苛性鈉溶液中。把一硫化鍺、鹼金屬碳酸鹽與硫一起加熱後，會生成一種鍺鹽化合物，叫硫代鍺酸鹽。 鍺共有四種已知的四鹵化物。在正常狀況下四碘化鍺（GeI4）為固體，四氟化鍺（GeF4）為氣體，其餘兩種為揮發性液體。把鍺與氯一塊加熱，會得到一種沸點為 831的無色發煙液體，即四氯化鍺。鍺的所有四鹵化物都容易水解，生成帶結晶水的二氧化鍺。四氯化鍺用於製備有機鍺化合物。跟四鹵化物相反的是，全部四種已知的二鹵化物，皆為聚合固體。另外已知的鹵化物還包括 Ge2Cl6 及 GenCl2n2。還有一種奇特的化合物 Ge6Cl16，其中含有類似新戊烷結構的 Ge5Cl12。 甲鍺烷（GeH4）是一種結構與甲烷相近的化合物。多鍺烷（即與烷烴相似的鍺化合物）的化學式為 GenH2n2，現時仍沒有發現 n 大於五的多鍺烷。相對於矽烷，鍺烷的揮發性和活性都較低。GeH4 在液態氨中與鹼金屬反應後，會產生白色的 MGeH3 晶體，當中含有 GeH3陰離子。含一、二、三個鹵素原子的氫鹵化鍺，皆為無色的活性液體。 溫克勒於 1887 年合成出第一種有機鍺化合物（organogermanium compound）；四氯化鍺與二乙基鋅反應生成四乙基鍺（Ge C2H5 4）。R4Ge 型（其中 R 為烴基）的有機鍺烷，如四甲基鍺（Ge CH3 4）及四乙基鍺，是由最便宜的鍺前驅物四氯化鍺及甲基親核劑反應而成。有機鍺氫化物，如異丁基鍺烷（CH3 2CHCH2GeH3）的危險性比較低，因此半導體工業會用液體的氫化物來取代氣體的甲鍺烷。已知鍺有不少活性中間物：鍺代自由基、鍺烯（與碳烯相近）和鍺炔（與卡賓相近）。有機鍺化合物 2 羧乙基鍺倍半氧烷（2carboxyethylgermasesquioxane），於 1970 年被發現，曾經有一段時間被用作膳食補充劑，當時認為它可能對腫瘤有療效。 同位素 鍺共有五種天然存在的同位素：70Ge、72Ge、73Ge、74Ge 和 76Ge。當中，76Ge 帶微弱的放射性，其衰變模式為雙 β 衰變，半衰期為 158 1021 年。74Ge 是最常見的同位素，豐度約為 36。76Ge 的自然豐度是最低的，約為 7。當 72Ge 被 α 粒子轟擊時，會產生穩定的 77Se，並在過程中釋放出高能量的電子。因此，它與氡組合後可用作核電池。 鍺最少有 27 種合成放射性同位素，各原子質量介乎 58 至 89 之間。當中最穩定的是 68Ge，其衰變模式為電子捕獲，半衰期則為 27095 d。而當中最不穩定的則是 60Ge，其半衰期為 30 ms。儘管大部份鍺同位素的衰變模式皆為 β 衰變，但是也有例外。61Ge 及 64Ge 的衰變模式為 β 遲延質子發射（proton emission），而 84Ge 至 87Ge 則有可能進行 β 遲延中子發射。 自然豐度 鍺是由恆星核合成所創造的，主要是透過漸近巨星分支上恆星內的 S 過程。S 過程是一種慢中子捕獲過程，發生於脈衝紅巨星中的輕元素。在木星的大氣層中能探測到鍺，在一些遙遠的恆星中也能探測到鍺。鍺在地球的地殼豐度約為 16 ppm。含鍺量可觀的礦石只有幾種，如硫銀鍺礦、灰鍺礦（briartitie）、硫鍺銅礦（germanite）及硫鍺鐵銅礦（renierite），而它們都沒有可供開採的礦床。儘管如此，開採這些礦石都不是為了它們所含的鍺。一些鋅銅鉛礦體的含鍺量夠高，因此可以從它們最終的濃縮礦物中提取鍺。 德國礦物學家威特戈斯密（Victor Goldschmidt）在測量鍺礦床時，發現了一種奇特的濃縮過程，它使得一些煤礦層能擁有高含鍺量。最高的含鍺量出現在英國諾森伯蘭郡哈特萊村（Hartley）的煤灰中，達 16。內蒙古錫林浩特市附近的煤礦層含鍺量估計達 1600 公噸。 製備 leftthumb 硫鍺鐵銅礦 2007 年鍺的年生產量約為 100 公噸。現在，主要的方法是從鍺濃度達 03 的閃鋅礦中提取鍺，它是當中的副產品，這種礦石最常出現於以沉積物為主體的大型 ZnPbCu Ba 礦床，及以碳酸鹽為主體的 ZnPb 礦床。儘管沒有全球鍺儲備量的確實數字，但是估計美國的儲備量約在 500 公噸左右。在 2007 年，鍺的需求量有 35 是由迴圈再造所滿足。 鍺主要是由閃鋅礦中製取，而閃鋅礦是一種鋅礦石，但是也可以在銀、鉛及銅礦中找到鍺。若煤炭發電廠用的煤是從高鍺濃度的礦床來的話，那麼發電廠的飛灰（fly ash）也是鍺的一個來源。俄羅斯與中國都有在用這種鍺源。俄羅斯的鍺礦床位於其遠東的庫頁島，而海參崴東北的煤礦也被用作鍺源。中國的鍺礦床主要位於雲南省臨滄市的褐煤礦場，及內蒙古自治區錫林浩特市附近的煤礦，而它們都是開採中的鍺源。 年份 價格（kg） 1999 1400 2000 1250 2001 890 2002 620 2003 380 2004 600 2005 660 2006 880 2007 1240 2008 1490 2009 950 鍺的大部份濃縮礦物為硫化物；它們在空氣中加熱後會變成氧化物，這個過程叫焙燒（roasting）： GeS2 3O2 GeO2 2SO2 在這個過程中，部份鍺會進到所產生的灰塵中，而剩下的鍺則被轉化成鍺酸鹽，然後被硫酸淋溶，此時在爐渣中的鋅也被淋溶。在中和反應後，只有鋅留在溶液中，沉澱物中含有鍺及其他金屬。在用威爾茲冶鋅法（Waelz process）把沉澱物中的含鋅量減少後，而殘餘的威爾茲氧化物則接受第二次淋溶。此時從沉澱物中可得二氧化鍺，與氯氣或氯化氫反應後被轉化成四氯化鍺，由於它的沸點低，因此可用蒸餾法進行分離 ： GeO2 4HCl GeCl4 2H2O GeO2 2Cl2 GeCl4 O2 四氯化鍺會被水解成二氧化鍺，或用分餾法淨化後再被水解。極純的 GeO2 適用於製造鍺玻璃。純二氧化鍺與氫反應後被還原成鍺，用這種還原方式所得的鍺，適用於紅外線光學或半導體工業： GeO2 4H2 Ge 2H2O 用於鋼鐵生產及其他工業過程的鍺，一般會用碳來還原： GeO2 C Ge CO2 應用 鍺在 2007 年的估計全球終端應用為：光纖系統佔 35，紅外線光學（infrared optics）佔 30，聚合催化劑佔 15，及電子和太陽能發電也佔 15。餘下的 5 為其他應用，如磷光體（phosphor）、冶金及化學治療。 光學 二氧化鍺最值得注意的物理特性，就是它的高折射率，和低色散。因此特別適用於廣角鏡、顯微鏡和光纖核心。它更取代了二氧化鈦，成為了二氧化矽光纖核心的摻雜物，這樣就不用再做後續熱處理，而這種處理會使光纖變得易碎。在 2002 年末，光纖工業佔美國鍺用量的 60，但只佔全球用量不到 10。鍺銻碲（GeSbTe）是一種相變合金，以其光學特性著稱，應用例子包括可重寫 zh 光碟；zhhans 光碟；zhhant 光碟；。 由於紅外線可以無損失的穿透鍺，因此它成了一種重要的紅外線光學材料，能很容易地被切割或打磨成鏡片及窗戶。它在紅外線光學中的一項重要應用，就是製作熱影像照相機（thermal imaging camera）的鏡頭塗層。含鍺的這一種鏡頭用於波長為 8 至 14 微米的紅外線，這樣的紅外線可用於被動熱成像及熱點探測，因此能被應用於軍事、汽車夜視系統及消防。這樣的鏡頭還能用於顯微鏡光譜儀，及其他需要極敏感紅外線探測的光學儀器。鍺這種材料有著非常高的折射率（40），因此需要抗反射塗層。特別是類金剛石碳的抗反射塗層，這是一種特別堅硬的特殊塗層，其折射率為 20，與鍺相若，而且會產生一層如鑽石堅硬的表面，足以面對戶外的各種嚴苛環境。 電子工業 電晶體主要由鍺和矽兩種高純度半導體制作，而鍺電晶體（簡稱鍺管）曾是電晶體時代早期（於 40 年代末開始）最重要的半導體產品，因為當時製作高純矽和製造矽管的工藝都不夠成熟。鍺電晶體相比矽管，有 BE 結壓降低（鍺管約 02V，而矽管為 06V 左右 的優勢，但是熱穩定性較差，且響應速度的極限明顯不如矽管。鍺管的大規模應用大概持續到 1970 年左右，此後從發達國家開始逐漸淘汰，到 1980 年，幾乎在全世界範圍完全被矽管取代而退出電子工業。然而，一些音響發燒友認為鍺管具有獨特的音色，相對於矽管的 冷硬，鍺管溫暖醇厚的聲音特性被一些玩家稱為低壓電子管因此一些生產於 60 年代的電聲裝置和零件至今受到部分玩家的追捧，一些音樂用的踏板效果器還在用鍺電晶體，因為這種效果器能產生早期搖滾特有的 模糊 音質，當中最有名的是 Dallas Arbiter 公司所生產的 Fuzz Face 效果器。 後來電子材料界又燃起了對鍺材料的興趣，不過已不侷限於純鍺晶體。鍺化矽合金（一般稱為 矽鍺）正急速地成為一種重要的半導體材料，用於高速積體電路。使用了 SiSiGe 接面的電路，由於這種接面的特性，而比只用 Si 的要快得多。在無線通訊（wireless communication）裝置中，鍺化矽正開始取代砷化鎵。有著高速特性的 SiGe 晶片，可以用矽晶片工業傳統的生產技巧，並以低廉的成本生產。 隨著能源成本的上漲，使得太陽能板的經濟價值有所提高，而這也是鍺的一大潛在應用。鍺是太空用高效多結光伏電池的晶圓基板。因為鍺的晶格常數（lattice constant）與砷化鎵相近，所以可以用鍺基板來製造砷化鎵太陽能電池。火星探測漫遊者及數個人造衛星，都有使用鍺上三聯點砷化鎵電池。 上鍺下絕緣體的基板，有望可以取代微型晶片中的矽。其他電子應用還包括螢光燈的磷光體（phosphor），及鍺基固態發光二極體。 其他應用 在生產聚對苯二甲酸乙二酯的過程中，二氧化鍺還可以用於催化聚合作用。這樣生產出來的成品耀度很高，所以在日本銷售的 PET 瓶子都專門選用這一種聚酯。然而，美國不把鍺用作聚合催化劑。由於二氧化矽與二氧化鍺相近，所以氣相色譜柱中的固定相二氧化矽，可用二氧化鍺來取代。 近年，在貴金屬合金中加入鍺是愈來愈多。例如，在英幣標準銀（sterling silver）（含銀量達 95 以上的合金）中加入鍺，就能減少火紋（firescale）、增加抗鏽色性（tarnish）及增加對析出硬化（precipitation hardening）的反應。有一種抗鏽色的銀合金，商標名叫 Argentium，其含鍺量需達 12。 高純度鍺單晶探測器，能準確地探測出輻射的來源，因此可用於機場保安系統。鍺亦被用於晶體單光儀（crystal monochromator），這臺儀器能生成單晶中子散射（neutron scattering）及同步 X 射線繞射所需的線性束。在中子及高能 X 射線的應用，鍺的反射性比矽優勝。高純度的鍺晶體還被用於伽瑪光譜學（gamma spectroscopy）和探尋暗物質的探測器中。 鍺的一些化合物對哺乳類動物沒甚麼毒性，可是對某些細菌則有著相當的毒性。就因為這項特性，所以這些鍺化合物可用作化學治療劑。 對生物的影響 一般認為鍺對動植物的健康並不重要。由於鍺在礦石與碳質材料中是一種稀有元素，加上在商業應用中使用的量也不算多，所以它對自然並沒有甚麼影響。 鍺化合物被用於白血病與肺癌的替代療法，但沒有醫學實證證實鍺的好處，甚至有證據表明它們有害。美國食品藥品監督管理局的研究結論認為，當鍺被用作膳食補充劑時 有可能危害人體健康。 鍺本身不危險，但某些活潑的鍺化合物有毒。例如四氯化鍺及甲鍺烷，分別為液體及氣體，能對眼睛、皮膚、肺部及喉嚨造成很大的刺激。有些鍺化合物對哺乳動物的毒性低，但對細菌來說有毒。 參見 元素 電晶體 碳族元素 第 4 週期元素 元素週期表 同位素列表 注釋 鈤 亦為化學元素鐳的舊譯，因造成混淆而採用新譯。 在希臘語中，Argyrodite 一詞有 含銀 的意思。 跟預測到新元素的存在一樣，數學家亞當斯與勒威耶，利用天王星軌道被拉出去的偏差，在 1843 年前後就預測到行星海王星的存在。查理士（James Challis）於 1846 年 8 月開始搜尋第八顆行星，而加勒則於 1846 年 9 月 23 日正式觀測到它 。 赫爾曼（R Hermann）在 1877 年聲稱發現週期素中位於鉭下的元素，並以羅馬神話海王尼普頓命名為 zhcn 錼；zhtw 錼；zhhk 錼；（Naptunium）。但後來發現這種金屬只是元素鈮與鉭的合金。很久以後，zhcn 錼；zhtw 錼；zhhk 錼； 這個名字給了在週期表位於鈾下的合成元素，它是由核物理學家在 1940 年所發現 。 參考資料 外部連結 Category 類金屬 Category 碳族元素 4N 4N Category 紅外線感測器材料 Category 熱縮冷脹材料