Герма́ний (лат. Germanium, от лат. Germania – Германия), Ge, химический элемент IV группы короткой формы (14-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 32, атомная масса 72,64. В природе пять стабильных нуклидов: ⁷⁰Ge (20,84 % по массе), ⁷²Ge (27,54 %), ⁷³Ge (7,73 %), ⁷⁴Ge (36,28 %) и ⁷⁶Ge (7,61 %). Германий относится к редким и рассеянным элементам; его содержание в земной коре 1,5·10^–4 % по массе; минералы германия аргиродит, германит, рениерит и плюмбогерманит очень редки. В качестве примеси германий содержится в силикатах, полиметаллических рудах, нефтях и природных углях.

Историческая справка

Существование германия («экасилиция») предсказал в начале 1870-х гг. Д. И. Менделеев, он также описал некоторые свойства этого элемента. В 1886 г. К. Винклер выделил из минерала аргиродита новый элемент, который назвал в честь своей родины.

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома германия 4s²4p²; в соединениях обычно проявляет степень окисления +4, редко +1, +2, +3 и –4; электроотрицательность по Полингу 2,01; атомный радиус 125 пм, радиус иона Ge⁴⁺ 67 пм (координационное число 6).

При нормальных условиях германий – светло-серое вещество с металлическим блеском, хрупкое и твёрдое. Существует в виде нескольких полиморфных модификаций; для наиболее устойчивой кристаллической модификации Ge I с кубической решёткой типа алмаза t_пл 938,3 °C, t_кип 2820 °C, плотность 5330 кг/м³ (25 °C). Германий обладает полупроводниковыми свойствами; ширина запрещённой зоны 0,66 эВ (300 К). Прозрачен для ИК-излучения с длиной волны выше 2 мкм.

Германий устойчив в атмосферном воздухе, при сильном нагревании реагирует с кислородом (образуются оксиды GeO₂ и GeO) и серой (сульфиды GeS и GeS₂). При взаимодействии германий с галогенами в зависимости от условий проведения реакции получаются тетрагалогениды (например, тетрахлорид GeCl₄) и дигалогениды (например, дииодид GeI₂). Германий реагирует с азотной кислотой, горячими растворами щелочей (реакция протекает быстро в присутствии окислителей, например пероксида водорода). Диоксид GeO₂ известен в аморфной и двух кристаллических модификациях. Оксиды GeO₂ и GeО обладают амфотерными свойствами и реагируют с растворами кислот и щелочей. Взаимодействие оксидов германия со щелочами приводит к образованию германатов. Германий образует неустойчивые токсичные газообразные германоводороды, для которых существуют гомологические ряды Ge_nH_2n+2, Ge_nH_2n и др. (n=1–10). Со многими металлами германий образует германиды, например германид ванадия V₃Ge, обладающий сверхпроводящими свойствами, и германид марганца Mn₅Ge₃, который является ферромагнетиком. Германий образует германийорганические соединения.

Образец германия.Образец германия.

Получение

Сырьём для получения германия служат отходы переработки руд цветных металлов, зола от сжигания углей. Из этого сырья методом соосаждения выделяют концентрат германия, обрабатывают концентрированной HCl, дистилляцией извлекают GeCl₄, который очищают и гидролизуют. Полученный диоксид GeO₂ восстанавливают водородом при нагревании. Для получения германия высокой чистоты используют зонную плавку и направленную кристаллизацию. Методом направленной кристаллизации выращивают монокристаллы германия, которые в процессе роста легируют микропримесями (сурьма, галлий, мышьяк, кремний и др.) для придания требуемых полупроводниковых свойств; содержание примесей 10^–4–10^–3 %. Мировое производство германия превышает 140 тыс. кг/год (2021).

Применение

Монокристаллический германий используют для изготовления диодов, транзисторов, фотодиодов, термо- и фоторезисторов, детекторов ионизирующих излучений и др. Диоксид GeO₂ применяют как материал волоконной оптики, а также при изготовлении стёкол, прозрачных для ИК-излучения.