გერმანიუმი

გერმანიუმი

32Ge

72.630

3d10 4s2 4p2

გერმანიუმი (ლათ. Germanium; ქიმიური სიმბოლო — ${\ce {Ge}}$), 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, t_დნ — 938.25 °C, t_დუღ — 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.

გერმანიუმი, ₃₂Ge

ზოგადი თვისებები
მარტივი ნივთიერების ვიზუალური აღწერა	მოვერცხლისფრო-თეთრი
სტანდ. ატომური წონა Ar°(Ge)	72.630±0.008 72.630±0.008 (დამრგვალებული)
გერმანიუმი პერიოდულ სისტემაში
წყალბადი ჰელიუმი ლითიუმი ბერილიუმი ბორი ნახშირბადი აზოტი ჟანგბადი ფთორი ნეონი ნატრიუმი მაგნიუმი ალუმინი სილიციუმი ფოსფორი გოგირდი ქლორი არგონი კალიუმი კალციუმი სკანდიუმი ტიტანი ვანადიუმი ქრომი მანგანუმი რკინა კობალტი ნიკელი სპილენძი თუთია გალიუმი გერმანიუმი დარიშხანი სელენი ბრომი კრიპტონი რუბიდიუმი სტრონციუმი იტრიუმი ცირკონიუმი ნიობიუმი მოლიბდენი ტექნეციუმი რუთენიუმი როდიუმი პალადიუმი ვერცხლი კადმიუმი ინდიუმი კალა სტიბიუმი ტელური იოდი ქსენონი ცეზიუმი ბარიუმი ლანთანი ცერიუმი პრაზეოდიმი ნეოდიმი პრომეთიუმი სამარიუმი ევროპიუმი გადოლინიუმი ტერბიუმი დისპროზიუმი ჰოლმიუმი ერბიუმი თულიუმი იტერბიუმი ლუტეციუმი ჰაფნიუმი ტანტალი ვოლფრამი რენიუმი ოსმიუმი ირიდიუმი პლატინა ოქრო ვერცხლისწყალი თალიუმი ტყვია ბისმუტი პოლონიუმი ასტატი რადონი ფრანციუმი რადიუმი აქტინიუმი თორიუმი პროტაქტინიუმი ურანი (ელემენტი) ნეპტუნიუმი პლუტონიუმი ამერიციუმი კიურიუმი ბერკელიუმი კალიფორნიუმი აინშტაინიუმი ფერმიუმი მენდელევიუმი ნობელიუმი ლოურენსიუმი რეზერფორდიუმი დუბნიუმი სიბორგიუმი ბორიუმი ჰასიუმი მეიტნერიუმი დარმშტადტიუმი რენტგენიუმი კოპერნიციუმი ნიჰონიუმი ფლეროვიუმი მოსკოვიუმი ლივერმორიუმი ტენესინი ოგანესონი Si ↑ Ge ↓ Sn გალიუმი ← გერმანიუმი → დარიშხანი
ატომური ნომერი (Z)	32
ჯგუფი	14
პერიოდი	4 პერიოდი
ბლოკი	p-ბლოკი
ელექტრონული კონფიგურაცია	[Ar] 3d10 4s2 4p2
ელექტრონი გარსზე	2, 8, 18, 4
ელემენტის ატომის სქემა
ფიზიკური თვისებები
აგრეგეგატული მდგომ. ნსპ-ში	მყარი სხეული
დნობის ტემპერატურა	938.25 °C ​(1211.40 K, ​​1720.85 °F)
დუღილის ტემპერატურა	2833 °C ​(3106 K, ​​5131 °F)
სიმკვრივე (ო.ტ.)	5.323 გ/სმ3
სიმკვრივე (ლ.წ.)	5.60 გ/სმ3
დნობის კუთ. სითბო	36.94 კჯ/მოლი
აორთქ. კუთ. სითბო	334 კჯ/მოლი
მოლური თბოტევადობა	23.222 ჯ/(მოლი·K)
ნაჯერი ორთქლის წნევა P (პა) 1 10 100 1 k 10 k 100 k T (K)-ზე 1644 1814 2023 2287 2633 3104
ატომის თვისებები
ჟანგვის ხარისხი	−4, −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3, +4
ელექტროდული პოტენციალი
ელექტრო­უარყოფითობა	პოლინგის სკალა: 2.01
იონიზაციის ენერგია	1: 762 კჯ/მოლ 2: 1537.5 კჯ/მოლ 3: 3302.1 კჯ/მოლ
ატომის რადიუსი	ემპირიული: 122 პმ
კოვალენტური რადიუსი (rcov)	122 პმ
ვან-დერ-ვალსის რადიუსი	211 პმ
გერმანიუმის სპექტრალური ზოლები
სხვა თვისებები
ბუნებაში გვხვდება	პირველადი ნუკლიდების სახით
მესრის სტრუქტურა	აჟურული
ბგერის სიჩქარე	5400 მ/წმ (20 °C)
თერმული გაფართოება	6.0 µმ/(მ·K)
თბოგამტარობა	60.2 ვტ/(მ·K)
კუთრი წინაღობა	1 ნომ·მ (20 °C)
მაგნეტიზმი	დიამაგნეტიკი
მაგნიტური ამთვისებლობა	3004231600000000000♠−76.84×10−6 სმ3/მოლ
იუნგას მოდული	103 გპა
წანაცვლების მოდული	41 გპა
დრეკადობის მოდული	75 გპა
პუასონის კოეფიციენტი	0.26
მოოსის მეთოდი	6.0
CAS ნომერი	7440-56-4
ისტორია
სახელწოდება მომდინარეობს	after Germany, homeland of the discoverer
იწინასწარმეტყველა	დიმიტრი მედვედევი (1869)
აღმომჩენია	Clemens Winkler (1886)
გერმანიუმის მთავარი იზოტოპები
იზო­ტოპი გავრცე­ლება­დობა ნახევ. დაშლა (t1/2) რადიო. დაშლა პრო­დუქტი 68Ge სინთ 7002270800000000000♠270.8 დღ-ღ ε 68Ga 70Ge 20.52% სტაბილური 71Ge სინთ 7001113000000000000♠11.3 დღ-ღ ε 71Ga 72Ge 27.45% სტაბილური 73Ge 7.76% სტაბილური 74Ge 36.52% სტაბილური 76Ge 7.75% 7021178000000000000♠1.78×1021 წ β−β− 76Se
გერმანიუმი ვიკისაწყობში •

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 7×10⁻⁴% 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 6×10⁻⁵ 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 სტრუქტურა.

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) E_g = 0,67 ევ
• საკუთარი კონცენტრაცია n_i=2,33×10¹³ სმ⁻³
• ეფექტური მასა:
  • ელექტრონების, გრძივი: m_II=1,58m₀, m_II=1,64m₀
  • ელექტრონების, განივი: m_┴=0,0815m₀ , m_┴=0,082m₀
  • ხვრელების, მძიმეების: m_hh=0,379m₀
  • ხვრელების, მჩატეების: m_hl=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 1,58×10²¹ 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 $GeH_{2}$
  • გერმანი $GeH_{4}$
  • დიგერმანი $Ge_{2}H_{6}$
  • ტრიგერმანი $Ge_{3}H_{8}$

• ოქსიდები
  • გერმანიუმის ოქსიდი(II) $GeO$
  • გერმანიუმის ოქსიდი (IV) $GeO_{2}$

• ჰიდროქსიდები
  • გერმანიუმის ჰიდროქსიდი(II) $Ge(OH)_{2}$

• მარილები
  • ჰალოგენიდები
    • გერმანიუმის ბრომიდი(IV) $GeBr_{4}$
    • გერმანიუმის იოდიდი(II) $GeI_{2}$
    • გერმანიუმის იოდიდი(IV) $GeI_{4}$
    • გერმანიუმის ფტორიდი(IV) $GeF_{4}$
    • გერმანიუმის ქლორიდი(IV) $GeCl_{4}$
  • გერმანიუმის ნიტრიდი(IV) $Ge_{3}N_{4}$
  • გერმანიუმის სულფიდი (II) $GeS$
  • გერმანიუმის სულფიდი (IV) $GeS_{2}$
  • გერმანიუმის სულფატი (IV) $Ge(SO_{4})_{2}$

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 (გერმ. Clemens Winkler) 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

ფასები

წელი	ფასი ($/კგ)
1999	1 400
2000	1 250
2001	890
2002	620
2003	380
2004	600
2005	660
2006	880
2007	1 240
2008	1 490
2009	950

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 დაარქივებული 2017-03-10 საიტზე Wayback Machine.

სქოლიო

პორტალი ქიმია