Здоровье от природы. Характеристика химического элемента германия
Мини – реферат
«Элемент Германий»
Цель:
Дать характеристику элемента Ge
Дать описание свойств элемента Ge
Рассказать о применение и использовании данного элемента
История элемента ……….………………………………….……. 1
Свойства элемента …..……………………………………..…… 2
Применение ……………….….…………………………………….. 3
Опасность для здоровья ………..………………………....… 4
Источники ………………………….…………………….…………… 5
Из истории элемента..
Г ерманий (лат. Germanium) - химический элемент IV группы, главной подгруппы периодической системы Д.И. Менделеева, обозначается символом Ge, относится к семейству металлов, порядковый номер 32, атомная масса 72,59. Представляет собой твердое вещество серо - белого цвета с металлическим блеском.
Существование и свойства Германия предсказал в 1871 году Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент – «Экасилицием» из-за близости свойств его с кремнием.
В 1886 году немецкий химик К. Винклер, исследуя минерал, нашел, что в нём присутствует какой-то неизвестный элемент, не обнаруживаемый анализом. После упорной работы он открыл соли нового элемента и выделил некоторое количество самого элемента в чистом виде. В первом сообщении об открытии Винклер высказал предположение, что новый элемент является аналогом сурьмы и мышьяка. Винклер предполагал назвать элемент нептунием (Neptunium), но это имя уже было дано одному ложно открытому элементу. Винклер переименовал открытый им элемент на германий (Germanium) в честь своего отечества. И даже Менделеев в письме к Винклеру решительно поддержал название элемента.
Но до второй половины 20 века практическое применение Германия оставалось весьма ограниченным. Промышленное производство этого элемента возникло в связи с развитием полупроводниковой электроники.
Свойства элемента Ge
Для медицинских нужд наиболее широко германий первыми начали применять в Японии. Испытания различных германийорганических соединений в опытах на животных и в клинических испытаниях на людях показали, что они в разной степени положительно влияют на организм человека. Прорыв наступил в 1967 г., когда доктор К. Асаи обнаружил, что органический германий обладает широким спектром биологического действия.
Свойства:
Переносит кислород в тканях организма - германий в крови ведет себя аналогично гемоглобину. Он участвует в процессе переноса кислорода к тканям организма, что гарантирует нормальное функционирование всех систем организма.
стимулирует иммунитет - германий в виде органических соединений способствует продукции гамма-интерферонов, которые подавляют процессы размножения быстро делящихся микробных клеток, и активирует специфические клетки иммунитета (Т-клетки)
противоопухолевое - германий задерживает развитие злокачественных новообразований и препятствует появлению метастазов, а также обладает защитными свойствами против радиоактивного облучения.
биоцидное (противогрибковое, противовирусное, антибактериальное) - органические соединения германия стимулируют продукцию интерферона - защитного белка, вырабатываемого организмом в ответ на внедрение чужеродных тел.
Применение и использование элемента Германий в жизни
В промышленной практике Германий получают преимущественно из побочных продуктов переработки руд цветных металлов. Различными способами, зависящими от состава сырья, получают германиевый концентрат (2-10% Германия). Для выделения очень чистого Германия, используемого в полупроводниковых приборах, проводится зонная плавка металла. Необходимый для полупроводниковой промышленности монокристаллический Германий получают обычно зонной плавкой.
Это один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей. Германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряженность постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения элемента является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения. Перспективны для практического использования многие сплавы, в состав которых входят Германий. Например, стекла на основе GeO 2 и другие соединения Ge. При комнатной температуре Германий устойчив к действию воздуха, воды, растворам щелочей и разбавленных соляной и серной кислот, но легко растворяется в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. А азотной кислотой окисляется медленно.
Сплавы германия, обладающие высокой твердостью и прочностью, используют в ювелирной и зубопротезной технике для прецизионных отливок. Германий присутствует в природе только в связанном состоянии и никогда в свободном. Самые обычные германийсодержащие минералы - это аргиродит и германит Крупные запасы германиевых минералов редки, но сам элемент широко встречается в составе других минералов, особенно в сульфидах (чаще всего в сульфидах цинка и силикатах). Небольшие количества также обнаружены в разных типах каменного угля.
Мировое производство Германия составляет 65 кг в год.
Опасность для здоровья
Профессиональные проблемы со здоровьем могут вызываться рассеиванием пыли в процессе загрузки германиевого концентрата, измельчения и загрузки диоксида для выделения металлического германия и загрузки порошкообразного германия для переплавки в бруски. Другие источники вреда для здоровья - тепловое излучение от трубчатых печей и в процессе переплавки порошкообразного германия в бруски, а также образование угарного газа.
Абсорбированный германий быстро выводится из организма, в основном с мочой. Информации о токсичности неорганических соединений германия для человека мало. Тетрахлорид германия раздражает кожу. В клинических испытаниях и других долговременных случаях перорального приема кумулятивных доз, достигающих 16 г спирогермания - германий-органического антиопухолевого препарата, - или других германиевых соединений, была отмечена нейротоксическая и нефротоксическая активность. Таким дозам обычно не подвергаются в условиях производства. Эксперименты на животных с целью определения воздействия германия и его соединений на организм показали, что пыль металлического германия и диоксида германия при вдыхании в высоких концентрациях приводит к общему ухудшению здоровья (ограничение прироста веса). В легких животных были обнаружены морфологические изменения, аналогичные пролиферативным реакциям, таким как утолщение альвеолярных разделов и гиперплазия лимфатических сосудов вокруг бронхов и кровеносных сосудов. Диоксид германия не раздражает кожу, но при контакте с влажной слизистой оболочкой глаза он образует германиевую кислоту, которая действует как глазной раздражитель. Продолжительные внутрибрюшинные инъекции в дозах 10 мг/кг приводят к изменениям в периферической крови.
Наиболее вредные соединения германия - это гидрид германия и хлорид германия. Гидрид может вызывать острое отравление. Морфологические обследования органов животных, погибших при острой фазе, выявили нарушения в системе кровообращения и дегенеративные клеточные изменения в паренхиматозных органах. Таким образом, гидрид является многоцелевым ядом, поражающим нервную систему и систему периферийного кровообращения.
Тетрахлорид германия - сильный раздражитель дыхательной системы, кожи и глаз. Пороговая концентрация – 13мг/м 3 . В этой концентрации он подавляет у экспериментальных животных легочный ответ на клеточном уровне. В больших концентрациях он приводит к раздражению верхних дыхательных путей и конъюнктивиту, а также к изменениям в частоте и ритме дыхания. У животных, переживших острое отравление, развились катарально-десквамативный бронхит и интерстициальная пневмония несколькими днями позже. Хлорид германия также обладает общим токсическим эффектом. Морфологические изменения наблюдались в печени, почках и других органах животных.
Источники всей представленной информации
Германий (лат. Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 32, атомная масса 72,59; твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Природный Германий представляет собой смесь пяти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76. Существование и свойства Германия предсказал в 1871 году Д. И. Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент экасилицием из-за близости свойств его с кремнием. В 1886 году немецкий химик К. Винклер обнаружил в минерале аргиродите новый элемент, который назвал Германием в честь своей страны; Германий оказался вполне тождествен экасилицию. До второй половины 20 века практическое применение Германия оставалось весьма ограниченным. Промышленное производство Германия возникло в связи с развитием полупроводниковой электроники.
Общее содержание Германий в земной коре 7·10 -4 % по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Однако собственные минералы Германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4 , аргиродит Ag 8 GeS 6 , конфильдит Ag 8 (Sn, Ge)S 6 и другие. Основная масса Германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых оксидных минералах (хромите, магнетите, рутиле и других), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, Германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти.
Физические свойства Германия. Германий кристаллизуется в кубической структуре типа алмаза, параметр элементарной ячейки а = 5, 6575Å. Плотность твердого Германий 5,327 г/см 3 (25°С); жидкого 5,557 (1000°С); t пл 937,5°С; t кип около 2700°С; коэффициент теплопроводности ~60 Вт/(м·К),или 0,14 кал/(см·сек·град) при 25°С. Даже весьма чистый Германий хрупок при обычной температуре, но выше 550°С поддается пластической деформации. Твердость Германия по минералогической шкале 6-6,5; коэффициент сжимаемости (в интервале давлений 0-120 Гн/м 2 , или 0-12000 кгс/мм 2) 1,4·10 -7 м 2 /мн (1,4·10 -6 см 2 /кгс); поверхностное натяжение 0,6 н/м (600 дин/см). Германий - типичный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,104·10 -19 дж или 0,69 эв (25°С); удельное электросопротивление Германия высокой чистоты 0,60 ом·м (60 ом·см) при 25°С; подвижность электронов 3900 и подвижность дырок 1900 см 2 /в·сек (25°С) (при содержании примесей менее 10 -8 %). Прозрачен для инфракрасных лучей с длиной волны больше 2 мкм.
Химические свойства Германия. В химические соединениях Германий обычно проявляет валентности 2 и 4, причем более стабильны соединения 4-валентного Германия. При комнатной температуре Германий устойчив к действию воздуха, воды, растворам щелочей и разбавленных соляной и серной кислот, но легко растворяется в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. Азотной кислотой медленно окисляется. При нагревании на воздухе до 500-700°С Германий окисляется до оксидов GeO и GeO 2 . Оксид Германия (IV) - белый порошок с t пл 1116°C; растворимость в воде 4,3 г/л (20°С). По химическиv свойствам амфотерна, растворяется в щелочах и с трудом в минеральных кислотах. Получается прокаливанием гидратного осадка (GeO 3 ·nH 2 O), выделяемого при гидролизе тетрахлорида GeCl 4 . Сплавлением GeO 2 с других оксидами могут быть получены производные германиевой кислоты - германаты металлов (Li 2 GeO 3 , Na 2 GeO 3 и другие) - твердые вещества с высокими температурами плавления.
При взаимодействии Германия с галогенами образуются соответствующие тетрагалогениды. Наиболее легко реакция протекает с фтором и хлором (уже при комнатной температуре), затем с бромом (слабое нагревание) и с иодом (при 700-800°С в присутствии СО). Одно из наиболее важных соединений Германия тетрахлорид GeCl 4 - бесцветная жидкость; t пл -49,5°С; t кип 83,1°С; плотность 1,84 г/см 3 (20°С). Водой сильно гидролизуется с выделением осадка гидратированного оксида (IV). Получается хлорированием металлического Германия или взаимодействием GeO 2 с концентрированной НСl. Известны также дигалогениды Германия общей формулы GeX 2 , монохлорид GeCl, гексахлордигерман Ge 2 Cl 6 и оксихлориды Германия (например, СеОСl 2).
Сера энергично взаимодействует с Германием при 900-1000°С с образованием дисульфида GeS 2 - белого твердого вещества, t пл 825°С. Описаны также моносульфид GeS и аналогичные соединения Германия с селеном и теллуром, которые являются полупроводниками. Водород незначительно реагирует с Германием при 1000-1100°С с образованием гермина (GeH) Х - малоустойчивого и легко летучего соединения. Взаимодействием германидов с разбавленной соляной кислотой могут быть получены германоводороды ряда Ge n H 2n+2 вплоть до Ge 9 H 20 . Известен также гермилен состава GeH 2 . С азотом Германий непосредственно не реагирует, однако существует нитрид Gе 3 N 4 , получающийся при действии аммиака на Германий при 700-800°С. С углеродом Германий не взаимодействует. Германий образует соединения со многими металлами - германиды.
Известны многочисленные комплексные соединения Германия, которые приобретают все большее значение как в аналитической химии Германия, так и в процессах его получения. Германий образует комплексные соединения с органическими гидроксилсодержащими молекулами (многоатомными спиртами, многоосновными кислотами и другими). Получены гетерополикислоты Германия. Так же, как и для других элементов IV группы, для Германия характерно образование металлорганических соединений, примером которых служит тетраэтилгерман (С 2 Н 5) 4 Ge 3 .
Получение Германия. В промышленного практике Германий получают преимущественно из побочных продуктов переработки руд цветных металлов (цинковой обманки, цинково-медно-свинцовых полиметаллических концентратов), содержащих 0,001-0,1% Германия. В качестве сырья используют также золы от сжигания угля, пыль газогенераторов и отходы коксохимических заводов. Первоначально из перечисленных источников различными способами, зависящими от состава сырья, получают германиевый концентрат (2-10% Германия). Извлечение Германия из концентрата обычно включает следующие стадии: 1) хлорирование концентрата соляной кислотой, смесью ее с хлором в водной среде или других хлорирующими агентами с получением технического GeCl 4 . Для очистки GеСl 4 применяют ректификацию и экстракцию примесей концентрированной НСl. 2) Гидролиз GeCl 4 и прокаливание продуктов гидролиза до получения GeO 2 . 3) Восстановление GeO 2 водородом или аммиаком до металла. Для выделения очень чистого Германия, используемого в полупроводниковых приборах, проводится зонная плавка металла. Необходимый для полупроводниковой промышленности монокристаллический Германий получают обычно зонной плавкой или методом Чохральского.
Применение Германия. Германий - один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей. Монокристаллический Германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряженность постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения Германия является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения, работающих в области 8-14 мкм. Перспективны для практическое использования многие сплавы, в состав которых входят Германий, стекла на основе GeO 2 и другие соединения Германия.
На момент создания периодической таблицы германий еще открыт не был, но Менделеев предсказал его существование. А спустя 15 лет после доклада в одной из шахт Фрайберга обнаружили неизвестный минерал, в 1886 году из него выделили новый элемент. Заслуга принадлежит немецкому химику Винклеру, давшему элементу имя своей родины. Даже при множестве полезных свойств германия, среди которых нашлось место и лечебным, использовать его начали только в начале Второй мировой войны, и то не очень активно. Поэтому даже сейчас нельзя сказать, что элемент хорошо изучен, но некоторые его способности уже доказаны и успешно применяются.
Лечебные свойства германия
В чистом виде элемент не встречается, выделение его трудоемко, поэтому при первой возможности его заменяли более дешевыми компонентами. Сначала его использовали в диодах и транзисторах, но кремний оказался более удобным и доступным, поэтому изучение химических свойств германия продолжилось. Сейчас он входит в состав термоэлектрических сплавов, применяется в СВЧ-устройствах, инфракрасной технике.
Медицина тоже заинтересовалась новым элементом, но значимый результат удалось получить только в конце 70-х годов прошлого века. Японским специалистам удалось открыть лечебные свойства германия и наметить пути их применения. После испытаний на животных и клинических наблюдений влияния на человека выяснилось, что элемент способен:
- стимулировать ;
- доставлять кислород к тканям;
- бороться с опухолями;
- увеличивать проводимость нервных импульсов.
Сложность использования состоит в токсичности германия в больших дозах, поэтому требовался препарат, способный оказывать позитивное влияние на определенные процессы в организме с минимальным вредом. Первым стал «Германий-132», который помогает улучшать иммунный статус человека, помогает избежать недостатка кислорода в случае падения уровня гемоглобина. Также опыты показали влияние элемента на производство интерферонов, которые противостоят быстро делящимся (опухолевым) клеткам. Польза наблюдается только при введении внутрь, ношение ювелирных изделий с германием никакого эффекта не даст.
Недостаток германия снижает природные способности организма противостоять внешним воздействиям, что приводит к различным нарушениям. Рекомендуемая суточная доза составляет 0,8-1,5 мг. Получить необходимый элемент можно при регулярном употреблении молока, лососины, грибов, чеснока и бобов.
Назван в честь Германии. Ученый из этой страны открыл и имел право именовать его, как захочет. Так в попал германий .
Однако, посчастливилось не Менделееву, а Клеменсу Винклеру. Ему поручили изучить аргиродит. Новый минерал, состоящий, в основном, из , нашли на прииске Химмельфюрст.
Винклер определил 93% состава камня и зашел в тупик с оставшимися 7%. Напрашивался вывод, что в них входит неизвестный элемент.
Более тщательный анализ принес плоды, — был открыт германий . Это металл. Чем он пригодился человечеству? Об этом, и не только, расскажем далее.
Свойства германия
Германий – 32 элемент таблицы Менделеева . Получается, металл входит в 4-ю группу. Номер соответствует валентности элементов.
То есть, германий склонен образовывать 4 химических связи. Это делает элемент, открытый Винклером, похожим на .
Отсюда и желание Менделеева назвать еще неоткрытый элемент экосилицием, обозначаемым, как Si. Дмитрий Ивановичь заранее просчитал свойства 32-го металла.
На кремний германий похож химическими свойствами. С кислотами реагирует только при нагревании. Со щелочами «общается» в присутствии окислителей.
Устойчив к парам воды. Не вступает в реакции с водородом, углеродом, . Загорается германий при температуре в 700-от градусов Цельсия. Реакция сопровождается образованием диоксида германия.
32-ой элемент легко взаимодействует с галогенами. Это солеобразующие вещества из 17 группы таблицы.
Дабы не запутаться, укажем, что ориентируемся на новый стандарт. В старом, это 7-я группа таблицы Менделеева.
Какой бы ни была таблица, металлы в ней располагаются слева от ступенчатой диагональной линии. 32-ой элемент – исключение.
Еще одно исключение – . С ней тоже возможна реакция. Сурьма осаждается на подложке.
Активное взаимодействие обеспеченно и с . Как большинство металлов, германий способен гореть в ее парах.
Внешне элемент германий , серовато-белый, с выраженным металлическим блеском.
При рассмотрении внутреннего строения, металл имеет кубическую структуру. Она отражает расположение атомов в элементарных ячейках.
Они имеют форму кубов. Восемь атомов располагаются в вершинах. Строение близко к решетке .
У 32-го элемента 5 стабильных изотопов. Их наличие – свойство всех элементов подгруппы германия.
Они четные, что и обуславливает присутствие стабильных изотопов. У , к примеру, их 10.
Плотность германия составляет 5,3-5,5 граммов на кубический сантиметр. Первый показатель характерен для состояния, второй – для жидкого металла.
В размягченном виде он не только более плотный, но и пластичный. Хрупкое при комнатной температуре вещество становится при 550-ти градусах. Таковы особенности германия.
Твердость металла при комнатной температуре составляет около 6 баллов по .
В таком состоянии 32-ой элемент является типичным полупроводником. Но, свойство становится «ярче» при повышении температуры. Просто проводники, для сравнения, теряют свои свойства при нагреве.
Германий проводит ток не только в стандартном виде, но и в растворах.
По полупроводниковым свойствам 32-ой элемент, так же, близок кремнию и столь же распространен.
Однако, сферы применения веществ разнятся. Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, в том числе, и тонкопленочного типа.
Элемент нужен, так же, для фотоэлементов. Теперь, рассмотрим, где пригождается германий.
Применение германия
Германий применяют в гаммо-спектроскопии. Ее приборы позволяют, к примеру, изучить состав добавок в смешанных окислах катализаторов.
В прошлом, германий добавляли в диоды и транзисторы. В фотоэлементах свойства полупроводника тоже пригождаются.
Но, если кремний добавляют в стандартные модели, то германий – в высокоэффективные, нового поколения.
Главное, не использовать германий при температуре близкой к абсолютному нулю. В таких условиях металл теряет способность передавать напряжение.
Чтобы германий был проводником, примесей в нем должно быть не более 10%. Идеален ультрачистый химический элемент.
Германий делают таким методом зонной плавки. Она основана на различной растворимости сторонних элементов в жидкой и фазах.
Формула германия позволяет применять его и в деле. Здесь речь уже не о полупроводниковых свойствах элемента, а о его способности придать твердость .
По этой же причине, германий нашел применение в зубопротезировании. Хотя, коронки отживают свой век, небольшой спрос на них, все еще, есть.
Если добавить к германию и еще и кремний с алюминием, получаются припои.
Их температура плавления всегда ниже, чем у соединяемых металлов. Так что, можно делать сложные, дизайнерские конструкции.
Даже интернет без германия был бы невозможен. 32-ой элемент присутствует в оптоволокне. В его сердцевине находится кварц с примесью героя .
А его двуокись увеличивает отражательные способности оптоволокна. Учитывая спрос на него, , электронику, германий нужен промышленникам в больших объемах. Каких именно, и как их обеспечивают, изучим ниже.
Добыча германия
Германий довольно распространен. В земной коре 32-го элемента, к примеру, больше, чем , сурьмы, или .
Разведанные запасы – около 1 000 тонн. Почти половина из них сокрыта в недрах США. Еще 410 тонн – достояние .
Так что, остальным странам, в основном, приходиться закупать сырье. сотрудничает с Поднебесной. Это обосновано и с политической точки зрения, и с позиции экономии.
Свойства элемента германий , связанные с его геохимическим родством с широко распространенными веществами, не позволяют металлу образовывать собственные минералы.
Обычно, металл внедряется в решетку уже существующих . Много места гость, естественно, не займет.
Поэтому, приходиться извлекать германий по крупицам. В можно найти несколько кило на тонну породы.
В энаргитах на 1000 килограммов приходиться не больше 5 кило германия. В пираргирите в 2 раза больше.
В тонне сульванита 32-го элемента содержится не больше 1 килограмма. Чаще всего, германий извлекают в качестве побочного продукта из руд других металлов, к примеру, , или цветных, таких как хромит, магнитит, рутит.
Годовое производство германия колеблется в пределах 100-120 тонн, в зависимости от спроса.
В основном, закупается монокристаллическая форма вещества. Именно такая нужна для производства спектрометров, оптоволокна, драгоценных . Узнаем расценки.
Цена германия
Монокристаллический германий, в основном, закупают тоннами. Для больших производств это выгодно.
1 000 килограммов 32-го элемента стоит около 100 000 рублей. Можно найти предложения за 75 000 – 85 000.
Если брать поликристаллический, то есть, с агрегатами меньшего размера и повышенной прочностью, можно отдать в 2,5 раза больше всего за кило сырья.
Стандартны длинной не меньше 28-ми сантиметров. Блоки защищают пленкой, поскольку на воздухе они тускнеют. Поликристаллический германий – «почва» для выращивания монокристаллов.