Химическая и физическая отрасли постоянно и неуклонно развиваются. Благодаря этому люди начинают использовать новые возможности и способности, которые становятся доступными после прохождения исследований и аналитики. Так люди стали активно применять металл под названием германий. Именно он стал основой для производства таких элементов, как полупроводники, транзисторы и диоды. В результате этого человечество перешло от использования ламповых устройств к полупроводниковым приборам, обеспечив значительный технический скачок. Именно по этой причине нужно внимательно изучить, что представляет собой этот металл, как производится его добыча. Не менее интересными являются сферы применения элемента.
Содержание:
Описание металла и история
Для того чтобы в полной мере понять все преимущества, которые дает германий в процессе использования, необходимо обратить внимание на то, что представляет собой этот металл. Также интересно посмотреть, как сложилась история его открытия.
Германий является химический элемент с символом Ge в таблице Менделеева. Он имеет атомный номер 32. При визуальном осмотре видно, что это блестящий, серовато-белый металлоид. Он находится в группе углерода. Также нужно отметить, что этот элемент химически похож на соседние компоненты, такие как кремний и олово. Одновременно с этим нужно отметить, что германий – хрупкий.
Он был открыт в конце XIX века и получил название в честь Германии, так как его первооткрывателем являлся Клеменсон Винклер. Нужно отметить, что уникальные свойства германия, такие как полупроводниковые характеристики или коэффициент преломления, а также способность образовывать стабильные оксиды, делают его ценным и востребованным элементом в промышленности и производственной сфере.
Исторические сведения указывают, что еще в 1871 году Менделеев высказывал предположения, которые касались вопросов существования подобного элемента в природе. Он утверждал, что имеется компонент, который по свойствам похож на кремний. В 1885 году профессор минералогии Фрейбергской горной академии Вельсбах открыл на прииске Химмельфюрст новый минерал. Первоначально этот элемент получил название аргиродит по причине наличия в минерале серебра.
После этого Вельсбах попросил Винклера произвести полный анализ образца открытого им минерала. В результате он нашел много интересной информацией. Например, стало известно, что общая сумма составных частей минерала не превышает 93 - 94% от общего количества взятой для анализа навески. По этой причине стало понятно, что в минерале присутствует определенный неизвестный элемент, который не удалось обнаружить в процессе проведения анализа.
Затем была проведена длительная работа, которая к началу 1886 года позволила сделать открытие, открывшее миру соли нового элемента. Ученый также выделил некоторое количество самого элемента в чистом виде. Первое сообщение о сделанном открытии было сопряжено с тем, что Винклер высказал предположение, что новый элемент является аналогом сурьмы и мышьяка. Такое предположение стало поводом для длительных споров и обсуждений, которые не становились тише долгое время. Разногласия удалось решить после того как было установлено, что новый элемент - экасилиций, является тем самым, который предсказан Менделеевым.
Винклер предполагал назвать новый элемент нептунием. Связывал он это, что история его открытия подобна истории открытия планеты Нептун. Интересно то, что она также была предсказана Леверрье. После исследований оказалось, что наименование нептуний (Neptunium) уже было дано одному открытому элементу, который был открыт ошибочно. В результате Винклеру пришлось переименовать открытый им элемент. Так он и получил известное сегодня название германий (Germanium). Наименование не было сразу принято и стало поводом для многочисленных споров. Возражения были высказаны даже некоторыми учеными. Так один из них указывал на тот момент, что это название похоже на название цветка – гераний. Также некоторые ученые предлагали дать новому элементу название ангулярий, поскольку это можно перевести, как угловатым, вызывающим споры. Точку в споре поставил Менделеев. Он в письме к Винклеру поддержал именно название германий.
Теперь нужно немного уделить внимание физическим и химическим свойствам. Причина в том, что они определяют особенности работы с металлом и производственного процесса с его участием. Германий является тугоплавким веществом, которое в обычном состоянии имеет серебристо-белый цвет с характерным металлическим блеском. Нужно учитывать, что этот элемент очень твердый, но одновременно хрупкий. Эти показатели указывают, что его механическая обработка невозможна.
Еще один интересный момент касается того, что металл, если он находится в твердом виде, имеет структуру алмаза. Когда он переходит в жидкую форму, то происходит более плотная упаковка атомов. По этой причине в процессе плавления германия плотность этого металла увеличивается. Также нужно обратить внимание на тот момент, что монокристаллические образцы металла имеют металлический блеск. В результате в этом состоянии цвет элемента можно с уверенностью назвать «металлическим».
В химическом отношении германий демонстрирует активность. Выражается это в том, что он реагирует с большинством известных окислителей. По химическим свойствам рассматриваемый металл очень похож на кремний. Нужно обратить внимание на то, что полупроводниковые свойства германия и кремния существенно различаются. Выражается это в том, что ширина запрещенной зоны для германия составляет 0,78. Этот показатель намного уже, чем для кремния, который имеет показатель 1,12. Этот момент указывает, что имеет место еще большее отклонение свойств германия от свойств диэлектрика, если сравнивать эти показатели, которые присутствуют у кремния. Также это свидетельствует и о существенном, опят же, по сравнению с кремнием, приближении свойств рассматриваемого элемента к свойствам металла.
Теперь нужно указать на то, что германий имеет очень высокое удельное сопротивление. Этим он отличается от типичных металлов. Оно уменьшается с ростом температуры. Электропроводность германия может быть двух типов - электронной (n-тип) и дырочной (p-тип). Интересно то, что тип проводимости определяется качеством присутствующих в рассматриваемом элементе примесей, а величина, соответственно, их количеством.
Также нужно помнить, что металлический германий не взаимодействует с водой и разбавленными кислотами. Плавиковая и концентрированная серная кислоты действуют на него исключительно при нагревании. Одновременно с этим концентрированная азотная кислота вступает в реакцию с этим элементом уже при обычной температуре без дополнительного нагревания. Еще один интересный момент, который следует знать - германий легко растворяется в царской водке. Также нужно учитывать, что элемент взаимодействует с растворами щелочей только тогда, когда к этим компонентам будут добавлены окислители.
При комнатной температуре германий на воздухе не окисляется. Когда температурные показатели будут выше 7000 градусов, то он начинает взаимодействовать с кислородом воздуха. Если превышена и температура плавления, то этот металл сгорает в кислороде, в результате чего образуется GeO2 – оксид германия. Кислоты с этим компонентом в составе не существует. Также после нагревания можно наблюдать, как германий соединяется с галогенами и серой. После завершения реакции образуются тетрагалогениды. Интересно, что с водородом, азотом и углеродом он не взаимодействует.
Добыча и производство
Теперь можно переходить к рассмотрению особенностей добычи и производства этого металла. Исследования показали, что годовой объем производства составляет около 165 т. Из них 120 т было разработано в Китае. Стоимость этого металла высокая и составляет около 2000 долларов за 1 кг. Добывается оксид германия из цинковой руды. После извлечения сырья оно проходит соответствующую подготовку и обработку, только потом можно говорить о том, что был добыт металл. В процессе обработки используется серная кислота, поэтому этап производства нельзя назвать быстрым или простым.
После того как заканчивается реакция и происходит процесс растворения примесей из руды, осуществляется дальнейшая обработка. Она проводится методом отгонки хлоридов металлов. Следующим шагом является осуществление процесса гидролиза. После его завершения можно наблюдать повторное образование оксида германия, который проходит процесс восстановления под влиянием водорода. Только после этого можно говорить о получении чистого германия. Еще один способ получения этого металла предполагает проведение процесса плавления.
Важно отметить, что распространение этого металла оценивается в 6,7 частей на миллион. Основные месторождения находятся в Африке (Намибия, Конго), Германии и Латинской Америке (Боливия).
Существуют и другие минералы, которые содержат в своем составе германий. Основные разновидности: стоттит, шауэртеит и сриарит. По содержанию основного компонента в них не много, поэтому промышленной эксплуатации до настоящего времени эти минералы не имеют.
Двумя основными источниками промышленного производства германия сегодня являются цинковые руды, а также уголь. Месторождением металла является остров Сахалин на востоке России. В меньшем количестве металл можно получить с коксующихся угольных заводов, которые находятся в Украине. Поскольку этого элемента удается добыть немного, то активно рассматриваются и другие месторождения, которые располагаются, например, в Приморском и Красноярском крае. В Китае уголь из Монголии и Линцана вносит существенный вклад в производство германия в этой стране.
Нужно отметить, что ранее германий извлекали из угля в Англии и Германии. Отказаться от добычи этого компонента пришлось в этих странах по соображениям защиты экологии. На современном этапе только Китай можно считать основным поставщиком германия. Он по результатам исследований обеспечивает около 25% потребности рынка. Производится добыча этого элемента из цинковых руд, которые добываются также в Китае.
Традиционные источники цинка в мире - рудник Гордонсвилль (США-Пасминко), Нанисивик (Канада), Астуриана-де-Цинк (Испания) сегодня уже не работают. Также нужно отметить, что в Конго работает плавильный завод в Лубумбаши. Там имеется шлаковый отвал, который, как показал анализ, содержит около 3000 м3 германия. Годовой объем производства можно оценить, примерно, в 5-10 м3 этого ценного металла.
Так как потребность в германии постоянно увеличивается, изучаются и исследуются разнообразные мелкие месторождения. Так, рассматривается возможность извлечения германия из старого цинкового рудника, который находится в Мексике. Интересно то, что он уже прекратил свою деятельность. Также рассматривается вопрос о добыче металла из старого шлакового отвала, который находится в Цумебе (Намибия). Нужно учитывать, что вероятность реализации подобных планов невелика, так как стоимость запуска работ превысит цену добытого металла. В результате добыча в этих небольших месторождениях будет невыгодной.
Также нужно указать, что большинство производителей долгое время работали над тем, чтобы разработать процессы переработки для извлечения германия из внутреннего лома, отслуживших свой срок или сломанных германиевых линз. Также можно было бы получать металл из отходов производства, которое выпускает оптическое волокно. Причина в том, что этот элемент используется в качестве легирующей примеси в сердцевине оптического волокна.
Интересно, что на современном этапе вклад утилизации отходов подшипников, в составе которых присутствует этот металл, оценивается в 30%. Этот показатель во многом зависит от цены на германий. Также получить германий можно из правительственных запасов, которые хранят стратегические металлы и материалы на своих складах. Также в некоторых количествах германий добывается в Канаде, Финляндии, Перу, США. Бельгия не является страной, где добывают этот элемент, но здесь его активно перерабатывают.
Сферы применения
После рассмотрения основных особенностей этого элемента можно перейти к тому, чтобы узнать, в каких сферах его применяют. Германий, благодаря своим химическим и физическим свойствам активно используется в самых перспективных областях. Особое место занимают его полупроводниковые характеристики.
Этот металл является важнейшим компонентом в полупроводниковой промышленности. Элемент применяли для создания первых транзисторов и диодов. Способность металла действовать как полупроводник, то есть проводить электричество при одних условиях и изолировать его при других, стала основной в разработке первых электронных компонентов.
Также нужно указать на тот факт, что именно германий применялся в процессе производства намного чаще, чем кремний. Позднее кремний вернул лидерство, так как диапазон рабочих температур у него оказался выше. Важно отметить, что более высокая подвижность электронов германия делает его ценным для производства специализированных компонентов, в которых на первое место выходит показатель скорости работы.
Другие сферы применения: волоконная оптика, солнечные батареи, химическая промышленность. Здесь металл применяется в качестве эффективных катализаторов. Они позволяют контролировать показатели структуры полимера. Также германий используется в металлургии, например, его добавляют в золотые слитки, чтобы придать им прочности. При добавлении германия к бронзе, меди или олову можно добиться показателей устойчивости к коррозийным процессам. Применяется компонент и в медицине. Известно, что некоторые органические соединения, в составе которых имеется германий, являются пищевыми добавками. Такие разные направления использования позволяют металлу всегда находиться в зоне высокого спроса. Уникальные свойства и характеристики делают его незаменимым компонентом в целом ряде отраслей и направлений. По этой причине можно смело говорить о перспективности элемента на современном этапе производства.