к какой группе относится германий

Германий элемент. Свойства, добыча и применение германия

Назван в честь Германии. Ученый из этой страны открыл элемент и имел право именовать его, как захочет. Так в таблицу Менделеева попал германий.

Автор списка предполагал о существовании элемента, хотел назвать экасилицием, потратил на поиски 15 лет.

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.

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.

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.

При рассмотрении внутреннего строения, металл имеет кубическую структуру. Она отражает расположение атомов в элементарных ячейках.

У 32-го элемента 5 стабильных изотопов. Их наличие – свойство всех элементов подгруппы германия.

Плотность германия составляет 5,3-5,5 граммов на кубический сантиметр. Первый показатель характерен для твердого состояния, второй – для жидкого металла.

В размягченном виде он не только более плотный, но и пластичный. Хрупкое при комнатной температуре вещество становится ковким при 550-ти градусах. Таковы особенности германия.

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 твердых 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 твердой фазах.

По этой же причине, германий нашел применение в зубопротезировании. Хотя, золотые коронки отживают свой век, небольшой спрос на них, все еще, есть.

Если добавить к германию и золоту еще и кремний с алюминием, получаются припои.

Их температура плавления всегда ниже, чем у соединяемых металлов. Так что, можно делать сложные, дизайнерские конструкции.

Добыча германия

Так что, остальным странам, в основном, приходиться закупать сырье. Россия 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.

Поэтому, приходиться извлекать германий по крупицам. В сфалеритах можно найти несколько кило на тонну породы.

В энаргитах на 1000 килограммов приходиться не больше 5 кило германия. В пираргирите в 2 раза больше.

Годовое производство германия колеблется в пределах 100-120 тонн, в зависимости от спроса.

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 слитки длинной не меньше 28-ми сантиметров. Блоки защищают пленкой, поскольку на воздухе они тускнеют. Поликристаллический германий – «почва» для выращивания монокристаллов.

Источник

Металлы IV группы главной подгруппы (Ge, Sn, Pb)

Германий (Germanium)

Германий относится к числу элементов, которые сначала были предсказаны Д.И.Менделеевым и лишь затем открыты. Менделеев поместил элемент, названный им экасилицием, в подгруппу углерода.

В 1885 г. австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах, изучая состав нового минерала серебра, обнаружил, что в нем содержится около 7% какого-то неизвестного элемента. Вскоре немецкому ученому К.А.Винклеру удалось выделить его в виде простого вещества. Он назвал элемент германием в честь своей родины.

Германий встречается в виде примеси к полиметаллическим, никелевым, вольфрамовым рудам, а также в силикатах. В результате сложных и трудоёмких операций по обогащению руды и ее концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO₂, который восстанавливают водородом при 600 до простого вещества: GeO₂ + 2H₂ = Ge + 2H₂O.

Германий – твердое хрупкое вещество серебристого цвета с металлическим блеском (t_пл = 938 о С ), со структурой алмаза и свойствами полупроводника. При комнатной температуре он устойчив к действию воздуха, кислорода, воды, соляной и разбавленной серной кислот. Азотная и концентрированная серная кислота окисляют его до диоксида GeO₂, особенно при нагревании: Ge + 2H₂SO₄ = GeO₂↓ + 2SO₂↑ + 2H₂O

Германий взаимодействует также со щелочами в присутствии перекиси водорода. При этом образуются соли германиевой кислоты – германаты, например:

Соединения германия (II) малоустойчивы. Гораздо более характерны для германия соединения, в которых степень его окисления равна +4.

Германий обладает полупроводниковыми свойствами и с этим связано его основное применение. В технике его используют как материал для диодов, транзисторов, фотоэлементов. На основе пластин из высокочистого германия изготовляют солнечные батареи – устройства, преобразующие световую энергию в электрическую.

Из соединений германия применяют, например, GeO₂, который входит в состав стекол, обладающих высоким коэффициентом преломления и прозрачностью в инфракрасной части спектра.

Олово (Stannum)

В природе олово встречается в виде минерала касситерита SnO₂, месторождения которого довольно редки: в древности его добывали лишь в Испании, на Кавказе и в Китае. Как свидетельствует гомеровский эпос, олово ценилось еще во времена Троянской войны. При прокаливании смеси касситерита с углем олово, благодаря низкой температуре плавления (232 о С ), легко отделялось. Так получают его и в наши дни.

Олово использовали для производства бронзы. Позже, когда человечество освоило выплавку железа, для которой необходима более высокая температура – порядка 1400 орудия из бронзы утратили своё значение.

Олово – мягкий серебристо-белый металл, пластичный и ковкий. Отлитая из олова палочка сгибается с характерным хрустом, вызванным трением друг от друга отдельных кристаллов. Интересно, что ниже 13,2 устойчива другая модификация – серое олово, которое имеет структуру алмаза. Переход белого олова в серое при низкой температуре часто происходит спонтанно, хотя для проведения его в лабораторных условиях требуется ввести небольшую затравку серого олова. Этот переход называют «оловянной чумой»: металл рассыпается в серый порошок, утрачивая металлические свойства. «Оловянная чума» послужила причиной гибели в 1912 г. английской экспедиции под руководством Роберта Скотта, направленной к Южному полюсу: керосин путешественники хранили в сосудах, паянных оловом.

Касситерит

Сплавы олова с сурьмой и медью применяются для изготовления подшипников. Эти сплавы обладают высокими антифрикционными свойствами. Сплавы олова со свинцом – припои – широко применяются для пайки. В качестве легирующего компонента олово входит в некоторые сплавы меди.

На воздухе олово при комнатной температуре не окисляется, но нагретое выше температуры плавления постепенно превращается в диоксид олова SnO₂.

Вода на него не действует. Разбавленные соляная и серная кислоты действуют на него очень медленно, что объясняется большим перенапряжением водорода на этом металле. Концентрированные растворы этих кислот, особенно при нагревании, растворяют олово. При этом в соляной кислоте получается хлорид олова (II), а в серной – сульфат олова (IV):

C азотной кислотой олово взаимодействует тем интенсивнее, чем выше концентрация кислоты и температура. В разбавленной кислоте образуется растворимый нитрат олова (II): 4Sn + 10HNO₃ = 4Sn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

а в концентрированной – соединения олова (IV), главным образом нерастворимая β-оловянная кислота, состав которой приблизительно соответствует формуле H2SnO3:

Концентрированные щелочи также растворяют олово. В этом случае получаются станниты – соли оловянистой кислоты H₂SnO₂:

На воздухе олово покрывается тонкой оксидной пленкой, обладающей защитным действием. Поэтому в условиях несильного коррозионного воздействия оно является стойким металлом. Около 40% всего выплавляемого олова расходуется для покрытия им изделий из железа, соприкасающихся с продуктами питания, прежде всего – консервных банок. Это объясняется указанной химической активностью олова, а также тем, что оно легко наносится на железо и что продукты его коррозии безвредны. Олово образует устойчивые соединения, в которых имеет степень окисления +2 и +4.

Свинец (Plumbum)

В Древнем Риме расплавленным свинцом заливали места стыков каменных блоков и труб водопровода (недаром в английском языке слово plumber – означает «водопроводчик»). Есть предположение, что именно поэтому многие историки отмечали частые отравления водой среди римлян.

Свинцовыми листами покрывали крыши зданий. Свинец шёл на изготовление печатей. Известны сосуды, отлитые из свинца. Плиний Старший в «Естественной истории» описывает и другие области применения этого металла: «В медицине свинец сам по себе применяется для стягивания рубцов, а привязанные в области чресел и почек пластинки из него своей более холодной природой сдерживают вожделения… Нерон… накладывая на грудь такие пластинки, громко произносил мелодекламации, показав этот способ для усиления голоса».

В Средние века считали, что свинец, символом которого была планета Сатурн, может превратиться в золото: ведь свинец очень тяжелый металл. Происхождение латинского названия элемента Plumbum до сих пор вызывает споры среди исследователей.

Галенит

Свинец – тяжелый и легкоплавкий металл синевато-серого цвета, плохо проводящий тепло и электричество. Он обладает удивительной мягкостью – его можно без особых усилий резать ножом. На воздухе свинец тускнеет, покрываясь тонкой плёнкой оксида PbO или основного карбоната Pb₃(OH)₂(CO₃)₂. Вода сама по себе не реагирует со свинцом, но в присутствии воздуха свинец постепенно разрушается водой с образованием гидроксида свинца (II):

Однако при соприкосновении с жесткой водой свинец покрывается защитной пленкой нерастворимых солей (главным образом сульфата и основного карбоната свинца), препятствующей дальнейшему действию воды и образованию гидроксида.

Разбавленные соляная и серная кислоты почти не действуют на свинец. Это связано со значительным перенапряжением выделения водорода на свинце, а также с малой растворимостью хлорида и сульфата свинца, закрывающих поверхность растворяющегося металла. В концентрированной серной кислоте, особенно при нагревании, свинец интенсивно растворяется с образованием растворимой кислой соли Pb(HSO₄)₂.

В азотной кислоте свинец растворяется легко, причем в кислоте невысокой концентрации быстрее, чем в концентрированной. Это объясняется тем, что растворимость продукта коррозии – нитрата свинца – падает с увеличением концентрации кислоты. Сравнительно легко свинец растворяется в уксусной кислоте, содержащей растворенный кислород.

О способности свинца реагировать с уксусом знали уже в древности: из ацетата свинца в Древнем Риме делали свинцовые белила – смесь основных карбонатов свинца. Эту краску можно также получить взаимодействием свинцового сахара (ацетата свинца) с углекислым газом.

В щелочах свинец также растворяется, хотя и с небольшой скоростью; более интенсивно растворение идет в горячих разбавленных растворах. В результате растворения образуются гидроксоплюмбиты, например:

Все растворимые соединения свинца ядовиты.

Для свинца характерны степени окисления +2 и +4. Значительно более устойчивы и многочисленны со степенью окисления свинца +2.

Оксиды свинца

Сегодня около половины всего выплавляемого свинца используют в производстве аккумуляторов. Из свинца изготовляют оболочки кабелей, аппаратуру для химической промышленности, пули. Свинцовые экраны хорошо поглощают радиоактивное и рентгеновское излучения. Свинцовый сурик Pb₃O₄ необходим в производстве красок и эмалей. Оксид свинца (IV) PbO₂, являющийся сильным окислителем, входит в состав спичек. В качестве инициирующего взрывчатого вещества используют азид свинца Pb(N₃)₂ – соль азидоводородной кислоты HN₃.

Источник

Германий, свойства атома, химические и физические свойства

Германий, свойства атома, химические и физические свойства.

72,630(8) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2

Германий — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 32. Расположен в 14-й группе (по старой классификации — главной подгруппе четвертой группы), четвертом периоде периодической системы.

Физические свойства германия

Атом и молекула германия. Формула германия. Строение германия:

Германий – металл. Относится к полуметаллам.

Германий обозначается символом Ge.

Как простое вещество германий при нормальных условиях представляет собой полуметалл серо-белого цвета с металлическим блеском.

Молекула германия одноатомна.

Химическая формула германия Ge.

Строение атома германия. Атом германия состоит из положительно заряженного ядра (+32), вокруг которого по четырем атомным оболочкам движутся 32 электрона. При этом 28 электронов находятся на внутреннем уровне, а 4 электрона – на внешнем. Поскольку германий расположен в четвертом периоде, оболочек всего четыре. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внутренняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. Третья – внутренняя оболочка представлена s-, р- и d-орбиталями. Четвертая – внешняя оболочка представлена s- и р- орбиталями. На внешнем энергетическом уровне атома германия на s-орбитали находятся два спаренных электрона и на p-орбитали – два неспаренных электрона. В свою очередь ядро атома германия состоит из 32 протонов и 41 нейтрона.

Радиус атома германия (вычисленный) составляет 125 пм.

Атомная масса атома германия составляет 72,630(8) а. е. м.

Германий, подобно кремнию, является полупроводником.

Изотопы и модификации германия:

Свойства германия (таблица): температура, плотность, давление и пр.:

205* Эмпирический радиус атома германия согласно [1] и [3] составляет 122 пм и 122,5 пм соответственно.

402* Температура плавления германия согласно [3] и [4] составляет 937,45 °С (1210,6 K, 1719,41 °F) и 937 °C (1210,15 K, 1718,6 °F) соответственно.

403* Температура кипения германия согласно [3] и [4] составляет 2829,85 °С (3103 K, 5125,73 °F) и 2850 °C (3123,15 K, 5162 °F) соответственно.

407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔH_пл) германия согласно [3] и [4] составляет 36,8 кДж/моль и 37 кДж/моль соответственно.

408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔH_кип) германия согласно [3] составляет 328 кДж/моль.

410* Молярная теплоёмкость германия согласно [3] составляет 23,32 Дж/(K·моль).

Физические свойства германия:

Химические свойства германия. Взаимодействие германия. Реакции с германием:

1. Реакция взаимодействия германия и атомарного водорода:

В результате реакции образуется гидрид германия.

2. Реакция взаимодействия германия и кислорода:

В результате реакции образуется оксид германия.

3. Реакция взаимодействия германия и фтора:

В результате реакции образуется фторид германия.

4. Реакция взаимодействия германия и хлора:

В результате реакции образуется хлорид германия.

5. Реакция взаимодействия германия и брома:

Ge + 2Br₂ → GeBr₄ (t = 350 °C).

В результате реакции образуется бромид германия.

6. Реакция взаимодействия германия и йода:

Ge + 2I₂ → GeI₄ (t = 560 °C).

В результате реакции образуется йодид германия.

7. Реакция взаимодействия германия и серы:

Ge + 2S → GeS₂ (t = 600-860 °C),

Ge + S → GeS (t = 1000 °C).

В результате реакции образуется в первом случае сульфид германия (IV), во втором – сульфид германия (II).

8. Реакция взаимодействия германия и селена:

Ge + Se → GeSe (t = 600-700 °C).

В результате реакции образуется селенид германия.

9. Реакция взаимодействия германия и оксида углерода:

Ge + CO₂ → GeO + CO (t = 700-900 °C).

В результате реакции образуются оксид германия (II) и оксид углерода (II).

10. Реакция взаимодействия германия и оксида германия (IV):

GeO₂ + Ge → 2GeO (t = 1350-1400 °C).

В результате реакции образуется оксид германия (II).

11. Реакция взаимодействия германия и оксида серы:

В результате реакции образуются оксид германия (IV) и сульфид германия.

12. Реакция взаимодействия германия и фтороводорода:

В результате реакции образуются фторид германия (II) и водород. В ходе реакции используется жидкий фтороводород. Реакция протекает при избыточном давлении.

13. Реакция взаимодействия германия и сероводорода:

Ge + H₂S → GeS + H₂ (t = 600-800 °C).

В результате реакции образуются сульфид германия (II) и водород.

14. Реакция взаимодействия германия и азотной кислоты:

В результате реакции в первом случае образуются германиевая кислота, оксид азота и вода, во втором – оксид германия, оксид азота и вода. В ходе реакции в обоих случаях используется концентрированная азотная кислота. Вторая реакция протекает медленно.

Аналогичные реакции протекают и с другими минеральными кислотами.

15. Реакция взаимодействия германия и хлорида германия (IV):

В результате реакции образуется хлорид германия (II).

16. Реакция взаимодействия германия, гидроксида натрия и пероксида водорода:

В результате реакции в первом случае образуются германат натрия и вода, во втором гексагидроксогерманат натрия. В ходе реакции в первом случае используется разбавленный раствор гидроксида натрия, во втором – концентрированный раствор гидроксида натрия.

17. Реакция взаимодействия германия, гидроксида калия и пероксида водорода:

В результате реакции образуется гексагидроксогерманат калия.

Источник