Мазмұны

7.1 Жалпы мәліметтер

1970 жылы Д. И. Менделеев өзінің ашқан периодтық заңы негізінде сол кездегі белгісіз IV топтың шартты түрде "экасилиций" деп аталатын элементінің қасиеттерін барынша дәлдікпен болжады. 15 жыл өткенде, яғни 1886 жылы Винклер \(4\text{Ag}_2\text{S} \times \text{GeS}_2\) аргидродит минералында германий деп аталатын жаңа элементті ашқан. Оның қасиеттері Д.И.Менделеев болжаған экасилицийдің қасиеттерімен сәйкес келді.
Іс жүзінде германийге деген қызығушылық екінші дүниежүзілік соғыс кезінде жартылай өткізгіш электрониканың дамуына байланысты пайда болды. Техниканың осы саласы үшін жоғары тазалықтағы германийді өнеркәсіптік өндіру 1945-1950 жылдары жолға қойылды.
Ашық-сары түсті элементарлы германий алмаз типті кубтық торда \(a=0,5657 \, \text{нм}\) кезеңімен кристалданады. Германийдің әрбір атомын тетраэдрдің шыңында бір-біріне бірдей қашықтықта орналасқан көршілес атомдар айналдырып тұрады және де атомдар арасындағы байланыс жұп валентті электрондармен жүзеге асады (гомеополярлы байланыс).
Германийдің қасиеттері: Тіпті ең таза германий бөлме температурасында өте сынғыш келеді, бірақ \(550 \, ^\circ\text{C}\)-тан жоғары температурада деформацияға беріледі.
Аса таза германийдің келтірілген меншікті кедергісінің мәні оның өзінің өткізгіштігіне жақын. Қоспалар бұл сипаттаманы қатты төмендетеді. Температураны жоғарылатқанда меншікті кедергі (барлық жартылай өткізгіштердегі сияқты) төмендейді.
Таза тығыз германий ауада қалыпты температурада тұрақты болып келеді және \(600-700 \, ^\circ\text{C}\)-та германий диоксидін түзе отырып тез тотығыды. Азотпен әрекеттеспейді, аммиакпен \(700-800 \, ^\circ\text{C}\)-да \(\text{Ge}_3\text{N}_2\) германий нитридін түзеді. Қатты германий сутекпен іс жүзінде балқыту температурасына дейін әрекеттеспейді, балқыған германий – сутекті сіңіріп алады. \(1000-1100 \, ^\circ\text{C}\) температурада аз ғана мөлшерде германийдің ұшқыш гидридтері (германосутектер) пайда болады.
Хлор қалыпты температурада германий ұнтағымен белсенді әрекеттеседі, ал тұтас германиймен - \(150-180 \, ^\circ\text{C}\) температурада \(\text{GeCl}_4\) түзе отырып әрекеттеседі. Күкірт булары германиймен \(200-300 \, ^\circ\text{C}\)-та, ал күкіртсутек \(600 \, ^\circ\text{C}\)-та моносульфид \(\text{GeS}\) түзе отырып әрекеттеседі.

2.13-кесте. Германийдің физикалық қасиеттері
Атомдық нөмірі 32
Атомдық массасы 72,6
Тығыздығы, г/см3,
25 ℃, қатты 5,323
Тығыздығы, г/см3,
1000 ℃, сұйық 5,557
Балқыту кезіндегі көлемнің азаюы,% 5,5
Балқу температурасы, ℃ 958,5
Қайнау температурасы, ℃ 2690
3000С,Дж(г * ℃ )-де меншікті жылу сыйымдылығы 0,321
Минералдық шкаласы бойынша қаттылығы 6-6,5
Жылу нейтрондарын ұстау қимасы n * 10 24, см2 2,8
Электронды потенциал (сутек шкаласы бойынша), В -0,15
*Қозғалғыштық см2 /(В * с)
электрондардың μ n
тесіктердің μp
3900
1900
25℃, Ом *см жағдайдағы монокристалды аса таза германийдің меншікті кедергісі

55 - 60
*Қозғалғыштық заряд тасымалдаушылардың μ қозғалғыштығы 1 В кернеулі электр өрісіндегі электрондардың немесе тесіктердің дрейфінің (қозғалысының) жылдамдығын сипаттайды.

Германий суда, тұзды және сұйытылған күкірт қышқылдарында тұрақты болып келеді. Концентрацияланған \(\small \text{H}_2\text{SO}_4\) германийді баяу ерітеді, азот қышқылы гидратталған диоксид түзе \((\small \text{GeO}_2 \times n\text{H}_2\text{O})\) отырып әрекеттеседі. Патша арағында германий оңай ериді. Сутегі пероксиді германийді ерітіп германий қышқылы ерітіндісін түзеді.
Германий графитпен және кварцпен 1500 ℃-қа дейін әрекеттеспейді, бұл қасиет осы материалдарды таза германий алу технологияларында пайдалануға мүмкіндік береді.
Германий қосылыстарының қасиеттері
Германийдің тотығу дәрежесі +4 және +2 қосылыстары белгілі, бұлардың біріншісі анағұрлым тұрақты болып келеді. Төменде германийдің технологияға анағұрлым маңызды қосылыстары қарастырылған.
Германий оксидтері мен гидроксидтері. Германийдің екі оксиді белгілі.
Германий диоксиді \(\small \text{GeO}_2\) – ақ түсті ұнтақ, элементарлы германийді өндіруде негізгі бастапқы қосылыс ретінде қызмет етеді.
Германий тетрахлоридін гидролиздегенде гидратты тұнба \(\small \text{GeO}_2 \times n\text{H}_2\text{O}\) түрінде алынады. Диоксид 1115 ℃-та балқиды, 1250 ℃-та айтарлықтай буланады. Диоксид сілтілер ерітіндісінде германаттар түзе отырып ериді. Ауыр металл және сілтілі-топырақты германаттар суда баяу ериді, қышқылдармен ыдырамайды.
Германий монооксиді \(\small \text{GeO}\) – қою-сұр ұнтақ. \(\small \text{GeO}_2\) сутекпен немесе көміртек оксидімен тотықсыздандырғанда алынады. 600 ℃-тан жоғары температурада сублимацияланады, бір уақытта қатты фазада төмендегі реакциясы бойынша диспропорцияланады.
\[
\small 2\text{GeO} \rightleftharpoons \text{GeO}_2 + \text{Ge} \quad (2.76)
\]
\(\small \text{Ge(OH)}_2\) германий гидрооксиді қызғылт-сары тұнба түрінде құрамында \(\small \text{Ge}^{2+}\) иондары бар сулы ерітінділерден сілтілермен тұндырылады. Гемраний гидрооксиді аморфты. Сілтілермен еріткенде германнттар түзіледі (мысалы \(\small \text{NaHGeO}_2\)).
Германий сульфидтері. Германий екі сульфид түзеді: \(\small \text{GeS}_2\) (ақ түсті) және \(\small \text{GeS}\) (қоңыр түсті). Дисульфид қатты қышқылды ерітінділерден күкіртсутекпен тұндырылады. 400℃-тан жоғары температурада \(\small \text{GeS}_2\) ішінара \(\small \text{GeS}\) түзе отырып диссоцияланады. Ауада жылытқанда тотығады. \(\small \text{GeS}_2\) күкіртті сілтілерде сульфогерманаттар түзе отыра ериді.
Германий моносульфиді (\(\small \text{GeS}\)) дисульфидін (\(\small \text{GeS}_2\)) сутекпен тотықсыздандырғанда немесе оны диссоциациялағанда алынады. Елеулі ұшқыштығымен ерекшеленеді. \(\small \text{GeS}\)-тің 600 ℃ температурадағы бу қысымы 5,5 кПа-ға тең. Моносульфид тұз қышқылында және сілті ерітінділерінде ериді.
Германий галогенидтері. Германий оңай ұшатын галогенидтер түзеді. \(\small \text{GeX}_4\) (где \(\small X\) - \(\small F\), \(\small Cl\), \(\small Br\), \(\small I\)). Технология үшін тетрахлоридінің (\(\small \text{GeCl}_4\)) маңызы зор. Германий тетрахлориді – қайнау нүктесі 83 ℃ болатын, түссіз сұйықтық. \(\small \text{GeCl}_4\)-ң тұз қышқылындағы ерігіштігі қышқылдың концентрациясына байланысты. 16н НСl тұз қышқылында ерігіштігі шамамен 0,88 г \(\small \text{GeCl}\) /1000г ерітіндінің құрайды. Концентрациясы 6н төмен тұз қышқылында германий тетрахлориді германийдің гидратталған диоксидін бөле отырып гидролизденеді.
Германий гидридтері (германосутектер). Германий сутекпен бірге кремний қосылыстарына ұқсас (силандар) қосылыстар түзеді: \(\small \text{GeH}_4\), \(\small \text{Ge}_2\text{H}_6\) и \(\small \text{Ge}_3\text{H}_8\).
Моногерман \(\small \text{GeH}_4\) — түссіз газ. Оны магний германидін тұз қышқылымен ыдыратып алуға болады:
\[
\small \text{GeMg}_2 + 4\text{HCl} \rightarrow \text{GeH}_4 + 2\text{MgCl}_2 \quad (2.77)
\]
\(\small \text{GeH}_4\) 200 ℃-тан жоғары температурада германийге және сутекке диссоцияланады. Басқа германосутектер – түссіз сұйықтықтар.
Германийдің қолданылу салалары
Германий оксидінің (\(\small \text{GeO}_2\)) ең танымал физикалық сипаттамалары жоғары сыну индексі және төмен оптикалық дисперсиясы. Осы қасиеттері оны камералардың, микроскоптардың кең бұрышты линзаларын жасау үшін және талшықтың негізгі бөлігі үшін маңызды етеді. \(\small \text{GeO}_2\) сонымен қатар кварц талшығына титанды алмастыра алады, бұл талшықтарды термиялық өңдеуді қажет етпейді. \(\small \text{GeSbTe}\)-энергиясыйымдылығы үлкен материал, оптикалық қасиеттеріне байланысты DVD дискілерінде қолданылады.
Германий инфрақызыл сәуледе мөлдір болғандықтан, өте маңызды инфрақызыл оптикалық материал болып табылады. Ол оңай жиырылып, линзалар мен шыныларды жылтыратылады. Бұл қасиет әсіресе толқын ұзындығы 8 - 14 микрон диапазонында жұмыс істейтін жылу камераларында қолданылады, пассивті термиялық картаға түсіру және әскери мақсатта жылу нүктелерін анықтау, автомобильдер мен өрт сөндіру құрылғыларындағы түнгі көру жүйелерінде қолданылады. Германий өте сезімтал инфрақызыл датчиктерді қажет ететін спектроскоптарда және оптикалық жабдықтарда қолданылады. Материалдың сыну көрсеткіші (4.0) өте жоғары, сондықтан шағылысуға қарсы жабыны болуы керек.
Электроника саласында кремний мен германийдің балқымалары тез әсер ететін интегралды микросхемаларда қолдану үшін маңызды жартылай өткізгіш материал. Кремний-германий қорытпасы радиобайланыс құрылғыларында галлий арсенидін (\(\small \text{GaAs}\)) алмастыра бастады. Марсты зерттеу құралдары мен бірнеше спутниктерте пайдаланылатын галлий арсенидін германий торшаларына орналастырады. Жоғары тазалықтағы германий, мысалы, әуежайдың қауіпсіздік жүйелерінде радиациялық көздерді дәл идентификациялайтын кристалды датчиктерді құруға арналған жалғыз элемент. Германий монохроматорлар үшін де пайдалы. Жоғары тазалықтағы германий кристалдары гамма-сәулелік спектроскопия және қараңғы заттарды іздеу үшін датчиктерде де қолданылады.
Германийді тұтыну құрылымы келесідей: инфрақызыл оптика - 30 %, оптика-талшықты жүйелер – 20 %, полимеризациялауға арналған катализаторлар – 20 %, электроника және электр қуаты үшін күн элементтерін дайындауға - 15 %, қалған 15 % басқа салалар үшін тұтынылады.