锗元素：从发现到应用的全面解析

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锗元素：从发现到应用的全面解析

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https://m.chemicalbook.com/ProductChemicalPropertiesCB7733835.htm

锗是一种重要的准金属元素，在半导体工业中有着广泛的应用。它具有独特的物理和化学性质，能够形成多种化合物，并且在自然界中以多种形式存在。本文将详细介绍锗元素的性质、发现历史、来源、应用、制备方法以及化学反应等信息。

基本信息

锗是一种硬质脆性灰色准金属元素，符号为Ge，属于元素周期表的第14组（以前为IVA）。锗存在于硫化锌和某些其他硫化矿石中，主要作为炼锌的副产品获得。在锌或铜精炼过程中，大多数锗作为副产品回收。它也存在于某种煤中（高达1.6％）。少量用于特种合金，但主要用途取决于其半导体性能。化学上，它以+2和+4氧化态形成化合物，锗（IV）化合物更稳定。该元素还形成大量有机金属化合物。由门捷列夫（ekasilicon）于1871年预测，由Winklerin 1886年发现。锗已广泛用于早期的半导体设备中，但现在已被硅所取代。它用作合金剂，催化剂，磷光体和红外设备。

化学性质

锗是灰白色，有光泽的脆性准金属。当结晶时，它以菱形立方结构存在。它的蒸气压非常低，不溶于水。在环境中从未发现纯锗。在精制状态下，它是灰白色准金属。像元素周期表第14组的对应元素（碳，硅，锡和铅）一样，锗具有金属和非金属特性。化合价为+2或+4；原子通常是四价的。

锗是真正的半导体，对红外光高度透明，并且具有高折射率。锗及其化合物或合金已广泛用于光学和电子行业。在电子应用中，它通常与锑，镓，铟或砷形成合金。锗是一种产量低的化学品。

发现历史

门捷列夫在1871年的定期计划中预测了该元素的存在。预测它应该属于碳基团，并占据硅下方的位置。因此，他将其命名为ekasilicon。十五年后的1886年，克莱门斯·温克勒（Clemens Winkler）发现了该预测元素，并将其与矿物银辉石分离。它以纪念德国而得名。

锗在自然界中大多以硫化矿石形式存在。它存在于锗石矿物(7CuS•FeS•GeS2)中。菱镁矿（4Ag2S•GeS2）; 菱铁矿（Cu，Ge，Fe，Zn，As）S; 钙铁矿;4Ag2S中。在许多锌混合矿石中也发现了少量的锌，在美国从商业上将其提取出来。在许多煤中也发现了少量的锗。它在地壳中的丰度约为1.5 mg/kg，在海水中的浓度为0.05 µg/L。

来源

锗是地壳中第52个最丰富的元素，分布广泛，但从未以其天然元素态被发现。它总是与其他元素特别是氧气结合在一起。锗资源在全球分布非常集中，主要分布在中国、美国和俄罗斯，其中锗资源分布最多的国家是美国，保有储量3870吨，占全球含量的45％，其次是中国占全球41％。

锗的主要矿物是锗矿，银辉石，菱锰矿和钙矾石，它们都是稀有的。在锌矿石以及铜和砷矿石中发现少量锗。众所周知，它会集中在地球上的某些植物中，特别是在煤炭中，可以从燃烧煤的烟囱中的烟灰中收集相当数量。

应用

稀有元素金属锗（Ge）具有灰色白色结晶外观，并具有极高的硬度：6.25 Mohs。其比重为5.35，熔点为937℃。它对酸和碱具有抵抗力。它具有带钻石结构的金属外观晶体，赋予铝和镁合金更高的硬度和强度，而低至0.35％的锡会使硬度增加一倍。然而，由于其稀有性和高昂的价格，它在合金中并不常用。它主要用于金属整流器和晶体管。一种含锗约12％的金-锗合金，熔点为359°C，已被用于焊接珠宝。

锗是从锌行业的烟道粉尘中获得的副产品，也可以通过从矿石中还原其氧化物获得，并以不规则的小块状出售。锗晶体生长在直径最大为3.49厘米的棒中，用于制造晶体管晶片。P和N半导体均使用高纯度晶体。它们比其他半导体（特别是硅）更易于纯化且熔点更低。

到目前为止，锗最常见的用途是在半导体和电子工业中。作为半导体，锗可用于制造晶体管，二极管和多种类型的计算机芯片。仅通过向锗晶体中添加可变数量的杂质（掺杂），它就可以被设计为在各种应用中充当不同类型半导体的第一个元素。

锗还发现了许多其他应用，包括用作合金剂，用作荧光灯中的磷光体以及用作催化剂。锗和氧化锗对红外透明，可用于红外光谱仪和其他光学设备，包括超灵敏的红外探测器。氧化锗的高折射率和分散性使其可用作广角相机镜头和显微镜物镜中使用的玻璃组件。有机锗化学领域变得越来越重要。某些锗化合物对哺乳动物的毒性低，但对某些细菌具有明显的活性，这使其成为化学治疗剂的可能。

制备

锗通常是作为混合锌矿石生产锌的副产品而获得的。矿石通过浮选工艺进行浓缩。然后将浓缩的矿石焙烧，将锌和杂质金属转化为其氧化物。用氯化钠和煤加热粗氧化物，将锗和其他杂质金属氧化物转化为其挥发性氯化物。冷凝氯化物蒸气，并通过分馏将氯化锗从冷凝物中分离出来。

锗还从含有微量金属的煤中回收。将煤灰和细粉与碳酸钠，氧化铜，氧化钙和煤粉混合，然后冶炼。粗氧化物产物被转化为其挥发性氯化物。通过分馏从冷凝产物中分离出氯化锗。高纯度（99.9999％）的锗可通过以下方法制得：在盐酸和氯气中在石英蒸馏器中分馏氯化物，然后用双蒸水将纯净的氯化物水解，生成氧化锗GeO2。在1000℃下用氢气将氧化物还原。可以通过区域精炼工艺从高纯度等级的材料中获得超高纯度的半导体用锗。锗中的杂质比固态金属更易溶于熔体。因此，沿着不纯锗锭重复经过熔融区可以有效地去除固体金属锭中的微量杂质。

金属的掺杂用于其固态电子用途，可以通过在熔体中加入微量的掺杂剂，然后从熔体中生长出单晶，或者通过固态扩散进入制备好的单晶中来实现。通过Czochralski技术，可以从熔体中制备出直径达几英寸的单晶，该技术涉及在惰性空气中与晶种接触，接触时控制温度和播散条件。