中國漢字

鍺(舊譯作鈤)是一種化學元素,它的化學符號是Ge,原子序數是32。在化學元素周期表中位於第4周期、第IVA族。它是一種灰白色類金屬,有光澤,質硬,屬於碳族,化學性質與同族的錫與硅相近。

在自然中,鍺共有五種同位素原子量在70至76之間。它能形成許多不同的有機金屬化合物,例如四乙基鍺及異丁基鍺烷。即使地球表面上的鍺丰度是相對地高,但由於很少礦石含有高濃度的鍺,所以它在化學史上比較晚被發現。門捷列夫在1869年根據元素周期表的位置,預測到鍺的存在與其各項屬性。

並把它稱作擬硅。克萊門斯·溫克勒於1886年在一種叫硫銀鍺礦的稀有礦物中,除了找到硫和銀之外,還發現了一種新元素。儘管這種新元素的外觀跟砷和銻有點像,但是新元素化合物的結合比,符合門捷列夫對硅下元素的預測。溫克勒以他的國家——德國的拉丁語名來為這種元素命名。

鍺是一種重要的半導體材料,用於製造晶體管及各種電子裝置。主要的終端應用為光纖系統與紅外線光學(infrared optics),也用於聚合反應的催化劑,電子用途與太陽能電力等。

現在,開採鍺用的主要礦石是閃鋅礦(鋅的主要礦石),也可以在銀、鉛和銅礦中,用商業方式提取鍺。一些鍺化合物,如四氯化鍺(GeCl4)和甲鍺烷,能刺激眼睛、皮膚、肺部與喉嚨。

研究歷史


鍺、錫和鉛在元素周期表中是同屬一族,后兩者早被古代人們發現並利用,而鍺長時期以來沒有被工業規模的開採。這並不是由於鍺在地殼中的含量少,而是因為它是地殼中最分散的元素之一,含鍺的礦石是很少的。
鍺
門捷列夫於1871年預言其存在,十四年後德國化學家文克勒於1885年在分析硫銀鍺礦時發現了鍺,後由硫化鍺與氫共熱,制出了鍺。門捷列夫把它命名為類硅。1886年,德國弗萊貝格 (Freiberg) 礦業學院 (21世紀的TU Bergakademie Freiberg) 分析化學教授文克勒在分析夫賴堡附近發現的一種新的礦石——argyrodite(輝銀鍺礦4Ag2S·GeS2)的時候,發現有一未知的新元素並通過實驗驗證了自己的推斷,鍺元素終於被發現。
從德國的拉丁名germania命名新元素為germanium(鍺),以紀念發現鍺的文克勒的祖國,元素符號定為Ge。鍺繼鎵和鈧后被發現,鞏固了化學元素周期系。

含量分佈


鍺在自然界分佈很散很廣。銅礦、鐵礦、硫化礦以至岩石,泥土和泉水中都含有微量的鍺。鍺在地殼中的含量為一百萬分之七,比之於氧、硅等常見元素當然是少,但是,卻比砷、鈾、汞、碘、銀、金等元素都多。然而,鍺卻非常分散,幾乎沒有比較集中的鍺礦,因此,被人們稱為“稀散金屬”。已發現的鍺礦有硫銀鍺礦(含鍺5~7%)、鍺石(含鍺10%),硫銅鐵鍺礦(含鍺7%)。鍺礦石的鍺含量量有200ppm和393ppm兩種,顏色為青灰色、紅花色兩種。
鍺石塊規格一般為1-3cm,2-4cm,3-5cm
鍺石顆粒6-10目,10-20目,20-40目,40-80目
鍺石粉規格100目,200目,325目,400目,600目,1250目
鍺石板材規格10*10cm,15*15cm,20*20cm,30*30cm
鍺還常夾雜在許多鉛礦、銅礦、鐵礦、銀礦中,就連普通的煤中,一般也含有十萬分之一左右的鍺,也就是說,一噸煤中平均就含有10克左右的鍺。在普通的泥土、岩石、甚至泉水中,也含有微量鍺。
元素在太陽中的含量(ppm)0.2
元素在海水中的含量(ppm)太平洋表面0.00000035
地殼中含量(ppm)1.8

物理性質


基本信息

鍺粉末狀呈暗藍色,結晶狀,為銀白色脆金屬。化合價+2和+4。第一電離能7.899eV,是一種稀有金屬,重要的半導體材料,不溶於水。
原子體積13.6cm/mol
相對原子質量72.64
莫氏硬度6
聲音在其中的傳播速率5400m/s
密度5.35g/cm
熔點937℃
沸點2830℃
熱光係數dn/dT≈0.0004/K (25~150℃)
晶體結構:晶胞為面心立方晶胞,每個晶胞含有4個金屬原子。晶胞參數如下:
a = 565.75 pm
b = 565.75 pm
c = 565.75 pm
α = 90°
β = 90°
γ = 90°
據X射線研究證明,鍺晶體里的原子排列與金剛石差不多,結構決定性能,所以鍺與金剛石一樣硬而且脆。
CAS號7440-56-4
EINECS號231-164-3
元素符號Ge
原子序數32
質子數32
核電荷數32
電子數32
原子量72.64
所屬周期第四周期
所屬族數IV A族
外圍電子層排布4s² 4p²
電子層K-L-M-N
價電子排布2-8-18-4
氧化態Ge,Ge
化學鍵能(kJ /mol)
Ge-H288
Ge-O363
Ge-F464
Ge-Cl340
Ge-Ge163
電離能(kJ/ mol) :
M - M762.1
M - M1537
M - M3302
M - M4410
M - M9020
M - M11900
M - M15000
M - M18200
M - M21800
M - M27000

導電性

鍺,就其導電的本領而言,優於一般非金屬,劣於一般金屬,這在物理學上稱為“半導體”,對固體物理和固體電子學的發展有重要作用。鍺有著良好的半導體性質,如電子遷移率、空穴遷移率等等。鍺的發展仍具有很大的潛力。

化學性質


鍺化學性質穩定,常溫下不與空氣或水蒸汽作用,但在600~700℃時,很快生成二氧化鍺。與鹽酸、稀硫酸不起作用。濃硫酸在加熱時,鍺會緩慢溶解。在硝酸、王水中,鍺易溶解。鹼溶液與鍺的作用很弱,但熔融的鹼在空氣中,能使鍺迅速溶解。鍺與碳不起作用,所以在石墨坩堝中熔化,不會被碳所污染。
鍺在元素周期表上的位置正好夾在金屬與非金屬之間,因此具有許多類似於非金屬的性質,這在化學上稱為“亞金屬”,電子排布為[Ar]3d4s4p。但它的化學性質類似於臨近族的元素,尤其是砷和銻。化學上或毒物學上重要的鍺化合物很少。鍺的二氧化物,一種微溶於水的白色粉末,形成鍺酸,這類似於硅酸。四氯化鍺是一種不穩定的液體,四氟化鍺是一種氣體,它們很容易在水中水解。氫化鍺(鍺烷)是一種相對穩定的氣體。有機鍺化合物,烷基可以替換個多個Ge原子,和錫、汞、砷等類似,但毒性小的多。鍺元素及其二氧化物毒性不強,四鹵化鍺是刺激性的,氫化鍺毒性最強。鍺不溶於稀酸及鹼,但溶於濃硫酸。
鍺在室溫下是穩定的,但也會生成GeO單層膜,時間長了會逐漸變成GeO2單層膜。而當鍺的表面吸附了水蒸氣便破壞了氧化膜的鈍化性質,而生成厚的氧化物
鍺在較高溫度下便氧化,且伴隨有失重的現象,原因是生成了GeO,因其有較強的揮發性。研究者研究了鍺表面氧化的過程,先在600℃時用CO還原鍺,以排除鍺表面的結合氧或吸附氧。再在25~400℃,10kPa的氧壓下氧化鍺,僅1min即形成了第一氧化層。當溫度超過250℃很快形成第二氧化層。再升高溫度,氧化速度顯著變慢。在400℃氧化3h,形成厚度為1.75nm的GeO2膜。
鍺在不同溶劑中的腐蝕溶解行為不同。n型鍺的溶解電位比p型略正,所以在相同溶液中前者的溶解速度較快。鍺易溶於加氧化劑的熱酸、熱鹼和H2O2中。難溶於稀硫酸、鹽酸和冷鹼液。鍺在100℃的水中是不溶的,而在室溫下飽和氧的水中,溶解速度接近1μg/(cm·h)。
H2O2對鍺的溶解
室溫下3%的H2O2能緩慢地溶解塊狀的鍺,升溫到90~100℃時溶解速度加快。 n型鍺在100℃的H2O2中的溶解速度受H2O2濃度的影響。
(1)鍺被氧化為GeO,在表面形成單層GeO:Ge+H₂O₂══ GeO
(2)進一步氧化為GeO2:GeO+H2O2=GeO2+H2O
(3)GeO2+H2O=H2GeO3
當溶液中有鹼存在時,鍺酸與鹼作用生成鍺酸鈉,而加速鍺的溶解。 H2GeO3+NaOH=Na2GeO3+2H2O
鍺在硫酸中的溶解
90℃時濃硫酸與塊狀鍺有微量反應,歷時一周鍺的損失量為1%。
鍺在硝酸中的溶解
濃硝酸能腐蝕塊狀鍺的表面。鍺在硝酸中的溶解速度受硝酸的濃度、攪拌速度、溫度等因素的影響。
鍺與鹼液的作用
氫氧化鈉和氫氧化鉀水溶液與鍺的作用很慢,但是熔融的氫氧化鈉、氫氧化鉀、Na2CO3、Na2O2、NaB4O7能迅速地溶解各種形態的鍺,生成鹼金屬的鍺酸鹽。
鍺在某些鹽溶液中的溶解
鍺可溶於某些電解質溶液,如硫酸鈉、鉀的氯化物、硝酸鹽、氯化銫、氯化鑭等。
與其他物質的作用
加熱時粉狀的鍺在氯和溴中能燃燒,生產四鹵化鍺,加熱時乾燥的HCl氣體能腐蝕鍺。

製取方法


鍺的提取方法是首先將鍺的富集物用濃鹽酸氯化,製取四氯化鍺,再用鹽酸溶劑萃取法除去主要的雜質砷,然後經石英塔兩次精餾提純,再經高純鹽酸洗滌,可得到高純四氯化鍺,用高純水使四氯化鍺水解,得到高純二氧化鍺。一些雜質會進入水解母液,所以水解過程也是提純過程。純二氧化鍺經烘乾煅燒,在還原爐的石英管內用氫氣於650-680℃還原得到金屬鍺。半導體工業用的高純鍺(雜質少於1/1010)可以用區域熔煉技術獲得。
4HCl+GeO2→GeCl4+2H2O
GeCl4+(n+2)H2O→GeO2·nH2O+4HCl
GeO2+2H2→Ge+2H2O

主要用途


工業用途

鍺具備多方面的特殊性質,在半導體、航空航天測控、核物理探測、光纖通訊、紅外光學、太陽能電池、化學催化劑、生物醫學等領域都有廣泛而重要的應用,是一種重要的戰略資源。在電子工業中,在合金預處理中,在光學工業上,還可以作為催化劑。
鍺
高純度的鍺是半導體材料。從高純度的氧化鍺還原,再經熔煉可提取而得。摻有微量特定雜質的鍺單晶,可用於制各種晶體管、整流器及其他器件。鍺的化合物用於製造熒光板及各種高折光率的玻璃。
鍺單晶可作晶體管,是第一代晶體管材料。鍺材用於輻射探測器及熱電材料。高純鍺單晶具有高的折射係數,對紅外線透明,不透過可見光和紫外線,可作專透紅外光的鍺窗、稜鏡或透鏡。20世紀初,鍺單質曾用於治療貧血,之後成為最早應用的半導體元素。單質鍺的折射係數很高,只對紅外光透明,而對可見光和紫外光不透明,所以紅外夜視儀等軍用觀察儀採用純鍺製作透鏡。鍺和鈮的化合物是超導材料。二氧化鍺是聚合反應的催化劑,含二氧化鍺的玻璃有較高的折射率和色散性能,可作廣角照相機和顯微鏡鏡頭,三氯化鍺還是新型光纖材料添加劑。
據數據顯示,2013年來光纖通信行業的發展、紅外光學在軍用、民用領域的應用不斷擴大,太陽能電池在空間的使用,地面聚光高效率太陽能電站推廣,全球對鍺的需求量在持續穩定增長。
全球光纖網路市場尤其是北美和日本光纖市場的復甦拉動了光纖市場的快速增長。21世紀全球光纖需求年增長率已經達到了20%。未來中國光纖到戶、3G建設及村通工程將拉動中國光纖用鍺需求快速增長。
鍺在紅外光學領域的年需求量占鍺消費量的20-30%,鍺紅外光學器件主要作為紅外光學系統中的透鏡、稜鏡、窗口、濾光片等的光學材料。紅外市場對鍺產品的未來需求增長主要體現於兩個方面:軍事裝備的日益現代化帶動了對紅外產品的需求和民用市場對紅外產品的需求。太陽能電池用鍺佔據鍺總消耗量的15%,太陽能電池領域對鍺系列產品的未來需求增長主要體現於兩個方面:航空航天領域及衛星市場快速發展和地面光伏產業快速增長。
從全球產量分佈來看,中國供給了世界71%的鍺產品,是全球最大的鍺生產國和出口國,這主要是由於中國高附加值深加工產品技術環節薄弱,導致內需相對有限,產品多以初加工產品出口為主。
但是在需求旺盛刺激下,中國鍺生產技術能力提升迅速,2010年以來中國企業已經能夠生產光纖級、紅外級、太陽能級鍺系列產品。加之來政策推動力度大,中國光纖領域鍺需求明顯增長。2013年PET催化劑用鍺約佔25%,電子太陽能用鍺約佔15%,紅外光學用鍺比重從42%降至25%,而光纖通訊約佔鍺消費30%左右的市場份額。2011年中國鍺消費量為45金屬噸,2012年鍺消費量為50金屬噸,同比增長11.11%;2013年鍺消費量為59金屬噸,同比增長18.00%。
對人體的作用
● ● 活化生物電流,促進血液循環,改善及預防身體的不適感。
● ● 保護紅血球,抵抗外來射線的襲擊,使之不受損害。
● ● 代謝、免疫力恢復並提高身體的自然治癒力。
● ● .抗腫瘤,抗炎症,抗病毒。 

膳食補充

早在1922年,美國的醫生就懂得用無機鍺來治療貧血。無機鍺還被用於其他治療,但療效存疑。它對癌症的療效已經被討論過。美國食品藥品監督管理局的研究結論為,當鍺被用作膳食補充劑時“有可能危害人體健康”。

毒理資料


一般認為鍺對動植物的健康並不重要。然而它的一些化合物能危害人體健康。例如,四氯化鍺及甲鍺烷,分別為液體及氣體,能對眼睛、皮膚、肺部及喉嚨造成很大的刺激。由於鍺在礦石與碳質(carbonaceous)材料中是一種稀有元素,加上在商業應用中使用的量也不算多,所以它對自然並沒有什麼影響。
鍺中毒屬低毒,動物吸入大量金屬鍺和氧化鍺后可致肺部炎性損害,吸入四氯化鍺和四氟化鍺對呼吸道黏膜有強烈刺激作用,四氯化鍺還可引起肝腎損害,鍺化氫,包括鍺甲烷(GeH4)、鍺乙烷( Ge2H6)和鍺丙烷(Ge3H8)有類似砷化氫、銻化氫的溶血作用。

儲存運輸


應貯存在陰涼、通風、乾燥、清潔、無化學藥品腐蝕氣氛的庫房內。防潮。不可與酸、鹼類產品共貯混運。在運輸過程中要防雨淋、防震。裝卸時要小心輕放,防止碰撞和滾動,防止機械損傷。

基本介紹


拼音:zhě
注音:ㄓㄜˇ
簡體部首:釒
部外:8
總筆畫:13
字形分析:左右結構
統一碼UNICODE五筆倉頡鄭碼四角筆順
U+9517QFTJOPJKAPBM84760ノ一一一フ一丨一ノ丨フ一一

基本字義


●鍺
(鍺)
zhěㄓㄜˇ
◎ 一種金屬元素,灰白色結晶,質脆,是重要的半導體材料。
漢英互譯
◎鍺
germanium germanium n.
English
germanium

古籍解釋


康熙字典
《廣韻》丁果切,音埵。車。

音韻方言


方言集匯

◎ 粵語:ze2
潮州話:zia2

音韻集匯

上徠古音系
字頭(重定向至“鍺”)聲符韻部對應廣韻小韻擬音註解
toːlʔ集韻刪鍺增從隋字,疑者聲來自書訛
廣韻
字頭(重定向至“鍺”)小韻反切聲母韻母韻目調韻系韻攝廣韻目次高本漢王力李榮邵榮芬鄭張尚芳潘悟雲蒲立本推導現代漢語古韻羅馬字有女羅馬字註解
丁果戈一合上聲一等合口上三十四果tuɑtuɑtuɑtuɑtuɑtuɑtwaduo3tuaxtuaa車鐗