锗
研究简史
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1871年，俄国化学家门捷列夫预言该元素存在，将其命名为“亚硅”（一说类硅）。 [9]
门捷列夫
1885年，德国化学家文克勒（Winkler）在分析硫银锗矿时发现了锗。
1886年，文克勒（Winkler）将其从矿石中分离出来，正式确定该元素，为纪念德国而定名为Germanium。 [9]
1935年，在美国密苏里州、威斯康星州及俄克拉何马州的闪锌矿中发现了锗。 [5]
1941年，德国西门子（Siemens）公司报道了锗点接触二极管的实际应用。 [5]
1942年，人们发现锗是优秀的半导体材料，可以用来代替真空管，成了半导体工业的重要原料。 [9]
2023年，荷兰科学家将锗和铂熔化在一起，研制出了首个由单元素组成的二维（2D）拓扑绝缘体锗烯。 [4]
理化性质
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物理性质
锗是浅灰色的金属元素，相对原子质量为72.6，相对密度为5.35g/cm³，熔点938.25℃，沸点2833℃。 [1]锗属于“类硅”的第IV族元素，金属性质较脆，具有美丽的光泽，原子价键是共价键（由电子对形成）。即使是高纯的锗，在室温下也很脆；但在温度高于600℃时，单晶锗可以经受塑性变形。在实用上，锗最重要的物理性质是具有特别高的电阻。锗的导电率随着其纯度的不同而显著变化，纯度增加，导电率降低，也就是电阻增加，因此，由于锗的纯度不同，其比电阻可变化于0.001—60Ω·cm。锗是重要的半导体材料，半导体性质受外界的影响。 [7]
纯锗为性脆的半金属，晶体结构为金刚石面心立方体。锗有14个同位素，其质量数从65到78。其中⁷⁰Ge，⁷²Ge，⁷³Ge，⁷⁴Ge和⁷⁶Ge五种为稳定天然同位素。储凝固时体积膨胀5%。锗的室温可塑性差，在873K温度时具有可塑性，在973K温度时可弯曲、挤压和拉伸，高纯锗在室温下不导电，但微量杂质会使锗的电阻率显著下降。 [5]
锗
性质
数值
化合价
+2和+4
第一电离能
7.899eV
原子体积
13.6cm³/mol
相对原子质量
72.64
泊松比
0.287
莫氏硬度
6
密度
5.35g/cm³
晶格常数
0.56754nm
熔点
937℃
沸点
2830℃
晶体结构
面心立方
化学性质
锗与空气的反应
锗块的表面覆盖了一层很薄的二氧化锗保护膜。锗的反应活性比在元素周期表中紧靠在其上的硅要高，但并不高很多。红热的锗同空气中的氧气发生反应，生成二氧化锗。 [6]
锗与水的反应
锗块的表面覆盖了一层很薄的二氧化锗保护膜。锗的反应活性比在元素周期表中紧靠在其上的硅要高，但并不高很多。这层氧化物在一定程度上使得锗在水中呈现出惰性。 [6]
锗与卤素单质的反应
锗能同所有的卤素单质迅速反应，其中同碘的反应在超过360℃时才会迅速进行，其反应产物是四卤化锗。锗与氟气（F2）、氯气（Cl2）、溴单质（Br2）、碘单质（I2）分别反应，生成氟化锗（Ⅳ）（GeF4）、氯化锗（Ⅳ）（GeCl4）、溴化锗（Ⅳ）（GeBr4）和碘化锗（Ⅳ）（GeI4）。 [6]
锗与酸的反应
90℃时，浓硫酸与块状的锗会非常缓慢地反应。浓硝酸能腐蚀块状锗的表面。 [6]
锗与碱的反应
氢氧化钠或氢氧化钾水溶液与锗的作用很慢，但是熔融的碱可以把锗氧化成相应的锗酸盐。 [6]
制备方法
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锗的提取方法是首先将锗的富集物用浓盐酸氯化，制取四氯化锗，再用盐酸溶剂萃取法除去主要的杂质砷，然后经石英塔两次精馏提纯，再经高纯盐酸洗涤，可得到高纯四氯化锗，用高纯水使四氯化锗水解，得到高纯二氧化锗。一些杂质会进入水解母液，所以水解过程也是提纯过程。纯二氧化锗经烘干煅烧，在还原炉的石英管内用氢气于650—680℃还原得到金属锗。半导体工业用的高纯锗（杂质少于1/1010）可以用区域熔炼技术获得。 [2]
工业生产锗晶体有坩埚直拉法和悬浮区熔法两种。坩埚直拉法：拉晶前先将设备各部件、合金石英坩埚、高纯锗和籽晶进行清洁处理。将高纯锗经配料和掺杂，加入单晶炉的合金石英坩埚中，再经抽真空、熔化，在流通的氩气气氛下，人工引晶放肩和收尾。晶体的等径生长过程中，需根据情况适当调节功率，使其获得直径均匀的产品。经检测、称量，制得锗单晶成品。
应用领域
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工业用途
半导体
锗的特性之一是用金属表面与半导体锗接触可以产生整流、检波和放大作用，在无线电和电子技术上得到了广泛的应用。 [8]
红外器件
锗具有良好的红外光学性能而应用于红外器件方面。20世纪60年代锗开始应用于红外光学领域，美国开始用红外热像仪装备军队。目前锗红外器件被广泛应用在军事、工农业生产上。红外技术是军事遥感技术和空间科学的重要手段，普遍用于红外侦察、红外通信、红外夜视、红外雷达和炸弹、导弹的红外制导以及各种军事目标的搜索、探测、监视、跟踪等。在民用领域用作导航与灾害报警、红外车轮测温、医疗用红外探病和治病等。 [8]
各国正在推进军事装备现代化，对红外产品的需求不断增加，军用红外热像仪产品是红外技术最早的应用领域，而主要由锗光学元件组成的红外光学镜头是热像仪产品里除探测器以外的重要关键部件，直接决定着红外热像仪的光学成像质量。 [8]
随着非制冷红外技术的发展，红外热像仪已在民用领域得到了广泛应用，而且随着红外热像仪行业在新领域的应用，将渗透到国民经济生活的各个领域，民用领域的红外热像仪市场极有可能呈现出爆发性增长，未来民用红外热像仪潜在市场需求将高达上千亿美元，超过军用市场需求。红外热像仪的民用市场带动了对红外锗产品的需求。 [8]
光纤
20世纪70年代锗开始应用于光纤光缆领域。光纤通信的发展使锗的应用领域进一步扩大。锗在光纤通信系统中的应用目前主要是在光纤掺杂和光电转换方面。 [8]
光波的传输介质，即光导纤维由折射率高的纤芯和折射率低的包层组成，要求光损耗低、色散小、传输距离长、容量大。因为材料的瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，因此光纤通信的工作波长应在红外光区域，尤以长波为好，为此人们探索了多种长波光纤材料。 [8]
太阳能电池
半导体锗的另一个特性是导电性随温度变化很大，而且温度升高时导电性能反而显著增强。根据这种特性，光能照在锗片的P-N结上，产生光伏效应，从而能够产生电能，锗用作太阳能电池材料是重要的应用研发方向。 [8]
航空航天领域及卫星是多晶锗硅太阳能电池的主要应用方向，国际上已经形成了第三波太空开发热，随着各国竞相投入巨资进入航空航天领域及卫星市场，作为航天器主要能源供应装置的空间太阳能电池领域对锗产品的需求将不断扩大。 [8]
地面光伏产业的发展对锗单晶片应用于太阳能电池以提高其光电转换效率正在成为各国重要的研发方向。 [8]
催化剂
二氧化锗（GeO2）作为催化剂生产聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）用以制备饮料及液用食物容器。用锗做催化剂制作的PET树脂具有安全无毒、耐热耐压、透明度高、有光泽、气密性好等优点。 [8]
医疗用途
有机锗具有广泛地预防和治疗疾病的效用，对人类健康既是多方面功能的正常化学制剂，也是一种功能卓著的免疫调节剂和副作用很小的抗肿瘤剂。国外对有机锗在医疗、保健食品方面的研究和应用有了飞速的发展，国内众多报刊也先后发表了关于有机锗科普方面的文章和研究报道。 [12]
生理作用
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各种天然食物均不同程度地含有锗，换算一下大约成人每天的锗摄入量为400—3500μg，因此锗普遍存在于机体中。机体中的部分酶蛋白（如胍氨酸酶、细胞色素酶等）、大脑中的皮质和灰质中，均含有痕量的锗。细胞壁、线粒体、染色体、囊泡和溶酶体等亚细胞成分中也含有锗。人体某些组织器官中的锗含量为（ppm）：血液0.2、头发2.2（0.9—3.7）、肾脏9.1、肝脏0.04、肌肉0.03、指甲0.48—10.8和红细胞650。 [13]
进入机体内的锗对各组织没有选择性，可分布于各个器官，主要是肝、肺、肾和脾等，最后由汗、粪和尿很快地排出体外，其中通过肾脏经尿排出的占大部分，机体组织对锗似平没有蓄积现象。口服锗酸钠后几小时之内就几乎被肠胃道所吸收，4h后的吸收量为6.3%，8h后的吸收量为96.4%，然后通过肾在4—7天内由尿排出。经静脉注射的动物试验表明，在3天之内约有90%的锗从尿中排出，有9的通过粪便排出。Rose nield估计出锗在大鼠体内留存的生物半衰期为36h，在肝中为48h，在肾中为100h。 [13]
分布情况
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锗在地壳中的含量为百万分之七，平均含量为1.5mg/kg。锗非常分散，几乎没有比较集中的锗矿，被人们称为“稀散金属”。硫银锗矿（含锗5%—7%）、锗石（含锗10%），硫铜铁锗矿（含锗7%）。锗还常夹杂在许多铅矿、铜矿、铁矿、银矿中，就连普通的煤中，一般也含有十万分之一左右的锗。 [9]
金属锗
锗资源主要集中在美国、中国。中国90%以上的资源分布在云南、内蒙古、广东、广西、吉林、山西、贵州等地。 [11]
安全信息
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环境危害
锗本身通常被认为是低毒的。吸入大量锗的粉尘、烟雾或摄入高剂量的锗化合物可能对人体健康产生不良影响。皮肤接触一般不会造成严重危害，但长期或大量接触可能引起轻微刺激。眼睛接触锗的粉尘或溶液可能导致眼部不适。
健康危害
长期吸入高浓度的锗粉尘或烟雾，可能会对呼吸道产生刺激，引起咳嗽、气短等症状。动物实验表明，长期暴露于高浓度锗环境中，肺部可能出现纤维化等病变。例如，在一些职业暴露研究中，当空气中锗粉尘浓度超过10mg/m³且长期接触（超过10年），部分工人出现了呼吸道功能下降的情况。
一般情况下，锗对皮肤的刺激性较小。但如果皮肤长时间接触锗的浓溶液或锗粉，可能会引起皮肤发红、瘙痒等轻微刺激症状。
锗的粉尘或溶液进入眼睛，会引起眼部的刺激，导致眼睛疼痛、流泪、红肿等症状。严重时可能影响视力。
急救方法
吸入后，迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸并就医。
储存运输
锗应贮存在阴凉、通风、干燥、清洁、无化学药品腐蚀气氛的库房内。防潮。不可与酸、碱类产品共贮混运。在运输过程中要防雨淋、防震。装卸时要小心轻放，防止碰撞和滚动，防止机械损伤。 [10]
毒理资料
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一般认为锗对动植物的健康并不重要。然而它的一些化合物能危害人体健康。例如，四氯化锗及甲锗烷，分别为液体及气体，能对眼睛、皮肤、肺部及喉咙造成很大的刺激。由于锗在矿石与碳质（carbonaceous）材料中是一种稀有元素，加上在商业应用中使用的量也不算多，所以它对自然并没有什么影响。
锗中毒属低毒，动物吸入大量金属锗和氧化锗后可致肺部炎性损害，吸入四氯化锗和四氟化锗对呼吸道黏膜有强烈刺激作用，四氯化锗还可引起肝肾损害，锗化氢，包括锗甲烷（GeH4）、锗乙烷（Ge2H6）和锗丙烷（Ge3H8）有类似砷化氢、锑化氢的溶血作用。 [3]
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网址: 锗 https://m.trfsz.com/newsview1915151.html
