锗

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简介

在化学发展史上，锗的发现比较晚近。天然锗的衍生物往往不溶于水，类似于铝和硅，因此口服毒性较低。一些铜矿和闪锌矿是提取锗的主要来源。锗这种半导体元素被广泛应用于晶体管和其他电子设备。在过去，在半导体电子学发展的最初十年里，锗是唯一使用的材料。

什么是锗？

锗是元素周期表中的一种元素，位于周期表第四周期、第十四族。锗的原子序数为32，元素符号为Ge。它属于碳族。在元素周期表中，Ge位于Si之后，Sn之上。

锗 (Ge) 的电子构型

周期表中第32号元素是锗，它拥有32个电子。“电子构型”是指原子中电子在不同轨道和能级上排列的特定顺序。锗原子的电子构型可以用两种方式表示：

轨道电子构型（玻尔模型）

原子中的电子围绕原子核运动，遵循特定的圆形路径，称为“轨道”。这些轨道用 ‘n’ 表示，其中 n = 1, 2, 3, 4 …

锗原子的轨道电子构型为：

K, L, M, N

2, 8, 18, 4.

轨道电子构型（泡利不相容原理）

对于原子序数大于18的元素，玻尔原子模型无法准确预测其电子构型。我们可以使用轨道图来确定所有元素的电子构型。锗的基态轨道电子排布为 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p²。简而言之，锗的电子构型为 [Ar]3d¹⁰ 4s² 4p²。

锗的电子构型

锗的生产

• 闪锌矿、铜矿和燃煤飞灰是提取锗的主要来源。

• 在开采贱金属的过程中，锗作为副产品而不是主要成分进行处理。地球地壳中锗的含量约为 1.6 ppm。

锗的提取步骤

步骤 1 − 大多数矿石精矿是硫化物；焙烧（在空气中加热）将其转化为氧化物 −

$$\mathrm{GeS_2+3O_2→GeO_2+2SO_2}$$

步骤 2 − 一部分锗转化为锗酸盐，随后用硫酸从矿渣中浸出，一部分则残留在产生的粉尘中。中和后，溶液中只剩下锌，而锗和其他金属则沉淀出来。在 Waelz 法除去沉淀物中部分锌后，剩余的氧化物再次浸出。二氧化物以沉淀物的形式收集，并转化为四氯化锗，通过蒸馏可以分离出来，使用盐酸或氯气。反应如下：

$$\mathrm{GeO_2+4HCl→GeCl_4+2H_2 O}$$

$$\mathrm{GeO_2+2Cl_2→GeCl_4+O_2}$$

步骤 3 − 使用分馏法提纯四氯化锗，然后水解生成高纯度的 GeO₂。通过与氢反应，将其还原为元素锗。通常，在钢铁制造和其他工业过程中，使用碳来还原锗。

$$\mathrm{GeO_2+2H_2→Ge+2H_2 O}$$

$$\mathrm{GeO_2+C→Ge+CO_2}$$

锗的提取过程

锗的赋存

锗在地壳中含量并不丰富。仅在少数矿物中，如锗矿石、硫银锗矿、雷尼尔石和布里亚尔石中含有锗。一些锌、铅和铜矿石复合物中的锗含量足够高，可以从最终的矿石精矿中提取。由于独特的自然过程，一些煤层中锗的浓度很高。在恒星和木星的大气中也发现了锗。

锗的性质

一些物理和化学性质列在下表：

锗的物理性质	锗的化学性质
标准状况下为固体	不与稀酸和稀碱反应。
白色、半金属、易碎元素	与氧反应生成 GeO2
原子量为 72.6 g/mol。	与氯反应生成 GeCl4
熔点为 $\mathrm{938.25^\circ C}$。	甲锗烷中的自由基是反应中间体。
沸点 $\mathrm{2833 ^\circ C}$	主要的氧化态为 +4
具有面心立方晶体结构	GeH4 的结构类似于甲烷。

锗的用途

锗有多种用途。以下列出一些应用：

• 用于荧光灯。

• 是可重写 DVD 的组成部分。

• 是重要的红外光学材料。

• 在冶金中辅助金属精炼过程。

• 用于航天。被用作多结光伏电池的替代品。

• 催化许多聚合反应。

• 可以在气相色谱室中替代 SiO₂。

锗对健康的影响

锗被认为对动植物的生存并非必需。环境中的锗对健康的影响可以忽略不计。

• 以锗为原料生产的抗肺癌药物被宣传为锗补充剂。

• 然而，没有医学数据可以证明其益处，事实上，一些数据表明某些补充剂会造成实际损害。

• 长期服用溶解的无机锗（特别是柠檬酸-乳酸盐），据报道会引起一些肝脂肪变性、肾衰竭和周围神经病变的例子。

有趣的事实

• 有证据表明，在木星的大气层和一些遥远的恒星中存在锗。

• 锗的一种放射性同位素的半衰期为 1300 亿年。

结论

锗是一种准金属，纯锗外观类似于元素硅。在地壳中元素丰度方面，锗接近第 51 位。硫化矿石加工过程中产生的副产品和废料是锗回收的主要来源。

常见问题

1. 锗的硬度是多少？

锗的硬度大约是金刚石的六倍。

2. 锗：是漂浮还是下沉？

水的密度为 1 g/cm³，而锗的密度为 5.323 g/cm³。锗金属在水中会下沉。

3. 锗对皮肤有益吗？

是的，包括锗在内的一种重要成分，是点燃和平衡与年龄相关的正负离子的重要组成部分。

4. 哪些食物含有锗？

包括大蒜、香菇等食物都含有痕量的锗。

5. 为什么选择“德国”作为锗的名称？

德国科学家克莱门斯·温克勒 (Clemens Winkler) 被认为于 1886 年发现了锗。