摘要
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锗是一种化学元素,具有半导体性质,广泛用于半导体、航空航天、光纤通信等领域。中国是全球最大锗生产国,占全球锗储量41%。锗对人体有多重健康益处,但过量摄入可能有害。锗化合物中,四卤化锗具刺激性,氢化锗毒性最强。锗是重要的战略资源,对人类科技进步具有重要意义。
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锗的特性

锗(Germanium)是一种化学元素,元素符号Ge,原子序数32,原子量72.64,在化学元素周期表中位于第4周期、第IVA族。锗的晶体结构为面心立方晶胞,每个晶胞含有四个金属原子,锗晶体里的原子排列与金刚石相似,因此锗与金刚石一样硬而且脆。

物理性质:

锗在常温下为银白色固体金属,有光泽,粉末状锗呈暗蓝色。锗熔点很高,为937.4℃。沸点很高,为2830℃。密度为5.35g/cm³,硬度很高,为6.0~6.5。锗具有半导体性质,可用于高频率电流的检波和交流电的整流。锗的半导体性质包括高电子迁移率和高空穴迁移率。

金属锗

化学性质:

锗在元素周期表上的位置正好夹在金属与非金属之间,因此具有许多类似于非金属的性质,这在化学上称为“亚金属”,化学性质与同族的锡与硅相近,不溶于水、盐酸、稀苛性碱溶液。

锗在室温下是稳定的,但也会生成GeO单层膜,时间长了会逐渐变成GeO2单层膜。而当锗的表面吸附了水蒸气便破坏了氧化膜的钝化性质,而生成厚的氧化物。锗在较高温度下便氧化,且伴随有失重的现象,原因是生成了GeO,因其有较强的挥发性。

锗会缓慢溶解于加热的浓硫酸中,易溶解于硝酸、王水中。锗具有两性,碱溶液与锗的作用很弱,但熔融的碱在空气中,能使锗迅速溶解。锗与碳不起作用,所以在石墨坩埚中熔化,不会被碳所污染。

在自然界中,锗共有五种稳定核素:70Ge,72Ge,73Ge,74Ge,76Ge,在700℃以上与氧作用生成GeO2,在1000℃以上与氢作用,细粉锗能在氯或溴中燃烧。


储存运输:

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。

锗的发现

德国化学家文克勒

锗、锡和铅在元素周期表中是同属一族,后两者早被古代人们发现并利用,而锗长时期以来没有被工业规模的开采。这并不是由于锗在地壳中的含量少,而是因为它是地壳中最分散的元素之一,含锗的矿石是很少的。
1871年:“化学之父”门捷列夫根据自己提出的元素周期律,尝试将当时已知的63种元素进行元素周期表排列,发现无法完全填补元素周期表的空位,因此便在表中留下一些空位,预言与硼、铝、硅类似的元素的存在,借助梵文前缀 eka ,将这些未知元素命名为 “类硼”、“类铝” 、 “类硅” 等,同时还预测了这些元素的颜色、原子量、密度等性质,这一预测为新元素的发现指明了方向。
1886年:德国弗莱贝格(Freiberg)矿业学院(21世纪的TU Bergakademie Freiberg)分析化学教授文克勒在分析夫赖堡附近发现的一种新的矿石——argyrodite(辉银锗矿4Ag2S·GeS2)的时候,发现有一未知的新元素并通过实验验证了自己的推断,锗元素终于被发现。

为了纪念发现锗的文克勒的祖国,锗从德国的拉丁名germania命名新元素为germanium(锗),元素符号定为Ge。锗继镓和钪后被发现,巩固了化学元素周期系。

锗的来源

中国锗矿矿产地分布图

锗是一种稀有元素,在自然界以有机锗及无机锗的形态存在着。分布很散很广。铜矿、铁矿、硫化矿以至岩石,泥土和泉水中都含有微量的锗。锗在地壳中的含量为一百万分之七,比之于氧、硅等常见元素当然是少,但是,却比砷、铀、汞、碘、银、金等元素都多。然而,锗却非常分散,几乎没有比较集中的锗矿,因此,被人们称为“稀散金属”。已发现的锗矿有硫银锗矿(含锗5~7%)、锗石(含锗10%),硫铜铁锗矿(含锗7%)。锗矿石的锗含量量有200ppm和393ppm两种,颜色为青灰色、红花色两种。

中国锗保有储量次于美国,占全球锗储量的41%,美国为45%。美国虽然有丰富的铅锌矿伴生锗,但受限于去工业化后铅锌产量低下,以及对国内资源的保护,锗的产量聊胜于无。中国作为全球最大的锗生产国,也是锗最重要的出口国,每年金属锗出口数量远大于进口数量。2021年全球锗产量140吨,其中,中国锗产量95吨。2021-2022年,中国每年金属锗出口数量均超40吨,美国、德国、日本、俄罗斯、比利时为中国内地金属锗主要出口地区。

中国锗资源储量丰富,分布较为广泛,含锗矿床主要是“铅锌型”和“煤型”。其中内蒙古占中国锗矿储量的65.34%;云南锗占全国储量的9.64%。我国 “煤型”主要分布在云南和内蒙古,如云南临沧锗矿、内蒙古乌兰图嘎和伊敏煤田;“铅锌型”有云南会泽铅+锌矿床、广东凡口铅+锌矿床等。

锗的应用

锗应用占比情况

大多数卫星都采用锗基太阳能电池供电。锗具备多方面的特殊性质,在半导体、航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛而重要的应用,是一种重要的战略资源。

高纯四氯化锗光纤

光纤通信领域:
锗是光纤预制棒的重要原材料之一,用于制造光纤通信系统中的核心部件。如三氯化锗是新型光纤材料添加剂。
由于锗具有高折射率,可以作为掺杂剂使用,增加光纤的传输速度和传输容量。
锗还可以提高光纤的抗拉强度和耐高温性能,从而提高光纤通信系统的可靠性和稳定性。
电子工业领域:
锗是一种重要的半导体材料,具有高导热率、高电阻率、低膨胀系数和稳定的化学性质等优点。
锗被广泛应用于制造集成电路、晶体管、太阳能电池等电子器件。
锗还可以用于制造高温晶体管和红外光学元件等高温半导体材料。
航空航天领域:
锗因其高熔点、高折射率、低密度等特性,被广泛应用于制造高温仪器、航空航天器零部件等。
锗还可以用于制造高温合金和耐高温橡胶等材料,提高航空航天器的性能和可靠性。

锗基太阳能电池

太阳能电池领域:
锗是太阳能电池的重要材料之一,由于其化学性质稳定、具有高折射率和良好的导电性能,可以大大提高太阳能电池的光电转换效率。
锗还可以提高太阳能电池的耐久性和稳定性,延长其使用寿命。
医疗领域:
锗可用于制造放射性示踪剂和治疗药物等。例如,放射性锗-68可用于诊断肿瘤等疾病,用无机锗来治疗贫血,有机锗化合物可用于治疗癌症等疾病。
锗还可以用于制备生物兼容性材料和生物传感器等医疗器械。
催化剂:
主要应用在电子工业中,合金预处理中以及光学工业上。如二氧化锗是聚合反应的催化剂。

夜视仪

军事领域:
单质锗的折射系数很高,只对红外光透明,而对可见光和紫外光不透明,所以红外夜视仪等军用观察仪采用纯锗制作透镜。
其他领域:
锗因其高折射率和低密度等特性,可以用于制造光学仪器和高精度玻璃等材料,如含二氧化锗的玻璃有较高的折射率和色散性能,可作广角照相机和显微镜镜头。
锗的化学性质稳定,还可以用于制造高温合金和高温陶瓷等材料。
锗的高导热率和低膨胀系数等优点,使其也适用于制造电子封装材料和太阳能电池板等材料。


锗与人体健康的关系:

抗氧化作用:锗元素具有很强的抗氧化能力,能有效清除体内的自由基。防止自由基引起的氧化应激反应,降低氧化应激引发的各种疾病的发生风险。
免疫调节作用:增强免疫细胞的功能,提高人体免疫力。有助于预防感染、肿瘤等疾病。
抗炎作用:具有抗炎作用,能减轻炎症反应。对关节炎、慢性疲劳综合症等炎症性疾病具有一定的缓解作用。
抗肿瘤作用:研究发现,锗元素具有一定的抗肿瘤作用。它可以通过抑制肿瘤细胞的生长和扩散,减缓肿瘤的发展进程。锗元素还能增强化疗药物的疗效,提高治疗效果。
促进新陈代谢:促进人体新陈代谢,提高酶的活性。有助于改善肠胃功能、促进血液循环等。
其他作用:锗元素能够清除体内的各类脂肪,有助于预防高血脂、高血压等疾病。储存于人体当中,能够提供充足的氧气,使人保持活力。与铁元素一起,有助于防治贫血,恢复造血系统功能。参与体内代谢,具有脱氢能力,维护人体健康。

锗元素对人体具有多方面的作用,从抗氧化、免疫调节、抗炎、抗肿瘤到促进新陈代谢等方面都有显著的效果。然而,虽然锗元素具有多种功效和作用,但摄入过量也可能对身体产生不良影响。因此,在食用锗元素保健品时,应咨询专业医生或营养师的意见,确保安全有效。

锗的危害

金属锗

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。

化学上或毒物学上重要的锗化合物很少。锗的二氧化物,一种微溶于水的白色粉末,形成锗酸,这类似于硅酸。四氯化锗是一种不稳定的液体,四氟化锗是一种气体,它们很容易在水中水解。氢化锗(锗烷)是一种相对稳定的气体。有机锗化合物,烷基可以替换个多个Ge原子,和锡、汞、砷等类似,但毒性小的多。锗元素及其二氧化物毒性不强,四卤化锗是刺激性的,氢化锗毒性最强。

结语

锗是一种重要的半导体材料,广泛应用于光纤通信、电子工业等领域,其高折射率、稳定性强的特性使其成为理想的材料选择。此外,锗还在医疗、催化等领域展现出独特价值。作为稀有金属,锗的应用前景广阔,对人类科技进步和产业发展具有重要意义,是一种重要的战略资源。

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