Знаешь как. Германий в организме человека

Общие сведения и методы получения

Германий (Ge) - элемент серовато-белого цвета в компактном состоя­нии и серого в диспергированном. Существование и свойства этого эле­мента предсказаны в 1871 г. Д И. Менделеевым, который назвал его экасилицием. Новый элемент был открыт А. Винклсром в 1886 г. во Фрайберге (Германия) в минерале аргиродите 4 Ag 2 S - GeS 2 и назван гер­манием в честь роднны ученого. Практический интерес к этому элементу возник в период второй мировой войны в связи с развитием полупровод­никовой электроники. Начало промышленного производства германия относится к 1945-1950 гг.

Содержание германия в земной коре составляет 7*10 -4 % (по массе). Основное количество элемента находится в рассеянном состоянии в си­ликатах, сульфидах н минералах, представляющих собой сульфосоли. Известно несколько минералов типа сульфосолей с высоким содержани­ем германия, которые ие имеют промышленного значения: аргнродит- Ag 8 GeS 6 (5-7%), германит Cu 3 (Fe , Ge , Са, Zn) (As , S) 4 (6-10%), рениернт (Cu , Fe) 3 (Fc , Ge , Zn , Sn) (S , As) 4 (6,37-7,8%). Источниками получения германия являются сульфидные руды, а также малометамор-физированные угли и некоторые железные руды (до 0,01 % Ge).

В зависимости от состава исходного сырья применяют различные способы его первичной обработки:

Выщелачивание серной кислотой с последующим выделением гер­мания из растворов;

Сульфатизирующий обжиг материалов;

Возгонка сульфида GeS или монооксида GcO в восстановительной среде;

Сульфатизирующий обжиг материала;

Восстановительная плавка в присутствии меди или железа;

Экстракция;

Ионообменная сорбция.

Германиевые концентраты могут быть выделен л из растворов сле­дующими способами:

Осаждение в виде малорастворимых соединений;

Соосаждение с гидратами железа, цинка, с сульфидами цника, меди и т. д;

Осаждение из сернокислых растворов на цинковой пыли (цемен­тация).

С целью получения четыреххлористого германия германиевые кон­центраты обрабатывают концентрированной соляной кислотой в токе хлора. Образующийся тетрахлорид германия (GeCI 4) отгоняют от хло­ридов металлов, имеющих более высокие температуры кипения В ре­зультате гидролиза очищенного четыреххлористого германия получа­ют диоксид германия Qe 0 2 Элементарный германий получают восста­новлением очищенного и просушенного диоксида чистым водородом. Восстановленный германий подвергают дальнейшей очистке от примесей фракционной кристаллизацией Из высокочистого германия методом зонной плавки или по способу Чохральского выращивают монокристал­лы с заданными электрофизическими свойствами. Промышленность вы­пускает поли- и монокристаллический германий.

Германий марки ГПЗ-1 предназначен для получения монокристалли­ческого иелегированного и легированного германия, а также специаль­ных целей, марки ГПЗ-2 - для получения монокристаллического леги­рованного германия и других целей, марки ГПЗ-3 - для получения сплавов и заготовок для оптических деталей. Германий поставляется в виде слитков в форме сегмента, каждый из которых упаковывают в по­лиэтиленовый пакет. Слиток в полиэтиленовой упаковке помещают в картонную или пластмассовую тару и уплотняют мягкой прокладкой, обеспечивающей сохранность его при транспортировке и хранении. До­ставка осуществляется любым видом крытого транспорта.

Физические свойства

Атомные характеристики Атомный номер 32, атомная масса 72,59 а е м, атомный объем 13,64-10^ 6 м 3 /моль, атомный радиус 0,139 нм, ионный радиус Qe 2 + 0,065 нм, Ge 4 + 0,044 нм. Электронное строение свободного атома германия 4s 2 p 2 . Потенциалы ионизации / (эВ): 7,88; 15,93; 34,21. Электроотрицательность 2,0. Кристаллическая решетка германия - ку­бическая типа алмаза с периодом а = 0,5657 нм. Энергия кристалличе­ской решетки 328,5 мкДж/кмоль. Координационное число 4. Каждый атом германия окружен четырьмя соседними, расположенными на оди­наковых расстояниях в вершинах тетраэдра. Связи между атомами осу­ществляются спаренными валентными электронами.

Химические свойства

В соединениях германий проявляет степень окисления +2 и +4, ре­же +1 и +3. Нормальный электродный потенциал реакции Ge -2е«=* *± Ge 2 + ф 0 =- 0,45 В.

В атмосфере сухого воздуха германий покрывается тонким слоем оксидов толщиной около 2 нм, но не изменяет при этом своего цвета. Во влажном воздухе германий, особенно поликристаллический, посте­пенно тускнеет. Заметное окисление начинается при 500 °С.

В ряду напряжений германий располагается после водорода - между медью и серебром. Германий не взаимодействует с водой и не раство-стся в разбавленной и концентрированной соляной кислоте. Растворя­ется в горячей концентрированной серной кислоте с образованием Ge (S 04) u и выделением SO 2. При взаимодействии с азотной кислотой образует осадок диоксида германия xGe 02-(/ H 2 0. Хорошо растворяется в царской водке и смеси HF + HNC 4. Лучшим растворителем для гер­мания является щелочной раствор пероксида водорода. Быстро раство­ряют германий расплавленные едкие щелочи. При этом образуются гер-маиаты щелочных металлов, гидролизующиеся водой.

Диоксид Ge0 2 может быть получен прокаливанием германия на воз­духе, прокаливанием сульфидов, растворением элементарного германия в 3 %-ном пероксиде водорода в платиновом тигле с последующим вы­париванием раствора и прокаливанием остатка. Ge 0 2 существует в двух полиморфных модификациях: низкотемпературной а с тетрагональной решеткой (1123°С) и высокотемпературной й с гексагональной решеткой (выше 1123°С). Температура плавления Ge 0 2 1725°С. При плавлении образуется прозрачный расплав. Диоксид германия растворяется в воде с образованием германиевой кислоты НгйеОз, легко переводится в раст­вор щелочами с образованием солей германиевой кислоты - гсрманатов. При действии пероксида водорода на концентрированные растворы ""ер-манатов получаются соли надгерманиевых кислот, образующие кристал­логидраты, например Na 2 Ge 0 5 -4 H 2 0.

Имеется несколько соединений германия с водородом. Установлено существование GeH - темного, легко взрывающегося порошка. Известны также соединения типа германов GenH 2 „+ 2 (например, Ge 2 H 4 , Ge 2 He), которые прн малых значениях п являются летучими. Моногерман GeH 4 -бесцветный газ с температурой кипения 88,9 °С. Днгерман и трн-герман при комнатной температуре и обычном давлении существуют в жидкой фазе. Растворимость водорода в германии при 800 °С не пре­вышает 1,5-10 -7 % (эт.).

Углерод практически нерастворим в германии. В жидком германии вблизи температуры плавления растворимость углерода оценивается в 0,23 % (ат.). По данным различных авторов определена концентрация углерода в монокристаллическом германии от 7*10 -4 до 5,2*10 -3 %.

При нагреве германия до 700-750 °С в азоте или NH 3 образуются Ge 3 N 4 и Ge 3 N 2 . Нитрид германия Ge 3 N 2 представляет собой темно-корич­невые кристаллы, легко подвергающиеся гидролизу. Термический распад на элементы начинается при 500 °С. Более стабилен нитрид Ge 2 N 4 , кото­рый разлагается выше 1000 °С.

Непосредственное взаимодействие германия с галогенами начинается около 250 °С. Наибольшее практическое значение имеет тетрахлорид GeCl 4 - основной промежуточный продукт при получении полупроводни­кового германия. С иодом германий образует иодид Gel 4 - вещество желтого цвета с температурой плавления 146 °С и температурой кипения 375 °С. Gel 4 используется для получения высокочистого германия мето­дом транспортных реакций. Галогениды неустойчивы к воде.

Из соединений с серой известен дисульфид GeS 2 , который выделяет­ся из сильнокислых растворов солей четырехвалентного германия при пропускании интенсивного тока сероводорода. Кристаллический GcS 2 представляет собой белые чешуйки с перламутровым блеском, расплав застывает в янтарно-желтую прозрачную массу н обнаруживает полу­проводниковые свойства Температура плавления GeS 2 -825 °С. Моно­сульфид германия GeS существует в аморфном и монокристаллическом состояниях. Кристаллический GeS темно-серого цвета, плавится при 615 "С. Все халькогеннды германия (сульфиды, селениды и теллуриды) обнаруживают полупроводниковые свойства. С фосфором германий дает соединение GeP .

Технологические свойства

Германий характеризуется сравнительно высокой твердостью, большой хрупкостью и потому не может быть подвергнут холодной обработке давлением. Деформирование возможно при температурах, близких к температуре плавления, и в условиях всестороннего неравномерного сжатия.

С помощью алмазной пилы слиток германия может быть распилен на тонкие пластинки. Поверхность пластин шлифуется тонким корундо­вым порошком на стекле и полируется на сукне с суспензией из окиси алюминия.

Области применения

Германий играет исключительную роль в радиоэлектронике. Его приме­няют для изготовления кристаллических выпрямителей (диодов) и кри­сталлических усилителей (триодов), которые используются в вычисли­тельной технике, телемеханике, радарных установках и т. д.

На основе германия созданы также мощные выпрямители с высо­ким к. п. д. для выпрямления переменного тока обычной частоты, рас­считанные на силу тока до 10000 А н выше.

Германиевые триоды широко используются для усиления, генериро­вания или преобразования электрических колебаний.

В радиотехнике получили распространение пленочные сопротивления от 1000 Ом до нескольких мегаом.

Благодаря значительному изменению проводимости под действием излучения германий используется в различных фотодиодах н фотосо-противленнях.

Германий находит применение для изготовления термистеров (при этом используется сильная температурная зависимость электросопротив­ления германия).

В ядерной технике применяются германиевые детекторы у изл У че -ния.

Германиевые линзы, легированные золотом, являются неотъемлемой частью приборов инфракрасной техники. Из диоксида германия изго­товляют специальные оптические стекла с большим коэффициентом преломления. Германий вводят также в состав сплавов для высокочув­ствительных термопар.

Значительно увеличивается потребление германия в качестве катали­затора в производстве искусственного волокна.

Ряд соединений германия с переходными металлами имеет высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, в частности мате­риалы на основе соединения Nb 3 Ge (T „>22 К).

Предполагают, что некоторые органические соединения германия биологически активны: задерживают развитие злокачественных образо­ваний, понижают кровяное давление, оказывают обезболивающее дей­ствие.

Германий (Ge) - химический элемент с атомным номером 32. В элементарном виде германий представляет собой твердый полуметалл серо-белого цвета, имеющий металлический блеск. По электрофизическим свойствам является непрямозонным полупроводником.

Этот химический элемент впервые был извлечен в 1886 году усилиями немецкого химика Клеменса Винклера. Для этой цели он использовал минерал аргиродит. Однако существование германия еще 1869 году предсказал создатель Периодической системы Д.И. Менделеев, который тогда же дал ему условное название "экасилиций", поскольку в системе химических элементов он занимал место в следующем периоде сразу под кремнием.

Германий - не самый редкий химический элемент. Встречается в сульфидных и железных рудах, а также в рассеянном виде в силикатах, свои минералы образует очень редко. Его содержание в земной коре составляет порядка 10 -4 %, что выше, чем концентрация сурьмы, висмута и даже серебра. В некоторых минералах (пираргирит, энаргит и др.) содержание германия может составлять до 10 кг на тонну. Концентрация этого химического элемента в водах Мирового океана около 6 10 -5 мг/л.

В середине ХХ века германий получил широкую известность благодаря своим полупроводниковым свойствам и стал использоваться в производстве диодов, транзисторов и других полупроводниковых приборов. В дальнейшем он нашел применение при изготовлении инфракрасной оптики и в волоконной промышленности.

Роль германия в организме человека

До недавнего времени было принято считать, что германий не играет никакой роли в живых организмах. Впоследствии выяснилось, что некоторые органические соединения германия могут использоваться в качестве лекарственных средств, хотя пока их эффективность не установлена. Опыты на крысах показали, что введение в рацион небольшого количества соединений германия увеличивает продолжительность их жизни на 25-30%.

Некоторые его соединения токсичны для человека.

Германий хорошо усваивается организмом (около 95%) и его концентрация в теле человека примерно равномерна. Из организма он выводится преимущественно с мочой (90%).

Значение германия в организме человека состоит в следующем:

• участвует в процессах переноса кислорода, тем самым обеспечивая антигипоксическое действие (предупреждает развитие в тканях кислородной недостаточности, поддерживает достаточный уровень гемоглобина в крови);
• обладает антимикробным, противовирусным и противогрибковым действием, активирует макрофаги, стимулирует синтез интерферона, то есть стимулирует иммунную систему;
• является сильным антиоксидантом, защищая наш организм от вредного действия свободных радикалов;
• подавляет жизнедеятельность раковых клеток, препятствует появлению метастазов;
• регулирует все клапанные системы организма (в желудочно-кишечном тракте, сердечно-сосудистой системе);
• блокируя движение электронов в нейронах, оказывает обезболивающее действие.

Суточная потребность человеческого организма в германии составляет 0,4-1,5 мг. Потребность в нем возрастает во время инфекционных заболеваний, слабости и упадке сил, в восстановительном периоде после перенесенных операций и заболеваний, при малокровии, остеопорозе и иммунодефицитных состояниях.

Источники германия в организме человека

Самое высокое содержания германия обнаружено в чесноке (как в зубках, так и в зелени) (в зубках концентрация германия доходит до 750 мкг на 1 г сухой массы) и женьшене (до 0,2%). Относительно высока его концентрация в следующих продуктах питания:

• отруби;
• бобовые;
• белые грибы;
• томаты;
• рыба и морепродукты (мидии, кальмары, креветки);
• морская капуста;
• молоко.

Синергистом (усиливающим действие) германия является селен.

Нехватка германия в организме человека

Причины нехватки германия :

• недостаточное поступление с пищей;
• нарушения обмена веществ.

Симптомами нехватки германия являются:

• развитие остеопороза и деминерализация костей;
• повышение риска развития онкологических заболеваний.

Избыток германия в организме человека

В больших количествах соединения германия токсичны для организма. Особой токсичностью отличаются соединения двухвалентного германия.

Чаще всего причиной избытка германия является вдыхание паров чистого германия и его оксидов на вредном производстве, ПДК которых в воздухе составляет 2 мг/куб.м.

При контакте с хлоридом германия может возникнуть раздражение кожи, при поступлении соединений германия в больших дозах внутрь могут быть поражены печень или почки.

На момент создания периодической таблицы германий еще открыт не был, но Менделеев предсказал его существование. А спустя 15 лет после доклада в одной из шахт Фрайберга обнаружили неизвестный минерал, в 1886 году из него выделили новый элемент. Заслуга принадлежит немецкому химику Винклеру, давшему элементу имя своей родины. Даже при множестве полезных свойств германия, среди которых нашлось место и лечебным, использовать его начали только в начале Второй мировой войны, и то не очень активно. Поэтому даже сейчас нельзя сказать, что элемент хорошо изучен, но некоторые его способности уже доказаны и успешно применяются.

Лечебные свойства германия

В чистом виде элемент не встречается, выделение его трудоемко, поэтому при первой возможности его заменяли более дешевыми компонентами. Сначала его использовали в диодах и транзисторах, но кремний оказался более удобным и доступным, поэтому изучение химических свойств германия продолжилось. Сейчас он входит в состав термоэлектрических сплавов, применяется в СВЧ-устройствах, инфракрасной технике.

Медицина тоже заинтересовалась новым элементом, но значимый результат удалось получить только в конце 70-х годов прошлого века. Японским специалистам удалось открыть лечебные свойства германия и наметить пути их применения. После испытаний на животных и клинических наблюдений влияния на человека выяснилось, что элемент способен:

• стимулировать ;
• доставлять кислород к тканям;
• бороться с опухолями;
• увеличивать проводимость нервных импульсов.

Сложность использования состоит в токсичности германия в больших дозах, поэтому требовался препарат, способный оказывать позитивное влияние на определенные процессы в организме с минимальным вредом. Первым стал «Германий-132», который помогает улучшать иммунный статус человека, помогает избежать недостатка кислорода в случае падения уровня гемоглобина. Также опыты показали влияние элемента на производство интерферонов, которые противостоят быстро делящимся (опухолевым) клеткам. Польза наблюдается только при введении внутрь, ношение ювелирных изделий с германием никакого эффекта не даст.

Недостаток германия снижает природные способности организма противостоять внешним воздействиям, что приводит к различным нарушениям. Рекомендуемая суточная доза составляет 0,8-1,5 мг. Получить необходимый элемент можно при регулярном употреблении молока, лососины, грибов, чеснока и бобов.

В 1870 году Д.И. Менделеев на основании периодического закона предсказал еще неоткрытый элемент IV группы, назвав его экасилицием, и описал его основные свойства. В 1886 году немецкий химик Клеменс Винклер, при химическом анализе минерала аргиродита обнаружил этот химический элемент. Первоначально Винклер хотел назвать новый элемент «нептунием», но это название уже было дано одному из предполагаемых элементов, поэтому элемент получил название в честь родины учёного - Германии.

Нахождение в природе, получение:

Германий встречается в сульфидных рудах, железной руде, обнаруживается почти во всех силикатах. Основные минералы содержащие германий: аргиродит Ag 8 GeS 6 , конфильдит Ag 8 (Sn,Ce)S 6 , стоттит FeGe(OH) 6 , германит Cu 3 (Ge,Fe,Ga)(S,As) 4 , рениерит Cu 3 (Fe,Ge,Zn)(S,As) 4 .
В результате сложных и трудоёмких операций по обогащению руды и её концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO 2 , который восстанавливают водородом при 600°C до простого вещества.
GeO 2 + 2H 2 =Ge + 2H 2 O
Очистку германия проводят методом зонной плавки, что делает его одним из самых химически чистых материалов.

Физические свойства:

Твёрдое вещество серо-белого цвета, с металлическим блеском(tпл 938°C, tкип 2830°С)

Химические свойства:

При нормальных условиях германий устойчив к действию воздуха и воды, щелочей и кислот, растворяется в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. Степени окисления германия в его соединениях: 2, 4.

Важнейшие соединения:

Оксид германия(II) , GeO, серо-чёрн., слабо раств. в-во, при нагревании диспропорционирует: 2GeO = Ge + GeO 2
Гидроксид германия(II) Ge(OH) 2 , крас.-оранж. крист.,
Йодид германия(II) , GeI 2 , желт. кр., раств. в воде, гидрол. по кат.
Гидрид германия(II) , GeH 2 , тв. бел. пор., легко окисл. и разлаг.

Оксид германия(IV) , GeO 2 , бел. крист., амфотерн., получают гидролизом хлорида, сульфида, гидрида германия, или реакцией германия с азотной кислотой.
Гидроксид германия(IV), (германиевая кислота) , H 2 GeO 3 , слаб. неуст. двухосн. к-та, соли германаты, напр. германат натрия , Na 2 GeO 3 , бел. крист., раств. в воде; гигроскопичен. Существуют также гексагидроксогерманаты Na 2 (орто-германаты), и полигерманаты
Сульфат германия(IV) , Ge(SO 4) 2 , бесцв. кр., гидролизуются водой до GeO 2 , получают нагреванием при 160°C хлорида германия(IV) с серным ангидридом: GeCl 4 + 4SO 3 = Ge(SO 4) 2 + 2SO 2 + 2Cl 2
Галогениды германия(IV), фторид GeF 4 - бесц. газ, необр. гидрол., реагирует с HF, образуя H 2 – германофтористоводородную кислоту: GeF 4 + 2HF = H 2 ,
хлорид GeCl 4 , бесцв. жидк., гидр., бромид GeBr 4 , сер. кр. или бесцв. жидк., раств. в орг. соед.,
йодид GeI 4 , желт.-оранж. кр., медл. гидр., раств. в орг. соед.
Сульфид германия(IV) , GeS 2 , бел. кр., плохо раств. в воде, гидрол., реагирует со щелочами:
3GeS 2 + 6NaOH = Na 2 GeO 3 + 2Na 2 GeS 3 + 3H 2 O, образуя германаты и тиогерманаты.
Гидрид германия(IV), "герман" , GeH 4 , бесцв. газ, органические производные тетраметилгерман Ge(CH 3) 4 , тетраэтилгерман Ge(C 2 H 5) 4 - бесцв. жидкости.

Применение:

Важнейший полупроводниковый материал, основные направления применения: оптика, радиоэлектроника, ядерная физика.

Соединения германия мало токсичны. Германий – микроэлемент, который в организме человека повышает эффективность иммунной системы организма, борется с онкозаболеваниями, уменьшает болевые ощущения. Отмечается также, что германий способствует переносу кислорода к тканям организма и является мощным антиоксидантом – блокатором свободных радикалов в организме.
Суточная потребность организма человека – 0,4–1,5 мг.
Чемпионом по содержанию германия среди пищевых продуктов является чеснок (750 мкг германия на 1 г сухой массы зубков чеснока).

Материал подготовлен студентами ИФиХ ТюмГУ
Демченко Ю.В., Борноволоковой А.А.
Источники:
Германий//Википедия./ URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=63504262 (дата обращения: 13.06.2014).
Германий//Allmetals.ru/URL: http://www.allmetals.ru/metals/germanium/ (дата обращения: 13.06.2014).

ГЕРМАНИЙ, Ge (от лат. Germania — Германия * а. germanium; н. Germanium; ф. germanium; и. germanio), — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 32, атомная масса 72,59. Природный германий состоит из 4 стабильных изотопов 70 Ge (20,55%), 72 Ge (27,37%), 73 Ge (7,67%), 74 Ge (36,74%) и одного радиоактивного 76 Ge (7,67%) с периодом полураспада 2.10 6 лет. Открыт в 1886 немецким химиком К. Винклером в минерале аргиродите; был предсказан в 1871 Д. Н. Менделеевым (экасилиций).

Германий в природе

Германий относится к . Распространённость германия в (1-2).10 -4 %. В качестве примеси встречается в минералах кремния, в меньшей степени в минералах и . Собственные минералы германия очень редки: сульфосоли — аргиродит, германит, реньерит и некоторые другие; двойной гидратированный оксид германия и железа — штоттит; сульфаты — итоит, флейшерит и некоторые др. Промышленного значения они практически не имеют. Германий накапливается в гидротермальных и осадочных процессах, где реализуется возможность отделения его от кремния. В повышенных количествах (0,001-0,1%) встречается в , и . Источниками германия являются полиметаллические руды, ископаемые угли и некоторые типы вулканогенно-осадочных месторождений . Основное количество германия получают попутно из подсмольных вод при коксовании углей, из золы энергетических углей, сфалеритовых и магнетитовых . Германий извлекается кислотным , возгонкой в восстановительной среде, сплавлением с едким натром и др. Концентраты германия обрабатываются соляной кислотой при нагревании, конденсат очищается и подвергается гидролитическому разложению с образованием диоксида; последний восстанавливается водородом до металлического германия, который очищается методами фракционной и направленной кристаллизации, зонной плавки.

Применение германия

Германий применяют в радиоэлектронике и электротехнике как полупроводниковый материал для изготовления диодов и транзисторов. Из германия изготовляют линзы для ИК оптики, фотодиоды, фоторезисторы, дозиметры ядерных излучений, анализаторы рентгеновской спектроскопии, преобразователи энергии радиоактивного распада в электрическую и т.д. Сплавы германия с некоторыми металлами, отличающиеся повышенной стойкостью к кислым агрессивным средам, используют в приборостроении, машиностроении и металлургии. Некоторые сплавы германия с другими химическими элементами — сверхпроводники.