锗的基本介绍,锗的性质,锗的发现及行业发展趋势

锗 Germanium

锗，英文名称Germanium，是一种化学元素，化学符号Ge，原子序数是32，原子量72.64，属于IVA族元素。熔点937.4℃，沸点2830℃，密度5.35g/cm³，硬度6～6.5。锗是一种灰白色类金属，有光泽，质硬，属于碳族，有明显的非金属性质。锗化学性质稳定，常温下不与空气或水蒸汽作用，但在600～700℃时，能很快生成二氧化锗。锗在地壳中的含量约为0.0007％，是地壳中最分散的元素之一，几乎没有比较集中的锗矿。大量的锗以分散状态存在于各种金属的硅酸盐矿、硫化物矿以及各种类型的煤中；某些铜矿、铁矿、硫化矿、银矿中也有锗石产出；岩石，泥土和泉水中都含有微量的锗；很多植物中都含有限量的锗，如人叁、党叁、白芷、枸杞、芦荟、灵芝草和茶叶等。锗被广泛应用于电子、光学、化工、生物医学、能源及其他高新科技领域。

锗的发现及行业发展

【锗元素的发现】

1871年门捷列夫根据新排出的周期表预言了锗的存在，把它命名为"类硅"。
1886年，德国Frieberg矿业学院分析化学教授Clemens A. Winkler在研究一种新矿石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，它就是元素锗。从德国的拉丁名germania命名新元素为germanium，以纪念发现锗的Clemens A. Winkler的祖国。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。

【锗行业发展】

锗与锡、铅在元素周期表中属同一族，后两种元素被古代人发现和利用均比锗早，而锗长时期以来没有被工业规模的开采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，含锗的矿石很少，被称为"稀散金属"。

直到20世纪30年代，由于冶炼工业的带动，锗和锗化合物的研究才有了进一步的发展。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，这才形成了锗的工业化生产，成为半导体工业的重要原料。锗在20世纪六七十年代曾经是一种典型的半导体材料，在当时的科技水平和应用环境下，享有国家战略物资的地位。随着技术进步，稀缺而昂贵的锗在半导体领域的基础应用大量被丰富而廉价的硅替代，但锗的电子迁移率和空穴迁移率比硅大，适用于超高速转换开关电路，因而在高频快速低噪声的领域，锗器件的性能远远优于硅器件。
进入21世纪以后，锗在红外领域的应用得到了极大的开拓和提升，红外光学用锗已经跃升为金属锗的第一市场。而近年来，随着绿色革命、新能源技术的开发和应用，锗在太阳能领域高转换率、抗辐射和长寿命的特殊优势日益显现，正在成为新能源的关键材料，受到世界各国的普遍重视。目前以锗为衬底的高效多节太阳能电池制造技术在国外已经成熟，在实验室里的光电转化效率达到40％以上，是硅太阳能电池的2-3倍，被广泛应用于人造卫星、航天飞机等空间航天器的太阳能电源和地面聚光太阳能发电系统。

此外，锗常用来制造热敏电阻、光敏电阻和半导体温度计，用于温度测量和设备的自动控制。锗在红外器件、γ辐射探测器方面，也有新的用途，如锗酸铋用于闪烁体辐射探测器。锗还同铌形成化合物，用作超导材料。作为一种高新技术材料，锗已被广泛应用于电子工业、光学工业、制药业及其他高新技术行业。

【我国锗行业发展现状】

我国拥有丰富且易采的锗资源，但由于前期我国对锗的开采盲目无序，导致我国锗资源没能分享到应有的利益，我国政府深刻意识到了问题的重要性和紧迫性，从2007年起，我国便通过国调整关税来持续加强对锗资源的保护。2010年起，中国拉开了稀有金属整合的大幕，锗作为稀散金属，属于国家重要的战略资源，政府也对此加大保护，加强了资源整合力度，严格控制锗的产量和出口。
国内涉锗企业的规模不算小，但高附加值锗产品与跨国企业间的差距非常大，如光纤级四氯化锗、大尺寸低位错锗单晶等产品，另外，国内后端应用（除光纤）发展相对滞后，导致国内企业的深加工主要以出口为主，因此，国内企业的竞争力仍需提高。

【锗收储】

【锗替代产品】

硅比锗稍微便宜一些，在一些电子设备中可以替代锗的用途，因为一些金属化合物在高频电子设备和发光二极管设备中可被替代。在一些红外设备系统中，硒化锌和锗酸盐玻璃可替代金属锗，但其性能不及金属锗。锑和钛可以替代锗作聚合催化剂用。

锗的性质及其化合物

【锗的物理性质】

锗是银白色晶体(粉末状呈暗蓝色)，熔点937.4℃，沸点2830℃，密度5.35g/cm³，莫氏硬度6.0～6.5，室温下，晶态锗性脆，可塑性很小。锗具有半导体性质，在高纯锗中掺入三价元素(如铟、镓、硼)、得到P型锗半导体；掺入五价元素(如锑、砷、磷)，得到N型锗半导体。化合价为+2和+4。第一电离能7.899电子伏特。锗有着良好的半导体性质，如高电子迁移率和高空穴迁移率等。
晶体结构：晶胞为面心立方晶胞，每个晶胞含有四个金属原子。据X射线研究证明，锗晶体里的原子排列与金刚石差不多。结构决定性能，所以锗与金刚石一样硬而且脆。

【锗的化学性质】

在常温下不与空气或水蒸气作用，但在600～700℃时，与氧气反应能很快生成二氧化锗。在加热情况下，锗能在氧气、氯气和溴蒸气中燃烧。
锗与盐酸、稀硫酸不起作用，但浓硫酸在加热时，锗会缓慢溶解。在硝酸、王水中，锗易溶解。
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。锗易溶于熔融的氢氧化钠或氢氧化钾，生成锗酸钠或锗酸钾。在过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂存在下，锗能溶解在碱性溶液中，生成锗酸盐。锗的氧化态为＋2和＋4。
锗与碳不起作用，所以在石墨坩埚中熔化，不会被碳所污染。

【锗的化合物】

锗与氧、卤素、酸、碱等物质反应都能生成化合物。
锗有两种氧化物：二氧化锗(GeO2)和一氧化锗(GeO)。
锗共有四种已知的四卤化物：四碘化锗(GeI4)为固体，四氟化锗(GeF4)为气体，其余两种为挥发性液体。
锗还能与氧族元素生成二元化合物，例如二硫化物、二硒化物(GeSe2)、一硫化物(GeS)、一硒化物(GeSe)及碲化物(GeTe)。
甲锗烷（GeH4）是一种结构与甲烷相近的化合物。
有机锗化合物(organogermanium compound)：四氯化锗与二乙基锌反应生成四乙基锗（Ge(C2H5)4）R4Ge型（其中R为烃基）的有机锗烷，如四甲基锗（Ge(CH3)4）及四乙基锗，是由锗前驱物四氯化锗及甲基亲核剂反应而成。有机锗氢化物，如异丁基锗烷（(CH3)2CHCH2GeH3）的危险性比较低，因此半导体工业会用液体的氢化物来取代气体的甲锗烷。

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