鍺

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簡介

在化學發展史上，鍺的發現比較晚近。天然鍺的衍生物往往不溶於水，類似於鋁和矽，因此口服毒性較低。一些銅礦和閃鋅礦是提取鍺的主要來源。鍺這種半導體元素被廣泛應用於電晶體和其他電子裝置。在過去，在半導體電子學發展的最初十年裡，鍺是唯一使用的材料。

什麼是鍺？

鍺是元素週期表中的一種元素，位於週期表第四周期、第十四族。鍺的原子序數為32，元素符號為Ge。它屬於碳族。在元素週期表中，Ge位於Si之後，Sn之上。

鍺 (Ge) 的電子構型

週期表中第32號元素是鍺，它擁有32個電子。“電子構型”是指原子中電子在不同軌道和能級上排列的特定順序。鍺原子的電子構型可以用兩種方式表示：

軌道電子構型（玻爾模型）

原子中的電子圍繞原子核運動，遵循特定的圓形路徑，稱為“軌道”。這些軌道用 ‘n’ 表示，其中 n = 1, 2, 3, 4 …

鍺原子的軌道電子構型為：

K, L, M, N

2, 8, 18, 4.

軌道電子構型（泡利不相容原理）

對於原子序數大於18的元素，玻爾原子模型無法準確預測其電子構型。我們可以使用軌道圖來確定所有元素的電子構型。鍺的基態軌道電子排布為 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p²。簡而言之，鍺的電子構型為 [Ar]3d¹⁰ 4s² 4p²。

鍺的電子構型

鍺的生產

• 閃鋅礦、銅礦和燃煤飛灰是提取鍺的主要來源。

• 在開採賤金屬的過程中，鍺作為副產品而不是主要成分進行處理。地球地殼中鍺的含量約為 1.6 ppm。

鍺的提取步驟

步驟 1 − 大多數礦石精礦是硫化物；焙燒（在空氣中加熱）將其轉化為氧化物 −

$$\mathrm{GeS_2+3O_2→GeO_2+2SO_2}$$

步驟 2 − 一部分鍺轉化為鍺酸鹽，隨後用硫酸從礦渣中浸出，一部分則殘留在產生的粉塵中。中和後，溶液中只剩下鋅，而鍺和其他金屬則沉澱出來。在 Waelz 法除去沉澱物中部分鋅後，剩餘的氧化物再次浸出。二氧化物以沉澱物的形式收集，並轉化為四氯化鍺，透過蒸餾可以分離出來，使用鹽酸或氯氣。反應如下：

$$\mathrm{GeO_2+4HCl→GeCl_4+2H_2 O}$$

$$\mathrm{GeO_2+2Cl_2→GeCl_4+O_2}$$

步驟 3 − 使用分餾法提純四氯化鍺，然後水解生成高純度的 GeO₂。透過與氫反應，將其還原為元素鍺。通常，在鋼鐵製造和其他工業過程中，使用碳來還原鍺。

$$\mathrm{GeO_2+2H_2→Ge+2H_2 O}$$

$$\mathrm{GeO_2+C→Ge+CO_2}$$

鍺的提取過程

鍺的賦存

鍺在地殼中含量並不豐富。僅在少數礦物中，如鍺礦石、硫銀鍺礦、雷尼爾石和布里亞爾石中含有鍺。一些鋅、鉛和銅礦石複合物中的鍺含量足夠高，可以從最終的礦石精礦中提取。由於獨特的自然過程，一些煤層中鍺的濃度很高。在恆星和木星的大氣中也發現了鍺。

鍺的性質

一些物理和化學性質列在下表：

鍺的物理性質	鍺的化學性質
標準狀況下為固體	不與稀酸和稀鹼反應。
白色、半金屬、易碎元素	與氧反應生成 GeO2
原子量為 72.6 g/mol。	與氯反應生成 GeCl4
熔點為 $\mathrm{938.25^\circ C}$。	甲鍺烷中的自由基是反應中間體。
沸點 $\mathrm{2833 ^\circ C}$	主要的氧化態為 +4
具有面心立方晶體結構	GeH4 的結構類似於甲烷。

鍺的用途

鍺有多種用途。以下列出一些應用：

• 用於熒光燈。

• 是可重寫 DVD 的組成部分。

• 是重要的紅外光學材料。

• 在冶金中輔助金屬精煉過程。

• 用於航天。被用作多結光伏電池的替代品。

• 催化許多聚合反應。

• 可以在氣相色譜室中替代 SiO₂。

鍺對健康的影響

鍺被認為對動植物的生存並非必需。環境中的鍺對健康的影響可以忽略不計。

• 以鍺為原料生產的抗肺癌藥物被宣傳為鍺補充劑。

• 然而，沒有醫學資料可以證明其益處，事實上，一些資料表明某些補充劑會造成實際損害。

• 長期服用溶解的無機鍺（特別是檸檬酸-乳酸鹽），據報道會引起一些肝脂肪變性、腎衰竭和周圍神經病變的例子。

有趣的事實

• 有證據表明，在木星的大氣層和一些遙遠的恆星中存在鍺。

• 鍺的一種放射性同位素的半衰期為 1300 億年。

結論

鍺是一種準金屬，純鍺外觀類似於元素矽。在地殼中元素丰度方面，鍺接近第 51 位。硫化礦石加工過程中產生的副產品和廢料是鍺回收的主要來源。

常見問題

1. 鍺的硬度是多少？

鍺的硬度大約是金剛石的六倍。

2. 鍺：是漂浮還是下沉？

水的密度為 1 g/cm³，而鍺的密度為 5.323 g/cm³。鍺金屬在水中會下沉。

3. 鍺對皮膚有益嗎？

是的，包括鍺在內的一種重要成分，是點燃和平衡與年齡相關的正負離子的重要組成部分。

4. 哪些食物含有鍺？

包括大蒜、香菇等食物都含有痕量的鍺。

5. 為什麼選擇“德國”作為鍺的名稱？

德國科學家克萊門斯·溫克勒 (Clemens Winkler) 被認為於 1886 年發現了鍺。