鍺 Germanium

• 鍺，英文名稱Germanium，是一種化學元素，化學符号Ge，原子序數是32，原子量72.64，屬于IVA族元素。熔點937.4℃，沸點2830℃，密度5.35g/cm³，硬度6～6.5。鍺是一種灰白色類金屬，有光澤，質硬，屬于碳族，有明顯的非金屬性質。鍺化學性質穩定，常溫下不與空氣或水蒸汽作用，但在600～700℃時，能很快生成二氧化鍺。鍺在地殼中的含量約為0.0007％，是地殼中最分散的元素之一，幾乎沒有比較集中的鍺礦。大量的鍺以分散狀态存在于各種金屬的矽酸鹽礦、硫化物礦以及各種類型的煤中；某些銅礦、鐵礦、硫化礦、銀礦中也有鍺石産出；岩石，泥土和泉水中都含有微量的鍺；很多植物中都含有限量的鍺，如人叁、黨叁、白芷、枸杞、蘆荟、靈芝草和茶葉等。鍺被廣泛應用于電子、光學、化工、生物醫學、能源及其他高新科技領域。

鍺的發現及行業發展

【鍺元素的發現】

• 1871年門捷列夫根據新排出的周期表預言了鍺的存在，把它命名為"類矽"。
• 1886年，德國Frieberg礦業學院分析化學教授Clemens A. Winkler在研究一種新礦石argyrodite(輝銀鍺礦4Ag2S•GeS2)的時候，發現有一未知的新元素并通過實驗驗證了自己的推斷，它就是元素鍺。從德國的拉丁名germania命名新元素為germanium，以紀念發現鍺的Clemens A. Winkler的祖國。元素符号定為Ge。鍺繼镓和钪後被發現，鞏固了化學元素周期系。

【鍺行業發展】

• 鍺與錫、鉛在元素周期表中屬同一族，後兩種元素被古代人發現和利用均比鍺早，而鍺長時期以來沒有被工業規模的開采并不是由于鍺在地殼中的含量少，而是因為它是地殼中最分散的元素之一，含鍺的礦石很少，被稱為"稀散金屬"。

• 直到20世紀30年代，由于冶煉工業的帶動，鍺和鍺化合物的研究才有了進一步的發展。1942年，人們發現鍺是優秀的半導體材料，可以用來代替真空管，這才形成了鍺的工業化生産，成為半導體工業的重要原料。鍺在20世紀六七十年代曾經是一種典型的半導體材料，在當時的科技水平和應用環境下，享有國家戰略物資的地位。随着技術進步，稀缺而昂貴的鍺在半導體領域的基礎應用大量被豐富而廉價的矽替代，但鍺的電子遷移率和空穴遷移率比矽大，适用于超高速轉換開關電路，因而在高頻快速低噪聲的領域，鍺器件的性能遠遠優于矽器件。
• 進入21世紀以後，鍺在紅外領域的應用得到了極大的開拓和提升，紅外光學用鍺已經躍升為金屬鍺的第一市場。而近年來，随着綠色革命、新能源技術的開發和應用，鍺在太陽能領域高轉換率、抗輻射和長壽命的特殊優勢日益顯現，正在成為新能源的關鍵材料，受到世界各國的普遍重視。目前以鍺為襯底的高效多節太陽能電池制造技術在國外已經成熟，在實驗室裡的光電轉化效率達到40％以上，是矽太陽能電池的2-3倍，被廣泛應用于人造衛星、航天飛機等空間航天器的太陽能電源和地面聚光太陽能發電系統。

• 此外，鍺常用來制造熱敏電阻、光敏電阻和半導體溫度計，用于溫度測量和設備的自動控制。鍺在紅外器件、γ輻射探測器方面，也有新的用途，如鍺酸铋用于閃爍體輻射探測器。鍺還同铌形成化合物，用作超導材料。作為一種高新技術材料，鍺已被廣泛應用于電子工業、光學工業、制藥業及其他高新技術行業。

【我國鍺行業發展現狀】

• 我國擁有豐富且易采的鍺資源，但由于前期我國對鍺的開采盲目無序，導緻我國鍺資源沒能分享到應有的利益，我國政府深刻意識到了問題的重要性和緊迫性，從2007年起，我國便通過國調整關稅來持續加強對鍺資源的保護。2010年起，中國拉開了稀有金屬整合的大幕，鍺作為稀散金屬，屬于國家重要的戰略資源，政府也對此加大保護，加強了資源整合力度，嚴格控制鍺的産量和出口。
• 國内涉鍺企業的規模不算小，但高附加值鍺産品與跨國企業間的差距非常大，如光纖級四氯化鍺、大尺寸低位錯鍺單晶等産品，另外，國内後端應用（除光纖）發展相對滞後，導緻國内企業的深加工主要以出口為主，因此，國内企業的競争力仍需提高。

【鍺收儲】

• 2012年國際電子金屬年會上，雲南鍺業總經理包文東在演講中透露家儲備局将會在2012年實施收儲金屬鍺行動。
• 2012年11月，國家向主要鍺生産企業收儲金屬鍺20噸，數量接近全國年産總量的五分之一。

【鍺替代産品】

• 矽比鍺稍微便宜一些，在一些電子設備中可以替代鍺的用途，因為一些金屬化合物在高頻電子設備和發光二極管設備中可被替代。在一些紅外設備系統中，硒化鋅和鍺酸鹽玻璃可替代金屬鍺，但其性能不及金屬鍺。銻和钛可以替代鍺作聚合催化劑用。

鍺的性質及其化合物

【鍺的物理性質】

• 鍺是銀白色晶體(粉末狀呈暗藍色)，熔點937.4℃，沸點2830℃，密度5.35g/cm³，莫氏硬度6.0～6.5，室溫下，晶态鍺性脆，可塑性很小。鍺具有半導體性質，在高純鍺中摻入三價元素(如铟、镓、硼)、得到P型鍺半導體；摻入五價元素(如銻、砷、磷)，得到N型鍺半導體。化合價為 2和 4。第一電離能7.899電子伏特。鍺有着良好的半導體性質，如高電子遷移率和高空穴遷移率等。
• 晶體結構：晶胞為面心立方晶胞，每個晶胞含有四個金屬原子。據X射線研究證明，鍺晶體裡的原子排列與金剛石差不多。結構決定性能，所以鍺與金剛石一樣硬而且脆。

【鍺的化學性質】

• 鍺化學性質穩定，不溶于水、鹽酸、稀苛性堿溶液。

• 在常溫下不與空氣或水蒸氣作用，但在600～700℃時，與氧氣反應能很快生成二氧化鍺。在加熱情況下，鍺能在氧氣、氯氣和溴蒸氣中燃燒。
• 鍺與鹽酸、稀硫酸不起作用，但濃硫酸在加熱時，鍺會緩慢溶解。在硝酸、王水中，鍺易溶解。
• 堿溶液與鍺的作用很弱，但熔融的堿在空氣中，能使鍺迅速溶解。鍺易溶于熔融的氫氧化鈉或氫氧化鉀，生成鍺酸鈉或鍺酸鉀。在過氧化氫、次氯酸鈉等氧化劑存在下，鍺能溶解在堿性溶液中，生成鍺酸鹽。鍺的氧化态為＋2和＋4。
• 鍺與碳不起作用，所以在石墨坩埚中熔化，不會被碳所污染。

【鍺的化合物】

• 鍺與氧、鹵素、酸、堿等物質反應都能生成化合物。
• 鍺有兩種氧化物：二氧化鍺(GeO2)和一氧化鍺(GeO)。
• 鍺共有四種已知的四鹵化物：四碘化鍺(GeI4)為固體，四氟化鍺(GeF4)為氣體，其餘兩種為揮發性液體。
• 鍺還能與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)。
• 甲鍺烷（GeH4）是一種結構與甲烷相近的化合物。
• 有機鍺化合物(organogermanium compound)：四氯化鍺與二乙基鋅反應生成四乙基鍺（Ge(C2H5)4）R4Ge型（其中R為烴基）的有機鍺烷，如四甲基鍺（Ge(CH3)4）及四乙基鍺，是由鍺前驅物四氯化鍺及甲基親核劑反應而成。有機鍺氫化物，如異丁基鍺烷（(CH3)2CHCH2GeH3）的危險性比較低，因此半導體工業會用液體的氫化物來取代氣體的甲鍺烷。

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