Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

В 1886 году немецкий химик Клеменс Винклер выделил новый элемент из минерала аргиродита, обнаруженного недалеко от его родного саксонского города Фрайбурга. Первоначально Винклер планировал назвать новый элемент «нептунием», но за девять лет до его открытия, в 1877 году химик Германн выделил из минерала танталита то, что он ошибочно посчитал новым элементом и назвал его нептунием. Ко времени открытия Винклера открытие Германна было опровергнуто – в танталите не было нового элемента. Считая, что давать элементу ошибочное название неправильно, Винклер назвал новый элемент в честь латинского названия своей страны («правильный» нептуний появится в Периодической системе в 1940 году), взяв за основу её латинское название. В 1870-е годы Германия была новинкой на политической карте мира – она появилась в декабре 1870 года, сменив собой организованный в 1866 году Северогерманский союз.

Пятьдесят лет германий оставался лишь просто заполненной клеткой в Периодической системе ну и живым подтверждением Периодического закона – его промежуточное состояние между металлами и неметаллами не давало возможности придумать, для чего он может пригодиться. Развитие электроники и связанных с ней было технологий показало, что ценность германия как раз состоит в этой двойственности. Будучи полупроводником, материалом, электропроводность которого меньше, чем у металла, но больше, чем у диэлектрика, электропроводность, которую можно регулировать воздействием извне – электрическим полем, облучением, введением легирующих добавок – всё это позволило найти германию область, в которой он смог проявить себя.

Для начала германий стал материалом, который смог заменить один из ключевых электронных приборов, служащих для выпрямления электрического тока – диод. До эры полупроводниковой электроники диод представлял собой вакуумную двухэлектродную электронную лампу, катод которой нагревался до температур, при которых начинал испускать электроны. При подаче на анод отрицательного напряжения все электроны, оторвавшиеся от катода, возвращались на электрод, и электрический ток не протекал через устройство (такое состояние диода называют «запертым»), при подаче на анод напряжения более положительного, чем у катода электроны начинают двигаться направленно к аноду, формируя электрический ток. Диод работает как электронный «ниппель» – позволяет электронам двигаться только в одном направлении.

Полупроводящие свойства германия позволили разработать твердотельный диод, меньший по размеру, чем вакуумная электронная лампа и требующая меньше энергии. Как и все полупроводники, германий может быть легирован добавками, увеличивающими его электронную (доноры электронов, например, мышьяк и сурьма) или дырочную (акцепторы электронов – бор, алюминий) проводимость. Объединение двух образцов германия – с дырочной и с электронной проводимостью позволило создать полупроводниковый диод. Чуть позже германий стал материалом для полупроводникового транзистора – усилителя электрического сигнала. До 1970-х годов транзисторы и диоды изготавливали из германия, но позже германиевые полупроводниковые устройства были вытеснены кремниевыми. Не то, чтобы кремниевые диоды и транзисторы превосходили бы по параметрам германиевые – оба материала давали детали примерно одинакового качества. Просто в 1970-е году уже был намечена тенденция будущей компьютерной и микроэлектронной революции, и, понимая, что рано или поздно компьютер «войдет в каждый дом» производители электроники решили заменить малораспространённый в земной коре германий на один из её главных компонентов – кремний. Ежегодное мировое производство германия составляет около 120 тонн, что конечно бы не хватило на создание работающих сейчас компьютеров, умных телефонов, телевизоров, холодильников и прочей электронной техники.

Наступление «эры кремния» в электронике отнюдь не отправило германий на заслуженный отдых (химические элементы вообще редко выходят на пенсию). Существует целый ряд задач, с которыми может справиться только германий – оптические элементы систем ночного видения, материал для оптико-волоконных кабелей и для устаревшего формата записи компьютерных данных – перезаписываемых дисков DVD.

В отличие от многих других элементов список соединений германия, находящих практическое применение не так широк – сам элемент в виде простого вещества, диоксид германия (GeO₂

) и тетрахлорид германия (GeCl₄), который все равно применяют для получения высокочистых образцов элементарного германия и его диоксида, который, помимо прочего, может применяться как катализатор для получения полиэтилентерефталата – полимера, из которого изготавливают тару для напитков. Предполагается, что германий не токсичен для растений и животных, и это, наверное, единственный неметалл, соединения которого никак не применяются в фармакологии.

33. Мышьяк