Германий в природе. Германий элемент

Данная информация предназначена для специалистов в области здравоохранения и фармацевтики. Пациенты не должны использовать эту информацию в качестве медицинских советов или рекомендаций.

Органический германий и его применение в медицине. Органический германий. История открытия.

Супоненко А. Н.
К. х. н., Генеральный директор ООО «Гермацентр»

Химик Винклер, открыв в 1886 году в серебряной руде новый элемент таблицы Менделеева германий, и не подозревал, какое внимание ученых-медиков привлечет этот элемент в ХХ веке.

Для медицинских нужд наиболее широко германий первыми начали применять в Японии. Испытания различных германийорганических соединений в опытах на животных и в клинических испытаниях на людях показали, что они в разной степени положительно влияют на организм человека. Прорыв наступил в 1967 г., когда доктор К. Асаи обнаружил, что органический германий, способ синтеза которого был ранее разработан в нашей стране, обладает широким спектром биологического действия.

Среди биологических свойств органического германия можно отметить его способности:

обеспечивать перенос кислорода в тканях организма;

повышать иммунный статус организма;

проявлять противоопухолевую активность

Так японскими учеными был создан первый препарат с содержанием органического германия «Германий – 132», использующийся для коррекции иммунного статуса при различных заболеваниях человека.

В России биологическое действие германия изучалось давно, но создание первого российского препарата «Гермавит» стало возможным только в 2000 г., когда финансы в развитие науки и, в частности, медицины стали вкладывать российские бизнесмены, понимающие, что здоровье нации требует самого пристального внимания, а его укрепление является важнейшей социальной задачей нашего времени.

Где содержится германий.

Следует отметить, что процессе геохимической эволюции земной коры произошло вымывание значительного количества германия с большей части поверхности суши в океаны, поэтому в настоящее время количество этого микроэлемента, содержащегося в почве – крайне незначительно.

Среди немногих растений, способных абсорбировать германий и его соединения из почвы, лидером является женьшень (до 0.2 %), широко применяемый в тибетской медицине. Германий также содержат в себе чеснок, камфара и алоэ, традиционно используемые для профилактики и лечения различных заболеваний человека. В растительном сырье органический германий находится в форме полуоксид карбоксиэтила. В настоящее время синтезированы органические соединения германия – сесквиоксаны с пиримидиновым фрагментом. Это соединение близко по структуре к природному соединению германия, содержащемуся в биомассе корня женьшеня.

Германий относится к редким микроэлементам, присутствует во многих пищевых продуктах, но в микроскопических дозах.

Оценка количества германия, поступающего с пищей, проведенная путем анализа 125 видов пищевых продуктов, показала, что ежедневно с пищей поступает 1.5 мг германия. В 1 г сырых продуктов его обычно содержится 0.1 – 1.0 мкг. Этот микроэлемент содержится в томатном соке, бобах, молоке, лососине. Однако для обеспечения суточной потребности организма в германии необходимо выпивать, например, до 10 л томатного сока в день или съедать до 5 кг лососины, что нереально по физическим возможностям организма человека. Кроме того цены на данные продукты делают невозможным регулярное употребление для большей части населения нашей страны.

Территории нашей страны слишком обширна и на 95 % ее территории недостаток германия составляет от 80 до 90 % от необходимой нормы, поэтому возник вопрос о создании германийсодержащего препарата.

Распределение органического германия в организме и механизмы его воздействия на организм человека.

В экспериментах, определяющих распределение органического германия в организме через 1.5 часа после его перорального введения, были получены следующие результаты: большое количество органического германия содержится в желудке, тонком кишечнике, костном мозге, селезенке и крови. Причем высокое его содержание в желудке и кишечнике показывает, что процесс его всасывания в кровь имеет пролонгированное действие.

Высокое содержание органического германия в крови позволило выдвинуть доктору Асаи следующую теорию механизма его действия в организме человека. Предполагаются, что в крови органический германий ведет себя аналогично гемоглобину, также несущему в себе отрицательный заряд и подобно гемоглобину участвует в процессе переноса кислорода в тканях организма. Тем самым предупреждается развитие кислородной недостаточности (гипоксии) на тканевом уровне. Органический германий предотвращает развитие так называемой кровяной гипоксии, возникающей при уменьшении количества гемоглобина, способного присоединить кислород (уменьшении кислородной ёмкости крови), и развивающейся при кровопотерях, отравлении окисью углерода, при радиационных воздействиях. Наиболее чувствительны к кислородной недостаточности центральная нервная система, мышца сердца, ткани почек, печени.

В результате опытов было также установлено, что органический германий способствует индукции гамма интерферонов, которые подавляют процессы размножения быстро делящихся клеток, активируют специфические клетки (Т-киллеры). Основными направлениями действия интерферонов на уровне организма является антивирусная и противоопухолевая защита, иммуномодулирующие и радиозащитные функции лимфатической системы

В процессе изучения патологических тканей и тканей с первичными признаками заболеваний было установлено, что они всегда характеризуются недостатком кислорода и присутствием положительно заряженных радикалов водорода Н + . Ионы Н + оказывают крайне негативное воздействие на клетки организма человека, вплоть до их гибели. Ионы кислорода, обладая способностью объединяться с ионами водорода, позволяют выборочно и локально компенсировать повреждения клеток и тканей, которые наносят им ионы водорода. Действие германия на ионы водорода обусловлено его органической формой – формой сесквиоксида.

Несвязанный водород очень активен, поэтому легко взаимодействует с атомами кислорода, находящимися в германиевых сесквиоксидах. Гарантией нормального функционирования всех систем организма должна быть беспрепятственная транспортировка кислорода в тканях. Органический германий обладает ярко выраженной способностью доставлять кислород в любую точку организма и обеспечивать его взаимодействие с ионами водорода. Таким образом, в основе действия органического германия при взаимодействии его с ионами Н + лежит реакция дегидрации (отщепление водорода от органических соединений), а кислород, принимающий участие в этой реакции, можно сравнить с «пылесосом», вычищающим организм от положительно заряженных ионов водорода, органический германий – со своего рода «внутренней люстрой Чижевского».

Германий |32 | Ge| — Цена

Германий (Ge) — рассеянный редкий металл , атомный номер — 32, атомная масса-72,6, плотность:
твёрдый при 25ОС — 5.323 г/см3;
жидкий при 100ОС — 5.557г/см3;
Температура плавления — 958,5ОС, коэффициент линейного расширения α.106,при температуре, КО:
273-573— 6.1
573-923— 6.6
Твёрдость по минералогической шкале-6-6,5.
Удельное электросопротивление монокристаллического высокочистого германия (при 298ОК), Ом.м-0,55-0,6..
Германий был открыт в 1885 году и в начале получен в виде сульфида. Этот металл был предсказан Д.И.Менделеевым в 1871 году, с точным указанием его свойств и назван им экосилицием. Германий, назван учёными исследователями, в честь страны в которой он был открыт.
Германий –серебристо-белый металл , по внешнему виду похож на олово, хрупкий при нормальных условиях. Поддаётся пластической деформации при температуре свыше 550ОС. Германий обладает полупроводниковыми свойствами . Удельное электросопротивление германия зависит от чистоты— примеси его резко снижают. Германий оптически прозрачен в инфракрасной области спектра, обладает высоким коэффициентом преломления, что позволяет применять его для изготовления различных оптических систем.
Германий стоек на воздухе при температурах до 700ОС, при более высоких температурах-окисляется, а выше температуры плавления-сгорает, образуя диоксид германия. Водород с германием не взаимодействует, а при температуре плавления, расплав германия поглощает кислород. Германий не реагирует с азотом. С хлором, образует при комнатной температуре, хлорид германия.
Германий не взаимодействует с углеродом, устойчив в воде, медленно взаимодействует с кислотами, легко растворяется в царской водке. Растворы щелочей слабо действуют на германий. Германий сплавляется со всеми металлами.
Несмотря на то, что германия в природе больше чем свинца, производство его ограничено из-за его сильной распылённости в земной коре, а стоимость германия достаточно высока. Германий образует минералы аргиродит и германит, однако они мало используются для его получения. Германий извлекается попутно при переработке сульфидных полиметаллических руд, некоторых железных руд, в которых содержится до 0,001% германия, из подсмольных вод при коксовании угля.

ПОЛУЧЕНИЕ.

Получение германия из различного сырья осуществляется сложными способами, при которых конечным продуктом является четырёххлористый германий или диоксид германия, из которого получают металлический германий. Его очищают и,далее, методом зонной плавки выращивают германиевые монокристаллы с заданными электрофизическими свойствами. В промышленности получают монокристаллический и поликристаллический германий.
Полупродукты полученные переработкой минералов содержат незначительное количество германия и для их обогащения применяются различные методы пиро- и гидрометаллургической обработки. Пирометаллургические способы основаны на возгонке летучих соединений содержащих германий, гидрометаллургические способы-на избирательном растворении соединений германия.
Для получения концентратов германия, продукты пирометаллургического обогащения(возгоны, огарки) обрабатывают кислотами и переводят германий в раствор, из которого получают концентрат различными методами (осаждением, соосаждением и сорбцией, электрохимическими методами). В концентрате содержится от 2 до 20% германия, из которого выделяют чистый диоксид германия. Диоксид германия восстанавливают водородом, однако, полученный металл недостаточно чист для полупроводниковых приборов и поэтому он подвергается очистке кристаллографическими методами (направленная кристаллизация-зонная очистка-получение монокристалла). Направленная кристаллизация совмещается с восстановлением диоксида германия водородом. Расплавленный металл постепенно выдвигают из горячей зоны в холодильник. Металл кристаллизуется постепенно по длине слитка. В конечной части слитка собираются примеси и её удаляют. Оставшийся слиток разрезают на куски, которые загружают в зонную очистку.
В результате зонной очистки получают слиток, в котором чистота металла различна по его длине. Слиток также разрезают и отдельные его части выводятся из процесса. Таким образом, при получении монокристаллического германия из зоноочищенного, прямой выход составляет не более 25%.
Для получения полупроводниковых приборов монокристалл германия разрезают на пластины, из которых выкраивают миниатюрные детали, которые затем шлифуют и полируют. Эти детали и являются конечным продуктом для создания полупроводниковых приборов.

ПРИМЕНЕНИЕ.

• Благодаря своим полупроводниковым свойствам германий широко используется в радиоэлектронике для изготовления кристаллических выпрямителей (диодов) и кристаллических усилителей (триодов), для вычислительной техники, телемеханики, радаров и т.п.

• Триоды из германия используются для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

• В радиотехнике используются германиевые плёночные сопротивления.

• Германий применяется в фотодиодах и фотосопротивлениях, для изготовления термисторов.

• В ядерной технике используются германиевые детекторы гамма-излучений, а в приборах инфракрасной техники — германиевые линзы, легированные золотом.

• Германий добавляют к сплавам для высокочувствительных термопар.

• Германий используется в качестве катализатора при производстве искусственных волокон.

• В медицине изучают некоторые органические соединения германия, предполагая, что они могут быть биологически активными и способствовать задержанию развития злокачественных опухолей, понижению артериального давления, обезболиванию.

Германий (лат. Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 32, атомная масса 72,59; твердое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Природный Германий представляет собой смесь пяти стабильных изотопов с массовыми числами 70, 72, 73, 74 и 76. Существование и свойства Германия предсказал в 1871 году Д. И. Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент экасилицием из-за близости свойств его с кремнием. В 1886 году немецкий химик К. Винклер обнаружил в минерале аргиродите новый элемент, который назвал Германием в честь своей страны; Германий оказался вполне тождествен экасилицию. До второй половины 20 века практическое применение Германия оставалось весьма ограниченным. Промышленное производство Германия возникло в связи с развитием полупроводниковой электроники.

Общее содержание Германий в земной коре 7·10 -4 % по массе, то есть больше, чем, например, сурьмы, серебра, висмута. Однако собственные минералы Германия встречаются исключительно редко. Почти все они представляют собой сульфосоли: германит Cu 2 (Cu, Fe, Ge, Zn) 2 (S, As) 4 , аргиродит Ag 8 GeS 6 , конфильдит Ag 8 (Sn, Ge)S 6 и другие. Основная масса Германия рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов: в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых оксидных минералах (хромите, магнетите, рутиле и других), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, Германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти.

Физические свойства Германия. Германий кристаллизуется в кубической структуре типа алмаза, параметр элементарной ячейки а = 5, 6575Å. Плотность твердого Германий 5,327 г/см 3 (25°С); жидкого 5,557 (1000°С); t пл 937,5°С; t кип около 2700°С; коэффициент теплопроводности ~60 Вт/(м·К),или 0,14 кал/(см·сек·град) при 25°С. Даже весьма чистый Германий хрупок при обычной температуре, но выше 550°С поддается пластической деформации. Твердость Германия по минералогической шкале 6-6,5; коэффициент сжимаемости (в интервале давлений 0-120 Гн/м 2 , или 0-12000 кгс/мм 2) 1,4·10 -7 м 2 /мн (1,4·10 -6 см 2 /кгс); поверхностное натяжение 0,6 н/м (600 дин/см). Германий - типичный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,104·10 -19 дж или 0,69 эв (25°С); удельное электросопротивление Германия высокой чистоты 0,60 ом·м (60 ом·см) при 25°С; подвижность электронов 3900 и подвижность дырок 1900 см 2 /в·сек (25°С) (при содержании примесей менее 10 -8 %). Прозрачен для инфракрасных лучей с длиной волны больше 2 мкм.

Химические свойства Германия. В химические соединениях Германий обычно проявляет валентности 2 и 4, причем более стабильны соединения 4-валентного Германия. При комнатной температуре Германий устойчив к действию воздуха, воды, растворам щелочей и разбавленных соляной и серной кислот, но легко растворяется в царской водке и в щелочном растворе перекиси водорода. Азотной кислотой медленно окисляется. При нагревании на воздухе до 500-700°С Германий окисляется до оксидов GeO и GeO 2 . Оксид Германия (IV) - белый порошок с t пл 1116°C; растворимость в воде 4,3 г/л (20°С). По химическиv свойствам амфотерна, растворяется в щелочах и с трудом в минеральных кислотах. Получается прокаливанием гидратного осадка (GeO 3 ·nH 2 O), выделяемого при гидролизе тетрахлорида GeCl 4 . Сплавлением GeO 2 с других оксидами могут быть получены производные германиевой кислоты - германаты металлов (Li 2 GeO 3 , Na 2 GeO 3 и другие) - твердые вещества с высокими температурами плавления.

При взаимодействии Германия с галогенами образуются соответствующие тетрагалогениды. Наиболее легко реакция протекает с фтором и хлором (уже при комнатной температуре), затем с бромом (слабое нагревание) и с иодом (при 700-800°С в присутствии СО). Одно из наиболее важных соединений Германия тетрахлорид GeCl 4 - бесцветная жидкость; t пл -49,5°С; t кип 83,1°С; плотность 1,84 г/см 3 (20°С). Водой сильно гидролизуется с выделением осадка гидратированного оксида (IV). Получается хлорированием металлического Германия или взаимодействием GeO 2 с концентрированной НСl. Известны также дигалогениды Германия общей формулы GeX 2 , монохлорид GeCl, гексахлордигерман Ge 2 Cl 6 и оксихлориды Германия (например, СеОСl 2).

Сера энергично взаимодействует с Германием при 900-1000°С с образованием дисульфида GeS 2 - белого твердого вещества, t пл 825°С. Описаны также моносульфид GeS и аналогичные соединения Германия с селеном и теллуром, которые являются полупроводниками. Водород незначительно реагирует с Германием при 1000-1100°С с образованием гермина (GeH) Х - малоустойчивого и легко летучего соединения. Взаимодействием германидов с разбавленной соляной кислотой могут быть получены германоводороды ряда Ge n H 2n+2 вплоть до Ge 9 H 20 . Известен также гермилен состава GeH 2 . С азотом Германий непосредственно не реагирует, однако существует нитрид Gе 3 N 4 , получающийся при действии аммиака на Германий при 700-800°С. С углеродом Германий не взаимодействует. Германий образует соединения со многими металлами - германиды.

Известны многочисленные комплексные соединения Германия, которые приобретают все большее значение как в аналитической химии Германия, так и в процессах его получения. Германий образует комплексные соединения с органическими гидроксилсодержащими молекулами (многоатомными спиртами, многоосновными кислотами и другими). Получены гетерополикислоты Германия. Так же, как и для других элементов IV группы, для Германия характерно образование металлорганических соединений, примером которых служит тетраэтилгерман (С 2 Н 5) 4 Ge 3 .

Получение Германия. В промышленного практике Германий получают преимущественно из побочных продуктов переработки руд цветных металлов (цинковой обманки, цинково-медно-свинцовых полиметаллических концентратов), содержащих 0,001-0,1% Германия. В качестве сырья используют также золы от сжигания угля, пыль газогенераторов и отходы коксохимических заводов. Первоначально из перечисленных источников различными способами, зависящими от состава сырья, получают германиевый концентрат (2-10% Германия). Извлечение Германия из концентрата обычно включает следующие стадии: 1) хлорирование концентрата соляной кислотой, смесью ее с хлором в водной среде или других хлорирующими агентами с получением технического GeCl 4 . Для очистки GеСl 4 применяют ректификацию и экстракцию примесей концентрированной НСl. 2) Гидролиз GeCl 4 и прокаливание продуктов гидролиза до получения GeO 2 . 3) Восстановление GeO 2 водородом или аммиаком до металла. Для выделения очень чистого Германия, используемого в полупроводниковых приборах, проводится зонная плавка металла. Необходимый для полупроводниковой промышленности монокристаллический Германий получают обычно зонной плавкой или методом Чохральского.

Применение Германия. Германий - один из наиболее ценных материалов в современной полупроводниковой технике. Он используется для изготовления диодов, триодов, кристаллических детекторов и силовых выпрямителей. Монокристаллический Германий применяется также в дозиметрических приборах и приборах, измеряющих напряженность постоянных и переменных магнитных полей. Важной областью применения Германия является инфракрасная техника, в частности производство детекторов инфракрасного излучения, работающих в области 8-14 мкм. Перспективны для практическое использования многие сплавы, в состав которых входят Германий, стекла на основе GeO 2 и другие соединения Германия.

Германий был открыт учеными в конце 19-ого века, отделившими его в процессе очистки меди и цинка. В чистом виде германий содержит минерал германит, встречающийся при добывании ископаемого угля, по цвету он может быть темно-серым или светлым с серебряным блеском. Германий имеет хрупкую структуру и сильным ударом его можно разбить как стекло, но при этом он не меняет своих свойств под влиянием воды, воздуха и большинства щелочей и кислот. До середины 20-ого века германий использовали в промышленных целях — на заводах, изготавливая оптические линзы, полупроводники и ионные детекторы.

Обнаружение органического германия в организме животных и людей дало повод для более детального изучения этого микроэлемента учеными – медиками. В ходе многочисленных проверок было доказано, что микроэлемент германий оказывает благотворное влияние на организм человека, действуя как переносчик кислорода на ровне с гемоглобином и не накапливается в костях тканях так как свинец.

Роль германия в организме человека

Микроэлемент человека выполняет несколько ролей: защитника иммунитета (участвует в борьбе с микробами), помощника гемоглобина (улучшает передвижение кислорода в кровеносной системе) и оказывает угнетающее действие на рост раковых клеток (развитие метастазов). Германий в организме стимулирует выработку интерферонов для борьбы с вредными микробами, бактериями и вирусными инфекциями, проникающими в организм.

Большой процент германия задерживается желудком и селезенкой, частично всасывается стенками тонкого кишечника, после чего попадает в кровь и доставляется до костного мозга. Германий в организме активно участвует в процессах продвижения жидкостей – в желудке и кишечнике, а также улучшает передвижение крови по венозной системе. Германий, перемещаясь в межклеточном пространстве, практически полностью поглощается клетками организма, но, через некоторое время, около 90% этого микроэлемента выводится из организма почками вместе с мочой. Это объясняет, почему организму человека постоянно требуется поступление органического германия вместе с продуктами.

Гипоксия – это такое болезненное состояние, когда в крови резко уменьшается количество гемоглобина (потеря крови, радиоактивное облучение) и кислород не распространяется по всему организму, от чего возникает кислородное голодание. В первую очередь нехватка кислорода травмирует мозг и нервную систему, а также главные внутренние органы — сердечную мышцу, печень и почки. Германий (органического происхождения) в организме человека способен вступать во взаимосвязь с кислородом и распространять его по всему телу, временно беря на себя функции гемоглобина.

Ещё одним достоинством, которым обладает германий, является его способность влиять на погашение болевых ощущений (не имеющих связи с травмами), из-за электронных импульсов, возникающих в волокнах нервной системы в момент сильного стресса. Их хаотичное движение вызывает это болезненное напряжение.

Продукты, содержащие германий

Органический германий содержится в известных всем продуктах, таких как: чеснок, съедобные грибы, семена подсолнуха и тыквы, овощи — морковь, картофель и свекла, отруби пшеничные, бобы (соя, фасоль), томаты, рыба.

Дефицит германия в организме

Ежесуточно человеку требуется от 0,5 мг до 1,5 мг германия. Микроэлемент германий признан во всем мире безопасным и не токсичным для человека. Сведений о передозировке германием на данный день нет, но дефицит германия увеличивает риск возникновения и развития раковых клеток в злокачественных опухолей. С дефицитом германия в организме также связывают возникновение остеопороза.

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.