Читать книгу "Элементы: замечательный сон профессора Менделеева - Аркадий Курамшин"

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

В мировой литературе можно найти сюжет про то, как персонаж, известный тёмными делами в молодости, встаёт на дорогу исправления, перевоспитывается и начинает путь служения обществу, временами, правда, давая волю своему тёмному попутчику. Мышьяк вполне бы мог стать героем такого сюжета — соединения элемента, известный с древности как снадобье для отравителей — «король ядов» или «яд королей», сейчас применяется уже в исключительно мирных целях — производные мышьяка используются как инсектициды, пигменты, антисептики для древесины, лекарственные препараты для лечения рака и псориаза и как компоненты пиротехнических составов.

Мышьяк, как и германий, хотя и считается неметаллом, опять же проявляет свойства и металлов, и неметаллов, что и позволяло относить его к металлоидам. В группе Периодической системы, к которой принадлежит мышьяк, все химические элементы, кроме азота токсичны, причём наиболее опасны фосфор, сурьма и, в первую очередь, мышьяк. Токсическое действие соединений мышьяка объясняется тем, что они способны вступать в реакции с фрагментами SH ферментов, дезактивируя их. Инактивация ферментов приводит к нарушению ряда жизненно важных функций в организме, а образующиеся в результате этой реакции арсениты медленно выводятся из организма, попутно повреждая клетки печени. Популярность мышьяка как яда в древние времена связана с тем, что симптомы отравления мышьяком напоминают симптомы холеры, что и позволяло маскировать смерть от отравления под смерть от инфекционного заболевания, которое в те времена вполне могло считаться смертью от естественных причин. Достоверно распознавать отравления мышьяком стало возможно только в начале XIX году. В 1836 английский химик Джеймс Марш разработал для криминалистов качественную реакцию на мышьяк, известную как «проба Марша» (иногда эту реакцию ещё называют реакцией мышьякового зеркала). Первым применением пробы Марша в судебной токсикологии стало рассматривавшееся в 1840 году во французском суде дело об отравлении Шарля Лафаржа его супругой Мари. Судебному эксперту удалось с помощью пробы Марша установить смертельные дозы мышьяка в теле отравленного мужа даже после эксгумации.

Название мышьяка в русском языке происходит от слова «мышь» — его соединения применялись истребления грызунов. Международное название мышьяка на латинском языке — arsenicum, заимствованное греческое слово «arsenicos», которое, в свою очередь является греческой вариацией персидского слова «зарник», означающего аурпигмент (одно из названий руды мышьяка, известной как желтая мышьяковая обманка). Созвучное греческому названию мышьяка слово «arsenikon» означает «обладающий мужской силой», что породило легенду о том, что в отсутствие виагры её роль могли выполнять производные мышьяка. Сложно сказать, использовали ли в античности аурпигмент как возбуждающее средство, но точно известно, что эта мышьяксодержащая руда — трисульфид мышьяка (As2S3) применялась как пигмент уже при отделке древнеегипетских гробниц.

Мышьяк образует несколько аллотропных модификаций. Одна из них — жёлтый мышьяк, выглядит как типичный неметалл, а вторая — хрупкое вещество серо-зелёного цвета, которое называют серый или «металлический» мышьяк. Эти модификации различаются не только цветами. Плотность жёлтого мышьяка — 1.97 г/см3, а серого — 5.73 г/см3. Наиболее стабильной модификацией является серый мышьяк, который плавится при 817 °C. Серый мышьяк легко окисляется кислородом с образованием короля ядов или яда королей — «белого мышьяка», который уже не аллотропная модификация мышьяка, а его оксид — As2O3. Запах белого мышьяка напоминает запах чеснока, и до появления пробы Марша отравление мышьяком диагностировали по чесночному запаху, исходящему от потерпевшего. Иронично, но в 2001 году появилась статья, в которой говорилось о том, что небольшие дозы чеснока могут стать защитой от хронического отравления малыми дозами мышьяка, попадание которых в организм может быть связано с низким качеством питьевой воды (конечно, эксперименты проводились на лабораторных животных).