Germanium

Germanium (32) [Ge]

Chemische Formel: Ge
Ordnungszahl: 32
Serie: Halbetalle
Aussehen: gräulich weiß
Masseanteil Erdhülle: 5,6 ppm

Aggregatszustand:
fest
Dichte:
5,323 g·cm−3
Schmelzpunkt:
938,3 °C / 1211,4 K

Siedepunkt: 2830 °C  /  3103
Mohshärte: 6,0

Molares Volumen: 13,63 · 10−6 m3/mol

Schmelzwärme: 31,8 kJ/mol

Verdampfungswärme: 330 kJ/mol
CAS: 7440-56-4

GHS Gefahrenstoffkennzeichnung:

H: 228
P: 210

EU-Gefahrenstoffkennzeichnung:

R:
S: 

Warnhinweis für Germanium in Pulverform


Geschichte

Erste Hinweise auf das Element veröffentlichte Dmitri Mendelejew 1871 als er sein Periodensystem entwarf und eine logische Lücke unterhalb des Siliziums entdeckte.
Das reine Element wurde dann 1886 erstmals von dem Mineralogen und  Chemiker Clemens Alexander Winkler (1838-1904) aus dem Mineral Argyrodit isoliert. Aber erst Theodor Hieronymus Richter (1825-1898) und Julius Lothar Meyer (1830-1895) identifizierten das neue Element als ein Element der 4. Hauptgruppe und nannten es wie bereits Mendelejew zuvor "Eka-Silicium".
Winkler benannte anschließend das neue Element zu Ehren seiner Heimat Deutschland, in Anlehnung an das lateinische Wort für Deutschland "germania". Diesen Namen trägt es bis heute.

Physikalische und Chemische Eigenschaften

Das Element Germanium steht im Periodensystem in der Serie der Halbmetalle, wird jedoch nach neuerer Definition als Halbleiter klassifiziert. Elementares Germanium ist ein silbrig glänzendes, hartes und sehr sprödes Material. Unter hoher Druckeinwirkung zerbricht das spröde Material und zeigt ähnliche Bruchflächen wie Silicium. Auch im chemischen Verhalten ähnelt das Germanium dem Silicium. Es ist relativ reaktionsträge und ist an der Luft sehr beständig. Beim Glühen in reinem Sauerstoff oxidiert Germaniumpulver zu Germanium(IV)-oxid (GeO2). In Pulverform ist es ein entzündlicher Feststoff und kann durch kurzzeitige Einwirkung einer Zündquelle leicht entzündet werden. Es brennt auch nach der Entfernung der Zündquelle weiter. Die Entzündungsgefahr ist, wie bei vielen Stoffen umso größer, je feiner der Stoff verteilt ist. In kompakter Form ist es jedoch nicht brennbar.

 

Germanium weist als einer von wenigen Stoffen die Eigenschaft einer Dichteanomalie auf. Die Dichte ist in festem Zustand niedriger als in flüssigem Zustand. Beim Erwärmen über den Schmelzpunkt steigt die Dichte um ca. vier Prozent an, beim Erstarren dehnt sich das Volumen um ca. sechs Prozent aus.

 

Die elektrische Leitfähigkeit bei Normaltemperatur ist nicht sehr gut. Unter Wärmezufuhr nimmt die Leitfähigkeit aber stark zu. Beim Dotieren mit Fremd-Atomen (z.B. Aluminium oder Antimon) kann die Leitfähigkeit erhöht werden. Beim Dotieren mit Arsen erhält man einen n-Halbleiter, mit Gallium einen p-Halbleiter.

 

Germanium kann zwei- und vierwertig sein. Germanium(IV)-Verbindungen sind dabei die Beständigsten. Von Salzsäure, Kalilauge und verdünnter Schwefelsäure wird Germanium nicht angegriffen. In alkalischen Wasserstoffperoxid-Lösungen, konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter heißer Schwefelsäure  wird es unter Bildung von Germaniumdioxidhydrat aufgelöst.

 

Verwendung

Im 20. Jahrhundert war Germanium das führende Halbleiter-Material in der Elektronik. Beispielsweise zur Herstellung von Transistoren. Heute wurde es in diesem Bereich weitgehend von dem deutlich günstigeren Silicium ersetzt. Für Spezialanwendungen wird es noch heute selten als Halbleiter eingesetzt, zum Beispiel in der Hochfrequenztechnik und in der Detektortechnologie.

 

Die Hauptanwendung für Germanium sind heute optische Anwendungen wie die Herstellung von Lichtwellenleitern für Nachtsichtgeräte, Wärmebildkameras, Spezialfenster oder auch Glasfaserkabel.
Somit spielt Germanium eine wichtige Rolle beim Ausbau der internetverbindung im 21. Jahrhundert.

 

Weitere Anwendungsbereiche sind die Nuklearmedizin und Kerntechnik, der Einstaz von Germanium in Nahrungsergänzungsmitteln und die proffesionelle Arzneiliche Verwendung von Germanium.

 

Toxikologie und Gefahren

Da Germanium oder seine Verbindungen nur sehr selten mit dem Menschen in Kontakt kommen, ist über ihre toxikologische Wirkung bis heute wenig bekannt. Vermutlich ist sie beim metallischen Germanium als gering bis nicht existent einzustufen. Vergiftungen mit Germanium bei Menschen traten bisher nur nach der flaschen Einnahme von anorganischen Germaniumverbindungen als Nahrungsergänzungsmittel auf. Erste Symptome sind dabei Appetitlosigkeit, Erschöpfungszustände, Gewichtsverlust und Muskelschwäche. Darauf folgen Funktionsstörungen der Niere, bis hin zum Nierenversagen.

Die Verbindung Germaniumwasserstoff (GeH4) ist ein stark toxisches Gas mit einem sehr negativen Geruch, das sich an der Luft spontan entzündet und mit bläulicher Flamme verbrennt. Es entsteht bei der Einwirkung von Säuren auf Germaniumverbindungen.