„Germanium“ – Versionsunterschied

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'''Germanium''' (von {{laS|Germania}} ‚[[Deutschland]]‘, nach dem Land, in dem es zuerst gefunden wurde<ref name="Brunck_1906" />) ist ein [[chemisches Element]] mit dem [[Elementsymbol]] Ge und der [[Ordnungszahl]] 32. Im [[Periodensystem]] steht es in der 4. [[Chemische Elemente der vierten Periode|Periode]] und in der 4. [[Hauptgruppe]] (14. [[Gruppe des Periodensystems|IUPAC-Gruppe]], p-[[Block des Periodensystems|Block]] und [[Kohlenstoffgruppe]]). Es wurde erstmals 1886 im Mineral [[Argyrodit]] nachgewiesen.<ref name="DOI10.1002/ciuz.200490078">{{Literatur |Autor=Klaus Volke |Titel=Clemens Winkler– zum 100. Todestag |Sammelwerk=Chemie in unserer Zeit |Band=38 |Nummer=5 |Datum=2004-10 |Seiten=360 |Sprache= |DOI=10.1002/ciuz.200490078}}</ref>
'''Germanium''' (von {{laS|Germania}} ‚[[Deutschland]]‘, nach dem Land, in dem es zuerst gefunden wurde<ref name="Brunck_1906" />) ist ein [[chemisches Element]] mit dem [[Elementsymbol]] Ge und der [[Ordnungszahl]] 32. Im [[Periodensystem]] steht es in der 4. [[Chemische Elemente der vierten Periode|Periode]] und in der 4. [[Hauptgruppe]] (14. [[Gruppe des Periodensystems|IUPAC-Gruppe]], p-[[Block des Periodensystems|Block]] und [[Kohlenstoffgruppe]]). Es wurde erstmals 1886 im Mineral [[Argyrodit]] nachgewiesen.<ref name="DOI10.1002/ciuz.200490078">{{Literatur |Autor=Klaus Volke |Titel=Clemens Winkler– zum 100. Todestag |Sammelwerk=Chemie in unserer Zeit |Band=38 |Nummer=5 |Datum=2004-10 |Seiten=360 |DOI=10.1002/ciuz.200490078}}</ref>

Germanium ist ein glänzend graues, hartes, [[spröde]]s [[Halbmetall]] (manchmal wird es noch zu den [[Metall]]en gezählt). Es ist auf der Erde weit verbreitet, kommt aber meistens nur in geringen Konzentrationen vor. Der größte Produzent von Germanium ist [[Volksrepublik China|China]]. Germanium wird hauptsächlich als [[Halbleiter]] in der [[Elektronik]] verwendet, doch es gibt auch einige Anwendungen in der Medizin. Es ist keine biologische Funktion von Germanium bekannt.


== Geschichte ==
== Geschichte ==
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Als 1871 [[Dmitri Iwanowitsch Mendelejew|Dmitri Mendelejew]] das [[Periodensystem]] entwarf, stieß er auf eine Lücke unterhalb des [[Silicium]]s und postulierte ein bis dahin unbekanntes Element, das er als Eka-Silicium bezeichnete. Mendelejew machte Vorhersagen über die Eigenschaften des Eka-Siliciums und dessen Verbindungen, die von der Wissenschaft jedoch abgelehnt wurden.
Als 1871 [[Dmitri Iwanowitsch Mendelejew|Dmitri Mendelejew]] das [[Periodensystem]] entwarf, stieß er auf eine Lücke unterhalb des [[Silicium]]s und postulierte ein bis dahin unbekanntes Element, das er als Eka-Silicium bezeichnete. Mendelejew machte Vorhersagen über die Eigenschaften des Eka-Siliciums und dessen Verbindungen, die von der Wissenschaft jedoch abgelehnt wurden.


1885 fand [[Clemens Winkler]] (1838–1904), ein [[Chemiker]] an der [[Technische Universität Bergakademie Freiberg|Bergakademie Freiberg]], als er mit dem neu entdeckten Mineral [[Argyrodit]] arbeitete, dass dessen [[quantitative Analyse]] stets einen Fehlbetrag von rund sieben Prozent lieferte. So oft die Analyse wiederholt wurde, blieb der Fehlbetrag etwa konstant und Winkler vermutete schließlich, dass das Mineral ein bis dahin unbekanntes Element enthielt. Nach vier Monaten Arbeit gelang ihm schließlich am 6. Februar 1886 die Isolierung eines weißen [[Sulfid]]-Niederschlages, der sich im [[Wasserstoff]]strom zu einem metallischen Pulver reduzieren ließ. In Anlehnung an den zuvor entdeckten Planeten [[Neptun (Planet)|Neptun]] wollte Winkler das neue Element zunächst [[Neptunium]] nennen. Da dieser Name jedoch bereits für ein anderes vermutetes Element verwendet worden war, nannte er es nach dem Entdeckungsort Germanium.<ref name="Brunck_1906" /><ref name="DOI10.1002/cber.18860190156">{{Literatur |Autor=Clemens Winkler |Titel=Germanium, Ge, ein neues, nichtmetallisches Element |Sammelwerk=Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft |Band=19 |Nummer=1 |Datum=1886-01 |Seiten=210 |DOI=10.1002/cber.18860190156}}</ref><ref name="DOI10.1002/prac.18860340122">{{Literatur |Autor=Clemens Winkler |Titel=Mittheilungen über das Germanium |Sammelwerk=Journal für Praktische Chemie |Band=34 |Nummer=1 |Datum=1886-08-14 |Seiten=177 |DOI=10.1002/prac.18860340122}}</ref> Winkler vermutete zunächst, dass es sich beim Germanium um das von Mendelejew postulierte [[Eka-Stibium]]<ref name="Eka">Bei Eka-Cadmium und Eka-Stibium handelt es sich um zwei von Mendelejew postulierte Elemente zwischen Cadmium und Quecksilber und zwischen Antimon und Bismut, die man heutzutage als ''not-so-famous blanks'' meistens unter den Tisch fallen lässt.</ref> handelte, während Mendelejew es zunächst eher als [[Eka-Cadmium]]<ref name="Eka" /> und nicht als Eka-Silicium einstufen wollte. Nachdem weitere Eigenschaften ermittelt worden waren, bestätigte sich, dass es sich wohl um das vorhergesagte Element Eka-Silicium handelte.<ref>{{Holleman-Wiberg|Auflage=101.|Startseite=?}}</ref> Mendelejew hatte dessen Eigenschaften aus seinem Periodensystem abgeleitet, so dass dieser Fund zur Anerkennung des Periodensystems beitrug:<ref name="Brunck_1906" />
1885 fand [[Clemens Winkler]] (1838–1904), ein [[Chemiker]] an der [[Technische Universität Bergakademie Freiberg|Bergakademie Freiberg]], als er mit dem neu entdeckten Mineral [[Argyrodit]] arbeitete, dass dessen [[quantitative Analyse]] stets einen Fehlbetrag von rund sieben Prozent lieferte. So oft die Analyse wiederholt wurde, blieb der Fehlbetrag etwa konstant und Winkler vermutete schließlich, dass das Mineral ein bis dahin unbekanntes Element enthielt. Nach vier Monaten Arbeit gelang ihm schließlich am 6. Februar 1886 die Isolierung eines weißen [[Sulfid]]-Niederschlages, der sich im [[Wasserstoff]]strom zu einem metallischen Pulver reduzieren ließ. In Anlehnung an den zuvor entdeckten Planeten [[Neptun (Planet)|Neptun]] wollte Winkler das neue Element zunächst [[Neptunium]] nennen. Da dieser Name jedoch bereits für ein anderes vermutetes Element verwendet worden war, nannte er es nach dem Entdeckungsort Germanium.<ref name="Brunck_1906" /><ref name="DOI10.1002/cber.18860190156">{{Literatur |Autor=Clemens Winkler |Titel=Germanium, Ge, ein neues, nichtmetallisches Element |Sammelwerk=Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft |Band=19 |Nummer=1 |Datum=1886-01 |Seiten=210 |DOI=10.1002/cber.18860190156}}</ref><ref name="DOI10.1002/prac.18860340122">{{Literatur |Autor=Clemens Winkler |Titel=Mittheilungen über das Germanium |Sammelwerk=Journal für Praktische Chemie |Band=34 |Nummer=1 |Datum=1886-08-14 |Seiten=177 |DOI=10.1002/prac.18860340122}}</ref> Winkler vermutete zunächst, dass es sich beim Germanium um das von Mendelejew postulierte [[Eka-Stibium]]<ref name="Eka">Bei Eka-Cadmium und Eka-Stibium handelt es sich um zwei von Mendelejew postulierte Elemente zwischen Cadmium und Quecksilber und zwischen Antimon und Bismut, die man heutzutage als ''not-so-famous blanks'' meistens unter den Tisch fallen lässt.</ref> handelte, während Mendelejew es zunächst eher als [[Eka-Cadmium]]<ref name="Eka" /> und nicht als Eka-Silicium einstufen wollte. Nachdem weitere Eigenschaften ermittelt worden waren, bestätigte sich, dass es sich wohl um das vorhergesagte Element Eka-Silicium handelte.<ref>{{Holleman-Wiberg |Auflage=101. |Startseite=?}}</ref> Mendelejew hatte dessen Eigenschaften aus seinem Periodensystem abgeleitet, so dass dieser Fund zur Anerkennung des Periodensystems beitrug:<ref name="Brunck_1906" />


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Die Herkunft und Etymologie des Namens Germanium könnte auch aus einem semantischen Missverständnis in Zusammenhang mit seinem Vorgängerelement [[Gallium]] herrühren, denn für die Namensgebung von Gallium gibt es zwei Theorien. Nach der Ersten benannte der französische Chemiker [[Paul Émile Lecoq de Boisbaudran]] das Element nach [[Gallien]], der [[Lateinische Sprache|lateinischen]] Bezeichnung seines Heimatlandes [[Frankreich]].<ref name="DOI10.1002/prac.18860340122" /> Die Zweite gibt das ebenfalls lateinische Wort ''{{lang|la|gallus}}'' (Hahn) als Quelle des Namens an, das im Französischen ''{{lang|fr|le coq}}'' („der Hahn“) heißt. Paul Émile ''Lecoq'' de Boisbaudran hätte das neue Element demnach nach seinem eigenen Namen benannt<!--<ref name="Moskalyk"/>-->. Winkler nahm an, dass das vorherige Element Gallium nach der Staatsangehörigkeit des französischen Entdeckers benannt wurde. So nannte er das neue chemische Element „Germanium“ zu Ehren seines Landes (lateinisch ''{{lang|la|Germania}}'' für Deutschland).


== Vorkommen ==
== Vorkommen ==
[[Datei:Renierit.JPG|mini|links|Renierit]]
[[Datei:Renierit.JPG|mini|links|Renierit]]


Germanium ist weit verbreitet, kommt aber nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Der [[Clarke-Wert]], also der Durchschnittsgehalt in der Erdkruste beträgt etwa 1,5 [[Gramm|g]]/[[Tonne (Einheit)|t]]. In der Natur kommt es meist in Form von Sulfiden bzw. Thiogermanaten vor und wird oft als Begleiter in [[Kupfer]]- und [[Zink]]erzen gefunden, unter anderem im [[Mansfelder Land|Mansfelder]] [[Kupferschiefer]].<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Wiberg, Egon., Wiberg, Nils, |Hrsg= |Titel=Lehrbuch der anorganischen Chemie |Auflage=102., stark umgearbeitete und verb. Aufl |Verlag=De Gruyter |Ort=Berlin |Datum=2007 |ISBN=978-3-11-017770-1 |Seiten=1003}}</ref> Die wichtigsten [[Mineral]]e sind [[Argyrodit]] (Ag<sub>8</sub>GeS<sub>6</sub>),<ref name=":0" /> [[Canfieldit]], [[Germanit]] (Cu<sub>6</sub>FeGe<sub>2</sub>S<sub>8</sub>)<ref name=":0" /> und [[Renierit]]. Einige Pflanzen reichern Germanium an. Diese Eigenschaft führt zu höchst umstrittenen Thesen bezüglich der Physiologie von Pflanzen („pflanzlicher Abwehrstoff gegen Viren“), mit denen auch Anwendungen in der [[Homöopathie]] begründet werden.
Germanium ist weit verbreitet, kommt aber nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Der [[Clarke-Wert]], also der Durchschnittsgehalt in der Erdkruste beträgt etwa 1,5 [[Gramm|g]]/[[Tonne (Einheit)|t]]. In der Natur kommt es meist in Form von Sulfiden bzw. Thiogermanaten vor und wird oft als Begleiter in [[Kupfer]]- und [[Zink]]erzen gefunden, unter anderem im [[Mansfelder Land|Mansfelder]] [[Kupferschiefer]].<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Wiberg, Egon., Wiberg, Nils, |Hrsg= |Titel=Lehrbuch der anorganischen Chemie |Auflage=102., stark umgearbeitete und verb. Aufl |Verlag=De Gruyter |Ort=Berlin |Datum=2007 |ISBN=978-3-11-017770-1 |Seiten=1003}}</ref> Die wichtigsten [[Mineral]]e sind [[Argyrodit]] (Ag<sub>8</sub>GeS<sub>6</sub>),<ref name=":0" /> [[Canfieldit]], [[Germanit]] (Cu<sub>6</sub>FeGe<sub>2</sub>S<sub>8</sub>)<ref name=":0" /> und [[Renierit]]. Manche Kohlensorten, insbesondere die [[Wealdenkohle]]n, enthalten nennenswerte Mengen Germanium, die bei der Verbrennung der [[Kohle]] in die [[Flugasche]] übergehen. Die Flugaschen können bis zu 1 % Germanium enthalten.<ref>{{Literatur |Autor=Chemikerausschuß der Gesellschaft Deutscher Metallhütten- und Bergleute e.&nbsp;V. |Titel=Germanium |Sammelwerk=Betriebsanalysen |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=1961 |ISBN=978-3-642-85580-1 |DOI=10.1007/978-3-642-85579-5_14 |Seiten=313–319 |Online=http://link.springer.com/10.1007/978-3-642-85579-5_14 |Abruf=2024-04-09}}</ref><ref name=":1">{{Literatur |Autor=Sigeki Hara, Nanao Hayashi, Sigeo Hirano, Xi-Ning Zhong, Shigejiro Yasuda, Hisashi Komae |Titel=Notes: Determination of Germanium in Some Plants and Animals |Sammelwerk=Zeitschrift für Naturforschung C |Band=45 |Nummer=11-12 |Datum=1990-12-01 |DOI=10.1515/znc-1990-11-1227 |Seiten=1250–1252 }}</ref> Einige Pflanzen reichern Germanium an.<ref name=":1" />


== Gewinnung und Herstellung ==
== Gewinnung und Herstellung ==
Laut [[United States Geological Survey]] lag die Jahresproduktion 2014 bei geschätzten 165&nbsp;t, davon 120&nbsp;t in China, 2020 betrug die Raffinerieproduktion von Germanium weltweit ca. 140&nbsp;t, wobei die USA ihre Produktionsmengen als Geschäftsgeheimnis nicht veröffentlichen.<ref name="usgs_2022"/> Der Preis für 1&nbsp;kg Germanium betrug 2021 ca. 1.315&nbsp;[[US-Dollar|USD]].<ref name="usgs_2022" /> Laut EU lag der Preis 2003 bei 300&nbsp;USD je kg und stieg bis 2009 auf 1.000&nbsp;USD.<ref name="eu" />
Laut [[United States Geological Survey]] lag die Jahresproduktion 2014 bei geschätzten 165&nbsp;t, davon 120&nbsp;t in China, 2020 betrug die Raffinerieproduktion von Germanium weltweit ca. 140&nbsp;t, wobei die USA ihre Produktionsmengen als Geschäftsgeheimnis nicht veröffentlichen.<ref name="usgs_2022" /> Der Preis für 1&nbsp;kg Germanium betrug 2021 ca. 1.315&nbsp;[[US-Dollar|USD]].<ref name="usgs_2022" /> Laut EU lag der Preis 2003 bei 300&nbsp;USD je kg und stieg bis 2009 auf 1.000&nbsp;USD.<ref name="eu" />


Zur Darstellung von Germanium sind insbesondere die Germaniumoxid (GeO<sub>2</sub>) enthaltenden Rauchgase der Zinkerzaufbereitung geeignet. Angereichert wird das Germanium aus dem Rauchgas durch das Lösen des [[Flugstaub]]s in Schwefelsäure. Nach Fällung des gelösten GeO<sub>2</sub> und ZnO erfolgt die weitere Aufarbeitung durch Destillation der Metallchloride. Die [[Hydrolyse]] führt dann wieder zum Oxid, welches mit Wasserstoff zum Germanium [[Reduktion (Chemie)|reduziert]] wird. Die Darstellung von hochreinem Germanium kann z.&nbsp;B. durch das [[Zonenschmelzverfahren]] erfolgen.<ref name=":0" />
Zur Darstellung von Germanium sind insbesondere die Germaniumoxid (GeO<sub>2</sub>) enthaltenden Rauchgase der Zinkerzaufbereitung geeignet. Angereichert wird das Germanium aus dem Rauchgas durch das Lösen des [[Flugstaub]]s in Schwefelsäure. Nach Fällung des gelösten GeO<sub>2</sub> und ZnO erfolgt die weitere Aufarbeitung durch Destillation der Metallchloride. Die [[Hydrolyse]] führt dann wieder zum Oxid, welches mit Wasserstoff zum Germanium [[Reduktion (Chemie)|reduziert]] wird. Die Darstellung von hochreinem Germanium kann z.&nbsp;B. durch das [[Zonenschmelzverfahren]] erfolgen.<ref name=":0" />
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|colspan="2" style="text-align:center"| (Raffinerieproduktion in [[Tonne (Einheit)|Tonnen]])
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== Eigenschaften ==
== Eigenschaften ==
[[Datei:Germanium.jpg|mini|links|Elementares Germanium]]
[[Datei:Germanium.jpg|mini|Elementares Germanium]]


Germanium steht im Periodensystem in der Serie der [[Halbmetall]]e, wird aber nach neuerer Definition als [[Halbleiter]] klassifiziert. Elementares Germanium ist sehr spröde und an der Luft bei Raumtemperatur sehr beständig. Erst bei starkem Glühen in einer [[Sauerstoff]]-Atmosphäre wird es zu [[Germanium(IV)-oxid]] (GeO<sub>2</sub>) oxidiert. GeO<sub>2</sub> ist dimorph und wird bei 1033&nbsp;°C von der [[Rutil]]-Modifikation (CN&nbsp;=&nbsp;6) in die β-Quarz-Struktur (CN&nbsp;=&nbsp;4) überführt. In Pulverform kann es leicht entzündet werden und brennt nach Entfernen der Zündquelle weiter. In kompakter Form ist es nicht brennbar.
Germanium steht im Periodensystem in der Serie der [[Halbmetall]]e, wird aber nach neuerer Definition als [[Halbleiter]] klassifiziert. Elementares Germanium ist sehr spröde und an der Luft bei Raumtemperatur sehr beständig. Erst bei starkem Glühen in einer [[Sauerstoff]]-Atmosphäre wird es zu [[Germanium(IV)-oxid]] (GeO<sub>2</sub>) oxidiert. GeO<sub>2</sub> ist dimorph und wird bei 1033&nbsp;°C von der [[Rutil]]-Modifikation (CN&nbsp;=&nbsp;6) in die β-Quarz-Struktur (CN&nbsp;=&nbsp;4) überführt. In Pulverform kann es leicht entzündet werden und brennt nach Entfernen der Zündquelle weiter. In kompakter Form ist es nicht brennbar.
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Germanium wird für Infrarotoptiken in Form von Fenstern und Linsen aus monokristallinem Germanium eingesetzt. Einsatzgebiete für Germaniumlinsen sind Nachtsichtgeräte und [[Wärmebildkamera]]s. Die früher übliche Verwendung als Fokussierlinse für die Laser-Materialbearbeitung mittels Kohlendioxid-Lasern sowie deren Austrittsfenster ist jedoch durch [[Zinkselenid]] abgelöst worden. Mit seinem hohen Brechungsindex von etwa 4 wird einkristallines Germanium auch in der FTIR/ATR-Spektroskopie ([[ATR-Infrarotspektroskopie]]) eingesetzt.<ref>[https://www.bruker.com/content/bruker/int/de/products-and-solutions/infrared-and-raman/ft-ir-routine-spectrometer/what-is-ft-ir-spectroscopy.html Was ist Infrarot- und FT-IR-Spektroskopie? Wo ist der Unterschied?] Firmenschrift „FT-IR Spektroskopie Grundlagen“ der Firma [[Bruker]], abgerufen am 14. Juli 2021</ref><ref>{{Literatur |Autor=Peter Larkin |Titel=Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation |Verlag=Elsevier |Ort= |Datum=2017 |ISBN=978-0-12-804209-0 |Seiten=44 |Online=[https://books.google.com/books?id=bMgpDwAAQBAJ&newbks=0&printsec=frontcover&pg=PA44&dq=%2522Attenuated+total+reflectance%2522+%2522germanium%2522&hl=de books.google.com]}}</ref> Optische Gläser mit Infrarotdurchlässigkeit ([[Chalkogenid]]glas für Lichtwellenleiter) sind eine weitere Anwendung für Germanium als Bestandteil.
Germanium wird für Infrarotoptiken in Form von Fenstern und Linsen aus monokristallinem Germanium eingesetzt. Einsatzgebiete für Germaniumlinsen sind Nachtsichtgeräte und [[Wärmebildkamera]]s. Die früher übliche Verwendung als Fokussierlinse für die Laser-Materialbearbeitung mittels Kohlendioxid-Lasern sowie deren Austrittsfenster ist jedoch durch [[Zinkselenid]] abgelöst worden. Mit seinem hohen Brechungsindex von etwa 4 wird einkristallines Germanium auch in der FTIR/ATR-Spektroskopie ([[ATR-Infrarotspektroskopie]]) eingesetzt.<ref>[https://www.bruker.com/content/bruker/int/de/products-and-solutions/infrared-and-raman/ft-ir-routine-spectrometer/what-is-ft-ir-spectroscopy.html Was ist Infrarot- und FT-IR-Spektroskopie? Wo ist der Unterschied?] Firmenschrift „FT-IR Spektroskopie Grundlagen“ der Firma [[Bruker]], abgerufen am 14. Juli 2021</ref><ref>{{Literatur |Autor=Peter Larkin |Titel=Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation |Verlag=Elsevier |Ort= |Datum=2017 |ISBN=978-0-12-804209-0 |Seiten=44 |Online=[https://books.google.com/books?id=bMgpDwAAQBAJ&newbks=0&printsec=frontcover&pg=PA44&dq=%2522Attenuated+total+reflectance%2522+%2522germanium%2522&hl=de books.google.com]}}</ref> Optische Gläser mit Infrarotdurchlässigkeit ([[Chalkogenid]]glas für Lichtwellenleiter) sind eine weitere Anwendung für Germanium als Bestandteil.


Eine weitere Verwendung ist die [[Lichtwellenleiter#Herstellung von Glasfasern|Herstellung von Lichtwellenleitern]]: mit Hilfe von Germaniumtetrachlorid wird bei der [[Chemische Gasphasenabscheidung|chemischen Gasphasenabscheidung]] eine Anreicherung von [[Germaniumdioxid]] im inneren Faserkern erzeugt, wodurch im Vergleich zum Fasermantel ein höherer [[Brechungsindex]] im Kern gewährleistet wird.<ref>{{Literatur |Autor=Jürgen Feßmann, Helmut Orth |Titel=Angewandte Chemie und Umwelttechnik für Ingenieure: Handbuch für Studium und betriebliche Praxis |Verlag=ecomed-Storck |Ort= |Datum=2002 |ISBN=978-3-609-68352-2 |Seiten=54 |Online=[https://books.google.com/books?id=bA36RgqcJ4kC&newbks=0&printsec=frontcover&pg=PA54&dq=GeCl4+Lichtwellenleiter&hl=de books.google.com]}}</ref>
Eine weitere Verwendung ist die [[Lichtwellenleiter#Herstellung|Herstellung von Lichtwellenleitern]]: mit Hilfe von Germaniumtetrachlorid wird bei der [[Chemische Gasphasenabscheidung|chemischen Gasphasenabscheidung]] eine Anreicherung von [[Germaniumdioxid]] im inneren Faserkern erzeugt, wodurch im Vergleich zum Fasermantel ein höherer [[Brechungsindex]] im Kern gewährleistet wird.<ref>{{Literatur |Autor=Jürgen Feßmann, Helmut Orth |Titel=Angewandte Chemie und Umwelttechnik für Ingenieure: Handbuch für Studium und betriebliche Praxis |Verlag=ecomed-Storck |Ort= |Datum=2002 |ISBN=3-609-68352-X |Seiten=54 |Online=[https://books.google.com/books?id=bA36RgqcJ4kC&newbks=0&printsec=frontcover&pg=PA54&dq=GeCl4+Lichtwellenleiter&hl=de books.google.com]}}</ref>


Bei der [[Polyester]]-Herstellung kommt Germaniumdioxid als [[Katalysator]] bei der Fertigung von Polyesterfasern und -granulaten zum Einsatz, speziell für [[Polyethylenterephthalat|PET]]-Flaschen.<ref>{{Literatur |Autor=Joseph R. Davis, A. S. M. International |Titel=ASM Materials Engineering Dictionary |Verlag=ASM International |Ort= |Datum=1992 |ISBN=978-1-61503-173-3 |Seiten=187 |Online=[https://books.google.com/books?id=fRlk-PeK-aYC&newbks=0&printsec=frontcover&pg=PA187&dq=GeO2+%2522polyester%2522+PET&hl=de books.google.com]}}</ref>
Bei der [[Polyester]]-Herstellung kommt Germaniumdioxid als [[Katalysator]] bei der Fertigung von Polyesterfasern und -granulaten zum Einsatz, speziell für [[Polyethylenterephthalat|PET]]-Flaschen.<ref>{{Literatur |Autor=Joseph R. Davis, A. S. M. International |Titel=ASM Materials Engineering Dictionary |Verlag=ASM International |Ort= |Datum=1992 |ISBN=1-61503-173-1 |Seiten=187 |Online=[https://books.google.com/books?id=fRlk-PeK-aYC&newbks=0&printsec=frontcover&pg=PA187&dq=GeO2+%2522polyester%2522+PET&hl=de books.google.com]}}</ref>


=== Nuklearmedizin und Kerntechnik ===
=== Nuklearmedizin und Kerntechnik ===
<sup>68</sup>Ge wird beim [[Gallium-68-Generator]] als Mutternuklid zur Herstellung von Gallium-68 verwendet. Ebenso findet <sup>68</sup>Ge als Quelle zur Detektorkalibration bei der [[Positronen-Emissions-Tomographie]] Anwendung.<ref>Produktkatalog der Fa. Eckert & Ziegler {{Webarchiv |url=http://www.ezag.de/zentralkatalog/3_sources_medical_imaging_equipment.pdf |text=S.&nbsp;15. |wayback=20070103102209 }}</ref>
<sup>68</sup>Ge wird beim [[Gallium-68-Generator]] als Mutternuklid zur Herstellung von Gallium-68 verwendet. Ebenso findet <sup>68</sup>Ge als Quelle zur Detektorkalibration bei der [[Positronen-Emissions-Tomographie]] Anwendung.<ref>Produktkatalog der Fa. Eckert & Ziegler {{Webarchiv |url=http://www.ezag.de/zentralkatalog/3_sources_medical_imaging_equipment.pdf |text=S.&nbsp;15. |wayback=20070103102209}}</ref>


Als hochreiner [[Einkristall]] wird Germanium als Strahlendetektor eingesetzt.
Als hochreiner [[Einkristall]] wird Germanium als Strahlendetektor eingesetzt.
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=== Arzneiliche Verwendung von Germanium ===
=== Arzneiliche Verwendung von Germanium ===
Eine therapeutische Wirksamkeit der anti[[Neoplasie|neoplastischen]] Substanz [[Spirogermanium]] bei Krebserkrankungen wurde nicht nachgewiesen. Zugelassene Fertigarzneimittel mit dem Wirkstoff Spirogermanium gibt es nicht. In Deutschland gelten germaniumhaltige Arzneimittelanfertigungen (Rezepturen), abgesehen von [[Potenzieren (Homöopathie)#Potenzierungsarten|homöopathischen Verdünnungen]] ab D4, als bedenklich. Ihre Herstellung und ihre Abgabe sind daher verboten.<ref>Arzneimittelkommission der deutschen Apotheker: [https://www.akdae.de/Arzneimittelsicherheit/Weitere/Bedenkliche-Rezepturarzneimittel.pdf Bedenkliche Rezepturarzneimittel] (PDF; 187&nbsp;kB).</ref> ''Germanium metallicum'' gibt es in Form [[Homöopathisches Arzneimittel|homöopathischer Arzneimittel]]. Als Bestandteil homöopathischer Zubereitungen wird ''di''-Kalium-Germanium-citrat-lactat beschrieben.<ref>[https://dailymed.nlm.nih.gov/dailymed/lookup.cfm?setid=9fbce6ea-aef7-474f-be5c-9aa855456d6a Germanium-Citrate-Lactat] bei [[DailyMed]], abgerufen am 16. September 2012.</ref>
Eine therapeutische Wirksamkeit der anti[[Neoplasie|neoplastischen]] Substanz [[Spirogermanium]] bei Krebserkrankungen wurde nicht nachgewiesen. Zugelassene Fertigarzneimittel mit dem Wirkstoff Spirogermanium gibt es nicht. In Deutschland gelten germaniumhaltige Arzneimittelanfertigungen (Rezepturen), abgesehen von [[Potenzieren (Homöopathie)#Potenzierungsarten|homöopathischen Verdünnungen]] ab D4, als bedenklich. Ihre Herstellung und ihre Abgabe sind daher verboten.<ref>Arzneimittelkommission der deutschen Apotheker: [https://www.akdae.de/Arzneimittelsicherheit/Weitere/Bedenkliche-Rezepturarzneimittel.pdf Bedenkliche Rezepturarzneimittel] (PDF; 187&nbsp;kB).</ref> ''Germanium metallicum'' gibt es in Form [[Homöopathisches Arzneimittel|homöopathischer Mittel]]. Als Bestandteil homöopathischer Zubereitungen wird ''di''-Kalium-Germanium-citrat-lactat beschrieben.<ref>[https://dailymed.nlm.nih.gov/dailymed/lookup.cfm?setid=9fbce6ea-aef7-474f-be5c-9aa855456d6a Germanium-Citrate-Lactat] bei [[DailyMed]], abgerufen am 16. September 2012.</ref>


== Physiologie ==
== Physiologie ==
Germanium und seine Verbindungen weisen eine relative geringe akute [[Toxizität]] auf. Spuren von Germanium sind in den folgenden Nahrungsmitteln enthalten: [[Bohne]]n, [[Tomatensaft]], [[Austern (Lebensmittel)|Austern]], [[Thunfisch]] und [[Knoblauch]]. Es ist nach dem Stand der Wissenschaft kein [[Essentielle Stoffe|essentielles]] Spurenelement. Es ist keine biologische Funktion für Germanium bekannt.<ref name="pm1726409" /> Es sind keine Germanium-Mangelerkrankungen bekannt.<ref name="pm1726409" />
Germanium und seine Verbindungen weisen eine relative geringe akute [[Toxizität]] auf. Spuren von Germanium sind in den folgenden Nahrungsmitteln enthalten: [[Bohne]]n, [[Tomatensaft]], [[Austern (Lebensmittel)|Austern]], [[Thunfisch]] und [[Knoblauch]]. Es ist nach dem Stand der Wissenschaft kein [[Essentielle Stoffe|essentielles]] Spurenelement. Es ist keine biologische Funktion für Germanium bekannt. Es sind keine Germanium-Mangelerkrankungen bekannt.<ref>{{Literatur |Autor=A. G. Schauss |Titel=Nephrotoxicity and neurotoxicity in humans from organogermanium compounds and germanium dioxide |Sammelwerk=Biological Trace Element Research |Band=29 |Nummer=3 |Datum=1991-06 |DOI=10.1007/BF03032683 |PMID=1726409 |Seiten=267–280 }}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://institut-seltene-erden.de/seltene-erden-und-metalle/strategische-metalle-2/germanium/ |titel=Germanium |hrsg=Institut für Seltene Erden und Metalle AG |sprache=de |abruf=2024-04-09}}</ref>


=== Toxizität ===
=== Toxizität ===
Gesundheitsschäden durch Germanium traten bei Menschen mehrfach<ref name="aki-irreversible">{{Literatur |Titel=Tubulointerstitial nephropathy persisting 20 months after discontinuation of chronic intake of germanium lactate citrate |PMID=8488824}}</ref><ref name="pubmed-aki" /><ref name="pm1726409">{{Literatur |Titel=Nephrotoxicity and neurotoxicity in humans from organogermanium compounds and germanium dioxide |PMID=1726409}}</ref> nach längerer Einnahme von Germaniumverbindungen als Nahrungsergänzungsmittel auf. Dabei kommt es zu Funktionsstörungen der Niere bis hin zum (irreversiblen<ref name="aki-irreversible" />) [[Nierenversagen]],<ref name="pubmed-aki">{{Literatur |Titel=Germanium poisoning: clinical symptoms and renal damage caused by long-term intake of germanium |PMID=1650857}}</ref> das für den Patienten [[letal]] sein kann.<ref>{{Literatur |Titel=Hazard assessment of germanium supplements |DOI=10.1006/rtph.1997.1098}}</ref> Periphere [[Neuropathie]] und andere neurologische Schäden als Folgeerkrankung sind ebenfalls berichtet.<ref name="baua-auswirkungen-auf-menschen">{{Literatur |Hrsg=Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin |Titel=Germanium und Germaniumdioxid |Datum=2018-05 |Seiten=7 ff. |Online=https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRGS/pdf/900/900-germanium.pdf?__blob=publicationFile&v=2 |Format=PDF |KBytes=447 |Abruf=2019-08-04}}</ref><ref name="pm1726409" />
Gesundheitsschäden durch Germanium traten bei Menschen mehrfach<ref name="aki-irreversible">{{Literatur |Titel=Tubulointerstitial nephropathy persisting 20 months after discontinuation of chronic intake of germanium lactate citrate |Datum= |PMID=8488824}}</ref><ref name="pubmed-aki" /><ref name="pm1726409">{{Literatur |Titel=Nephrotoxicity and neurotoxicity in humans from organogermanium compounds and germanium dioxide |Datum= |PMID=1726409}}</ref> nach längerer Einnahme von Germaniumverbindungen als Nahrungsergänzungsmittel auf. Dabei kommt es zu Funktionsstörungen der Niere bis hin zum (irreversiblen<ref name="aki-irreversible" />) [[Nierenversagen]],<ref name="pubmed-aki">{{Literatur |Titel=Germanium poisoning: clinical symptoms and renal damage caused by long-term intake of germanium |Datum= |PMID=1650857}}</ref> das für den Patienten [[letal]] sein kann.<ref>{{Literatur |Titel=Hazard assessment of germanium supplements |Datum= |DOI=10.1006/rtph.1997.1098}}</ref> Periphere [[Neuropathie]] und andere neurologische Schäden als Folgeerkrankung sind ebenfalls berichtet.<ref name="baua-auswirkungen-auf-menschen">{{Literatur |Hrsg=Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin |Titel=Germanium und Germaniumdioxid |Datum=2018-05 |Seiten=7 ff. |Online=https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRGS/pdf/900/900-germanium.pdf?__blob=publicationFile&v=2 |Format=PDF |KBytes=447 |Abruf=2019-08-04}}</ref><ref name="pm1726409" />


Aus [[Tierversuch]]en ist bekannt, dass Germanium eine geringe akute orale Toxizität hat. Bei Ratten liegt der [[Letale Dosis|LD<sub>50</sub>]]-Wert (die Dosis, bei der die Hälfte der Versuchstiere sterben) bei 3700&nbsp;mg pro Kilogramm Körpergewicht.<ref name="baua-tierexperimente">{{Literatur |Hrsg=Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin |Titel=Germanium und Germaniumdioxid |Datum=2018-05 |Seiten=7 |Online=https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRGS/pdf/900/900-germanium.pdf?__blob=publicationFile&v=2 |Format=PDF |KBytes=447 |Abruf=2019-08-04}}</ref>
Aus [[Tierversuch]]en ist bekannt, dass Germanium eine geringe akute orale Toxizität hat. Bei Ratten liegt der [[Letale Dosis|LD<sub>50</sub>]]-Wert (die Dosis, bei der die Hälfte der Versuchstiere sterben) bei 3700&nbsp;mg pro Kilogramm Körpergewicht.<ref name="baua-tierexperimente">{{Literatur |Hrsg=Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin |Titel=Germanium und Germaniumdioxid |Datum=2018-05 |Seiten=7 |Online=https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRGS/pdf/900/900-germanium.pdf?__blob=publicationFile&v=2 |Format=PDF |KBytes=447 |Abruf=2019-08-04}}</ref>
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Nach derzeit vorliegenden Daten aus Tierversuchen ist Germanium nicht [[Teratogen|fruchtschädigend]] oder [[kanzerogen]].<ref name="baua-kanzerogen">{{Literatur |Hrsg=Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin |Titel=Germanium und Germaniumdioxid |Datum=2018-05 |Seiten=14 ff. |Online=https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRGS/pdf/900/900-germanium.pdf?__blob=publicationFile&v=2 |Format=PDF |KBytes=447 |Abruf=2019-08-04}}</ref>
Nach derzeit vorliegenden Daten aus Tierversuchen ist Germanium nicht [[Teratogen|fruchtschädigend]] oder [[kanzerogen]].<ref name="baua-kanzerogen">{{Literatur |Hrsg=Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin |Titel=Germanium und Germaniumdioxid |Datum=2018-05 |Seiten=14 ff. |Online=https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/TRGS/pdf/900/900-germanium.pdf?__blob=publicationFile&v=2 |Format=PDF |KBytes=447 |Abruf=2019-08-04}}</ref>


Der Mechanismus der Toxizität von Germanium ist noch nicht vollständig geklärt. Spezifische pathologische Effekte an den [[Mitochondrien]] von verschiedenen Zellen wurden jedoch beobachtet.<ref>{{Literatur |Titel=Germanium dioxide induces mitochondria-mediated apoptosis in Neuro-2A cells |DOI=10.1016/j.neuro.2006.05.018}}</ref><ref>{{Literatur |Titel=The pathogenesis of experimental model of mitochondrial myopathy induced by germanium dioxide |PMID=12899328}}</ref>
Der Mechanismus der Toxizität von Germanium ist noch nicht vollständig geklärt. Spezifische pathologische Effekte an den [[Mitochondrien]] von verschiedenen Zellen wurden jedoch beobachtet.<ref>{{Literatur |Titel=Germanium dioxide induces mitochondria-mediated apoptosis in Neuro-2A cells |Datum= |DOI=10.1016/j.neuro.2006.05.018}}</ref><ref>{{Literatur |Titel=The pathogenesis of experimental model of mitochondrial myopathy induced by germanium dioxide |Datum= |PMID=12899328}}</ref>


=== Wechselwirkungen ===
=== Wechselwirkungen ===
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== Literatur ==
== Literatur ==
* Mike Haustein: ''Die Lücke im Periodensystem: Germanium.'' In: ''Chemie in unserer Zeit.'' Band 45, Heft 6 (2011), S.&nbsp;398–405 ([[doi:10.1002/ciuz.201100549]]).
* [[Mike Haustein]]: ''Die Lücke im Periodensystem: Germanium.'' In: ''Chemie in unserer Zeit.'' Band 45, Heft 6 (2011), S.&nbsp;398–405 ([[doi:10.1002/ciuz.201100549]]).


== Weblinks ==
== Weblinks ==
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[[Kategorie:Halbleiter]]
[[Kategorie:Halbleiter]]

Version vom 11. Juni 2024, 15:43 Uhr

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Germanium, Ge, 32
Elementkategorie Halbmetalle
Gruppe, Periode, Block 14, 4, p
Aussehen gräulich weiß
CAS-Nummer

7440-56-4

EG-Nummer 231-164-3
ECHA-InfoCard 100.028.331
Massenanteil an der Erdhülle 5,6 ppm (46. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse 72,630(8)[3] u
Atomradius (berechnet) 125 (125) pm
Kovalenter Radius 122 pm
Van-der-Waals-Radius 211[4] pm
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d10 4s2 4p2
1. Ionisierungsenergie 7.899435(12) eV[5] ≈ 762.18 kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie 15.934610(25) eV[5] ≈ 1537.46 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie 34.0576(12) eV[5] ≈ 3286.1 kJ/mol[6]
4. Ionisierungsenergie 45.7155(12) eV[5] ≈ 4410.9 kJ/mol[6]
5. Ionisierungsenergie 90.500(19) eV[5] ≈ 8732 kJ/mol[6]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur Diamantstruktur
Dichte 5,323 g/cm3 (20 °C)[7]
Mohshärte 6,0
Magnetismus diamagnetisch (χm = −7,1 · 10−5)[8]
Schmelzpunkt 1211,4 K (938,3 °C)
Siedepunkt 3106 K[9] (2830 °C)
Molares Volumen 13,63 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 330 kJ·mol−1[9]
Schmelzenthalpie 31,8 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 5400 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 308,3[1] J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit 5,0 eV[10]
Elektrische Leitfähigkeit (Eigenleitung) 2 S·m−1 bei 300 K
Wärmeleitfähigkeit 60 W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände −4, 2, 4
Normalpotential 0,247 V (Ge2+ + 2 e− → Ge)
Elektronegativität 2,01 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
68Ge {syn.} 270,8 d ε 0,106 68Ga
69Ge {syn.} 39,05 h ε 2,227 69Ga
70Ge 20,5 % Stabil
71Ge {syn.} 11,43 d ε 0,229 71Ga
72Ge 27,4 % Stabil
73Ge 7,8 % Stabil
74Ge 36,5 % Stabil
75Ge {syn.} 82,78 min β− 1,177 75As
76Ge 7,44 % (1.84+0.14−0.10) · 1021 a[11] β−β− 76Se
77Ge {syn.} 11,30 h β− 2,702 77As
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[12]

Pulver

Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228
P: 210[12]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Germanium (von lateinisch Germania ‚Deutschland‘, nach dem Land, in dem es zuerst gefunden wurde[13]) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ge und der Ordnungszahl 32. Im Periodensystem steht es in der 4. Periode und in der 4. Hauptgruppe (14. IUPAC-Gruppe, p-Block und Kohlenstoffgruppe). Es wurde erstmals 1886 im Mineral Argyrodit nachgewiesen.[14]

Germanium ist ein glänzend graues, hartes, sprödes Halbmetall (manchmal wird es noch zu den Metallen gezählt). Es ist auf der Erde weit verbreitet, kommt aber meistens nur in geringen Konzentrationen vor. Der größte Produzent von Germanium ist China. Germanium wird hauptsächlich als Halbleiter in der Elektronik verwendet, doch es gibt auch einige Anwendungen in der Medizin. Es ist keine biologische Funktion von Germanium bekannt.

Geschichte

Clemens Winkler, erster Hersteller reinen Germaniums
Von Clemens Winkler hergestellte Präparate des Elements Germanium.
Oben: Die zur Weltausstellung 1904 in St. Louis gezeigten Präparate
Unten: Germaniumsulfid vom 6. Februar 1886

Als 1871 Dmitri Mendelejew das Periodensystem entwarf, stieß er auf eine Lücke unterhalb des Siliciums und postulierte ein bis dahin unbekanntes Element, das er als Eka-Silicium bezeichnete. Mendelejew machte Vorhersagen über die Eigenschaften des Eka-Siliciums und dessen Verbindungen, die von der Wissenschaft jedoch abgelehnt wurden.

1885 fand Clemens Winkler (1838–1904), ein Chemiker an der Bergakademie Freiberg, als er mit dem neu entdeckten Mineral Argyrodit arbeitete, dass dessen quantitative Analyse stets einen Fehlbetrag von rund sieben Prozent lieferte. So oft die Analyse wiederholt wurde, blieb der Fehlbetrag etwa konstant und Winkler vermutete schließlich, dass das Mineral ein bis dahin unbekanntes Element enthielt. Nach vier Monaten Arbeit gelang ihm schließlich am 6. Februar 1886 die Isolierung eines weißen Sulfid-Niederschlages, der sich im Wasserstoffstrom zu einem metallischen Pulver reduzieren ließ. In Anlehnung an den zuvor entdeckten Planeten Neptun wollte Winkler das neue Element zunächst Neptunium nennen. Da dieser Name jedoch bereits für ein anderes vermutetes Element verwendet worden war, nannte er es nach dem Entdeckungsort Germanium.[13][15][16] Winkler vermutete zunächst, dass es sich beim Germanium um das von Mendelejew postulierte Eka-Stibium[17] handelte, während Mendelejew es zunächst eher als Eka-Cadmium[17] und nicht als Eka-Silicium einstufen wollte. Nachdem weitere Eigenschaften ermittelt worden waren, bestätigte sich, dass es sich wohl um das vorhergesagte Element Eka-Silicium handelte.[18] Mendelejew hatte dessen Eigenschaften aus seinem Periodensystem abgeleitet, so dass dieser Fund zur Anerkennung des Periodensystems beitrug:[13]

Eigenschaft Eka-Silicium
(vorhergesagt)		 Germanium
(bestimmt)
Atomgewicht 72 72,32
Spezifisches Gewicht 5,5 5,47
Atomvolumen 13 13,22
Wertigkeit IV IV
Spezifische Wärme 0,073 0,076
Spezifisches Gewicht des Dioxids 4,7 4,703
Molekularvolumen des Dioxids 22 22,16
Siedepunkt des Tetrachlorids unter 100 °C 86 °C
Spezifisches Gewicht des Tetrachlorids 1,9 1,87
Molekularvolumen des Tetrachlorids 113 113,35

Vorkommen

Renierit

Germanium ist weit verbreitet, kommt aber nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Der Clarke-Wert, also der Durchschnittsgehalt in der Erdkruste beträgt etwa 1,5 g/t. In der Natur kommt es meist in Form von Sulfiden bzw. Thiogermanaten vor und wird oft als Begleiter in Kupfer- und Zinkerzen gefunden, unter anderem im Mansfelder Kupferschiefer.[19] Die wichtigsten Minerale sind Argyrodit (Ag8GeS6),[19] Canfieldit, Germanit (Cu6FeGe2S8)[19] und Renierit. Manche Kohlensorten, insbesondere die Wealdenkohlen, enthalten nennenswerte Mengen Germanium, die bei der Verbrennung der Kohle in die Flugasche übergehen. Die Flugaschen können bis zu 1 % Germanium enthalten.[20][21] Einige Pflanzen reichern Germanium an.[21]

Gewinnung und Herstellung

Laut United States Geological Survey lag die Jahresproduktion 2014 bei geschätzten 165 t, davon 120 t in China, 2020 betrug die Raffinerieproduktion von Germanium weltweit ca. 140 t, wobei die USA ihre Produktionsmengen als Geschäftsgeheimnis nicht veröffentlichen.[22] Der Preis für 1 kg Germanium betrug 2021 ca. 1.315 USD.[22] Laut EU lag der Preis 2003 bei 300 USD je kg und stieg bis 2009 auf 1.000 USD.[23]

Zur Darstellung von Germanium sind insbesondere die Germaniumoxid (GeO2) enthaltenden Rauchgase der Zinkerzaufbereitung geeignet. Angereichert wird das Germanium aus dem Rauchgas durch das Lösen des Flugstaubs in Schwefelsäure. Nach Fällung des gelösten GeO2 und ZnO erfolgt die weitere Aufarbeitung durch Destillation der Metallchloride. Die Hydrolyse führt dann wieder zum Oxid, welches mit Wasserstoff zum Germanium reduziert wird. Die Darstellung von hochreinem Germanium kann z. B. durch das Zonenschmelzverfahren erfolgen.[19]

Die weltweiten Produktionsmengen verteilen sich wie folgt:

Land 2019[24] 2020[22]
(Raffinerieproduktion in Tonnen)
China Volksrepublik Volksrepublik China 86 95
Russland Russland 5 5
Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten unbek. unbek.
Andere Länder 40 40
Gesamt (gerundet) 131 140

Eigenschaften

Elementares Germanium

Germanium steht im Periodensystem in der Serie der Halbmetalle, wird aber nach neuerer Definition als Halbleiter klassifiziert. Elementares Germanium ist sehr spröde und an der Luft bei Raumtemperatur sehr beständig. Erst bei starkem Glühen in einer Sauerstoff-Atmosphäre wird es zu Germanium(IV)-oxid (GeO2) oxidiert. GeO2 ist dimorph und wird bei 1033 °C von der Rutil-Modifikation (CN = 6) in die β-Quarz-Struktur (CN = 4) überführt. In Pulverform kann es leicht entzündet werden und brennt nach Entfernen der Zündquelle weiter. In kompakter Form ist es nicht brennbar.

Germanium kann zwei- oder vierwertig sein. Germanium(IV)-Verbindungen sind am beständigsten. Von Salzsäure, Kalilauge und verdünnter Schwefelsäure wird Germanium nicht angegriffen. In alkalischen Wasserstoffperoxid-Lösungen, konzentrierter heißer Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure wird es dagegen unter Bildung von Germaniumdioxidhydrat aufgelöst. Gemäß seiner Stellung im Periodensystem steht es in seinen chemischen Eigenschaften zwischen Silicium und Zinn.

Germanium zeigt als einer von wenigen Stoffen eine Dichteanomalie. Seine Dichte in festem Zustand ist niedriger als in flüssigem. Germanium ist ein indirekter Halbleiter. Seine Bandlücke beträgt bei Zimmertemperatur ca. 0,67 eV.

Wafer aus Germanium sind erheblich zerbrechlicher als Wafer aus Silicium.

Verwendung

Elektronik

Als Halbleiter war Germanium in Einkristall-Form das führende Material in der Elektronik bis in die 1970er Jahre, vor allem zur Herstellung der ersten am Markt erhältlichen Dioden und Bipolartransistoren, bis es von Silicium in diesen Bereichen verdrängt wurde. Anwendungen finden sich heute in der Hochfrequenztechnik (z. B. als Siliciumgermanium-Verbindungshalbleiter) und Detektortechnologie (z. B. als Röntgendetektor). Für Solarzellen aus Galliumarsenid (GaAs) werden zum Teil Wafer aus Germanium als Trägermaterial verwendet. Die Gitterkonstante von Germanium ist der von Galliumarsenid sehr ähnlich, so dass GaAs epitaktisch auf Germanium-Einkristallen aufwachsen kann.

Gläser und Fasern

Germanium wird für Infrarotoptiken in Form von Fenstern und Linsen aus monokristallinem Germanium eingesetzt. Einsatzgebiete für Germaniumlinsen sind Nachtsichtgeräte und Wärmebildkameras. Die früher übliche Verwendung als Fokussierlinse für die Laser-Materialbearbeitung mittels Kohlendioxid-Lasern sowie deren Austrittsfenster ist jedoch durch Zinkselenid abgelöst worden. Mit seinem hohen Brechungsindex von etwa 4 wird einkristallines Germanium auch in der FTIR/ATR-Spektroskopie (ATR-Infrarotspektroskopie) eingesetzt.[25][26] Optische Gläser mit Infrarotdurchlässigkeit (Chalkogenidglas für Lichtwellenleiter) sind eine weitere Anwendung für Germanium als Bestandteil.

Eine weitere Verwendung ist die Herstellung von Lichtwellenleitern: mit Hilfe von Germaniumtetrachlorid wird bei der chemischen Gasphasenabscheidung eine Anreicherung von Germaniumdioxid im inneren Faserkern erzeugt, wodurch im Vergleich zum Fasermantel ein höherer Brechungsindex im Kern gewährleistet wird.[27]

Bei der Polyester-Herstellung kommt Germaniumdioxid als Katalysator bei der Fertigung von Polyesterfasern und -granulaten zum Einsatz, speziell für PET-Flaschen.[28]

Nuklearmedizin und Kerntechnik

68Ge wird beim Gallium-68-Generator als Mutternuklid zur Herstellung von Gallium-68 verwendet. Ebenso findet 68Ge als Quelle zur Detektorkalibration bei der Positronen-Emissions-Tomographie Anwendung.[29]

Als hochreiner Einkristall wird Germanium als Strahlendetektor eingesetzt.

Germanium in Nahrungsergänzungsmitteln

Die Substanz Bis(carboxyethyl)germaniumsesquioxid (Ge-132) ist als Nahrungsergänzungsmittel zur Anwendung bei einer Reihe von Erkrankungen einschließlich Krebs, chronischem Müdigkeitssyndrom, Immunschwäche,[30] AIDS, Bluthochdruck, Arthritis und Lebensmittelallergien angepriesen worden. Positive Wirkungen auf den Krankheitsverlauf wurden bisher wissenschaftlich nicht nachgewiesen.

Gemäß der europäischen Richtlinie 2002/46/EG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über Nahrungsergänzungsmittel soll Germanium nicht in Nahrungsergänzungsmitteln verwendet werden. In vielen Ländern der EU, die ihre nationalen Rechtsvorschriften bereits angeglichen haben, so auch Deutschland und Österreich, ist daher der Zusatz von Germanium als Mineralstoffquelle in Nahrungsergänzungsmitteln nicht erlaubt.

Die zuständigen Behörden warnen ausdrücklich vor dem Verzehr von Ge-132, da schwere Gesundheitsschäden und Todesfälle nicht auszuschließen sind.[31][32]

Arzneiliche Verwendung von Germanium

Eine therapeutische Wirksamkeit der antineoplastischen Substanz Spirogermanium bei Krebserkrankungen wurde nicht nachgewiesen. Zugelassene Fertigarzneimittel mit dem Wirkstoff Spirogermanium gibt es nicht. In Deutschland gelten germaniumhaltige Arzneimittelanfertigungen (Rezepturen), abgesehen von homöopathischen Verdünnungen ab D4, als bedenklich. Ihre Herstellung und ihre Abgabe sind daher verboten.[33] Germanium metallicum gibt es in Form homöopathischer Mittel. Als Bestandteil homöopathischer Zubereitungen wird di-Kalium-Germanium-citrat-lactat beschrieben.[34]

Physiologie

Germanium und seine Verbindungen weisen eine relative geringe akute Toxizität auf. Spuren von Germanium sind in den folgenden Nahrungsmitteln enthalten: Bohnen, Tomatensaft, Austern, Thunfisch und Knoblauch. Es ist nach dem Stand der Wissenschaft kein essentielles Spurenelement. Es ist keine biologische Funktion für Germanium bekannt. Es sind keine Germanium-Mangelerkrankungen bekannt.[35][36]

Toxizität

Gesundheitsschäden durch Germanium traten bei Menschen mehrfach[37][38][39] nach längerer Einnahme von Germaniumverbindungen als Nahrungsergänzungsmittel auf. Dabei kommt es zu Funktionsstörungen der Niere bis hin zum (irreversiblen[37]) Nierenversagen,[38] das für den Patienten letal sein kann.[40] Periphere Neuropathie und andere neurologische Schäden als Folgeerkrankung sind ebenfalls berichtet.[41][39]

Aus Tierversuchen ist bekannt, dass Germanium eine geringe akute orale Toxizität hat. Bei Ratten liegt der LD50-Wert (die Dosis, bei der die Hälfte der Versuchstiere sterben) bei 3700 mg pro Kilogramm Körpergewicht.[42]

Nach derzeit vorliegenden Daten aus Tierversuchen ist Germanium nicht fruchtschädigend oder kanzerogen.[43]

Der Mechanismus der Toxizität von Germanium ist noch nicht vollständig geklärt. Spezifische pathologische Effekte an den Mitochondrien von verschiedenen Zellen wurden jedoch beobachtet.[44][45]

Wechselwirkungen

Es wird ebenfalls diskutiert, ob Germanium evtl. Wechselwirkungen mit Silicium im Knochen-Metabolismus zeigt. Es kann die Wirkung von Diuretika blockieren und die Aktivität einer Reihe von Enzymen herabsetzen bzw. blockieren, wie beispielsweise Dehydrogenasen. Im Tierversuch zeigen Mäuse eine erhöhte Hexabarbital-induzierte Schlafdauer, wenn sie zusätzlich mit Germaniumverbindungen behandelt wurden. Dies lässt darauf schließen, dass die Cytochrom-P450-Aktivität ebenfalls eingeschränkt wird. Es gibt Berichte über organische Germaniumverbindungen, welche das Entgiftungsenzym Glutathion-S-Transferase blockieren.[46]

Bioverfügbarkeit und Metabolismus

Germanium wird bei oraler Aufnahme sehr leicht vom Körper aufgenommen. Es verteilt sich dabei über das gesamte Körpergewebe, vornehmlich in den Nieren und der Schilddrüse.[47][48] Organogermane akkumulieren dabei im Gegensatz zu anorganischen Germaniumverbindungen nicht im menschlichen Körper. Allerdings gibt es nur wenige Studien über den Germanium-Metabolismus.

Es wird im Wesentlichen über den Urin ausgeschieden.[47] Ausscheidung über Galle und Fäzes findet ebenso statt.

Verbindungen

Germanium bildet Ge(II)- u. beständigere Ge(IV)-Verbindungen, nur wenige besitzen technische Bedeutung.

Von den Germaniumhalogeniden sind ebenfalls Ge(II)- u. Ge(IV)-Vertreter bekannt. Germaniumtetrachlorid, (GeCl4), eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 83 °C, bildet sich bei Einwirkung von Chlorwasserstoff auf Germaniumoxide und ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Germanium-Gewinnung. Hochreines GeCl4 wird bei der Herstellung von Lichtwellenleitern aus Quarzglas eingesetzt, um auf der Innenseite der Quarzfasern eine hochreine Germanium(IV)-oxid Schicht zu erzeugen. Zur Erzeugung von hochreinen Germaniumschichten kann auch die Disproportionierung von Germanium(II)-iodid unter Bildung von Germanium und Germanium(IV)-iodid eingesetzt werden:

Germanate sind Verbindungen des Germaniums, die sich von dessen Oxid ableiten. In fast allen Germanium-haltigen Mineralien liegt das Germanium als Germanat vor.

Germane werden die Wasserstoffverbindungen des Germaniums genannt, die eine homologe Reihe verschieden langer Kettenmoleküle bilden. Monogerman oder Germaniumhydrid (GeH4) ist ein Gas und wird in der Halbleiterindustrie zur Epitaxie und zum Dotieren verwendet.

Literatur

Wiktionary: Germanium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Germanium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Germanium) entnommen.
  3. ↑ IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  4. ↑ Manjeera Mantina, Adam C. Chamberlin, Rosendo Valero, Christopher J. Cramer, Donald G. Truhlar: Consistent van der Waals Radii for the Whole Main Group. In: J. Phys. Chem. A. 113, 2009, S. 5806–5812, doi:10.1021/jp8111556.
  5. ↑ a b c d e Eintrag zu germanium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. ↑ a b c d e Eintrag zu germanium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
  7. ↑ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 482.
  8. ↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, S. 4-142 – 4-147. Die Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  9. ↑ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  10. ↑ Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 6: Festkörper. 2. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2005, ISBN 3-11-017485-5, S. 361.
  11. ↑ J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 40 (2013) 035110, doi:10.1088/0954-3899/40/3/035110
  12. ↑ a b Eintrag zu Germanium, Pulver in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017. (JavaScript erforderlich)
  13. ↑ a b c O. Brunck: Clemens Winkler. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 39, Nr. 4, November 1906, S. 4491–4548, doi:10.1002/cber.190603904164.
  14. ↑ Klaus Volke: Clemens Winkler– zum 100. Todestag. In: Chemie in unserer Zeit. Band 38, Nr. 5, Oktober 2004, S. 360, doi:10.1002/ciuz.200490078.
  15. ↑ Clemens Winkler: Germanium, Ge, ein neues, nichtmetallisches Element. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 19, Nr. 1, Januar 1886, S. 210, doi:10.1002/cber.18860190156.
  16. ↑ Clemens Winkler: Mittheilungen über das Germanium. In: Journal für Praktische Chemie. Band 34, Nr. 1, 14. August 1886, S. 177, doi:10.1002/prac.18860340122.
  17. ↑ a b Bei Eka-Cadmium und Eka-Stibium handelt es sich um zwei von Mendelejew postulierte Elemente zwischen Cadmium und Quecksilber und zwischen Antimon und Bismut, die man heutzutage als not-so-famous blanks meistens unter den Tisch fallen lässt.
  18. ↑ A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9.
  19. ↑ a b c d Wiberg, Egon., Wiberg, Nils,: Lehrbuch der anorganischen Chemie. 102., stark umgearbeitete und verb. Auflage. De Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1003.
  20. ↑ Chemikerausschuß der Gesellschaft Deutscher Metallhütten- und Bergleute e. V.: Germanium. In: Betriebsanalysen. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1961, ISBN 978-3-642-85580-1, S. 313–319, doi:10.1007/978-3-642-85579-5_14 (springer.com [abgerufen am 9. April 2024]).
  21. ↑ a b Sigeki Hara, Nanao Hayashi, Sigeo Hirano, Xi-Ning Zhong, Shigejiro Yasuda, Hisashi Komae: Notes: Determination of Germanium in Some Plants and Animals. In: Zeitschrift für Naturforschung C. Band 45, Nr. 11-12, 1. Dezember 1990, S. 1250–1252, doi:10.1515/znc-1990-11-1227.
  22. ↑ a b c U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2022: Germanium
  23. ↑ Germanium. In: setis.ec.europa.eu. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 5. März 2016; abgerufen am 5. September 2015 (englisch).
  24. ↑ U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries 2021: GERMANIUM.
  25. ↑ Was ist Infrarot- und FT-IR-Spektroskopie? Wo ist der Unterschied? Firmenschrift „FT-IR Spektroskopie Grundlagen“ der Firma Bruker, abgerufen am 14. Juli 2021
  26. ↑ Peter Larkin: Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation. Elsevier, 2017, ISBN 978-0-12-804209-0, S. 44 (books.google.com).
  27. ↑ Jürgen Feßmann, Helmut Orth: Angewandte Chemie und Umwelttechnik für Ingenieure: Handbuch für Studium und betriebliche Praxis. ecomed-Storck, 2002, ISBN 3-609-68352-X, S. 54 (books.google.com).
  28. ↑ Joseph R. Davis, A. S. M. International: ASM Materials Engineering Dictionary. ASM International, 1992, ISBN 1-61503-173-1, S. 187 (books.google.com).
  29. ↑ Produktkatalog der Fa. Eckert & Ziegler S. 15. (Memento vom 3. Januar 2007 im Internet Archive)
  30. ↑ Bundesamt für Sicherheit im Gesundheitswesen, AGES PharmMed: „Nahrungsergänzungsmittel“ mit toxischer Wirkung. (Memento vom 20. Juli 2012 im Webarchiv archive.today)
  31. ↑ Bundesinstitut für Risikobewertung: BgVV warnt vor dem Verzehr von ‚Germanium-132-Kapseln‘ der österreichischen Firma Ökopharm. 8. September 2000.
  32. ↑ Österreichische Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit (AGES) warnt: Produkt enthält gesundheitsschädliche Konzentration an Germanium (Memento vom 28. Juli 2013 im Internet Archive) 17. Oktober 2008.
  33. ↑ Arzneimittelkommission der deutschen Apotheker: Bedenkliche Rezepturarzneimittel (PDF; 187 kB).
  34. ↑ Germanium-Citrate-Lactat bei DailyMed, abgerufen am 16. September 2012.
  35. ↑ A. G. Schauss: Nephrotoxicity and neurotoxicity in humans from organogermanium compounds and germanium dioxide. In: Biological Trace Element Research. Band 29, Nr. 3, Juni 1991, S. 267–280, doi:10.1007/BF03032683, PMID 1726409.
  36. ↑ Germanium. Institut für Seltene Erden und Metalle AG, abgerufen am 9. April 2024.
  37. ↑ a b Tubulointerstitial nephropathy persisting 20 months after discontinuation of chronic intake of germanium lactate citrate. PMID 8488824.
  38. ↑ a b Germanium poisoning: clinical symptoms and renal damage caused by long-term intake of germanium. PMID 1650857.
  39. ↑ a b Nephrotoxicity and neurotoxicity in humans from organogermanium compounds and germanium dioxide. PMID 1726409.
  40. ↑ Hazard assessment of germanium supplements. doi:10.1006/rtph.1997.1098.
  41. ↑ Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (Hrsg.): Germanium und Germaniumdioxid. Mai 2018, S. 7 ff. (baua.de [PDF; 447 kB; abgerufen am 4. August 2019]).
  42. ↑ Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (Hrsg.): Germanium und Germaniumdioxid. Mai 2018, S. 7 (baua.de [PDF; 447 kB; abgerufen am 4. August 2019]).
  43. ↑ Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (Hrsg.): Germanium und Germaniumdioxid. Mai 2018, S. 14 ff. (baua.de [PDF; 447 kB; abgerufen am 4. August 2019]).
  44. ↑ Germanium dioxide induces mitochondria-mediated apoptosis in Neuro-2A cells. doi:10.1016/j.neuro.2006.05.018.
  45. ↑ The pathogenesis of experimental model of mitochondrial myopathy induced by germanium dioxide. PMID 12899328.
  46. ↑ Roy A. Henry, Keith H. Byington: Inhibition of glutathione-S- aryltransferase from rat liver by organogermanium, lead and tin compounds. In: Biochemical Pharmacology. Band 25, Nr. 20, 1976, S. 2291–2295, doi:10.1016/0006-2952(76)90012-5.
  47. ↑ a b Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (Hrsg.): Germanium und Germaniumdioxid. Mai 2018, S. 4 ff. (baua.de [PDF; 447 kB; abgerufen am 18. Januar 2020]).
  48. ↑ BgVV warnt vor dem Verzehr von ‚Germanium-132-Kapseln‘ der österreichischen Firma Ökopharm. In: Bundesinstitut für Risikobewertung. 8. September 2000, abgerufen am 18. Januar 2020.
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