Germanium

Germanium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ge und der Ordnungszahl 32. Es gehört zur Gruppe der Übergangsmetalle und ist ein silbrig-weißes, sprödes Metall, das ähnlich wie Silizium aussieht und verwendet wird.

Die Entdeckung von Germanium geht auf das Jahr 1886 zurück, als Clemens Winkler bei der Untersuchung von Zinkblende (Zink-Sulfid) ein neues Element fand. Er benannte es Germanium, nach seiner Heimat Deutschland. Obwohl es in geringen Mengen in vielen Mineralen vorkommt, wurde es lange Zeit als wenig wichtiges Metall betrachtet, da es bis dato keine bekannten praktischen Anwendungen hatte.

Dies änderte sich jedoch in den 1940er Jahren, als Wissenschaftler begannen, Germanium für elektronische Anwendungen zu nutzen. Es wurde als Transistor in der ersten Generation von Computern eingesetzt und hatte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung moderner elektronischer Geräte wie Radios, Fernsehgeräte und Telefone.

Germanium ist ein silbrig-weißes, sprödes Metall, das sich bei Raumtemperatur kristallisiert. Es hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Germanium ist ein Halbleiter, was bedeutet, dass es elektrischen Strom teilweise, aber nicht vollständig leitet. Dies macht es ideal für Anwendungen wie Transistoren, Solarzellen und optische Fasern, die in der Kommunikationstechnologie eingesetzt werden. Es wird verwendet, um das Licht zu leiten und zu fokussieren, wodurch es für die Übertragung von Daten und Informationen über lange Distanzen geeignet ist.

Germanium ist auch ein sehr reaktives Element und kann leicht mit anderen Elementen reagieren, um Verbindungen zu bilden. Es ist sehr ähnlich zu Silizium, einem anderen Halbleiter, und kann oft anstelle von Silizium verwendet werden.

Die jährliche Förderung von Germanium beträgt derzeit etwa 140 Tonnen. Laut US Geological Survey (USGS) war China im Jahr 2021 das Land mit der größten Fördermenge an Germanium, gefolgt von Russland und Kanada. Andere Länder, die Germanium fördern, sind die USA, Kasachstan, Indien, Deutschland und Frankreich.

Mehr über Germanium in diesen Blogartikeln: 

Exportbeschränkungen für Gallium und Germanium

Spezifikationen:

Schmelzpunkt:                     938,3 °C
Spezifisches Gewicht:          5,323 g/cm3
Farbe:                                   Grau-weiss
Siedepunkt:                          2830 °C
Weltjahresproduktion ca.:    140 Tonnen
Massenanteil / Erdhülle:      5,6 ppm

Wertentwicklung:

Im Jahr 2021:                        +16,87%
Im Jahr 2022:                        + 8,7%
bis 28.6.2023:                        + 5,55%

Verwendung:

  • Glasfasern
  • Solarzellen
  • Polyesterfasern
  • Lichtwellenleiter
  • Optische Fasern
  • Nanotechnologie
  • LED-Technologie
  • Neutronenstrahlung
  • Nahrungsergänzungsmittel
  • Bildgebungsgeräte für Scans
  • Halbleiter für elektronische Geräte
  • Katalysator in der chemischen Industrie

Die Geschichte von Germanium

Ein Element zwischen Vorhersage und Entdeckung

Die Geschichte von Germanium begann im 19. Jahrhundert mit den bahnbrechenden Entdeckungen von Dmitri Mendelejew und Clemens Winkler. Die Entdeckung von Germanium ist eng mit der Entwicklung des Periodensystems der Elemente verbunden.

Als Dmitri Mendelejew im Jahr 1871 das Periodensystem entwarf, stieß er auf eine Lücke unterhalb des Elements Silicium. Er postulierte die Existenz eines bis dahin unbekannten Elements und nannte es „Eka-Silicium“. Mendelejew machte mutige Vorhersagen über die Eigenschaften dieses Elements und seiner Verbindungen. Allerdings wurden seine Vorhersagen zunächst von der wissenschaftlichen Gemeinschaft abgelehnt.

Es dauerte einige Jahre, bis die Entdeckung von Germanium tatsächlich stattfand. Im Jahr 1885 war Clemens Winkler, ein Chemiker an der Bergakademie Freiberg, mit dem neu entdeckten Mineral Argyrodit beschäftigt. Bei der quantitativen Analyse dieses Minerals stellte Winkler fest, dass ein konstanter Fehlbetrag von etwa sieben Prozent auftrat. Dieser Fehlbetrag deutete darauf hin, dass das Mineral ein bisher unbekanntes Element enthielt.

Nach monatelanger Arbeit gelang es Winkler schließlich am 6. Februar 1886, ein weißes Sulfid-Niederschlag zu isolieren, das sich im Wasserstoffstrom zu einem metallischen Pulver reduzieren ließ. Aus Dankbarkeit für die Entdeckung des Planeten Neptun wollte Winkler das neue Element ursprünglich „Neptunium“ nennen. Da dieser Name jedoch bereits für ein anderes Element verwendet wurde, entschied er sich stattdessen für den Namen „Germanium“ – benannt nach seinem Entdeckungsort.

Zunächst gab es einige Verwirrung über die genaue Identität des Elements. Winkler vermutete, dass es sich um das von Mendelejew vorhergesagte Element „Eka-Stibium“ handelte, während Mendelejew es zunächst eher als „Eka-Cadmium“ einstufen wollte. Erst nachdem weitere Eigenschaften ermittelt wurden, bestätigte sich, dass es sich tatsächlich um das von Mendelejew vorhergesagte Element „Eka-Silicium“ handelte. Die Entdeckung von Germanium trug somit zur Anerkennung und Validierung des Periodensystems bei.

Die Herkunft des Namens „Germanium“ könnte auch mit einem semantischen Missverständnis in Zusammenhang mit dem Vorgängerelement „Gallium“ zusammenhängen. Es gibt zwei Theorien zur Namensgebung von Gallium: Die eine besagt, dass der Name auf das lateinische „Gallien“ (französisch „Frankreich“) zurückgeht und von Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, dem Entdecker von Gallium, gewählt wurde. Die andere Theorie bezieht sich auf das lateinische Wort „gallus“ (Hahn), das im Französischen „le coq“ („der Hahn“) heißt. Diese Theorie besagt, dass Gallium möglicherweise nach dem Entdecker selbst benannt wurde.

Clemens Winkler entschied sich daher, das neue Element „Germanium“ zu Ehren seines Landes (lateinisch „Germania“ für Deutschland) zu benennen. Diese einzigartige Namensgebung zeigt die Verbundenheit der Entdecker mit ihren Entdeckungen und spiegelt die spannende Geschichte von Germanium als faszinierendem Element wider.

Vorkommen und Gewinnung

Germanium ist in der Erdkruste weit verbreitet, aber nur in sehr geringen Konzentrationen vorhanden ist. Der Durchschnittsgehalt in der Erdkruste, auch als Clarke-Wert bezeichnet, beträgt lediglich 1,5 g/t. Es ist vor allem als Begleiter in Kupfer- und Zinkerzen zu finden, wie beispielsweise im Hettstedter Kupferschiefer. Zu den wichtigsten Germanium-Mineralen zählen Argyrodit, Canfieldit, Germanit und Reniérit. Interessanterweise reichern einige Pflanzen Germanium an, was zu umstrittenen Thesen bezüglich der Physiologie von Pflanzen und deren möglicher Rolle als „pflanzlicher Abwehr-Stoff gegen Viren“ führt. Diese Eigenschaft von Germanium hat sogar Anwendungen in der Homöopathie gefunden.

Die weltweite Jahresproduktion von Germanium lag im Jahr 2014 bei geschätzten 165 Tonnen, wovon 120 Tonnen in China produziert wurden. Im Jahr 2020 betrug die Raffinerieproduktion von Germanium etwa 140 Tonnen, wobei die USA ihre Produktionsmengen als Geschäftsgeheimnis nicht veröffentlichen.

Der Preis für 1 Kilogramm Germanium betrug im Jahr 2021 etwa 1.315 USD. Dies zeigt, dass Germanium aufgrund seiner Seltenheit und der aufwendigen Gewinnungsverfahren ein kostbares Element ist. Früher lagen die Preise deutlich niedriger, so betrug der Preis im Jahr 2003 lediglich 300 USD je Kilogramm und stieg bis 2009 auf 1.000 USD.

Die Gewinnung von Germanium erfolgt häufig aus den Rauchgasen der Zinkerzaufbereitung, die Germaniumoxid (GeO2) enthalten. Um das Germanium aus dem Rauchgas zu gewinnen, wird der Flugstaub in Schwefelsäure gelöst und anschließend durch Fällung der gelösten GeO2- und ZnO-Verbindungen angereichert. Die weitere Aufarbeitung erfolgt durch die Destillation der Metallchloride. Durch Hydrolyse entsteht wieder das Oxid, das schließlich durch Reduktion mit Wasserstoff zu reinem Germanium umgewandelt wird.

Für die Darstellung von hochreinem Germanium kommt das Zonenschmelzverfahren zum Einsatz. Dieses aufwändige Verfahren ermöglicht die Gewinnung von Germanium in einer sehr reinen Form und ist insbesondere für Anwendungen in der Halbleiterindustrie von Bedeutung.

Eigenschaften

Germanium ist ein bemerkenswertes Element mit einer Vielzahl von einzigartigen Eigenschaften. Im Periodensystem gehört es zur Serie der Halbmetalle, wird jedoch nach neuerer Definition als Halbleiter klassifiziert. Elementares Germanium ist von Natur aus spröde und zeigt eine bemerkenswerte Beständigkeit gegenüber Luft bei Raumtemperatur. Erst bei starkem Glühen in einer Sauerstoff-Atmosphäre oxidiert es zu Germanium(IV)-oxid (GeO2). Diese Beständigkeit macht Germanium zu einem wertvollen Material in verschiedenen Anwendungen.

Ein interessantes Merkmal von Germanium ist seine Zwei- und Vierwertigkeit. Germanium(IV)-Verbindungen sind besonders stabil und haben verschiedene Anwendungen in der Chemie und Industrie. Es zeigt eine bemerkenswerte Resistenz gegenüber Salzsäure, Kalilauge und verdünnter Schwefelsäure. Diese Eigenschaften machen es zu einem wertvollen Element in der Verarbeitung und Herstellung von Chemikalien und Produkten.

Allerdings wird Germanium in alkalischen Wasserstoffperoxid-Lösungen, konzentrierter heißer Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure aufgelöst, wobei Germaniumdioxidhydrat entsteht. Diese Reaktivität kann in bestimmten chemischen Prozessen von Bedeutung sein.

Aufgrund seiner Stellung im Periodensystem steht Germanium in seinen chemischen Eigenschaften zwischen Silicium und Zinn. Diese Position ermöglicht eine Vielzahl von chemischen Reaktionen und Verbindungen, die für verschiedene Anwendungen genutzt werden können.

Eine besonders interessante Eigenschaft von Germanium ist die Dichteanomalie. Im festen Zustand weist es eine niedrigere Dichte auf als in flüssigem Zustand. Diese Anomalie ist eine seltene Eigenschaft und macht Germanium zu einem einzigartigen Element in der Materialwissenschaft.

Wafer aus Germanium sind erheblich zerbrechlicher als Wafer aus Silicium. Dieser Unterschied in der mechanischen Stabilität hat Auswirkungen auf die Verwendung von Germanium in der Halbleiterindustrie. Trotz seiner Zerbrechlichkeit findet Germanium Anwendung in der Herstellung von Halbleiterwafern, insbesondere in spezialisierten Anwendungen.

Anwendungen

Germanium, einst das führende Material in der Elektronik, hat auch heute noch eine Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Technologiebereichen. Obwohl es vom Silicium in der Elektronik verdrängt wurde, findet es immer noch Verwendung in der Hochfrequenztechnik und Detektortechnologie. Besonders in SiGe-Verbindungshalbleitern und Röntgendetektoren kommt Germanium zum Einsatz. Auch in der Herstellung von Solarzellen aus Galliumarsenid werden Wafer aus Germanium als Trägermaterial verwendet. Die ähnliche Gitterkonstante von Germanium und GaAs ermöglicht das epitaktische Wachstum von GaAs auf Germanium-Einkristallen. Diese Eigenschaften könnten Germanium durch die neue Germanium-Kohlenstoff-Silicium-Technologie in Zukunft wieder an Bedeutung gewinnen lassen.

Eine weitere wichtige Anwendung von Germanium liegt in der Infrarotoptik. Es wird in Form von Fenstern und Linsensystemen aus poly- oder monokristallinem Germanium sowie in optischen Gläsern mit Infrarotdurchlässigkeit, den sogenannten Chalkogenidgläsern, verwendet. Militärische und zivile Nachtsichtgeräte sowie Thermografiekameras nutzen diese Technologie. Mit diesen Geräten können zum Beispiel Häuser auf Lecks in der Isolation untersucht werden.

Germanium hat auch eine bedeutende Rolle in der Herstellung von Lichtwellenleitern und Polyesterfasern. In modernen Lichtleitfasern der Telekommunikation wird mit Hilfe von Germaniumtetrachlorid eine Germanium-Beschichtung des inneren Faserkerns zur Erreichung der Totalreflexion von Lichtwellen herbeigeführt. In der Polyesterchemie wird Germaniumdioxid als Katalysator bei der Herstellung bestimmter Polyesterfasern und -granulate eingesetzt, insbesondere für recyclingfähige PET-Flaschen (PET = Polyethylenterephthalat).

Ein weiterer interessanter Aspekt von Germanium ist seine Reaktion auf Neutronenstrahlung. Im Gegensatz zu Stahl, dessen Kristallstruktur durch Neutronenstrahlung zerbrochen wird, fängt Germanium den Stoß der Neutronen elastisch auf. Obwohl diese Entdeckung bisher noch keine praktische Nutzung in Reaktoren gefunden hat, zeigt sie das Potenzial von Germanium in speziellen Anwendungen.

Physiologie und Verwendung in Nahrungsergänzungsmitteln

Germanium ist ein chemisches Element, das in verschiedenen Formen in Nahrungsergänzungsmitteln erhältlich ist und zunehmendes Interesse in der Gesundheits- und Wellness-Community weckt.

Physiologie von Germanium
Germanium und seine Verbindungen weisen im Allgemeinen eine relativ geringe Toxizität auf. Es ist bekannt, dass Spuren von Germanium in bestimmten Lebensmitteln vorkommen, darunter Bohnen, Tomatensaft, Austern, Thunfisch und Knoblauch. Diese natürlichen Quellen haben dazu beigetragen, dass Germanium als potenziell interessantes Nahrungsergänzungsmittel betrachtet wird.

Im medizinischen Bereich ist Germanium derzeit in keinem zugelassenen Pharmakon enthalten, und nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft wird es nicht als essentielles Spurenelement betrachtet. Das bedeutet, dass der Körper nicht zwingend auf eine regelmäßige Zufuhr von Germanium angewiesen ist, um normale physiologische Funktionen aufrechtzuerhalten.

Diskutierte Wirkungen von Germanium
Obwohl keine spezifische biologische Funktion für Germanium bekannt ist, wurde über mögliche Auswirkungen auf den Kohlenhydrat-Metabolismus diskutiert. Einige Studien haben untersucht, wie Germanium in den Stoffwechsel von Kohlenhydraten eingreifen könnte, jedoch sind die Ergebnisse bisher nicht eindeutig.

Ein weiterer interessanter Aspekt ist die mögliche Rolle von Germanium bei der Kashin-Beck-Krankheit, einer osteo-arthritischen Erkrankung, die hauptsächlich Kinder in China und der ehemaligen Sowjetunion betrifft. Es wurde vorgeschlagen, dass ein Mangel an Germanium möglicherweise zu dieser Krankheit beitragen könnte. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Vermutung nur auf einer einzigen Studie beruht und weitere Forschung erforderlich ist, um eine definitive Verbindung herzustellen.

Germanium als Nahrungsergänzungsmittel
Aufgrund der potenziellen Wirkungen von Germanium auf den Kohlenhydratstoffwechsel und der diskutierten Zusammenhang mit der Kashin-Beck-Krankheit wird das Element zunehmend in Form von Nahrungsergänzungsmitteln angeboten. Viele Menschen interessieren sich für die möglichen gesundheitlichen Vorteile von Germanium und entscheiden sich daher dafür, es in ihre Ernährung einzubinden.

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