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Germanium



Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Germanium, Ge, 32
Serie Halbmetalle
Gruppe, Periode, Block 14, 4, p
Aussehen gräulich weiß
Massenanteil an der Erdhülle 6 · 10-4 %
Atomar
Atommasse 72,61 u
Atomradius (berechnet) 125 (125) pm
Kovalenter Radius 122 pm
Van-der-Waals-Radius pm
Elektronenkonfiguration [Ar]3d104s24p2
Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 18, 4
Austrittsarbeit 4,8 eV
1. Ionisierungsenergie 762 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1537,5 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 3302,1 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 4411 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert (Diamant-Struktur)
Dichte 5,323 g/cm3
Mohshärte 6
Magnetismus
Schmelzpunkt 1211,4 K (938,3 °C)
Siedepunkt 3093 K (2820 °C)
Molares Volumen 13,63 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme 330,9 kJ/mol
Schmelzwärme 36,94 kJ/mol
Dampfdruck

7,46 · 10-5 Pa bei 1210 K

Schallgeschwindigkeit 5400 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 320 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 1,45 S/m
Wärmeleitfähigkeit 59,9 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände -4, 2, 4
Oxide (Basizität) GeO2 (amphoter)
Normalpotential 0,24 V (Ge2+ + 2e- → Ge)
Elektronegativität 2,01 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
68Ge

{syn.}

270,8 d ε 0,106 68Ga
69Ge

{syn.}

39,05 h ε 2,227 69Ga
70Ge

21,23 %

Stabil
71Ge

{syn.}

11,43 d ε 0,229 71Ga
72Ge

27,66 %

Stabil
73Ge

7,73 %

Stabil
74Ge

35,94 %

Stabil
75Ge

{syn.}

82,78 min β- 1,177 75As
76Ge

7,44 %

Stabil
77Ge

{syn.}

11,30 h β- 2,702 77As
78Ge

{syn.}

88,0 min β- 0,954 78As
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
Pulver
[1]
R- und S-Sätze R: 11[1]
S: 9-16-29-33[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Germanium (von lat. Germania „Deutschland", dem Heimatland des Entdeckers Clemens Winkler (1838-1904)) ist ein chemisches Element. Es wurde am 6. Februar 1886 erstmals nachgewiesen.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Die Entdeckung des Germaniums verdanken wir Clemens Winkler, einem Chemiker an der Bergakademie Freiberg (in Freiberg), der mit Cobalt-Glas arbeitete. Er untersuchte das Mineral Argyrodit und fand dabei das neue Element Germanium. Es stellte sich später als das Eka-Silicium heraus, das 1871 von Dmitri Mendelejew vorausgesagt worden war.

Vorkommen

Germanium ist weit verbreitet, kommt aber nur in sehr geringen Konzentrationen vor; Clarke-Wert (= Durchschnittsgehalt in der Erdkruste): 1,5 g/t. Es wird als Begleiter in Kupfer und Zinkerzen gefunden (Hettstedter Kupferschiefer). Die wichtigsten Minerale sind Argyrodit, Canfieldit, Germanit und Reniérit. Einige Pflanzen reichern Germanium an. Diese Eigenschaft führt zu einigen sehr umstrittenen Thesen bezüglich der Physiologie von Pflanzen („pflanzlicher Abwehr-Stoff gegen Viren“), die letztlich auch zu Anwendungen in der Homöopathie führen.

Eigenschaften

  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 oxidiert es zu Germanium(IV)-oxid (GeO2). Germanium ist zwei- und vierwertig. 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 weist als einer der wenigen Stoffe die Eigenschaft der Dichteanomalie auf, d.h. seine Dichte ist in festem Zustand niedriger als in flüssigem.

Wafer aus Germanium sind erheblich zerbrechlicher als Wafer aus Silicium.

Verwendung

Als Halbleiter war es das führende Material in der Elektronik, bis es vom Silicium verdrängt wurde. Anwendungen finden sich heute in der Hochfrequenztechnik (z.B. als SiGe-Verbindungshalbleiter) und Detektortechnologie (z.B. als Röntgendetektor). Für Solarzellen aus Galliumarsenid werden zum Teil Wafer aus Germanium als Trägermaterial verwendet. Die Gitterkonstante von Germanium ist der von GaAs sehr ähnlich, so dass GaAs epitaktisch auf Germanium-Einkristallen aufwächst. In Zukunft könnte Germanium durch die neue Germanium-Kohlenstoff-Silicium-Technologie erneut an Bedeutung gewinnen.

Seine zweite Hauptanwendung findet es in der Infrarotoptik in Form von Fenstern und Linsen-Systemen aus poly- oder monokristallinem Germanium sowie optischen Gläsern mit Infrarotdurchlässigkeit, so genannten Chalkogenidgläsern. Einsatzgebiete hierfür sind militärische und zivile Nachtsichtgeräte sowie Thermografiekameras. Mit diesen können beispielsweise Häuser auf Lecks in der Isolation untersucht werden.

Weitere wesentliche Verwendungen liegen 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 kommt Germaniumdioxid als Katalysator bei der Herstellung von bestimmten Polyesterfasern und -granulaten zum Einsatz, speziell für recyclingfähige PET-Flaschen (PET = Polyethylenterephthalat).

Bei Germanium lässt sich, im Gegensatz zu Stahl, nicht durch Neutronenstrahlung die Kristallstruktur zerbrechen. Es fängt den Stoß des Neutrons elastisch auf. Bisher findet diese Entdeckung jedoch keine Nutzung in Reaktoren.

Germanium ist in verschiedenen Nahrungsergänzungsmitteln angeboten, siehe dazu den nachfolgenden Punkt Physiologie.

Physiologie[2]

Germanium und seine Verbindungen weisen eine relative geringe Toxizität auf. Spuren von Germanium sind in den folgenden Nahrungsmittel enthalten: Bohnen, Tomatensaft, Austern, Thunfisch und Knoblauch. Es ist in keinem derzeit zugelassenen Pharmakon enthalten. Es ist nach dem Stand der Wissenschaft kein essentielles Spurenelement. Es ist keine biologische Funktion für Germanium bekannt. Ein möglicher Einfluss auf den Kohlenhydrat-Metabolismus wurde diskutiert. Es sind keine Germanium-Mangelerkrankungen bekannt. Es wurde diskutiert, dass Germaniummangel einen Beitrag bei der Erkrankung der Kashin-Beck-Krankheit, ein osteo-arthritischer Zustand der vor allem Kinder in China und der früheren Sowjetunion betrifft, liefert. Diese Vermutung basiert allerdings nur auf einer einzelnen Studie.

Toxizität[2]

Vergiftungen mit Germanium bei Menschen traten bisher nur nach der Einnahme von anorganischem Germanium als Nahrungsergänzungsmittel auf. Erste Symptome sind dabei Appetitlosigkeit, Gewichtsverlust, Erschöpfungszustände und Muskelschwäche. Darauf folgen Funktionsstörungen der Niere, bis hin zum Nierenversagen, das für den Patienten letal sein kann. Periphere Neuropathie als Folgeerkrankung sind ebenfalls berichtet. In Fällen, in denen Patienten die Einnahme von anorganischen Germaniumverbindungen überlebten, konnte die normale Nierenfunktion nicht wieder hergestellt werden.
Vorübergehende neurotoxische Nebenwirkungen bei der Einnahme von Spirogermanium in klinischen Studien werden berichtet. Spirogermanium wurde in der 1980er Jahren als Cytostatikum getestet. Daten aus Studien an gesunden freiwilligen Probanden sind nicht verfügbar.

Aus Tierversuchen weiß man, dass Germanium eine geringe akute orale Toxizität hat. Die Symptome einer akuten Vergiftung mit großen Dosen von Germaniumverbindungen beinhalten:

  • Erweiterung der Blutgefäße (Arteriektasie)
  • Ptosis
  • Zyanose
  • Tremor

Letztlich führt Atemlähmung zum Tod der Versuchstiere.
Symptome einer chronischen bzw. subchronischen Vergiftung mit anorganischen Germaniumverbindungen sind:

  • Gewichtsverlust
  • Organveränderungen (Masse der Organe)
  • Progressive Neuropathie
  • Nierenschäden

Organische Germaniumverbindungen zeigten eine geringere Giftigkeit, führte jedoch bei den Versuchstieren zu Gewichtsverlust und einer Abnahme der Anzahl der Roten Blutkörperchen. Über die fruchtschädigende Wirkung von Germanium liegen nur wenige Daten vor. Natriumgermanat wurde in Ratten als nicht krebserregend getestet.

Der Mechanismus der Toxizität von Germanium ist noch nicht vollständig geklärt. Spezifische pathologische Effekte an den Mitochondrien von Nieren- und Nervenzellen wurden jedoch beobachtet.

Wechselwirkungen[2]

Es wird ebenfalls diskutiert, ob Germanium evtl. Wechselwirkungen mit Silizium 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 Glutathione-S-Transferase blockieren.

Bioverfügbarkeit und Metabolismus[2]

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. Organisches Germanium akkumuliert dabei im Gegensatz zu anorganischem Germanium nicht im menschlichen Körper. Allerdings gibt es nur wenige Studien über den Germanium-Metabolismus.
Es wird im wesentlichen über den Urin ausgeschieden. Ausscheidung über Galle und Fäzes findet ebenso statt.

Germanium in Nahrungsergänzungsmitteln[2]

In einigen Nahrungsergänzungsmitteln ist es in Form von Spirogermanium (Carboxyethylgermanium-Sesquoxid, "Ge-132") enthalten. Germanium und dabei insbesondere Ge-132 wird dabei eine positive Wirkung gegen:

  • Krebs
  • AIDS
  • Bluthochdruck
  • Arthritis
  • Lebensmittelallergien
  • Malaria

zugeschrieben. Diese Wirkungen wurden in keiner wissenschaftlich haltbaren Studie bisher bestätigt. Alle Ergebnisse aus Studien mit Spirogermanium zur Krebstherapie sind nicht beweiskräftig (inconclusive).

In Großbritannien verzichtet die Industrie wegen der Toxizität freiwillig auf den Verkauf von germaniumhaltigen Nahrungsergänzungsmitteln.[2]

Das Bundesinstitut für Verbraucherschutz und Veterinärmedizin warnte 2000 ausdrücklich vor dem Verzehr von Ge-132, da schwere Gesundheitsschäden und Todesfälle nicht auszuschließen sind. [3]

Dessen ungeachtet ist es in Deutschland problemlos möglich, Germanium-132 über einschlägige Esoterik-Quellen im Ausland und zum Teil auch in Deutschland zu beziehen. Riedel und Heerd stellen in ihrem Buch Organisches Germanium – Die lichte Brücke zum Ich eine Wirksamkeit wie folgt dar:

„Krebs- und AIDS-Kliniken in den Vereinigten Staaten, die Patienten mit organischem Germanium heilen sind Realität. In Japan gab es eine intensive Forschung zum Thema organisches Germanium, aber auch in Deutschland wurde Forschung an dem Element betrieben, das seinen Namen dem deutschen Entdecker Clemens Winkler zu verdanken hat. Das Wissen darum blieb aber in Insiderkreisen, auferlegte Werbeverbote durch die Mächtigen taten ihr eigenes. In der EU hat die Pharmaindustrie den Handel zu verhindern gewußt.“[4].

Als Grund für den von der „Schulmedizin“ abgelehnten Einsatz von organischem Germanium wird eine Verschwörungstheorie angegeben.

Bitte beachten Sie den Hinweis zu Gesundheitsthemen!

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 (2 GeJ2 ↔ GeJ4 + Ge).

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.

Siehe auch: Kategorie:Germaniumverbindungen

Einzelnachweise

  1. a b c BGIA-Gestis Gefahrstoffdatenbank (in kompakter Form keine R-/S-Sätze)
  2. a b c d e f Food Standards Agency UK http://www.food.gov.uk/multimedia/pdfs/evm_germanium.pdf
  3. http://www.bfr.bund.de/cms5w/sixcms/detail.php/892
  4. Riedel und Heerd http://www.michaelsverlag.de/index.php?action=info&art_id=146
 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Germanium aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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