Erfahren Sie hier alles über das
Element Germanium
Erfahren Sie hier alles über das Element Germanium
Name: Germanium
Symbol: Ge
Ordnungszahl: 32
Massenanteil an der Erdhülle: 5,6 ppm
Dichte: 5,323g cm-3
Mohshärte: 6,0
Schmelztemperatur: 938,3 °C
Siedetemperatur: 2.830 °C
Elektr. Leitfähigkeit: 1,45–2,2 A·V−1·m−1
Germanium gehört im Periodensystem zu den Halbmetallen.
Name: Germanium
Symbol: Ge
Ordnungszahl: 32
Massenanteil an der Erdhülle: 5,6 ppm
Dichte: 5,323g cm-3
Mohshärte: 6,0
Schmelztemperatur: 938,3 °C
Siedetemperatur: 2.830 °C
Elektr. Leitfähigkeit: 1,45–2,2 A·V−1·m−1
Germanium gehört im Periodensystem zu den Halbmetallen
Eigenschaften
Germanium zählt zu den seltensten Metallen der Erde. Das silbern glänzende Element schmilzt bei knapp 940 °C und siedet bei 2.820 °C. Es gilt als Halbleiter, vergleichbar mit Silizium. Germanium gehört im Periodensystem zur Gruppe der Halbmetalle, wird nach neuerer Definition aber auch als Halbleiter bezeichnet. Elementares Germanium ist an der Luft sehr beständig, jedoch recht spröde.
Germanium-Kristall. Bild: wikimedia / Jurii CC-BY 3.0
Erstaunliche Dichte-Anomalie
Seine Dichte-Anomalie bringt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler immer wieder zum Staunen: Die Dichte von Germanium ist in festem Zustand niedriger als in flüssigem, das Metall wiegt somit in flüssigem Zustand mehr als im festen.
Salzsäure, Kalilauge und verdünnte Schwefelsäure reagieren nicht mit Germanium. In alkalischen Wasserstoffperoxid-Lösungen, konzentrierter heißer Schwefelsäure und konzentrierter Salpetersäure wird Germanium dagegen unter Bildung von Germaniumdioxidhydrat aufgelöst. Entsprechend seiner Stellung im Periodensystem steht es in seinen chemischen Eigenschaften zwischen Silizium und Zinn.
- Von der Industrie wird Germanium zu den Technologiemetallen gezählt – jenen Metallen, die für technologische Innovationen von besonderer Bedeutung sind.
- In anderen Kontexten wird Germanium ebenfalls als Strategisches Metall bezeichnet, was seine Relevanz für die Wirtschaft eines Landes unterstreicht.
- Germanium zählt außerdem zu den kritischen Rohstoffen, wo es neben Rhenium und Antimon als höchst kritisch, also strategisch bedeutsam aber nur limitiert verfügbar, eingestuft wird.
- Von der Industrie wird Germanium zu den Technologiemetallen gezählt – jenen Metallen, die für technologische Innovationen von besonderer Bedeutung sind.
- In anderen Kontexten wird Germanium ebenfalls als Strategisches Metall bezeichnet, was seine Relevanz für die Wirtschaft eines Landes unterstreicht.
- Germanium zählt außerdem zu den kritischen Rohstoffen, wo es neben Rhenium und Antimon als höchst kritisch, also strategisch bedeutsam aber nur limitiert verfügbar, eingestuft wird.
GESCHICHTE
Bekannt ist, dass der Clemens Winkler, Professor für anorganische Chemie an der Bergakademie Freiberg, seine Entdeckung des Germaniums Anfang Februar 1886 verkündet. Wie es dazu kommt, ist jedoch weniger weit verbreitet. Winklers Kollege Albin Weisbach entdeckt im September 1885 bei Freiberg ein dem Silberkies ähnliches Mineral, das er Argyrodit nennt. Am 15. Oktober hat Weisbach bereits die Zusammensetzung aus hauptsächlich Silber und Schwefel feststellen und ein Kristallmodell aus Holz bauen lassen.
Weisbach gibt etwa fünf Kilogramm des Erzes an Clemens Winkler weiter. Dieser führt innerhalb nur weniger Monate eine umfassende Analyse durch. Bei der Untersuchung der Mengenanteile stellt er neben Silber, Schwefel und verschiedenen Verunreinigungen immer wieder einen Verlust von sechs bis sieben Prozent fest. Mithilfe des Freiberger Aufschlusses kann er für diese fehlende Masse schließlich ein bis dahin unbekanntes Element isolieren. Er nennt es in Anlehnung an Gallium und Scandium nach seinem Heimatland Deutschland (lat. Germania): Germanium.
Mit der Entdeckung des Germaniums mit der Ordnungszahl 32 bestätigt Winkler eine theoretische Annahme von Dmitri Iwanowitsch Mendelejew, dem Erfinder des Periodensystems der Elemente. Dieser hatte 1871 ein Element mit den Eigenschaften von Germanium vorausgesagt und es Eka-Silicium genannt. Nach seinem Fund nimmt Winkler Briefkontakt mit Mendelejew auf. Sechs Jahre später, im Jahr 1894, treffen sich die beiden das erste Mal.
VORKOMMEN & GEWINNUNG
Germanium ist weit verbreitet, kommt aber nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Der Clarke-Wert, also der Durchschnittsgehalt in der Erdkruste, beträgt gerade einmal 1,5 g/t. In der Natur kommt es meist als Sulfid (Thiogermanate) vor und wird oft als Begleiter in Kupfer- und Zinkerzen gefunden (Mansfelder Kupferschiefer). Die wichtigsten Minerale sind Argyrodit, Canfieldit, Germanit und Renierit.
Germanium in der Esoterik
Einige Pflanzen reichern Germanium an. In der Esoterik kursieren Thesen, dass das Metall den Pflanzen als „Abwehr-Stoff gegen Viren“ dient. Aus diesem Gedanken heraus wird Germanium auch als „Wirkstoff“ in der Homöopathie eingesetzt.
Vor allem aus dem Flugstaub der Zinkerzaufbereitung kann Germanium gewonnen werden, denn er enthält Germaniumoxid. Der Flugstaub wird zunächst in Schwefelsäure gelöst, das Germanium so in der Lösung angereichert. Danach wird das gelöste Germaniumoxids als Chlorid gefällt. Das Germaniumchlorid wird anschließend destilliert. Eine Hydrolyse führt dann wieder zum Oxid, welches mit Wasserstoff zum Germanium reduziert wird. Hochreines Germanium kann danach etwa durch das Zonenschmelzverfahren gewonnen werden.
Argyrodit. Bild: wikimedia / rock currier, CC-BY 3.0
ANWENDUNGSGEBIETE von Germanium
ANWENDUNGS-GEBIETE von Germanium
Lange war Germanium das führende Material in der Elektronik. Hier wurde es vom billigeren Silizium fast abgelöst, eine Entwicklung die mit zunehmendem Einsatz von Silizium-Germanium-Transistoren-Materialien in Computerchips wieder leicht rückläufig ist.
Germanium (in Verbindung mit Silizium) kann zudem als Wafer bei der Herstellung von Gallium-Arsenid-Dünnschicht-Solarzellen wie als Halbleiter in Tandem-Solarzellen dienen. Die drei wichtigsten Anwendungsgebiete für Germanium sind jedoch die Glasfaseroptik, die Infrarotoptik und die PET-Flaschen-Produktion:
Glasfaserkabel
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Das Internet, mit den heutigen Ansprüchen an Datenvolumen und Geschwindigkeit wäre ohne Lichtwellenleiter (die zu Glasfaserkabeln gebündelt werden) nicht möglich. Um mittels Lichtwellenleiter Daten ohne Verluste über viele Kilometer transportieren zu können, müssen Stärke und Eigenschaften der Lichtwelle immer konstant bleiben. Der Lichtwellenleiter muss dafür absolut rein sein und die kontrollierte Führung der Lichtwelle von A nach B gewährleisten. Dies gelingt, indem der lichtführende Faserkern einen höheren Brechungs-Index erhält als seine reflektierende Ummantelung.
Hier wird Germanium relevant: Es sorgt im Faserkern für einen besonders hohen Brechungs-Index. Das Ergebnis ist eine Totalreflektion – so wird die Ausbreitung der Lichtwellen effektiv verhindert. Dies ermöglicht eine zuverlässige, schnelle und weite Führung der Lichtwellen durch das Kabel.
Optische Linsen
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Germaniumhaltige Gläser sind durchlässig für Infrarotlicht, blocken aber UV-Strahlung. Von allen infrarot-durchlässigen Gläsern hat das germaniumhaltige zudem die niedrigste optische Streuung, gleichzeitig aber einen hohen Brechungs-Index. Das macht es attraktiv für Mikroskope und Weitwinkelobjektive, insbesondere solche mit Infrarot- und Thermallinsen.
Am häufigsten kommen germaniumhaltige Linsen bei Wärmebildkameras und Nachsichtgeräten zum Einsatz. Verwendet werden diese etwa vom Militär, der Polizei, der Feuerwehr oder von Jägern. Ein weiteres Einsatzgebiet ist auch die Erstellung von Wärmebildern beim Bau besonders nachhaltiger, energieeffizienter Häuser. In der Medizin werden Thermallinsen für nicht-invasive Diagnosemethoden gebraucht, in der Autoindustrie für Nachtsicht-Assistenten.
PET-Flaschen
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Germaniumdioxid wird als Katalysator bei der Herstellung von Polyesterfasern und -granulaten verwendet, die zu Trinkflaschen und Lebensmittelverpackungen verarbeitet werden. Germaniumdioxid sorgt hier für eine hohe Transparenz des Endprodukts. In Deutschland wird etwa ein Drittel des jährlichen Germaniumbedarfs für die Herstellung von PET-Flaschen verwendet. Auch auf dem japanischen Markt spielt Germaniumdioxid eine große Rolle, wobei hier zunehmend Titan als Katalysator eingesetzt wird.
Neben Germaniumdioxid wird oft auch mit Antimontrioxid als Katalysator gearbeitet. Germanium hat jedoch den Vorteil, dass es im Gegensatz zum Antimon nicht toxisch ist. Das ist deshalb von großer Bedeutung, da bei der PET-Material-Herstellung die Katalysatoren im Material verbleiben und in Kleinstmengen in das Getränk oder das verpackte Essen übergehen. Dies macht Germaniumoxid wesentlich attraktiver als Antimontrioxid, jedoch ist es auch teurer.