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Steckbrief: Germanium

Informationen zum Element:

Bezeichnung

72,64

Symbol: Ge

Internationale Bezeichung (IUPAC): Germanium

Ursprung: 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.
Germanium wurde entdeckt von Clemens Winkler, einem Chemiker an der Bergakademie Freiberg (in Freiberg), der mit Cobalt-Glas arbeitete. Er untersuchte das Mineral Argyrodit und fand dabei 1886 das neue Element Germanium. Es stellte sich später als das Eka-Silicium heraus, das 1871 von Dmitri Mendelejew vorausgesagt worden war.

Bedeutung: Germania = Deutschland

Daten Periodensystem

Periode: 4

Gruppe: 14 (IV A)

Gruppenname: Kohlenstoffgruppe

Oxidationszahl: 4 (2)

Atommasse [u]: 72,64

Elektronegativität

Elektronegativität (nach Allred): 2,0

Elektronegativität (nach Pauling): 2,01

Physikalische Daten

Aggregatzustand (20°C): fest

Dichte [g/cm²]: 5,323

Radioativ: n

Schmelztemperatur [°C]: 938

Siedetemperatur [°C]: 2833

Kristallstruktur: kubisch - flächenzentriert

Verwendung im Alltag

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. Seine Dichte ist in festem Zustand niedriger als in flüssigem. Seine Bandlücke beträgt bei Zimmertemperatur ca. 0,67 eV.
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 (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 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 Germaniumdioxid-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.
Biologie : Germanium wird in verschiedenen Nahrungsergänzungsmitteln angeboten. 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 Arzneimittel 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 liefert, ein osteo-arthritischer Zustand, der vor allem Kinder in China und der früheren Sowjetunion betrifft. Diese Vermutung basiert allerdings nur auf einer einzelnen Studie.
Giftigkeit: Vergiftungen mit Germanium bei Menschen traten bisher nur nach der Einnahme von anorganischen Germaniumverbindungen 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, führten 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. 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: 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. 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. Ausscheidung über Galle und Fäzes findet ebenso statt.
Germanium in Nahrungsergänzungsmitteln: In einigen Nahrungsergänzungsmitteln ist es in Form von Spirogermanium (Carboxyethylgermanium-Sesquoxid, ¹³²Ge) enthalten. Germanium und dabei insbesondere ¹³²Ge 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.
Das Bundesinstitut für Verbraucherschutz und Veterinärmedizin warnte 2000 ausdrücklich vor dem Verzehr von ¹³²Ge, da schwere Gesundheitsschäden und Todesfälle nicht auszuschließen sind.
Dessen ungeachtet ist es in Deutschland problemlos möglich, ¹³²Germanium über einschlägige Esoterik-Quellen im Ausland und zum Teil auch in Deutschland zu beziehen.

Vorkommen und Häufigkeit

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.

Häufigkeit: 6,00 ⋅ 10-4 % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe)