Germanium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

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Vorkommen und Gewinnung

Germanium ist selten und bildet kaum eigene Lagerstätten. Das Mineral Argyrodit, ein Silber-Germanium-Sulfid, ist eine große Ausnahme und wurde 1885 in einer Grube bei Freiberg in Sachsen gefunden. Industriell wichtiger sind aber Spuren in anderen Rohstoffen: Zinkerze wie Zinkblende enthalten etwas Germanium, und auch in der Flugasche mancher Kohlekraftwerke reichert es sich an. Germanium wird deshalb fast nur als Nebenprodukt der Zinkgewinnung und der Kohleverarbeitung erzeugt. China ist der mit Abstand größte Produzent, und auch die EU stuft Germanium als kritischen Rohstoff ein.

Der Chemiker Clemens Winkler an der Bergakademie Freiberg untersuchte den Argyrodit und fand, dass bei der Analyse ein Anteil fehlte. Daraus schloss er auf ein neues Element, das er 1886 isolierte. Er benannte es nach seiner Heimat Germania. Mendelejew hatte 1871 ein Element mit der Atommasse und den Verbindungen vorhergesagt, die zu Germanium passten, und es Eka-Silicium genannt. Winkler konnte die Vorhersage mit seinen Messungen bestätigen.

Für die Elektronik braucht man extrem reines Germanium. Man gewinnt zunächst Germaniumdioxid, reduziert es mit Wasserstoff zum Metall und reinigt es dann durch Zonenschmelzen: Ein Stab wird abschnittsweise aufgeschmolzen, und die Verunreinigungen wandern mit der Schmelzzone ans Ende. Das Verfahren wurde für Germanium entwickelt und später auf Silicium übertragen.

Eigenschaften und Reaktionen

Germanium steht in Periode 4 und Gruppe 14, direkt unter Silicium. Seine Elektronenkonfiguration ist [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p², mit 4 Valenzelektronen. Die Elektronegativität beträgt 2,01. Das Metalloid hat eine Dichte von 5,323 g/cm³, schmilzt bei 938,3 °C und siedet bei 2833 °C. Die Atome sind wie beim Diamant tetraedrisch verknüpft. Das Material ist daher hart, aber spröde und zersplittert bei einem Schlag.

Germanium leitet Strom besser als ein Isolator, aber schlechter als ein Metall. Anders als bei Metallen steigt die Leitfähigkeit mit der Temperatur, weil mehr Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband gelangen. Die dafür nötige Energie, die Bandlücke, ist bei Germanium kleiner als bei Silicium. Schon bei Raumtemperatur gibt es deshalb mehr freie Ladungsträger als in Silicium, und auch nahes Infrarotlicht kann Elektronen anregen. Gezielte Verunreinigungen, das Dotieren, steuern die Leitfähigkeit: Arsen liefert zusätzliche Elektronen, Gallium erzeugt Löcher (Elektronenfehlstellen).

Chemisch ist Germanium recht träge. Es löst sich nicht in Salzsäure und reagiert erst mit heißer konzentrierter Schwefel- oder Salpetersäure oder mit Königswasser. An der Luft bildet sich eine dünne Oxidschicht. Anders als das Siliciumdioxid ist Germaniumdioxid jedoch etwas wasserlöslich und weniger stabil, ein Grund dafür, dass Silicium es später für die meisten Chips verdrängte. In Verbindungen ist Germanium meist vierwertig, es gibt aber auch Germanium(II).

Verwendung in Alltag und Technik

Der erste Transistor entstand 1947 in den Bell Laboratories in den USA, und sein Halbleiter war Germanium. Dafür erhielten John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley 1956 den Nobelpreis für Physik. Germanium war in den ersten Transistorradios und den ersten Computern mit Transistoren der Standard. Dann übernahm Silicium, weil es billiger ist, höhere Temperaturen verträgt und ein stabiles Oxid bildet. Ganz verschwunden ist Germanium aus Chips aber nicht: Silicium-Germanium-Schichten steigern in manchen Prozessoren und Hochfrequenzschaltungen die Geschwindigkeit.

Eine große Rolle spielt Germanium in der Optik. Es ist für Infrarotstrahlung durchlässig, für sichtbares Licht dagegen undurchsichtig. Linsen und Fenster aus Germanium stecken deshalb in Wärmebildkameras, Nachtsichtgeräten und Sensoren, die Körperwärme erfassen. In Glasfaserkabeln erhöht Germaniumdioxid im Kern der Faser den Brechungsindex, sodass das Licht im Kern geführt wird. Solarzellen für Satelliten sitzen oft auf Germaniumscheiben, und besonders reine Germaniumkristalle dienen als Detektoren für Gammastrahlung.

Für den Menschen hat Germanium keine nachgewiesene Funktion. Anorganische Germaniumverbindungen und organische Präparate, die als Nahrungsergänzung verkauft wurden, haben in Einzelfällen schwere Nierenschäden verursacht. Metallisches Germanium und seine Verwendung in Geräten sind für Verbraucher unbedenklich.

Moleküle mit diesem Element

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