Germanium

Germanium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ge und der Ordnungszahl 32. In reinem Zustand ist es ein graues, im Diamantgitter kristallisierendes, metallisch glänzendes und sehr sprödes Halbmetall (Halbleiter) der Kohlenstoff-Gruppe und zeigt eine Dichteanomalie: Die Dichte ist im festen Zustand niedriger als im flüssigen.

Der Grundstoff wurde 1871 von Mendelejew (Ekasilicon) an Hand einer Lücke im zu der Zeit entwickelten Periodensystem vorhergesagt und 1886 von Winkler entdeckt, der das Halbmetall nach seinem Vaterland Deutschland benannte.

Bei Temperaturen um 250 °C oxidiert Germanium langsam zu Germaniumdioxid. Germanium löst sich langsam in konzentrierter Schwefelsäure und ist in verdünnten Säuren und Laugen unlöslich. Die allgemeinen Oxidationsstufen, in der Germanium-Verbindungen vorkommen, sind +4 und +2; in selteneren Fällen tritt Germanium auch in den Oxidationsstufen +3, +1 und -4 auf.

Wie Silicium wird das sehr viel seltenere Germanium zur Herstellung von Halbleiterbauteilen verwendet. Elementares Germanium wird als Halbleiter in Transistoren und verschiedenen anderen elektronischen Geräten eingesetzt. Historisch basierte das erste Jahrzehnt der Halbleiterelektronik ausschließlich auf Germanium. Gegenwärtig sind die hauptsächlichen Endanwendungen faseroptische Systeme für die Telekommunikation bzw. in Objektiven für Spezialkameras und Mikroskopen; Infrarotoptiken für Wärmebildkameras, Nachtsichtgeräte und Spektroskope; Solarzellenanwendungen (Substrat für Wafer hocheffizienter Photovoltaikzellen); Leuchtdioden (LEDs); Halbleiterdetektoren für Sicherheitssysteme (z. B. auf Flughäfen); Monochromatoren für Strahlrohre zur Synchrotronröntgenbeugung. Germaniumverbindungen werden auch für Polymerisationskatalysatoren verwendet und wurden jüngst bei der Herstellung von Nanodrähten angewendet. Darüber hinaus bildet das Element eine große Anzahl von Organogermaniumverbindungen, wie zum Beispiel Tetraethylgermanium, das in der metallorganischen Chemie nützlich ist.

Germanium gilt auf Grund der geringen Verfügbarkeit und der hohen Nachfrage vor allem in Schlusseltechnologien als technikkritisches Element.

Übersicht: Allgemeine Daten zum Germanium

Bezeichnung:Germanium Symbol:Ge Ordnungszahl:32 Atommasse:72,630(8) u Periodensystem-Stellung:4. Periode, 14. Gruppe, 4. Hauptgruppe, p-Block. Gruppen-Zugehörigkeit:Halbmetalle, Kohlenstoffgruppe, Tetrele. Entdeckung:1886 - Clemens Winkler (1838-1904). Bedeutung des Namens:Lateinisch Germania für Deutschland. Irdisches Vorkommen:Auf der Erde weit verbreitet in jedoch geringen Konzentrationen. Englischer Name:Germanium CAS-Nummer:7440-56-4 InChI-Key:GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N

Das Germanium-Atom

Identifikations-Merkmal für das Ge-Atom - und somit für das Element Germanium - ist die Anzahl der Protonen im Atomkern (Kernladungszahl oder Protonenzahl) und - im ungeladenen Zustand - die gleiche Anzahl an Elektronen in der Atomhülle; diese beträgt jeweils 32 und bestimmt die Atomzahl, Atomnummer bzw. die Ordnungszahl des Germaniums.

Für Unterschiede bei den Germanium-Atomkernen bei gleichbleibender Kernladungszahl sorgen die Kernbausteine der Neutronen. Diese Atomsorten werden unter dem Begriff Germanium-Isotope bzw. Germanium-Nuklide zusammengefasst (Isotopen-Daten: siehe dort).

Die irdischen Germanium-Vorkommen bestehen aus einem Isotopengemisch; die relative Atommasse wird daher mit 72,630(8) u angegeben.

Elektronenkonfiguration

Symbol

Kurzform

[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p²

Ionisierungsenergien

Die folgende Tabelle listet die Bindungsenergien bzw. die Ionisierungsenergien IE des Germaniums auf, also die erforderliche Energie in Elektronenvolt (eV), um ein bestimmtes Elektron von einem Ge-Atom zu trennen.

1. IE:	7,89943 eV	2. IE:	15,93461 eV	3. IE:	34,0576 eV	4. IE:	45,7155 eV	5. IE:	94,500 eV	6. IE:	115,9 eV
7. IE:	144,9 eV	8. IE:	176,4 eV	9. IE:	212,7 eV	10. IE:	251,7 eV	11. IE:	285,7 eV	12. IE:	326,6 eV
13. IE:	368 eV	14. IE:	409 eV	15. IE:	532 eV	16. IE:	567 eV	17. IE:	610 eV	18. IE:	668 eV
19. IE:	707 eV	20. IE:	748 eV	21. IE:	834 eV	22. IE:	880,50 eV	23. IE:	2176,9 eV	24. IE:	2303 eV
25. IE:	2442 eV	26. IE:	2666 eV	27. IE:	2744 eV	28. IE:	2886 eV	29. IE:	3069 eV	30. IE:	3194,6 eV
31. IE:	13557,34 eV	32. IE:	14119,4348 eV	33. IE:	eV	34. IE:	eV	35. IE:	eV	36. IE:	eV

Elektronenbindungsenergie

Die nachfolgende Tabelle listet die Elektronenbindungsenergien der einzelnen Germanium-Elektronen in den jeweiligen Orbitalen auf. Die Werte sind in Elektronenvolt (eV) angegeben.

K	LI	LII	LIII
1s	2s	2p_1/2	2p_3/2
11103	1414,6	1248,1	1217,0

MI	MII	MIII	MIV	MV
3s	3p_1/2	3p_3/2	3d_3/2	3d_5/2
180,1	124,9	120,8	29,8	29,2

Weitere Daten

Atomradius:125 pm (berechnet)
125 pm (empirisch, nach Slater) Kovalente Radien:120(4) pm (nach Cordero et al.)
121 pm (in Einfach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
111 pm (in Zweifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
114 pm (in Dreifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.) Van-der-Waals-Radius:200 pm Molvolumen:13,63 cm³ mol^-1 Fluoreszenz-Ausbeute:ω_K: 0,546; ω_L1: 0,0024; ω_L2: 0,013; ω_L3: 0,015 Coster-Kronig-Übergänge:F₁₂: 0,28; F₁₃: 0,53; F₂₃: 0,05 Austrittsarbeit:5,0 eV

Spektrallinien des Germaniums

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Emissionsspektrum des Germaniums mit den charakteristischen Spektrallinien im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm:

Chemische Daten

Elektronegativität:2,01 nach Pauling
2,02 nach Allred-Rochow
1,994 nach Allen
1,9 nach Mulliken
2,31 nach Sanderson
5,1318 eV nach Gosh-Gupta
4,6 eV nach PearsonElektronaffinität:1,232 676 4(13) eV bzw. 118,935 2(2) kJ mol^-1Oxidationsstufen:+4, +2 -4, -3, -2, -1, 0, +1, +3

Standardpotentiale

Normalpotential des Germaniums:

E⁰ (V)	N_ox	Name Ox.	Ox.	e^-	⇔	Red.	Name Red.	N_ox
-0,37	+ IV	Germaniumdioxid	GeO₂ + 2 H⁺	+ 2 e^-	⇔	GeO (s) + H₂O (l)	Germaniumoxid	+ II
-0,29	0	Germanium	Ge (s) + 4 H⁺	+ 4 e^-	⇔	GeH₄ (g)	Monogerman	- IV
0,12	+ IV	Germanium(IV)-Kation	Ge⁴⁺	+ 4 e^-	⇔	Ge (s)	Germanium	0
0,26	+ II	Germaniumoxid	GeO (s) + 2 H⁺	+ 2 e^-	⇔	Ge (s) + H₂O	Germanium	0

Material- und physikalische Eigenschaften des Germaniums

Die nachfolgende Übersicht führt einige physikalische Daten sowie Materialeigenschaften des reinen Germaniums auf.

Schmelzpunkt:938,25 °C Schmelzenthalpie (molar):36,94 kJ mol^-1 Siedepunkt:2833 °C Verdampfungsenthalpie:334,3 kJ mol^-1 Wärmekapazität:23,222 J mol^-1 K^-1 (molar)
0,320 J g^-1 K^-1 (spezifisch) Debye-Temperatur:373 K Thermische Leitfähigkeit:60,2 W m^-1 K^-1 Wärmeausdehnung:6,0 μm m^-1 K^-1 bei 25 °C Elektrische Leitfähigkeit:2 A V^-1 m^-1, 300 K Elektrischer Widerstand:1 Ω × m bei 20 °C Dichte:5,323 g cm^-3
5,60 g cm^-3 (flüssig, am Schmelzpunkt) Elastizitätsmodul:79,9 GPa (Young Modulus) Kompressionsmodul (isotherm):77,2 GPa 300 K Kompressibilität (isotherm):0,0129 GPa^-1 300 K Poisson-Zahl:0,26 (Querdehnzahl, dimensionslos) Kristallstruktur:kubisch-flächenzentrierte Diamantstruktur Härte:nach Mohs: 6,0 Magnetismus:diamagnetisch Magnetische Suszeptibilität:-76,84 × 10^-6 cm³ mol^-1 Schallgeschwindigkeit:5400 m s^-1 bei 20 °C Standard-Bildungsenthalpie:0,0 kJ mol^-1 (Feststoff, Kristall)
372,0 kJ mol^-1 (gasförmig) Gibbs Freie Enthalpie:331,2 kJ mol^-1 (gasförmig) Molare Standard-Entropie:31,1 J mol^-1 K^-1 (Feststoff, Kristall)
167,9 J mol^-1 K^-1 (gasförmig)

Bei Drücken über 120 kbar wandelt sich die α-Germanium-Struktur zu β-Germanium mit einer β-Zinn-Struktur um.

Literatur und Quellen

[1] - Clemens Winkler:
Mitteilungen über das Germanium.
In: Journal für Praktische Chemie, 1886, DOI 10.1002/prac.18860340122.

[2] - Clemens Winkler:
Germanium, Ge, ein neues, nichtmetallisches Element.
In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 1886, DOI 10.1002/cber.18860190156.

[3] - Clemens Winkler:
Mitteilungen über das Germanium.
In: Journal für Praktische Chemie, 1887, DOI 10.1002/prac.18870360119.

[4] - J. D. Burton, F. Culkin, J. P. Riley:
The abundances of gallium and germanium in terrestrial materials.
In: Geochimica et Cosmochimica Acta, 1959, DOI 10.1016/0016-7037(59)90052-3.

[5] - Dr. Mike Haustein:
Germanium. Die Lücke im Periodensystem.
In: Chemie in unserer Zeit, 2011, DOI 10.1002/ciuz.201100549.

Externe Informationsangebote

Spezielle Teilinformationen

GERDA Experiment
... mit Germanium. Beschreibung und Theorie. MPG - Format: PDF

Praktikumsskripten, praktische Anleitungen

Eigenleitung
Eigenleitung von Germanium. Universität Basel - Format: PDF

Eigenleitung und Hall-Effekt von Germanium
Praktikumsskript; theoretische Grundlagen. Universität Basel - Format: PDF

Halleffekt
F-Praktikumsskript: Halleffekt am Germanium. Universität Halle - Format: PDF

Gruppenelemente - Informationen

Elementstrukturen der IV. Hauptgruppe
Vortragsskript. Universität Bayreuth

Kohlenstoffgruppe
Vergleichende Übersicht. Rutherford - Lexikon der Elemente

Kohlenstoffgruppe
Vorlesungsmaterialien: Anorganische Chemie. ETH Zürich - Format: PDF

Kohlenstoffgruppe - physikalische und chemische Eigenschaften
Tabelle einiger physikalischer und chemischer Eigenschaften der Kohlenstoffgruppenelemente. ETHZ

Strukturchemie: Elemente der IV. Hauptgruppe (Tetrele)
Vorlesungsmaterialien. Universität Freiburg

Tetrele (4. Hauptgruppe, Kohlenstoff-Gruppe: Si, Ge, Sn, Pb)
Vorlesungsmaterialien. Universität Freiburg

Einzelne Verbindungen

Germanium-Chemikalien
Chemikalien-Datenbank: physikalische und chemische Eigenschaften, Sicherheitsdatenblätter, kommerziell verfügbaren Stoffen und Verbindungen; verschiedene Suchkriterien einschließlich Struktursuche

Geochemie und Biogeochemie

Germanium Mineralien
Zur Mineralogie des Germaniums. Mineralienatlas

Dissertationen

Germanium(II)-Verbindungen
Donor-stabilisierte Germanium(II)-Verbindungen : Substituenten-Effekte, Struktur, Reaktivität. Dissertation, 2003. Universität Bielefeld

Germanium-Chalkogen-Verbindungen
Chemische Gasphasenabscheidung von Germanium-Chalkogen-Verbindungen für die Verwendung in nichtflüchtigen Festkörperspeichern. Dissertation, 2013. Universität Magdeburg

Pentakoordinierter Germanium(IV)-Komplexe
Beiträge zur Chemie des höherkoordinierten Siliciums und Germaniums: Synthese, Struktur und Eigenschaften neuer penta- und hexakoordinierter Silicium(IV)-Komplexe sowie pentakoordinierter Germanium(IV)-Komplexe. Universität Frankfurt, 2009

Tetragermabuta-1,3-dien
Reaktionsweisen eines Tetraaryldigermens: Synthese des ersten Tetragermabuta-1,3-diens. Dissertation, 2001. Universität Oldenburg

Tetragermabuta-1,3-dien
Neue Reaktionsweisen eines Tetragermabuta-1,3-diens und von Digermenen. Dissertation, 2006. Universität Oldenburg

Tetragermabuta-1,3-dien
Optimierte Synthese und erste Reaktionen. Dissertation, 2004. Universität Oldenburg

Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 02.02.2020.

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