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Germanium

Chemie und Physik des chemischen Elements Germanium.



Germanium Chemie

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

SymbolOZKurzform1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f
Ge32[Ar] 3d10 4s2 4p2 226261022

 

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 eV2. IE: 15,93461 eV3. IE: 34,0576 eV4. IE: 45,7155 eV5. IE: 94,500 eV6. IE: 115,9 eV
7. IE: 144,9 eV8. IE: 176,4 eV9. IE: 212,7 eV10. IE: 251,7 eV11. IE: 285,7 eV12. IE: 326,6 eV
13. IE: 368 eV14. IE: 409 eV15. IE: 532 eV16. IE: 567 eV17. IE: 610 eV18. IE: 668 eV
19. IE: 707 eV20. IE: 748 eV21. IE: 834 eV22. IE: 880,50 eV23. IE: 2176,9 eV24. IE: 2303 eV
25. IE: 2442 eV26. IE: 2666 eV27. IE: 2744 eV28. IE: 2886 eV29. IE: 3069 eV30. IE: 3194,6 eV
31. IE: 13557,34 eV32. IE: 14119,4348 eV33. IE: eV34. IE: eV35. IE: eV36. 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.

KLILIILIII
1s2s2p1/22p3/2
111031414,61248,11217,0

 

MIMIIMIIIMIVMV
3s3p1/23p3/23d3/23d5/2
180,1124,9120,829,829,2

 

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:ωK: 0,546; ωL1: 0,0024; ωL2: 0,013; ωL3: 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:

Germanium-Spektrallinien

 

 

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 Pearson
Elektronaffinität:1,232 676 4(13) eV bzw. 118,935 2(2) kJ mol-1Oxidationsstufen:+4, +2 -4, -3, -2, -1, 0, +1, +3

 

Standardpotentiale

E0 (V)NoxName Ox.Ox.e-Red.Name Red.Nox
-0,37+ IVGermaniumdioxidGeO2 + 2 H++ 2 e-GeO (s) + H2O (l)Germaniumoxid+ II
-0,290GermaniumGe (s) + 4 H++ 4 e-GeH4 (g)Monogerman- IV
0,12+ IVGermanium(IV)-KationGe4++ 4 e-Ge (s)Germanium0
0,26+ IIGermaniumoxidGeO (s) + 2 H++ 2 e-Ge (s) + H2OGermanium0

 

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 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:-7,1 × 10-5 cm3 mol-1 Schallgeschwindigkeit:5400 m s-1 bei 20 °C

 

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

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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 13.03.2019.



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