Germanium chemisches Element

Germanium (Ge), ein chemisches Element zwischen Silizium und Zinn in Gruppe 14 (IVa) des Periodensystems, ein silbergraues Metalloid, dessen Eigenschaften zwischen den Metallen und den Nichtmetallen liegen. Obwohl Germanium erst 1886 von Clemens Winkler, einem deutschen Chemiker, entdeckt wurde, hatte der russische Chemiker Dmitri Ivanovich Mendeleyev, der das hypothetische Element ekasilicon nannte, seine Existenz, Eigenschaften und Position im Periodensystem 1871 vorhergesagt. (Der Name Germanium leitet sich vom lateinischen Wort Germania [Deutschland] ab und wurde dem Element von Winkler gegeben.) Germanium wurde erst nach 1945 wirtschaftlich bedeutsam, als seine Eigenschaften als Halbleiter in der Elektronik als wertvoll anerkannt wurden. Viele andere Substanzen werden jetzt auch als Halbleiter verwendet, aber Germanium bleibt bei der Herstellung von Transistoren und Komponenten für Bauelemente wie Gleichrichter und Fotozellen von vorrangiger Bedeutung.

Kohlenstoffgruppenelement

(C), Silizium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn), Blei (Pb) und Flerovium (Fl).

Auf Gewichtsbasis ist Germanium ein seltenes, aber nicht äußerst seltenes Element (etwa 1,5 ppm) in der Erdkruste, das in der Häufigkeit Beryllium, Molybdän und Cäsium entspricht und die Elemente Arsen, Cadmium, Antimon und Quecksilber übersteigt. Im Kosmos beträgt die atomare Häufigkeit von Germanium 50,5 (bezogen auf Si = 1 × 10 ⁶), ein Wert, der in etwa dem für Krypton und Zirkonium entspricht und nur geringfügig unter dem für Selen liegt. Die kosmische Fülle ist viel geringer als die einiger schwererer Elemente; zB Brom, Strontium, Zinn, Barium, Quecksilber und Blei. Mit Ausnahme von Beryllium, Bor, Scandium und Gallium sind alle Elemente mit geringerer Kernladung als Germanium kosmisch häufiger als Germanium. Kosmisch wird angenommen, dass Germanium eines der vielen Elemente ist, die durch Neutronenabsorption nach den anfänglichen Prozessen der Wasserstoff- und Heliumverbrennung und der Alpha-Partikelabsorption gebildet werden.

Germanium ist in der Natur weit verbreitet, aber zu reaktiv, um frei vorzukommen. Zu den primären Mineralien gehören Argyrodit (aus dem es zuerst isoliert wurde), Germanit, Renierit und Canfieldit, die alle selten sind. Nur Germanit und Renierit wurden als kommerzielle Quellen für das Element verwendet. Spuren von Germanium finden sich in bestimmten Zinkblenden, in sulfidischen Kupfer- und Arsenerzen und in Kohlen, wobei letztere möglicherweise eine Folge der Konzentration des Elements durch Pflanzen der Karbonperiode in der geologischen Geschichte sind. Es ist bekannt, dass bestimmte heutige Pflanzen Germanium konzentrieren. Sowohl Zinkprozesskonzentrate als auch Asche- und Rauchstäube aus Kohleverbrennungsanlagen liefern kommerzielle Germaniumquellen.

Beim Raffinieren von Germanium werden die aus seinen Erzen erhaltenen minderwertigen Rückstände mit starker Salzsäure behandelt, und das resultierende Germaniumtetrachlorid wird destilliert, durch wiederholte Redestillation gereinigt und unter Bildung von Germaniumdioxid hydrolysiert, das dann durch Wasserstoff zu einer pulverförmigen Form reduziert wird des Metalls, das bei einer Temperatur von etwa 1.100 ° C (2.000 ° F [in einer inerten Atmosphäre]) geschmolzen und in Barren oder Knüppel gegossen wird.

Das Element ist eher spröde als duktil; Die Atome in ihren Kristallen sind ebenso angeordnet wie die Kohlenstoffatome in Diamant. Die elektrischen und halbleitenden Eigenschaften von Germanium sind mit denen von Silizium vergleichbar. Es wird bei Raumtemperatur nicht von Luft angegriffen, sondern bei 600 bis 700 ° C oxidiert und reagiert schnell mit den Halogenen unter Bildung von Tetrahalogeniden. Unter den Säuren greifen nur konzentrierte Salpeter- oder Schwefelsäure oder Königswasser (eine Mischung aus Salpetersäure und Salzsäure) Germanium merklich an. Obwohl wässrige Ätzlösungen wenig Einfluss darauf haben, löst sich Germanium schnell in geschmolzenem Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid und bildet so die jeweiligen Germanate.

Germanium bildet stabile Oxidationsstufen von +2 und +4, wobei die Verbindungen der letzteren stabiler und zahlreicher sind. Die beiden wichtigsten Verbindungen von Germanium sind das Dioxid (GeO ₂) und das Tetrachlorid (GeCl ₄). Germanate, die durch Erhitzen des Dioxids mit basischen Oxiden gebildet werden, umfassen Zinkgermanat (Zn ₂ GeO ₄), das als Leuchtstoff verwendet wird (eine Substanz, die Licht emittiert, wenn sie durch Strahlung erregt wird). Das Tetrachlorid, das bereits als Zwischenprodukt bei der Gewinnung von Germanium aus seinen natürlichen Quellen erwähnt wurde, ist eine flüchtige, farblose Flüssigkeit, die bei etwa -50 ° C (-58 ° F) gefriert und bei 84 ° C (183,2 ° F) siedet.

Für die Verwendung in elektronischen Geräten müssen Germaniumbarren oder Knüppel weiter gereinigt werden, was normalerweise durch die Technik der Zonenveredelung erfolgt. Das hochreine Germanium wird dann geschmolzen und durch Zugabe winziger Mengen Arsen, Gallium oder anderer Elemente "dotiert", um die gewünschten elektronischen Eigenschaften zu erzielen. Schließlich werden aus der Schmelze bei sorgfältig kontrollierten Temperaturen Einkristalle erzeugt, wobei ein Impfkristall als Kern verwendet wird. Einkristalle von Germanium werden in einer Atmosphäre aus Stickstoff oder Helium aus dem geschmolzenen Material gezüchtet. Diese werden dann in Halbleiter umgewandelt, indem sie mit Elektronendonor- oder -akzeptoratomen dotiert (infundiert) werden, indem entweder die Verunreinigungen während des Wachstums des Kristalls in die Schmelze eingebaut werden oder indem die Verunreinigungen nach ihrer Bildung in den Kristall diffundiert werden.

Germaniumverbindungen, in denen sich Germanium in der Oxidationsstufe +2 befindet, sind als Feststoffe gut charakterisiert und werden im Allgemeinen leicht oxidiert. Elementares Germanium kann aus vielen Lösungen und Schmelzen seiner Verbindungen galvanisch abgeschieden werden. Es ist von Interesse, dass bereits ein Milligramm gelöstes Germanium pro Liter die galvanische Abscheidung von Zink ernsthaft beeinträchtigt.

Zusätzlich zu seinen Anwendungen in elektronischen Geräten wird Germanium als Bestandteil von Legierungen und in Leuchtstoffen für Leuchtstofflampen verwendet. Da Germanium für Infrarotstrahlung transparent ist, wird es in Geräten zum Erfassen und Messen solcher Strahlung wie Fenstern und Linsen eingesetzt. Der hohe Brechungsindex von Germaniumdioxid macht es als Bestandteil von Gläsern, die in optischen Geräten wie Weitwinkelobjektiven für Kameras und Mikroskopobjektive verwendet werden, wertvoll. Die Toxikologie von Germanium und seinen Verbindungen ist schlecht definiert.

Die fünf stabilen Isotope von Germanium kommen in den folgenden relativen Mengen vor: Germanium-70, 20,5 Prozent; Germanium-72, 27,4 Prozent; Germanium-73, 7,8 Prozent; Germanium-74, 36,5 Prozent; und Germanium-76 7,8 Prozent. Neun radioaktive Isotope wurden berichtet.

Elementeigenschaften

Ordnungszahl	32
atomares Gewicht	72,59
Schmelzpunkt	937,4 ° C (1.719,3 ° F)
Siedepunkt	2,830 ° C (5,130 ° F)
Dichte	5,323 g / cm ³
Oxidationsstufen	+2, +4
Elektronenkonfiguration	1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ²