Germanium

chemisches Element mit dem Symbol Ge und der Ordnungszahl 32

Germanium (von lateinisch GermaniaDeutschland‘, nach dem Land, in dem es zuerst gefunden wurde[13]) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ge und der Ordnungszahl 32. Im Periodensystem steht es in der 4. Periode und in der 4. Hauptgruppe (14. IUPAC-Gruppe, p-Block und Kohlenstoffgruppe). Es wurde erstmals 1886 im Mineral Argyrodit nachgewiesen.[14]

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Germanium, Ge, 32
Elementkategorie Halbmetalle
Gruppe, Periode, Block 14, 4, p
Aussehen gräulich weiß
CAS-Nummer

7440-56-4

EG-Nummer 231-164-3
ECHA-InfoCard 100.028.331
Massenanteil an der Erdhülle 5,6 ppm[1]
Atomar [2]
Atommasse 72,630(8)[3] u
Atomradius (berechnet) 125 (125) pm
Kovalenter Radius 122 pm
Van-der-Waals-Radius 211[4] pm
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d10 4s2 4p2
1. Ionisierungsenergie 7.899435(12) eV[5]762.18 kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie 15.934610(25) eV[5]1537.46 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie 34.0576(12) eV[5]3286.1 kJ/mol[6]
4. Ionisierungsenergie 45.7155(12) eV[5]4410.9 kJ/mol[6]
5. Ionisierungsenergie 90.500(19) eV[5]8732 kJ/mol[6]
Physikalisch [2]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur Diamantstruktur
Dichte 5,323 g/cm3 (20 °C)[7]
Mohshärte 6,0
Magnetismus diamagnetisch (Χm = −7,1 · 10−5)[8]
Schmelzpunkt 1211,4 K (938,3 °C)
Siedepunkt 3106 K[9] (2830 °C)
Molares Volumen 13,63 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungswärme 330 kJ/mol[9]
Schmelzwärme 31,8 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 5400 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 308,3[1] J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit 5,0 eV[10]
Elektrische Leitfähigkeit (Eigenleitung) 2 A·V−1·m−1 bei 300 K
Wärmeleitfähigkeit 60 W·m−1·K−1
Chemisch [2]
Oxidationszustände −4, 2, 4
Normalpotential 0,247 V (Ge2+ + 2 e → Ge)
Elektronegativität 2,01 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
68Ge {syn.} 270,8 d ε 0,106 68Ga
69Ge {syn.} 39,05 h ε 2,227 69Ga
70Ge 20,5 % Stabil
71Ge {syn.} 11,43 d ε 0,229 71Ga
72Ge 27,4 % Stabil
73Ge 7,8 % Stabil
74Ge 36,5 % Stabil
75Ge {syn.} 82,78 min β 1,177 75As
76Ge 7,44 % (1.84+0.14-0.10) · 1021 a[11] ββ 76Se
77Ge {syn.} 11,30 h β 2,702 77As
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [12]

Pulver

02 – Leicht-/Hochentzündlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228
P: 210 [12]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

GeschichteBearbeiten

 
Clemens Winkler, erster Hersteller reinen Germaniums
 
Von Clemens Winkler hergestellte Präparate des Elements Germanium.
Oben: Die zur Weltausstellung 1904 in St. Louis gezeigten Präparate
Unten: Germaniumsulfid vom 6. Februar 1886

Als 1871 Dmitri Mendelejew das Periodensystem entwarf, stieß er auf eine Lücke unterhalb des Siliciums und postulierte ein bis dahin unbekanntes Element, das er als Eka-Silicium bezeichnete. Mendelejew machte Vorhersagen über die Eigenschaften des Eka-Siliciums und dessen Verbindungen, die von der Wissenschaft jedoch abgelehnt wurden.

1885 fand Clemens Winkler (1838–1904), ein Chemiker an der Bergakademie Freiberg, als er mit dem neu entdeckten Mineral Argyrodit arbeitete, dass dessen quantitative Analyse stets einen Fehlbetrag von rund sieben Prozent lieferte. So oft die Analyse wiederholt wurde, blieb der Fehlbetrag etwa konstant und Winkler vermutete schließlich, dass das Mineral ein bis dahin unbekanntes Element enthielt. Nach vier Monaten Arbeit gelang ihm schließlich am 6. Februar 1886 die Isolierung eines weißen Sulfid-Niederschlages, der sich im Wasserstoffstrom zu einem metallischen Pulver reduzieren ließ. In Anlehnung an den zuvor entdeckten Planeten Neptun wollte Winkler das neue Element zunächst Neptunium nennen. Da dieser Name jedoch bereits für ein anderes vermutetes Element verwendet worden war, nannte er es nach dem Entdeckungsort Germanium.[13][15][16] Winkler vermutete zunächst, dass es sich beim Germanium um das von Mendelejew postulierte Eka-Stibium[17] handelte, während Mendelejew es zunächst eher als Eka-Cadmium[17] und nicht als Eka-Silicium einstufen wollte. Nachdem weitere Eigenschaften ermittelt worden waren, bestätigte sich, dass es sich wohl um das vorhergesagte Element Eka-Silicium handelte.[18] Mendelejew hatte dessen Eigenschaften aus seinem Periodensystem abgeleitet, so dass dieser Fund zur Anerkennung des Periodensystems beitrug:[13]

Eigenschaft Eka-Silicium
(vorhergesagt)
Germanium
(bestimmt)
Atomgewicht 72 72,32
Spezifisches Gewicht 5,5 5,47
Atomvolumen 13 13,22
Wertigkeit IV IV
Spezifische Wärme 0,073 0,076
Spezifisches Gewicht des Dioxids 4,7 4,703
Molekularvolumen des Dioxids 22 22,16
Siedepunkt des Tetrachlorids unter 100 °C 86 °C
Spezifisches Gewicht des Tetrachlorids 1,9 1,87
Molekularvolumen des Tetrachlorids 113 113,35

Die Herkunft und Etymologie des Namens Germanium könnte auch aus einem semantischen Missverständnis in Zusammenhang mit seinem Vorgängerelement Gallium herrühren, denn für die Namensgebung von Gallium gibt es zwei Theorien. Nach der Ersten benannte der französische Chemiker Paul Émile Lecoq de Boisbaudran das Element nach Gallien, der lateinischen Bezeichnung seines Heimatlandes Frankreich.[16] Die Zweite gibt das ebenfalls lateinische Wort gallus (Hahn) als Quelle des Namens an, das im Französischen le coq („der Hahn“) heißt. Paul Émile Lecoq de Boisbaudran hätte das neue Element demnach nach seinem eigenen Namen benannt. Winkler nahm an, dass das vorherige Element Gallium nach der Staatsangehörigkeit des französischen Entdeckers benannt wurde. So nannte er das neue chemische Element „Germanium“ zu Ehren seines Landes (lateinisch Germania für Deutschland).

VorkommenBearbeiten

 
Renierit

Germanium ist weit verbreitet, kommt aber nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Der Clarke-Wert, also der Durchschnittsgehalt in der Erdkruste beträgt etwa 1,5 g/t. In der Natur kommt es meist in Form von Sulfiden bzw. Thiogermanaten vor und wird oft als Begleiter in Kupfer- und Zinkerzen gefunden, unter anderem im Mansfelder Kupferschiefer.[19] Die wichtigsten Minerale sind Argyrodit (Ag8GeS6),[19] Canfieldit, Germanit (Cu6FeGe2S8)[19] und Renierit.

Germanium (organisch und anorganisch) kommt in Zink-Erzen, Kohle, Germanit und anderen Mineralien vor. Es wird hauptsächlich als Nebenprodukt in der Kohle-, Zink-, und Aluminiumindustrie gewonnen. Das Element ist weltweit zu finden, abgebaut wird es aber vor allem in China, Russland und in den USA. Germanium kommt auch in fast allen Lebensmitteln vor, aber meistens nur in Spuren. Pflanzen besitzen die Fähigkeit, Germanium aus dem Boden zu ziehen und in sich anzureichern, entsprechend enthalten natürlich auch tierische Lebensmittel Germanium, wenn die Tiere germaniumhaltige Pflanzen zu sich nehmen konnten.

Einige Pflanzen sind bekannt dafür, vergleichsweise hohe Mengen Germanium aufzunehmen. Diese Eigenschaft führt zu unterschiedlichen Thesen bezüglich der Physiologie von Pflanzen („pflanzlicher Abwehrstoff gegen Viren“), mit denen auch Anwendungen in der Homöopathie begründet werden. Zu diesen Pflanzen gehören z. B. Goji-Beeren, Ginseng, Shiitake-Pilze, Aloe Vera und Knoblauch. Gerade diese Pflanzen werden gern in der Naturheilkunde, u. a. in der chinesischen Medizin verwendet – möglicherweise auch wegen ihres Germaniumgehaltes. Daraufhin untersuchte Dr. Asai das Element genauer. Der Germaniumgehalt von Pflanzen schwankt natürlich, je nachdem wie viel Germanium im Boden enthalten ist. Daher lässt sich kein fixer Wert bestimmen:[20]

  • Ginseng aus Korea enthielt zum Beispiel 0,3 Mikrogramm pro Gramm
  • Knoblauch (Messort unbekannt) enthielt 2,8 Mikrogramm pro Gramm
  • Gerste aus Deutschland enthielt 0,22 Mikrogramm pro Gramm

Für Ginseng wurde aber auch schon ein Wert von 250 Mikrogramm pro Gramm gemessen, für Knoblauch 754 Mikrogramm pro Gramm. Man ist sich jedoch nicht sicher, ob diese hohen Werte auf falsche Messmethoden zurückzuführen sind.[20]

Das Bundesinstitut für Risikobewertung geht davon aus, dass der Mensch über die Nahrung täglich rund 1,5 mg Germanium aufnimmt.[21][22]

Gewinnung und HerstellungBearbeiten

Laut USGS lag die Jahresproduktion 2014 bei geschätzten 165 t, davon 120 t in China. Der Preis für 1 kg Germanium betrug 2014 ca. 1.900 USD.[23] Laut EU lag der Preis 2003 bei 300 USD je kg und stieg bis 2009 auf 1.000 USD.[24]

Zur Darstellung von Germanium sind insbesondere die Germaniumoxid (GeO2) enthaltenden Rauchgase der Zinkerzaufbereitung geeignet. Angereichert wird das Germanium aus dem Rauchgas durch das Lösen des Flugstaubs in Schwefelsäure. Nach Fällung des gelösten GeO2 und ZnO erfolgt die weitere Aufarbeitung durch Destillation der Metallchloride. Die Hydrolyse führt dann wieder zum Oxid, welches mit Wasserstoff zum Germanium reduziert wird. Die Darstellung von hochreinem Germanium kann z. B. durch das Zonenschmelzverfahren erfolgen.[19]

EigenschaftenBearbeiten

 
Elementares Germanium

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 wird es zu Germanium(IV)-oxid (GeO2) oxidiert. GeO2 ist dimorph und wird bei 1033 °C von der Rutil-Modifikation (CN = 6) in die β-Quarz-Struktur (CN = 4) überführt. In Pulverform kann es leicht entzündet werden und brennt nach Entfernen der Zündquelle weiter. In kompakter Form ist es nicht brennbar.

Germanium kann zwei- oder vierwertig sein. 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 zeigt als einer von wenigen Stoffen eine Dichteanomalie. Seine Dichte in festem Zustand ist niedriger als in flüssigem. Seine Bandlücke beträgt bei Zimmertemperatur ca. 0,67 eV.

Wafer aus Germanium sind erheblich zerbrechlicher als Wafer aus Silicium.

VerwendungBearbeiten

ElektronikBearbeiten

Als Halbleiter war Germanium in Einkristall-Form das führende Material in der Elektronik bis in die 1970er Jahre, vor allem zur Herstellung der ersten am Markt erhältlichen Dioden und Bipolartransistoren, bis es von Silicium in diesen Bereichen verdrängt wurde. Anwendungen finden sich heute in der Hochfrequenztechnik (z. B. als Siliciumgermanium-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 aufwachsen kann.

Gläser und FasernBearbeiten

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 unter anderem militärische und zivile Nachtsichtgeräte sowie Wärmebildkameras. Aufgrund seiner hohen Brechzahl von n=4.0 wird Germanium als Messkristall in der FTIR/ATR-Spektroskopie (ATR-Infrarotspektroskopie) eingesetzt.[25]

Weitere wesentliche Verwendungen liegen in der Herstellung von Lichtwellenleitern und Polyesterfasern: In modernen Glasfasern für die Telekommunikation wird mit Hilfe von Germaniumtetrachlorid bei der chemischen Gasphasenabscheidung eine Anreicherung von Germaniumdioxid im inneren Faserkern erzeugt. Dadurch entsteht im Vergleich zum Fasermantel ein höherer Brechungsindex im Kern, wodurch die Führung der Lichtwellen gewährleistet wird. In der Polyesterchemie kommt Germaniumdioxid als Katalysator bei der Herstellung von bestimmten Polyesterfasern und -granulaten zum Einsatz, speziell für recyclingfähige PET-Flaschen (PET = Polyethylenterephthalat).

Nuklearmedizin und KerntechnikBearbeiten

68Ge wird beim Gallium-68-Generator als Mutternuklid zur Herstellung von Gallium-68 verwendet. Ebenso findet 68Ge als Quelle zur Detektorkalibration bei der Positronen-Emissions-Tomographie Anwendung.[26]

Als hochreiner Einkristall wird Germanium als Strahlendetektor eingesetzt.

Germanium in NahrungsergänzungsmittelnBearbeiten

Germanium ist ein nicht essenzielles Spurenelement, das im Boden, im Gestein, in Gewässern und in einigen Pflanzen vorkommt. Es wirkt antioxidativ, antiviral, entzündungshemmend, entgiftend, belebend und soll bei einigen Krankheiten, wie zum Beispiel Arthritis und Arteriosklerose helfen. Ab den Siebzigerjahren war es ein beliebtes Nahrungsergänzungsmittel, vor allem in Japan und in Großbritannien. Aber auch in Deutschland gab es Germanium eine Zeit lang zu kaufen.[27] Die anorganische Substanz Bis(carboxyethyl)germaniumsesquioxid (Ge-132) ist als Nahrungsergänzungsmittel zur Anwendung bei einer Reihe von Erkrankungen einschließlich Krebs, chronischem Müdigkeitssyndrom, Immunschwäche,[28] AIDS, Bluthochdruck, Arthritis und Lebensmittelallergien angepriesen worden. Anorganisches Germanium ist jedoch für den Körper schädlich.

Als jedoch bei der langfristigen Einnahme von anorganischem Germanium starke Nebenwirkungen wie Nierenversagen auftraten, machte sich Verunsicherung breit. Studien zeigten sogar, dass Germanium in hohen Dosen giftig sein kann. Diese Nebenwirkungen traten nach der Einnahme von anorganischem Germanium auf. Damals war man sich der Gefahr von anorganischen Mineralien noch nicht bewusst, weshalb anorganisches Germanium überhaupt erst seinen Weg zum Nahrungsergänzungsmittel fand. Die Einnahme von organischem Germanium gilt hingegen als weitgehend sicher.[29][30] Gemäß der europäischen Richtlinie 2002/46/EG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über Nahrungsergänzungsmittel darf jedoch Germanium generell nicht in Nahrungsergänzungsmitteln verwendet werden.[31] In vielen Ländern der EU, die ihre nationalen Rechtsvorschriften bereits angeglichen haben, so auch Deutschland und Österreich, ist daher der Zusatz von Germanium als Mineralstoffquelle in Nahrungsergänzungsmitteln nicht erlaubt. Die zuständigen Behörden warnen ausdrücklich vor dem Verzehr von anorganischem Ge-132, da schwere Gesundheitsschäden und Todesfälle nicht auszuschließen sind.[32][33] Dies führte dazu, dass Germanium generell als Inhaltsstoff von Nahrungsergänzungen in vielen europäischen Ländern – inklusive Deutschland, Österreich und der Schweiz – verboten wurde. Im Internet findet man bis heute nur die immergleichen Wiederholungen der Sicherheitsbedenken von damals, die sich aber auf anorganisches Germanium beziehen.

Organische und anorganische Germaniumverbindungen kommen beide in der Natur vor. In seiner organischen Form ist Germanium für den Körper besser verwertbar als in seiner anorganischen. Der Unterschied besteht darin, dass organisches Germanium in Verbindung mit Kohlenstoff vorliegt und anorganisches nicht. (Anorganische Germaniumverbindungen sind z. B. Germaniumdioxid, Germaniumtetrachlorid, Germaniumiodid oder Germaniumhydrid.) Während sich anorganisches Germanium im Körper anreichert, ist organisches Germanium wasserlöslich und wird über den Urin wieder ausgeschieden. Es gibt tausende organische Germaniumverbindungen. Zu behaupten, dass die Einnahme all dieser Verbindungen sicher ist, wäre aber nicht richtig. Denn nicht alle davon wurden bisher erforscht. Die wohl bekannteste und am besten erforschte organische Germaniumverbindung ist Carboxyethylgermanium-Sesquioxyd (abgekürzt: Germanium-Sesquioxid). Um diese Unterschiede besser zu verstehen, lohnt es sich, einen Blick in die Geschichte von Germanium zu werfen:

  • 1945: Dr. Kazuhiko Asai gründet eine Stiftung für Kohleforschung in Japan.
  • 1952: Dr. Asai entdeckt Germanium in Kohle und in einigen Heilpflanzen, weshalb er eine gesundheitliche Wirkung vermutet.
  • 1966: Der russische Chemiker Dr. V. F. Mironov entdeckt erstmals organisches Germanium.
  • 1967: Dr. Asai und seinen Mitarbeitern gelingt die Synthese der organischen Germaniumverbindung Carboxyethylgermanium-Sesquioxid aus anorganischem Germanium.
  • 1968: Dr. Asai gründet das Asai Germanium Research Institute und eine Germanium-Klinik im japanischen Kawasaki.

Dr. Asai schaffte es als einer der Ersten, organisches Germanium aus anorganischem Germanium zu gewinnen. Damit legte er den Grundstein für seine Germanium-Klinik in Japan und das angeschlossene Forschungsinstitut, wo bis heute an organischem Germanium geforscht wird.

Die Sicherheit dieser zungenbrecherischen Verbindung wurde unzählige Male bestätigt. Dies ist auch die Verbindung, die Dr. Asai damals synthetisierte. Deshalb wird sie in Japan auch Asaigermanium genannt. Weiter ist sie unter folgenden Namen bekannt:

  • β -Bis-Carboxyethylgermanium sesquioxide (chemische Bezeichnung)
  • 2-carboxyethylgermanium sesquioxide (chemische Bezeichnung)
  • poly- trans -[(2-carboxyethyl) germasesquioxane] (chemische Bezeichnung)
  • Ge-132 (Entwicklungsnummer im Forschungsinstitut von Dr. Asai)
  • Repagermanium (international verwendeter Name)

Wirkung und arzneiliche Verwendung von GermaniumBearbeiten

Organisches Germanium werden unterschiedliche medizinische Eigenschaften zu gewissen. Jedoch fehlen vor allem im europäischen Raum ausreichende Studien über die Wirkung von anorganischem Germanium. Vor allem in Japan gibt es in den letzten Jahren immer mehr Studien zu den Wirkungen von Germanium zu finden. Aus unterschiedlichen Studien lassen sich folgende medizinische Wirkungen ableiten bspw. antioxidativ, entgiftend, antiviral, schmerzlindernd und entzündungshemmend. Besonders bedeutend ist, dass organisches Germanium das Immunsystem anregt. Aus diesem Grund soll das Spurenelement angeblich gegen vielerlei Krankheiten helfen[34]. Neben der Sauerstoffanreicherung und der Entgiftung von Schwermetallen regt organisches Germanium das Immunsystem an: In klinischen Studien wurde festgestellt, dass es die T-Zellen, Makrophagen, Neutrophile, Lymphokine und Interferone aktiviert. Bei den genannten Zellarten handelt es sich allesamt um Zellen des Immunsystems, die u. a. dafür zuständig sind, abnormale Zellen, wie Tumorzellen oder mit Viren infizierte Zellen unschädlich zu machen[35]. Organischem Germanium werden noch viele weitere Wirkungen zugesprochen. Diese Wirkungen sind jedoch nicht oder nur ungenügend erforscht, weshalb an dieser Stelle, lediglich einige zur Übersicht herausgegriffen werden. So soll organisches Germanium bei den folgenden Beschwerden und Erkrankungen hilfreich sein können:[36]

  • Osteoporose
  • Rheumatoide Arthritis
  • Arteriosklerose und damit verbundene Herz-Kreislauf-Erkrankungen
  • Schlaganfall
  • Augenkrankheiten (Glaukom, grauer Star, Netzhautablösung etc.)
  • Asthma
  • Depression
  • usw.

Eine therapeutische Wirksamkeit der antineoplastischen Substanz Spirogermanium bei Krebserkrankungen wurde nicht nachgewiesen. Aber auch Carboxyethylgermanium-Sesquioxyd versprach positive Effekte, z. B. bei Lungenkrebs: Mäuse bekamen 16 Tage lang sieben Mal täglich 100 mg pro kg Körpergewicht injiziert. Dies hemmte die Metastasenbildung um 63 Prozent. Nach Absetzen des Germaniums schritt die Metastasenbildung wieder ungehindert voran. Solche Forschungsergebnisse sind zuhauf zu finden. Aber eben leider keine groß angelegten Studien am Menschen.[37] Zugelassene Fertigarzneimittel mit dem Wirkstoff Spirogermanium gibt es nicht. In Deutschland gelten germaniumhaltige Arzneimittelanfertigungen (Rezepturen), abgesehen von homöopathischen Verdünnungen ab D4, als bedenklich. Ihre Herstellung und ihre Abgabe sind daher verboten.[38] Germanium metallicum gibt es in Form homöopathischer Arzneimittel. Als Bestandteil homöopathischer Zubereitungen wird di-Kalium-Germanium-citrat-lactat beschrieben.[39]

PhysiologieBearbeiten

Germanium und seine Verbindungen weisen eine relative geringe akute Toxizität auf. Spuren von Germanium sind in den folgenden Nahrungsmitteln enthalten: Bohnen, Tomatensaft, Austern, Thunfisch und Knoblauch. Es ist nach dem Stand der Wissenschaft kein essentielles Spurenelement. Es ist keine biologische Funktion für Germanium bekannt.[40] Es sind keine Germanium-Mangelerkrankungen bekannt.[40]

ToxizitätBearbeiten

Gesundheitsschäden durch Germanium traten bei Menschen mehrfach[41][42][40] nach längerer Einnahme von Germaniumverbindungen als Nahrungsergänzungsmittel auf. Dabei kommt es zu Funktionsstörungen der Niere bis hin zum (irreversiblen[41]) Nierenversagen,[42] das für den Patienten letal sein kann.[43] Periphere Neuropathie und andere neurologische Schäden als Folgeerkrankung sind ebenfalls berichtet.[44][40]

Aus Tierversuchen ist bekannt, dass Germanium eine geringe akute orale Toxizität hat. Bei Ratten liegt der LD50-Wert (die Dosis, bei der die Hälfte der Versuchstiere sterben) bei 3700 mg pro Kilogramm Körpergewicht.[45]

Nach derzeit vorliegenden Daten aus Tierversuchen ist Germanium nicht fruchtschädigend oder kanzerogen.[46]

Der Mechanismus der Toxizität von Germanium ist noch nicht vollständig geklärt. Spezifische pathologische Effekte an den Mitochondrien von verschiedenen Zellen wurden jedoch beobachtet.[47][48]

WechselwirkungenBearbeiten

Es wird ebenfalls diskutiert, ob Germanium evtl. Wechselwirkungen mit Silicium 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 Glutathion-S-Transferase blockieren.[49]

Bioverfügbarkeit und MetabolismusBearbeiten

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.[50][51] Organogermane akkumulieren dabei im Gegensatz zu anorganischen Germaniumverbindungen nicht im menschlichen Körper. Allerdings gibt es nur wenige Studien über den Germanium-Metabolismus. Organisches Germanium wird vom Dünndarm ins Blut aufgenommen. Bereits nach einer halben Stunde ist es zur Hälfte im Blut und nur noch zur Hälfte im Verdauungstrakt zu finden. Nach 12 Stunden finden sich schließlich nur noch etwa fünf Prozent Germanium im Verdauungstrakt. Vom Blut aus wird es in alle Organe verteilt, lagert sich aber nirgends ab. Nach ungefähr 24 Stunden haben die Nieren das organische Germanium soweit verarbeitet, dass es über den Urin wieder ausgeschieden wird. Und nach etwa drei Tagen ist auch der letzte Rest des organischen Germaniums komplett aus dem Körper ausgeschieden. Es wird im Wesentlichen über den Urin ausgeschieden.[50] Ausscheidung über Galle und Fäzes findet ebenso statt.

VerbindungenBearbeiten

Germanium bildet Ge(II)- u. beständigere Ge(IV)-Verbindungen, nur wenige besitzen technische Bedeutung.

Von den Germaniumhalogeniden sind ebenfalls Ge(II)- u. Ge(IV)-Vertreter bekannt. Germaniumtetrachlorid, (GeCl4), eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 83 °C, bildet sich bei Einwirkung von Chlorwasserstoff auf Germaniumoxide und ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Germanium-Gewinnung. Hochreines GeCl4 wird bei der Herstellung von Lichtwellenleitern aus Quarzglas eingesetzt, um auf der Innenseite der Quarzfasern eine hochreine Germanium(IV)-oxid Schicht zu erzeugen. Zur Erzeugung von hochreinen Germaniumschichten kann auch die Disproportionierung von Germanium(II)-iodid unter Bildung von Germanium und Germanium(IV)-iodid eingesetzt werden:

 

Germanate sind Verbindungen des Germaniums, die sich von dessen Oxid ableiten. In fast allen Germanium-haltigen Mineralien liegt das Germanium als Germanat vor.

Germane werden die Wasserstoffverbindungen des Germaniums genannt, die eine homologe Reihe verschieden langer Kettenmoleküle bilden. Monogerman oder Germaniumhydrid (GeH4) ist ein Gas und wird in der Halbleiterindustrie zur Epitaxie und zum Dotieren verwendet.

LiteraturBearbeiten

  • Mike Haustein: Die Lücke im Periodensystem: Germanium. In: Chemie in unserer Zeit. Band 45, Heft 6 (2011), S. 398–405 (doi:10.1002/ciuz.201100549).

WeblinksBearbeiten

Wiktionary: Germanium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Germanium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Germanium) entnommen.
  3. IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  4. Manjeera Mantina, Adam C. Chamberlin, Rosendo Valero, Christopher J. Cramer, Donald G. Truhlar: Consistent van der Waals Radii for the Whole Main Group. In: J. Phys. Chem. A. 113, 2009, S. 5806–5812, doi:10.1021/jp8111556.
  5. a b c d e Eintrag zu germanium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (https://physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. a b c d e Eintrag zu germanium bei WebElements, https://www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
  7. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 482.
  8. David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, S. 4-142 – 4-147. Die Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  9. a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  10. Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 6: Festkörper. 2. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2005, ISBN 3-11-017485-5, S. 361.
  11. J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 40 (2013) 035110 doi:10.1088/0954-3899/40/3/035110
  12. a b Eintrag zu Germanium, Pulver in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017. (JavaScript erforderlich)
  13. a b c O. Brunck: Clemens Winkler. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 39, Nr. 4, November 1906, S. 4491–4548, doi:10.1002/cber.190603904164.
  14. Klaus Volke: Clemens Winkler– zum 100. Todestag. In: Chemie in unserer Zeit. Band 38, Nr. 5, Oktober 2004, S. 360, doi:10.1002/ciuz.200490078.
  15. Clemens Winkler: Germanium, Ge, ein neues, nichtmetallisches Element. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. Band 19, Nr. 1, Januar 1886, S. 210, doi:10.1002/cber.18860190156.
  16. a b Clemens Winkler: Mittheilungen über das Germanium. In: Journal für Praktische Chemie. Band 34, Nr. 1, 14. August 1886, S. 177, doi:10.1002/prac.18860340122.
  17. a b Bei Eka-Cadmium und Eka-Stibium handelt es sich um zwei von Mendelejew postulierte Elemente zwischen Cadmium und Quecksilber und zwischen Antimon und Bismut, die man heutzutage als not-so-famous blanks meistens unter den Tisch fallen lässt.
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