Germanium: Het element

Germanium is een tot de koolstof groep behorende harde glanzende grijswit broze metalloide, met een kristallijne structuur die qua chemische en fysische eigenschappen bij benadering overeen komt met silicium. Evenals silicium komt het niet voor in zuivere vorm maar gebonden aan andere elementen, meestal aan zuurstof. De aanwezigheid in de aardkorst is laag (circa 1,5 ppm). Germanium is ontdekt door Clemens Winkler in het mineraal argyrodiet in 1886. Mendelejev voorspelde voor Winkler's ontdekking het bestaan en de eigenschappen van germanium aan de hand van zijn periodieksysteem.

Plaats van germanium in het periodiek systeem

Chemische eigenschappen van germanium

Omdat germanium in de koolstofgroep zit is er een aantal organo-germanium verbindingen die analoog zijn aan siliciumverbindingen. De verbinding GeH4 (germaan) is analoog aan methaan CH4, oxide GeO2 is analoog aan SiO2 en germanaten is analoog aan silicaten.

Fysische eigenschappen van germanium

Toepassingen

Germanium wordt toegepast in de halfgeleider industrie. Wanneer het wordt vermengd met kleine hoeveelheden arseen, gallium, indium, antimoon of fosfor, kan germanium worden gebruikt voor transistoren in elektrische apparatuur. Voordat zuivere siliciumkristallen gemaakt werden in de jaren 70 was germanium de halfgeleider. Omdat silicium goedkoper is heeft het germanium deels verdrongen. Germanium wordt toegepast in metaallegeringen, in nachtzicht camera's, in glasvezeloptiek en in de katalyse van polymerisatiereacties. Het oxide heeft een hoge brekingsindex en daarom gebruikt in groothoeklenzen en objectie flenzen in microscopen.

Het element is transparant voor een groot deel van het infrarode deel van het elektromagnetisch spectrum en gebruikt in infrarood techniek, bv. als venster in de spectroscopie. Germanium dient als legeringselementen in metaalsoorten en gebruikt in fluorescerende lampen. Zowel germanium als germanium oxide (GeO) zijn doorzichtig voor infrarood straling en worden daarom gebruikt in infrarood instrumenten en infrarood detectoren.
Sommige germanium verbindingen zijn effectieve biocides en heden vinden studies plaats voor gebruik in chemotherapie.

Voorkomen van Germanium

Germanium komt voor in de zeldzame mineralen argrenieriet, en germaniet. Het wordt hoofdzakelijk gewonnen als bijproduct bij de winning van zink. Germanium zit vaak in ertsen van andere metalen, zoals van zink. Germanium wordt vooral gewonnen als bijproduct van de zinkwinning. De wereldproductie bedraagt 80 ton per jaar.

Germanium kan geïsoleerd worden via de reactie van germaniumdioxide, GeO2 met koolstof of waterstof:
GeO2 + 2C → Ge + 2CO
GeO2 + 2H2 → Ge + 2H2O
Zuiver germanium kan gemaakt worden d.m.v. de reactie van germaniumchloride met waterstof.
GeCl4 + 2H2 → Ge + 4HCl

Meest stabiele isotopen

Van germanium bestaan vijf stabiele isotopen en een aantal radioactieve isotopen met halveringstijden van enkele dagen tot enkele minuten

Milieu en gezondheid

Enkele organische germaniumverbindingen hebben een gunstige invloed op de groei van het aantal rode en witte bloedcellen en kunnen op middellange termijn gebruikt worden om schade door chemotherapie te herstellen. De verbindingen remmen de werking van neurotransmitters af en kunnen daarom ingezet worden als pijnstiller.

Germanium-hydride en germanium-tetrahydride zijn licht ontvlambaar en vermengd met lucht explosief. Als zwaar metaal kunnen germaniumverbindingen effect uitoefenen op aquatische ecosystemen. Het gas van germaniumverbindingen is zwaarder dan lucht en ontsnapt niet in de lucht en kan zich langs de grond (op mens hoogte) via (deur)openingen in ruimten verspreiden.
De stoffen kunnen worden opgenomen in het lichaam door inademing en huidcontact en geven klachten zoals: ademhalingsproblemen, oogirritatie, brandend gevoel, maagkrampen, kuchen en een rode pijnlijke huid. Wanneer men niet voldoende maatregelen neemt kunnen de stoffen snel gevaarlijke concentraties bereiken.
Stoffen hebben invloed op het bloed, waardoor bloedproppen ontstaan. Sommige germaniumverbindingen zijn niet giftig voor mens en dier maar dodelijk voor bepaalde bacteriën.