Germanium wurde 1886 von deutschen Chemiker Clemens Winkler entdeckt. Knapp zehn Jahre zuvor sagte der russische Chemiker Dmitri Iwanowitsch Mendelejeff die Existenz von Germanium voraus, das homolog zu Silizium sein würde. Das damals noch unentdeckte Element nannte Mendelejeff Eka-Silizium. Winkler gab dem Element den Namen Germanium.

Die schlechte Verfügbarkeit des Elements erschwerte weitere Untersuchungen. Zudem erschlossen sich für das seltene nichtmetallische Element zunächst keine technischen Anwendungen.

Germanium erlangte erst nach 1945 wirtschaftliche Bedeutung, als man seine Eigenschaften als Halbleiter für die Elektronik erkannte.

Viele andere Stoffe werden heute ebenfalls als Halbleiter verwendet, doch Germanium bleibt von größter Bedeutung für die Herstellung von Transistoren und Bauteilen für Geräte wie Gleichrichter und Fotozellen.

Rund die Hälfte des Germaniums wird in der Glasfasern eingesetzt. Dabei wird Germaniumdioxid verwendet, um die Lichtübertragung zu verbessern. Für Hochgeschwindigkeitsinternet, Telekommunikation und Rechenzentren ist Germanium unverzichtbar.

Das zweitwichtigste Anwendungsgebiet mit einem Anteil von etwa 30 Prozent sind Infrarotoptik (IR) und Wärmebildgebung. Hierfür werden etwa Germaniumlinsen und -fenster in militärischen Nachtsichtgeräten und Wärmebildkameras verbaut. In der Automobilindustrie kommt Germanium in Fahrerassistenzsysteme zur Anwendung sowie auch in der Satellitenbildgebung.

Die Verwendung von Germanium in Halbleitern und Elektronik ist weiter relevant, aber rückläufig. Sie werden etwa in Hochgeschwindigkeitstransistoren, Dioden und Solarzellen verwendet. Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe) verbessern die Leistung von 5G- und Mobilfunkchips.

Germanium fällt als Nebenprodukt bei der Verarbeitung von Zink und Kohle an. 80 Prozent des weltweiten gewonnenen Germaniums stammen aus der Zinkerzverarbeitung. Das wichtigste Mineral für die Germaniumgewinnung aus Zink ist Sphalerit, das bedeutendste Zinkerz.

China ist ein bedeutender Produzent von Germanium aus Kohlequellen. Bei der Verbrennung von Kohle reichert sich Germanium in Flugasche an, aus der es dann gewonnen wird.

Nach China, das die globale Germaniumproduktion mit 60 bis 70 Prozent dominiert, sind Russland und Kanada weitere Produktionsländer.

Der größte Germaniumproduzent der Welt ist das chinesische Unternehmen Yunnan Germanium Industry mit Hauptsitz in Kunming in der Provinz Yunnan.

Silizium- oder Galliumarsenid ersetzen Germanium in bestimmten elektronischen Anwendungen.

Einige Metallverbindungen können in Hochfrequenzelektronikanwendungen und in einigen Leuchtdiodenanwendungen ersetzt werden.

Chalkogenidglas wurde als Ersatz für Germaniummetall in Infrarotanwendungen verwendet.

Antimon und Titan werden als Polymerisationskatalysatoren eingesetzt.

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 ß-Quarz-Struktur (CN=4) überführt. In Pulverform ist es ein entzündbarer Feststoff und kann durch kurzzeitige Einwirkung einer Zündquelle leicht entzündet werden und brennt nach deren Entfernung weiter. Die Entzündungsgefahr ist umso größer, je feiner der Stoff verteilt ist. In kompakter Form ist es nicht brennbar. Germanium ist zwei- und vierwertig. 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 weist als einer von wenigen Stoffen die Eigenschaft der Dichteanomalie auf. Seine Dichte ist in festem Zustand niedriger als in flüssigem. Seine Bandlücke beträgt bei Zimmertemperatur ca. 0,67 eV.

Gallium wurde 1875 vom französischen Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran entdeckt. Zuvor sagte der russische Chemiker Dmitri Iwanowitsch Mendelejeff die Existenz eines Elements voraus, das im Periodensystem zwischen Aluminium und Indium liegen würde. Das damals noch unentdeckte Element, wurde als Eka-Aluminium bezeichnet. Zu Ehren seines Vaterlandes gab Lecoq de Boisbaudran seiner Entdeckung den Namen Gallium.

Gallium blieb lange unbeachtet, da es nicht wirtschaftlich aus Erzen gewonnen werden konnte. Aufgrund der schlechten Verfügbarkeit und des dadurch resultierenden hohen Preises war das Interesse an dem Element Gallium und seiner Chemie gering.

Mit der Entdeckung der Halbleitereigenschaften von Galliumverbindungen nahm das Interesse an an dem Element zu.

Im Jahr 2024 lag der weltweite Galliumverbrauch schätzungsweise bei 600 Tonnen im Jahr. Der wichtigste Verbraucher ist die Elektronik- und Halbleiterindustrie.
Rund drei Viertel des Galliums wird für die Herstellung Gallium-Nitrid- (GaN) und Gallium-Arsenid-(GaAs)-Wafern verwendet. GaAs und GaN übertreffen Silizium als Halbleitermaterial hinsichtlich Geschwindigkeit, Hitzebeständigkeit und Energieeffizienz.

GaAs-Wafer werden in 5G- und 6G-Mobilfunkchips, Satelliten- und Radarsysteme und in der Optoelektronik (LEDs, Laserdioden, Solarzellen) verwendet.

Schnellladegeräte, Wechselrichter für Elektrofahrzeuge, Rechenzentren, Glasfaser und
Verteidigungssysteme wie Radare nutzen GaN-Halbleiter.

Kleinere Galliummengen werden auch in der Medizin und der Forschung verwendet.

Gallium fällt als Nebenprodukt der Aluminium- und Zinkherstellung an. Bauxit und Sphalerit sind daher die bedeutendsten Minerale. Bei Gallium ist Chinas Monopol besonders spürbar. Das Land kontrolliert zwischen 80 und 95 Prozent der Produktion. Führender Galliumhersteller ist China Germanium, ein Tochterunternehmen von Yunnan Chihong Zinc & Germanium, sowie der staatliche Aluminiumkonzern Chinalco.

Bis 2015 zählte die in Deutschland ansässige Firma Ingal Stade zum größten Galliumproduzenten außerhalb Chinas. Doch 2016 wurde der Betrieb eingestellt.

Flüssigkristalle aus organischen Verbindungen werden in optischen Anzeigen als Galliumersatz in LEDs eingesetzt.

Komplementäre Metalloxid-Halbleiter-Leistungsverstärker auf Siliziumbasis konkurrieren mit GaAs-Leistungsverstärkern in Mobiltelefonen der mittleren Preisklasse der dritten Generation (3G).

Indiumphosphid-Komponenten können GaAs-basierte Infrarot-Laserdioden in einigen Anwendungen mit spezifischen Wellenlängen ersetzen, und Helium-Neon-Laser konkurrieren mit GaAs in Anwendungen mit sichtbaren Laserdioden.

Silizium ist der Hauptkonkurrent von GaAs in Solarzellenanwendungen.

In vielen verteidigungsbezogenen Anwendungen werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften GaAs- und GaN-basierte Schaltkreise eingesetzt, für die es keine wirksamen Ersatzstoffe gibt.

Kobaltverbindungen werden bereits seit Jahrtausenden verwendet, um Glasuren und Keramiken eine blaue Farbe zu verleihen. Es wurde in ägyptischen Statuetten und persischen Halskettenperlen aus dem 3. Jahrtausend v. Chr., in Glasfunden in den Ruinen von Pompeji und in China bereits während der Tang-Dynastie (618–907 n. Chr.) sowie später im blauen Porzellan der Ming-Dynastie (1368–1644) nachgewiesen.

Im Mittelalter wurden sie von Bergleuten für wertvolle, aber verhexte Silbereze gehalten, weil sie beim Verhütten wegen dem enthaltenen Arsen knoblauchartig rochen und sich überdies nicht reduzieren ließen. Diese Erze wurden daher als Kobolde, Nickel oder Wolfsspucke genannt. 1735 gelang es, dem schwedischen Chemiker Georg Brandt das Metall darzustellen. Er erkannte es als neues Element und benannte es Kobalt.

Kobalt wird heute vor allem in Lithium-Ionen-Batterien verwendet, insbesondere in Elektrofahrzeugen, aber auch Smartphones, Laptops und anderen elektronischen Geräten. 60 Prozent der Nachfrage nach Kobalt kommt aus dem Batteriesektor. Elektroautos sind der wichtigste Treiber für den steigenden Kobaltabbau.

Kobalt ist ein wichtiger Bestandteil der Kathode von Li-Ionen-Akkus. Das Metall sorgt in den Batterien für Stabilität und eine hohe Energiedichte, die in Elektroautos für deren Reichweite relevant ist.

Weitere Anwendungen für Kobalt sind Superlegierungen für Triebwerke, Gasturbinen und Industriemaschinen.

In Kombination mit Wolfram und Kohlenstoff bildet Kobalt ein Hartmetall (z. B. Wolframkarbid-Kobalt), die in Schneidwerkzeugen, Bohrern und Bergbaumaschinen zum Einsatz kommen.

Kobalt wird auch in Permanentmagneten (z. B. Alu-Nickel-Kobalt- und Samarium-Kobalt-Magneten) verwendet, die in Motoren, Sensoren und Windkraftanlagen eine wichtige Rolle spielen.

Darüberhinaus wird Kobalt in Katalysatoren, Pigmenten für die Herstellung von Farben, Keramik und Glas sowie in sehr geringen Mengen in Medizinprodukten wie Gelenkprothesen und Dentallegierungen verwendet.

Kobalterz fällt meist als Nebenprodukt beim Abbau von Eisen-, Nickel-, Kupfer-, Silber-, Mangan-, Zink- und Arsenerzen an. Zu den wichtigsten kobalthaltigen Mineralen zählen Kobaltit, Heterogenite, Spherocobaltite, Erythrit, Carrollite und Skutterudit. Diese sind aber eher selten.
Die größten Kobaltmengen stammen gegenwärtig aus dem zentralafrikanischen „Copper Belt“.

Etwa drei Viertel des Kobalts stammen aus der Demokratischen Republik Kongo (DRC). Hier befinden sich mit Tenke Fungurume und Kamoto auch die größten Kobaltminen der Welt. Der größte Produzent von raffiniertem Kobalt ist China, das enorme Mengen an Kobalterzen aus der DRC importiert.

Weitere wichtige Quellen sind Sulfidlagerstätten in Russland, Kanada und Australien. An Bedeutung haben in jüngster Zeit Lateriterze in tropischen Gebieten wie Indonesien, Philippinen und Neu-Kaledonien gewonnen.

Indonesien entwickelt sich zu einem weiteren wichtigen Abbauland für Kobalt.

Zu den größten Unternehmen gehören die chinesische CMOC Group (China Molybdenum), Betreiber der Tenke-Fungurume-Mine. An zweiter Stelle folgt der Schweizer Konzern Glencore, dem die Minen Kamoto und Mutanda in DRC gehören.

Etwa zehn Prozent des Kobaltbedarfs wird durch Recycling abgedeckt.

Je nach Anwendung führt der Ersatz von Kobalt zu Leistungseinbußen oder höheren Kosten. In Lithium-Ionen-Batterien, dem weltweit führenden Verwendungszweck von Kobalt, wird der Kobaltgehalt reduziert. In China haben kobaltfreie Lithium-Eisenphosphat-Akkus einen bedeutenden Marktanteil.

Mögliche Ersatzstoffe in anderen Anwendungen sind Barium- oder Strontiumferrite, Neodym-Eisen-Bor-Legierungen oder Nickel-Eisen-Legierungen in Magneten. Cer, Eisen, Blei, Mangan oder Vanadium dienen als Kobaltersastz in Farben.

Eisen, Eisen-Kobalt-Nickel, Nickel, Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe (Cermets) oder Keramik finden Anwendung in Schneid- und verschleißfesten Werkstoffen.

Nickelbasislegierungen oder Keramik ersetzen Kobalt in Düsentriebwerken. In Erdölkatalysatoren kann Nickel Kobalt substitutieren und in Prothesen sind Titanbasislegierungen eine Alternative.