Gallium ist ein weiches, silbriges Metall, das hauptsächlich in elektronischen Schaltungen, Halbleitern und Leuchtdioden (LEDs) verwendet wird. Es ist auch nützlich in Hochtemperaturthermometern, Barometern, Pharmazeutika und nuklearmedizinischen Tests. Das Element hat keinen bekannten biologischen Wert.

Natürliches Element

In der Natur wird Gallium nie als freies Element gefunden und kann in keiner wesentlichen Menge in Mineralien gefunden werden. Vielmehr existiert es in Spuren in verschiedenen Verbindungen, einschließlich Zinkerzen und Bauxit. Nach Gewicht, Gallium macht etwa aus 0.0019 Prozent der Erdkruste, nach PeriodicTable.com . Es wird jedoch leicht durch Schmelzen erhalten, und das meiste kommerzielle Gallium wird laut Chemicool als Nebenprodukt der Aluminium- und Zinkproduktion extrahiert. Die größten Produzenten von Gallium sind Australien, Russland, Frankreich und Deutschland.

Nur die Fakten

• Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern): 31
• Atomsymbol (im Periodensystem der Elemente): Ga
• Atomgewicht (durchschnittliche Masse des Atoms): 69,723
• Dichte: 5,91 Gramm pro Kubikzentimeter
• Phase bei Raumtemperatur: fest
• Schmelzpunkt: Grad 85,57 Grad Fahrenheit (29,76 Grad Celsius)
• Siedepunkt: 3.999 F (2.204 C)
• Anzahl der Isotope (Atome desselben Elements mit einer anderen Anzahl von Neutronen): 24, deren Halbwertszeiten bekannt sind
• Häufigste Isotope: Zwei stabile Ga-69 (natürliche Häufigkeit 60,1 Prozent) und Ga-71 (natürliche Häufigkeit 39,9 Prozent).

Ein einzigartiges Metall

Im Periodensystem der Elemente wird Gallium in die Borfamilie (Gruppe 13) eingeteilt, zu der das Halbmetall Bor (B) und die Metalle Aluminium (Al), Gallium, Indium (In) und Thallium (Tl) gehören Chemie LibreTexte. Alle fünf dieser Elemente haben drei Elektronen in ihrem äußeren Energieniveau.

Gallium ist ein Übergangsmetall. Dies sind metallische Elemente, die sich zwischen den Übergangsmetallen und den Metalloiden (Nichtmetallen) des Periodensystems befinden. Nachübergangsmetalle haben einige der Eigenschaften der Übergangsmetalle, neigen jedoch dazu, weicher zu sein und schlechter zu leiten. Zu den Nachübergangsmetallen gehören einige Elemente der Borfamilie — Aluminium, Indium und Thallium —, aber auch Zinn (Sn), Blei (Pb) und Wismut (Bi).

Gallium hat einige sehr einzigartige Eigenschaften. Zum Beispiel, obwohl es ein Feststoff bei Raumtemperatur (etwa 77 F / 22 C) ist, ist es immer noch so weich, dass man es mit einem Messer schneiden könnte. Darüber hinaus hat es einen niedrigen Schmelzpunkt von 85,57 F (29.76 C) – weniger als 10 Grad über Raumtemperatur — wenn Sie also einen Klumpen Gallium aufheben würden, würde er buchstäblich aus der Wärme Ihrer Hand schmelzen. Wenn Sie es dann wieder ablegen, würde es sich wieder verfestigen.Selbst bei einem so niedrigen Schmelzpunkt ist der Siedepunkt von Gallium bei 3.999 F (2.204 C) ziemlich hoch, was ihm eines der größten Verhältnisse zwischen Schmelzpunkt und Siedepunkt eines Elements verleiht. Bei niedrigen Temperaturen ist Gallium ein spröder Feststoff, der ziemlich leicht bricht und ähnlich wie Glas conchoidal zerbricht (folgt nicht den natürlichen Trennebenen).

Verwendungen

Gallium wird hauptsächlich in der Elektronik verwendet. Tatsächlich werden laut Chemistry Explained etwa 95 Prozent des gesamten produzierten Galliums zur Herstellung von Galliumarsenid (GaAs) verwendet, einer Verbindung, die in Mikrowellen- und Infrarotschaltungen, Halbleitern sowie blauen und violetten LEDs verwendet wird. Galliumarsenid kann Laserlicht direkt aus Elektrizität erzeugen und wird in Sonnenkollektoren verwendet, einschließlich solcher auf dem Mars Exploration Rover. Die Verbindung Galliumnitrid (GaN) wird als Halbleiter in der Blu-ray-Technologie, Mobiltelefonen und Drucksensoren für Berührungsschalter verwendet.

Gallium verbindet sich leicht mit den meisten Metallen und wird häufig zur Herstellung niedrigschmelzender Legierungen verwendet. Es ist eines von vier Metallen (einschließlich Quecksilber, Rubidium und Cäsium), die bei oder nahe Raumtemperatur flüssig sind. Von diesen vier Metallen ist Gallium am wenigsten reaktiv und am wenigsten toxisch, was es zur sichersten und umweltfreundlichsten Wahl für Hochtemperaturthermometer, Barometer, Wärmeübertragungssysteme sowie Kühl- und Heizgeräte macht.Flüssiges Gallium kann jedoch ziemlich schwierig zu verarbeiten sein, da es an Glas, Haut und den meisten anderen Materialien (außer Graphit, Quarz und Teflon) haftet. Es dehnt sich auch aus, wenn es gefriert, so dass es nicht in Glasbehältern gelagert werden kann.

Gallium wird auch in einigen Pharmazeutika und Radiopharmazeutika verwendet. Zum Beispiel wird das radioaktive Isotop Ga-67 als nuklearmedizinischer Test verwendet, um nach Entzündungen, Infektionen oder Krebs im Körper zu suchen.

Galliumnitrat wird in vielen Arzneimitteln und zur Behandlung von Hyperkalzämie eingesetzt, einer Krankheit, die zum Wachstum von Knochentumoren führen kann. Gallium wurde auch zur Behandlung von Krebs, Infektionskrankheiten und entzündlichen Erkrankungen vorgeschlagen. Die Exposition gegenüber großen Mengen Gallium kann jedoch zu Hals- oder Brustreizungen führen, und die Dämpfe können laut Chemistry LibreTexts zu ernsthaften Erkrankungen führen.

Entdeckung

Bevor Gallium entdeckt wurde, wurde es vom russischen Chemiker und Erfinder Dimitri Mendelejew, dem Schöpfer des Periodensystems der Elemente, vorhergesagt. Er nannte das fehlende Element eka-Aluminium, weil er wusste, dass es im Periodensystem in Feld 31 unter Aluminium fallen würde, so Chemicool.Das Element wurde erstmals 1875 von dem französischen Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran entdeckt, der die Spektren der chemischen Elemente seit 15 Jahren untersucht hatte (Spektren sind die Linien, die entstehen, wenn chemische Elemente erhitzt werden) Chemie erklärt. Da jedes Element seinen eigenen charakteristischen Satz von Linien oder Spektren erzeugt, war diese Methode ein zuverlässiger Weg, um Elemente zu identifizieren.

Lecoq de Boisbaudran fragte sich, ob Element 31 in Zinkerzen gefunden werden könnte. Zink, das eine Ordnungszahl von 30 hat, sitzt neben Gallium im Periodensystem. Im August 1875 fand Lecoq de Boisbaudran mit einem Spektroskop zwar etwas Gallium, aber nur in sehr geringen Mengen. Er berichtete, dass das Spektrum des neuen Elements laut Chemistry Explained aus einem schmalen, gut sichtbaren violetten Strahl bestand.Später in diesem Jahr erhielt Lecoq de Boisbaudran reines Gallium durch die Elektrolyse von Galliumhydroxid in Kaliumhydroxid, so das Jefferson Lab. Lecoq de Boisbaudran wurde dann mehrere Tonnen Zinkerz von Bergleuten für seine Forschung gegeben. Aus diesem Erz konnte er laut Chemistry Explained einige Gramm fast reines Gallium herstellen. Lecoq de Boisbaudran schlug den Namen Gallium für das neue Element vor, das vom lateinischen Wort „Gallia“ stammt und Frankreich bedeutet.

Wer hätte das gedacht?

• Flüssiges Gallium kann nicht in einem Glas- oder Metallbehälter aufbewahrt werden, da es sich beim Gefrieren um 3,1 Prozent ausdehnt.
• Gallium hat den größten Flüssigkeitsbereich aller Metalle.
• Das Neutrino-Observatorium in Italien verwendet große Mengen Galliumtrichlorid, um solare Neutrinos zu untersuchen, die in der Sonne produziert werden. Neutrinos sind Teilchen, die in der ersten Sekunde des Universums — noch vor Atomen — entstehen und kontinuierlich durch Kernreaktionen der Sonne und anderer Sterne hergestellt werden, so die University of Wisconsin-Madison.
• In seiner reinsten extrahierten Form ist Gallium eine lebendige Silberfarbe. Als Feststoff ist es blaugrau.
• Ein weiteres ungewöhnliches Merkmal von Gallium ist, dass es leicht unterkühlt werden kann. Unterkühlung ist das Abkühlen einer Substanz unter ihren Gefrierpunkt, ohne sie in einen Feststoff umzuwandeln.
• Etwa 95 Prozent des Galliumverbrauchs entfallen laut LibreTexts auf die Elektronikindustrie. Galliumarsenid und Galliumnitrid machen etwa 98% des Galliumverbrauchs in den Vereinigten Staaten aus.
• Gallium wurde in Atombomben verwendet, um die Kristallstruktur zu stabilisieren.
• Wenn Gallium auf Glas gemalt wird, verwandelt es sich in einen glänzenden Spiegel.
• Der Siedepunkt von Gallium ist auf der absoluten Skala mehr als achtmal höher als sein Schmelzpunkt — das größte Verhältnis zwischen Schmelzpunkt und Siedepunkt eines Elements.