Le gallium est un métal doux et argenté utilisé principalement dans les circuits électroniques, les semi-conducteurs et les diodes électroluminescentes (LED). Il est également utile dans les thermomètres à haute température, les baromètres, les produits pharmaceutiques et les tests de médecine nucléaire. L’élément n’a pas de valeur biologique connue.

Élément naturel

Dans la nature, le gallium n’est jamais trouvé en tant qu’élément libre et ne peut être trouvé en quantité substantielle dans aucun minéral. Il existe plutôt à l’état de traces dans divers composés, y compris les minerais de zinc et la bauxite. En poids, le gallium représente environ 0.0019 pour cent de la croûte terrestre, selon PeriodicTable.com . Il est cependant facilement obtenu par fusion et la plupart du gallium commercial est extrait comme sous-produit de la production d’aluminium et de zinc, selon Chemicool. Les plus grands producteurs de gallium sont l’Australie, la Russie, la France et l’Allemagne.

Juste les faits

• Numéro atomique (nombre de protons dans le noyau): 31
• Symbole atomique (sur le tableau périodique des éléments): Ga
• Poids atomique (masse moyenne de l’atome): 69,723
• Densité: 5,91 grammes par centimètre cube
• Phase à température ambiante: solide
• Point de fusion: degrés 85,57 degrés Fahrenheit (29,76 degrés Celsius)
• Point d’ébullition: 3 999 F (2 204 C)
• Nombre d’isotopes (atomes du même élément avec un nombre différent de neutrons): 24 dont les demi-vies sont connues
• Isotopes les plus courants: Deux stables Ga-69 (abondance naturelle 60,1%) et Ga-71 (abondance naturelle 39,9%).

Un métal unique

Sur le tableau périodique des éléments, le gallium est groupé dans la famille du bore (groupe 13), qui comprend le semi-métal bore (B) et les métaux aluminium (Al), gallium, indium (In) et thallium (Tl), selon les livrets de chimie. Ces cinq éléments ont tous trois électrons dans leur niveau d’énergie externe.

Le gallium est un métal de post-transition. Ce sont des éléments métalliques situés entre les métaux de transition et les métalloïdes (non-métaux) du tableau périodique. Les métaux post-transition ont certains des traits des métaux de transition, mais ont tendance à être plus mous et à se conduire plus mal. Les métaux de post-transition comprennent certains éléments de la famille du bore – aluminium, indium et thallium – mais aussi l’étain (Sn), le plomb (Pb) et le bismuth (Bi).

Le gallium a des qualités très uniques. Par exemple, bien qu’il s’agisse d’un solide à température ambiante (environ 77 F / 22 C), il est toujours si doux que vous pouvez le couper avec un couteau. De plus, il a un point de fusion bas de 85,57 F (29.76 C) – moins de 10 degrés au—dessus de la température ambiante – donc si vous preniez un morceau de gallium, il fondrait littéralement de la chaleur de votre main. Ensuite, si vous le remettez en place, il se solidifierait à nouveau.

Même avec un point de fusion aussi bas, le point d’ébullition du gallium est assez élevé à 3 999 F (2 204 C), ce qui lui donne l’un des rapports les plus élevés entre le point de fusion et le point d’ébullition de tout élément. À basse température, le gallium est un solide fragile qui se casse assez facilement, et semblable au verre, il se brise de manière conchoïdienne (ne suit pas les plans naturels de séparation).

Utilisations

Le gallium est principalement utilisé en électronique. En fait, environ 95% de tout le gallium produit est utilisé pour fabriquer de l’arséniure de gallium (GaAs), un composé utilisé dans les circuits micro-ondes et infrarouges, les semi-conducteurs et les LED bleues et violettes, selon Chemistry Explained. L’arséniure de gallium peut produire de la lumière laser directement à partir de l’électricité et est utilisé dans les panneaux solaires, y compris ceux du rover d’exploration de Mars. Le nitrure de gallium (GaN) est utilisé comme semi-conducteur dans la technologie Blu-ray, les téléphones mobiles et les capteurs de pression pour les commutateurs tactiles.

Le gallium se lie facilement avec la plupart des métaux et est couramment utilisé pour fabriquer des alliages à faible fusion. C’est l’un des quatre métaux (y compris le mercure, le rubidium et le césium) qui sont liquides à température ambiante ou près de celle-ci. De ces quatre métaux, le gallium est le moins réactif et le moins toxique, ce qui en fait le choix le plus sûr et le plus respectueux de l’environnement pour les thermomètres à haute température, les baromètres, les systèmes de transfert de chaleur et les dispositifs de refroidissement et de chauffage.

Le gallium liquide peut cependant être assez difficile à travailler, car il s’accroche au verre, à la peau et à la plupart des autres matériaux (à l’exception du graphite, du quartz et du téflon). Il se dilate également lorsqu’il gèle, de sorte qu’il ne peut pas être stocké dans des récipients en verre.

Le gallium est également utilisé dans certains produits pharmaceutiques et radiopharmaceutiques. Par exemple, l’isotope radioactif Ga-67 est utilisé comme test de médecine nucléaire pour rechercher une inflammation, une infection ou un cancer dans le corps.

Le nitrate de gallium est utilisé dans de nombreux produits pharmaceutiques et comme traitement de l’hypercalcémie, une maladie qui peut entraîner la croissance de tumeurs osseuses. Le gallium a également été suggéré comme traitement du cancer, des maladies infectieuses et des maladies inflammatoires. Cependant, l’exposition à de grandes quantités de gallium peut provoquer une irritation de la gorge ou de la poitrine, et les fumées peuvent entraîner des affections graves, selon les livrets de chimie.

Découverte

Avant la découverte du gallium, il a été prédit par le chimiste et inventeur russe Dimitri Mendeleev, le créateur du tableau périodique des éléments. Il a nommé l’élément manquant eka-aluminium parce qu’il savait qu’il irait en dessous de l’aluminium sur le tableau périodique de la boîte 31, selon Chemicool.

L’élément a été découvert pour la première fois par le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, qui étudiait les spectres des éléments chimiques depuis 15 ans (les spectres sont les raies produites lorsque les éléments chimiques sont chauffés), selon Chemistry Explained. Puisque chaque élément produit son propre ensemble distinctif de raies, ou spectres, cette méthode était un moyen fiable d’identifier les éléments.

Lecoq de Boisbaudran s’est demandé si l’élément 31 pouvait se trouver dans les minerais de zinc. Le zinc, qui a un numéro atomique de 30, se trouve à côté du gallium sur le tableau périodique. En août 1875, à l’aide d’un spectroscope, Lecoq de Boisbaudran a effectivement trouvé du gallium, mais seulement en très petites quantités. Il a rapporté que le spectre du nouvel élément était composé d’un rayon violet étroit et facilement visible, selon Chemistry Explained.

Plus tard cette année-là, Lecoq de Boisbaudran a obtenu du gallium pur par électrolyse de l’hydroxyde de gallium dans de l’hydroxyde de potassium, selon le laboratoire Jefferson. Lecoq de Boisbaudran reçoit alors plusieurs tonnes de minerai de zinc par des mineurs pour ses recherches. À partir de ce minerai, il a pu produire quelques grammes de gallium presque pur, selon Chemistry Explained. Lecoq de Boisbaudran a proposé le nom de gallium pour le nouvel élément, qui vient du mot latin « Gallia », signifiant France.

Qui savait ?

• Le gallium liquide ne peut pas être conservé dans un récipient en verre ou en métal car il se dilate de 3,1% lorsqu’il gèle.
• Le gallium a la plus grande gamme de liquides de tous les métaux.
• L’Observatoire des neutrinos en Italie utilise de grandes quantités de trichlorure de gallium pour étudier les neutrinos solaires produits au soleil. Les neutrinos sont des particules créées dans la première seconde de l’univers — avant même les atomes — et sont continuellement produites par des réactions nucléaires du soleil et d’autres étoiles, selon l’Université du Wisconsin-Madison.
• Sous sa forme extraite la plus pure, le gallium est une couleur argentée vibrante. En tant que solide, il est bleu-gris.
• Un autre trait inhabituel du gallium est qu’il peut être surfondu assez facilement. La surfusion est le refroidissement d’une substance en dessous de son point de congélation sans la transformer en solide.
• Environ 95% de la consommation de gallium est dans l’industrie électronique, selon LibreTexts. L’arséniure de gallium et le nitrure de gallium représentent environ 98% de la consommation de gallium aux États-Unis.
• Le gallium a été utilisé dans les bombes nucléaires pour stabiliser la structure cristalline.
• Lorsqu’il est peint sur du verre, le gallium se transforme en un miroir brillant.
• Le point d’ébullition du gallium est plus de huit fois supérieur à son point de fusion sur l’échelle absolue — le plus grand rapport entre le point de fusion et le point d’ébullition de tout élément.