Das Gallium Es ist ein metallisches Element, das durch das Symbol Ga dargestellt wird und zur Gruppe 13 des Periodensystems gehört. Chemisch ähnelt es Aluminium in seiner Amphoterik; Beide Metalle weisen jedoch Eigenschaften auf, die sie voneinander unterscheidbar machen..
Zum Beispiel können Aluminiumlegierungen bearbeitet werden, um ihnen alle Arten von Formen zu geben; während diejenigen von Gallium sehr niedrige Schmelzpunkte haben, die praktisch aus silbernen Flüssigkeiten bestehen. Auch der Schmelzpunkt von Gallium ist niedriger als der von Aluminium; Ersteres kann durch die Hitze der Hand schmelzen, während Letzteres nicht schmelzen kann.
Die chemische Ähnlichkeit zwischen Gallium und Aluminium gruppiert sie auch geochemisch; Das heißt, Mineralien oder Gesteine, die reich an Aluminium sind, wie Bauxite, weisen geschätzte Galliumkonzentrationen auf. Abgesehen von dieser mineralogischen Quelle gibt es andere aus Zink, Blei und Kohlenstoff, die in der Erdkruste weit verbreitet sind..
Gallium ist im Volksmund kein bekanntes Metall. Sein bloßer Name kann das Bild eines Hahns im Kopf hervorrufen. Tatsächlich werden grafische und allgemeine Darstellungen von Gallium gewöhnlich mit dem Bild eines silbernen Hahns gefunden; gemalt mit flüssigem Gallium, einer hochbenetzbaren Substanz auf Glas, Keramik und sogar der Hand.
Experimente, bei denen Stücke von metallischem Gallium mit den Händen geschmolzen werden, sind häufig, ebenso wie die Manipulation seiner Flüssigkeit und seine Tendenz, alles zu färben, was es berührt.
Obwohl Gallium ebenso wie Quecksilber nicht toxisch ist, ist es ein Zerstörungsmittel für Metalle, da es sie (in erster Linie) spröde und unbrauchbar macht. Andererseits greift es pharmakologisch in die Prozesse ein, in denen biologische Matrices Eisen verwenden.
Für diejenigen in der Welt der Optoelektronik und der Halbleiter wird Gallium hoch geschätzt, vergleichbar mit Silizium selbst und vielleicht sogar überlegen. Andererseits wurden mit Galliumthermometern Spiegel und Gegenstände auf der Basis seiner Legierungen hergestellt.
Chemisch hat dieses Metall noch viel zu bieten; vielleicht auf dem Gebiet der Katalyse, der Kernenergie, bei der Entwicklung neuer Halbleitermaterialien oder "einfach" bei der Klärung ihrer verwirrenden und komplexen Struktur.
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Der russische Chemiker Dmitri Mendeleev hatte bereits 1871 die Existenz eines Elements vorhergesagt, dessen Eigenschaften denen von Aluminium ähnelten. was er als Ekaluminium nannte. Dieses Element musste sich direkt unter dem Aluminium befinden. Mendeleev sagte auch die Eigenschaften (Dichte, Schmelzpunkt, Formeln seiner Oxide usw.) von Ekaluminium voraus.
Überraschenderweise hatte der französische Chemiker Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran vier Jahre später ein neues Element in einer Sphaleritprobe (Zinkblende) aus den Pyrenäen gefunden. Er konnte es dank einer spektroskopischen Analyse entdecken, bei der er das Spektrum zweier violetter Linien beobachtete, das nicht mit dem eines anderen Elements übereinstimmte.
Nachdem Lecoq ein neues Element entdeckt hatte, führte er Experimente mit 430 kg Sphalerit durch, aus denen er 0,65 g isolieren konnte. und nach einer Reihe von Messungen seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften kam er zu dem Schluss, dass es sich um Mendeleevs Ekaluminium handelte.
Um es zu isolieren, führte Lecoq die Elektrolyse seines jeweiligen Hydroxids in Kaliumhydroxid durch; wahrscheinlich derselbe, mit dem er den Sphalerit aufgelöst hat. Indem er bescheinigte, dass es sich um Ekaluminium handelte und auch sein Entdecker war, gab er ihm den Namen "Gallium" (Galium auf Englisch). Dieser Name leitet sich vom Namen 'Gallia' ab, was auf Latein Frankreich bedeutet.
Der Name stellt jedoch eine andere Kuriosität dar: "Lecoq" bedeutet auf Französisch "Hahn" und auf Latein "Gallus". Als Metall wurde "Gallus" zu "Gallium"; obwohl auf Spanisch die Konvertierung viel direkter ist. Es ist also kein Zufall, dass an einen Hahn gedacht wird, wenn es um Gallium geht..
Gallium ist ein geruchloses Silbermetall mit glasiger Oberfläche und adstringierendem Geschmack. Sein Feststoff ist weich und spröde, und wenn er bricht, tut er dies konchoidal; Das heißt, die gebildeten Teile sind ähnlich wie Muscheln gekrümmt.
Wenn es geschmolzen ist, kann es je nach Betrachtungswinkel ein bläuliches Leuchten zeigen. Diese silberne Flüssigkeit ist bei Kontakt nicht giftig; es "haftet" jedoch zu sehr an Oberflächen, insbesondere wenn es sich um Keramik oder Glas handelt. Zum Beispiel kann ein einzelner Tropfen Gallium das Innere eines Glasbechers durchdringen, um ihn mit einem silbernen Spiegel zu beschichten..
Wenn sich ein festes Galliumfragment in flüssigem Gallium ablagert, dient es als Kern, in dem sich glitzernde Galliumkristalle schnell entwickeln und wachsen..
31 (31Ga)
69,723 g / mol
29,7646 ° C. Diese Temperatur kann erreicht werden, indem ein Galliumglas fest zwischen beiden Händen gehalten wird, bis es schmilzt..
2400 ° C. Beachten Sie den großen Abstand zwischen 29,7 ° C und 2400 ° C. Das heißt, flüssiges Gallium hat einen sehr niedrigen Dampfdruck, und diese Tatsache macht es zu einem der Elemente mit dem größten Temperaturunterschied zwischen dem flüssigen und dem gasförmigen Zustand..
-Bei Raumtemperatur: 5,91 g / cm3
-Beim Schmelzpunkt: 6,095 g / cm3
Beachten Sie, dass bei Gallium dasselbe passiert wie bei Wasser: Die Dichte seiner Flüssigkeit ist größer als die seines Feststoffs. Daher schwimmen Ihre Kristalle auf flüssigem Gallium (Galliumeisbergen). Tatsächlich ist die Volumenausdehnung des Feststoffs so (dreimal), dass es unpraktisch ist, flüssiges Gallium in Behältern zu lagern, die nicht aus Kunststoff bestehen..
5,59 kJ / mol
256 kJ / mol
25,86 J / (mol K)
Bei 1037 ºC übt nur seine Flüssigkeit einen Druck von 1 Pa aus.
1,81 auf der Pauling-Skala
-Erstens: 578,8 kJ / mol (Ga+ gasförmig)
-Zweitens: 1979,3 kJ / mol (Gazwei+ gasförmig)
-Drittens: 2963 kJ / mol (Ga3+ gasförmig)
40,6 W / (m K)
270 nΩ · m bei 20 ºC
1.5
1.819 cP bei 32 ºC
709 Dyn / cm bei 30 ºC
Gallium ist wie Aluminium amphoter; reagiert sowohl mit Säuren als auch mit Basen. Beispielsweise können starke Säuren es lösen, um Gallium (III) -Salze zu bilden; wenn es um das H gehtzweiSW4 und HNO3, werden Ga produziertzwei(SW4)3 und gewonnen3)3, beziehungsweise. Während bei der Reaktion mit starken Basen Gallatsalze mit dem Ion Ga (OH) entstehen.4-.
Beachten Sie die Ähnlichkeit zwischen Ga (OH)4- und Al (OH)4- (Aluminat). Wenn dem Medium Ammoniak zugesetzt wird, entsteht Gallium (III) -hydroxid, Ga (OH)3, das ist auch amphoter; Wenn es mit starken Basen reagiert, erzeugt es wieder Ga (OH)4-, aber wenn es mit starken Säuren reagiert, setzt es den Komplex wässrig frei [Ga (OHzwei)6]]3+.
Metallisches Gallium ist bei Raumtemperatur relativ inert. Es reagiert nicht mit Luft als dünne Oxidschicht, GazweiODER3, schützt es vor Sauerstoff und Schwefel. Beim Erhitzen setzt sich die Oxidation des Metalls jedoch fort und wandelt sich vollständig in sein Oxid um. Und wenn Schwefel vorhanden ist, reagiert er bei hohen Temperaturen unter Bildung von GazweiS.3.
Es gibt nicht nur Galliumoxide und -sulfide, sondern auch Phosphide (GaP), Arsenide (GaAs), Nitride (GaN) und Antimonide (GaSb). Solche Verbindungen können durch die direkte Reaktion der Elemente bei erhöhten Temperaturen oder durch alternative Synthesewege entstehen..
Ebenso kann Gallium mit Halogenen unter Bildung ihrer jeweiligen Halogenide reagieren; wie GazweiCl6, GaF3 und Gazweiich3.
Dieses Metall kann wie Aluminium und seine Kongenere (Mitglieder derselben Gruppe 13) kovalent mit Kohlenstoffatomen interagieren, um metallorganische Verbindungen herzustellen. Bei Personen mit Ga-C-Bindungen werden sie als Organogalien bezeichnet.
Das Interessanteste an Gallium ist nicht eine seiner früheren chemischen Eigenschaften, sondern seine enorme Leichtigkeit, mit der es legiert werden kann (ähnlich der von Quecksilber und seinem Amalgamierungsprozess). Seine Ga-Atome reiben schnell die Schultern zwischen Metallkristallen, was zu Galliumlegierungen führt..
Gallium ist nicht nur insofern ungewöhnlich, als es ein Metall ist, das mit der Hitze der Handfläche schmilzt, sondern seine Struktur ist auch komplex und unsicher..
Einerseits ist bekannt, dass seine Kristalle unter normalen Bedingungen eine orthorhombische Struktur (Ga-I) annehmen; Dies ist jedoch nur eine der vielen möglichen Phasen für dieses Metall, für die die genaue Reihenfolge seiner Atome nicht angegeben wurde. Es ist daher eine komplexere Struktur, als es auf den ersten Blick erscheinen mag..
Es scheint, dass die Ergebnisse je nach Winkel oder Richtung variieren, in der die Struktur analysiert wird (Anisotropie). Ebenso sind diese Strukturen sehr anfällig für kleinste Temperatur- oder Druckänderungen, was bedeutet, dass Gallium zum Zeitpunkt der Dateninterpretation nicht als ein einziger Kristalltyp definiert werden kann..
Ga-Atome interagieren dank der Metallbindung miteinander. Es wurde jedoch ein gewisser Grad an Kovalenz zwischen zwei benachbarten Atomen gefunden, so dass die Existenz des Ga-Dimers angenommen wird.zwei (Gaga).
Theoretisch sollte diese kovalente Bindung durch die Überlappung des 4p-Orbitals mit seinem einzigen Elektron gemäß der elektronischen Konfiguration gebildet werden:
[Ar] 3d10 4szwei 4p1
Dieser Mischung kovalent-metallischer Wechselwirkungen wird der niedrige Schmelzpunkt von Gallium zugeschrieben; denn obwohl es einerseits ein "Elektronenmeer" geben kann, das die Ga-Atome im Kristall fest zusammenhält, bestehen die Struktureinheiten andererseits aus Ga-Dimeren.zwei, deren intermolekulare Wechselwirkungen schwach sind.
Wenn der Druck von 4 auf 6 GPa ansteigt, durchlaufen die Galliumkristalle Phasenübergänge; von der orthorhombischen geht es zu der im Körper zentrierten Kubik (Ga-II) über, und von dieser geht es schließlich zu der im Körper zentrierten Tetragonale (Ga-III) über. Im Druckbereich bildet sich möglicherweise eine Mischung von Kristallen, was die Interpretation der Strukturen noch schwieriger macht..
Die energiereichsten Elektronen sind die in den 4s- und 4p-Orbitalen gefundenen; Da es drei davon gibt, wird erwartet, dass Gallium sie verlieren kann, wenn es mit elektronegativeren Elementen kombiniert wird.
In diesem Fall wird die Existenz des Ga-Kations angenommen.3+, und seine Oxidationszahl oder sein Oxidationszustand soll +3 oder Ga (III) sein. Tatsächlich ist dies die häufigste aller Oxidationszahlen. Die folgenden Verbindungen besitzen beispielsweise Gallium als +3: GazweiODER3 (Gazwei3+ODER3zwei-), GazweiBr6 (Gazwei3+Br6-), Li3GaNzwei (Li3+Ga3+N.zwei3-) und GazweiTee3 (Gazwei3+Tee3zwei-).
Gallium kann auch mit Oxidationszahlen von +1 und +2 gefunden werden; obwohl sie viel seltener als +3 sind (ähnlich wie bei Aluminium). Beispiele für solche Verbindungen sind GaCl (Ga+Cl-), GazweiO (Gazwei+ODERzwei-) und GaS (Gazwei+S.zwei-).
Es ist zu beachten, dass die Existenz von Ionen mit Ladungsgrößen, die mit der betrachteten Oxidationszahl identisch sind, immer angenommen wird (richtig oder nicht)..
Gallium kommt in der Erdkruste mit einer Menge vor, die proportional zu der der Metalle Kobalt, Blei und Niob ist. Es erscheint als hydratisiertes Sulfid oder Oxid, das als Verunreinigungen in anderen Mineralien weit verbreitet ist.
Seine Oxide und Sulfide sind in Wasser schwer löslich, so dass die Galliumkonzentration in Meeren und Flüssen gering ist. Darüber hinaus ist Gallita (CuGaS) das einzige Mineral, das reich an Gallium istzwei, Bild oben). Es ist jedoch unpraktisch, das Huhn auszunutzen, um dieses Metall zu erhalten. Weniger bekannt ist das Mineral Gallium Plumbogumit.
Daher gibt es für dieses Metall keine idealen Erze (mit einer Konzentration von mehr als 0,1 Massen-%)..
Stattdessen wird Gallium als Nebenprodukt der metallurgischen Behandlung von Erzen anderer Metalle erhalten. Zum Beispiel kann es aus Bauxiten, Zinkmischern, Alaunen, Kohlen, Bleiglanz, Pyriten, Germaniten usw.; Das heißt, es wird normalerweise mit Aluminium, Zink, Kohlenstoff, Blei, Eisen und Germanium in verschiedenen Mineralkörpern in Verbindung gebracht.
Wenn der mineralische Rohstoff entweder in stark sauren oder basischen Medien aufgeschlossen oder gelöst wird, wird eine Mischung von in Wasser gelösten Metallionen erhalten. Da Gallium ein Nebenprodukt ist, sind seine Ga-Ionen3+ bleiben in der Mischung gelöst, sobald die interessierenden Metalle ausgefällt sind.
Sie möchten diese Ga also trennen3+ der anderen Ionen mit dem alleinigen Zweck, ihre Konzentration und die Reinheit des resultierenden Metalls zu erhöhen.
Hierzu wird zusätzlich zu herkömmlichen Fällungstechniken die Ionenaustauschchromatographie unter Verwendung eines Harzes eingesetzt. Dank dieser Technik ist es möglich, (zum Beispiel) das Ga zu trennen3+ von Ca.zwei+ o Glaube3+.
Sobald eine hochkonzentrierte Lösung von Ga-Ionen erhalten wurde3+, es wird einer Elektrolyse unterzogen; das heißt, der Ga3+ empfängt Elektronen, um sich als Metall bilden zu können.
Gallium kommt in der Natur hauptsächlich als zwei Isotope vor: das 69Ga mit einer Häufigkeit von 60,11%; und der 71Ga, mit einer Häufigkeit von 39,89%. Aus diesem Grund beträgt das Atomgewicht von Gallium 69,723 u. Die anderen Isotope von Gallium sind synthetisch und radioaktiv, mit Atommassen im Bereich von 56Ga a 86Ga.
Unter Umweltgesichtspunkten ist metallisches Gallium nicht sehr reaktiv und wasserlöslich, so dass seine Verschüttungen theoretisch kein ernstes Kontaminationsrisiko darstellen. Darüber hinaus ist nicht bekannt, welche biologische Rolle es in Organismen spielen kann, da die meisten seiner Atome im Urin ausgeschieden werden und sich keine Anzeichen in einem seiner Gewebe ansammeln..
Im Gegensatz zu Quecksilber kann Gallium mit bloßen Händen gehandhabt werden. Tatsächlich ist das Experiment, es mit der Hitze der Hände zu schmelzen, weit verbreitet. Eine Person kann die resultierende Silberflüssigkeit berühren, ohne befürchten zu müssen, ihre Haut zu beschädigen oder zu verletzen. obwohl es einen silbernen Fleck darauf hinterlässt.
Die Einnahme könnte jedoch toxisch sein, da es sich theoretisch im Magen auflösen würde, um GaCl zu erzeugen3;; Galliumsalz, dessen Wirkung auf den Körper unabhängig vom Metall ist.
Gallium ist gekennzeichnet durch starke Verfärbung oder Anhaftung an Oberflächen; und wenn diese metallisch sind, geht es durch sie hindurch und bildet sofort Legierungen. Diese Eigenschaft, mit fast allen Metallen legiert werden zu können, macht es ungeeignet, flüssiges Gallium auf Metallgegenstände zu verschütten..
Metallische Gegenstände laufen daher Gefahr, in Gegenwart von Gallium in Stücke zu zerbrechen. Seine Wirkung kann so langsam und unbemerkt sein, dass es unerwünschte Überraschungen bringt; vor allem, wenn es auf einem Metallstuhl verschüttet wurde, der zusammenbrechen könnte, wenn jemand darauf sitzt.
Deshalb sollten diejenigen, die mit Gallium umgehen möchten, es niemals mit anderen Metallen in Kontakt bringen. Zum Beispiel ist seine Flüssigkeit in der Lage, Aluminiumfolie aufzulösen und sich in Indium-, Eisen- und Zinnkristalle zu schleichen, um sie spröde zu machen..
Im Allgemeinen wird Gallium trotz der oben genannten und der Tatsache, dass seine Dämpfe bei Raumtemperatur fast nicht vorhanden sind, normalerweise als sicheres Element ohne Toxizität angesehen..
Gallium hat Quecksilber als Flüssigkeit ersetzt, um die vom Thermometer angegebenen Temperaturen abzulesen. Der Schmelzpunkt von 29,7 ºC ist für diese Anwendung jedoch immer noch hoch, weshalb es in seinem metallischen Zustand nicht möglich wäre, ihn in Thermometern zu verwenden. Stattdessen wird eine Legierung namens Galinstan (Ga-In-Sn) verwendet.
Die Galinstan-Legierung hat einen Schmelzpunkt um -18 ºC und ist aufgrund ihrer Nulltoxizität eine ideale Substanz für die Konstruktion von quecksilberunabhängigen medizinischen Thermometern. Auf diese Weise wäre es sicher, das Chaos zu beseitigen, wenn es kaputt gehen würde. obwohl es den Boden aufgrund seiner Fähigkeit, Oberflächen zu benetzen, verschmutzen würde.
Wiederum wird die Benetzbarkeit von Gallium und seinen Legierungen erwähnt. Wenn Sie eine Porzellanoberfläche oder ein Glas berühren, verteilt es sich über die gesamte Oberfläche, bis es vollständig von einem silbernen Spiegel bedeckt ist.
Zusätzlich zu Spiegeln wurden Galliumlegierungen verwendet, um Objekte aller Formen herzustellen, da sie sich nach dem Abkühlen verfestigen. Dies könnte ein großes nanotechnologisches Potenzial haben: Bauobjekte mit sehr kleinen Abmessungen, die logischerweise bei niedrigen Temperaturen arbeiten und einzigartige Eigenschaften auf der Basis von Gallium aufweisen..
In Computerprozessoren verwendete Wärmeleitpasten wurden aus Galliumlegierungen hergestellt.
Ga-Ionen3+ eine gewisse Ähnlichkeit mit dem Fe haben3+ in der Art und Weise, wie sie in Stoffwechselprozesse eingreifen. Wenn es also eine Funktion, einen Parasiten oder Bakterien gibt, für deren Ausführung Eisen erforderlich ist, können sie gestoppt werden, indem es mit Gallium verwechselt wird. Dies ist der Fall bei Pseudomonas-Bakterien.
Hier treten also Gallium-Medikamente auf, die einfach aus anorganischen Salzen oder Organogalien bestehen können. La Ganita, Handelsname für Galliumnitrat, Ga (NR3)3, verwendet, um die hohen Kalziumspiegel (Hyperkalzämie) zu regulieren, die mit Knochenkrebs verbunden sind.
Galliumarsenid und -nitrid zeichnen sich dadurch aus, dass sie Halbleiter sind, die in bestimmten optoelektronischen Anwendungen Silizium ersetzen. Mit ihnen wurden Transistoren, Laserdioden und Leuchtdioden (blau und violett), Chips, Solarzellen usw. hergestellt. Dank GaN-Lasern können beispielsweise Blu-Ray-Discs gelesen werden.
Galliumoxide wurden verwendet, um ihre Katalyse in verschiedenen organischen Reaktionen von großem industriellem Interesse zu untersuchen. Einer der neueren Galliumkatalysatoren besteht aus einer eigenen Flüssigkeit, über der Atome anderer Metalle verteilt sind, die als aktive Zentren oder Stellen fungieren..
Beispielsweise wurde der Gallium-Palladium-Katalysator bei der Dehydrierungsreaktion von Butan untersucht; das heißt, Butan in reaktivere ungesättigte Spezies umzuwandeln, die für andere industrielle Prozesse notwendig sind. Dieser Katalysator besteht aus flüssigem Gallium, das als Träger für die Palladiumatome dient..
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