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Gallium



Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Gallium, Ga, 31
Serie Metalle
Gruppe, Periode, Block 13, 4, p
Aussehen silbrig weiß
Massenanteil an der Erdhülle 1 · 10-3 %
Atomar
Atommasse 69,723 u
Atomradius (berechnet) 126 (187) pm
Kovalenter Radius 126 pm
Van-der-Waals-Radius 187 pm
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d10 4s2 4p1
Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 18, 3
1. Ionisierungsenergie 578,8 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1979,3 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 2963 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen
Kristallstruktur orthorhombisch (Ga-I)
Dichte 5,904 g/cm3
Mohshärte 1,5
Magnetismus
Schmelzpunkt 302,91 K (29,76 °C)
Siedepunkt 2477 K (2204 °C)
Molares Volumen 11,80 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme 258,7 kJ/mol
Schmelzwärme 5,59 kJ/mol
Dampfdruck

9,31 · 10-36 Pa bei 302,9 K

Schallgeschwindigkeit 2740 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 370 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 6,78 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit 40,6 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände 3
Oxide (Basizität) (amphoter)
Normalpotential -0,56 V (Ga3+ + 3e- → Ga)
Elektronegativität 1,81 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
67Ga

{syn.}

3,2612 d ε 1,00 67Zn
68Ga

{syn.}

67,629 m ε 2,921 68Zn
69Ga

60,1 %

Stabil
70Ga

{syn.}

21,14 m β- 1,656 70Ge
71Ga

39,9 %

Stabil
72Ga

{syn.}

14,10 h β- 4,001 72Ge
73Ga

{syn.}

4,86 h β- 1,593 73Ge
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
[1]
R- und S-Sätze R: 34[1]
S: 20-26-36/37/39-45-60[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.


Gallium ist ein seltenes[2] Metall (chemisches Element), welches erstmals 1875 vom französischen Chemiker Paul Emile Lecoq de Boisbaudran entdeckt wurde, der ihm auch den Namen gab. Es ist benannt nach Gallien, dem lateinischen Namen für Frankreich. Möglich wäre auch, dass sich der Entdecker hier selbst verewigt hat, denn Le coq ist französisch und bedeutet „der Hahn“, der auf lateinisch gallus heißt.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Das noch unbekannte Element wurde schon bei der Erstellung des Periodensystems von Dmitri Mendelejew (1869) und Lothar Meyer (1870) als Eka-Aluminium vorhergesagt und kurz daraufhin auch entdeckt.

Eigenschaften

Interessant ist die zarte hellblaue Metallfarbe des kristallinen Galliums. Besonderheiten sind die auffallend niedrige Schmelz- und die relativ hohe Siedetemperatur. Bis zum heutigen Tage sind vier Normaldruck- und drei Hochdruckmodifikationen bekannt. In festem Zustand zeigt die bei Normalbedingungen beständige Modifikation einige Eigentümlichkeiten. So ist Gallium zwar relativ weich, kompakte Stücke splittern bei starker, plötzlicher mechanischer Belastung allerdings mit muscheligem Bruch, und es entstehen feine, scharfe Splitter. Bemerkenswert ist weiterhin die hohe Benetzungsfähigkeit von flüssigem Gallium. So bildet es z.B. auf der Haut leicht einen grauen Schmierfilm, ebenso in den Augen, weswegen der Kontakt mit dem Metall vermieden werden sollte.

Gallium hat eine starke Tendenz, auch dann flüssig zu bleiben, wenn es unter seinen Schmelzpunkt abkühlt. Erst durch einen Kristallisationskeim oder durch weitere Abkühlung verfestigt es sich dann.

Die Dichte von flüssigem Gallium beträgt 6100 kg/m³, ist also höher als die von festem Gallium (Dichteanomalie).

Unterhalb einer Temperatur von 1,0883 K zeigt die Modifikation α-Ga keinen elektrischen Widerstand, sie wird zum Supraleiter. Die Modifikationen β-Ga, γ-Ga und δ-Ga weisen eine noch höhere Sprungtemperatur Tc von 6,07 K, 7-7,6 K und 7,85 K auf. Daneben existieren noch zwei Hochdruckmodifikationen, Ga-II und Ga-II', die unterhalb von ca. 6,3 K und 7,5 K supraleitend werden.

Die Schmelze ist silberweiß. Gallium oxidiert langsam an der Luft und behält seinen Glanz.

Chemische Eigenschaften

Gallium ähnelt in seinem chemischen Verhalten den Elementen Aluminium und Zink. In Säuren löst es sich unter Wasserstoffentwicklung verhältnismäßig schnell auf. Gegenüber Laugen ist es ebenfalls unbeständig, wobei sich Gallat-Ionen (Ga(OH)4-) bilden.

\mathrm{2 NaOH + 2 Ga + 6 H_2O \rightarrow 2 Na[Ga(OH)_4] + 3 H_2}

Galliumhalogenide, wie beispielsweise Galliumchlorid, sind starke Lewissäuren, die in Wasser zu Chlorwasserstoff und Galliumhydroxid hydrolysieren.

Vorkommen

  Gallium kommt in der Natur stets in Kombination mit anderen Elementen vor. Als wichtigstes Erz dient der Bauxit, dem es als Begleitmetall während der Schmelzflusselektrolyse bei der Aluminiumgewinnung entzogen wird. Weitere Minerale sind die Zinkblende und der Germanit. Die Hauptvorkommen an Gallium befinden sich in Kasachstan, in Australien, in Tschechien, in Indien sowie in Guinea. Größere Recyclinganlagen stehen in den USA, in Japan und in Deutschland.

Gewinnung

Die Herstellung aus Galliumoxid erfolgt durch Elektrolyse einer Natrium- oder Kaliumgallatlösung im alkalischen Milieu, das durch einen Soda-Pottasche-Aufschluss gewonnen werden kann. Hochreines Gallium für Halbleiter wird durch Elektrolyse von durch Zonenschmelzen gereinigtem Galliumchlorid gewonnen.

Verwendung

Gallium ist relativ teuer, was die Verwendung schnell unwirtschaftlich macht. Es eignet sich als ungiftiger, nichtflüchtiger Quecksilberersatz (Galinstan) für Thermometerfüllungen mit sehr breitem Anzeigebereich.

Eine Galliumlegierung mit Indium, Zink und Kupfer erstarrt unter 0 °C, besitzt eine hohe Oberflächenspannung, einen sehr hohen Siedepunkt und einen sehr niedrigen Dampfdruck. Eine derartige Legierung besitzt ähnliche Eigenschaften wie Quecksilber, was die Oberflächenspannung betrifft.

Aus dem Halbleiter Galliumnitrid (GaN) werden blaue Leuchtdioden hergestellt. Gallium-Arsenid (GaAs, Gallium + Arsen) findet nach der Kristallzucht und der Weiterverarbeitung zu Wafern vor allem für elektronische Hochfrequenzbauteile (Integrierte Schaltkreise und Leuchtdioden beziehungsweise Laser) Verwendung. Daneben GaAs in hocheffizienten Solarzellen mit Wirkungsgraden >20 %, für Konzentratorzellen und in extraterristischen Anwendungen (Stromversorgung für Satelliten) verwendet. Ein weiteres wichtiges Verfahren ist hierbei die Darstellung von Halbleitern mit der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD).

Gallium wird als Legierungszusatz im dentaltechnischen-edelmetallverarbeitenden Bereich eingesetzt. Galliumoxide lassen sich zu speziellen, stark lichtbrechenden Kristallmaterialien verarbeiten. In Kristallen ist ein lückenloser Austausch von Galliumionen durch Aluminiumionen möglich.

Eine relativ neue Anwendung ist der Einsatz als Flüssigmetall-Wärmeleitpaste im PC-Bereich.

Galliumtrichlorid (GaCl3) wird in Neutrinodetektoren eingesetzt, beispielsweise beim GALLEX-Experiment (GALLium EXperiment) unter dem Gran Sasso. Die dabei verwendete Menge (30 Tonnen) entspricht mehreren Weltjahresproduktionen Gallium.

Das Galliumtriiodid GaI3 (CAS: 13450-91-4) kann zur Herstellung von Galliumphosphid GaP für rote und grüne Leuchtdioden verwendet werden.

Unter Elementsammlern ist Gallium wegen seines niedrigen Schmelzpunktes beliebt. Es lässt sich bereits mit Handwärme verflüssigen.

Biogene Eigenschaften

  Gallium ist ungiftig und spielt, soweit bekannt, als Spurenelement keine Rolle für den Menschen.

Quellen

  1. a b c Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
  2. Die stofflichen Grenzen des Wachstums
 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Gallium aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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