Ga · Element 31 · Nachübergangsmetall
Ein Metall, das in Ihrer Hand bei 29,8 Grad C schmilzt und die Grundlage blauer LEDs und von 5G-Funkgeräten bildet.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Gallium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 135 pm — das entspricht 0,135 nm; etwa 3,7 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Gallium ist über einen Bereich von 2370 K flüssig, von 303 K bis 2673 K.
Wo es steht
Die Geschichte
Gallium ist das erstaunliche Metall, das in Ihrer Hand schmilzt, aber extreme Kälte überstehen kann. Dieses silbrig-blaue Nachübergangsmetall besitzt eine der ungewöhnlichsten Eigenschaften im Periodensystem – es schmilzt bereits bei 29.8°C (85.6°F), wodurch es sich in Ihrer Hand in eine glänzende Flüssigkeit verwandelt. Doch der wirklich erstaunliche Teil ist: Flüssiges Gallium kann bis zu -120°C flüssig bleiben, wenn es rein genug ist, und gehört damit zu den wenigen Metallen mit einem derart großen Flüssigkeitsbereich. Gallium wurde 1875 vom französischen Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran entdeckt, war jedoch bereits 1871 von Dmitri Mendeleev vorhergesagt und „Eka-Aluminium“ genannt worden. Als Lecoq es fand, stimmten die Eigenschaften nahezu perfekt mit Mendeleevs Vorhersagen überein und lieferten einen spektakulären Beweis dafür, dass das Periodensystem tatsächlich die Wirklichkeit abbildet. Der Name stammt von „Gallia“, der lateinischen Bezeichnung für Frankreich. Was Gallium wirklich revolutionär macht, ist seine Rolle in der modernen Elektronik. Galliumarsenid-Halbleiter (GaAs) sind schneller und effizienter als Silicium und daher für Hochfrequenzanwendungen wie Mobilfunkverstärker, Satellitenkommunikation und LED-Leuchten unverzichtbar. Ihr Smartphone enthält wahrscheinlich mehrere Galliumverbindungen, die eine Datenübertragung mit enormer Geschwindigkeit ermöglichen. Gallium besitzt außerdem einige verblüffende Eigenschaften. Es gehört zu den wenigen Stoffen, die sich beim Erstarren ausdehnen (wie Wasser bei der Eisbildung), sodass festes Gallium auf flüssigem Gallium schwimmt. Es kann außerdem Glas und andere Materialien benetzen und dabei eine spiegelartige Beschichtung bilden, die für flexible Elektronik und Flüssigmetallantennen erforscht wird. Hier ist etwas Unglaubliches: Gallium wird für die Krebsbehandlung erforscht. Galliumverbindungen können den Eisenstoffwechsel in Krebszellen stören und Tumoren möglicherweise das für ihr Wachstum benötigte Eisen entziehen. Außerdem wird es als Gallium-67 in der medizinischen Bildgebung eingesetzt, wo es sich in Bereichen mit Infektionen und Entzündungen anreichert.
Die Entdeckung von Gallium ist eine faszinierende Geschichte, die sich über mehrere Jahrzehnte erstreckt und mehrere Wissenschaftler einbezieht. Sie beginnt mit Dmitri Mendeleevs bemerkenswerter Vorhersage und gipfelt in der tatsächlichen Isolierung des Elements durch Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. 1871 sagte Mendeleev die Existenz eines unbekannten Elements voraus, das er aufgrund von Lücken in seinem Periodensystem „Eka-Aluminium“ nannte. Dabei prognostizierte er dessen Atommasse, Dichte und chemische Eigenschaften mit außergewöhnlicher Genauigkeit. Mendeleev sagte voraus, dass dieses Element eine Atommasse von etwa 68, einen niedrigen Schmelzpunkt und Verbindungen ähnlich denen des Aluminiums besitzen würde – Eigenschaften, die sich später als erstaunlich zutreffend erwiesen. Die tatsächliche Entdeckung erfolgte 1875, als der französische Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran eine spektroskopische Analyse von Zinkerz aus den Pyrenäen durchführte. Bei der Untersuchung des Spektrums bemerkte er zwei ungewöhnliche violette Linien, die keinem bekannten Element entsprachen und auf die Anwesenheit eines neuen Elements hindeuteten. Lecoq de Boisbaudran benannte das Element nach Gallia, der lateinischen Bezeichnung für Frankreich, „Gallium“. Einige Quellen vermuten jedoch auch ein Wortspiel mit seinem eigenen Namen: Lecoq bedeutet auf Französisch „der Hahn“, während gallus auf Lateinisch ebenfalls „Hahn“ bedeutet. Innerhalb weniger Monate nach der spektroskopischen Entdeckung isolierte Lecoq de Boisbaudran durch Elektrolyse erfolgreich eine kleine Probe metallischen Galliums und bestätigte damit dessen physikalische Eigenschaften. Die Übereinstimmung zwischen Mendeleevs Vorhersagen und den tatsächlichen Eigenschaften des Galliums lieferte eine spektakuläre Bestätigung des Periodengesetzes und von Mendeleevs Periodensystem. Diese Entdeckung wurde zu einem der berühmtesten Beispiele für eine wissenschaftliche Vorhersage in der Chemie und demonstrierte die Vorhersagekraft des Periodensystems. Lecoq de Boisbaudrans sorgfältige Arbeit bei der Isolierung und Charakterisierung von Gallium legte viele seiner grundlegenden Eigenschaften und chemischen Verhaltensweisen fest, die bis heute zutreffend sind.
Anwendungen
Gallium ist zu einem unverzichtbaren Element der modernen Technologie geworden, insbesondere in der Halbleiter- und Elektronikindustrie. Seine wichtigste Verwendung liegt in der Herstellung von Galliumarsenid- (GaAs) und Galliumnitrid-Halbleitern (GaN), die für Hochfrequenzanwendungen, LED-Beleuchtung, Laserdioden und Solarzellen entscheidend sind. Diese Halbleiter bieten gegenüber herkömmlichen siliciumbasierten Bauteilen eine überlegene Leistung, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Frequenz. Gallium wird in großem Umfang zur Herstellung blauer und weißer LEDs eingesetzt, die energieeffiziente Beleuchtungssysteme weltweit revolutioniert haben. Die besondere Eigenschaft des Metalls, sich beim Erstarren auszudehnen, macht es für spezielle Anwendungen wie Alternativen zu Dentalamalgam und niedrigschmelzende Legierungen wertvoll. In der Medizin werden Galliumverbindungen in Radiopharmazeutika zur Knochenszintigrafie und Krebserkennung verwendet. Gallium-67-Citrat ist in der Nuklearmedizin besonders wichtig zur Erkennung von Entzündungen und Infektionen. Das Element wird außerdem in Thermometern für Hochtemperaturmessungen, in Spiegeln und in speziellen Glaszusammensetzungen eingesetzt. Neuere Entwicklungen nutzen Gallium in fortschrittlichen Photovoltaikzellen, in denen Galliumindiumphosphid-Schichten den Wirkungsgrad von Solarzellen verbessern. Die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet Galliumlegierungen in speziellen Bauteilen, die Materialien mit bestimmten thermischen Eigenschaften erfordern. Die Forschung untersucht weiterhin mögliche Anwendungen von Gallium im Quantencomputing, wo Galliumarsenid-Quantenpunkte vielversprechend für die Verarbeitung von Quanteninformationen sind. Die Elektronikindustrie ist für die Herstellung von Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs), die in der Satellitenkommunikation, in Radarsystemen und in drahtlosen Basisstationen eingesetzt werden, stark auf Gallium angewiesen.
Die häufigste Anwendung von Gallium ist die Halbleiterherstellung, bei der es das Grundmaterial für Galliumarsenid-Chips (GaAs) bildet, die in Smartphones, Tablets und drahtlosen Kommunikationsgeräten eingesetzt werden. Jede moderne LED-Lampe enthält Galliumnitrid, wodurch Gallium heute zu den am weitesten verbreiteten Elementen in Konsumprodukten gehört. Solarmodule enthalten zunehmend Galliumverbindungen, um ihren Wirkungsgrad zu steigern, insbesondere in konzentrierenden Photovoltaikanlagen für groß angelegte Solarinstallationen. Medizinische Bildgebungseinrichtungen verwenden Gallium-67 für Knochenszintigrafien und zum Nachweis von Infektionen, wodurch es zu einem routinemäßig eingesetzten Element im Gesundheitswesen geworden ist. Hochtemperaturthermometer in industriellen Anlagen enthalten häufig Gallium, da es im Vergleich zu Quecksilber einen großen Flüssigkeitsbereich und ungiftigere Eigenschaften besitzt. Die Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet Galliumlegierungen in speziellen Spiegeln und optischen Bauteilen für Satelliten und Weltraumteleskope. Unterhaltungselektronik profitiert von den Eigenschaften des Galliums in Leistungsverstärkern für Mobilfunkbasisstationen und WLAN-Routern. Zu den Anwendungen in der Automobilindustrie gehören galliumbasierte Halbleiter in Ladesystemen für Elektrofahrzeuge und in LED-Scheinwerfern. Forschungslabore weltweit verwenden Galliumarsenid-Substrate für experimentelle elektronische Geräte und die Quantenforschung. Der Bereich der erneuerbaren Energien nutzt Gallium in fortschrittlichen Solarzellendesigns, insbesondere für Anwendungen im Weltraum, bei denen ein hoher Wirkungsgrad entscheidend ist. Militärische und verteidigungstechnische Anwendungen verwenden Galliumarsenid in Radarsystemen, Geräten für die elektronische Kriegsführung und sicheren Kommunikationsgeräten. Selbst alltägliche Anwendungen wie Barcode-Scanner und DVD-Player sind für ihren Betrieb auf Galliumarsenid-Laserdioden angewiesen.
Woher es stammt
19 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 71 % der Elemente
Gallium ist eines der seltensten stabilen Elemente auf der Erde. Seine durchschnittliche Konzentration in der Erdkruste beträgt nur 19 Teile pro Million, wodurch es seltener als Blei, aber häufiger als Gold ist. Anders als viele Metalle kommt Gallium aufgrund seiner hohen Reaktivität in der Natur nicht als freies Element vor. Stattdessen tritt es als Spurenelement in verschiedenen Mineralen auf, am häufigsten in Bauxit (Aluminiumerz), Zinkerzen und Kohle. Das Element findet sich typischerweise als Ersatz für Aluminium in Mineralen wie Diaspor und Böhm it innerhalb von Bauxitlagerstätten. Sphalerit, das wichtigste Zinkerz, enthält Galliumkonzentrationen von 10 bis 300 Teilen pro Million und ist damit die wichtigste Quelle für die Galliumgewinnung. Kohlelagerstätten enthalten häufig Gallium; bei der Kohleverbrennung reichert es sich in der Flugasche an, die eine alternative Quelle für die Gewinnung darstellt. Einige Seltenerdminerale wie Loparit und Monazit enthalten Spuren von Gallium. Das Element kommt außerdem in geringen Mengen in Eisen- und Manganerzen vor. Germanit, ein Kupfersulfidmineral, enthält beträchtliche Galliumkonzentrationen und dient als weitere Gewinnungsquelle. Meerwasser enthält extrem geringe Galliumkonzentrationen von etwa 0.03 Teilen pro Milliarde, wodurch die Gewinnung aus Meerwasser wirtschaftlich nicht durchführbar ist. Das meiste kommerziell gewonnene Gallium fällt als Nebenprodukt der Aluminium- und Zinkproduktion an und wird nicht direkt abgebaut. Das Bayer-Verfahren zur Raffination von Aluminium aus Bauxit reichert Gallium in der Natriumaluminatlösung an, aus der es gewonnen werden kann. China, Deutschland, Kasachstan und die Ukraine sind die wichtigsten Galliumproduzenten, wobei China die weltweite Produktion dominiert. Die Knappheit des Elements und seine Abhängigkeit von der Produktion anderer Metalle machen es für Technologieindustrien strategisch bedeutend.
Handhabung
Gallium gilt im Allgemeinen als sicher im Umgang mit grundlegenden Laborsicherheitsmaßnahmen, doch mehrere wichtige Sicherheitsaspekte müssen beachtet werden. Das reine Metall birgt bei normalem Umgang nur ein minimales Risiko akuter Toxizität und ist unter normalen Bedingungen nicht als gefährlicher Stoff eingestuft. Gallium besitzt jedoch die ungewöhnliche Eigenschaft, stark an Glas und anderen Materialien zu haften, was möglicherweise dauerhafte Verfärbungen oder Oberflächenschäden an Laborgeräten und Oberflächen verursacht. Direkter Hautkontakt mit metallischem Gallium sollte vermieden werden, da es Hautreizungen verursachen und hartnäckige, schwer zu entfernende Flecken hinterlassen kann. Das Metall hat einen sehr niedrigen Schmelzpunkt (29.8°C) und schmilzt daher in warmen Händen, kann jedoch Verbrennungen verursachen, wenn es über die Körpertemperatur hinaus erhitzt wird. Galliumverbindungen stellen größere Gefahren dar als das reine Metall. Galliumsalze sind bei Aufnahme großer Mengen leicht giftig und können möglicherweise Magen-Darm-Reizungen verursachen. Das Einatmen von Galliumstaub oder -dämpfen muss durch angemessene Belüftung und bei Bedarf Atemschutz verhindert werden. Die Halbleiterverbindungen des Elements, insbesondere Galliumarsenid, erfordern aufgrund des enthaltenen giftigen Arsens besondere Umgangsverfahren. Beschäftigte in der Halbleiterherstellung müssen strenge Protokolle befolgen, um eine Exposition gegenüber Galliumarsenidstaub oder -dämpfen zu verhindern. Die Entsorgung galliumhaltiger Materialien muss den örtlichen Vorschriften für gefährliche Abfälle entsprechen, insbesondere bei elektronischen Bauteilen und industriellen Rückständen. Langzeitstudien zur Exposition deuten darauf hin, dass eine Anreicherung von Gallium im Körper möglich ist, obwohl akute Toxizität selten auftritt. Schwangere und Kinder sollten im Umgang mit Galliumverbindungen besondere Vorsicht walten lassen. Zu den Notfallmaßnahmen gehören sofortiges Waschen mit Wasser und Seife bei Hautkontakt sowie ärztliche Behandlung, wenn versehentlich große Mengen aufgenommen wurden.
Schnelle Antworten
Gallium (Symbol Ga) ist Element 31 im Periodensystem, ein Nachübergangsmetall in der 4, Gruppe 13. Ein Metall, das in Ihrer Hand bei 29,8 Grad C schmilzt und die Grundlage blauer LEDs und von 5G-Funkgeräten bildet. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹; sie ergibt 4 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 3. Seine Außenschale enthält 3 Elektronen, wodurch sein Bindungsverhalten bestimmt wird.Gallium schmilzt bei 302.9 K (29.8 °C) und siedet bei 2673 K (2399.9 °C).
Die Standardatommasse von Gallium beträgt 69.723 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Gallium hat eine Dichte von 5.91 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Gallium ungefähr 5.9× schwerer.
Gallium hat eine Elektronegativität von 1.81 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Gallium wurde 1875 von Lecoq de Boisbaudran entdeckt. Es ist nach lateinisch Gallia, Frankreich benannt.
Gallium macht Über 19 mg/kg der Erdkruste aus — nicht häufig, aber auch nicht selten.