Ga · Élément 31 · Métal post-transitionnel
Un métal qui fond dans votre main à 29,8 degrés C et constitue la base des LED bleues et des radios 5G.
Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe gallium parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 135 pm — soit 0,135 nm ; il en faudrait donc environ 3,7 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Gallium est liquide dans une plage de 2370 K, de 303 K à 2673 K.
Où il se trouve
Gallium se trouve dans la période 4, groupe 13. Tous les éléments du groupe 13 possèdent le même nombre d’électrons externes, ce qui explique qu’ils se comportent de manière si similaire.
Autres Métaux post-transitionnels
Tous les métaux post-transitionnelsL’histoire
Le gallium est le métal étonnant qui fond dans votre main, mais peut résister à un froid extrême. Ce métal post-transitionnel bleu argenté possède l’une des propriétés les plus inhabituelles du tableau périodique: il fond à seulement 29,8 °C (85,6 °F), ce qui signifie qu’il se transforme en une flaque liquide brillante lorsqu’on le tient. Mais voici la partie vraiment étrange: le gallium liquide peut rester liquide jusqu’à -120 °C s’il est suffisamment pur, ce qui en fait l’un des rares métaux présentant une plage de liquidité aussi étendue. Découvert en 1875 par le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, le gallium avait en fait été prédit par Dmitri Mendeleïev en 1871, qui l’avait appelé « eka-aluminium ». Lorsque Lecoq le découvrit, ses propriétés correspondaient presque parfaitement aux prédictions de Mendeleïev, apportant une preuve spectaculaire de la réalité du tableau périodique. Le nom vient de « Gallia », le nom latin de la France. Ce qui rend le gallium absolument révolutionnaire, c’est son rôle dans l’électronique moderne. Les semi-conducteurs d’arséniure de gallium (GaAs) sont plus rapides et plus efficaces que le silicium, ce qui les rend essentiels pour les applications à haute fréquence comme les amplificateurs de téléphones portables, les communications par satellite et les lampes à LED. Votre smartphone contient probablement plusieurs composés du gallium qui lui permettent de transmettre des données à une vitesse fulgurante. Le gallium possède également des propriétés étonnantes. C’est l’une des rares substances qui se dilatent en se solidifiant, comme l’eau lorsqu’elle forme de la glace, ce qui signifie que le gallium solide flotte sur le gallium liquide. Il peut aussi mouiller le verre et d’autres matériaux, créant un revêtement semblable à un miroir étudié pour l’électronique flexible et les antennes en métal liquide. Voici quelque chose d’incroyable: le gallium fait l’objet de recherches pour le traitement du cancer. Les composés du gallium peuvent perturber le métabolisme du fer dans les cellules cancéreuses, ce qui pourrait priver les tumeurs du fer dont elles ont besoin pour se développer. Il est également utilisé en imagerie médicale sous forme de gallium-67, qui s’accumule dans les zones d’infection et d’inflammation.
L’histoire de la découverte du gallium est fascinante : elle s’étend sur plusieurs décennies et met en jeu plusieurs scientifiques, en commençant par la remarquable prédiction de Dmitri Mendeleïev et en aboutissant à l’isolement effectif de l’élément par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. En 1871, Mendeleïev prédit l’existence d’un élément inconnu qu’il appela « eka-aluminium », en se fondant sur les lacunes de son tableau périodique. Il prédit avec une précision extraordinaire sa masse atomique, sa masse volumique et ses propriétés chimiques. Mendeleïev prédit que cet élément aurait une masse atomique d’environ 68, un point de fusion bas et formerait des composés similaires à ceux de l’aluminium, des propriétés qui se révélèrent ensuite remarquablement exactes. La découverte effective eut lieu en 1875, lorsque le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran réalisait une analyse spectroscopique d’un minerai de zinc provenant des Pyrénées. En examinant le spectre, il remarqua deux raies violettes inhabituelles qui ne correspondaient à aucun élément connu, indiquant la présence d’un nouvel élément. Lecoq de Boisbaudran nomma l’élément « gallium » d’après Gallia, le nom latin de la France, bien que certaines sources suggèrent également un jeu de mots avec son propre nom, Lecoq signifiant « le coq » en français et gallus signifiant « coq » en latin. Quelques mois après la découverte spectroscopique, Lecoq de Boisbaudran réussit à isoler un petit échantillon de gallium métallique par électrolyse, confirmant ses propriétés physiques. La correspondance entre les prédictions de Mendeleïev et les propriétés réelles du gallium apporta une validation spectaculaire de la loi périodique et du tableau périodique de Mendeleïev. Cette découverte devint l’un des exemples les plus célèbres de prédiction scientifique en chimie, démontrant le pouvoir prédictif du système périodique. Le travail minutieux de Lecoq de Boisbaudran pour isoler et caractériser le gallium permit d’établir nombre de ses propriétés fondamentales et de ses comportements chimiques, qui restent exacts aujourd’hui.
Applications
Le gallium est devenu un élément essentiel de la technologie moderne, en particulier dans les industries des semi-conducteurs et de l’électronique. Son utilisation principale est la production de semi-conducteurs d’arséniure de gallium (GaAs) et de nitrure de gallium (GaN), essentiels aux applications à haute fréquence, à l’éclairage LED, aux diodes laser et aux cellules solaires. Ces semi-conducteurs offrent des performances supérieures à celles des composants traditionnels à base de silicium, notamment dans les applications de forte puissance et à haute fréquence. Le gallium est largement utilisé dans la fabrication de LED bleues et blanches, qui ont révolutionné les systèmes d’éclairage à faible consommation d’énergie dans le monde entier. La propriété particulière du métal de se dilater lorsqu’il se solidifie le rend précieux dans des applications spécialisées telles que les alternatives aux amalgames dentaires et les alliages à bas point de fusion. Dans le domaine médical, les composés du gallium sont utilisés dans des produits radiopharmaceutiques pour la scintigraphie osseuse et la détection du cancer. Le citrate de gallium-67 est particulièrement important en médecine nucléaire pour détecter les inflammations et les infections. L’élément est également utilisé dans les thermomètres conçus pour les mesures à haute température, les miroirs et certaines compositions verrières. Des développements récents ont vu le gallium utilisé dans des cellules photovoltaïques avancées, où des couches de phosphure de gallium-indium améliorent le rendement des cellules solaires. L’industrie aérospatiale utilise des alliages de gallium dans des composants spécialisés nécessitant des matériaux présentant des propriétés thermiques précises. Les recherches se poursuivent sur les applications potentielles du gallium en informatique quantique, où les boîtes quantiques d’arséniure de gallium sont prometteuses pour le traitement de l’information quantique. L’industrie électronique dépend fortement du gallium pour fabriquer des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) utilisés dans les communications par satellite, les systèmes radar et les stations de base sans fil.
L’application la plus courante du gallium se trouve dans la fabrication de semi-conducteurs, où il constitue la base des puces d’arséniure de gallium (GaAs) utilisées dans les smartphones, les tablettes et les appareils de communication sans fil. Chaque ampoule LED moderne contient du nitrure de gallium, ce qui en fait l’un des éléments les plus largement présents dans les produits de consommation actuels. Les panneaux solaires intègrent de plus en plus des composés du gallium pour améliorer leur rendement, en particulier dans les systèmes photovoltaïques à concentration utilisés dans les grandes installations solaires. Les établissements d’imagerie médicale utilisent le gallium-67 pour les scintigraphies osseuses et la détection des infections, ce qui en fait un élément courant dans les soins de santé. Les thermomètres haute température utilisés dans l’industrie contiennent souvent du gallium en raison de sa large plage de liquidité et de ses propriétés non toxiques par rapport au mercure. L’industrie aérospatiale utilise des alliages de gallium dans des miroirs spécialisés et des composants optiques destinés aux satellites et aux télescopes spatiaux. L’électronique grand public bénéficie des propriétés du gallium dans les amplificateurs de puissance des stations de base cellulaires et des routeurs Wi-Fi. Les applications automobiles comprennent des semi-conducteurs à base de gallium dans les systèmes de recharge des véhicules électriques et les phares LED. Les laboratoires de recherche du monde entier utilisent des substrats d’arséniure de gallium pour les dispositifs électroniques expérimentaux et la recherche quantique. Le secteur des énergies renouvelables utilise le gallium dans des conceptions avancées de cellules solaires, notamment pour les applications spatiales où le rendement est primordial. Les applications militaires et de défense utilisent l’arséniure de gallium dans les systèmes radar, les équipements de guerre électronique et les dispositifs de communication sécurisés. Même des applications courantes comme les lecteurs de codes-barres et les lecteurs de DVD reposent sur des diodes laser en arséniure de gallium pour fonctionner.
D’où il vient
19 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 71 % des éléments
Le gallium est l’un des éléments stables les plus rares sur Terre, avec une concentration moyenne de seulement 19 parties par million dans la croûte terrestre, ce qui le rend plus rare que le plomb, mais plus abondant que l’or. Contrairement à de nombreux métaux, le gallium n’existe pas dans la nature sous forme d’élément libre en raison de sa forte réactivité. Il est plutôt présent à l’état de trace dans divers minéraux, le plus souvent dans la bauxite, le minerai d’aluminium, les minerais de zinc et le charbon. L’élément se trouve généralement en remplacement de l’aluminium dans des minéraux comme le diaspore et la böhmite au sein des gisements de bauxite. La sphalérite, principal minerai de zinc, contient des concentrations de gallium allant de 10 à 300 parties par million, ce qui fait du raffinage du zinc la principale source de production de gallium. Les gisements de charbon contiennent souvent du gallium, qui se concentre dans les cendres volantes lors de la combustion du charbon, offrant une autre source d’extraction. Certains minéraux de terres rares comme la loparite et la monazite contiennent des traces de gallium. L’élément se trouve également en petites quantités dans les minerais de fer et de manganèse. La germanite, un minéral de sulfure de cuivre, contient des concentrations importantes de gallium et constitue une autre source d’extraction. L’eau de mer contient des concentrations extrêmement faibles de gallium, environ 0,03 partie par milliard, ce qui rend son extraction économiquement irréalisable. La majeure partie du gallium commercial est obtenue comme sous-produit de la production d’aluminium et de zinc, plutôt que par extraction minière directe. Le procédé Bayer utilisé pour raffiner l’aluminium à partir de la bauxite concentre le gallium dans la solution d’aluminate de sodium, à partir de laquelle il peut être extrait. La Chine, l’Allemagne, le Kazakhstan et l’Ukraine sont les principaux producteurs de gallium, la Chine dominant la production mondiale. La rareté de l’élément et sa dépendance à l’égard de la production d’autres métaux le rendent stratégiquement important pour les industries technologiques.
Manipulation
Le gallium métallique est généralement considéré comme sûr à manipuler avec les précautions de base en laboratoire, mais plusieurs aspects importants de sécurité doivent être respectés. Le métal pur présente des risques minimes de toxicité aiguë et n’est pas classé comme substance dangereuse dans des conditions normales de manipulation. Cependant, le gallium possède la propriété inhabituelle d’adhérer fortement au verre et à d’autres matériaux, ce qui peut entraîner des taches permanentes ou endommager les surfaces et le matériel de laboratoire. Le contact direct de la peau avec le gallium métallique doit être évité, car il peut provoquer une irritation cutanée et laisser des taches persistantes difficiles à éliminer. Le métal a un point de fusion très bas (29,8 °C), ce qui signifie qu’il fond dans des mains chaudes et peut provoquer des brûlures s’il est chauffé au-dessus de la température corporelle. Les composés du gallium présentent des dangers plus importants que le métal pur : les sels de gallium sont légèrement toxiques s’ils sont ingérés en grandes quantités et peuvent provoquer une irritation gastro-intestinale. L’inhalation de poussières ou de fumées de gallium doit être évitée grâce à une ventilation adéquate et, si nécessaire, à une protection respiratoire. Les composés semi-conducteurs de l’élément, en particulier l’arséniure de gallium, nécessitent des procédures particulières de manipulation en raison de la présence d’arsenic toxique. Les travailleurs de la fabrication de semi-conducteurs doivent suivre des protocoles stricts pour éviter l’exposition aux poussières ou aux vapeurs d’arséniure de gallium. L’élimination des matériaux contenant du gallium doit respecter la réglementation locale relative aux déchets dangereux, notamment pour les composants électroniques et les résidus industriels. Les études sur l’exposition à long terme indiquent qu’une accumulation de gallium dans l’organisme est possible, bien que la toxicité aiguë soit rare. Les femmes enceintes et les enfants doivent faire preuve d’une prudence supplémentaire à proximité des composés du gallium. Les procédures d’urgence doivent prévoir un lavage immédiat à l’eau et au savon en cas de contact cutané, ainsi qu’une consultation médicale en cas d’ingestion accidentelle de grandes quantités.
Réponses rapides
Gallium (symbole Ga) est l’élément 31 du tableau périodique, un Métal post-transitionnel de la période 4, du groupe 13. Un métal qui fond dans votre main à 29,8 degrés C et constitue la base des LED bleues et des radios 5G. À température ambiante, c’est un solide.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹ ; elle comporte 4 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 3. Sa couche externe contient 3 électrons, ce qui détermine son comportement en matière de liaisons.Gallium fond à 302.9 K (29.8 °C) et bout à 2673 K (2399.9 °C).
La masse atomique standard de Gallium est de 69.723 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Gallium a une masse volumique de 5.91 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Gallium est donc environ 5.9× plus lourd.
Gallium a une électronégativité de Pauling de 1.81. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Gallium a été découvert en 1875 par Lecoq de Boisbaudran. Il porte le nom de latin Gallia, France.
Gallium constitue environ 19 mg/kg de la croûte terrestre — peu courant, mais pas rare.