Struttura
Non è un diagramma di punti su anelli, ma un campionamento Monte Carlo della densità di probabilità effettiva |ψ|² per ogni sottolivello occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il viola indicano segni opposti della funzione d'onda, rendendo possibile il legame.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca gallio tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati da ~ sono predetti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Radius 135 pm — that is 0.135 nm, so about 3704 million of them side by side would span a millimetre.
Intervallo termico
Gallio is liquid over a 2370 K window, from 303 K to 2673 K.
La storia
Il gallio è lo straordinario metallo che fonde in mano, ma può resistere a un freddo estremo. Questo metallo post-transizione di colore blu-argenteo possiede una delle proprietà più insolite della tavola periodica: fonde a soli 29.8°C (85.6°F), il che significa che si trasforma in una lucida pozza liquida quando lo si tiene in mano. Ma ecco la parte davvero strana: il gallio liquido può rimanere liquido fino a -120°C se è abbastanza puro, diventando uno dei pochi metalli con un intervallo di liquidità così ampio. Scoperto nel 1875 dal chimico francese Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, il gallio era stato in realtà previsto da Dmitri Mendeleev nel 1871 e chiamato "eka-alluminio". Quando Lecoq lo trovò, le proprietà corrispondevano quasi perfettamente alle previsioni di Mendeleev, fornendo una spettacolare dimostrazione che la tavola periodica era reale. Il nome deriva da "Gallia", il nome latino della Francia. Ciò che rende il gallio assolutamente rivoluzionario è il suo ruolo nell'elettronica moderna. I semiconduttori di arseniuro di gallio (GaAs) sono più veloci ed efficienti del silicio, rendendoli essenziali per applicazioni ad alta frequenza come gli amplificatori dei telefoni cellulari, le comunicazioni satellitari e le luci LED. Il vostro smartphone probabilmente contiene diversi composti di gallio che gli permettono di trasmettere dati a velocità fulminee. Il gallio possiede anche alcune proprietà sorprendenti. È una delle poche sostanze che si espandono quando solidificano (come l'acqua quando forma il ghiaccio), il che significa che il gallio solido galleggia sul gallio liquido. Può inoltre bagnare il vetro e altri materiali, creando un rivestimento simile a uno specchio che viene studiato per l'elettronica flessibile e le antenne in metallo liquido. Ecco qualcosa di incredibile: il gallio viene studiato per il trattamento del cancro. I composti del gallio possono interferire con il metabolismo del ferro nelle cellule tumorali, privando potenzialmente i tumori del ferro di cui hanno bisogno per crescere. Viene inoltre utilizzato nella diagnostica per immagini sotto forma di gallio-67, che si accumula nelle aree di infezione e infiammazione.
La storia della scoperta del gallio è affascinante, si estende nell'arco di diversi decenni e coinvolge numerosi scienziati: inizia con la straordinaria previsione di Dmitri Mendeleev e culmina con l'effettivo isolamento dell'elemento da parte di Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. Nel 1871 Mendeleev predisse l'esistenza di un elemento sconosciuto che chiamò "eka-alluminio", basandosi sulle lacune nella sua tavola periodica; ne previde con notevole precisione la massa atomica, la densità e le proprietà chimiche. Mendeleev predisse che questo elemento avrebbe avuto una massa atomica di circa 68, un basso punto di fusione e avrebbe formato composti simili a quelli dell'alluminio: proprietà che in seguito si dimostrarono sorprendentemente accurate. La scoperta effettiva avvenne nel 1875, quando il chimico francese Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran stava conducendo un'analisi spettroscopica di un minerale di zinco proveniente dai Pirenei. Esaminando lo spettro, notò due insolite righe violette che non corrispondevano a nessun elemento conosciuto, indicando la presenza di un nuovo elemento. Lecoq de Boisbaudran chiamò l'elemento "gallio" in onore di Gallia, il nome latino della Francia, sebbene alcune fonti suggeriscano che il nome fosse anche un gioco sul suo stesso nome (Lecoq significa "il gallo" in francese, mentre gallus significa "gallo" in latino). Nel giro di pochi mesi dalla scoperta spettroscopica, Lecoq de Boisbaudran riuscì a isolare un piccolo campione di gallio metallico mediante elettrolisi, confermandone le proprietà fisiche. La corrispondenza tra le previsioni di Mendeleev e le proprietà effettive del gallio fornì una spettacolare convalida della legge periodica e della tavola periodica di Mendeleev. Questa scoperta divenne uno degli esempi più celebri di previsione scientifica nella chimica, dimostrando il potere predittivo del sistema periodico. Il meticoloso lavoro di Lecoq de Boisbaudran nell'isolare e caratterizzare il gallio stabilì molte delle sue proprietà fondamentali e dei suoi comportamenti chimici, che restano accurati ancora oggi.
Applicazioni
Il gallio è diventato un elemento essenziale nella tecnologia moderna, in particolare nei settori dei semiconduttori e dell'elettronica. Il suo uso principale è nella produzione di semiconduttori di arseniuro di gallio (GaAs) e nitruro di gallio (GaN), fondamentali per applicazioni ad alta frequenza, illuminazione LED, diodi laser e celle solari. Questi semiconduttori offrono prestazioni superiori rispetto ai componenti tradizionali a base di silicio, soprattutto nelle applicazioni ad alta potenza e ad alta frequenza. Il gallio è ampiamente utilizzato nella produzione di LED blu e bianchi, che hanno rivoluzionato i sistemi di illuminazione a basso consumo energetico in tutto il mondo. La particolare proprietà del metallo di espandersi quando solidifica lo rende prezioso in applicazioni specializzate, come alternative all'amalgama dentale e leghe a basso punto di fusione. In ambito medico, i composti del gallio sono utilizzati nei radiofarmaci per la scintigrafia ossea e l'individuazione dei tumori. Il citrato di gallio-67 è particolarmente importante nella medicina nucleare per rilevare infiammazioni e infezioni. L'elemento trova inoltre applicazione nei termometri progettati per misurazioni ad alta temperatura, negli specchi e in composizioni specializzate del vetro. Sviluppi recenti hanno visto l'impiego del gallio nelle celle fotovoltaiche avanzate, dove strati di fosfuro di gallio e indio migliorano l'efficienza delle celle solari. L'industria aerospaziale utilizza leghe di gallio in componenti specializzati che richiedono materiali con specifiche proprietà termiche. Proseguono le ricerche sulle potenziali applicazioni del gallio nell'informatica quantistica, dove i punti quantici di arseniuro di gallio mostrano risultati promettenti per l'elaborazione dell'informazione quantistica. L'industria elettronica dipende fortemente dal gallio per la produzione di transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT), utilizzati nelle comunicazioni satellitari, nei sistemi radar e nelle stazioni base wireless.
L'applicazione più comune del gallio è nella produzione di semiconduttori, dove costituisce la base dei chip di arseniuro di gallio (GaAs) utilizzati negli smartphone, nei tablet e nei dispositivi per le comunicazioni wireless. Ogni moderna lampadina LED contiene nitruro di gallio, rendendolo uno degli elementi più diffusi nei prodotti di consumo odierni. I pannelli solari incorporano sempre più composti del gallio per aumentarne l'efficienza, in particolare nei sistemi fotovoltaici a concentrazione utilizzati negli impianti solari di grandi dimensioni. Le strutture per la diagnostica per immagini utilizzano il gallio-67 per la scintigrafia ossea e il rilevamento delle infezioni, rendendolo un elemento di routine nell'assistenza sanitaria. I termometri ad alta temperatura negli ambienti industriali contengono spesso gallio grazie al suo ampio intervallo di liquidità e alle proprietà non tossiche rispetto al mercurio. L'industria aerospaziale utilizza leghe di gallio in specchi specializzati e componenti ottici per satelliti e telescopi spaziali. L'elettronica di consumo beneficia delle proprietà del gallio negli amplificatori di potenza per le stazioni base cellulari e i router WiFi. Le applicazioni automobilistiche includono semiconduttori a base di gallio nei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici e nei fari LED. I laboratori di ricerca di tutto il mondo utilizzano substrati di arseniuro di gallio per dispositivi elettronici sperimentali e la ricerca quantistica. Il settore delle energie rinnovabili impiega il gallio nella progettazione di celle solari avanzate, in particolare per le applicazioni spaziali, dove l'efficienza è fondamentale. Le applicazioni militari e della difesa utilizzano l'arseniuro di gallio nei sistemi radar, nelle apparecchiature per la guerra elettronica e nei dispositivi per comunicazioni sicure. Persino applicazioni quotidiane come gli scanner di codici a barre e i lettori DVD dipendono dai diodi laser di arseniuro di gallio per il loro funzionamento.
Da dove proviene
19 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 71% of elements
Il gallio è uno degli elementi stabili più rari sulla Terra, con una concentrazione media di appena 19 parti per milione nella crosta terrestre, risultando più raro del piombo ma più abbondante dell'oro. A differenza di molti metalli, il gallio non esiste in natura come elemento libero a causa della sua elevata reattività. Si trova invece come elemento in tracce in diversi minerali, soprattutto nella bauxite (minerale di alluminio), nei minerali di zinco e nel carbone. L'elemento si trova tipicamente come sostituto dell'alluminio in minerali come diasporo e boehmite all'interno dei giacimenti di bauxite. La sfalerite, il principale minerale di zinco, contiene concentrazioni di gallio comprese tra 10 e 300 parti per milione, rendendo la raffinazione dello zinco la principale fonte di produzione del gallio. I giacimenti di carbone contengono spesso gallio, che si concentra nelle ceneri volanti durante la combustione del carbone, offrendo una fonte alternativa di estrazione. Alcuni minerali delle terre rare, come loparite e monazite, contengono tracce di gallio. L'elemento si trova inoltre in piccole quantità nei minerali di ferro e manganese. La germanite, un minerale di solfuro di rame, contiene concentrazioni significative di gallio e costituisce un'altra fonte di estrazione. L'acqua oceanica contiene concentrazioni estremamente basse di gallio, circa 0.03 parti per miliardo, rendendo economicamente impraticabile l'estrazione dall'acqua marina. La maggior parte del gallio commerciale viene ottenuta come sottoprodotto della produzione di alluminio e zinco, anziché essere estratta direttamente. Il processo Bayer utilizzato per raffinare l'alluminio dalla bauxite concentra il gallio nella soluzione di alluminato di sodio, dalla quale può essere estratto. Cina, Germania, Kazakistan e Ucraina sono i principali produttori di gallio, con la Cina che domina la produzione mondiale. La scarsità dell'elemento e la sua dipendenza dalla produzione di altri metalli lo rendono strategicamente importante per le industrie tecnologiche.
Manipolazione
Il gallio metallico è generalmente considerato sicuro da manipolare adottando le precauzioni di base del laboratorio, ma è necessario osservare diverse importanti considerazioni di sicurezza. Il metallo puro presenta rischi minimi di tossicità acuta e non è classificato come sostanza pericolosa nelle normali condizioni di manipolazione. Tuttavia, il gallio ha la particolare proprietà di aderire fortemente al vetro e ad altri materiali, causando potenzialmente macchie permanenti o danni superficiali alle apparecchiature e alle superfici di laboratorio. È necessario evitare il contatto diretto della pelle con il gallio metallico, poiché può causare irritazione cutanea e lasciare macchie persistenti difficili da rimuovere. Il metallo ha un punto di fusione molto basso (29.8°C), il che significa che fonde nelle mani calde, causando potenzialmente ustioni se viene riscaldato oltre la temperatura corporea. I composti del gallio presentano pericoli più significativi rispetto al metallo puro: i sali di gallio sono lievemente tossici se ingeriti in grandi quantità e possono causare irritazione gastrointestinale. È necessario prevenire l'inalazione di polveri o fumi di gallio mediante una ventilazione adeguata e, quando necessario, una protezione delle vie respiratorie. I composti dell'elemento usati nei semiconduttori, in particolare l'arseniuro di gallio, richiedono procedure di manipolazione speciali a causa della presenza di arsenico tossico. I lavoratori nella produzione di semiconduttori devono seguire protocolli rigorosi per prevenire l'esposizione a polveri o vapori di arseniuro di gallio. Lo smaltimento dei materiali contenenti gallio richiede il rispetto delle normative locali sui rifiuti pericolosi, in particolare per i componenti elettronici e i residui industriali. Gli studi sull'esposizione a lungo termine suggeriscono che è possibile un accumulo di gallio nell'organismo, sebbene la tossicità acuta sia rara. Le donne in gravidanza e i bambini devono prestare ulteriore attenzione in presenza di composti del gallio. Le procedure di emergenza devono includere il lavaggio immediato con acqua e sapone in caso di contatto con la pelle e il ricorso a cure mediche se vengono ingerite accidentalmente grandi quantità.
Risposte rapide
Gallio (symbol Ga) is element 31 on the periodic table, a metallo post-transizione in period 4, group 13. A metal that melts in your hand at 29.8 degrees C and is the foundation of blue LEDs and 5G radios. At room temperature it is a solid.
[Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹, giving 4 occupied shells holding 2, 8, 18, 3 electrons respectively. Its outer shell holds 3 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Gallio melts at 302.9 K (29.8 °C) and boils at 2673 K (2399.9 °C).
The standard atomic weight of Gallio is 69.723 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Gallio has a density of 5.91 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of gallio is about 5.9× heavier.
Gallio has a Pauling electronegativity of 1.81. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Gallio was discovered in 1875 by Lecoq de Boisbaudran. It is named after latin Gallia, France.
Gallio makes up about 19 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.