Gallium

A gallium a periódusos rendszer egy kémiai eleme. Vegyjele Ga, rendszáma 31. A 13. csoportba (III. főcsoport) tartozik. Elemi állapotban ezüstös színű, lágy, mérgező hatású, könnyen nyújtható fém.

31 cink ← gallium → germánium Al ↑ Ga ↓ In [Ar] 3d104s24p1 31 Ga Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	gallium, Ga, 31
Latin megnevezés	gallium
Elemi sorozat	másodfajú fémek
Csoport, periódus, mező	13, 4, p
Megjelenés	ezüstfehér
Atomtömeg	69,723(1)  g/mol
Elektronszerkezet	[Ar] 3d10 4s2 4p1
Elektronok héjanként	2, 8, 18, 3
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	5,91 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on	6,095 g/cm³
Hármaspont	302,93 K, Pa
Olvadáspont	302,9146 K (29,7646 °C, 85,5763 °F)
Forráspont	2477 K (2204 °C, 3999 °F)
Olvadáshő$\Delta _{fus}{H}^{\ominus }$	5,59 kJ/mol
Párolgáshő $\Delta _{vap}{H}^{\ominus }$	254 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 25,86 J/(mol·K)
Gőznyomás P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 1310 1448 1620 1838 2125 2518
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	rombos
Oxidációs szám	3, 2, 1 (amfoter oxid)
Elektronegativitás	1,81 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 578,8 kJ/mol
	2.: 1979,3 kJ/mol
	3.: 2963 kJ/mol
Atomsugár	135 pm
Atomsugár (számított)	136 pm
Kovalens sugár	122±3 pm
Van der Waals-sugár	187 pm
Egyebek
Mágnesség	diamágneses
Hővezetési tényező	(300 K) 40,6 W/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd)	(20 °C) 2740 m/s
Mohs-keménység	1,5
Brinell-keménység	60 HB
CAS-szám	7440-55-3
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A gallium izotópjai izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 69Ga 60,11% Ga stabil 38 neutronnal 71Ga 39,89% Ga stabil 40 neutronnal
Hivatkozások

Története

A gallium a Dmitrij Mengyelejev által megjósolt elemek egyike, aki a periódusos rendszere alapján megjósolta az általa eka-alumíniumnak nevezett elem tulajdonságait.

Mengyelejevtől függetlenül a francia Paul Émile Lecoq de Boisbaudran az egyes elemcsaládok fényvonalait vizsgálva fedezte fel az elemet. Alkalmazta az ismert összefüggéseket a földfémekre, és így megállapította, hogy az alumínium és az indium között még egy elemnek kell lennie. A szfalerit spektrumában két viola színképvonalat talált, amiket az új elemnek tulajdonított. Több száz kilogramm szfaleritből, amiből már kivonták a cinket, sikerült is nagyobb mennyiségű gallium-hidroxidot kinyernie. Kálium-karbonát-oldatba víve elektrolízissel elő is állította az elemi galliumot.

Két elmélet is létezik a gallium név eredetére. Az egyik szerint a vegyész hazájáról, Franciaországról, egy másik vélemény szerint saját magáról, mivel a francia Le Coq és a latin gallus is kakast jelent.

Miután meghatározták a tulajdonságait, Mengyelejev felismerte az új elemben az általa megjósolt eka-alumíniumot. Sok tulajdonság megegyezett az elméletben megjósoltakkal. Így az elméleti 5,9 sűrűség nem sokkal tért el a tényleges 5,94-től.

Jellemzői

Fizikai tulajdonságai

A gallium ezüstfehér, puha fém; Mohs-keménysége 1,5. Olvadáspontja alacsony (29 °C), ezért az emberi test hőmérsékletén folyékony halmazállapotú. Ez a fémek körében a harmadik legalacsonyabb a higany és a cézium után. Ennek az az oka, hogy kristályrácsa nem annyira szimmetrikus, mint a legtöbb fémé, így kevéssé stabil. Forráspontja 2204 °C, ezért egy nagyon széles hőmérsékleti tartományban folyékony. Mivel nehezen kristályosodik, könnyű túlhűteni, vagyis a fagypontja alá hűteni úgy, hogy folyékony maradjon. A túlhűtött folyadékokban a fagyás kristályosodási magok, vagy enyhe rázkódás hatására pillanatok alatt végbemegy.

Az alumíniummal szobahőmérsékleten folyékony ötvözetet képez, de a folyékony gallium más fémeket is old, sőt, a legtöbb fém oldódik galliumban. Ezért csak nemfémes tartókban, kvarcból, üvegből készült edényekben, vagy alacsony hőmérsékleten, 450 °C-ig tantál, vagy 800 °C-ig volfrámedényben tartható.

Sűrűsége olvadáskor a vízhez, a szilíciumhoz és néhány más elemhez hasonlóan megnő; a folyékony gallium sűrűsége 3,2%-kal nagyobb, mint a szilárdé. Ez azokra az anyagokra jellemző, melyeknek molekulái szilárd halmazállapotban kötéseket alakítanak ki egymással. A szilárd gallium diamágneses, a folyékony paramágneses. Mágneses szuszceptibilitása -2,3·10⁵.

Szerkezetére jellemző a gallium-gallium kötés. Több különféle allotrop módosulata ismert, amik közül négy normál nyomáson (αあるふぁ, βべーた, γがんま és δでるた), és három magas nyomáson (Ga-II, Ga-III, Ga-IV) jön létre. Szobahőmérsékleten az ortorombikus αあるふぁ-gallium a legstabilabb. Ebben a szerkezetben az atomok páronként összekapcsolódnak, és minden atom hat, más dimerhez tartozó atommal szomszédos. A dimereket fémes kötések tartják össze. A dimerek a folyékony galliumban is megmaradnak, és még gázhalmazállapotban is kimutathatók.

A túlhűtött galliumban más szerkezet jön létre. −16,3 °C-on monoklin βべーた-gallium keletkezik. Ebben a szerkezetben az atomok párhuzamos cikkcakkos láncokat alkotnak. −19,4 °C-on trigonális δでるた-gallium alakul ki, ami az αあるふぁ-bórhoz hasonlóan eltorzult 12 atomos ikozaéderekből áll. −35,6 °C-on ortorombos γがんま-gallium kristályosodik ki. Ebben hétatomos gyűrűk csöveket alkotnak, amik belsejükben atomláncokat tartalmaznak.

A magas nyomásnak kitett szobahőmérsékletű gallium szerkezete is megváltozik. 30 kbar-on a köbös gallium-II stabil, amiben minden atomot nyolc másik vesz körül. 140 kbar-nak kitéve tetragonális gallium-III jön létre, aminek szerkezete az indiuméra hasonlít. Végül 1200 kbar alatt lapközepes kockarácsú gallium-IV keletkezik.

Módosulat	αあるふぁ-Ga	βべーた-Ga	γがんま-Ga	δでるた-Ga	Gallium-II	Gallium-III	Gallium-IV
Szerkezet
Kristályszerkezet	ortorombikus	monoklin	ortorombikus	trigonális	köbös	tetragonális	köbös
Koordinációs szám	1+6	8 (2+2+2+2)	3, 6–9	6–10	8	4+8	12
Tércsoport	$Cmca\,$	$C2/c\,$	$Cmcm\,$	$R{\bar {3}}m$	$I{\bar {4}}3d$	$I4/mmm\,$	$Fm{\bar {3}}m$
Rácsparaméter	a = 452,0 pm b = 766,3 pm c = 452,6 pm	a = 276,6 pm b = 805,3 pm c = 333,2 pm βべーた = 92°	a = 1060 pm b = 1356 pm c = 519 pm	a = 907,8 pm c = 1702 pm	a = 459,51 pm	a = 280,13 pm c = 445,2 pm	a = 408 pm
Atomszám elemi cellánként	8	8	40	66	12	3	4

Kémiai tulajdonságai

Az alumíniumhoz hasonlóan levegőn az oxidációtól vékony oxidréteg védi, csak nagy nyomású oxigénben égethető el gallium-oxiddá (Ga₂O₃). A halogének megtámadják, kénnel 1300 °C-on gallium-szulfiddá (Ga₂S₃) egyesül. Állandó vegyületeiben az oxidációs száma +3; nem állandóak a +2 oxidációfokú vegyületei. A +3 oxidációs számú vegyületei a lángot lilára festik és zömében ionos kötésű makromolekulák^[forrás?], pl.: GaF₃, Ga₂(SO₄)₃

Nem oxidáló savakban és lúgokban oldódik, hidrogént szabadítva fel; vízben passziválódik, mivel oldhatatlan gallium-hidroxid zárja el a víztől. A folyékony alumínium-gallium ötvözet azonban heves reakcióba lép a vízzel. Savakban Ga³⁺-ionok, lúgokban [Ga(OH)₄]⁻-gallátok jönnek létre. Híg savakban lassan oldódik, de királyvízben és tömény nátronlúgban gyorsan. A salétromsav a vízhez hasonlóan passziválja.

$\mathrm {2\ NaOH+2\ Ga+6\ H_{2}O\rightarrow 2\ Na[Ga(OH)_{4}]+3\ H_{2}\uparrow }$

A gallium és a nátronlúg reakciója

Élettani hatásai

A fémes galliumra nincsenek toxikológiai adatok, de maró hatásúnak tekintik.A Ga(NO₃)₃ gallium-III-nitrát és a Ga₂O₃ gallium-III-oxid LD₅₀-értékei grammnyi nagyságrendűek: a nitráté 4,360 g/kg, az oxidé 10 g/kg. Ez az a mennyiség, amit szájon át bevéve a túlélés valószínűsége 50%. Mindezekért a gallium enyhén mérgezőnek tekinthető. Ismereteink szerint a galliumnak nincs szerepe az emberi testben, nem nyomelem.

Izotópjai

Összesen 30 izotóp ismert a ⁵⁶Ga-tól a ⁸⁶Ga-ig; ezen kívül még hat magizomerről van tudomásunk. A természetben előforduló gallium fő tömegét a ⁶⁹Ga és a ⁷¹Ga adja, a többi izotóp radioaktív. A természetes galliumban az izotópok aránya:⁶⁹Ga 60,12%, és ⁷¹Ga 39,89%. a leghosszabb felezési idővel, 3,26 nappal a ⁶⁷Ga bír, a többi felezési idő percektől 14,1 óráig terjednek, ami a ⁷²Ga felezési ideje.

Két izotópot, a ⁶⁷Ga-et és a 67,71 perces felezési idejű ⁶⁸Ga-at nyomjelzőként használják a PET számára. A ⁶⁷Ga-et ciklotronban állítják elő. A ⁶⁸Ga-hoz a ⁶⁹Ga protonokkal bombázzák. A keletkezett ⁶⁸Ga-at gallium-68-generátorral vonják ki. A vizsgálatokhoz a galliumot kelátkomplexbe viszik.

Előfordulása

A gallium ritka elem a Földön. A földkéreg mindössze 19 ezrelékét adja. Gyakorisága az ólomhoz és a lítiumhoz mérhető. Csak vegyületekben jelenik meg a természetben. A legnagyobb mennyiségben a germanit (Cu₂FeGaS₄) nevű ásványban fordul elő, mely 1,85% galliumot tartalmaz, de az alumínium- és cinkércekben is megtalálható mint szennyezőanyag. Az összes bauxitmennyiség 1,6 · 10⁶ tonna galliumot tartalmaz. A utahi Apex-Mine-ban érdemesnek látták a galliumérc bányászatát, de hamarosan gazdasági okokból fel kellett adniuk.

A gallium ásványai kevéssé ismertek. Ezek közé tartoznak a Namíbiában található gallit (CuGaS₂), a söhngeit (Ga(OH)₃) és a cumgallit (GaO(OH)).

Előállítása

A galliumot az alumíniumgyártás melléktermékeként nyerik a Bayer-eljárásban. Ennek kiindulási anyaga a nátronlúgban oldott nátrium-aluminát és nátrium-gallát keverék. Innen különböző módszerekkel választják szét a két fémet. A szén-dioxiddal végzett frakcionális kristályosításban először az alumínium-hidroxid esik ki, míg a könnyebben oldható gallium-hidroxid az oldatban marad. Csak később válik ki a gallium-hidroxid alumínium-hidroxiddal keverten. Végül a keveréket nátronlúgban oldják, és elektrolizálják. A folyamat energia- és munkaigényes.

A gallium a nátronlúgos oldat közvetlen hidrolíziséből is nyerhető. Ehhez higanykatódokat használnak, ahol a keletkezett gallium feloldódik, és amalgám keletkezik. Nátriumamalgám is használható elektródként.

A gallium kerozinnal is kivonható az oldatból. A többi elem híg savakkal távolítható el. A visszamaradt galliumvegyületek tömény kénsavval vagy sósavval oldhatók, és elektrolízissel tiszta gallium kapható.

Sok ipari felhasználási terület nagyon tiszta galliumot igényel, a félvezetők például 99,999999%-os tisztaságút. A tisztítás történhet frakcionált desztillációal vagy vákuumdesztillációval.

Laboratóriumi mértékekben a galliumot nátronlúgban oldott gallium-hidroxidból platina- vagy volfrámelektródokon készítik.

Csak kevés galliumot gyártanak a különféle módszerekkel, mindössze 95 tonnát világszerte. Egy további lehetőség a galliumtartalmú hulladék feldolgozása, amiből 2008-ban 135 tonnát nyertek. A fő gyártók Kína, Németország, Kazahsztán és Ukrajna, a hulladékfeldolgozásban az Amerikai Egyesült Államok, Japán és Nagy-Britannia is jeleskedik.

Kimutatása

A gallium jellegzetes színreakciókkal kimutatható. Ezek közé tartozik a rhodamin B benzolban, ami narancssárgától vörösesliláig fluoreszkál. A morin a galliumot ugyanúgy zöld fluoreszkálással jelzi, mint az alumíniumot. A kálium-hexacianido-ferrát(III) galliummal fehér csapadékot képez. Spektrálvonalai is jelzik a galliumot: az ibolya 417,1 és a 403,1 nm jellegzetes. Mennyisége komplexometriai titrálással, példáául etildiamintetraecetsavval, vagy atomspektroszkópiával mérhető.

Vegyületei

Ga2O3	gallium-oxid
Ga(OH)3	gallium-hidroxid
GaCl3	gallium-klorid
Ga2(SO4)3	gallium-szulfát

Vegyületeiben majdnem mindig 3 az oxidációs száma. Ezen kívül ismertek még ritka és bomlékony vegyületei 1 oxidációs számmal, valamint 1 és 3 oxidációs számú galliumot egyaránt tartalmazó vegyületei is.

Legfontosabbak a nitrogéncsoport elemeivel alkotott vegyületei. A gallium-nitrid, a gallium-foszfid, a gallium-arzenid és a gallium-antimonid tipikus félvezető (III-V-félvezetők), és különféle elektronikai eszközökhöz, tranzisztorokhoz, diódákhoz használják őket, különösen a különböző színű világító diódákhoz. A különböző színeket eredményező tiltott zónákat a különböző anionokkal, vagy alumínium, indium hozzáadásával nyerik. A gallium-arzenidet napelemek gyártásához használják. Mivel ez jobban ellenáll az ionizáló sugárzásnak, mint a szilícium, a műholdakat inkább az ebből készült napelemekkel bocsátják fel.

A GaX₃ alakú halogenidek sok tulajdonságukban a megfelelő alumíniumvegyületekre emlékeztetnek. A dimerek bennük is megtalálhatók a gallium(III)-fluorid kivételével. A halogenidek közül egyedül a gallium(III)-kloridnak van némi gazdasági jelentősége; a Friedel-Crafts-reakcióban Lewis-savként szolgál.

A gallium(III)-oxid az alumínium-oxidhoz hasonlóan színtelen, magas olvadáspontú szilárd anyag. Ötféle módosulata létezik, amik közül a köbös βべーた-módosulat a legstabilabb.

Szerves vegyületei a GaR₃ alakú gallánok, a GaR gallilének és a magasabb, gallium-gallium kötéseket is tartalmazó gallánok. Sok más fémorganikus vegyülethez hasonlóan bomlékonyak, nem állnak el a levegőn. A kevés gazdaságilag jelentős szerves galliumvegyületek közé tartozik a trimetilgallium, amit reagensként és gallium-arzenid és gallium-nitrid felületek bevonására hasznosítanak.

Felhasználása

Felhasználják a higany helyettesítésére magas hőmérsékleten működő hőmérőkben, elektromos egyenirányítókban. A galliumos hőmérőkkel egészen 1200 °C-ig lehet hőmérsékletet mérni. Kevés galliummal növelni lehet az üveg törésmutatóját. A folyékony gallium segít a gázok térfogatának mérésében. Elektródnak is használják fémek kinyerésére. Jó visszaverő képessége miatt tükrök készítésére is alkalmas. Egyes ötvözetekben, magreaktorokban hőcserélőnek és lámpákban a higany helyettesítésére is megfelel.

Ötvözeteit még több területen alkalmazzák. Gadolíniummal, vassal, magnéziummal, ittriummal és lítiummal ötvözve jól mágnesezhető fém nyerhető. A V₃Ga fémvegyület viszonylag magas hőfokon, 16,8 K-en szupravezető. Sok ötvözete, például a galliumot, indiumot és ónt (latin nevén: stannum) tartalmazó galinstan szobahőmérsékleten folyékony, így helyettesítheti a mérgező higanyt, vagy a reakciókész nátrium-kálium ötvözeteket. A galinstan eutektikum vagy eutektikus ötvözet, összetétele: 68,5% Ga, 21,5% In és 10,0% Sn.

A gallium legnagyobb részéből azonban különféle vegyületeket gyártanak, és azokat használják fel. A gallium-arzenid (GaAs) magas hőmérsékleten működő nagyfrekvenciás tranzisztorok és napelemek gyártására alkalmas. 2003-ban a termelt galliummennyiség 95%-át ezekre a célokra használták.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Gallium című német Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Források

• J. F. Greber: Gallium and Gallium Compounds. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. 7. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2005, doi:10.1002/14356007.a12 163.
• Helmut Sitzmann: Gallium. In: Römpp Chemie Lexikon. Thieme Verlag, Stand Dezember 2006.