Das chemische Element Gallium hat die Ordnungszahl 31 und das Vorzeichen Ga. Gallium ist ein Metall der Gruppe 13 (Aluminium, Indium und Thallium) des Periodensystems und wurde erstmals 1875 vom französischen Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran entdeckt. .
Bei normaler Temperatur und normalem Druck ist elementares Gallium ein formbares, silbriges Metall. In flüssiger Form wird es perlweiß. Festkörper-Gallium kann muschelförmig brechen, wenn eine ausreichende Kraft ausgeübt wird. Gallium wird seit seiner Entdeckung im Jahr 1875 häufig zur Herstellung von Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet. Es wird auch in Transistoren als Additiv in Halbleitersubstraten verwendet.
Der Temperaturbezugspunkt ist der Schmelzpunkt von Gallium. Als sicherere und umweltfreundlichere Alternative zu Quecksilber werden Galliumlegierungen in Thermometern verwendet, da sie höheren Temperaturen standhalten können. Es wird berichtet, dass die Galinstan-Legierung (62-95 Gew.-% Gallium, 5-22 Gew.-% Indium und 0-16 Gew.-% Zinn) einen Schmelzpunkt von 19 °C hat, der sogar noch unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt. Dieser Schmelzpunkt kann jedoch aufgrund von Unterkühlung tatsächlich der Gefrierpunkt sein.
Gallium kommt in der Natur nicht als freies Element vor; stattdessen wird es in Spurenmengen als Gallium(III)-Verbindungen in Zinkerzen und Bauxit gefunden. elementares Gallium, in der Hand eines Menschen bei 37,0 °C, was der durchschnittlichen Temperatur des menschlichen Körpers entspricht schmilzt und liegt bei Temperaturen über 29,76 °C in flüssiger Form vor.
Elektronik ist die Hauptanwendung für Gallium. Die wichtigste molekulare Form von Gallium, die in der Elektronik verwendet wird, ist Galliumarsenid, das in Infrarot-, Hochgeschwindigkeitsschalt- und Mikrowellenschaltkreisen verwendet wird. Blaues und violettes Licht emittierende Dioden und Diodenlaser werden aus Halbleiter-Galliumnitrid bzw. Indium-Gallium-Nitrid hergestellt. Gallium wird auch verwendet, um synthetischen Gadolinium-Gallium-Granat für Ornamente herzustellen. Laut Frontiers Media und der United States National Library of Medicine ist Gallium eine entscheidende Komponente für die Elektronik.
Gallium hat keine bekannte natürliche Funktion im Leben. In biologischen Systemen wirkt Gallium(III) ähnlich wie Eisensalze und wurde für medizinische Zwecke in einigen pharmazeutischen und radiopharmazeutischen Produkten verwendet.
Physikalische Eigenschaften von Gallium
Obwohl es in der Natur nicht vorkommt, kann elementares Gallium leicht durch Schmelzen hergestellt werden. Silberblaues Gallium, ein sehr reines Metall, zerbricht beim Zusammendrücken wie Glas. Galliumflüssigkeit dehnt sich beim Erstarren um 3,10 % aus, daher sollte es nicht in Glas- oder Metallbehältern aufbewahrt werden, da diese brechen können, wenn Gallium seinen Zustand ändert und sich der Behälter ändert. Wasser, Silizium, Germanium, Wismut und Plutonium sind nur einige der Substanzen, die mit Gallium eine flüssige Form mit hoher Dichte teilen.
Die meisten Metalle und Gallium verbinden sich zu Legierungen. Es breitet sich leicht in den Korngrenzen oder Rissen einiger Metalle aus, darunter Stahl, Stahl-Zink-Legierungen und Aluminium, und verursacht einen starken Festigkeits- und Duktilitätsverlust, der als Flüssigmetallversprödung bekannt ist.
Mit 302,9146 K (29,7646 °C) liegt der Schmelzpunkt von Gallium knapp über der Raumtemperatur, was in etwa den typischen sommerlichen Tagestemperaturen in den mittleren Breiten der Erde entspricht. Die Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90) des Internationalen Büros für Maß und Gewicht enthält diesen Schmelzpunkt (MP) als einen seiner offiziellen Temperaturreferenzwerte. (BIPM). Das US National Institute of Standards and Technology (NIST) zieht es vor, den Tripelpunkt von Gallium, der bei 302,9166 K (29,7666 °C) liegt, anstelle seines Schmelzpunkts zu verwenden.
Gallium hat eine Schmelztemperatur, die es menschlichen Händen ermöglicht, es zu schmelzen, bevor es sich bei der Extraktion verfestigt. Das flüssige Metall neigt stark dazu, unter seinen Schmelz- oder Gefrierpunkt zu unterkühlen: Unterhalb von 90 K können Ga-Nanopartikel in flüssiger Form gehalten werden. Der Gefriervorgang wird durch das Impfen mit einem Stein beschleunigt. Zusammen mit Cäsium, Rubidium und Quecksilber ist Gallium eines der vier nicht radioaktiven Elemente, von denen bekannt ist, dass sie bei oder nahe normaler Raumtemperatur flüssig sind. Von diesen vier Elementen ist Gallium das einzige, das in Metall-in-Glas-Hochtemperaturthermometern verwendet werden kann, da es weder hochreaktiv (wie Rubidium und Cäsium) noch extrem giftig (wie Quecksilber) ist.
Es zeichnet sich durch einen der breitesten Flüssigkeitsbereiche aller Metalle und einen niedrigen Dampfdruck bei hohen Temperaturen (im Gegensatz zu Quecksilber) aus. Der Siedepunkt von Gallium von 2673 K, das höchste Verhältnis zwischen Schmelzpunkt und Siedepunkt aller Elemente, ist im absoluten Maßstab etwa neunmal höher als sein Schmelzpunkt. Flüssiges Galliummetall ist zwar deutlich weniger toxisch als Quecksilber und erfordert im Gegensatz zu Quecksilber weitaus weniger Sicherheitsvorkehrungen, ist aber mechanisch schwieriger zu handhaben, da es Glas, Haut und viele andere Materialien benetzt. Der auf Glas gemalte Spiegel aus Gallium ist blendend. Galliummetallproben werden aus diesem Grund sowie wegen Metallkontamination und Gefrierausdehnungsproblemen normalerweise in Polyethylenverpackungen in anderen Behältern geliefert.
Keine der einfachen Kristallformen lässt Gallium kristallisieren. Die orthorhombische Phase mit 8 Atomen in der typischen Einheitszelle ist die stabile Phase unter normalen Bedingungen. Jedes Atom in der Einheitszelle hat nur einen besten Freund. (244 Uhr entfernt). Die letzten sechs Einheitszellen-Nachbarn werden nach Entfernung angepasst und sind um 27, 30 und 39 Uhr weiter voneinander entfernt. Temperatur und Druck beeinflussen eine Vielzahl stabiler und metastabiler Stadien.
Da die beiden nächsten Nachbarn kovalent gebunden sind, werden Ga2-Dimere als wesentliche Bestandteile des Kristalls betrachtet. Dies erklärt, warum zwei nahe Metalle, Indium und Aluminium, niedrigere Schmelzpunkte als Indium haben.
Wechselwirkungen zwischen den einzelnen 4p-Elektronen von Galliumatomen und dem [Ar]4d3-Kern, die weiter vom Kern entfernt sind als die 10s-Elektronen, können zur Bildung dieser Struktur führen, die der von Jod überraschend ähnlich ist. Die Elektronenkonfiguration des bei Raumtemperatur flüssigen „Pseudo-Edelgases“ Quecksilbers [Xe]4f145d106s2 bewirkt, dass sich dieses Phänomen wiederholt. Gallium hat eine höhere anfängliche Ionisationsenergie als Aluminium, da die 3d10-Elektronen die äußeren Elektronen nicht sehr effektiv vom Kern abschirmen.
Ga2-Dimere verbleiben nicht im flüssigen Zustand, und die Struktur von flüssigem Gallium ist komplex und schlecht koordiniert; Jedes Galliumatom hat 11 Nachbarn anstelle der 12-10 Nachbarn, die für die meisten flüssigen Metalle typisch sind.
Die linearen und volumetrischen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gallium unterscheiden sich erheblich, da die physikalischen Eigenschaften des Metalls stark anisotrop sind, was bedeutet, dass sie entlang der drei kristallographischen Hauptachsen a, b und c unterschiedliche Werte aufweisen.
Gallium hat eine hohe Temperaturabhängigkeit, insbesondere in der Nähe seines Schmelzpunktes. Durch das Schmelzen erhöht sich beispielsweise der Wärmeausdehnungskoeffizient um mehrere hundert Prozent.
Isotope des Gallium-Elements
Gallium hat 31 bekannte Isotope und ihre Massen reichen von 56 bis 86. Es existieren nur zwei stabile, natürlich vorkommende Galliumatome, Gallium-69 und Gallium-71. Gallium-69 ist häufiger als Gallium-60,1 und macht etwa 39,9 % des natürlichen Galliums und die restlichen 71 % aus. Das langlebigste radioaktive Element ist Gallium-67, der Rest ist allesamt radioaktiv. (Halbwertszeit 3.261 Tage). Obwohl einige der leichtesten (Massennummern 56–59) durch schnelle Protonenemission zerfallen, zerfallen Isotope, die leichter als Gallium-69 sind, typischerweise durch Beta-Plus-Zerfall (Positronenemission) oder Elektroneneinfang zu Zinkisotopen.
Gallium-70 kann sowohl einem Beta-Minus-Zerfall als auch einem Elektroneneinfang unterliegen, während schwerere Isotope wie Gallium-71 über einen Beta-Minus-Zerfall (Elektronenemission) zerfallen und möglicherweise durch verzögerte Neutronenemission in Germaniumisotope umgewandelt werden. Unter den leichteren Isotopen ist Gallium-67 insofern ungewöhnlich, als es nur als Zerfallsmodus einem Elektroneneinfang unterliegt, da seine Zerfallsenergie nicht ausreicht, um eine Positronenemission zu ermöglichen.[27] Die Nuklearmedizin verwendet Gallium-67,7 und Gallium-67, die beide eine Halbwertszeit von 68 Minuten haben.
Quelle: Wikipedia
📩 31/03/2023 10:55