Gallio, Ga, numero atomico 31
Gallio - Prezzo, occorrenza, estrazione, utilizzo del gallio
Generale
Gallio è un elemento chimico raro con l'elemento simbolo Ga e il numero atomico 31. Nella tavola periodica è nel 4 ° periodo ed è il terzo elemento del 3 ° gruppo principale (gruppo 13) o gruppo boro. È un metallo bianco-argento che è facile da liquefare. Il gallio non cristallizza in una delle strutture cristalline che altrimenti si trovano spesso nei metalli, ma nella sua modificazione più stabile in una struttura ortorombica con dimeri di gallio. Inoltre, sono note altre sei modificazioni che si formano in condizioni di cristallizzazione speciali o ad alta pressione. In termini di proprietà chimiche, il metallo è molto simile all'alluminio.
In natura, il gallio si trova solo in piccola parte e principalmente come una miscela di minerali di alluminio, zinco o germanio; I minerali di gallio sono molto rari. Di conseguenza, è anche ottenuto come sottoprodotto nella produzione di alluminio o zinco. La maggior parte del gallio viene trasformata nell'arseniuro di gallio semiconduttore, che viene utilizzato principalmente per i diodi emettitori di luce.
Presenza
Il gallio è un elemento raro sulla terra, con un contenuto di 19 ppm nella crosta continentale, la sua abbondanza è paragonabile a quella del litio e del piombo. Non si presenta in forma elementare, ma solo in forma legata, principalmente in minerali di alluminio, zinco o germanio. I minerali più ricchi di gallio includono bauxite, blenda di zinco e germanite.
Il contenuto di gallio è per lo più basso, la bauxite trovata in Suriname con il più alto contenuto noto contiene solo lo 0,008% di gallio. Le riserve di gallio nella bauxite nel mondo sono 1,6 · 106 Tonnellate stimate. Nella germanite sono presenti contenuti più elevati fino all'1% di gallio. Solo la miniera di Apex, nello stato americano dello Utah, ha gradi di minerale così elevati che è stato fatto un tentativo di estrarla per estrarre il gallio. Tuttavia, questo non è riuscito dopo poco tempo per motivi di redditività.
Si conoscono solo pochi minerali di gallio, tra questi la gallite (CuGaS2), Söhngeit (Ga (OH)3) e tsumgallite (GaO (OH)).
Estrazione e presentazione
Il gallio è ottenuto come sottoprodotto nella produzione di alluminio dalla bauxite nel processo Bayer. Come prodotto di partenza si utilizza la miscela di alluminato di sodio e gallato di sodio sciolti in idrossido di sodio. Il gallio può essere separato dall'alluminio utilizzando vari processi. Una possibilità è la cristallizzazione frazionata con l'ausilio di anidride carbonica, con idrossido di alluminio che precipita inizialmente preferenzialmente, mentre il gallato di sodio più solubile si accumula nella soluzione di idrossido di sodio. L'idrossido di gallio viene precipitato solo dopo ulteriori fasi del processo, miscelato con idrossido di alluminio. La miscela viene quindi sciolta in una soluzione di idrossido di sodio e il gallio viene ottenuto mediante elettrolisi. Poiché questo processo è ad alta intensità di lavoro e di energia, viene utilizzato solo in paesi a basso costo, come la Repubblica popolare cinese.
Il gallio può anche essere ottenuto direttamente dalla soluzione di idrossido di sodio mediante elettrolisi. A questo scopo vengono utilizzati catodi di mercurio, un amalgama di gallio che si forma durante l'elettrolisi. È anche possibile aggiungere amalgama di sodio alla soluzione.
Con l'aiuto di speciali idrossichinoline come leganti chelanti, è possibile estrarre il gallio dalla soda caustica con cherosene e quindi separarlo dall'alluminio. Altri elementi, anch'essi estratti, possono essere separati con acidi diluiti. Il composto di gallio rimanente viene quindi sciolto in acido cloridrico o solforico concentrato e ridotto elettroliticamente al metallo.
Il gallio purissimo è richiesto per molte applicazioni tecniche; per i semiconduttori, ad esempio, può contenere solo un centomilionesimo di sostanze estranee. Possibili metodi di pulizia sono la distillazione sotto vuoto, la cristallizzazione frazionata o la fusione a zone.
La quantità di gallio prodotta è piccola, nel 2008 la produzione primaria mondiale era di 95 tonnellate. Un'altra fonte importante è il riciclo dei rifiuti contenenti gallio, da cui sono state estratte nel 2008 ulteriori 135 tonnellate di gallio. I principali paesi produttori sono la Repubblica Popolare Cinese, la Germania, il Kazakistan e l'Ucraina, per il riciclaggio del gallio anche Stati Uniti, Giappone e Regno Unito.
Su scala di laboratorio, il gallio può essere prodotto mediante elettrolisi di una soluzione di idrossido di gallio in una soluzione di idrossido di sodio su elettrodi di platino o tungsteno.
Proprietà
Proprietà fisiche
Il gallio è un metallo bianco argenteo, morbido (durezza Mohs: 1,5). Ha un punto di fusione insolitamente basso per i metalli, che è 29,76 ° C. Dopo il mercurio e il cesio, è il metallo con il punto di fusione più basso, che è anche ben al di sotto di quello degli elementi vicini alluminio e indio. Ciò è probabilmente dovuto alla insolita struttura cristallina, che, a differenza delle strutture di altri metalli, non ha un alto grado di simmetria ed è quindi poco stabile. Poiché il punto di ebollizione è relativamente alto a 2204 ° C, il gallio ha un'area insolitamente ampia in cui è liquido. A causa della difficile cristallizzazione, il gallio liquido può essere facilmente raffreddato al di sotto del punto di fusione (sottoraffreddamento) e cristallizza improvvisamente quando si formano i nuclei di cristallizzazione.
Come il silicio, alcuni altri elementi e l'acqua, il gallio ha un'anomalia di densità; la sua densità allo stato liquido è di circa il 3,2% superiore rispetto alla forma solida. Questo è tipico delle sostanze che hanno legami molecolari allo stato solido.
Il gallio è diamagnetico allo stato solido, ma diventa paramagnetico allo stato liquido (
= 2,4 10-6 a 40 ° C)
La formazione di legami gallio-gallio è caratteristica delle sue strutture. Sono note varie modifiche che si formano in diverse condizioni di cristallizzazione (quattro modificazioni note, da α- a δ-gallio, sotto pressione normale) e sotto pressione (per un totale di tre ulteriori modifiche ad alta pressione, Ga-II, Ga-III, Ga-IV). La modifica più stabile a temperatura ambiente è l'α-gallio, che cristallizza in una struttura a strati ortorombici. Due atomi legati l'uno all'altro tramite un legame covalente formano un dimero. Ogni atomo di gallio è anche adiacente ad altri sei atomi di altri dimeri. Esistono legami metallici tra i singoli dimeri. I dimeri di gallio sono così stabili da essere inizialmente trattenuti anche quando fondono e possono essere rilevati anche in fase gassosa.
Ulteriori modifiche si formano durante la cristallizzazione del gallio liquido super raffreddato. A -16,3 ° C, si forma β-gallio, che ha una struttura cristallina monoclina. Nella struttura ci sono catene a zigzag parallele di atomi di gallio. Se la cristallizzazione avviene ad una temperatura di -19,4 ° C, si forma il δ-gallio trigonale, in cui, paragonabile all'α-boro, sono presenti icosaedri distorti costituiti da dodici atomi di gallio. Questi sono collegati tra loro tramite singoli atomi di gallio. A −35,6 ° C si forma infine γ-gallio. In questa modifica ortorombica, i tubi sono formati da Ga interconnessi7Anelli nel mezzo di una catena lineare di altri atomi di gallio.
Se il gallio viene posto sotto alta pressione a temperatura ambiente, si formano varie modifiche ad alta pressione una dopo l'altra quando la pressione viene aumentata. La modifica cubica di gallio II è stabile sopra i 30 kbar, in cui ogni atomo è circondato da altri otto. Se la pressione viene aumentata a 140 kbar, il metallo ora cristallizza come gallio-III tetragonale in una struttura che corrisponde a quella dell'indio. Se la pressione viene ulteriormente aumentata a circa 1200 kbar, la struttura cubica centrata sulla faccia del gallio IV viene infine formata.
Proprietà chimiche
Le proprietà chimiche del gallio sono simili a quelle dell'alluminio. In questo modo, il gallio viene passivato dalla formazione di uno strato denso di ossido nell'aria e non reagisce. Solo in ossigeno puro ad alta pressione il metallo brucia con una fiamma brillante per formare l'ossido. Allo stesso modo, non reagisce nemmeno con l'acqua, poiché qui si forma l'idrossido di gallio insolubile. Se invece il gallio è legato con l'alluminio ed è liquido a temperatura ambiente per l'abbassamento del punto di fusione, reagisce molto violentemente con l'acqua. Il gallio reagisce anche rapidamente con gli alogeni per formare i corrispondenti sali GaX3.
Il gallio è anfotero e solubile sia in acidi che in basi con evoluzione dell'idrogeno. Negli acidi, come l'alluminio, si formano sali con Ga3+Ioni, in basi gallati della forma [Ga (OH)4]-. Si dissolve lentamente in acidi diluiti e rapidamente in acqua regia e soda caustica concentrata. Il gallio è passivato dall'acido nitrico.
![\ mathrm {2 \ NaOH + 2 \ Ga + 6 \ H_2O \ rightarrow 2 \ Na [Ga (OH) _4] + 3 \ H_2 \ uparrow}](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/math/7/e/6/7e633a1c6ed8f76b3ebfabbcaba5e544.png)
- Reazione di gallio con soda caustica
La maggior parte dei metalli viene attaccata dal gallio liquido, quindi può essere conservato solo in contenitori di quarzo, vetro, grafite, ossido di alluminio, tungsteno fino a 800 ° C e tantalio fino a 450 ° C.
isotopo
Ci sono un totale di 30 isotopi di gallio tra 56Ga e 86Ga e altri sette isomeri del nucleo noti. Di questi sono due 69Ga e 71Ga stabile e si verificano anche in natura. Nella composizione isotopica naturale predomina 69Ga con il 60,12%, il 39,88% lo sono 71Ga. Degli isotopi instabili 67Ga con 3,26 giorni, l'emivita più lunga, le altre emivite vanno da secondi a un massimo di 14,1 ore 72Ga.
Due isotopi di gallio, 67Ga e quello con un'emivita di 67,71 minuti 68Ga sono utilizzati in medicina nucleare come traccianti per la tomografia a emissione di positroni. 67Ga è prodotto in un ciclotrone, mentre nella produzione di 68Ga non è necessario ciclotrone. Invece, l'isotopo del germanio più longevo 68Ge per irradiazione di 69Ga generato con protoni. Questo va in pezzi 68Ga, il risultato 68Ga può essere estratto in un generatore di gallio 68. Per gli studi, il gallio è solitamente legato in un complesso con un ligando fortemente chelante come l'acido 1,4,7,10-tetraazaciclododecan-1,4,7,10-tetraacetico (DOTA).
Utilizzare
A causa della rarità dell'elemento, il gallio viene utilizzato solo in misura limitata. Vari composti di gallio sono realizzati dalla maggior parte del gallio prodotto. I più importanti dal punto di vista economico sono di gran lunga quelli con elementi del 5 ° gruppo principale, soprattutto l'arseniuro di gallio, che è necessario, tra le altre cose, per le celle solari e i diodi luminosi. Nel 2003, il 95% del gallio prodotto è stato utilizzato a questo scopo. Serve anche come materiale per drogare il silicio (drogaggio p).
L'ampio intervallo di temperatura in cui l'elemento è liquido e la bassa tensione di vapore allo stesso tempo sono utilizzati per la costruzione di termometri. I termometri al gallio possono essere utilizzati fino a temperature di 1200 ° C. Il gallio liquido può essere utilizzato come liquido barriera per misurare il volume di gas a temperature più elevate e come materiale per elettrodi liquidi nell'estrazione di metalli ultra puri come l'indio.
Il gallio ha un'elevata bagnabilità e una buona riflettività ed è quindi utilizzato come rivestimento per specchi. Viene anche utilizzato nelle leghe fuse, per gli scambiatori di calore nei reattori nucleari e in sostituzione del mercurio nelle lampade.
Le leghe di gallio con altri metalli hanno vari usi. I materiali magnetici sono creati legando con gadolinio, ferro, ittrio, litio e magnesio. La lega con vanadio nella composizione V3Ga è un superconduttore con una temperatura di transizione relativamente alta di 16,8 K. Nelle armi nucleari, è legato con plutonio per prevenire cambiamenti di fase. Molte leghe di gallio come il Galinstan sono liquide a temperatura ambiente e possono sostituire il mercurio tossico o le leghe sodio-potassio molto reattive.
prova
Il gallio può essere rilevato qualitativamente con varie reazioni cromatiche tipiche. Questi includono la reazione con la rodamina B nel benzene, che si trasforma da giallo-arancio a rosso-violetto quando viene aggiunto il gallio, il morin, che mostra una fluorescenza verde come nella reazione con l'alluminio, e l'esacianidoferrato di potassio (III), con il gallio un precipitato bianco di esacianidoferrato di gallio (III ) le forme. Inoltre, è possibile una rilevazione spettroscopica tramite le caratteristiche righe spettrali viola a 417,1 e 403,1 nm.
L'evidenza quantitativa può essere fornita da titolazioni complessometriche, ad esempio con acido etilendiamminotetraacetico o mediante spettrometria di assorbimento atomico.
Tossicologia e significato biologico
Non esistono dati tossicologici per il gallio metallico; tuttavia, è corrosivo per la pelle e le mucose. I composti nitrato di gallio (III) Ga (NO3)3 e ossido di gallio (III) Ga2O3 possiede LD orale50Valori nell'intervallo di grammi: 4,360 g / kg per il nitrato e 10 g / kg per l'ossido. Il gallio è quindi considerato a bassa tossicità e, per quanto è noto, non svolge alcun ruolo nell'uomo come oligoelemento.
Connessioni
Nei composti, il gallio si trova quasi esclusivamente nello stato di ossidazione +3. Inoltre, sono noti composti di gallio (I) rari e solitamente molto instabili, nonché quelli che contengono sia composti di gallio mono che trivalenti (formalmente composti di gallio (II)).
Composti con elementi del gruppo azoto
I composti tecnicamente più importanti del gallio sono quelli con gli elementi del gruppo azoto. Il nitruro di gallio, il fosfuro di gallio, l'arseniuro di gallio e l'antimonuro di gallio sono semiconduttori tipici (semiconduttori III-V) e vengono utilizzati per transistor, diodi e altri componenti nell'elettronica. In particolare, i diodi emettitori di luce di diversi colori vengono prodotti come composti di gruppi gallio-azoto. Il colore, che dipende dal band gap, può essere regolato dal diverso rapporto di anioni o sostituendo il gallio con alluminio o indio. L'arseniuro di gallio viene utilizzato anche per le celle solari. Questi sono utilizzati in particolare nei satelliti, poiché l'arseniuro di gallio è più resistente alle radiazioni ionizzanti rispetto al silicio.
alogenuri
Alogenuri di gallio della forma GaX3 sono simili in molte proprietà ai corrispondenti composti di alluminio. Ad eccezione del fluoruro di gallio (III), si presentano come dimeri in una struttura di bromuro di alluminio. Il cloruro di gallio (III) è l'unico alogenuro di scarsa importanza economica. È usato come acido di Lewis nelle reazioni di Friedel-Crafts.
Ulteriori connessioni
Come l'ossido di alluminio, l'ossido di gallio (III) è un solido incolore ad alto punto di fusione. Si verifica in cinque diverse modifiche, di cui la modifica β cubica è la più stabile.
Esistono composti organici di gallio come Gallane GAR3, Gallylene GAR e come gallani superioriche contengono legami gallio-gallio. Come molti altri composti organometallici, sono instabili all'aria e all'idrolisi. Uno dei pochi composti organici di gallio di importanza economica è il trimetilgallium, che viene utilizzato come reagente drogante e per la produzione di strati sottili di arseniuro di gallio e nitruro di gallio nell'epitassia in fase gassosa organometallica.
| Generale | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Nome, simbolo, numero atomico | Gallio, Ga, 31 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | metalli | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppo, periodo, blocco | 13, 4, p | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aspetto | bianco argenteo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| numero CAS | 7440-55-3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Frazione di massa del guscio di terra | 14 ppm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| nucleare | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| massa atomica | 69,723 u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Raggio atomico (calcolato) | 130 (136) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Raggio covalente | 122 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Van der Waals raggio | 187 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| configurazione elettronica | [Ar] 3d10 4s2 4p1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. ionizzazione | 578,8 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. ionizzazione | 1979,3 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. ionizzazione | 2963 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| fisicamente | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| stato fisico | fisso | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| modifiche | sette | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| densità | 5,904 g / cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| durezza Mohs | 1,5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| magnetismo | diamagnetico ( = -2,3 10-5) |
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| punto di fusione | 302,91 K (29,76 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| punto di ebollizione | 2477 K (2204 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Volume molare | 11,80 · 10-6 m3/ mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calore di vaporizzazione | 256 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| calore di fusione | 5,59 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| velocità del suono | 2740 m / s su 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacità termica specifica | 371 J / (kg K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conducibilità elettrica | su 7,14 · 106 A / (V · m) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| conducibilità termica | 29 W / (m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Chimico | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| stati di ossidazione | 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| potenziale normale | −0,53 V (Ga3+ + 3 e- → Ga) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| elettronegatività | 1,81 (scala Pauling) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| isotopo | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| sicurezza | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Prezzi, grafici, prezzo del gallio
Grafico al gallio 2001-2011
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