Welches Metall schmilzt durch die Hitze einer menschlichen Hand? Für alle und über alles. Galium und Zähne

Die vielleicht berühmteste Eigenschaft von Gallium ist sein Schmelzpunkt, der bei 29,76 °C liegt. Es ist das zweitschmelzbarste Metall im Periodensystem (nach Quecksilber). Die Schmelzbarkeit und geringe Toxizität des Galliummetalls ermöglichten die Aufnahme dieses Fotos. Gallium ist übrigens eines der wenigen Metalle, die sich beim Erstarren der Schmelze ausdehnen (die anderen sind Bi, Ge).

Gallodent, Gallium-Zinn-Eutektikum
Galliummetall ist wenig toxisch; früher wurde es sogar zur Herstellung von Füllungen (anstelle von Amalgamfüllungen) verwendet. Diese Anwendung basiert auf der Tatsache, dass beim Mischen von Kupferpulver mit geschmolzenem Gallium eine Paste entsteht, die nach einigen Stunden aushärtet (durch die Bildung einer intermetallischen Verbindung) und dann einer Erwärmung bis zu 600 Grad standhält, ohne zu schmelzen. Gallium ist sehr zerbrechlich (es kann wie Glas zerbrochen werden).

Große Galliumkristalle
Ein weiteres interessantes Merkmal von Gallium ist die Fähigkeit seiner Schmelze, unterzukühlen. Geschmolzenes Gallium kann auf etwa 10 bis 30 Grad unter seinen Schmelzpunkt abgekühlt werden und bleibt flüssig. Wenn Sie jedoch ein Stück festes Gallium oder Trockeneis in eine solche Schmelze werfen, beginnen daraus sofort große Kristalle zu wachsen. Das Foto zeigt einen erstarrenden Galliumbarren. Das Foto zeigt deutlich, dass an drei Stellen die Kristallisation begann und gleichzeitig drei große Einkristalle zu wachsen begannen, die sich dann trafen und einen Barren bildeten (dies geschah etwa zwei Stunden nach dem Schießen).

Galliumlöffel
Selbst gemachter Galliumlöffel. Video vom Schmelzen dieses Löffels:

Hochtemperatur-Gallium-Thermometer, Gallium-Quarz-Thermometer, Gallium-in-Thermometer
Hier ist eine weitere Verwendung für Gallium.
Gallium liegt über einen sehr weiten Temperaturbereich in flüssigem Zustand vor, und theoretisch könnten Galliumthermometer Temperaturen bis zu 2000 Grad messen. Die Verwendung von Gallium als thermometrische Flüssigkeit wurde erstmals vor langer Zeit vorgeschlagen. Gallium-Thermometer messen bereits Temperaturen bis zu 1200 Grad, doch der durchschnittliche Mensch hat nicht oft die Möglichkeit, diese Thermometer im Labor persönlich zu sehen.
Aus mehreren Gründen werden solche Thermometer nicht häufig verwendet. Erstens ist Gallium bei hohen Temperaturen eine sehr aggressive Substanz. Bei Temperaturen über 500 °C korrodiert es fast alle Metalle außer Wolfram und viele andere Materialien. Quarz ist bis zu 1100 °C beständig gegen geschmolzenes Gallium, es kann jedoch zu Problemen kommen, da Quarz (und die meisten anderen Gläser) von diesem Metall stark benetzt werden. Das heißt, Gallium bleibt einfach von innen an den Wänden des Thermometers haften und es ist unmöglich, die Temperatur herauszufinden. Ein weiteres Problem kann entstehen, wenn das Thermometer unter 28 Grad abkühlt. Wenn Gallium erstarrt, verhält es sich wie Wasser – es dehnt sich aus und kann das Thermometer einfach von innen zum Platzen bringen. Nun, der letzte Grund, warum ein Hochtemperatur-Gallium-Thermometer heute sehr selten zu finden ist, ist die Entwicklung von Technologie und Elektronik. Es ist kein Geheimnis, dass ein digitales Thermometer viel bequemer zu verwenden ist als ein Flüssigkeitsthermometer. Moderne Temperaturregler, beispielsweise mit Platin-Platin-Rhodium-Thermoelementen, ermöglichen die Messung von Temperaturen im Bereich von -200 bis +1600 °C mit einer für Flüssigkeitsthermometer unerreichbaren Genauigkeit. Darüber hinaus kann sich das Thermoelement in erheblicher Entfernung vom Regler befinden.

Gallium bildet mit vielen Metallen niedrig schmelzende eutektische Legierungen, die teilweise bei Temperaturen unter Raumtemperatur schmelzen.
Die Gallium-Indium-Legierung schmilzt bei einer Temperatur von 15,7 °C, ist also bei Raumtemperatur flüssig. Um eine solche Legierung herzustellen, ist es nicht einmal notwendig, die Metallmischung zu erhitzen, bis sie schmilzt; es reicht aus, einfach Gallium- und Indiumstücke fest zusammenzupressen. Das Video zeigt, dass vom Kontaktpunkt zweier Metalle (der große Zylinder ist Gallium, der kleine ist Indium) eine eutektische Legierung zu tropfen beginnt.

Ein interessantes Experiment lässt sich nicht nur mit dem Schmelzen, sondern auch mit der Erstarrung von Gallium durchführen. Erstens ist Gallium einer der wenigen Stoffe, die sich beim Erstarren ausdehnen (genau wie Wasser), und zweitens unterscheidet sich die Farbe des geschmolzenen Metalls deutlich von der Farbe des Feststoffs.
Gießen Sie eine kleine Menge flüssiges Gallium in ein Glasfläschchen und legen Sie ein kleines Stück festes Gallium darauf (ein Kristallisationskeim, da Gallium unterkühlen kann). Das Video zeigt deutlich, wie Metallkristalle zu wachsen beginnen (sie haben einen bläulichen Farbton im Gegensatz zur silbrig-weißen Schmelze). Nach einiger Zeit lässt das expandierende Gallium die Blase platzen.
Der mittlere Teil des Videos (das Wachstum von Galliumkristallen) wurde zehnfach beschleunigt, sodass das Video nicht sehr lang war.

Genau wie Quecksilber kann aus geschmolzenem Gallium ein „schlagendes Herz“ hergestellt werden, obwohl es aufgrund der Tatsache, dass Gallium ein elektropositiveres Metall als Eisen ist, genau umgekehrt wirkt. Wenn die Spitze eines Nagels einen Tropfen geschmolzenen Galliums berührt, „spreizt“ dieser sich aufgrund einer Abnahme der Oberflächenspannung. Und sobald der Kontakt zum Nagel unterbrochen wird, erhöht sich die Oberflächenspannung und der Tropfen sammelt sich wieder, bis er den Nagel berührt.

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Was das Element mit der Ordnungszahl 31 betrifft, erinnern sich die meisten Leser nur daran, dass es eines der drei Elemente ist, die von D.I. vorhergesagt und am ausführlichsten beschrieben wurden. Mendelejew, und dass Gallium ein sehr schmelzbares Metall ist: Die Hitze der Handfläche reicht aus, um es in Flüssigkeit zu verwandeln.

Allerdings ist Gallium nicht das schmelzbarste Metall (auch wenn man Quecksilber nicht mitzählt). Sein Schmelzpunkt liegt bei 29,75 °C und Cäsium schmilzt bei 28,5 °C; Nur Cäsium kann wie jedes Alkalimetall nicht in die Hände genommen werden, daher ist es natürlich einfacher, Gallium in der Handfläche zu schmelzen als Cäsium.

Wir haben unsere Geschichte über Element 31 bewusst mit der Erwähnung von etwas begonnen, das fast jeder weiß. Denn dieses „Wissen“ bedarf einer Erklärung. Jeder weiß, dass Gallium von Mendelejew vorhergesagt und von Lecoq de Boisbaudran entdeckt wurde, aber nicht jeder weiß, wie es zu dieser Entdeckung kam. Fast jeder weiß, dass Gallium schmelzbar ist, aber fast niemand kann die Frage beantworten, warum es schmelzbar ist.

Wie wurde Gallium entdeckt?

Der französische Chemiker Paul Emile Lecoq de Boisbaudran ging als Entdecker dreier neuer Elemente in die Geschichte ein: Gallium (1875), Samarium (1879) und Dysprosium (1886). Die erste dieser Entdeckungen machte ihn berühmt.

Zu dieser Zeit war er außerhalb Frankreichs wenig bekannt. Er war 38 Jahre alt und beschäftigte sich hauptsächlich mit spektroskopischer Forschung. Lecoq de Boisbaudran war ein guter Spektroskopiker, und das führte letztendlich zum Erfolg: Er entdeckte alle drei seiner Elemente durch Spektralanalyse.

Im Jahr 1875 untersuchte Lecoq de Boisbaudran das Spektrum der aus Pierrefitte (Pyrenäen) mitgebrachten Zinkblende. In diesem Spektrum wurde eine neue violette Linie (Wellenlänge 4170 Å) entdeckt. Die neue Linie deutete auf das Vorhandensein eines unbekannten Elements in dem Mineral hin, und ganz natürlich unternahm Lecoq de Boisbaudran alle Anstrengungen, dieses Element zu isolieren. Dies erwies sich als schwierig: Der Gehalt des neuen Elements im Erz betrug weniger als 0,1 % und ähnelte in vielerlei Hinsicht Zink*. Nach langwierigen Experimenten gelang es dem Wissenschaftler, ein neues Element zu gewinnen, allerdings in sehr geringer Menge. So klein (weniger als 0,1 g), dass Lecoq de Boisbaudrap seine physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht vollständig untersuchen konnte.

* Wie Gallium aus Zinkblende gewonnen wird, wird im Folgenden beschrieben.

Die Entdeckung von Gallium – so wurde das neue Element zu Ehren Frankreichs benannt (Gallia ist sein lateinischer Name) – erschien in den Berichten der Pariser Akademie der Wissenschaften.

Diese Nachricht wurde von D.I. gelesen. Mendeleev erkannte in Gallium Eka-Aluminium, das er fünf Jahre zuvor vorhergesagt hatte. Mendelejew schrieb sofort nach Paris. „Die Methode der Entdeckung und Isolierung sowie die wenigen beschriebenen Eigenschaften lassen uns glauben, dass es sich bei dem neuen Metall um kein anderes als Eka-Aluminium handelt“, heißt es in seinem Brief. Anschließend wiederholte er die für dieses Element vorhergesagten Eigenschaften. Darüber hinaus argumentierte der russische Chemiker, ohne jemals Galliumkörner in den Händen zu halten, ohne es persönlich zu sehen, dass der Entdecker des Elements sich geirrt habe, dass die Dichte des neuen Metalls nicht 4,7 betragen könne, wie Lecoq de Boisbaudran schrieb: - es muss größer sein, etwa 5,9...6,0 g/cm 3!

So seltsam es auch erscheinen mag, der erste seiner bejahenden, „stärkenden“ Sätze erfuhr erst aus diesem Brief von der Existenz des periodischen Gesetzes. Um die Ergebnisse der ersten Experimente zu überprüfen, isolierte und reinigte er erneut Galliumkörner. Einige Wissenschaftshistoriker glauben, dass dies mit dem Ziel geschah, den selbstbewussten russischen „Prädiktor“ zu blamieren. Doch die Erfahrung zeigte das Gegenteil: Der Entdecker täuschte sich. Später schrieb er: „Es besteht meiner Meinung nach keine Notwendigkeit, auf die außergewöhnliche Bedeutung hinzuweisen, die die Dichte eines neuen Elements im Zusammenhang mit der Bestätigung von Mendelejews theoretischen Ansichten hat.“

Andere von Mendelejew vorhergesagte Eigenschaften des Elements Nr. 31 stimmten fast genau mit den experimentellen Daten überein. „Mendelejews Vorhersagen haben sich mit geringfügigen Abweichungen bewahrheitet: Eka-Aluminium verwandelte sich in Gallium.“ So charakterisiert Engels dieses Ereignis in „Dialektik der Natur“.

Es erübrigt sich zu erwähnen, dass die Entdeckung des ersten von Mendelejew vorhergesagten Elements die Position des periodischen Gesetzes erheblich stärkte.

Warum ist Gallium schmelzbar?

Mendeleev sagte die Eigenschaften von Gallium voraus und glaubte, dass dieses Metall schmelzbar sein sollte, da seine Analoga in der Gruppe – Aluminium und Indium – ebenfalls nicht feuerfest sind.

Doch der Schmelzpunkt von Gallium ist ungewöhnlich niedrig, fünfmal niedriger als der von Indium. Dies wird durch die ungewöhnliche Struktur von Galliumkristallen erklärt. Sein Kristallgitter besteht nicht aus einzelnen Atomen (wie bei „normalen“ Metallen), sondern aus zweiatomigen Molekülen. Ga 2 -Moleküle sind sehr stabil; sie bleiben auch dann erhalten, wenn Gallium in einen flüssigen Zustand überführt wird. Diese Moleküle sind jedoch nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden, und es ist nur sehr wenig Energie erforderlich, um ihre Bindung zu zerstören.

Einige andere Eigenschaften des Elements Nr. 31 hängen mit der Diatomizität von Molekülen zusammen. Im flüssigen Zustand ist Gallium dichter und schwerer als im festen Zustand. Auch die elektrische Leitfähigkeit von flüssigem Gallium ist höher als die von festem Gallium.

Wie sieht Gallium aus?

Äußerlich sieht es eher wie Zinn aus: ein silbrig-weißes, weiches Metall; es oxidiert nicht und läuft an der Luft nicht an.

Und in den meisten chemischen Eigenschaften ähnelt Gallium Aluminium. Das Galliumatom verfügt wie Aluminium über drei Elektronen in seiner äußeren Umlaufbahn. Wie Aluminium reagiert Gallium auch in der Kälte leicht mit Halogenen (außer Jod). Beide Metalle lösen sich leicht in Schwefel- und Salzsäure und reagieren beide mit Alkalien zu amphoteren Hydroxiden. Reaktionsdissoziationskonstanten

Ga(OH) 3 → Ga 3+ + 3OH –

H 3 GaO 3 → 3H + + GaO 3– 3

– Mengen der gleichen Bestellung.

Allerdings gibt es Unterschiede in den chemischen Eigenschaften von Gallium und Aluminium.

Gallium wird durch trockenen Sauerstoff erst bei Temperaturen über 260 °C merklich oxidiert, und Aluminium wird, wenn ihm sein schützender Oxidfilm entzogen wird, sehr schnell durch Sauerstoff oxidiert.

Gallium bildet mit Wasserstoff Hydride ähnlich den Borhydriden. Aluminium kann Wasserstoff nur lösen, aber nicht damit reagieren.

Gallium ähnelt auch Graphit, Quarz und Wasser.

Auf Graphit – weil es einen grauen Fleck auf dem Papier hinterlässt.

Für Quarz – elektrische und thermische Anisotropie.

Die Größe des elektrischen Widerstands von Galliumkristallen hängt davon ab, entlang welcher Achse der Strom fließt. Das Verhältnis von Maximum zu Minimum beträgt 7, mehr als bei jedem anderen Metall. Das Gleiche gilt für den Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Seine Werte in Richtung der drei kristallographischen Achsen (Galliumkristalle sind rhombisch) stehen im Verhältnis 31:16:11.

Und Gallium ähnelt Wasser darin, dass es sich beim Aushärten ausdehnt. Der Volumenzuwachs ist spürbar – 3,2 %.

Allein die Kombination dieser widersprüchlichen Ähnlichkeiten spricht für die einzigartige Individualität des Elements Nr. 31.

Darüber hinaus verfügt es über Eigenschaften, die keinem Element innewohnen. Sobald es geschmolzen ist, kann es viele Monate lang in einem unterkühlten Zustand bei einer Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes bleiben. Dies ist das einzige Metall, das in einem großen Temperaturbereich von 30 bis 2230 °C flüssig bleibt und die Flüchtigkeit seiner Dämpfe minimal ist. Selbst im tiefen Vakuum verdampft es erst bei 1000°C merklich. Galliumdampf ist im Gegensatz zu festen und flüssigen Metallen einatomig. Der Ga 2 → 2Ga-Übergang erfordert große Energiemengen; Dies erklärt die Schwierigkeit der Galliumverdampfung.

Der große Temperaturbereich des flüssigen Zustands ist die Grundlage einer der wichtigsten technischen Anwendungen des Elements Nr. 31.

Wofür ist Gallium gut?

Gallium-Thermometer können grundsätzlich Temperaturen von 30 bis 2230 °C messen. Gallium-Thermometer sind mittlerweile für Temperaturen bis 1200°C erhältlich.

Element Nr. 31 wird zur Herstellung niedrig schmelzender Legierungen für Signalgeräte verwendet. Die Gallium-Indium-Legierung schmilzt bereits bei 16°C. Dies ist die schmelzbarste aller bekannten Legierungen.

Als Element der Gruppe III, das die „Loch“-Leitfähigkeit in einem Halbleiter erhöht, wird Gallium (mit einer Reinheit von mindestens 99,999 %) als Zusatz zu Germanium und Silizium verwendet.

Intermetallische Verbindungen von Gallium mit Elementen der Gruppe V – Antimon und Arsen – haben selbst Halbleitereigenschaften.

Durch die Zugabe von Gallium zur Glasmasse können Gläser mit einem hohen Brechungsindex der Lichtstrahlen erhalten werden, und Gläser auf Basis von Ga 2 O 3 lassen Infrarotstrahlen gut durch.

Flüssiges Gallium reflektiert 88 % des einfallenden Lichts, festes Gallium etwas weniger. Daher stellen sie Galliumspiegel her, die sehr einfach herzustellen sind – die Galliumbeschichtung kann sogar mit einem Pinsel aufgetragen werden.

Manchmal wird die Fähigkeit von Gallium genutzt, feste Oberflächen gut zu benetzen, um Quecksilber in Diffusionsvakuumpumpen zu ersetzen. Solche Pumpen „halten“ das Vakuum besser als Quecksilberpumpen.

Es wurden Versuche unternommen, Gallium in Kernreaktoren einzusetzen, aber die Ergebnisse dieser Versuche können kaum als erfolgreich angesehen werden. Gallium fängt nicht nur recht aktiv Neutronen ein (Einfangquerschnitt 2,71 Scheunen), es reagiert auch bei erhöhten Temperaturen mit den meisten Metallen.

Gallium wurde kein atomares Material. Zwar wird sein künstliches radioaktives Isotop 72 Ga (mit einer Halbwertszeit von 14,2 Stunden) zur Diagnose von Knochenkrebs verwendet. Gallium-72-Chlorid und -Nitrat werden vom Tumor adsorbiert, und durch den Nachweis der Strahlungscharakteristik dieses Isotops können Ärzte die Größe fremder Formationen nahezu genau bestimmen.

Wie Sie sehen, sind die praktischen Möglichkeiten des Elements Nr. 31 recht groß. Aufgrund der schwierigen Gewinnung von Gallium – einem eher seltenen Element (1,5 · 10 -3 % des Gewichts der Erdkruste) und sehr verstreut – ist es bisher nicht möglich, sie vollständig zu nutzen. Es sind nur wenige native Galliummineralien bekannt. Sein erstes und berühmtestes Mineral, Gallit CuGaS 2, wurde erst 1956 entdeckt. Später wurden zwei weitere, bereits sehr seltene Mineralien gefunden.

Typischerweise kommt Gallium in Zink, Aluminium, Eisenerzen sowie in Kohle vor – als geringfügige Verunreinigung. Und was charakteristisch ist: Je größer diese Verunreinigung ist, desto schwieriger ist es, sie zu extrahieren, da in den Erzen derjenigen Metalle (Aluminium, Zink), die ihm in seinen Eigenschaften ähneln, mehr Gallium enthalten ist. Der Großteil des terrestrischen Galliums ist in Aluminiummineralien enthalten.

Gallium zu gewinnen ist ein teures „Vergnügen“. Daher wird Element Nr. 31 in geringeren Mengen verwendet als alle seine Nachbarn im Periodensystem.

Es ist natürlich möglich, dass die Wissenschaft in naher Zukunft etwas in Gallium entdeckt, das es absolut notwendig und unersetzlich macht, wie es bei einem anderen von Mendelejew vorhergesagten Element geschehen ist – Germanium. Noch vor 30 Jahren wurde es noch weniger verwendet als Gallium, und dann begann das „Zeitalter der Halbleiter“ ...

Ein Wortspiel?

Einige Wissenschaftshistoriker sehen im Namen des Elements Nr. 31 nicht nur Patriotismus, sondern auch die Unbescheidenheit seines Entdeckers. Es ist allgemein anerkannt, dass das Wort „Gallium“ vom lateinischen Gallia (Frankreich) stammt. Aber wenn Sie möchten, können Sie im selben Wort einen Hinweis auf das Wort „Hahn“ sehen! Das lateinische Wort für „Hahn“ ist gallus und das französische Wort „le coq“. Lecoq de Boisbaudran?

Je nach Alter

In Mineralien wird Gallium häufig mit Aluminium begleitet. Interessanterweise hängt das Verhältnis dieser Elemente in einem Mineral vom Zeitpunkt der Entstehung des Minerals ab. Im Feldspat kommt auf 120.000 Aluminiumatome ein Galliumatom. Bei Nephelinen, die viel später entstanden sind, beträgt dieses Verhältnis bereits 1:6000, bei noch „jüngerem“ versteinertem Holz beträgt es nur 1:13.

Erstes Patent

Das erste Patent für die Verwendung von Gallium wurde vor 60 Jahren angemeldet. Sie wollten das Element Nr. 31 in elektrischen Bogenlampen verwenden.

Unterdrückt Schwefel, wehrt sich mit Schwefel

Es kommt zu einer interessanten Wechselwirkung zwischen Gallium und Schwefelsäure. Damit einher geht die Freisetzung von elementarem Schwefel. In diesem Fall umhüllt Schwefel die Oberfläche des Metalls und verhindert dessen weitere Auflösung. Wenn Sie das Metall mit heißem Wasser abwaschen, wird die Reaktion fortgesetzt und fortgesetzt, bis eine neue „Haut“ aus Schwefel auf dem Gallium wächst.

Schlechter Einfluss

Flüssiges Gallium reagiert mit den meisten Metallen und bildet Legierungen und intermetallische Verbindungen mit eher geringen mechanischen Eigenschaften. Aus diesem Grund führt der Kontakt mit Gallium dazu, dass viele Strukturmaterialien an Festigkeit verlieren. Beryllium ist am beständigsten gegenüber Gallium: Bei Temperaturen bis zu 1000 °C widersteht es erfolgreich der Aggressivität des Elements Nr. 31.

Und auch Oxid!

Geringe Zusätze von Galliumoxid beeinflussen die Eigenschaften der Oxide vieler Metalle erheblich. Somit verringert die Beimischung von Ga 2 O 3 zu Zinkoxid dessen Sinterfähigkeit erheblich. Allerdings ist die Löslichkeit von Zink in einem solchen Oxid viel größer als in reinem Zink. Und die elektrische Leitfähigkeit von Titandioxid sinkt stark, wenn Ga 2 O 3 hinzugefügt wird.

So erhalten Sie Gallium

Weltweit wurden keine industriellen Vorkommen von Galliumerzen gefunden. Daher muss Gallium aus sehr armen Zink- und Aluminiumerzen gewonnen werden. Da die Zusammensetzung der Erze und der Galliumgehalt in ihnen nicht gleich sind, sind die Methoden zur Gewinnung des Elements Nr. 31 sehr unterschiedlich. Erzählen wir Ihnen als Beispiel, wie Gallium aus Zinkblende gewonnen wird, dem Mineral, in dem dieses Element erstmals entdeckt wurde.

Zunächst wird die Zinkblende ZnS gebrannt und die entstehenden Oxide mit Schwefelsäure ausgelaugt. Gallium geht zusammen mit vielen anderen Metallen in Lösung. In dieser Lösung überwiegt Zinksulfat – das Hauptprodukt, das von Verunreinigungen, einschließlich Gallium, gereinigt werden muss. Die erste Reinigungsstufe ist die Ausfällung des sogenannten Eisenschlamms. Mit der allmählichen Neutralisierung der sauren Lösung fällt dieser Schlamm aus. Es enthält etwa 10 % Aluminium, 15 % Eisen und (was für uns jetzt am wichtigsten ist) 0,05...0,1 % Gallium. Um Gallium zu extrahieren, wird der Schlamm mit Säure oder Natriumhydroxid ausgelaugt – Galliumhydroxid ist amphoter. Die alkalische Methode ist bequemer, da in diesem Fall die Ausrüstung aus kostengünstigeren Materialien hergestellt werden kann.

Unter dem Einfluss von Alkali gehen Aluminium- und Galliumverbindungen in Lösung. Wenn diese Lösung sorgfältig neutralisiert wird, fällt Galliumhydroxid aus. Aber auch ein Teil des Aluminiums fällt aus. Daher wird der Niederschlag erneut gelöst, diesmal in Salzsäure. Es entsteht eine Galliumchloridlösung, die überwiegend mit Aluminiumchlorid verunreinigt ist. Diese Stoffe können durch Extraktion abgetrennt werden. Ether wird zugegeben und im Gegensatz zu AlCl 3 geht GaCl 3 fast vollständig in das organische Lösungsmittel über. Die Schichten werden getrennt, der Ether abdestilliert und das resultierende Galliumchlorid erneut mit konzentrierter Natronlauge behandelt, um die Eisenverunreinigung auszufällen und vom Gallium zu trennen. Aus dieser alkalischen Lösung wird Galliummetall gewonnen. Erhalten durch Elektrolyse bei einer Spannung von 5,5 V. Gallium wird auf einer Kupferkathode abgeschieden.

Galium und Zähne

Gallium galt lange Zeit als giftig. Erst in den letzten Jahrzehnten konnte dieses Missverständnis widerlegt werden. Niedrig schmelzendes Gallium hat bei Zahnärzten Interesse geweckt. Bereits 1930 wurde erstmals vorgeschlagen, Gallium in Zusammensetzungen für Zahnfüllungen durch Quecksilber zu ersetzen. Weitere Untersuchungen im In- und Ausland bestätigten die Aussichten auf einen solchen Ersatz. In der Zahnheilkunde werden bereits quecksilberfreie Metallfüllungen (Quecksilber durch Gallium ersetzt) ​​verwendet.

Gallium ist ein silbergraues Metall mit einer bläulichen Tönung und ziemlich zerbrechlich. Es kommt in der Natur nicht in reiner Form vor und ist ein Spurenelement. Der durchschnittliche Galliumgehalt in der Erdkruste beträgt 19 g/t. Gallium kommt in Mineralien vor, hauptsächlich Sphalerit, Magnetit, Kassiterit, Granat, Beryll, Turmalin, Spodumen, Phlogopit, Biotit, Muskovit, Serizit, Lepidolit, Chlorit, Feldspat, Nephelin, Hekmanit und Natrolith. Zur Isolierung von reinem Gallium wird das eher seltene Mineral Gallit CuGaS₂ verwendet. Darüber hinaus kann Gallium als Nebenprodukt bei der Bauxitverarbeitung gewonnen werden.

Gallium schmilzt bei nur 29,76 °C, sodass es sogar in der Hand schmilzt. Bei einer Temperatur nahe der Raumtemperatur schmelzen drei weitere Metalle: , und . Aufgrund ihrer hohen Toxizität bzw. Reaktivität sind sie jedoch im Gegensatz zu Gallium nicht handhabbar.

Wie wurde Gallium entdeckt?

Die Existenz von Gallium wurde 1871 von D. I. Mendeleev auf der Grundlage seiner Formulierungen vorhergesagt. Mendelejew gab diesem Element den Namen „Eka-Aluminium“ und sagte seine Eigenschaften wie Dichte und Schmelzpunkt voraus. Mendeleev sagte auch voraus:

• Charakter des Oxids,
• Verbindung in Verbindungen mit Chlor.
• dass sich das Metall in Säuren und Laugen langsam auflöst;
• es reagiert nicht mit Luft;
• Eka-Aluminiumoxid M₂O₃ muss mit Säuren reagieren, um Salze MX₃ zu bilden;
• dass es basische Salze bilden muss;
• Chlorid ist flüchtiger als ZnCl₂;
• dass dieses Element mithilfe der Spektroskopie entdeckt werden wird.

Mendeleev erwies sich als Nostardamus in der Chemie: Als Gallium gewonnen wurde, wurden alle vom Wissenschaftler vorhergesagten Eigenschaften bestätigt!

Im Jahr 1875 untersuchte der französische Chemiker Paul Émile Lecoq de Boisbaudran Sphalerit mittels Spektroskopie und entdeckte zwei violette Linien, die zum neuen Element gehören. Ein Jahr später isolierte der Wissenschaftler mittels Elektrolyse ein neues Element. Boisbaudran benannte dieses Element nach dem lateinischen Namen Frankreichs – Gallia. Es gibt eine Legende, dass der Wissenschaftler diesem Namen eine andere Bedeutung gab. Lecoq steht im Einklang mit Französisch le coq, d.h. „Hahn“ (auf Latein Gallus). Boisbaudran verewigte seinen Namen wie versehentlich im Namen des neuen Elements.

Durch die Untersuchung des resultierenden Galliums stellte Boisbaudran fest, dass die Dichte von der von Mendelejew vorhergesagten abwich. Als Mendelejew davon erfuhr, schrieb er mit einer Empfehlung an seinen französischen Kollegen. Und wie sich herausstellte, war das nicht umsonst: Boisbaudrans erste Daten waren tatsächlich falsch.

Anwendungen von Gallium

Der größte Teil des geförderten Galliums wird zur Herstellung von Halbleitern verwendet. Arsenid (GaAs) und Galliumnitrid (GaN) werden in elektronischen Komponenten vieler Geräte verwendet, um integrierte Schaltkreise, Hochleistungsprozessoren und Mikrowellenverstärker herzustellen. Galliumarsenid wird in verschiedenen elektrooptischen Infrarotgeräten verwendet. Gallium-Aluminium-Arsenid wird zur Herstellung leistungsstarker Infrarot-Laserdioden verwendet. Blaue und violette Laserdioden werden auf Basis von Galliumnitrid und Indiumgalliumnitrid hergestellt. Galliumnitrid-Laser werden übrigens in Blu-ray-Disc-Laufwerken verwendet.

Auf Weltraumsatelliten und Rovern werden Solarzellen auf Basis von Galliumarsenid, Phosphid und Indiumgalliumarsenid installiert.

Gallium hat eine interessante Eigenschaft: Es senkt den Schmelzpunkt der Legierungen, in denen es enthalten ist, erheblich. In diesem Fall sinkt die Temperatur niedriger als die Temperatur jeder Legierungskomponente einzeln (eutektische Zusammensetzungen). Ja, Legierung Galinstan(68,5 % Gallium, 21,5 % Indium und 10 % Zinn) hat einen Schmelzpunkt von -19 °C und wird in einigen Thermometern anstelle von Quecksilber verwendet.

Gallium wird auch in der Medizin verwendet. Im Allgemeinen zeichnet sich das Metall durch eine geringe Toxizität aus und erfüllt keine natürliche biologische Funktion. Daher können Medikamente auf Galliumbasis bei der Behandlung und Diagnose von Krebs eingesetzt werden (Gallium-67- und -68-Isotope). Gallium wird auch bei der Behandlung bestimmter bakterieller Infektionen eingesetzt: Das Ga³⁺-Ion ersetzt Fe³⁺ in den Stoffwechselwegen der Bakterienatmung und führt zu deren Tod. Medikamente auf Galliumbasis können zur Behandlung von Malaria eingesetzt werden.

Gallium hilft auch beim Nachweis von Neutrinoteilchen, die von der Sonne ausgehen. Die Identifizierung solcher Partikel ist in der Regel ein sehr komplexer und zeitaufwändiger Prozess. Gallium in der Registrierungsmischung erhöht die Empfindlichkeit der Analyse und hilft dementsprechend beim Nachweis von Neutrinos. Die GALLEX-Detektoren des Gran Sasso National Laboratory enthalten 12,2 Tonnen Gallium-71. Sie fangen von der Sonne ausgehende Neutrinos ein und wandeln sie in ein radioaktives Isotop um, dessen Strahlung aufgezeichnet werden kann. Ähnliche Studien werden auch am Baksan-Neutrino-Observatorium (Kabardino-Balkarien) durchgeführt, wo Neutrino-Detektoren 5 Tonnen flüssiges Gallium enthalten.

Sie können Thermometer anhand der Schmelztemperatur von Gallium überprüfen! Dieser Wert – 302,9146 K (29,7646 °C) – wird vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht als Standard anerkannt.

Im Jahr 2007 druckte die Simon Fraser University mit 7 nm dicken Galliumionenstrahlen das kleinste Buch der Welt: Teeny Ted aus Turnip Town. Es stellte sich heraus, dass das Buch eine Größe von 0,07 x 0,10 mm hatte.

Gallium hat noch eine andere lustige Verwendung: Galliumlöffel, die optisch nicht von Aluminium zu unterscheiden sind, werden für den Trick mit dem verschwindenden Löffel verwendet. In heißem Tee oder Kaffee schmilzt so ein Löffel einfach!

Quellen:

• Paul Parsons, Gail Dixon – Das Periodensystem Ein visueller Führer zu den Elementen (S. 78);

Gallium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 31. Es gehört zur Gruppe der Leichtmetalle und wird mit dem Symbol „Ga“ bezeichnet. Gallium kommt in der Natur nicht in reiner Form vor, seine Verbindungen kommen jedoch in vernachlässigbaren Mengen in Bauxit und Zinkerzen vor. Gallium ist ein weiches, duktiles, silberfarbenes Metall. Bei niedrigen Temperaturen liegt es in einem festen Zustand vor, schmilzt jedoch bei einer Temperatur, die nicht viel höher als Raumtemperatur (29,8 °C) ist. Im Video unten können Sie sehen, wie ein Galliumlöffel in einer Tasse heißen Tee schmilzt.

(Insgesamt 7 Fotos + 1 Video)

1. Von der Entdeckung des Elements im Jahr 1875 bis zum Beginn des Halbleiterzeitalters wurde Gallium hauptsächlich zur Herstellung niedrig schmelzender Legierungen verwendet.

2. Derzeit wird in der Mikroelektronik ausschließlich Gallium verwendet.

3. Galliumarsenid, die wichtigste Elementverbindung, wird in Mikrowellenschaltungen und Infrarotanwendungen verwendet.

4. Galliumnitrid wird bei der Herstellung von Halbleiterlasern und LEDs im blauen und ultravioletten Bereich weniger verwendet.

5. Gallium spielt keine der Wissenschaft bekannte biologische Rolle. Da sich Galliumverbindungen und Eisensalze in biologischen Systemen jedoch ähnlich verhalten, ersetzen Galliumionen in medizinischen Anwendungen häufig Eisenionen.