Gallium

Gallium ist ein chemisches Element der Bor-Gruppe mit dem chemischen Zeichen Ga und der Ordnungszahl 31. In reiner Form zeigt es sich als weiches, silberglänzendes, im rhombischen Gitter kristallisierendes Metall, das bereits bei Temperaturen unterhalb von 30 °C schmilzt.

Gallium wird seit seiner Entdeckung im Jahr 1875 zur Herstellung von Legierungen mit niedrigen Schmelzpunkten sowie in Halbleitern als Dotierstoff in Halbleitersubstraten verwendet. Der Schmelzpunkt von Gallium dient als Temperaturreferenzpunkt. Ga-Legierungen werden in Gallium-Thermometern als ungiftige und umweltfreundliche Alternative zu Quecksilber eingesetzt und halten darüber hinaus höheren Temperaturen stand. Die Legierung Galinstan aus 70% Gallium, 21,5% Indium und 10% Zinn hat mit -19 °C einen noch niedrigeren Schmelzpunkt als das reine Galliummetall.

Haupteinsatzgebiet ist jedoch die Elektronik; Galliumarsenid, eine primäre chemische Ga-Verbindung, wird in Mikrowellenschaltungen, Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen und Infrarotschaltungen eingesetzt. Die Halbleiter Galliumnitrid und Indiumgalliumnitrid sind für das blaue und violette Licht entsprechend farbiger Leuchtdioden (LEDs) und Diodenlaser verantwortlich. Gadolinium-Gallium-Granate finden Anwendung in optischen Komponenten sowie als Schmucksteine.

Auf Grund seiner großen Bedeutung für fortschrittliche Technologien und der eingeschränkten Verfügbarkeit zählt Gallium zu den technologiekritischen Elementen.

In biologischen Systemen spielt Gallium keine Rolle, auch nicht als Spurenelement; d. h., es sind keine Stoffwechselvorgänge bekannt, für die das Metall benötigt wird. Auf der anderen Seite interagiert das chemische Elment auf viele verschiedene Arten mit biologischen Systemen; durch die Dreiwertigkeit verhält es sich ähnlich, wie Eisen(III). So bindet es beispielsweise nach intravenöser Verabreichung in niedriger Konzentration an bestimmte Plasmaproteine, hauptsächlich Transferrin, das für den Eisentransport im Blut verantwortlich ist.

 

Übersicht: Allgemeine Daten zum Gallium

 

Identifikations-Merkmal für das Ga-Atom - und somit für das Element Gallium - ist die Anzahl der Protonen im Atomkern (Kernladungszahl oder Protonenzahl) und - im ungeladenen Zustand - die gleiche Anzahl an Elektronen in der Atomhülle; diese beträgt jeweils 31 und bestimmt die Atomzahl, Atomnummer bzw. die Ordnungszahl des Galliums.

Für Unterschiede bei den Gallium-Atomkernen bei gleichbleibender Kernladungszahl sorgen die Kernbausteine der Neutronen. Diese Atomsorten werden unter dem Begriff Gallium-Isotope bzw. Gallium-Nuklide zusammengefasst (Isotopen-Daten: siehe dort).

Die irdischen Gallium-Vorkommen bestehen aus einem Isotopengemisch; die relative Atommasse wird daher mit 69,723(1) u angegeben.

 

Elektronenkonfiguration

Symbol

OZ

Kurzform

1s

2s

2p

3s

3p

3d

4s

4p

4d

4f

Ga

31

[Ar] 3d10 4s2 4p1

2

2

6

2

6

10

2

1

 

Ionisierungsenergien

Die folgende Tabelle listet die Bindungsenergien bzw. die Ionisierungsenergien IE des Galliums auf, also die erforderliche Energie in Elektronenvolt (eV), um ein bestimmtes Elektron von einem Ga-Atom zu trennen.

1. IE:	5,9993016 eV	2. IE:	20,51515 eV	3. IE:	30,7258 eV	4. IE:	63,241 eV	5. IE:	86,01 eV	6. IE:	112,7 eV
7. IE:	140,9 eV	8. IE:	169,9 eV	9. IE:	210,8 eV	10. IE:	244,0 eV	11. IE:	280,7 eV	12. IE:	319,2 eV
13. IE:	357,2 eV	14. IE:	471,2 eV	15. IE:	508,8 eV	16. IE:	548,3 eV	17. IE:	599,8 eV	18. IE:	640,0 eV
19. IE:	676,9 eV	20. IE:	765,7 eV	21. IE:	807,308 eV	22. IE:	2010,0 eV	23. IE:	2129,1 eV	24. IE:	2258 eV
25. IE:	2391 eV	26. IE:	2543,9 eV	27. IE:	2683,0 eV	28. IE:	2868,1 eV	29. IE:	2984,1 eV	30. IE:	12696,605 eV
31. IE:	13239,488 eV	32. IE:	eV	33. IE:	eV	34. IE:	eV	35. IE:	eV	36. IE:	eV

 

Elektronenbindungsenergie

Die nachfolgende Tabelle listet die Elektronenbindungsenergien der einzelnen Gallium-Elektronen in den jeweiligen Orbitalen auf. Die Werte sind in Elektronenvolt (eV) angegeben.

K	LI	LII	LIII
1s	2s	2p1/2	2p3/2
10367	1299,0	1143,2	1116,4

 

MI	MII	MIII	MIV	MV
3s	3p1/2	3p3/2	3d3/2	3d5/2
159,5	103,5	100	18,7	18,7

 

Weitere Daten

 

Spektrallinien des Galliums

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Emissionsspektrum des Galliums mit den charakteristischen Spektrallinien im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm:

 

 

Als Element der 3. Hauptgruppe wird die Chemie von den drei Valenzelektronen bestimmt, die das Gallium bereitwillig mit anderen Elementen teilt, um entsprechende Gallium-Verbindungen einzugehen.

Einwertige Ga(I)-Verbindungen treten sehr viel seltener auf und sind sehr instabil. Bei Ga(II)-Verbindungen handelt es sich häufig um gemischte Varianten aus ein- und dreiwertigem Gallium; ein echter zweiwertiger Vertreter ist das Gallium(II)-sulfid GaS und der Ga-Dioxan-Komplex Ga₂Cl₄(C₄H₈O₂)₂.

 

Chemische Daten

 

Standardpotentiale

Normalpotential des Galliums:

E0 (V)	Nox	Name Ox.	Ox.	e-	⇔	Red.	Name Red.	Nox
-0,53	+ III	Gallium(III)-Kation	Ga3+	+ 3 e-	⇔	Ga (s)	Gallium	0

 

Die nachfolgende Übersicht führt einige physikalische Daten sowie Materialeigenschaften des reinen Galliums auf.

 

Es sind insgesamt 7 Modifikationen des Galliums bekannt. Bei Raumtemperatur liegt die beschriebene α-Variante vor, die unterhalb von -16,3 °C zum β-Typ wechselt und eine monokline Kristallstruktur besitzt.

 

Gallium tritt nicht als freies Element in der Natur, sondern in Form von Gallium(III)-Verbindungen in Spurenmengen als Begleiter von Zinkerzen und Bauxit auf, aus denen es als Nebenprodukt gewonnen wird. Eine weitere Quelle sind bestimmte Kohle-Vorkommen, in denen Ga jedoch mit weniger als einem Gewichtsprozent auftritt. In der Erdkruste ist das Metall mit einem Vorkommen von durchschnittlich 17 mg pro Kilogramm selten. Mineralien mit einem hohen Gallium-Gehalt wie Tsumgallit, Sohngeit oder Gallit eignen sich nicht als primäre Quelle für die Ga-Gewinnung, da diese ebenfalls selten auftreten.

Insgesamt ist die Verfügbarkeit von Gallium wesentlich an die Geschwindigkeit gekoppelt, mit der Bauxit, Zinkerze und Kohle gewonnen werden. Der Geologische Gesellschaft der USA (USGS) schätzt, dass sich mehr als 1 Million Tonnen Gallium in bekannten Reserven von Bauxit und Zinkerzen befinden.

 

[1] - J. D. Burton, F. Culkin, J. P. Riley:
The abundances of gallium and germanium in terrestrial materials.
In: Geochimica et Cosmochimica Acta, 1959, DOI 10.1016/0016-7037(59)90052-3.

[2] - Raymond L.Hayes:
The interaction of gallium with biological systems.
In: International Journal of Nuclear Medicine and Biology, 1983, DOI 10.1016/0047-0740(83)90090-6.

 

---

---

Gruppenelemente - Informationen

---

---

Verbindungsklassen

---

---

Einzelne Verbindungen

---

---

Mineralogie

---

---

Toxikologie, Medizin, Physiologie

---

---

Dissertationen

 

---

Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 02.02.2020.

Permalink: https://www.internetchemie.info/chemische-elemente/gallium.php