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Steckbrief: Gallium

Informationen zum Element:

Bezeichnung

69,723

Symbol: Ga

Internationale Bezeichung (IUPAC): Gallium

Ursprung: Gallium ist ein seltenes metallisches chemisches Element, das erstmals 1875 vom französischen Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran entdeckt wurde, der ihm auch den Namen gab. Es ist benannt nach Gallien, dem lateinischen Namen für Frankreich. Möglich wäre auch, dass sich der Entdecker hier selbst verewigt hat, denn Le coq ist französisch und bedeutet der Hahn, der auf lateinisch gallus heißt.
Das noch unbekannte Element wurde schon bei der Erstellung des Periodensystems von Dmitri Mendelejew (1869) und Lothar Meyer (1870) als Eka-Aluminium vorhergesagt und kurz darauf auch von dem französischen Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912) im Jahre 1875 in Paris erstmals nachgewiesen.

Bedeutung: gallien = Frankreich bzw. gallus = Hahn

Daten Periodensystem

Periode: 4

Gruppe: 13 (III A)

Gruppenname: Borgruppe (Erdmetalle)

Oxidationszahl: 3 (2, 1)

Atommasse [u]: 69,723

Elektronegativität

Elektronegativität (nach Allred): 1,8

Elektronegativität (nach Pauling): 1,81

Physikalische Daten

Aggregatzustand (20°C): fest

Dichte [g/cm²]: 5,907

Radioativ: n

Schmelztemperatur [°C]: 30

Siedetemperatur [°C]: 2204

Kristallstruktur: orthorhombisch

Verwendung im Alltag

Eigenschaften: Interessant ist die zarte hellblaue Metallfarbe des kristallinen Galliums. Besonderheiten sind die auffallend niedrige Schmelz- und die relativ hohe Siedetemperatur. Bis zum heutigen Tage sind vier Normaldruck- und drei Hochdruckmodifikationen bekannt. In festem Zustand zeigt die bei Normalbedingungen beständige Modifikation einige Eigentümlichkeiten. So ist Gallium zwar relativ weich, kompakte Stücke splittern bei starker, plötzlicher mechanischer Belastung allerdings mit muscheligem Bruch, und es entstehen feine, scharfe Splitter. Bemerkenswert ist weiterhin die hohe Benetzungsfähigkeit von flüssigem Gallium. So bildet es z.B. auf der Haut leicht einen grauen Schmierfilm, ebenso in den Augen, weswegen der Kontakt mit dem Metall vermieden werden sollte.
Gallium hat eine starke Tendenz, auch dann flüssig zu bleiben, wenn es unter seinen Schmelzpunkt abkühlt. Erst durch einen Kristallisationskeim oder durch weitere Abkühlung verfestigt es sich dann.
Die Dichte von flüssigem Gallium beträgt 6100 kg/m³, ist also höher als die von festem Gallium (Dichteanomalie).
Unterhalb einer Temperatur von 1,0883 K zeigt die Modifikation α-Ga keinen elektrischen Widerstand, sie wird zum Supraleiter. Die Modifikationen β-Ga, γ-Ga und δ-Ga weisen eine noch höhere Sprungtemperatur Tc von 6,07 K, 7-7,6 K und 7,85 K auf. Daneben existieren noch zwei Hochdruckmodifikationen, Ga-II und Ga-II', die unterhalb von ca. 6,3 K und 7,5 K supraleitend werden.
Die Schmelze ist silberweiß bis leicht grünlich. Besonders deutlich kommt es zu diesem Kontrast, wenn feste Galliumkristalle auf dem flüssigen Gallium schwimmen. Gallium oxidiert langsam an der Luft und behält seinen Glanz.
Verwendung: Gallium ist relativ teuer, was die Verwendung schnell unwirtschaftlich macht. Es eignet sich als ungiftiger, nichtflüchtiger Quecksilberersatz (Galinstan) für Thermometerfüllungen mit sehr breitem Anzeigebereich.
Eine Galliumlegierung mit Indium, Zink und Kupfer erstarrt unter 0 °C, besitzt eine hohe Oberflächenspannung, einen sehr hohen Siedepunkt und einen sehr niedrigen Dampfdruck. Eine derartige Legierung besitzt ähnliche Eigenschaften wie Quecksilber, was die Oberflächenspannung betrifft.
Halbleitertechnik: Aus dem Halbleiter Galliumnitrid (GaN) werden blaue Leuchtdioden hergestellt. Gallium-Arsenid (GaAs, Gallium + Arsen) findet nach der Kristallzucht und der Weiterverarbeitung zu Wafern vor allem für elektronische Hochfrequenzbauteile (Integrierte Schaltkreise und Leuchtdioden beziehungsweise Laser) Verwendung. Daneben wird GaAs in hocheffizienten Solarzellen mit Wirkungsgraden >20 %, für Konzentratorzellen und in extraterristischen Anwendungen (Stromversorgung für Satelliten) verwendet. Ein weiteres wichtiges Verfahren ist hierbei die Darstellung von Halbleitern mit der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD). Galliumantimonid (GaSb) wird für die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen verwendet. Das Galliumtriiodid GaI₃ (CAS: 13450-91-4) kann zur Herstellung von Galliumphosphid GaP für rote und grüne Leuchtdioden verwendet werden.
Medizintechnik: Gallium wird als Legierungszusatz im dentaltechnischen-edelmetallverarbeitenden Bereich eingesetzt. Galliumoxide lassen sich zu speziellen, stark lichtbrechenden Kristallmaterialien verarbeiten. In Kristallen ist ein lückenloser Austausch von Galliumionen durch Aluminiumionen möglich.
In der Nuklearmedizin wird das radioaktive ⁶⁸Ga in der Diagnostik für Aufnahmen in der Positronen-Emissions-Tomographie verwendet. Es wird dabei in einem sogenannten ⁶⁸Ge/⁶⁸Ga-Generator erzeugt und hat eine Halbwertszeit von 68 Minuten.
Wärmeleitpaste: Eine relativ neue Anwendung ist der Einsatz als Flüssigmetall-Wärmeleitpaste im PC-Bereich.
Elementarteilchenphysik: Galliumtrichlorid (GaCl₃) wird in Neutrinodetektoren eingesetzt, beispielsweise beim GALLEX-Experiment (GALLium EXperiment) unter dem Gran Sasso. Die dabei verwendete Menge (30 Tonnen) entspricht mehreren Weltjahresproduktionen Gallium.
Kurioses: Unter Elementsammlern ist Gallium wegen seines niedrigen Schmelzpunktes beliebt. Es lässt sich bereits mit Handwärme verflüssigen.
Biogene Eigenschaften: Gallium ist ungiftig und spielt, soweit bekannt, als Spurenelement keine Rolle für den Menschen.

Vorkommen und Häufigkeit

Vorkommen: Gallium kommt in der Natur stets in Kombination mit anderen Elementen vor. Als wichtigstes Erz dient der Bauxit, dem es als Begleitmetall während der Schmelzflusselektrolyse bei der Aluminiumgewinnung entzogen wird. Weitere Minerale sind die Zinkblende und der Germanit. Die Hauptvorkommen an Gallium befinden sich in Kasachstan, in Australien, in Tschechien, in Indien sowie in Guinea. Größere Recyclinganlagen stehen in den USA, in Japan und in Deutschland.

Häufigkeit: 1,00 ⋅ 10^-3 % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe)