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Gallium

Chemie und Physik des chemischen Elements Gallium.



Gallium Chemie

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

Bezeichnung:Gallium Symbol:Ga Ordnungszahl:31 Atommasse:69,723(1) u Periodensystem-Stellung:4. Periode, 13. Gruppe, 3. Hauptgruppe, p-Block. Gruppen-Zugehörigkeit:Bor-Gruppe. Entdeckung:1875 - Paul Émile Lecoq de Boisbaudran. Bedeutung des Namens:Nach Gallien benannt, dem lateinischen Namen für Frankreich. Englischer Name:Gallium CAS-Nummer:7440-55-3 InChI-Key:GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N

 

Das Gallium-Atom

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

SymbolOZKurzform1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f
Ga31[Ar] 3d10 4s2 4p1 226261021

 

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 eV2. IE: 20,51515 eV3. IE: 30,7258 eV4. IE: 63,241 eV5. IE: 86,01 eV6. IE: 112,7 eV
7. IE: 140,9 eV8. IE: 169,9 eV9. IE: 210,8 eV10. IE: 244,0 eV11. IE: 280,7 eV12. IE: 319,2 eV
13. IE: 357,2 eV14. IE: 471,2 eV15. IE: 508,8 eV16. IE: 548,3 eV17. IE: 599,8 eV18. IE: 640,0 eV
19. IE: 676,9 eV20. IE: 765,7 eV21. IE: 807,308 eV22. IE: 2010,0 eV23. IE: 2129,1 eV24. IE: 2258 eV
25. IE: 2391 eV26. IE: 2543,9 eV27. IE: 2683,0 eV28. IE: 2868,1 eV29. IE: 2984,1 eV30. IE: 12696,605 eV
31. IE: 13239,488 eV32. IE: eV33. IE: eV34. IE: eV35. IE: eV36. 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.

KLILIILIII
1s2s2p1/22p3/2
103671299,01143,21116,4

 

MIMIIMIIIMIVMV
3s3p1/23p3/23d3/23d5/2
159,5103,510018,718,7

 

Weitere Daten

Atomradius:136 pm (berechnet)
130 pm (empirisch, nach Slater)
Kovalente Radien:122(3) pm (nach Cordero et al.)
124 pm (in Einfach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
117 pm (in Zweifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
121 pm (in Dreifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
Van-der-Waals-Radius:187 pm Molvolumen:11,803 cm3 mol-1 Fluoreszenz-Ausbeute:ωK: 0,517; ωL1: 0,0021; ωL2: 0,012; ωL3: 0,013 Coster-Kronig-Übergänge:F12: 0,29; F13: 0,53; F23: 0,032 Austrittsarbeit:4,32 eV

 

Spektrallinien des Galliums

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

Gallium-Spektrallinien

 

 

Chemie des Galliums

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

Elektronegativität:1,81 nach Pauling
1,82 nach Allred-Rochow
1,756 nach Allen
1,4 nach Mulliken
2,10 nach Sanderson
4,6638 eV nach Gosh-Gupta
3,2 eV nach Pearson
Elektronaffinität:0,43(3) eV bzw. 41(3) kJ mol-1Oxidationsstufen:+3 (+1, +2)

 

Standardpotentiale

E0 (V)NoxName Ox.Ox.e-Red.Name Red.Nox
-0,53+ IIIGallium(III)-KationGa3++ 3 e-Ga (s)Gallium0

 

Material- und physikalische Eigenschaften des Galliums

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

Schmelzpunkt:29,7646 °C Schmelzenthalpie (molar):5,59 kJ mol-1 Siedepunkt:2204 °C Verdampfungsenthalpie:256,1 kJ mol-1 Wärmekapazität:25,86 J mol-1 K-1 (molar)
0,371 J g-1 K-1 (spezifisch)
Debye-Temperatur:325 K Thermische Leitfähigkeit:40,6 W m-1 K-1 Wärmeausdehnung:18 μm m-1 K-1 bei 25 °C Elektrische Leitfähigkeit:7,14 × 106 Elektrischer Widerstand:270 nΩ × m bei 20 °C Dichte:5,91 g cm-3
6,095 g cm-3 (flüssig, am Schmezlpunkt)
Elastizitätsmodul:9,81 GPa (Young Modulus) Kompressionsmodul (isotherm):56,9 GPa 273 K Kompressibilität (isotherm):0,0176 GPa-1 273 K Poisson-Zahl:0,47 (Querdehnzahl, dimensionslos) Kristallstruktur:Orthorhombisch Gitterkonstanten:a = 452,0 pm, b = 766,3 pm, c = 452,6 pm; Z = 8. Raumgruppe:Raumgruppe Cmce Härte:nach Mohs: 1,5
nach Brinell: 0,06 GPa
Magnetismus:diamagnetisch Magnetische Suszeptibilität:-2,3 × 10-5 cm3 mol-1 Schallgeschwindigkeit:2740 m s-1 bei 20 °C

 

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.

 

Geochemie, Vorkommen, Verteilung

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.

Erdkruste:16,9 mg kg-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Erdmantel:4,4 ppm Meerwasser:0,00003 mg L-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Sonnensystem:0,000038 (bezogen auf Silicium, Si=1)

 

Literatur und Quellen

[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.

 

Externe Informationsangebote



Gruppenelemente - Informationen

Borgruppe
Die schweren Elemente der 3. Hauptgruppe. Universität Münster - Format: PDF

Borgruppe
Vorlesungsskript. ETH Zürich

Borgruppe, 3. Hauptgruppe, Erdmetalle, Triele: Al, Ga, In, Tl
Vorlesungsskript: Chemie der Metalle. Universität Freiburg

Borgruppe, III. Hauptgruppe
Vorlesungsmaterialien: Anorganische Chemie. ETH Zürich - Format: PDF



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Galliumhaltige Minerale
Informationen zum Gallium und den Galliummineralien. Mineralien Atlas



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Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 12.03.2019.



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