Ga

Gallium


Gallium is bij kamertemperatuur een vast, glanzend metaal. Maar het smelt al bij 30 graden Celsius - in je hand bijvoorbeeld. Mendelejev, de 'vader' van het periodiek systeem, had het bestaan van gallium correct voorspeld, net als sommige eigenschappen van het metaal. Het is een halfgeleider en vervult een belangrijke rol in elektronische en fotovoltaïsche componenten, zoals zonnecellen en laserdiodes.
Symbool Ga Protonen/elektronen 31
Groep 13 Isotopen 69Ga
Periode Elektronenconfiguratie [Ar] 4s2 3d10 4p1
Blok p Elektronegativiteit 1,8 (Pauling)
Bij kamertemperatuur vast Atoomstraal 141 10-12m
Dichtheid 5900 kg m-3 Relatieve atoommassa 69.72
Smeltpunt 30 oC
(303 K)
Soortelijke warmte J kg-1K-1
Kookpunt 2204 oC
(2477 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt W m-1K-1

Kwartsthermometer

Gesmolten gallium blijft bij afkoelen vloeibaar tot vér onder het smelt­punt. Een kwartsthermometer gevuld met galli­um is daardoor in staat temperaturen te meten van over een breed temperatuurgebied van ongeveer - 15° tot 1.200 °C.

Lichtgevende diode, LED

Lichtgevende diodes, kortweg LED's (oorspronkelijk een afkorting van light emitting diodes), zijn opto-elektronische componenten opgebouwd uit halfgeleiders. Bij de zogenaamde p-n-over­gang zenden ze - afhankelijk van de gebruikte materialen - rood, oranje, geel, groen of blauw licht uit. LED's met galliumfosfide geven groen licht en met galliumarsenide rood licht.

 

Een doorbraak was de vervaardiging van een blauwe LED op basis van galliumnitridekristallen. Omdat alle kleuren kunnen worden samengesteld uit 3 basiskleuren, opende deze vinding de mogelijkheid tot (goedkope) kleurendisplay's en LED-tv's.

Inmiddels is ook de nieuwste generatie spaarlampen met LED's uitgerust. Het is mogelijk redelijk wit licht te verkrijgen door een combinatie van de drie kleuren in één lamp of door blauw licht op een fosforescerende laag te laten vallen.

Laserdiode

Een bijzondere variant van de LED is de laserdiode. Deze levert coherent, monochromatisch laserlicht met een relatief hoog vermogen (enkele Watts). De meestgebruikte rode laserdiodes bevatten galliumarsenide (GaAs). Blauwe varianten bevatten indiumgalliumnitride (InGaN).

 

Dit is met afstand het meest gebruikte lasertype waarvan jaarlijks vele honderden miljoenen exemplaren worden geproduceerd. Je vindt laserdiodes bijvoorbeeld in CD-, DVD en 'blu-ray'-spelers, in laser printers en in apparatuur voor telecommunicatie via optische vezels.

Zonnecellen                                                             

Zonnecellen met laagjes galliumarsenide (GaAs) hebben een hoog rendement (ruim 25%). Vanwege hun relatief hoge prijs vind je ze vooral in 'high performance' toepassingen zoals in zonnepanelen voor de ruimtevaart (onder andere voor de Hubble-telescoop).

Deze zonnecellen worden ook toegepast in zonne-auto's voor de prestigieuze "World Solar Challenge". Vaak gaat het daarbij om 'space rejects', voor de ruimtevaart afgekeurde zonnecellen. De bekendste Nederlandse deelnemer aan deze race dwars door Australië (van Darwin naar Adelaide) is de Nuna, gebouwd door studenten van de Technische Universiteit Delft. De Nuna wist de race vier keer op rij te winnen. Overigens was de zesde versie van de Nuna uitgerust met silicium zonnecellen.

 

Tumordetectie

De radioactieve istoop 67Ga (halveringstijd 78,3 uur) wordt gebruikt voor het opsporen van tumoren (onder andere melanoom, bepaalde vormen van long- en leverkanker,  de ziekte van Hodgkin) en andere aandoeningen zoals ontstekingen in been­merg en bindweefsel. Het wordt toegepast als 67Ga -citraat. Zieke, hyperactieve cellen nemen deze verbinding meer op dan gezonde cellen. Bij analyse met gammacamera's wordt daardoor de plaats van de zieke cellen zicht­baar.

Infrarooddetector

Een aantal halfgeleiders is gevoelig voor infraroodstraling. Ze worden daarom toegepast in detectoren voor infrarode straling ("warmtestraling") zoals in beveiligingsapparatuur (passief infraroodmelders). Onder andere galliumarsenide, -nitride, -antimonide, en -fosfide en zinkselenide zijn geschikt.

Meer toepassingen


Als element en in legeringen

  • glassoldeer (legering met zeer laag smeltpunt)
  • kathodebuizen (Al,Ga)
  • magneten (met Gd, Fe, Y, Li, Mg)
  • spiegellaag op glas
  • supergeleiding (V3Ga)
  • warmtewisselaars in kernreactoren
  • Legeringen met een laag smeltpunt

In verbindingen

  • computergeheugen (magnetische laag)                      Ga2O3/Gd3Ga5O12
  • detectie van neutrino's                                                 71Ga-verbindingen
  • geïntegreerde schakelingen                                        GaAs
  • fosforescerend materiaal voor UV-toepassingen         Mg3(GaO4)2 gedot. met Mn2+

Naam

Gallium is afgeleid van Gallia, de Latijnse naam voor Frankrijk. Het kreeg die naam van ontdekker Lecoq de Boisbaudran, (foto) als eerbetoon aan diens geboorteland. Sommigen beweren dat ook de naam van de ontdekker met het element is verbonden. Het Latijnse gallus betekent immers haan, wat in het Frans le coq is.

 

Ontdekking

Gallium werd in 1875 ontdekt door de Franse chemicus Paul Emile Lecoq de Boisbaudran in zinkblende afkomstig uit Pierrefitte in de Pyreneeën. Hij gebruikte daarbij spectro­scopische analy­semethoden.

De eigenschappen van het element bleken zeer nauwkeurig overeen te komen met de in 1871 door Mende­lejev voorspelde eigenschappen van eka-aluminium:

                                   voorspeld:                              werkelijk:

atoommassa               ca. 68                                     69,72

dichtheid                     5,9                                         5,9004

smeltpunt                    laag                                       29,78 °C

analyse methode        waarschijnlijk te                      gevonden
                                   vinden via spectro-                 door spec­tro­scopische
                                   fotometrische analyse-           analy­seme­tho­den
                                   methoden                                                                  

eigenschappen           stabiel in lucht                        stabiel in lucht
                                   langzaam oplosbaar in           langzaam oplosbaar in
                                   sterke zuren                           sterke zuren

Voorkomen

Gallium staat op plaats 35 in de lijst van meest voorkomende elementen in de aardkorst. Het aandeel bedraagt 1,9.10-3 % op gewichtsbasis.

 

Het enige galliumhoudende mineraal is galliet, CuGaS2 (foto).

Voorts is het in kleine hoeveelhe­den te vinden in diverse andere mineralen, zoals:

  • bauxiet                                    AlOx(OH)3-2x    (0 < x < 1)
  • dias­poor                                 AlO(OH)         
  • galliet                                      CuGaS2
  • germaniet                               Cu13Fe2Ge2S16           (ca. 1 %)
  • sfaleriet                                   (Zn,Fe)S

Ook aardolie en steenkool bevatten gallium.

Winning

Gallium wor­dt voornamelijk gewonnen uit de vliegas van kolen- of oliegestookte centrales en als bijproduct bij de verwerking van bauxiet. 

Vroeger

Gallium werd door de ontdekker Lecoq de Boisbaudran bereid door elektrolyse van een ammoniakale oplossing van galliumsulfaat.

 

Tegenwoordig

Gallium is vooral een bijproduct bij de bereiding van aluminium en zink. Zo levert extractie van aluminaten uit bau­xiet of uit vliegas tevens galliumverbindingen op. In het zogenoemde Rhône-Poulenc-proces gebruikt men hydroxychinoline als eerste extractievloeistof gebruikt, gevolgd door geconcentreerd zwavelzuur of zoutzuur. Ook wordt ionenwisseling gebruikt om galliumverbindingen te isoleren.

Door elektrolyse van de verkregen galliumver­bindingen wordt vervolgens metallisch gallium verkregen. Dit is verder te zuiveren door elektrolyse of vacuümdestillatie.

Deel dit op: