Gallium: belangrijk maar zeldzaam metaal voor een breed scala van toepassingen
Gallium is een zilverwit metaal dat bestand is tegen lucht, uiterst zacht is en een enigszins blauwachtige glans kan hebben. Door zijn eigenschappen is het geschikt voor een breed scala van toepassingen. In het periodiek systeem heeft het het element symbool Ga. Het wordt aangetroffen in de 4e periode - hier is het het derde element van groep 13 (derde hoofdgroep of boriumgroep). Gallium is uiterst zeldzaam in de natuur. Het komt hier vrijwel niet voor als element (d.w.z.: zelfstandig), maar bijna altijd als onderdeel van een verbinding met aluminium-, zink- of germaniumertsen. Gallium heeft een gehalte van 19 ppm in de continentale aardkorst: het staat dus op gelijke voet met lood en lithium.
Eigenschappen van gallium
Gallium heeft een zeer laag smeltpunt. Het is slechts 29,76 graden Celsius. Theoretisch kun je zelfs het metaal in je hand vloeibaar maken. In feite gebeurt dit echter meestal in verdunde zuren, wat leidt tot waterstofevolutie - of gewoon in heet water. Gallium is niet oplosbaar in koud water of met geconcentreerd salpeterzuur. In deze gevallen treedt passivatie op (d.w.z. spontane vorming van een niet-metallische beschermlaag).
Na het smelten blijft gallium nog enige tijd vloeibaar, zelfs wanneer het wordt afgekoeld. Galliumkristallen worden gevormd tijdens het afkoelen. Hoe langzamer het koelproces, hoe schoner de kristallen. Eén punt is hier van belang: het metaal kristalliseert niet in een vorm die men anders vaak aantreft, maar in een orthorhombische structuur. Dit is een rechthoekig systeem met drie hoeken van 90 graden. Geen assen zijn echter even lang. Voor gallium is deze structuur de meest stabiele.
Toxiologisch gezien is het metaal corrosief voor de huid en de slijmvliezen. Dit is te wijten aan het lage smeltpunt, waardoor het bij lichaamstemperatuur vloeibaar wordt. Er zijn geen toxicologische waarden voor het metaal in vaste vorm. Over het geheel genomen is het gevaar voor de mens bij het werken met gallium echter gering: alleen de ogen worden ernstig bedreigd. Na bevochtiging met het vloeibaar gemaakte metaal, is het moeilijk om het hoornvlies schoon te maken. Gallium wordt ook aangetroffen in tandheelkundige legeringen. Als het op deze manier wordt gebruikt, kan het tot allergische reacties leiden.
Andere eigenschappen:
- Kookpunt: 2400 graden (brandt onder hoge druk in zuivere zuurstof)
- Mohs hardheid: 1.5
- Dichtheid: Dichtheid: 5,904 g-cm-3
- Molair volume: 11,80 - 10-6 m3/mol
- Fusiewarmte: 5,59 kJ/mol
- Verdampingswarmte: 256 kJ/mol
Mogelijke toepassingen van Gallium
Het meeste gallium wordt gebruikt voor de productie van III-V samengestelde halfgeleiders, die bestaan uit de stof galliumarsenide. Deze worden bijvoorbeeld gebruikt in de opto-elektronica (lichtgevende dioden, laserdioden, bv. voor Blu-Ray-datadragers). Zij worden ook aangetroffen in zonnecellen en in onderdelen van hoogfrequentietechnologie (b.v. in HF-transistors).
Omdat gallium vloeibaar is over een groot temperatuurbereik, is het metaal ook geschikt voor thermometers, die tot 1200 graden Celsius kunnen reiken. Als legering wordt gallium vooral gebruikt met ijzer, yttrium, lithium, magnesium en gadolinium. In dergelijke gevallen is het de bedoeling magnetische materialen te produceren. Een uitzondering is de legering met plutonium: in dit geval gaat het om de bouw van een kernbom.
Een andere mogelijke toepassing van galliumlegeringen is als vervanger van het giftige kwik. Dit komt omdat het metaal bij kamertemperatuur vloeibaar is en voor het overige soortgelijke eigenschappen heeft als de giftige stof. Bepaalde galliumlegeringen worden ook gebruikt in automatische brandblussystemen als barrière-inrichting. Ook hier helpt het lage smeltpunt: als de kamertemperatuur stijgt, reageert het blussysteem op een faalveilige manier omdat het een chemisch proces is. De legering is nodig om het smeltpunt van het toestel enigszins te verhogen, zodat het systeem niet zomaar reageert op te warme dagen.
Extractie van gallium
Het metaal wordt gewonnen uit bauxiet bij de productie van aluminium. Het hele proces wordt uitgevoerd volgens het Bayer-procédé. Het gallium scheidt zich automatisch af van het geëxtraheerde natriumaluminaat op een ijzeren kathode die met kwik is bekleed. De opbrengsten zijn echter laag: per ton bauxiet wordt maximaal 60 gram gallium gewonnen. Dit wordt dan gezuiverd. Dit proces slaagt door elektrolytische raffinage. Daarna worden de afzonderlijke kristallen geproduceerd voor verdere verwerking.
Geschiedenis van het metaal
Gallium heeft twee "vaders": Dmitri Mendelejev en Paul Émile Lecoq de Boisbaudran. In 1871 voorspelde de eerste het bestaan van een nog niet ontdekt metaal, dat hij eka-aluminium noemde. Hij gebruikte een periodiek systeem dat hij zelf had ontwikkeld. Zijn Franse collega wist niets van deze voorspelling, maar slaagde er toch in ze vier jaar later in Parijs te bewijzen. In het emissiespectrum van in zuur opgelost en met metallisch zink vermengd zinkblende-erts kon hij het bestaan van twee violette spectraallijnen aantonen. Deze behoorden tot een nog onbekend metaal, concludeerde hij.
De naamgeving van het metaal gaat waarschijnlijk ook terug op de Boisbaudran. Er zijn twee theorieën hierover. De Fransman staat in het middelpunt van beide. Ten eerste had hij het nieuwe element naar de Romeinse naam van zijn vaderland kunnen noemen: Dus in dit geval, is Gallië gallium geworden. Ten tweede, het Latijnse woord gallus kan de inspiratie zijn geweest. Dit betekent "lul". In dat geval zou de naam een toespeling zijn op zijn tweede naam "Lecoq" - afzonderlijk geschreven betekent "le Coq" "de haan". Gallium zou dan naar zichzelf vernoemd worden.