Il gallio È un elemento metallico che è rappresentato dal simbolo Ga e che appartiene al gruppo 13 della tavola periodica. Chimicamente assomiglia all'alluminio nel suo anfoterismo; Tuttavia, entrambi i metalli finiscono per esibire proprietà che li rendono distinguibili l'uno dall'altro..
Ad esempio, le leghe di alluminio possono essere lavorate per dare loro tutti i tipi di forme; mentre quelli di gallio hanno punti di fusione molto bassi, costituiti praticamente da liquidi argentei. Inoltre, il punto di fusione del gallio è inferiore a quello dell'alluminio; il primo può sciogliersi per il calore della mano, mentre il secondo no.
La somiglianza chimica tra gallio e alluminio li raggruppa anche geochimicamente; cioè i minerali o le rocce ricche di alluminio, come le bauxiti, hanno concentrazioni stimabili di gallio. Oltre a questa fonte mineralogica, ce ne sono altre di zinco, piombo e carbonio, ampiamente diffuse in tutta la crosta terrestre..
Il gallio non è comunemente un metallo ben noto. Il suo semplice nome può evocare nella mente l'immagine di un gallo. Infatti, le rappresentazioni grafiche e generali del gallio si trovano solitamente con l'immagine di un gallo d'argento; dipinta con gallio liquido, una sostanza altamente bagnabile su vetro, ceramica e persino la mano.
Frequenti sono gli esperimenti in cui pezzi di gallio metallico si fondono con le mani, così come la manipolazione del suo liquido e la sua tendenza a macchiare tutto ciò che tocca.
Sebbene il gallio non sia tossico, come il mercurio, è un agente distruttore dei metalli, poiché li rende fragili e inutili (in primo luogo). D'altra parte farmacologicamente interviene nei processi in cui le matrici biologiche utilizzano il ferro.
Per chi è nel mondo dell'optoelettronica e dei semiconduttori, il gallio sarà tenuto in grande considerazione, paragonabile e, forse, superiore al silicio stesso. Con i termometri al gallio, invece, sono stati realizzati specchi e oggetti basati sulle sue leghe.
Chimicamente, questo metallo ha ancora molto da offrire; magari nel campo della catalisi, dell'energia nucleare, nello sviluppo di nuovi materiali semiconduttori, o "semplicemente" nella chiarificazione della loro struttura confusa e complessa.
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Già nel 1871 il chimico russo Dmitri Mendeleev aveva previsto l'esistenza di un elemento le cui proprietà somigliavano a quelle dell'alluminio; che ha chiamato come ekaluminium. Questo elemento doveva essere posizionato appena sotto l'alluminio. Mendeleev predisse anche le proprietà (densità, punto di fusione, formule dei suoi ossidi, ecc.) Di ekaluminium.
Sorprendentemente, quattro anni dopo il chimico francese Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran, aveva trovato un nuovo elemento in un campione di sfalerite (blenda di zinco), proveniente dai Pirenei. Riuscì a scoprirlo grazie ad un'analisi spettroscopica, in cui osservò lo spettro di due linee viola che non coincidevano con quello di un altro elemento.
Avendo scoperto un nuovo elemento, Lecoq ha effettuato esperimenti su 430 kg di sfalerite, da cui è stato in grado di isolarne 0,65 grammi; e dopo una serie di misurazioni delle sue proprietà fisiche e chimiche, concluse che si trattava dell'ekaluminium di Mendeleev.
Per isolarlo, Lecoq ha effettuato l'elettrolisi del suo rispettivo idrossido in idrossido di potassio; probabilmente lo stesso con cui ha sciolto la sfalerite. Certificando che era ekaluminium, ed essendo anche il suo scopritore, gli diede il nome di "gallium" (galium in inglese). Questo nome deriva dal nome "Gallia", che in latino significa Francia.
Tuttavia, il nome presenta un'altra curiosità: "Lecoq" in francese significa "gallo", e in latino "gallus". Essendo un metallo, "gallus" divenne "gallio"; anche se in spagnolo la conversione è molto più diretta. Quindi, non è un caso che si pensi a un gallo quando si parla di gallio..
Il gallio è un metallo argentato inodore, con superficie vetrosa, dal gusto astringente. Il suo solido è morbido e fragile e quando si frattura lo fa concoide; cioè, i pezzi formati sono curvi, simili a conchiglie.
Quando si scioglie, a seconda dell'angolo con cui viene visualizzato, può mostrare un bagliore bluastro. Questo liquido argenteo non è tossico al contatto; tuttavia "aderisce" troppo alle superfici, soprattutto se sono in ceramica o vetro. Ad esempio, una singola goccia di gallio può permeare l'interno di una tazza di vetro per rivestirla con uno specchio d'argento..
Se un frammento solido di gallio viene depositato nel gallio liquido, funge da nucleo in cui si sviluppano e crescono rapidamente cristalli di gallio scintillanti..
31 (31Ga)
69,723 g / mol
29,7646 ° C. Questa temperatura può essere raggiunta tenendo stretto un bicchiere di gallio tra le due mani finché non si scioglie..
2400 ° C. Notare il grande divario tra 29,7 ° C e 2400 ° C; cioè il gallio liquido ha una tensione di vapore molto bassa, e questo lo rende uno degli elementi con la maggiore differenza di temperatura tra lo stato liquido e quello gassoso..
-A temperatura ambiente: 5,91 g / cm3
-Al punto di fusione: 6.095 g / cm3
Si noti che la stessa cosa accade con il gallio come con l'acqua: la densità del suo liquido è maggiore di quella del suo solido. Pertanto, i tuoi cristalli galleggeranno sul gallio liquido (iceberg di gallio). Infatti, l'espansione di volume del solido è tale (tre volte), che è scomodo conservare il gallio liquido in contenitori che non siano di plastica..
5,59 kJ / mol
256 kJ / mol
25,86 J / (mol K)
A 1037 ºC, solo il suo liquido esercita una pressione di 1 Pa.
1,81 della scala Pauling
-Primo: 578,8 kJ / mol (Ga+ gassoso)
-Secondo: 1979,3 kJ / mol (GaDue+ gassoso)
-Terzo: 2963 kJ / mol (Ga3+ gassoso)
40,6 W / (m · K)
270 nΩ · ma 20 ºC
1.5
1.819 cP a 32 ºC
709 dine / cm a 30 ºC
Come l'alluminio, il gallio è anfotero; reagisce sia con gli acidi che con le basi. Ad esempio, acidi forti possono dissolverlo per formare sali di gallio (III); se riguardano l'HDueSW4 e HNO3, sono prodotti GaDue(SW4)3 e ha vinto3)3, rispettivamente. Mentre reagendo con basi forti si producono sali di gallato, con lo ione Ga (OH)4-.
Nota la somiglianza tra Ga (OH)4- e Al (OH)4- (alluminato). Se si aggiunge ammoniaca al mezzo, si forma idrossido di gallio (III), Ga (OH)3, che è anche anfotero; quando reagisce con basi forti, produce nuovamente Ga (OH)4-, ma se reagisce con acidi forti libera il complesso acquoso [Ga (OHDue)6]3+.
Il gallio metallico è relativamente inerte a temperatura ambiente. Non reagisce con l'aria, come un sottile strato di ossido, GaDueO3, lo protegge dall'ossigeno e dallo zolfo. Tuttavia, quando riscaldato, l'ossidazione del metallo continua, trasformandosi completamente nel suo ossido. E se lo zolfo è presente, ad alte temperature reagisce per formare GaDueS3.
Non ci sono solo ossidi e solfuri di gallio, ma anche fosfuri (GaP), arseniuri (GaAs), nitruri (GaN) e antimonidi (GaSb). Tali composti possono essere originati dalla reazione diretta degli elementi a temperature elevate, o da vie sintetiche alternative..
Allo stesso modo, il gallio può reagire con gli alogeni per formare i loro rispettivi alogenuri; come GaDueCl6, GaF3 e GaDueio3.
Questo metallo, come l'alluminio e i suoi congeneri (membri dello stesso gruppo 13), possono interagire in modo covalente con gli atomi di carbonio per produrre composti organometallici. Nel caso di quelli con legami Ga-C, sono chiamati organogalium.
La cosa più interessante del gallio non è nessuna delle sue precedenti caratteristiche chimiche, ma la sua enorme facilità con cui può essere legato (simile a quella del mercurio e al suo processo di fusione). I suoi atomi di Ga si "sfregano" rapidamente tra i cristalli metallici, dando luogo a leghe di gallio..
Il gallio non è solo insolito in quanto è un metallo che si scioglie con il calore del palmo della mano, ma la sua struttura è complessa e incerta..
Da un lato, è noto che i suoi cristalli adottano una struttura ortorombica (Ga-I) in condizioni normali; Tuttavia, questa è solo una delle tante fasi possibili per questo metallo, di cui non è stato specificato l'ordine esatto dei suoi atomi. Si tratta quindi di una struttura più complessa di quanto potrebbe sembrare a prima vista..
Sembra che i risultati variano a seconda dell'angolo o della direzione in cui viene analizzata la sua struttura (anisotropia). Allo stesso modo, queste strutture sono molto sensibili al più piccolo cambiamento di temperatura o pressione, il che significa che il gallio non può essere definito come un singolo tipo di cristallo al momento dell'interpretazione dei dati..
Gli atomi di Ga interagiscono tra loro grazie al legame metallico. Tuttavia, è stato trovato un certo grado di covalenza tra due atomi vicini, quindi si presume l'esistenza del dimero di Ga.Due (Gaga).
In teoria, questo legame covalente dovrebbe essere formato dalla sovrapposizione dell'orbitale 4p, con il suo unico elettrone secondo la configurazione elettronica:
[Ar] 3d10 4sDue 4p1
A questa miscela di interazioni covalenti-metalliche viene attribuito il basso punto di fusione del gallio; poiché, sebbene da un lato possa esserci un "mare di elettroni" che tiene saldamente insieme gli atomi di Ga nel cristallo, dall'altro le unità strutturali sono costituite da dimeri di Ga.Due, le cui interazioni intermolecolari sono deboli.
Quando la pressione aumenta da 4 a 6 GPa, i cristalli di gallio subiscono transizioni di fase; dall'ortorombica si passa al cubico centrato nel corpo (Ga-II), e da questo infine al tetragonale centrato nel corpo (Ga-III). Nell'intervallo di pressione, si forma forse una miscela di cristalli, il che rende ancora più difficile l'interpretazione delle strutture..
Gli elettroni più energetici sono quelli che si trovano negli orbitali 4s e 4p; poiché ce ne sono tre, ci si aspetta quindi che il gallio possa perderli se combinato con elementi più elettronegativi di esso.
Quando ciò si verifica, si presume l'esistenza del catione Ga.3+, e si dice che il suo numero o stato di ossidazione sia +3 o Ga (III). In effetti, questo è il più comune di tutti i suoi numeri di ossidazione. I seguenti composti, ad esempio, possiedono gallio come +3: GaDueO3 (GaDue3+O3Due-), GaDueBr6 (GaDue3+Br6-), Li3GaNDue (Li3+Ga3+NDue3-) e GaDueTè3 (GaDue3+Tè3Due-).
Il gallio può anche essere trovato con numeri di ossidazione di +1 e +2; sebbene siano molto meno comuni di +3 (simile all'alluminio). Esempi di tali composti sono GaCl (Ga+Cl-), GaDueO (GaDue+ODue-) e GaS (GaDue+SDue-).
Si noti che si assume sempre (correttamente o meno) l'esistenza di ioni con magnitudini di carica identiche al numero di ossidazione considerato..
Il gallio si trova nella crosta terrestre con un'abbondanza proporzionale a quella dei metalli cobalto, piombo e niobio. Si presenta come un solfuro o ossido idrato, ampiamente diffuso come impurità contenute in altri minerali.
I suoi ossidi e solfuri sono scarsamente solubili in acqua, quindi la concentrazione di gallio nei mari e nei fiumi è bassa. Inoltre l'unico minerale “ricco” di gallio è la gallita (CuGaSDue, foto sopra). Tuttavia, non è pratico sfruttare il pollo per ottenere questo metallo. Meno noto è il minerale plumbogumite di gallio.
Pertanto, non ci sono minerali ideali per questo metallo (con una concentrazione superiore allo 0,1% in massa)..
Invece, il gallio è ottenuto come sottoprodotto del trattamento metallurgico di minerali di altri metalli. Ad esempio, può essere estratto da bauxiti, frullatori di zinco, allumi, carboni, galene, piriti, germaniti, ecc.; cioè, è solitamente associato ad alluminio, zinco, carbonio, piombo, ferro e germanio in diversi corpi minerali.
Quando la materia prima minerale viene digerita o disciolta, in mezzi fortemente acidi o basici, si ottiene una miscela di ioni metallici solubilizzati in acqua. Poiché il gallio è un sottoprodotto, i suoi ioni Ga3+ rimangono disciolti nella miscela una volta che i metalli di interesse sono precipitati.
Quindi, vuoi separare questi Ga3+ degli altri ioni, con l'unico scopo di aumentare la loro concentrazione e la purezza del metallo risultante.
Per questo, oltre alle tecniche di precipitazione convenzionali, viene utilizzata la cromatografia a scambio ionico mediante l'uso di una resina. Grazie a questa tecnica è possibile separare (ad esempio) il Ga3+ di CaDue+ o Fede3+.
Una volta ottenuta una soluzione altamente concentrata di ioni Ga3+, è sottoposto a elettrolisi; cioè, il Ga3+ riceve elettroni per potersi formare come un metallo.
Il gallio si trova in natura principalmente come due isotopi: il 69Ga, con un'abbondanza del 60,11%; e il 71Ga, con un'abbondanza del 39,89%. È per questo motivo che il peso atomico del gallio è 69,723 u. Gli altri isotopi del gallio sono sintetici e radioattivi, con masse atomiche che vanno da 56Ga a 86Ga.
Dal punto di vista ambientale, il gallio metallico è poco reattivo e solubile in acqua, quindi le sue fuoriuscite in teoria non rappresentano gravi rischi di contaminazione. Inoltre, non è noto quale ruolo biologico possa avere negli organismi, con la maggior parte dei suoi atomi escreti nelle urine, senza segni di accumulo in nessuno dei suoi tessuti..
A differenza del mercurio, il gallio può essere maneggiato a mani nude. In effetti, l'esperimento di cercare di scioglierlo con il calore delle mani è abbastanza comune. Una persona può toccare il liquido d'argento risultante senza timore di danneggiare o ferire la sua pelle; anche se lascia una macchia d'argento su di esso.
Tuttavia, ingerirlo potrebbe essere tossico, poiché in teoria si dissolverebbe nello stomaco per generare GaCl3; sale di gallio i cui effetti sul corpo sono indipendenti dal metallo.
Il gallio è caratterizzato da un'elevata macchiatura o adesione alle superfici; e se questi sono metallici, li attraversa e forma le leghe all'istante. Questa caratteristica di poter essere legato con quasi tutti i metalli rende inappropriato versare gallio liquido su qualsiasi oggetto metallico..
Pertanto, gli oggetti metallici corrono il rischio di frantumarsi in pezzi in presenza di gallio. La sua azione può essere così lenta e inosservata, da recare sorprese indesiderate; soprattutto se è stato versato su una sedia di metallo, che potrebbe crollare quando qualcuno si siede su di essa.
Ecco perché chi desidera maneggiare il gallio non dovrebbe mai metterlo a contatto con altri metalli. Ad esempio, il suo liquido è in grado di sciogliere il foglio di alluminio, oltre a penetrare di nascosto nei cristalli di indio, ferro e stagno, per renderli fragili..
In termini generali, nonostante quanto sopra e il fatto che i suoi vapori siano quasi assenti a temperatura ambiente, il gallio è generalmente considerato un elemento sicuro a tossicità zero..
Il gallio ha sostituito il mercurio come liquido per leggere le temperature segnate dal termometro. Tuttavia, il suo punto di fusione di 29,7 ºC è ancora alto per questa applicazione, motivo per cui allo stato metallico non sarebbe possibile utilizzarlo nei termometri; invece, viene utilizzata una lega chiamata Galinstan (Ga-In-Sn).
La lega di Galinstan ha un punto di fusione intorno a -18 ºC e, aggiunta la sua tossicità zero, la rende una sostanza ideale per la progettazione di termometri medici indipendenti dal mercurio. In questo modo, se dovesse rompersi, sarebbe sicuro ripulire il disordine; anche se sporcherebbe il pavimento per la sua capacità di bagnare le superfici.
Ancora una volta, si parla della bagnabilità del gallio e delle sue leghe. Quando si tocca una superficie di porcellana, o un vetro, si diffonde su tutta la superficie fino a quando non è completamente ricoperta da uno specchio d'argento.
Oltre agli specchi, le leghe di gallio sono state utilizzate per creare oggetti di tutte le forme, poiché una volta raffreddate si solidificano. Questo potrebbe avere un grande potenziale nanotecnologico: costruire oggetti di dimensioni molto piccole, che logicamente operano a basse temperature e mostrano proprietà uniche basate sul gallio..
Le paste termiche utilizzate nei processori per computer sono state realizzate con leghe di gallio.
Ioni Ga3+ hanno una certa somiglianza con il Fe3+ nel modo in cui intervengono nei processi metabolici. Pertanto, se c'è una funzione, parassita o batteri che richiedono ferro per svolgere, possono essere bloccati scambiandolo per gallio; questo è il caso dei batteri pseudomonas.
Quindi, è qui che compaiono i farmaci al gallio, che possono semplicemente consistere dei suoi sali inorganici o organogalium. La Ganita, nome commerciale del nitrato di gallio, Ga (NO3)3, utilizzato per regolare gli alti livelli di calcio (ipercalcemia) associati al cancro alle ossa.
L'arseniuro di gallio e il nitruro sono caratterizzati dal fatto di essere semiconduttori, che sono venuti a sostituire il silicio in alcune applicazioni optoelettroniche. Con loro sono stati prodotti transistor, diodi laser e diodi emettitori di luce (blu e viola), chip, celle solari, ecc. Ad esempio, grazie ai laser GaN, i dischi Blu-Ray possono essere letti.
Gli ossidi di gallio sono stati utilizzati per studiarne la catalisi in diverse reazioni organiche di grande interesse industriale. Uno dei catalizzatori di gallio più recenti è costituito dal proprio liquido, sul quale sono dispersi atomi di altri metalli che funzionano come centri o siti attivi..
Ad esempio, il catalizzatore gallio-palladio è stato studiato nella reazione di deidrogenazione del butano; ovvero convertire il butano in specie insature più reattive, necessarie per altri processi industriali. Questo catalizzatore è costituito da gallio liquido che funge da supporto per gli atomi di palladio..
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