GALLIO: PROPRIETÀ, STRUTTURA, OTTENIMENTO, USI - CHIMICA - 2025

Il gallio è un elemento metallico che è rappresentato dal simbolo Ga appartenente al gruppo 13 della tavola periodica. Chimicamente assomiglia all'alluminio nel suo anfotericismo; tuttavia, entrambi i metalli finiscono per mostrare proprietà che li rendono differenziabili 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.

Cristalli di gallio ottenuti depositando un piccolo frammento di gallio in una sua soluzione sovrasatura (gallio liquido). Fonte: Maxim Bilovitskiy

La somiglianza chimica tra gallio e alluminio li raggruppa anche geochimicamente; cioè minerali o rocce ricche di alluminio, come le bauxiti, hanno concentrazioni di gallio considerevoli. 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, in quanto li rende fragili e inutili (in prima istanza). 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 il gallio sono stati invece realizzati termometri, specchi e oggetti basati sulle sue leghe.

Chimicamente, questo metallo ha ancora molto da offrire; forse nel campo della catalisi, dell'energia nucleare, nello sviluppo di nuovi materiali semiconduttori, o "semplicemente" nel chiarire la loro struttura confusa e complessa.

Storia

Previsioni della sua esistenza

Già nel 1871 il chimico russo Dmitri Mendeleev aveva previsto l'esistenza di un elemento le cui proprietà erano simili a quelle dell'alluminio; che, ha chiamato come ekaluminio. Questo elemento doveva essere posizionato appena sotto l'alluminio. Mendeleev predisse anche le proprietà (densità, punto di fusione, formule dei suoi ossidi, ecc.) Dell'alcalluminio.

Scoperta e isolamento

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. Ha potuto scoprirlo grazie ad un'analisi spettroscopica, in cui ha osservato 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 eseguito l'elettrolisi del rispettivo idrossido in idrossido di potassio; probabilmente lo stesso con cui ha sciolto la sfalerite. Dopo aver certificato che era ekaluminium, e essendone anche lo scopritore, gli diede il nome di "gallio" (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.

Proprietà fisiche e chimiche

Aspetto e caratteristiche fisiche

Il gallio è un metallo argenteo inodore, dalla superficie vetrosa con un 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 di mare.

Quando si scioglie, a seconda dell'angolazione 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.

Numero atomico (Z)

31 ( ₃₁ Ga)

Massa molare

69,723 g / mol

Punto di fusione

29,7646 ° C. Questa temperatura può essere raggiunta tenendo un bicchiere di gallio stretto tra due mani finché non si scioglie.

Punto di ebollizione

2400 ° C. Notare il grande divario tra 29,7 ºC e 2400 ºC; 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.

Densità

-A temperatura ambiente: 5,91 g / cm ³

-Al punto di fusione: 6.095 g / cm ³

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 risulta scomodo conservare il gallio liquido in contenitori che non siano di plastica.

Calore di fusione

5,59 kJ / mol

Calore di vaporizzazione

256 kJ / mol

Capacità termica molare

25,86 J / (mol K)

Pressione del vapore

A 1037 ºC, solo il suo liquido esercita una pressione di 1 Pa.

elettronegatività

1,81 della scala Pauling

Energie di ionizzazione

-Primo: 578,8 kJ / mol (Ga ⁺ gas)

-Secondo: 1979,3 kJ / mol (Ga ²⁺ gassoso)

-Terzo: 2963 kJ / mol (Ga ³⁺ gassoso)

Conduttività termica

40,6 W / (m · K)

Resistività elettrica

270 nΩ m a 20 ºC

Durezza di Mohs

1.5

Viscosità

1.819 cP a 32 ºC

Tensione superficiale

709 dine / cm a 30 ºC

Amphotericism

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 sono H ₂ SO ₄ e HNO ₃ , _{vengono prodotti} rispettivamente Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ e Ga (NO ₃ ) ₃ . Mentre reagendo con basi forti si producono sali di gallato, con lo ione Ga (OH) ₄ ^- .

Notare 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 , anch'esso anfotero; reagendo con basi forti, produce nuovamente Ga (OH) ₄ ^- ma se reagisce con acidi forti libera il complesso acquoso ³⁺ .

Reattività

Il gallio metallico è relativamente inerte a temperatura ambiente. Non reagisce con l'aria, poiché un sottile strato di ossido, Ga ₂ O ₃ , lo protegge da ossigeno e zolfo. Tuttavia, quando riscaldato, l'ossidazione del metallo continua, trasformandosi completamente nel suo ossido. E se è presente lo zolfo, ad alte temperature reagisce formando Ga ₂ S ₃ .

Non ci sono solo ossidi e solfuri di gallio, ma anche fosfuri (GaP), arseniuri (GaAs), nitruri (GaN) e antimonidi (GaSb). Tali composti possono originarsi per reazione diretta degli elementi a temperature elevate o per vie sintetiche alternative.

Allo stesso modo, il gallio può reagire con gli alogeni per formare i loro rispettivi alogenuri; come Ga ₂ Cl ₆ , GaF ₃ e Ga ₂ I ₃ .

Questo metallo, come l'alluminio ei 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 "sfregano rapidamente" tra i cristalli metallici, dando origine a leghe di gallio.

Struttura e configurazione elettronica

Complessità

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 suscettibili 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.

dimeri

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 Ga ₂ (Ga-Ga).

In teoria, questo legame covalente dovrebbe essere formato dalla sovrapposizione dell'orbitale 4p, con il suo unico elettrone secondo la configurazione elettronica:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

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 ₂ , le cui interazioni intermolecolari sono deboli.

Fasi ad alta pressione

Quando la pressione aumenta da 4 a 6 GPa, i cristalli di gallio subiscono transizioni di fase; dall'ortorombica si passa al cubico centrato sul corpo (Ga-II), e da questo infine al tetragonale centrato sul corpo (Ga-III). Nell'intervallo di pressione si forma eventualmente una miscela di cristalli, il che rende ancora più difficile l'interpretazione delle strutture.

Numeri di ossidazione

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 quando 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, per esempio, possiedono gallio come +3: Ga ₂ O ₃ (Ga ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ), Ga ₂ Br ₆ (Ga ₂ ³⁺ Br ₆ ^- ), Li ₃ GaN ₂ (Li ₃ ⁺ Ga ³⁺ N ₂ ^3- ) e Ga ₂ Te ₃ (Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2- ).

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 ^- ), Ga ₂ O (Ga ₂ ⁺ O ^2- ) e GaS (Ga ²⁺ S ^2- ).

Si noti che si assume sempre (correttamente o meno) l'esistenza di ioni con magnitudini di carica identiche al numero di ossidazione considerato.

Dove trovare e ottenere

Un campione del minerale gallita, raro ma l'unico con un'apprezzabile concentrazione di gallio. Fonte: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Il gallio si trova nella crosta terrestre con un'abbondanza proporzionale a quella dei metalli cobalto, piombo e niobio. Si presenta come un solfuro idrato o ossido, 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 (CuGaS ₂ , immagine in alto). Tuttavia, non è pratico sfruttare la gallina per ottenere questo metallo. Meno noto è il minerale plumbogumite di gallio.

Pertanto, non ci sono minerali ideali per questo metallo (con una concentrazione maggiore dello 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 con alluminio, zinco, carbonio, piombo, ferro e germanio in diversi corpi minerali.

Cromatografia a scambio ionico ed elettrolisi

Quando la materia prima minerale viene digerita o sciolta, sia in mezzi fortemente acidi che basici, si ottiene una miscela di ioni metallici solubilizzati in acqua. Poiché il gallio è un prodotto secondario, i suoi ioni Ga ³⁺ rimangono disciolti nella miscela una volta che i metalli di interesse sono precipitati.

Pertanto, si desidera separare questi Ga ³⁺ dagli 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 utilizzando una resina. Grazie a questa tecnica è possibile separare (ad esempio) Ga ³⁺ da Ca ²⁺ o Fe ³⁺ .

Una volta ottenuta una soluzione altamente concentrata di ioni Ga ³⁺ , viene sottoposta ad elettrolisi; cioè, Ga ³⁺ riceve elettroni per potersi formare come un metallo.

isotopi

Il gallio si trova in natura principalmente come due isotopi: ⁶⁹ Ga, con un'abbondanza del 60,11%; e ⁷¹ Ga, 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 ⁵⁶ Ga a ⁸⁶ Ga.

rischi

Ambientale e fisica

Da un 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 paura 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 GaCl ₃ ; sale di gallio i cui effetti sul corpo sono indipendenti dal metallo.

Danni ai metalli

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 rompersi 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 vuole 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 pressoché assenti a temperatura ambiente, il gallio è generalmente considerato un elemento sicuro a tossicità zero.

applicazioni

termometri

Termometri Galinstan. Fonte: Gelegenheitsautor

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 elevato 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 di circa -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.

Produzione di specchi

Ancora una volta, si parla della bagnabilità del gallio e delle sue leghe. Quando tocca una superficie di porcellana, o 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.

computers

Le paste termiche utilizzate nei processori per computer sono state realizzate con leghe di gallio.

farmaci

Gli ioni Ga ³⁺ hanno una certa somiglianza con Fe ³⁺ nel modo in cui intervengono nei processi metabolici. Pertanto, se esiste una funzione, un parassita o un batterio che richiede il 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 essere semplicemente costituiti dai suoi sali inorganici o organogalium. La Ganita, un nome commerciale per il nitrato di gallio, Ga (NO ₃ ) ₃ , viene utilizzato per regolare le alte concentrazioni di calcio (ipercalcemia) associate al cancro alle ossa.

Tecnologico

L'arseniuro di gallio e il nitruro sono caratterizzati dall'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.

catalizzatori

Gli ossidi di gallio sono stati utilizzati per studiarne la catalisi in diverse reazioni organiche di grande interesse industriale. Uno dei più recenti catalizzatori di gallio 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; cioè 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.

Riferimenti

1. Sella Andrea. (23 settembre 2009). Gallio. Mondo della chimica. Estratto da: chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Gallio. Estratto da: en.wikipedia.org
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Struttura locale del gallio liquido sotto pressione. Rapporti scientifici, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Brahama D. Sharma e Jerry Donohue. (1962). Una raffinatezza della struttura cristallina del gallio. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. et al. (2011). Cause di distribuzione, presenza e arricchimento del gallio nei carboni del Jungar Coalfield, Mongolia Interna. Sci. China Earth Sci. 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (Sf). Gallio. Estratto da: nautilus.fis.uc.pt
7. The Editors of Encyclopaedia Britannica. (5 aprile 2018). Gallio. Encyclopædia Britannica. Estratto da: britannica.com
8. Bloom Josh. (3 aprile 2017). Gallio: si scioglie in bocca, non nelle mani! Il Consiglio americano sulla scienza e la salute. Estratto da: acsh.org
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Fatti dell'elemento gallio. Chemicool. Estratto da: chemicool.com
10. Centro nazionale per le informazioni sulla biotecnologia. (2019). Gallio. Database PubChem. CID = 5360835. Estratto da: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov