Galio, Propiedades físicas, Propiedades químicas, Historia, Aparición, Producción, Aplicaciones, Precauciones

El galio es un elemento químico de símbolo Ga y el número atómico 31 - Elemental galio no se produce en la naturaleza, pero como los compuestos de galio en pequeñas cantidades en la bauxita y minerales de zinc. Un plateado metálico pobres metal blando, galio elemental es un sólido quebradizo a bajas temperaturas. Celebrada el tiempo suficiente, el galio se derrite en la mano, ya que se licua a una temperatura de 29,76 C. Su punto de fusión se usa como un punto de referencia de temperatura. El Galinstan aleación tiene un punto de fusión aún más baja de -19 C, muy por debajo del punto de congelación del agua. Desde su descubrimiento en 1875 hasta la época de semiconductores, se utilizó galio principalmente como un agente para hacer aleaciones de bajo punto de fusión.

Hoy en día, casi todos galio se utiliza para la microelectrónica. El arseniuro de galio, el uso principal de galio, se utiliza en circuitos de microondas y aplicaciones de infrarrojos. Nitruro de galio y nitruro de galio indio, utiliza semiconductores minoría, producen azules y violetas diodos emisores de luz y diodos láser.

Galio tiene ningún papel conocido en biología. Debido a que las sales de galio y férrico se comportan de manera similar en los sistemas biológicos, iones de galio a menudo imitan los iones de hierro en aplicaciones médicas. Productos farmacéuticos y radiofármacos que contienen galio se han desarrollado.

Propiedades físicas

Galio elemental no se encuentra en la naturaleza, sino que se obtiene fácilmente fundición. Galio metálico muy puro tiene un color plateado brillante y sus fracturas metal sólido conchoidally como el cristal. De metal galio se expande por 3,1% cuando se solidifica, y por lo tanto de almacenamiento, ya sea en recipientes de vidrio o de metal se evita, debido a la posibilidad de ruptura del recipiente con la congelación. Acciones galio el estado líquido de mayor densidad con sólo unos pocos materiales como silicio, germanio, bismuto y agua.

Ataques de galio mayoría de los otros metales por difusión en su retícula de metal. El galio, por ejemplo, se difunde en los límites de grano de Al/Zn o aleaciones de acero, haciéndolos muy frágil. Aleaciones de galio fácilmente con muchos metales, y se utiliza en pequeñas cantidades como una aleación de plutonio-galio en los núcleos de plutonio de las bombas nucleares, para ayudar a estabilizar la estructura cristalina del plutonio.

El punto de fusión es de 302.9146 K a temperatura ambiente, sobre las temperaturas medias de verano el tiempo. Punto de fusión del galio es uno de los puntos de referencia de temperatura formales en la Escala Internacional de Temperatura de 1990 establecido por el BIPM. El punto triple del galio de 302.9166 K, está siendo utilizado por el NIST con preferencia a un punto de fusión de galio.

El punto de fusión única de galio permite que se derrita en la mano, y luego volver a congelar si eliminado. Este metal tiene una fuerte tendencia a superenfriarán por debajo de su punto de fusión/punto de congelación. La siembra con un cristal ayuda a iniciar la congelación. El galio es uno de los metales que son líquidos a o cerca de lo normal temperatura ambiente, y por lo tanto se puede utilizar en metal en termómetros de vidrio de alta temperatura. También se destaca por tener una de las mayores gamas de líquidos para un metal, y por tener una baja presión de vapor a altas temperaturas. El punto de ebullición de galio, 2477 K, es más de ocho veces superior a su punto de fusión en la escala absoluta, por lo que es la mayor relación entre el punto de fusión y el punto de ebullición de cualquier elemento. Diferencia de mercurio, metal galio líquido humedece el vidrio y la piel, por lo que es mecánicamente más difícil de manejar. Por esta razón, así como la contaminación de metales y los problemas de congelación-expansión, las muestras de metal galio se suministran normalmente en paquetes de polietileno dentro de otros contenedores.

Galio no se cristaliza en cualquiera de las estructuras cristalinas simples. La fase estable bajo condiciones normales es ortorrómbica con 8 átomos en la celda unitaria convencional. Cada átomo tiene un solo vecino más cercano y otros seis vecinos plazo adicional de 39 horas. Muchos fases estables y metaestables se encuentran como función de la temperatura y la presión.

La unión entre los dos vecinos más cercanos es covalente, por lo tanto, ga2 dímeros son vistos como los pilares fundamentales de los cristales del edificio. Esto explica la caída del punto de fusión en comparación con su vecino elementos de aluminio y el indio.

Las propiedades físicas de galio son altamente anisotrópico, es decir, tienen valores diferentes a lo largo de los tres principales ejes cristalográficos a, b y c, por este motivo, existe una diferencia significativa entre los coeficientes de expansión térmica lineal y el volumen. Las propiedades de galio son también fuertemente dependiente de la temperatura, especialmente cerca del punto de fusión. Por ejemplo, el coeficiente de expansión térmica aumenta en varios cientos por ciento en fusión.

Propiedades químicas

 Ver también Categoría: Compuestos de galio

El galio se encuentra principalmente en el estado de oxidación . La oxidación también se atestigua en algunos compuestos, aunque tienden a desproporcionado en compuestos de galio y galio elemental. Lo que se hace referencia como compuestos de galio a veces son en realidad compuestos estado mixto-oxidación que contienen tanto galio y galio.

Compuestos calcógeno

A temperatura ambiente, el metal de galio no reacciona con el aire y el agua debido a la formación de una capa pasiva de óxido, protectora. En temperaturas más altas, sin embargo, reacciona con el oxígeno del aire para formar óxido de galio, Ga2O3. Reduciendo Ga2O3 con galio elemental en vacío a 500 C y 700 C produce la oscuridad óxido de galio marrón, Ga2O:. 285 Ga2O es un agente reductor fuerte, capaz de reducir H2SO4 al H2S:. 207 se desproporciona a 800 C de nuevo de galio y Ga2O3.

Sulfuro de galio, Ga2S3, tiene 3 posibles modificaciones de cristal:. 104 Se puede hacer por la reacción de galio con sulfuro de hidrógeno a 950 C: 162 Alternativamente, Ga3 también se puede utilizar en 747 C:

 2 Ga3 3 H2S? Ga2S3 6 H2O

Reacción de una mezcla de carbonatos de metales alcalinos y Ga2O3 con H2S conduce a la formación de thiogallates que contienen el 2 - anión. Los ácidos fuertes descomponen estas sales, la liberación de H2S en el proceso.: El 104-105 La sal de mercurio, HgGa2S4, se puede utilizar como un fósforo.

Galio también forma sulfuros en los estados de oxidación más bajos, tales como el sulfuro de galio y el sulfuro de galio verde, el último de los cuales se produce de la anterior por calentamiento a 1000 C bajo una corriente de nitrógeno:. 94

Los otros calcogenuros binarios, Ga2Se3 y Ga2Te3, tienen estructura de blenda de zinc. Ellos son todos los semiconductores, pero se hidroliza fácilmente, lo que limita su utilidad:. 104

Química acuosa

Los ácidos fuertes se disuelven galio, formadores de sales de galio tales como GA23 y Ga3. Las soluciones acuosas de sales de galio contienen el ion galio hidratado, 3 :. 1033 hidróxido de galio, Ga3, se puede precipitar a partir de soluciones de galio mediante la adición de amoniaco. Deshidratación Ga3 a 100 º C produce hidróxido de óxido de galio, Gao. :140-141

Soluciones de hidróxido alcalinos disuelven galio, formar sales que contienen el galato de Ga-4 aniones:. 1.033 hidróxido de galio, que es anfótero, también se disuelve en álcali para formar sales de epigalocatequina:. 141 Aunque el trabajo anterior sugiere Ga3-6 como otra posible anión galato, este especies que no se encuentran en la obra posterior.

Compuestos pnictógeno

Galio reacciona con amoníaco a 1050 C, para formar el nitruro de galio, GaN. Galio también forma complejos binarios de fósforo, arsénico y antimonio: fosfuro de galio, arseniuro de galio, antimonio y galio. Estos compuestos tienen la misma estructura como ZnS, y tienen importantes propiedades semiconductoras:. 1034 GaP, GaAs, GaSb y se pueden sintetizar mediante la reacción directa de fósforo elemental con galio, arsénico, antimonio o:. 99 Ellos exhiben mayor conductividad eléctrica de GaN .: 101 GaP también puede ser sintetizado por la reacción de Ga2O con fósforo a bajas temperaturas.

El galio también forma nitruros ternarios, por ejemplo :: 99

 Li3Ga N2? Li3GaN2

También existen compuestos similares con el fósforo y el arsénico: Li3GaP2 y Li3GaAs2. Estos compuestos se hidrolizan fácilmente por ácidos diluidos y agua:. 101

Halogenuros

Óxido de galio reacciona con agentes tales como HF o F2 de fluoración para formar el fluoruro de galio, GaF3. Se trata de un compuesto iónico fuertemente insoluble en agua. Sin embargo, se disuelve en ácido fluorhídrico, en la que forma un aducto con agua, GaF33H2O. El intento para deshidratar este aducto se forma en lugar GaF2OHnH2O. El aducto reacciona con amoníaco para formar GaF33NH3, que luego se puede calentar para formar GaF3 anhidras. :128-129

Tricloruro de galio se forma por la reacción de galio metálico con gas de cloro. A diferencia de la trifluoruro, cloruro de galio existe como moléculas diméricas, Ga2Cl6, con un punto de fusión de 78 C. Este es también el caso para el bromuro y yoduro, Ga2Br6 y Ga2I6: 133.

Al igual que el otro grupo 13 trihaluros, haluros de galio son ácidos de Lewis, como aceptores de haluro de reaccionar con haluros de metales alcalinos para formar sales que contienen aniones GAX-4, donde X es un halógeno. También reaccionan con haluros de alquilo para formar carbocationes y GAX-4. :136-137

Cuando se calienta a una temperatura alta, haluros de galio reaccionan con galio elemental para formar los respectivos haluros de galio. Por ejemplo, GaCl3 reacciona con Ga para formar GACL:

 2 Ga GaCl3 3 GACL

A temperaturas más bajas, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda y se desproporciona GACL de nuevo a galio elemental y GaCl3. GACL también se puede hacer por la reacción de Ga con HCl a 950 C; que a continuación se puede condensar en forma de sólido rojo:. 1036

Compuestos de galio pueden ser estabilizados mediante la formación de aductos con ácidos de Lewis. Por ejemplo:

 GACL AlCl3? Ga -

Los llamados "haluros de galio", GaX2, en realidad son productos de adición de haluros de galio con los respectivos haluros de galio, que tiene la estructura Ga -. Por ejemplo :: 1036

 GACL GaCl3? Ga -

Compuestos de hidrógeno

Al igual que aluminio, galio también forma un hidruro, GaH3 conocido como gallane que se puede obtener por la reacción de gallanate de litio con cloruro de galio a -30 C :: 1031

 3 LiGaH4 GaCl3? 3 LiCl 4 GaH3

En la presencia de dimetil éter como disolvente, GaH3 polimeriza a n. Si no se utiliza ningún disolvente, el dímero Ga2H6 se forma como un gas. Su estructura es similar a diborano, que tiene dos átomos de hidrógeno de puente los dos centros de galio, 1031: a diferencia de un AlH3-en el que el aluminio tiene un número de coordinación de 6:. 1008

Gallane es inestable por encima de -10 C, la descomposición de galio elemental e hidrógeno.

Historia

En 1871, la existencia de galio se predijo por primera vez por el químico ruso Dmitri Mendeleev, que la nombró "eka-aluminio" sobre la base de su posición en la tabla periódica. También predijo varias propiedades del elemento, que se corresponden estrechamente con las propiedades reales de galio, como la densidad, punto de fusión, el carácter de óxido y la unión en cloruro.

Galio fue descubierto espectroscópicamente por el químico francés Paul Emile Lecoq de Boisbaudran en 1875 por su espectro característico de un examen de una muestra de blenda. Más tarde ese año, Lecoq obtuvo el metal libre por electrólisis de su hidróxido en una solución de hidróxido de potasio. Nombró el elemento "Gallia", del latín Gallia significado Galia, después de su tierra natal de Francia. Más tarde se dijo que, en uno de esos juegos de palabras multilingües tan querida por los hombres de ciencia en el siglo 19, había también llamado galio de sí mismo, como su nombre, "Le coq", es el francés para "el gallo", y del latín para "gallo" es "Gallus", sin embargo, en un artículo 1877 Lecoq negó esta suposición.

Desde su descubrimiento en 1875 hasta la era de los semiconductores, sus usos primarios fueron termométricas en aplicaciones de alta temperatura y en la preparación de aleaciones de metales con propiedades inusuales de la estabilidad, o la facilidad de fusión; un poco de ser líquido a temperatura ambiente o por debajo. El desarrollo de arseniuro de galio como banda semiconductor brecha directa en la década de 1960 marcó el comienzo de la etapa más importante en las aplicaciones de galio.

Aparición

Galio no existen en forma libre en la naturaleza, y los pocos minerales de alta galio como gallite son demasiado raros para servir como una fuente primaria del elemento o de sus compuestos. Su abundancia en la corteza terrestre es de aproximadamente 16,9 ppm. El galio se encontraron y se extrajo como un componente traza en la bauxita y en una pequeña parte de esfalerita. La cantidad extraída de carbón, diáspora y germanite donde galio también está presente es insignificante. El Servicio Geológico de Estados Unidos estima reservas de galio superar 1 millón de toneladas, a partir de 50 ppm en peso de concentración de las reservas conocidas de bauxita y minerales de zinc. Algunos polvos de combustión procedentes de la quema de carbón se han demostrado para contener pequeñas cantidades de galio, típicamente menos de 1% en peso.

Producción

El galio es un subproducto de la producción de aluminio y zinc. Mientras que la blenda para la producción de zinc es la fuente menor. La mayoría de galio se extrae de la solución de hidróxido de aluminio en bruto del proceso de Bayer para producir alúmina y aluminio. Una celda de electrolisis de mercurio y la hidrólisis de la amalgama con hidróxido de sodio conduce a galato de sodio. La electrólisis a continuación, da galio metálico. Para el uso de semiconductores, purificación adicional se lleva a cabo mediante fusión por zonas, o de lo contrario la extracción de cristal único a partir de una masa fundida. Purezas del 99,9999% se logran de manera rutinaria y ampliamente disponible comercialmente.

En 1986, la producción se estima en 40 toneladas. En 2007 la producción de galio fue de 184 toneladas, con menos de 100 toneladas de la minería y el resto de reciclaje de chatarra. En 2011 la producción mundial de galio fue un estimado de 216 toneladas métricas.

Aplicaciones

Las aplicaciones de semiconductores dominan el uso comercial de galio, que representan el 98% de las solicitudes. La siguiente aplicación principal es para los granates galio gadolinio.

Semiconductores

Debido a esta aplicación, de muy alta pureza de galio se encuentra disponible comercialmente. El arseniuro de galio y nitruro de galio utilizado en componentes electrónicos representaron aproximadamente el 98% del consumo de galio en los Estados Unidos en 2007 - Alrededor del 66% de semiconductores de galio se utiliza en los EE.UU. en circuitos integrados, tales como la fabricación de chips de lógica de ultra-alta velocidad y MESFETs para microondas preamplificadores de bajo ruido en los teléfonos celulares. Alrededor del 20% se utiliza en la optoelectrónica. A nivel mundial, el arseniuro de galio, constituye el 95% del consumo anual mundial de galio.

El arseniuro de galio se utiliza en optoelectrónica en una variedad de aplicaciones de infrarrojos. Arseniuro de galio de aluminio se utiliza en diodos láser infrarrojos de alta potencia. Como un componente de semiconductores de indio nitruro de galio y nitruro de galio, se utiliza galio para producir dispositivos optoelectrónicos violeta, principalmente diodos láser y diodos emisores de luz azul y. Por ejemplo, nitruro de galio 405 nm láser de diodo se utilizan como fuente de luz violeta para el almacenamiento de datos del disco compacto de alta densidad, en el estándar de discos Blu-ray.

Células fotovoltaicas multiunión, desarrollado para aplicaciones de potencia de satélite, son hechas por epitaxia de haces moleculares o metalorgánico epitaxia en fase vapor de películas delgadas de arseniuro de galio, fosfuro de indio galio o de indio galio arsenide.The Mars Exploration Rovers y varios satélites usar punto triple de arseniuro de galio de germanio las células. Galio es también un componente en compuestos fotovoltaicos para uso en paneles solares como una alternativa rentable al silicio cristalino.

Galinstan y otras aleaciones

Galio aleaciones fácilmente con la mayoría de los metales, y se ha utilizado como componente de las aleaciones de baja fusión. Una aleación casi eutéctica de galio, indio y estaño es un líquido temperatura ambiente que está disponible en termómetros médicos. Esta aleación, con el nombre comercial Galinstan, tiene un bajo punto de congelación de -19 C. Se ha sugerido que esta familia de aleaciones también se podría utilizar para enfriar los chips de ordenador en lugar de agua. Aleaciones de galio han sido evaluadas como sustitutos de las amalgamas dentales de mercurio, pero estos materiales todavía no han visto una gran aceptación.

Porque el vidrio se moja de galio o de porcelana, de galio se pueden utilizar para crear espejos brillantes. Cuando no se desea la acción humectante de galio-aleaciones, el vidrio debe ser protegido con una capa transparente de óxido de galio.

El plutonio se utiliza en pozos de armas nucleares se mecaniza mediante aleación con galio para estabilizar la fase d.

Agrega galio en cantidades de hasta 2% en soldaduras comunes puede ayudar a la humectación y características de flujo.

Las aleaciones de Al y Ga han sido evaluadas para la producción de hidrógeno.

Se utiliza como elemento de aleación en la aleación con memoria de forma magnética de Ni-Mn-Ga.

Aplicaciones biomédicas

Aunque galio tiene ningún papel conocido en la biología, que imita el hierro, el ión galio localiza a e interactúa con muchos procesos en el cuerpo en el que se manipula de hierro. Como estos procesos incluyen la inflamación, que es un marcador para muchos estados de enfermedad, se utilizan varias sales de galio, o están en desarrollo, ya que ambos fármacos y radiofármacos en la medicina. Cuando los iones de galio son erróneamente tomados por bacterias tales como Pseudomonas, capacidad de las bacterias para respirar es interferida y las bacterias mueren. El mecanismo detrás de esto es que el hierro es redox activo, que permite la transferencia de electrones durante la respiración, pero galio es redox inactiva.

Nitrato de galio se ha usado como un producto farmacéutico por vía intravenosa para tratar la hipercalcemia asociada con la metástasis del tumor a los huesos. Se cree galio para interferir con la función de los osteoclastos. Puede ser eficaz cuando otros tratamientos para la hipercalcemia asociada a maligancy no lo son.

  • Maltolato de galio, una forma absorbible por vía oral de iones de galio, se encuentra en ensayos clínicos y preclínicos como un tratamiento potencial para un número de tipos de cáncer, enfermedad infecciosa y enfermedad inflamatoria.

Un complejo de compuesto amina Ga-fenol MR045 se encontró que era selectivamente tóxico para los parásitos que han desarrollado resistencia a la cloroquina, un fármaco común contra la malaria. Tanto el complejo Ga y acto cloroquina mediante la inhibición de la cristalización de hemozoin, un producto de desecho formado a partir de la digestión de la sangre por los parásitos.

 Sales Radiogallium

Sales de galio-67, tales como citrato de galio y nitrato de galio se utilizan como agentes radiofarmacéuticos en un procedimiento de formación de imágenes de medicina nuclear comúnmente referido como una exploración de galio. La forma o la sal de galio no es importante. Para estas aplicaciones, se utiliza el isótopo radiactivo 67Ga. El cuerpo maneja Ga3 de muchas maneras, como si fuera de hierro, por lo que está obligado en áreas de inflamación, como la infección, así como las zonas de rápida división celular. Esto permite que dichos sitios pueden crear imágenes mediante técnicas de análisis nucleares. Este uso ha sido ampliamente reemplazado por FDG para tomografía por emisión de positrones "PET" scan y de indio-111 exploraciones leucocitos marcados. Sin embargo, la localización de galio en el cuerpo tiene algunas propiedades que la hacen única en algunas circunstancias de modalidades que compiten con otros radioisótopos.

Galio-68, un emisor de positrones con una vida media de 68 min., Ahora se utiliza como un radionúclido de diagnóstico en PET-CT cuando se une a preparaciones farmacéuticas tales como DOTATOC, un análogo de la somatostatina se utiliza para la investigación tumores neuroendocrinos, y DOTA-TATE, uno más nuevo, que se utiliza para la metástasis neuroendocrino y el cáncer neuroendocrino del pulmón, tales como ciertos tipos de microcitoma. La preparación de Galium-68 como un producto farmacéutico es química y el radionúclido se extrae por elución a partir de germanio-68, un radioisótopo sintético de germanio, en generadores de galio-68.

 Otros usos

  • Galato de magnesio, que contiene impurezas, está comenzando a ser utilizado en polvo de fósforo ultravioleta-activado.
  • Detección de neutrinos. Posiblemente la mayor cantidad de galio puro jamás reunido en un solo lugar es el telescopio de neutrinos galio-germanio utilizado por el experimento SAGE en el Observatorio de Neutrinos de Baksan en Rusia. Este detector contiene 55-57 toneladas de galio líquido. Otro experimento fue el detector de neutrinos GALLEX operado a principios de 1990 en un túnel de la montaña italiana. El detector contenía 12,2 toneladas de regado de galio-71 - neutrinos solares causado unos pocos átomos de 71Ga para convertirse 71Ge radiactivos, que se han detectado. El flujo de neutrinos solares deducida se encontró que tenía un déficit de 40% de la teoría. Esto no fue explicado hasta se construyeron mejores detectores de neutrinos solares y teorías.
  • Como fuente de iones de metal líquido para un haz iónico concentrado. Por ejemplo, se utiliza un haz de iones de galio-para crear libro más pequeño del mundo, Teeny Ted de nabo Town.
  • En una broma clásica, los científicos cucharas de galio moda y servir el té a los clientes desprevenidos. Las cucharas se funden en el té caliente.
  • Como un aditivo de deslizamiento en cera para esquís, y otros materiales de superficie de baja fricción. EE.UU. 5069803, Sugimura, Kentaro; Shoji Hasimoto y Takayuki Ono, "Uso de una composición de resina sintética que contiene partículas de galio en el material de superficie de deslizamiento de los esquís y otras aplicaciones", publicó 1995

Precauciones

El ion Ga de sales de galio solubles tiende a formar el hidróxido insoluble cuando se inyecta en grandes cantidades, y en los animales precipitación de esto ha dado lugar a toxicidad renal. En dosis más bajas, soluble galio se tolera bien, y no se acumula como un veneno.

Mientras galio metálico no se considera tóxico, los datos no son concluyentes. Algunas fuentes sugieren que puede causar dermatitis por una exposición prolongada, otros exámenes no han provocado una reacción positiva. Como la mayoría de los metales, finamente dividido galio pierde su brillo y polvo de galio aparece gris. Por lo tanto, cuando se maneja de galio con las manos desnudas, la extremadamente fina dispersión de gotitas líquidas de galio, que resulta de mojar la piel con el metal, puede aparecer como una mancha de piel gris.