Gallium – Definition, Eigenschaften & Anwendungen des Elements
Gallium: Definition, ungewöhnliche Eigenschaften (flüssig bei Handwärme, Halbleiter) & vielseitige Anwendungen von Elektronik bis Spiegeln – kompakt erklärt und anschaulich.
Gallium (chemisches Symbol: Ga) ist das chemische Element 31 des Periodensystems. Es hat die Ordnungszahl 31, eine mittlere Atommasse von etwa 69,72 u und die Elektronenkonfiguration [Ar] 3d10 4s2 4p1. Elementares Gallium ist ein Silbrig-bläuliches Metall mit vielen ungewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften.
Eigenschaften
Gallium hat einen sehr niedrigen Schmelzpunkt von ungefähr 29,76 °C (85,58 °F). Das bedeutet, dass es bei Körpertemperatur schmilzt – hält man reines Gallium in der Hand, wird es flüssig und kann einen silbrigen Fleck hinterlassen. Als Feststoff ist Gallium blaugrau und kristallisiert in einer ungewöhnlich komplexen Struktur; die Dichte liegt bei etwa 5,9 g/cm³ (fest). Der Siedepunkt liegt bei ungefähr 2204 °C.
Elementares Gallium bildet an Luft schnell eine dünne Oxidschicht, die das weitere Fließen oder Benetzen beeinflusst. Flüssiges Gallium benetzt viele Metalle und kann, insbesondere bei Aluminium, sogenannte Flüssigmetallversprödung verursachen. Reines Gallium ist metallisch leitend; viele seiner Verbindungen (z. B. Halbleiterverbindungen) sind jedoch für die Elektronik von zentraler Bedeutung.
Chemie und Vorkommen
Gallium gehört zur Gruppe der Borgruppe (Gruppe 13) und ist chemisch mit Aluminium, Indium und Thallium verwandt. Die stabilste Oxidationsstufe ist +3, daneben treten in bestimmten Verbindungen auch andere Zustände auf. Gallium reagiert nicht sichtbar mit kaltem Wasser, löst sich aber in Säuren und in konzentrierten Laugen unter Bildung komplexer Galliumverbindungen.
Es kommt in der Erdkruste nur in Spuren vor und wird überwiegend als Nebenprodukt bei der Gewinnung von Aluminium (aus Bauxit) und Zink gewonnen.
Anwendungen
Die wichtigsten industriellen Anwendungen beruhen nicht auf dem Metall selbst, sondern auf seinen Verbindungen:
- Halbleiter: Verbindungen wie Galliumarsenid (GaAs) und Galliumnitrid (GaN) sind zentrale Materialien für Hochfrequenz- und Optoelektronik. Sie werden in LEDs, Laser-Dioden, Hochgeschwindigkeits-Transistoren, Mikrowellenbauelementen und in Teilen der Photovoltaik eingesetzt. Elektrizität wird in diesen Materialien gesteuert, weshalb sie in der modernen Elektronik unverzichtbar sind.
- Leuchtdioden und Beleuchtung: GaN-basierte LEDs ermöglichen energieeffiziente Beleuchtung und werden in Displays und Straßenbeleuchtung verwendet.
- Elektronik und Hochleistungshalbleiter: GaAs und verwandte Verbindungen finden sich in Mobilfunk-, Radar- und Satellitenanwendungen.
- Legierungen: Gallium bildet tieffschmelzende Legierungen wie Galinstan (mit Indium und Zinn), die als ungiftiger Ersatz für Quecksilber in Thermometern und als flexible Kontaktflüssigkeiten genutzt werden.
- Spiegel und Optik: Flüssiges Gallium und seine Legierungen können aufgrund ihrer hohen Reflexion für spezielle Spiegelanwendungen verwendet werden, besonders dort, wo Quecksilber vermieden werden soll.
- Medizinische Diagnostik: radioaktive Gallium-Isotope (z. B. 67Ga, 68Ga) werden in der nuklearmedizinischen Diagnostik und bei PET-Untersuchungen eingesetzt.
- Militärische Historie: Gallium wurde historisch eingesetzt, um die Kristallstruktur von Plutoniumlegierungen zu stabilisieren (ohne hier ins Detail zu gehen).
Sicherheit und Umwelt
Elementares Gallium gilt für den Menschen bei Hautkontakt meist als wenig gefährlich, es sollte jedoch nicht eingenommen werden. Einige Galliumverbindungen können toxisch oder umweltgefährdend sein; bei der Arbeit mit fein verteiltem Metall oder chemischen Galliumverbindungen sind geeignete Schutzmaßnahmen (Handschuhe, Schutzbrille, Absaugung) zu verwenden. Besonders wichtig ist die Vorsicht im Umgang mit flüssigem Gallium in Kontakt mit Aluminium, da es zu Versprödung und Materialschäden kommen kann.
Zusammenfassend ist Gallium ein seltenes, technisch sehr wertvolles Element: Das reine Metall beeindruckt durch seinen niedrigen Schmelzpunkt und seine physikalischen Besonderheiten, während seine Verbindungen die Grundlage moderner Opto- und Leistungselektronik bilden.
Zusammengefügte Kristalle aus Gallium
Fragen und Antworten
F: Was ist Gallium?
A: Gallium ist ein Metall, das das chemische Element 31 im Periodensystem ist.
F: Was ist die ungewöhnliche Eigenschaft von Gallium?
A: Der Schmelzpunkt von Gallium liegt bei 85,58 Grad Celsius. Wenn man es also in der Hand hält, schmilzt es.
F: Ist es sicher, Gallium in der Hand zu halten?
A: Gallium kann sicher in der Hand gehalten werden, ist aber nicht essbar.
F: Kann Gallium in Computern verwendet werden?
A: Ja, Gallium kann in Computern verwendet werden, da es ein Halbleiter ist.
F: Welche Farbe hat das reinste extrahierte Gallium?
A: Reinstes extrahiertes Gallium hat eine leuchtend silberne Farbe.
F: Wofür wird Gallium in flüssiger Form verwendet?
A: Gallium ist sehr glänzend und wird daher in flüssiger Form zur Herstellung von Spiegeln verwendet.
F: Womit ist Gallium verwandt?
A: Gallium ist verwandt mit Aluminium, Thallium und Indium.
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