Gallium 31Ga | ||||||
engl. Gallium, lat. gallia (alte Bezeichnung für Frankreich) | ||||||
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Gallium ist ein weißes, leicht bläulich glänzendes, sehr weiches Metall, das bereits in der Handwärme schmilzt. Auch wenn die Temperatur danach abgekühlt wird, bleibt das Metall noch lange Zeit unter seinem Schmelzpunkt flüssig. Galliumsalze erzeugen eine blauviolette Flammenfarbe.
Gallium ist ein relativ unedles Metall, das sich unter Wasserstoffentwicklung in verdünnten Säuren und langsam auch in heißem Wasser löst. In kaltem Wasser und mit konzentrierter Salpetersäure erfolgt aufgrund einer Passivierung keine Reaktion. An der Luft ist es beständig. Es verbrennt erst in reinem Sauerstoff unter hohem Druck. Mit den Halogenen reagiert es bereits bei Zimmertemperatur und bildet die entsprechenden Halogenide. Die Galliumverbindungen zeigen große Ähnlichkeiten mit den Aluminiumverbindungen. Mit Aluminium bilden sich Legierungen mit sehr niedrigem Schmelzpunkt, die bei geringem Aluminiumgehalt auch heftig mit Wasser reagieren.
Zum Züchten der orthorhombischen Galliumkristalle benötigt man etwa 250 Gramm reines Gallium und gibt dieses in eine Aluminiumschüssel. Die Schüssel wird mit kochendem Wasser gefüllt. Nachdem sich das Gallium verflüssigt hat, kühlt man das heiße Wasser durch Zugabe von kaltem Wasser langsam in einem Abwaschbecken ab. Nach einer Weile bilden sich kleine Kristalle in der Schmelze, die man mit einer Titanpinzette vorsichtig herausnehmen kann. Tritt die Kristallisation nicht von alleine ein, kann man mit kleinen Impfkristallen nachhelfen. Je reiner das Galium ist und je langsamer abgekühlt wird, umso besser ist die Qualität der gezüchteten Kristalle (Titelbild). Für eine schnellere Kristallzüchtung kann man auch durch Erwärmen verflüssigtes Gallium in einer Porzellanschale abkühlen lassen. Auf diese Weise erhält man etwas einfacher aufgebaute Kristalle (Bild unten). Wichtig ist, dass das Kristall zum richtigen Zeitpunkt entnommen wird.
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Häufigkeit weniger häufig
Das Erz mit dem höchsten Galliumanteil ist der Gallit, der 1958 in Tsumeb entdeckt wurde. In geringen Mengen findet sich Galliumerz im Bauxit, aus dem es als Nebenprodukt anfällt. Auch die Zinkblende, der Magnetit, der Pyrit und das seltene Germaniummineral Germanit enthalten Spuren von Galliumerzen. Die Hauptvorkommen der Galliumreserven liegen in den USA, in Afrika, in Tschechien und in Japan.
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Gallium
fällt als Nebenprodukt bei der Zink- und Aluminiumherstellung an.
Bei der Bauxitaufbereitung scheidet sich das Metall aus dem gewonnenen
Natriumaluminat an einer mit Quecksilber beschichteten Eisenkathode elektrolytisch
ab. Je Tonne Bauxit lassen sich bis zu 60 Gramm Gallium gewinnen. Die Reinigung
des Galliums erfolgt durch eine nachfolgende elektrolytische Raffination.
Aus dem gewonnenen hochreinen Gallium werden auch Einkristalle hergestellt. |
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Bei
automatischen Feuerlöschvorrichtungen wird das Metall aufgrund seiner
niedrigen Schmelztemperatur als Sperrverschluss eingesetzt. Mit Zinn, Blei,
Bismut oder Cadmium entstehen leicht schmelzbare Legierungen. Der größte
Anteil des gewonnenen Galliums dient zur Herstellung von Galliumverbindungen
wie Aluminiumgalliumarsenid oder Galliumnitrid. Aus diesen lassen sich
LED (Light Emitting Diode), Transistoren oder Laserdioden herstellen. Auf
dieser Technik basieren auch die blauviolett leuchtenden Laserdioden zum
Einlesen der Blu-Ray-Disk. Von besonderer Bedeutung sind Leuchtdioden,
die eine solche Leuchtstärke entwickeln, dass sie für Beleuchtungszwecke
eingesetzt werden können. Das Geheimnis des weißen Lichts besteht
in einer Kombination von verschiedenen Schichten: Galliumnitrid wird auf
eine Saphirschicht oder eine Siliciumschicht aufgedampft. Die darüber
liegende mit Cer dotierte Fluoreszenzschicht aus Yttrium-Aluminium-Granat
wandelt das vom darunter liegenden Halbleiter ausgesandte blaue Licht in
weißes Licht um.
Thermometer mit schwer
schmelzbarem Quarzglas und einer Galliumlegierungfüllung können
Temperaturbereiche von −15 °C bis 1200 °C messen. In Fieberthermometern
findet man heute die Galliumlegierung Galinstan. Sie besteht
nach Angaben des Herstellers etwa aus 69% Gallium, 21% Indium
und 10% Zinn (lat. stannum). Die flüssige Legierung erstarrt
erst beim Abkühlen unterhalb −19 °C. Da die Legierung sehr
gerne an Glas haftet, muss ein solcher Thermometer innen mit Gallium(III)-oxid
beschichtet werden. Eine Besonderheit der Legierung ist ihre Fähigkeit,
sich mit Aluminium zu legieren.
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