Gallium – Steckbrief
- Symbol
- Ga
- Ordnungszahl
- 31
- Atommasse
- 69,723 u
- Periode
- 4
- Gruppe
- 13
- Kategorie
- Metall
- Elektronenkonfiguration
- [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹
- Elektronegativität
- 1,81
- Atomradius
- 136 pm
- Valenzelektronen
- 3
- Aggregatzustand (Standardbedingungen)
- fest
- Schmelzpunkt
- 29,76 °C
- Siedepunkt
- 2204 °C
- Dichte
- 5,91 g/cm³
- Entdeckt
- 1875
Gallium ist ein silberweißes, weiches Metall mit der Ordnungszahl 31. Es schmilzt knapp über Raumtemperatur: Ein Stück Gallium wird in der warmen Hand flüssig und zerläuft zu glänzenden Tropfen. Der Chemiker Dmitri Mendelejew hatte dieses Element Jahre vor seiner Entdeckung vorhergesagt, und seine Beschreibung traf erstaunlich genau zu. Heute steckt Gallium als Verbindung mit Stickstoff oder Arsen in LEDs, Hochfrequenzchips und Solarzellen für Satelliten.
Stellung im Periodensystem
Vorkommen und Gewinnung
Gallium kommt in der Natur nie als Metall vor und bildet auch kaum eigene Erze. In der Erdkruste ist es häufiger als manches bekannte Metall, aber extrem fein verteilt. Spuren stecken in Bauxit, dem wichtigsten Aluminiumerz, und in Zinkerzen. Weil Gallium dem Aluminium chemisch sehr ähnlich ist, begleitet es dieses durch die Aufarbeitung.
Gewonnen wird Gallium deshalb als Nebenprodukt. Bei der Herstellung von Aluminiumoxid aus Bauxit reichert es sich in der Natronlauge an, und man scheidet es daraus durch Elektrolyse ab. Kleinere Mengen fallen bei der Zinkgewinnung an. Für Halbleiter wird das Metall danach sehr weitgehend gereinigt. Den größten Teil der Weltproduktion liefert China. Die EU zählt Gallium zu den kritischen Rohstoffen, weil die Versorgung von wenigen Ländern abhängt.
Entdeckt wurde das Element 1875 vom Franzosen Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. In einer Probe Zinkblende fand er im Spektrum zwei violette Linien, die zu keinem bekannten Element gehörten. Der Name geht auf Gallia zurück, den lateinischen Namen Frankreichs. Mendelejew hatte 1871 ein Element vorhergesagt, das unter dem Aluminium stehen müsste, und es Eka-Aluminium genannt. Gallium erfüllte diese Vorhersage bei Atommasse, Dichte und Verbindungen. Das war ein starker Beleg dafür, dass das Periodensystem Gesetzmäßigkeiten abbildet und nicht nur ordnet.
Eigenschaften und Reaktionen
Gallium steht in Periode 4 und Gruppe 13. Seine Elektronenkonfiguration ist [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p¹, es hat also 3 Valenzelektronen. Die Elektronegativität beträgt 1,81. Das Metall hat eine Dichte von 5,91 g/cm³, schmilzt bei 29,76 °C und siedet erst bei 2204 °C. Der Abstand zwischen Schmelz- und Siedepunkt ist größer als bei fast jedem anderen Metall, Gallium bleibt also über einen riesigen Temperaturbereich flüssig. Die Schmelze lässt sich außerdem leicht unterkühlen, sie bleibt dann auch unter dem Schmelzpunkt eine Zeit lang flüssig.
Eine Besonderheit teilt Gallium mit Wasser: Beim Erstarren dehnt es sich aus. Gefäße aus Glas oder Metall können dabei platzen, deshalb lagert man es in Kunststoff. Flüssiges Gallium benetzt Glas und Haut und hinterlässt graue Flecken aus Oxid. Mit Aluminium reagiert es auf unangenehme Weise: Es dringt zwischen die Metallkörner ein und macht das Aluminium brüchig. Ein Stück Gallium gehört deshalb nicht in die Nähe von Aluminiumteilen.
In Verbindungen tritt Gallium fast immer mit drei positiven Ladungen auf. Wie beim Aluminium ist das Hydroxid amphoter: Es löst sich sowohl in Säuren als auch in starken Laugen. An der Luft bildet sich eine dünne Oxidschicht, die das Metall vor weiterer Oxidation schützt.
Verwendung in Alltag und Technik
Fast das gesamte Gallium geht in die Halbleitertechnik. Blaue LEDs beruhen auf Galliumnitrid. Die blaue LED, für die 2014 der Physik-Nobelpreis vergeben wurde, machte erst weißes LED-Licht möglich, denn weiße LEDs bestehen meist aus einer blauen Leuchtdiode mit einem Leuchtstoff darüber. Galliumnitrid steckt außerdem in kompakten Schnellladegeräten, weil es höhere Spannungen und Temperaturen verträgt als Silicium.
Galliumarsenid ist ein Verbundhalbleiter, in dem Elektronen besonders beweglich sind. Er findet sich in Hochfrequenzbauteilen in Mobiltelefonen, in Laserdioden und in Solarzellen. Diese Zellen sind teuer, aber sehr effizient und leicht, deshalb versorgen sie vor allem Satelliten mit Strom. Auch die Infrarot-LEDs in Fernbedienungen und Lichtschranken bestehen meist aus Galliumarsenid.
Eine Legierung aus Gallium, Indium und Zinn, bekannt als Galinstan, bleibt bei Raumtemperatur flüssig und ersetzt in manchen Thermometern das giftige Quecksilber. In der Medizin nutzt man das radioaktive Isotop Gallium-68 in der PET-Diagnostik, um Tumoren sichtbar zu machen.
Das Metall selbst gilt als wenig giftig, im Körper erfüllt Gallium aber keine bekannte Aufgabe. Galliumarsenid-Staub ist wegen seines Arsengehalts gesundheitsschädlich und wird nur in der Industrie verarbeitet.
Moleküle mit diesem Element
- Gallan GaH3
Kurz gefragt
Welche Ordnungszahl hat Gallium (Ga)?
Häufige Fragen
Warum schmilzt Gallium in der Hand?
Der Schmelzpunkt von Gallium liegt knapp über Raumtemperatur und deutlich unter der Körpertemperatur. Die Wärme der Hand reicht deshalb, um die Metallbindungen im Gitter zu lockern, und das Metall wird flüssig. Weil Gallium Haut und Glas benetzt und Flecken hinterlässt, ist der Versuch eher etwas für Vorführungen mit Handschuhen als für das Mitnehmen in der Tasche.
Wofür braucht man Gallium?
Vor allem für Halbleiter. Galliumnitrid erzeugt das Licht blauer und weißer LEDs und steckt in Schnellladegeräten. Galliumarsenid findet sich in Hochfrequenzchips, Laserdioden und Solarzellen für Satelliten. Dazu kommen Legierungen wie Galinstan und das Isotop Gallium-68 für medizinische Aufnahmen.
Was ist Eka-Aluminium?
So nannte Mendelejew 1871 ein noch unbekanntes Element, das er unter dem Aluminium im Periodensystem erwartete. Er sagte Atommasse, Dichte und Verbindungen voraus. Vier Jahre später wurde Gallium entdeckt und passte fast genau auf die Beschreibung. Ähnliches gelang ihm mit Eka-Silicium, dem späteren Germanium.