Galio
Elemento químico, símbolo Ga

Elemento químico con número atómico 31 (Ga)
Galio,  31 Ga
Galio
Pronunciación/ ˈ ɡ æ l i ə m / ​( GAL -ee-əm )
Aparienciaazul plateado
Peso atómico estándar A r °(Ga)
  • 69,723 ± 0,001 [1]
  • 69,723 ± 0,001  ( abreviado ) [2]
El galio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
Al
↑
Ga
↓
En
zinc ← galio → germanio
Número atómico ( Z )31
Grupogrupo 13 (grupo del boro)
Períodoperíodo 4
Bloquear  bloque p
Configuración electrónica[ Ar ] 3d 10 4s 2 4p 1
Electrones por capa2, 8, 18, 3
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusión302,9146  K (29,7646 °C, 85,5763 °F)
Punto de ebullición2676 K (2403 °C, 4357 °F) [3] [4]
Densidad (a 20° C)5,907 g/cm3 [ 5]
Cuando está líquido (a  punto de fusión )6,095 g/ cm3
Calor de fusión5,59  kJ/mol
Calor de vaporización256 kJ/mol [3]
Capacidad calorífica molar25,86 J/(mol·K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 mil100 mil
en  T  (K)131014481620183821252518
Propiedades atómicas
Estados de oxidacióncomún: +3,
−5, ? −4, ? −3, [6] −2, ? −1, ? 0, ? +1, [7] +2, [7] [8]
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,81
Energías de ionización
  • 1º: 578,8 kJ/mol
  • 2º: 1979,3 kJ/mol
  • 3º: 2963 kJ/mol
  • ( más )
Radio atómicoempírico: 135  pm
Radio covalente122±3 pm
Radio de Van der Waals187 pm
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales del galio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinaortorrómbica centrada en la base ( oS8 )
Constantes de red
Estructura cristalina ortorrómbica centrada en la base para el galio
a  = 452,05 pm
b  = 766,25 pm
c  = 452,66 pm (a 20 °C) [5]
Expansión térmica20,5 × 10 −6 /K (a 20 °C) [5] [a]
Conductividad térmica40,6 W/(m⋅K)
Resistividad eléctrica270 nΩ⋅m (a 20 °C)
Ordenamiento magnéticodiamagnético
Susceptibilidad magnética molar−21,6 × 10 −6  cm 3 /mol (a 290 K) [9]
Módulo de Young9,8 promedio de calificaciones
Velocidad del sonido varilla delgada2740 m/s (a 20 °C)
Relación de Poisson0,47
Dureza de Mohs1.5
Dureza Brinell56,8–68,7 MPa
Número CAS7440-55-3
Historia
Nombramientodespués de Gallia (del latín: Francia), patria del descubridor
PredicciónDmitri Mendeléyev (1871)
Descubrimiento y primer aislamientoLecoq de Boisbaudran (1875)
Isótopos del galio
Isótopos principales [10]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
66 Gasintetizador9,5 horasβ +66Zn​
67 Gasintetizador3.3 díasmi67Zn​
68 Gasintetizador1,2 horasβ +68Zn​
69 Ga60,1%estable
70 Gasintetizador21 minutosβ −70 Ge
mi70 Zinc
71 Ga39,9%estable
72 Gasintetizador14,1 horasβ −72 Gen
73 Gasintetizador4,9 horasβ −73 Gen.
 Categoría: Galio
| referencias

El galio es un elemento químico ; su símbolo es Ga y su número atómico es 31. Descubierto por el químico francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, [11] el galio está en el grupo 13 de la tabla periódica y es similar a los otros metales del grupo ( aluminio , indio y talio ).

El galio elemental es un metal plateado relativamente blando a temperatura y presión estándar . En estado líquido, se vuelve blanco plateado. Si se aplica suficiente fuerza, el galio sólido puede fracturarse de forma concoidea . Desde su descubrimiento en 1875, el galio se ha utilizado ampliamente para fabricar aleaciones con puntos de fusión bajos. También se utiliza en semiconductores , como dopante en sustratos semiconductores.

El punto de fusión del galio (29,7646 °C, 85,5763 °F, 302,9146 K) [12] se utiliza como punto de referencia de temperatura. Las aleaciones de galio se utilizan en termómetros como una alternativa no tóxica y respetuosa con el medio ambiente al mercurio , y pueden soportar temperaturas más altas que el mercurio. Se afirma que el punto de fusión de la aleación galinstan (62–⁠95 % de galio, 5–⁠22 % de indio y 0–⁠16 % de estaño en peso) es de −19 °C (−2 °F), muy por debajo del punto de congelación del agua, pero ese puede ser el punto de congelación con el efecto de sobreenfriamiento .

El galio no se encuentra en la naturaleza como elemento libre, sino como compuestos de galio(III) en cantidades traza en minerales de cinc (como la esfalrita ) y en la bauxita . El galio elemental es líquido a temperaturas superiores a 29,76 °C (85,57 °F) y se derretirá en las manos de una persona a una temperatura corporal humana normal de 37,0 °C (98,6 °F).

El galio se utiliza predominantemente en electrónica . El arseniuro de galio , el principal compuesto químico del galio en electrónica, se utiliza en circuitos de microondas , circuitos de conmutación de alta velocidad y circuitos infrarrojos . El nitruro de galio semiconductor y el nitruro de galio indio producen diodos emisores de luz azul y violeta y láseres de diodo . El galio también se utiliza en la producción de granate de galio gadolinio artificial para joyería. La Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos y Frontiers Media consideran al galio un elemento tecnológico crítico . [13] [14]

El galio no tiene ninguna función natural conocida en biología. El galio (III) se comporta de manera similar a las sales férricas en los sistemas biológicos y se ha utilizado en algunas aplicaciones médicas, incluidos productos farmacéuticos y radiofármacos .

Propiedades físicas

Cristalización del galio a partir de la masa fundida.

El galio elemental no se encuentra en la naturaleza, pero se obtiene fácilmente mediante fundición . El galio muy puro es un metal de color azul plateado que se fractura de forma concoidea como el vidrio . El volumen del galio se expande un 3,10 % cuando cambia de estado líquido a sólido, por lo que se debe tener cuidado al almacenarlo en recipientes que pueden romperse cuando cambia de estado. El galio comparte el estado líquido de mayor densidad con una breve lista de otros materiales que incluyen agua , silicio , germanio , bismuto y plutonio . [15]

Galio líquido a 86 °F (30 °C)

El galio forma aleaciones con la mayoría de los metales. Se difunde fácilmente en grietas o límites de grano de algunos metales como el aluminio, las aleaciones de aluminio y zinc [16] y el acero [17] , lo que provoca una pérdida extrema de resistencia y ductilidad denominada fragilización del metal líquido .

El punto de fusión del galio, 302,9146 K (29,7646 °C, 85,5763 °F), está justo por encima de la temperatura ambiente y es aproximadamente igual a la temperatura media diurna de verano en las latitudes medias de la Tierra. Este punto de fusión (mp) es uno de los puntos de referencia de temperatura formales en la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) establecida por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM). [18] [19] [20] El punto triple del galio, 302,9166 K (29,7666 °C, 85,5799 °F), es utilizado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de los Estados Unidos en lugar del punto de fusión. [21]

El punto de fusión del galio le permite derretirse en la mano humana y luego solidificarse si se retira. El metal líquido tiene una fuerte tendencia a sobreenfriarse por debajo de su punto de fusión / punto de congelación : las nanopartículas de Ga se pueden mantener en estado líquido por debajo de 90 K. [22] La siembra con un cristal ayuda a iniciar la congelación. El galio es uno de los cuatro metales no radiactivos (con cesio , rubidio y mercurio ) que se sabe que son líquidos a temperatura ambiente normal o cerca de ella. De los cuatro, el galio es el único que no es ni altamente reactivo (como el rubidio y el cesio) ni altamente tóxico (como el mercurio) y, por lo tanto, se puede usar en termómetros de alta temperatura de metal en vidrio . También es notable por tener uno de los rangos líquidos más grandes para un metal y por tener (a diferencia del mercurio) una baja presión de vapor a altas temperaturas. El punto de ebullición del galio, 2676 K, es casi nueve veces más alto que su punto de fusión en la escala absoluta , la mayor relación entre el punto de fusión y el punto de ebullición de cualquier elemento. [23] A diferencia del mercurio, el galio metálico líquido humedece el vidrio y la piel, junto con la mayoría de los demás materiales (con las excepciones del cuarzo, el grafito, el óxido de galio (III) [24] y el PTFE ), [25] lo que lo hace mecánicamente más difícil de manipular a pesar de que es sustancialmente menos tóxico y requiere muchas menos precauciones que el mercurio. El galio pintado sobre vidrio es un espejo brillante. [25] Por esta razón, así como por los problemas de contaminación del metal y expansión por congelación, las muestras de galio metálico generalmente se suministran en paquetes de polietileno dentro de otros contenedores.

Propiedades del galio para diferentes ejes cristalinos [26]
Propiedadabdo
α (~25 °C, μm/m)161131
ρ (29,7 °C, nΩ·m)54317481
ρ (0 °C, nΩ·m)48015471.6
ρ (77 K, nΩ·m)10130.814.3
ρ (4,2 K, pΩ·m)13.86.81.6

El galio no cristaliza en ninguna de las estructuras cristalinas simples . La fase estable en condiciones normales es ortorrómbica con 8 átomos en la celda unitaria convencional . Dentro de una celda unitaria, cada átomo tiene solo un vecino más cercano (a una distancia de 244  pm ). Los seis vecinos restantes de la celda unitaria están espaciados 27, 30 y 39 pm más lejos, y se agrupan en pares con la misma distancia. [27] Se encuentran muchas fases estables y metaestables en función de la temperatura y la presión. [28]

El enlace entre los dos vecinos más próximos es covalente ; por lo tanto, los dímeros de Ga2 se consideran los bloques de construcción fundamentales del cristal. Esto explica el bajo punto de fusión en relación con los elementos vecinos, el aluminio y el indio. Esta estructura es sorprendentemente similar a la del yodo y puede formarse debido a las interacciones entre los electrones 4p individuales de los átomos de galio, más alejados del núcleo que los electrones 4s y el núcleo [Ar]3d 10 . Este fenómeno se repite con el mercurio con su configuración electrónica de "pseudo-gas noble" [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 , que es líquido a temperatura ambiente. [29] Los electrones 3d 10 no protegen muy bien a los electrones externos del núcleo y, por lo tanto, la primera energía de ionización del galio es mayor que la del aluminio. [15] Los dímeros de Ga 2 no persisten en el estado líquido y el galio líquido exhibe una estructura compleja de baja coordinación en la que cada átomo de galio está rodeado por otros 10, en lugar de los 11-12 vecinos típicos de la mayoría de los metales líquidos. [30] [31]

Las propiedades físicas del galio son altamente anisotrópicas , es decir, tienen valores diferentes a lo largo de los tres ejes cristalográficos principales a , b y c (ver tabla), lo que produce una diferencia significativa entre los coeficientes de expansión térmica lineal (α) y volumétrica . Las propiedades del galio dependen en gran medida de la temperatura, particularmente cerca del punto de fusión. Por ejemplo, el coeficiente de expansión térmica aumenta en varios cientos de por ciento al fundirse. [26]

Isótopos

El galio tiene 30 isótopos conocidos, cuyo número másico oscila entre 60 y 89. Solo dos isótopos son estables y se producen de forma natural, el galio-69 y el galio-71. El galio-69 es más abundante: constituye aproximadamente el 60,1% del galio natural, mientras que el galio-71 constituye el 39,9% restante. Todos los demás isótopos son radiactivos, siendo el galio-67 el de vida más larga (vida media de 3,261 días). Los isótopos más ligeros que el galio-69 generalmente se desintegran mediante desintegración beta positiva (emisión de positrones) o captura de electrones en isótopos de zinc , mientras que los isótopos más pesados ​​que el galio-71 se desintegran mediante desintegración beta negativa (emisión de electrones), posiblemente con emisión retardada de neutrones , en isótopos de germanio . El galio-70 puede desintegrarse mediante desintegración beta negativa y captura de electrones. El galio-67 es único entre los isótopos ligeros porque solo tiene captura de electrones como modo de desintegración, ya que su energía de desintegración no es suficiente para permitir la emisión de positrones. [32] El galio-67 y el galio-68 (vida media de 67,7 min) se utilizan en medicina nuclear .

Propiedades químicas

El galio se encuentra principalmente en el estado de oxidación +3 . El estado de oxidación +1 también se encuentra en algunos compuestos, aunque es menos común que en los congéneres más pesados ​​del galio, el indio y el talio . Por ejemplo, el muy estable GaCl 2 contiene tanto galio(I) como galio(III) y puede formularse como Ga I Ga III Cl 4 ; en contraste, el monocloruro es inestable por encima de 0 °C, desproporcionándose en galio elemental y cloruro de galio(III). Los compuestos que contienen enlaces Ga–Ga son verdaderos compuestos de galio(II), como GaS (que puede formularse como Ga 2 4+ (S 2− ) 2 ) y el complejo de dioxano Ga 2 Cl 4 (C 4 H 8 O 2 ) 2 . [33]

Química acuosa

Los ácidos fuertes disuelven el galio y forman sales de galio (III) como Ga(NO
3)
3(nitrato de galio). Las soluciones acuosas de sales de galio (III) contienen el ion galio hidratado, [Ga(H
2O)
6]3+
. [34] : 1033  Hidróxido de galio (III) , Ga(OH)
3, puede precipitarse a partir de soluciones de galio(III) añadiendo amoníaco . Deshidratación de Ga(OH)
3a 100 °C produce hidróxido de óxido de galio, GaO(OH). [35] : 140–141 

Las soluciones de hidróxido alcalino disuelven el galio, formando sales de galato (que no deben confundirse con las sales de ácido gálico con el mismo nombre ) que contienen Ga(OH)−
4anión. [36] [34] : 1033  [37] El hidróxido de galio, que es anfótero , también se disuelve en álcali para formar sales de galato. [35] : 141  Aunque trabajos anteriores sugirieron que Ga(OH)3−
6Como otro posible anión galato, [38] no se encontró en trabajos posteriores. [37]

Óxidos y calcogenuros

El galio reacciona con los calcógenos sólo a temperaturas relativamente altas. A temperatura ambiente, el galio metálico no es reactivo con el aire y el agua porque forma una capa de óxido pasiva y protectora . Sin embargo, a temperaturas más altas, reacciona con el oxígeno atmosférico para formar óxido de galio (III) , Ga
2Oh
3. [36] Reducción de Ga
2Oh
3con galio elemental al vacío a 500 °C a 700 °C se obtiene el óxido de galio (I) marrón oscuro , Ga
2O . [35] : 285  Ga
2O es un agente reductor muy fuerte , capaz de reducir H
2ENTONCES
4A H
2S . [35] : 207  Se desproporciona a 800 °C nuevamente en galio y Ga
2Oh
3. [39]

Sulfuro de galio (III) , Ga
2S
3, tiene 3 posibles modificaciones cristalinas. [39] : 104  Se puede fabricar mediante la reacción del galio con sulfuro de hidrógeno ( H
2S ) a 950 °C. [35] : 162  Alternativamente, Ga(OH)
3Se puede utilizar a 747 °C: [40]

2Ga (OH)
3+ 3 horas
2S → Ga
2S
3+ 6 horas
2Oh

Reacción de una mezcla de carbonatos de metales alcalinos y Ga
2Oh
3con H
2S conduce a la formación de tiogalatos que contienen [Ga
2S
4]2−
anión. Los ácidos fuertes descomponen estas sales, liberando H
2S en el proceso. [39] : 104–105  La sal de mercurio, HgGa
2S
4, puede utilizarse como fósforo . [41]

El galio también forma sulfuros en estados de oxidación más bajos, como el sulfuro de galio (II) y el sulfuro de galio (I) verde, el último de los cuales se produce a partir del primero calentándolo a 1000 °C bajo una corriente de nitrógeno. [39] : 94 

Los otros calcogenuros binarios, Ga
2Sí
3y Ga
2Te
3, tienen la estructura de blenda de cinc . Todos son semiconductores pero se hidrolizan fácilmente y tienen una utilidad limitada. [39] : 104 

Nitruros y pnictidos

Obleas de nitruro de galio (izquierda) y arseniuro de galio (derecha)

El galio reacciona con amoníaco a 1050 °C para formar nitruro de galio , GaN. El galio también forma compuestos binarios con fósforo , arsénico y antimonio : fosfuro de galio (GaP), arseniuro de galio (GaAs) y antimonuro de galio (GaSb). Estos compuestos tienen la misma estructura que el ZnS y tienen importantes propiedades semiconductoras . [34] : 1034  GaP, GaAs y GaSb se pueden sintetizar por la reacción directa del galio con fósforo elemental, arsénico o antimonio. [39] : 99  Presentan mayor conductividad eléctrica que el GaN. [39] : 101  El GaP también se puede sintetizar mediante la reacción de Ga
2O con fósforo a bajas temperaturas. [42]

El galio forma nitruros ternarios ; por ejemplo: [39] : 99 

Li
3Ga + N
2→ Li
3Nitrógeno galáctico
2

Son posibles compuestos similares con fósforo y arsénico: Li
3Brecha
2y Li
3GaAs
2Estos compuestos se hidrolizan fácilmente con ácidos diluidos y agua. [39] : 101 

Haluros

El óxido de galio (III) reacciona con agentes fluorantes como HF o F
2para formar fluoruro de galio (III) , GaF
3Es un compuesto iónico muy insoluble en agua, pero se disuelve en ácido fluorhídrico , en el que forma un aducto con el agua, GaF
3·3 horas
2O. Al intentar deshidratar este aducto se forma GaF
2OH · nH
2O . El aducto reacciona con amoniaco para formar GaF
3·3NH
3, que luego puede calentarse para formar GaF anhidro
3. [35] : 128–129 

El tricloruro de galio se forma por la reacción del metal galio con gas cloro . [36] A diferencia del trifluoruro, el cloruro de galio (III) existe como moléculas diméricas, Ga
2Cl
6, con un punto de fusión de 78 °C. Se forman compuestos equivalentes con bromo y yodo, Ga
2Es
6y Ga
2I
6. [35] : 133 

Al igual que los otros trihaluros del grupo 13, los haluros de galio (III) son ácidos de Lewis que reaccionan como aceptores de haluros con haluros de metales alcalinos para formar sales que contienen GaX−
4aniones, donde X es un halógeno. También reaccionan con haluros de alquilo para formar carbocationes y GaX−
4. [35] : 136–137 

Cuando se calientan a una temperatura alta, los haluros de galio (III) reaccionan con el galio elemental para formar los respectivos haluros de galio (I). Por ejemplo, GaCl
3reacciona con Ga para formar GaCl :

2Ga + GaCl
3⇌ 3 ClGa (g)

A temperaturas más bajas, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda y el GaCl se desproporciona nuevamente en galio elemental y GaCl.
3El GaCl también se puede producir haciendo reaccionar Ga con HCl a 950 °C; el producto se puede condensar como un sólido rojo. [34] : 1036 

Los compuestos de galio(I) se pueden estabilizar mediante la formación de aductos con ácidos de Lewis. Por ejemplo:

GaCl2 + AlCl3
3→ Georgia+
[AlCl
4]−

Los llamados "haluros de galio (II)", GaX
2, son en realidad aductos de haluros de galio (I) con los respectivos haluros de galio (III), que tienen la estructura Ga+
[GaX
4]−
. Por ejemplo: [36] [34] : 1036  [43]

GaCl2 + GaCl2
3→ Georgia+
[GaCl
4]−

Hidruros

Al igual que el aluminio , el galio también forma un hidruro , GaH
3, conocido como galano , que puede producirse mediante la reacción del galanato de litio ( LiGaH
4) con cloruro de galio(III) a −30 °C: [34] : 1031 

3 LiGaH
4+ GaCl
3→ 3 LiCl + 4 GaH
3

En presencia de dimetiléter como disolvente, GaH
3polimeriza a (GaH
3)
norte. Si no se utiliza disolvente, el dímero Ga
2yo
6( digallano ) se forma como un gas. Su estructura es similar a la del diborano , con dos átomos de hidrógeno que unen los dos centros de galio, [34] : 1031  a diferencia del α- AlH
3en el que el aluminio tiene un número de coordinación de 6. [34] : 1008 

El galano es inestable por encima de -10 °C y se descompone en galio elemental e hidrógeno . [44]

Compuestos de organogalio

Los compuestos de organogalio tienen una reactividad similar a los compuestos de organoindio , son menos reactivos que los compuestos de organoaluminio , pero más reactivos que los compuestos de organotalio . [45] Los alquilgalios son monoméricos. La acidez de Lewis disminuye en el orden Al > Ga > In y, como resultado, los compuestos de organogalio no forman dímeros en puente como lo hacen los compuestos de organoaluminio. Los compuestos de organogalio también son menos reactivos que los compuestos de organoaluminio. Forman peróxidos estables. [46] Estos alquilgalios son líquidos a temperatura ambiente, tienen puntos de fusión bajos y son bastante móviles e inflamables. El trifenilgalio es monomérico en solución, pero sus cristales forman estructuras en cadena debido a interacciones intermoleculares débiles de Ga···C. [45]

El tricloruro de galio es un reactivo de partida común para la formación de compuestos de organogalio, como en reacciones de carbogalatación . [47] El tricloruro de galio reacciona con ciclopentadienuro de litio en éter dietílico para formar el complejo de ciclopentadienilo de galio trigonal planar GaCp 3 . El galio (I) forma complejos con ligandos areno como el hexametilbenceno . Debido a que este ligando es bastante voluminoso, la estructura del [Ga(η 6 -C 6 Me 6 )] + es la de un medio sándwich . Los ligandos menos voluminosos como el mesitileno permiten que dos ligandos se unan al átomo central de galio en una estructura de sándwich doblada. El benceno es incluso menos voluminoso y permite la formación de dímeros: un ejemplo es [Ga(η 6 -C 6 H 6 ) 2 ] [GaCl 4 ]·3C 6 H 6 . [45]

Historia

Pequeñas gotas de galio fusionándose

En 1871, el químico ruso Dmitri Mendeleev predijo por primera vez la existencia del galio , llamándolo « eka-aluminio » por su posición en la tabla periódica . También predijo varias propiedades del eka-aluminio que se corresponden estrechamente con las propiedades reales del galio, como su densidad , punto de fusión , carácter de óxido y enlaces en cloruro. [48]

Comparación entre las predicciones de Mendeleev de 1871 y las propiedades conocidas del galio [49]
PropiedadLas predicciones de MendeleevPropiedades actuales
Peso atómico~6869.723
Densidad5,9 g/ cm35,904 g/ cm3
Punto de fusiónBajo29,767 °C
Fórmula del óxidoM2O3​​​Ga2O3​​​
Densidad del óxido5,5 g/ cm35,88 g/ cm3
Naturaleza del hidróxidoanfóteroanfótero

Mendeleev también predijo que el eka-aluminio se descubriría por medio del espectroscopio , y que el eka-aluminio metálico se disolvería lentamente tanto en ácidos como en álcalis y no reaccionaría con el aire. También predijo que el M 2 O 3 se disolvería en ácidos para dar sales MX 3 , que las sales de eka-aluminio formarían sales básicas, que el sulfato de eka-aluminio debería formar alumbres , y que el MCl 3 anhidro debería tener una mayor volatilidad que el ZnCl 2 : todas estas predicciones resultaron ser ciertas. [49]

El galio fue descubierto mediante espectroscopia por el químico francés Paul Emile Lecoq de Boisbaudran en 1875 a partir de su espectro característico (dos líneas violetas ) en una muestra de esfalrita . [50] Más tarde ese año, Lecoq obtuvo el metal libre mediante electrólisis del hidróxido en solución de hidróxido de potasio . [51]

Lecoq denominó al elemento «gallia», del latín Gallia, que significa Galia , en honor a su tierra natal, Francia. [52] Más tarde se afirmó que, en un juego de palabras multilingüe de los que favorecían los hombres de ciencia en el siglo XIX, también había nombrado al galio en su honor: Le coq en francés significa «el gallo », y la palabra latina para «gallo» es gallus . En un artículo de 1877, Lecoq negó esta conjetura. [51]

Originalmente, de Boisbaudran determinó la densidad del galio como 4,7 g/cm 3 , la única propiedad que no coincidía con las predicciones de Mendeleev; Mendeleev le escribió y le sugirió que volviera a medir la densidad, y de Boisbaudran obtuvo entonces el valor correcto de 5,9 g/cm 3 , que Mendeleev había predicho exactamente. [49]

Desde su descubrimiento en 1875 hasta la era de los semiconductores, los principales usos del galio fueron la termometría de alta temperatura y las aleaciones de metales con propiedades inusuales de estabilidad o facilidad de fusión (algunas de ellas eran líquidas a temperatura ambiente).

El desarrollo del arseniuro de galio como semiconductor de banda prohibida directa en la década de 1960 marcó el comienzo de la etapa más importante en las aplicaciones del galio. [25] A fines de la década de 1960, la industria electrónica comenzó a utilizar galio a escala comercial para fabricar diodos emisores de luz, energía fotovoltaica y semiconductores, mientras que la industria de los metales lo utilizó [53] para reducir el punto de fusión de las aleaciones . [54]

Aparición

El galio no existe como elemento libre en la corteza terrestre, y los pocos minerales de alto contenido, como la galita (CuGaS 2 ), son demasiado raros para servir como fuente primaria. [55] La abundancia en la corteza terrestre es de aproximadamente 16,9  ppm . Es el 34.º elemento más abundante en la corteza. [56] Esto es comparable a las abundancias corticales de plomo , cobalto y niobio . Sin embargo, a diferencia de estos elementos, el galio no forma sus propios depósitos minerales con concentraciones de > 0,1 % en peso en el mineral. Más bien, se presenta en concentraciones traza similares al valor cortical en los minerales de zinc, [55] [57] y en valores algo más altos (~ 50 ppm) en los minerales de aluminio, de los cuales se extrae como subproducto. Esta falta de depósitos independientes se debe al comportamiento geoquímico del galio, que no muestra un enriquecimiento fuerte en los procesos relevantes para la formación de la mayoría de los depósitos minerales. [55]

El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) estima que las reservas conocidas de bauxita y minerales de zinc contienen más de un millón de toneladas de galio. [58] [59] Algunos polvos de combustión de carbón contienen pequeñas cantidades de galio, típicamente menos del 1% en peso. [60] [61] [62] [63] Sin embargo, estas cantidades no son extraíbles sin la minería de los materiales hospedantes (ver más abajo). Por lo tanto, la disponibilidad de galio está determinada fundamentalmente por la velocidad a la que se extraen la bauxita, los minerales de zinc y el carbón.

Producción y disponibilidad

Ampolla de vacío sellada con galio al 99,9999 % (6N)

El galio se produce exclusivamente como subproducto durante el procesamiento de los minerales de otros metales. Su principal material de origen es la bauxita , el principal mineral de aluminio , pero también se extraen cantidades menores de minerales de zinc sulfídicos ( siendo la esfalrita el principal mineral huésped). [64] [65] En el pasado, ciertos carbones eran una fuente importante.

Durante el procesamiento de bauxita a alúmina en el proceso Bayer , el galio se acumula en el licor de hidróxido de sodio . De este se puede extraer mediante una variedad de métodos. El más reciente es el uso de resina de intercambio iónico . [64] Las eficiencias de extracción alcanzables dependen críticamente de la concentración original en la bauxita de alimentación. A una concentración de alimentación típica de 50 ppm, aproximadamente el 15% del galio contenido es extraíble. [64] El resto reporta a las corrientes de lodo rojo e hidróxido de aluminio . El galio se elimina de la resina de intercambio iónico en solución. Luego, la electrólisis produce galio metálico. Para su uso en semiconductores , se purifica aún más con fusión por zonas o extracción de monocristal a partir de una masa fundida ( proceso Czochralski ). Se logran purezas del 99,9999% de manera rutinaria y están disponibles comercialmente. [66]

Mina de bauxita en Jamaica (1984)

Su condición de subproducto significa que la producción de galio está limitada por la cantidad de bauxita, minerales de zinc sulfídicos (y carbón) extraídos por año. Por lo tanto, su disponibilidad debe discutirse en términos de potencial de suministro. El potencial de suministro de un subproducto se define como la cantidad que es económicamente extraíble de sus materiales anfitriones por año en las condiciones actuales del mercado (es decir, tecnología y precio). [67] Las reservas y los recursos no son relevantes para los subproductos, ya que no se pueden extraer independientemente de los productos principales. [68] Estimaciones recientes sitúan el potencial de suministro de galio en un mínimo de 2.100 t/año de bauxita, 85 t/año de minerales de zinc sulfídicos y potencialmente 590 t/año de carbón. [64] Estas cifras son significativamente mayores que la producción actual (375 t en 2016). [69] Por lo tanto, serán posibles importantes aumentos futuros en la producción de subproductos de galio sin aumentos significativos en los costos de producción o el precio. El precio promedio del galio de baja calidad fue de 120 dólares por kilogramo en 2016 y de 135 a 140 dólares por kilogramo en 2017. [70]

En 2017, la producción mundial de galio de baja calidad fue de aproximadamente  315 toneladas, un aumento del 15% con respecto a 2016. China, Japón, Corea del Sur, Rusia y Ucrania fueron los principales productores, mientras que Alemania cesó la producción primaria de galio en 2016. El rendimiento de galio de alta pureza fue de aproximadamente 180 toneladas, principalmente originarias de China, Japón, Eslovaquia, el Reino Unido y los EE. UU. La capacidad de producción anual mundial de 2017 se estimó en 730 toneladas de galio de baja calidad y 320 toneladas de galio refinado. [70]

China produjo alrededor de  250 toneladas de galio de baja calidad en 2016 y alrededor de  300 toneladas en 2017. También representó más de la mitad de la producción mundial de LED. [70] En julio de 2023, China representaba entre el 80% [71] y el 95% de su producción. [72]

Aplicaciones

Las aplicaciones de semiconductores dominan la demanda comercial de galio, representando el 98% del total. La siguiente aplicación importante es la de los granates de galio y gadolinio . [73]

Semiconductores

LED azules basados ​​en galio

El galio de pureza extremadamente alta (>99,9999 %) está disponible comercialmente para servir a la industria de semiconductores . El arseniuro de galio (GaAs) y el nitruro de galio (GaN) utilizados en componentes electrónicos representaron aproximadamente el 98 % del consumo de galio en los Estados Unidos en 2007. Aproximadamente el 66 % del galio semiconductor se utiliza en los EE. UU. en circuitos integrados (principalmente arseniuro de galio), como la fabricación de chips lógicos de ultraalta velocidad y MESFET para preamplificadores de microondas de bajo ruido en teléfonos celulares. Aproximadamente el 20 % de este galio se utiliza en optoelectrónica . [58]

A nivel mundial, el arseniuro de galio representa el 95% del consumo mundial anual de galio. [66] Ascendió a 7.500 millones de dólares en 2016, de los cuales el 53% se originó en teléfonos celulares, el 27% en comunicaciones inalámbricas y el resto en aplicaciones automotrices, de consumo, de fibra óptica y militares. El reciente aumento en el consumo de GaAs está relacionado principalmente con la aparición de teléfonos inteligentes 3G y 4G , que emplean hasta 10 veces la cantidad de GaAs en modelos más antiguos. [70]

El arseniuro de galio y el nitruro de galio también se pueden encontrar en una variedad de dispositivos optoelectrónicos que tuvieron una participación de mercado de $ 15.3 mil millones en 2015 y $ 18.5 mil millones en 2016. [70] El arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs) se utiliza en diodos láser infrarrojos de alta potencia. Los semiconductores nitruro de galio y nitruro de galio indio se utilizan en dispositivos optoelectrónicos azules y violetas, principalmente diodos láser y diodos emisores de luz . Por ejemplo, los láseres de diodo de nitruro de galio de 405 nm se utilizan como fuente de luz violeta para unidades de discos compactos de datos Blu-ray Disc de mayor densidad. [74]

Otras aplicaciones importantes del nitruro de galio son la transmisión de televisión por cable, la infraestructura inalámbrica comercial, la electrónica de potencia y los satélites. Se estimó que el mercado de dispositivos de radiofrecuencia de GaN por sí solo ascendía a 370 millones de dólares en 2016 y 420 millones de dólares en 2016. [70]

Las células fotovoltaicas multiunión , desarrolladas para aplicaciones de energía satelital , se fabrican mediante epitaxia de haz molecular o epitaxia en fase de vapor metalorgánica de películas delgadas de arseniuro de galio, fosfuro de indio y galio o arseniuro de indio y galio . Los vehículos exploradores de Marte y varios satélites utilizan arseniuro de galio de triple unión sobre células de germanio. [75] El galio también es un componente de compuestos fotovoltaicos (como el sulfuro de cobre, indio, galio y selenio Cu(In,Ga)(Se,S) 2 ) utilizados en paneles solares como una alternativa rentable al silicio cristalino . [76]

Galinstan y otras aleaciones

Galinstan moja fácilmente un trozo de vidrio común.
Debido a sus bajos puntos de fusión, el galio y sus aleaciones se pueden moldear en diversas formas tridimensionales mediante impresión 3D y fabricación aditiva .

El galio se alea fácilmente con la mayoría de los metales y se utiliza como ingrediente en aleaciones de bajo punto de fusión . La aleación casi eutéctica de galio, indio y estaño es un líquido a temperatura ambiente que se utiliza en termómetros médicos. Esta aleación, con el nombre comercial Galinstan (con el "-stan" haciendo referencia al estaño, stannum en latín), tiene un punto de fusión bajo de −19 °C (−2,2 °F). [77] Se ha sugerido que esta familia de aleaciones también podría utilizarse para enfriar chips de ordenador en lugar de agua, y se utiliza a menudo como sustituto de la pasta térmica en la informática de alto rendimiento. [78] [79] Las aleaciones de galio se han evaluado como sustitutos de las amalgamas dentales de mercurio , pero estos materiales aún no han tenido una amplia aceptación. Se ha descubierto que las aleaciones líquidas que contienen principalmente galio e indio precipitan el CO2 gaseoso en carbono sólido y se están investigando como posibles metodologías para la captura de carbono y posiblemente su eliminación . [80] [81]

Debido a que el galio humedece el vidrio o la porcelana , se puede utilizar para crear espejos brillantes . Cuando no se desea la acción humectante de las aleaciones de galio (como en los termómetros de vidrio Galinstan), el vidrio debe protegerse con una capa transparente de óxido de galio (III) . [82]

Debido a su alta tensión superficial y deformabilidad , [83] los metales líquidos a base de galio se pueden utilizar para crear actuadores controlando la tensión superficial. [84] [85] [86] Los investigadores han demostrado el potencial de utilizar actuadores de metal líquido como músculo artificial en la actuación robótica. [87] [88]

El plutonio utilizado en los pozos de armas nucleares se estabiliza en la fase δ y se hace mecanizable mediante aleación con galio . [89] [90]

Aplicaciones biomédicas

Aunque el galio no tiene una función natural en biología, los iones de galio interactúan con procesos en el cuerpo de una manera similar al hierro (III) . Debido a que estos procesos incluyen la inflamación , un marcador de muchos estados patológicos, varias sales de galio se utilizan (o están en desarrollo) como productos farmacéuticos y radiofármacos en medicina. El interés en las propiedades anticancerígenas del galio surgió cuando se descubrió que el citrato de 67 Ga (III) inyectado en animales con tumores se localizaba en los sitios del tumor. Los ensayos clínicos han demostrado que el nitrato de galio tiene actividad antineoplásica contra el linfoma no Hodgkin y los cánceres uroteliales. Ha surgido una nueva generación de complejos de galio-ligando como el tris (8-quinolinolato) galio (III) (KP46) y el maltolato de galio. [91] El nitrato de galio (nombre comercial Ganite) se ha utilizado como un producto farmacéutico intravenoso para tratar la hipercalcemia asociada con la metástasis tumoral en los huesos. Se cree que el galio interfiere con la función de los osteoclastos , y la terapia puede ser eficaz cuando otros tratamientos han fallado. [92] El maltolato de galio , una forma oral y altamente absorbible del ion galio (III), es un antiproliferativo para las células que proliferan patológicamente, particularmente las células cancerosas y algunas bacterias que lo aceptan en lugar del hierro férrico (Fe 3+ ). Los investigadores están realizando ensayos clínicos y preclínicos sobre este compuesto como un posible tratamiento para una serie de cánceres, enfermedades infecciosas y enfermedades inflamatorias. [93]

Cuando las bacterias, como Pseudomonas , absorben por error iones de galio en lugar de hierro (III) , estos interfieren en la respiración y las bacterias mueren. Esto sucede porque el hierro es redox-activo, lo que permite la transferencia de electrones durante la respiración, mientras que el galio es redox-inactivo. [94] [95]

Un compuesto complejo de amina - fenol Ga(III) MR045 es selectivamente tóxico para los parásitos resistentes a la cloroquina , un fármaco común contra la malaria . Tanto el complejo Ga(III) como la cloroquina actúan inhibiendo la cristalización de la hemozoína , un producto de desecho formado a partir de la digestión de la sangre por los parásitos. [96] [97]

Sales de radiogalio

Las sales de galio-67, como el citrato de galio y el nitrato de galio, se utilizan como agentes radiofarmacéuticos en la obtención de imágenes de medicina nuclear conocida como gammagrafía con galio . Se utiliza el isótopo radiactivo 67 Ga, y el compuesto o sal de galio no es importante. El cuerpo maneja el Ga 3+ de muchas maneras como si fuera Fe 3+ , y el ion se une (y se concentra) en áreas de inflamación, como infecciones, y en áreas de rápida división celular. Esto permite obtener imágenes de dichos sitios mediante técnicas de gammagrafía nuclear. [98]

El galio-68 , un emisor de positrones con una vida media de 68 min, se utiliza ahora como radionúclido de diagnóstico en PET-CT cuando se vincula a preparaciones farmacéuticas como DOTATOC , un análogo de la somatostatina utilizado para la investigación de tumores neuroendocrinos , y DOTA-TATE , uno más nuevo, utilizado para la metástasis neuroendocrina y el cáncer neuroendocrino de pulmón, como ciertos tipos de microcitoma . La preparación del galio-68 como producto farmacéutico es química, y el radionúclido se extrae por elución del germanio-68, un radioisótopo sintético del germanio , en generadores de galio-68 . [99]

Otros usos

Detección de neutrinos : el galio se utiliza para la detección de neutrinos . Posiblemente la mayor cantidad de galio puro jamás recogida en un único lugar es el Telescopio de Neutrinos de Galio-Germanio utilizado por el experimento SAGE en el Observatorio de Neutrinos de Baksan en Rusia. Este detector contiene entre 55 y 57 toneladas (~9 metros cúbicos) de galio líquido. [100] Otro experimento fue el detector de neutrinos GALLEX que funcionó a principios de los años 1990 en un túnel de montaña italiano. El detector contenía 12,2 toneladas de galio-71 diluido en agua. Los neutrinos solares hicieron que algunos átomos de 71 Ga se convirtieran en 71 Ge radiactivos , que fueron detectados. Este experimento mostró que el flujo de neutrinos solares es un 40% menor de lo que predecía la teoría. Este déficit ( problema de los neutrinos solares ) no se explicó hasta que se construyeron mejores detectores y teorías de neutrinos solares (véase SNO ). [101]

Fuente de iones : el galio también se utiliza como fuente de iones metálicos líquidos para un haz de iones enfocado . Por ejemplo, se utilizó un haz de iones de galio enfocado para crear el libro más pequeño del mundo, Teeny Ted from Turnip Town . [102]

Lubricantes : El galio sirve como aditivo en la cera deslizante para esquís y otros materiales de superficie de baja fricción. [103]

Electrónica flexible : Los científicos de materiales especulan que las propiedades del galio podrían hacerlo adecuado para el desarrollo de dispositivos flexibles y portátiles. [104] [105]

Generación de hidrógeno : el galio altera la capa protectora de óxido del aluminio, lo que permite que el agua reaccione con el aluminio en AlGa para producir gas hidrógeno. [106]

Humor : Una broma muy conocida entre los químicos es fabricar cucharas de galio y usarlas para servir té a invitados desprevenidos, ya que el galio tiene una apariencia similar a su homólogo más ligero, el aluminio. Las cucharas luego se derriten en el té caliente. [107]

Galio en el océano

Los avances en las pruebas de elementos traza han permitido a los científicos descubrir rastros de galio disuelto en los océanos Atlántico y Pacífico. [108] En los últimos años, se han presentado concentraciones de galio disuelto en el mar de Beaufort . [108] [109] Estos informes reflejan los posibles perfiles de las aguas del océano Pacífico y Atlántico. [109] Para los océanos Pacífico, las concentraciones típicas de galio disuelto están entre 4 y 6 pmol/kg a profundidades <~150 m. En comparación, para las aguas del Atlántico 25–28 pmol/kg a profundidades >~350 m. [109]

El galio ha entrado en los océanos principalmente a través de la entrada eólica, pero tener galio en nuestros océanos puede usarse para resolver la distribución de aluminio en los océanos. [110] La razón de esto es que el galio es geoquímicamente similar al aluminio, solo que menos reactivo. El galio también tiene un tiempo de residencia en el agua superficial ligeramente mayor que el aluminio. [110] El galio tiene un perfil disuelto similar al del aluminio, debido a esto, el galio puede usarse como trazador para el aluminio. [110] El galio también puede usarse como trazador de entradas eólicas de hierro. [111] El galio se usa como trazador de hierro en el noroeste del Pacífico y en los océanos Atlántico sur y central. [111] Por ejemplo, en el noroeste del Pacífico, las aguas superficiales con bajo contenido de galio, en la región subpolar, sugieren que hay una baja entrada de polvo, lo que posteriormente puede explicar el siguiente comportamiento ambiental de alto contenido de nutrientes y baja clorofila . [111]

Precauciones

Galio
Peligros
Etiquetado SGA :
GHS05: Corrosivo
Peligro
H290 , H318
P280 , P305 , P310 , P338 , P351 [112]
NFPA 704 (rombo cortafuegos)
[113]
NFPA 704 diamante de cuatro coloresHealth 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g. turpentineFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
1
0
0
Compuesto químico

El galio metálico no es tóxico. Sin embargo, varios compuestos del galio sí lo son.

Los complejos de haluro de galio pueden ser tóxicos. [114] El ion Ga 3+ de las sales solubles de galio tiende a formar el hidróxido insoluble cuando se inyecta en grandes dosis; la precipitación de este hidróxido resultó en nefrotoxicidad en animales. En dosis más bajas, el galio soluble se tolera bien y no se acumula como veneno, sino que se excreta principalmente a través de la orina. La excreción de galio ocurre en dos fases: la primera fase tiene una vida media biológica de 1 hora, mientras que la segunda tiene una vida media biológica de 25 horas. [98]

Las partículas de Ga2O3 inhaladas son probablemente tóxicas. [115]

Notas

  1. ^ La expansión térmica es anisotrópica : los parámetros (en el rango 280–302,9 K) son α a  = 31,9 × 10 −6 /K, α b  = 16,2 × 10 −6 /K, α c  = 13,3 × 10 −6 /K, y α promedio  = 20,5 × 10 −6 /K. [5]

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