Gálio - preço do gálio, ocorrência, extração, uso

Geral

Gálio é um elemento químico que ocorre raramente com o símbolo de elemento Ga e o número atômico 31. Na tabela periódica ele está no 4º período e é o terceiro elemento do 3º grupo principal (grupo 13) ou grupo de boro. É um metal branco prateado fácil de liquefazer. O gálio não cristaliza em uma das estruturas cristalinas que normalmente são encontradas em metais, mas em sua modificação mais estável em uma estrutura ortorrômbica com dímeros de gálio. Além disso, são conhecidas seis outras modificações que se formam sob condições especiais de cristalização ou sob alta pressão. Em termos de propriedades químicas, o metal é muito semelhante ao alumínio.

Na natureza, o gálio ocorre apenas em pequena extensão e principalmente como uma mistura em minérios de alumínio, zinco ou germânio; Os minerais de gálio são muito raros. Consequentemente, também é obtido como subproduto na produção de alumínio ou zinco. A maior parte do gálio é processada no arsenieto de gálio semicondutor, que é usado principalmente para diodos emissores de luz.

ocorrência 

O gálio é um elemento raro na terra, com um teor de 19 ppm na crosta continental, sua abundância é comparável à do lítio e do chumbo. Não ocorre na forma elementar, mas apenas na forma ligada, principalmente em minérios de alumínio, zinco ou germânio. Os minérios mais ricos em Gálio incluem bauxita, minérios de zinco-blenda e germanita.

Os teores de gálio são em sua maioria baixos; a bauxita encontrada no Suriname com o maior teor conhecido contém apenas 0,008% de gálio. As reservas de gálio na bauxita em todo o mundo são 1,6 · 10⁶ Toneladas estimadas. Teores mais altos de até 1% de gálio ocorrem na germanita. Apenas na mina Apex, no estado americano de Utah, os minérios encontrados são tão elevados que se tentou minerar o gálio. No entanto, isso falhou depois de um curto período de tempo por razões de lucratividade.

Apenas alguns minerais de gálio são conhecidos, incluindo a galita (CuGaS₂), Söhngeit (Ga (OH)₃) e tsumgallite (GaO (OH)).

Extração e apresentação 

O gálio é obtido como subproduto da produção de alumínio a partir da bauxita no processo Bayer. A mistura de aluminato de sódio e galato de sódio dissolvidos em solução de hidróxido de sódio serve como produto de partida. O gálio pode ser separado do alumínio por meio de vários processos. Uma possibilidade é a cristalização fracionada com o auxílio de dióxido de carbono, com o hidróxido de alumínio precipitando inicialmente preferencialmente, enquanto o galato de sódio mais solúvel se acumula na solução de hidróxido de sódio. O hidróxido de gálio só é precipitado após outras etapas do processo, misturado com hidróxido de alumínio. A mistura é então dissolvida em solução de hidróxido de sódio e o gálio é obtido por eletrólise. Por ser um processo intensivo em energia e mão de obra, ele só é utilizado em países de baixo custo, como a República Popular da China.

O gálio também pode ser obtido diretamente da solução de hidróxido de sódio por eletrólise. Catodos de mercúrio são usados ​​para este propósito, um amálgama de gálio sendo formado durante a eletrólise. Também é possível adicionar amálgama de sódio à solução.

Com a ajuda de hidroxiquinolinas especiais como ligantes quelantes, é possível extrair o gálio da soda cáustica com querosene e, assim, separá-lo do alumínio. Outros elementos, também extraídos, podem ser separados com ácidos diluídos. O composto de gálio restante é então dissolvido em ácido clorídrico ou sulfúrico concentrado e reduzido eletroliticamente ao metal.

O gálio muito puro é necessário para muitas aplicações técnicas; para semicondutores, por exemplo, pode conter apenas um centésimo milionésimo de substâncias estranhas. Os métodos de limpeza possíveis são destilação a vácuo, cristalização fracionada ou fusão por zona.

A quantidade de gálio produzida é pequena, em 2008 a produção primária mundial foi de 95 toneladas. Outra fonte importante é a reciclagem de resíduos contendo gálio, de onde foram extraídas 2008 toneladas de gálio em 135. Os principais países produtores são a República Popular da China, Alemanha, Cazaquistão e Ucrânia, e os Estados Unidos, Japão e Reino Unido para a reciclagem de gálio.

Em uma escala de laboratório, o gálio pode ser produzido por eletrólise de uma solução de hidróxido de gálio em solução de hidróxido de sódio em eletrodos de platina ou tungstênio.

• A produção de gálio ultra-puro 99,99999%

Propriedades 

Propriedades físicas

O gálio é um metal macio, branco prateado (dureza de Mohs: 1,5). Tem um ponto de fusão anormalmente baixo para metais, que é 29,76 ° C. Depois do mercúrio e do césio, é o metal com o ponto de fusão mais baixo, que também está bem abaixo dos elementos vizinhos alumínio e índio. Isso provavelmente se deve à estrutura cristalina incomum, que, ao contrário das estruturas de outros metais, não tem um alto grau de simetria e, portanto, não é muito estável. Como o ponto de ebulição é comparativamente alto a 2204 ° C, o gálio tem uma área incomumente grande na qual é líquido. Devido à difícil cristalização, o gálio líquido pode ser facilmente resfriado abaixo do ponto de fusão (sub-resfriamento) e cristaliza repentinamente quando os núcleos de cristalização se formam.

Assim como o silício, alguns outros elementos e a água, o gálio tem uma anomalia de densidade, sua densidade no estado líquido é cerca de 3,2% maior do que na forma sólida. Isso é típico de substâncias que possuem ligações moleculares no estado sólido.

O gálio é diamagnético no estado sólido, mas torna-se paramagnético no estado líquido ( = 2,4 10^-6 a 40 ° C)

A formação de ligações gálio-gálio é característica de suas estruturas. São conhecidas várias modificações que se formam sob diferentes condições de cristalização (quatro modificações conhecidas, α- a δ-gálio, sob pressão normal) e sob pressão (um total de três outras modificações de alta pressão, Ga-II, Ga-III, Ga-IV). A modificação mais estável à temperatura ambiente é o α-gálio, que se cristaliza em uma estrutura de camada ortorrômbica. Dois átomos ligados um ao outro por meio de uma ligação covalente formam um dímero. Cada átomo de gálio também é adjacente a seis outros átomos de outros dímeros. Existem ligações metálicas entre os dímeros individuais. Os dímeros de gálio são tão estáveis ​​que inicialmente são retidos mesmo quando derretem e também podem ser detectados na fase gasosa.

Outras modificações são formadas durante a cristalização do gálio líquido super-resfriado. A −16,3 ° C, forma-se o β-gálio, que possui uma estrutura cristalina monoclínica. Na estrutura existem cadeias em ziguezague paralelas de átomos de gálio. Se a cristalização ocorrer a uma temperatura de −19,4 ° C, forma-se o δ-gálio trigonal, no qual, comparável ao α-boro, existem icosaedros distorcidos compostos de doze átomos de gálio. Eles estão conectados uns aos outros por meio de átomos de gálio individuais. A −35,6 ° C, o γ-gálio é finalmente formado. Nesta modificação ortorrômbica, os tubos são formados a partir de Ga interconectados₇Anéis no meio de uma cadeia linear de outros átomos de gálio.

Se o gálio for colocado sob alta pressão em temperatura ambiente, várias modificações de alta pressão serão formadas uma após a outra quando a pressão for aumentada. A modificação cúbica do gálio-II é estável acima de 30 kbar, em que cada átomo é circundado por mais oito. Se a pressão for aumentada para 140 kbar, o metal agora se cristaliza como gálio-III tetragonal em uma estrutura que corresponde à do índio. Se a pressão for aumentada ainda mais para cerca de 1200 kbar, a estrutura cúbica de gálio IV centrada na face é finalmente formada.

Propriedades químicas

As propriedades químicas do gálio são semelhantes às do alumínio. Assim, o gálio é passivado pela formação de uma densa camada de óxido no ar e não reage. Somente em oxigênio puro em alta pressão o metal queima com uma chama brilhante para formar o óxido. Da mesma forma, também não reage com a água, uma vez que aqui se forma o hidróxido de gálio insolúvel. Por outro lado, se o gálio é ligado ao alumínio e é líquido à temperatura ambiente devido à redução do ponto de fusão, ele reage de forma muito violenta com a água. Gálio também reage rapidamente com halogênios para formar os sais correspondentes GaX₃.

O gálio é anfotérico e solúvel em ácidos e bases com evolução de hidrogênio. Em ácidos, como o alumínio, os sais com Ga são formados³⁺Íons, em bases de galatos da forma [Ga (OH)₄]^-. Dissolve-se lentamente em ácidos diluídos e rapidamente em água régia e soda cáustica concentrada. O gálio é passivado pelo ácido nítrico.

Reação de gálio com soda cáustica

A maioria dos metais é atacada pelo gálio líquido, portanto, ele só pode ser armazenado em recipientes de quartzo, vidro, grafite, óxido de alumínio, tungstênio até 800 ° C e tântalo até 450 ° C.

isótopo 

Há um total de 30 isótopos de gálio entre ⁵⁶Ga e ⁸⁶Ga e outros sete isômeros de núcleo são conhecidos. Destes são dois ⁶⁹Ga e ⁷¹Ga estável e também ocorrem na natureza. Na composição isotópica natural predomina ⁶⁹Ga com 60,12%, 39,88% são ⁷¹Ga. Dos isótopos instáveis ⁶⁷Ga tem a meia-vida mais longa com 3,26 dias, as outras meias-vidas variam de segundos a um máximo de 14,1 horas ⁷²Ga.

Dois isótopos de gálio ⁶⁷Ga e o de curta duração com meia-vida de 67,71 minutos ⁶⁸Os Ga são usados ​​na medicina nuclear como marcadores para tomografia por emissão de pósitrons. ⁶⁷Ga é produzido em um ciclotron, enquanto na produção de ⁶⁸Nenhum ciclotron é necessário. Em vez disso, o isótopo de germânio de vida mais longa ⁶⁸Ge por irradiação de ⁶⁹Ga gerado com prótons. Isso desmorona ⁶⁸Ga, o resultado ⁶⁸Ga pode ser extraído em um gerador de gálio-68. Para estudos, o gálio é geralmente ligado a um complexo com um ligante fortemente quelante, como o ácido 1,4,7,10-tetraazaciclododecano-1,4,7,10-tetraacético (DOTA).

Usar 

Devido à raridade do elemento, o gálio é usado apenas de forma limitada. Vários compostos de gálio são feitos da maior parte do gálio produzido. De longe, os mais importantes economicamente são aqueles com elementos do 5º grupo principal, sobretudo o arseneto de gálio, necessário para células solares e diodos emissores de luz, entre outras coisas. Em 2003, 95% do gálio produzido foi utilizado para esse fim. Também serve como material para dopagem de silício (p-dopagem).

A grande faixa de temperatura em que o elemento é líquido e a baixa pressão de vapor ao mesmo tempo são utilizadas para a construção de termômetros. Termômetros de gálio podem ser usados ​​em temperaturas de até 1200 ° C. O gálio líquido pode ser usado como um líquido de barreira para medir o volume de gases em temperaturas mais altas e como um material de eletrodo líquido na extração de metais ultra-puros, como o índio.

O gálio tem alta molhabilidade e boa refletividade e, portanto, é usado como revestimento de espelhos. Também é usado em ligas fundidas, para trocadores de calor em reatores nucleares e como substituto do mercúrio em lâmpadas.

As ligas de gálio com outros metais têm vários usos. Os materiais magnéticos são criados pela liga com gadolínio, ferro, ítrio, lítio e magnésio. A liga com vanádio na composição V₃Ga é um supercondutor com uma temperatura de transição comparativamente alta de 16,8 K. Em armas nucleares, é ligado ao plutônio para evitar mudanças de fase. Muitas ligas de gálio, como Galinstan, são líquidas à temperatura ambiente e podem substituir o mercúrio tóxico ou as ligas de sódio-potássio muito reativas.

prova 

O gálio pode ser detectado qualitativamente com várias reações de cor típicas. Estes incluem a reação com rodamina B em benzeno, que fluoresce laranja-amarelo a vermelho-violeta quando o gálio é adicionado, morina, que mostra fluorescência verde como na reação com alumínio, e hexacianidoferrato de potássio (III), com o gálio um precipitado branco de hexacianidoferrato de gálio (III ) formulários. Além disso, uma detecção espectroscópica é possível através das linhas espectrais violeta características em 417,1 e 403,1 nm.

A evidência quantitativa pode ser fornecida por meio de titulações complexométricas, por exemplo, com ácido etilenodiaminotetracético ou por meio de espectrometria de absorção atômica.

Toxicologia e significado biológico 

Não existem dados toxicológicos para o gálio metálico; no entanto, é corrosivo para a pele e as membranas mucosas. Os compostos nitrato de gálio (III) Ga (NO₃)₃ e óxido de gálio (III) Ga₂O₃ possuir LD oral₅₀Valores na faixa de gramas: 4,360 g / kg para o nitrato e 10 g / kg para o óxido. O gálio é, portanto, considerado de baixa toxicidade e, até onde se sabe, não desempenha nenhum papel em humanos como oligoelemento.

Conexões 

Em compostos, o gálio ocorre quase exclusivamente no estado de oxidação +3. Além disso, compostos de gálio (I) raros e geralmente muito instáveis ​​são conhecidos, bem como aqueles que contêm gálio mono- e trivalente (formalmente compostos de gálio (II)).

Compostos com elementos do grupo nitrogênio

Os compostos de gálio tecnicamente mais importantes são aqueles com os elementos do grupo nitrogênio. Nitreto de gálio, fosfeto de gálio, arseneto de gálio e antimoneto de gálio são semicondutores típicos (semicondutores III-V) e são usados ​​para transistores, diodos e outros componentes eletrônicos. Em particular, diodos emissores de luz de várias cores são produzidos como compostos de grupos de gálio e nitrogênio. A cor, que depende do gap, pode ser ajustada por diferentes proporções de ânions ou substituindo o gálio por alumínio ou índio. O arsenieto de gálio também é usado para células solares. Eles são usados ​​em satélites em particular, pois o arsenieto de gálio é mais resistente à radiação ionizante do que o silício.

halogenetos

Haletos de gálio da forma GaX₃ são semelhantes em muitas propriedades aos compostos de alumínio correspondentes. Com exceção do fluoreto de gálio (III), eles ocorrem como dímeros em uma estrutura de brometo de alumínio. O cloreto de gálio (III) é o único haleto de pouca importância econômica. É usado como um ácido de Lewis em reações de Friedel-Crafts.

Conexões adicionais

Como o óxido de alumínio, o óxido de gálio (III) é um sólido incolor de alto ponto de fusão. Ela ocorre em cinco modificações diferentes, das quais a modificação β cúbica é a mais estável.

Compostos orgânicos de gálio existem como Gallane GAR₃, Gallylene GAR e como gallans superioresque contêm ligações gálio-gálio. Como muitos outros compostos organometálicos, eles são instáveis ​​ao ar e à hidrólise. Um dos poucos compostos orgânicos de gálio de importância econômica é o trimetilgálio, que é usado como reagente dopante e para a produção de finas camadas de arseneto de gálio e nitreto de gálio em epitaxi organometálico de fase gasosa.

Geral
Nome, símbolo, número atômico	Gálio, Ga, 31
série	metais
Grupo, período, bloco	13, 4, p
Aparência	branco prateado
número CAS	7440-55-3
Fração de massa da concha de terra	14 ppm
nuclear
massa atômica	69,723 u
Raio atômico (calculado)	130 (136) pm
Raio covalente	122 pm
Van der Waals raio	187 pm
configuração electrónica	[Ar] 3d10 4s2 4p1
1. ionização	578,8 kJ / mol
2. ionização	1979,3 kJ / mol
3. ionização	2963 kJ / mol
fisicamente
estado físico	fest
modificações	sete
densidade	5,904 g / cm3
dureza de Mohs	1,5
magnetismo	diamagnético ( = -2,3 10-5)
ponto de fusão	302,91 K (29,76 ° C)
ponto de ebulição	2477 K (2204 ° C)
Volume molar	11,80 · 10-6 m3/ mol
Calor de vaporização	256 kJ / mol
calor de fusão	5,59 kJ / mol
velocidade do som	2740 m / s em 293,15 K
Capacidade de calor específico	371 J / (kg K)
Condutividade elétrica	sobre 7,14 · 106 A / (v · m)
condutividade térmica	29 W / (m K)
Químico
estados de oxidação	3
potencial normais	-0,53 V (Ga3+ + 3 e- † 'Ga)
eletronegatividade	1,81 (escala de Pauling)
isótopo
isótopo NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 67Ga {Syn.} 3,2612 d ε 1,00 67Zn 68Ga {Syn.} 67,629 min β+, ε 2,921 68Zn 69Ga 60,1% estável 70Ga {Syn.} 21,14 min β- 1,656 70Ge 71Ga 39,9% estável 72Ga {Syn.} 14,10 h β- 4,001 72Ge 73Ga {Syn.} 4,86 h β- 1,593 73Ge
segurança
GHS substâncias perigosas rotulagem

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Chart Gálio 2001-2011

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