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Wir schreiben das Jahr 1875: Das kleine Städtchen Cognac im Westen Frankreichs, rund 120 Kilometer nördlich von Bordeaux gelegen, gilt als Zentrum der Alkoholproduktion. Edle Weine stammen von hier, einem populären Weinbrand aus Weißweinen verlieh der Stadt bereits ihrem Namen.
In einem kleinen Privatlabor unweit der Stadtmitte arbeitete der Chemiker Paul Émile Lecoq de Boisbaudran beim ackernden Schein von Petroleumlampen. Der Mann ist völlig vertieft in seine Experimente: Er hört nicht das Geklapper von Pferdedroschken, nicht die Rufe von Menschen, nicht das Verladen von Weinfässern. Seine gesamte Konzentration gilt der Suche nach einem neuen Element, dessen Existenz er nach langem Bemühen endlich ein einer Spektrallinie nachweisen kann: Gallium. De Boisbaudran reibt sich die übermüdeten Augen: Er weiß: dass sein Name ab heute in den Geschichtsbüchern seiner Heimatstadt verewigt sein wird.
Das neuentdeckte Element hat interessante Eigenschaften: Es schmilzt bereits bei 29,76 Grad und zieht sich dabei zusammen – was es zusammen mit Indium und Stannum, dem lateinischen Namen für Zinn, zu einer Legierung namens Galinstan werden lässt, die nach dem Verbot von Quecksilber häufig in Thermometern verwendet wird. Doch sein Haupteinsatzgebiet ist heute ein anderes: Gallium wird mittlerweile überwiegend in der Halbleitertechnik verwendet. Silicium-Halbleiter verweigern schon bei wenigen Gigahertz die Arbeit; ihre Gegenstücke aus Galliumarsenid funktionieren dagegen noch bis zu 250 Gigahertz. Auch in fast allen Leuchtdioden, sogenannten LEDs, findet man den Rohstoff in zahlreichen Verbindungen.
Gallium findet man hauptsächlich in Aluminium-, Zink-, und Germaniumerzen, wobei die Konzentration maximal 0,01 Prozent beträgt. Edel, gut und wertvoll – dies zumindest hat Gallium mit einem Glas erlesenen Cognacs gemeinsam.
Gallium ist selten: Lediglich 100 Tonnen Rohgallium werden weltweit produziert, weit über die Hälfte davon stammt aus China, Deutschland und Japan.
Mehr über Gallium in diesen Blogartikeln:
Schmelzpunkt: 29,8°C
Spezifisches Gewicht: 5,91 g/cm3
Farbe: Silberweiss
Siedepunkt: 2400°C
Weltjahresproduktion ca.: 100 Tonnen
Massenanteil / Erdhülle: 14 ppm
Wertentwicklung:
Im Jahr 2021: +37,76%
Im Jahr 2022: + 5,09%
bis 28.6.2023: -18,38%
Die faszinierende Geschichte von Gallium beginnt im 19. Jahrhundert mit den Entdeckungen von Dmitri Mendelejew und Paul Émile Lecoq de Boisbaudran. Bereits im Jahr 1871 sagte Mendelejew die Existenz eines neuen Elements voraus, das er vorläufig Eka-Aluminium nannte. Mit Hilfe seines bahnbrechenden Periodensystems prognostizierte er einige Eigenschaften dieses Elements, darunter die Atommasse, das spezifische Gewicht, den Schmelzpunkt und die Art der Salze.
Unabhängig von Mendelejews Vorhersagen kam der französische Chemiker Lecoq de Boisbaudran im Jahr 1875 zu ähnlichen Erkenntnissen. Er untersuchte die Linienabfolge im Linienspektrum von Elementfamilien und suchte nach Gesetzmäßigkeiten innerhalb der Aluminiumfamilie. Dabei stieß er auf eine Lücke zwischen Aluminium und Indium und vermutete, dass ein weiteres, bislang unbekanntes Element existieren müsse.
Lecoq de Boisbaudran experimentierte weiter und entdeckte schließlich im Emissionsspektrum von Zinkblende-Erz zwei violette Spektrallinien, die er dem unbekannten Element zuordnete. Diese Entdeckung gelang ihm, nachdem er das Zinkblende-Erz in Säure gelöst und mit metallischem Zink versetzt hatte. Aus einigen hundert Kilogramm Zinkblende konnte er schließlich eine größere Menge Galliumhydroxid gewinnen. Durch Lösen in einer Kaliumcarbonatlösung und Elektrolyse gelang es ihm, erstmals elementares Gallium darzustellen.
Das neu entdeckte Element erhielt seinen Namen von Lecoq de Boisbaudran, der es nach „Gallien“, der lateinischen Bezeichnung seines Heimatlandes Frankreich, benannte. Als die Eigenschaften des neuen Elements bestimmt waren, erkannte Mendelejew schnell, dass es sich dabei um das von ihm vorausberechnete Eka-Aluminium handelte. Viele der theoretisch ermittelten Eigenschaften stimmten erstaunlich genau mit den experimentellen Werten überein. Die Dichte von Gallium wies nur eine geringe Abweichung von den vorhergesagten Werten auf.
Die Entdeckung von Gallium war ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung des Periodensystems und der Erforschung der seltenen Elemente. Gallium ist ein silberweißes Metall mit einzigartigen Eigenschaften. Es ist bieg- und dehnbar und hat eine geringe Schmelztemperatur von nur etwa 29,8 Grad Celsius. Aufgrund seiner ungewöhnlichen Eigenschaften und seiner Seltenheit findet Gallium zwar nur vereinzelt Anwendung, doch diese sind dennoch von großer Bedeutung.
Gallium wird als IR-Quelle für Spektrometer verwendet und intensiviert das Licht von Halogenlampen. Zudem spielt es eine wichtige Rolle in Dosimetern zur Strahlenmessung und findet Verwendung in Spezialmagneten, Laserwerkstoffen und der Materialprüftechnik. Auch in der Kerntechnik wird Gallium in Regelstäben zur Steuerung thermischer Neutronen eingesetzt.
Gallium ist ein faszinierendes Element mit interessanten Eigenschaften, das jedoch in der Natur immer in Kombination mit anderen Elementen vorkommt. Das wichtigste Erz für die Gewinnung von Gallium ist der Bauxit, bei dem es als Begleitmetall während der Schmelzflusselektrolyse bei der Aluminiumgewinnung entzogen wird. Weitere Minerale, die Gallium enthalten, sind die Zinkblende und der Germanit. Die bedeutendsten Vorkommen von Gallium befinden sich in Kasachstan, Australien, Tschechien, Indien und Guinea. Zudem gibt es größere Recyclinganlagen in den USA, Japan und Deutschland, die Gallium wiedergewinnen.
Die Gewinnung von Gallium erfolgt hauptsächlich aus Galliumoxid. Dies geschieht durch Elektrolyse einer Natrium- oder Kaliumgallatlösung im alkalischen Milieu, die durch einen Soda-Pottasche-Aufschluss gewonnen werden kann. Für die Herstellung von hochreinem Gallium für Halbleiter wird Galliumchlorid durch Zonenschmelzen gereinigt und anschließend elektrolysiert.
Anwendungen von Gallium
Obwohl Gallium relativ teuer ist, bietet es dennoch einige interessante Anwendungsmöglichkeiten. Eine Galliumlegierung mit Indium, Zink und Kupfer erstarrt beispielsweise unter 0 °C und besitzt ähnliche Eigenschaften wie Quecksilber, insbesondere was die Oberflächenspannung betrifft. Diese Legierung kann als ungiftiger Ersatz für Quecksilber in Thermometern mit einem breiten Anzeigebereich dienen.
Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet von Gallium ist die Herstellung von Halbleitern wie Galliumnitrid (GaN) und Gallium-Arsenid (GaAs). GaN wird beispielsweise zur Produktion von blauen Leuchtdioden verwendet, während GaAs in elektronischen Hochfrequenzbauteilen, Leuchtdioden, Laser und hocheffizienten Solarzellen Verwendung findet.
Darüber hinaus kommt Gallium auch im dentaltechnischen-edelmetallverarbeitenden Bereich als Legierungszusatz zum Einsatz. Es ermöglicht die Herstellung von stark lichtbrechenden Kristallmaterialien und erlaubt einen lückenlosen Austausch von Galliumionen durch Aluminiumionen in Kristallen.
Eine relativ neue Anwendung von Gallium ist der Einsatz als Flüssigmetall-Wärmeleitpaste im PC-Bereich, um eine effiziente Kühlung zu gewährleisten.
Interessanterweise findet Gallium auch Verwendung in der Wissenschaft, beispielsweise in Neutrinodetektoren beim GALLEX-Experiment. Die Menge an Galliumtrichlorid (GaCl3), die dabei eingesetzt wird, entspricht mehreren Weltjahresproduktionen von Gallium.
Das Galliumtriiodid GaI3 kann zur Herstellung von Galliumphosphid GaP für rote und grüne Leuchtdioden genutzt werden.
Besonders unter Elementsammlern ist Gallium beliebt, da es bereits bei Handwärme verflüssigt werden kann, aufgrund seines niedrigen Schmelzpunktes.
Eigenschaften von Gallium
Gallium ist ein faszinierendes Element mit einer zarten hellblauen Metallfarbe, die es zu einem Blickfang macht. Doch nicht nur seine Farbe macht Gallium zu einem besonderen Element, sondern auch seine außergewöhnlichen Eigenschaften, die es von anderen Metallen unterscheiden.
Eine bemerkenswerte Eigenschaft von Gallium ist seine auffallend niedrige Schmelztemperatur von nur etwa 29,76 Grad Celsius. Das bedeutet, dass Gallium bereits bei Raumtemperatur flüssig ist und bei bloßer Berührung in den Händen zu schmelzen beginnt. Diese ungewöhnliche Eigenschaft macht es zu einem beliebten Element für Experimente und Demonstrationen in der Schule.
Eine weitere Besonderheit ist die hohe Benetzungsfähigkeit von flüssigem Gallium. Wenn es mit menschlicher Haut in Kontakt kommt, bildet es leicht einen grauen Schmierfilm. Aus diesem Grund sollte der Kontakt mit flüssigem Gallium vermieden werden, da es Augen und Haut reizen kann.
Interessanterweise hat Gallium eine starke Tendenz, auch unterhalb seiner Schmelztemperatur flüssig zu bleiben, bis es durch einen Kristallisationskeim oder weitere Abkühlung verfestigt wird. Diese Eigenschaft macht es zu einem interessanten Material für Anwendungen in der Thermometer- und Temperaturregelungstechnik.
In festem Zustand zeigt Gallium einige Eigentümlichkeiten. Obwohl es relativ weich ist, kann es bei starker, plötzlicher mechanischer Belastung muschelig splittern und scharfe Splitter bilden. Dies ist eine ungewöhnliche Eigenschaft für ein Metall und macht Gallium zu einem interessanten Material für Forschungszwecke.
Ein weiterer faszinierender Aspekt von Gallium ist seine Fähigkeit, zum Supraleiter zu werden. Bei einer Temperatur unterhalb von 1,0883 K zeigt die Modifikation α-Ga keinen elektrischen Widerstand mehr. Dieses Phänomen wird in den Modifikationen β-Ga, γ-Ga und δ-Ga bei noch höheren Sprungtemperaturen von 6,07 K, 7-7,6 K und 7,85 K beobachtet. Sogar unter hohem Druck gibt es zwei weitere Modifikationen, Ga-II und Ga-II‘, die bei Temperaturen unter 6,3 K bzw. 7,5 K ebenfalls supraleitend werden.
Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft ist die Dichteanomalie von Gallium. Die Dichte von flüssigem Gallium beträgt 6100 kg/m³ und ist somit höher als die von festem Gallium. Dieses Phänomen ist in der Materialwissenschaft von Interesse und wird in der Forschung genauer untersucht.
Gallium oxidiert langsam an der Luft, behält jedoch seinen Glanz. Diese Eigenschaft macht es zu einem stabilen Metall, das in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden kann.
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