Γάλλιο

Το χημικό στοιχείο γάλλιο (λατινικά: gallium) είναι σπάνιο, μαλακό, εύτηκτο, εύθρυπτο σε χαμηλές θερμοκρασίες, αργυρόλευκο μέταλλο με στιλπνή μεταλλική λάμψη. Ο ατομικός αριθμός του είναι 31 και η σχετική ατομική μάζα του 69,723(1). Το χημικό του σύμβολο είναι "Ga" και ανήκει στην ομάδα 13 (ομάδα του βορίου, III_A, με την παλαιότερη αρίθμηση) του περιοδικού πίνακα, στην περίοδο 4 και στον τομέα p. Έχει θερμοκρασία τήξης 29,7646 °C και θερμοκρασία βρασμού 2.403 °C.

Γάλλιο
Ψευδάργυρος ← Γάλλιο → Γερμάνιο Αργίλιο ↑ Ga ↓ Ίνδιο Περιοδικός Πίνακας
Κρύσταλλοι γαλλίου καθαρότητας 5N (99,999%)
Ιστορία
Ταυτότητα του στοιχείου
Όνομα, σύμβολο	Γάλλιο (Ga)
Ατομικός αριθμός (Ζ)	31
Κατηγορία	Μέταλλα
ομάδα, περίοδος, τομέας	13 (IIIA) ,4, p
Σχετική ατομική μάζα (Ar)	69,723(1)
Ηλεκτρονική διαμόρφωση	[Ar] 4s2 3d10 4p1
Αριθμός EINECS	231-163-8
Αριθμός CAS	7440-55-3
Ατομικές ιδιότητες
Ατομική ακτίνα	135 pm
Ομοιοπολική ακτίνα	122±3 pm
Ακτίνα van der Waals	187 pm
Ηλεκτραρνητικότητα	1,81
Κυριότεροι αριθμοί οξείδωσης	+3
Ενέργειες ιονισμού	1η:578,8 KJ/mol 2η:1979,3 KJ/mol 3η:2963 ΚJ/mol
Φυσικά χαρακτηριστικά
Κρυσταλλικό σύστημα	ορθορομβικό (α-Ga)
Κρυσταλλικό πλέγμα	μονοεδρικά κεντρωμένο
Σημείο τήξης	29,7646 °C (85,5763 °F) (302,9146 K)
Σημείο βρασμού	2403 °C (4357 °F) (2676 K)
Τριπλό σημείο	29,7666 °C (85,5799 °F) (302,9166 K)
Πυκνότητα	5,904 g/cm³
Ενθαλπία τήξης	5,59 KJ/mol
Ενθαλπία εξάτμισης	254 KJ/mol
Ειδική θερμοχωρητικότητα	25,86 J/mol·K
Μαγνητική συμπεριφορά	διαμαγνητικό
Ειδική ηλεκτρική αντίσταση	(20 °C) 270 nΩ·m
Ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα	(20 °C) 11,95 ΜS/m
Ειδική θερμική αγωγιμότητα	40,6 W/(m·K)
Σκληρότητα Mohs	1,5-2,5
Σκληρότητα Brinell	60 MPa
Μέτρο ελαστικότητας (Young's modulus)	9,81 GPa
Μέτρο διάτμησης (Shear modulus)	6,67 GPa
Λόγος Poison	0,47
Ταχύτητα του ήχου	2740 m/s (υγρό, 12 MHz) εγκάρσια κύματα σε στερεό: 750 m/s διαμήκη κύματα σε στερεό: 3030 m/s
Επικινδυνότητα
Φράσεις κινδύνου	20, 21, 22, 34
Φράσεις ασφαλείας	26, 36, 37, 39, 45
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	0 1
Η κατάσταση αναφοράς είναι η πρότυπη κατάσταση (25°C, 1 Atm) εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά

Ανακαλύφθηκε το 1875 από τον Γάλλο χημικό Πολ-Εμίλ (Φρανσουά) Λεκόκ ντε Μπουαμποντράν με φασματοσκοπική μελέτη και πήρε το όνομά του από την Gallia, παλιά λατινική ονομασία της Γαλλίας. Ανεπιβεβαίωτες φήμες εκείνης της εποχής λένε ότι το όνομα γάλλιο μπορεί να προέρχεται από το όνομά του "Λε Κοκ" (Le Coq) που στα λατινικά (γκάλιουμ) σημαίνει πετεινός, αρσενική γαλοπούλα, γάλος. Στην ελληνική γλώσσα η ονομασία "Γάλλιον" όπως αποδόθηκε το "Γκάλιουμ", ή "Γκάλιαμ", αναφέρεται από το 1885 από τον Καθηγητή του Πανεπιστημίου Αθηνών Αναστάσιο Δαμβέργη (1857-1920).

Το γάλλιο δεν υπάρχει σε ελεύθερη μορφή στη φύση. Τα λίγα ορυκτά με υψηλή περιεκτικότητα σ' αυτό, όπως ο γαλλίτης, αφενός είναι πολύ σπάνια για να χρησιμεύσουν ως βασική πηγή του στοιχείου ή των ενώσεών του και αφετέρου χωρίς οικονομική σπουδαιότητα. Η περιεκτικότητα του μετάλλου στον στερεό φλοιό της Γης κυμαίνεται από 15 ppm (ή 0,0015 %) έως και 19 ppm (ή 0,0019 %).

Το μεγαλύτερο μέρος του μετάλλου παράγεται σήμερα ως παραπροϊόν κατά την επεξεργασία της αλουμίνας που προέρχεται από το βωξίτη. Μικρό ποσοστό παράγεται από την επεξεργασία των καταλοίπων της εξαγωγής ψευδαργύρου από το σφαλερίτη αλλά και από την ιπτάμενη τέφρα. Κυριότερες χώρες παραγωγής καθαρού γαλλίου είναι η Κίνα, η Γερμανία, το Καζακστάν, η Ρωσία, η Ιαπωνία κ.ά.. Ένα σημαντικό ποσοστό του μετάλλου προκύπτει επίσης από τη δευτερογενή παραγωγή, κυρίως από ανακύκλωση ηλεκτρονικών συσκευών που περιέχουν ενώσεις όπως το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs). Τα βασικά κέντρα για τη δευτερογενή αυτή παραγωγή είναι ο Καναδάς, η Ιαπωνία, η Γερμανία, η Μεγάλη Βρετανία και οι Η.Π.Α.

Το γάλλιο υγροποιείται λίγο πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου και λιώνει εύκολα στο χέρι. Διαλύεται αργά στο υδροχλωρικό οξύ και στο υδροξείδιο του καλίου. Είναι διαβρωτικό για διάφορα μέταλλα ειδικά όταν είναι ζεστό. Σχηματίζει ένα οξείδιο, το Ga₂O₃, ενώ είναι γνωστά επίσης διάφορα χλωρίδια, σουλφίδια και νιτρικά άλατά του. Από μια ένωσή του, το θειικό γάλλιο, μπορούμε να παρασκευάσουμε στυπτηρία.

Το γάλλιο χρησιμοποιείται σε θερμομετρικές εφαρμογές και το τριπλό σημείο του που είναι 29,767 °C εφαρμόζεται στην υλοποίηση της Διεθνούς Θερμοκρασιακής Κλίμακας του 1990 (ITS-90) από το N.I.S.T. (National Institute of Standards and Technology). Επίσης, το γάλλιο χρησιμοποιείται και για την παρασκευή μεταλλικών κραμάτων με ασυνήθιστες ιδιότητες σταθερότητας και ευκολίας τήξης. Για παράδειγμα, το κράμα galinstan που περιέχει μεταξύ άλλων και Ga έχει σημείο τήξης -19 °C. Ενώσεις, όπως το αρσενίδιο και το νιτρίδιο του γαλλίου, χρησιμοποιούνται ευρύτατα ως ημιαγωγοί σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, σε υπέρυθρες εφαρμογές, σε διόδους λέιζερ και γενικά σε πολύ μεγάλη ποικιλία οπτικοηλεκτρονικών εφαρμογών. Σχεδόν το 95 % του παραγομένου παγκοσμίως γαλλίου διοχετεύεται σε εφαρμογές ημιαγωγών, παρόλο που ανακαλύπτονται συνεχώς καινούργιες χρήσεις του μετάλλου σε νέα κράματα και κυψέλες καυσίμων.

Το καθαρό γάλλιο δεν αποτελεί επιβλαβή ουσία για τους ανθρώπους κατά την επαφή, αν και αφήνει σημάδι στα χέρια. Πολλές φορές αγγίζεται μόνο και μόνο για την απλή ευχαρίστηση που προκαλεί η παρατήρησή του όταν λειώνει από τη θερμότητα που εκπέμπεται από το ανθρώπινο χέρι.

Το φυσικό γάλλιο βρίσκεται με τη μορφή δύο σταθερών ισοτόπων, το ⁶⁹Ga και το ⁷¹Ga.

Ιστορία

Την ύπαρξη και ορισμένες από τις κυριότερες φυσικοχημικές ιδιότητες του γαλλίου είχε προβλέψει ήδη από το 1870 ο μεγάλος Ρώσος χημικός Ντμίτρι Μεντελέγιεφ (1834-1907). Είχε ονομάσει μάλιστα και το άγνωστο, ακόμη, χημικό στοιχείο έκα-αλουμίνιο (eka-aluminium) με σύμβολο Ea.

Ο Γάλλος φυσικοχημικός Πολ-Εμίλ Φρανσουά Λεκόκ ντε Μπουαμποντράν (1838–1912) στο Παρίσι ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε φασματοσκοπικά το 1875 το εκα-αλουμίνιο και το ονόμασε γάλλιο.

Ο Πολ-Εμίλ Φρανσουά Λεκόκ ντε Μπουαμποντράν ανακάλυψε το γάλλιο.

Ο Μπουαμποντράν γεννήθηκε στις 18 Απριλίου του 1838 στην επαρχία Κονιάκ. Η οικογένειά του απασχολούνταν στα αποστακτήρια και από τη μητέρα του, που ήταν πολύ μορφωμένη, διδάχθηκε ξένες γλώσσες, τους κλασσικούς συγγραφείς και ιστορία και έτσι εύκολα έγινε δεκτός στην Πολυτεχνική Σχολή του Παρισιού όπου σπούδασε τα αγαπημένα του αντικείμενα, φυσική και χημεία. Ένας θείος του μάλιστα του προμήθευσε τα στοιχειώδη για ένα μικρό ιδιωτικό εργαστήριο μέσα στο οποίο ανακάλυψε το γάλλιο. Ο Μπουαμποντράν ανακάλυψε επίσης το σαμάριο (1879) και το δυσπρόσιο (1886), ενώ απομόνωσε και το στοιχείο γαδολίνιο (1886).

Ο Μπουαμποντράν ενδιαφερόταν πολύ έντονα για τη φασματοσκοπία και στις αρχές της δεκαετίας του 1870, σκέφθηκε ότι, σύμφωνα με την άποψή του περί επαναλαμβανόμενων φασματικών γραμμών και σύμφωνα με το Μεντελέγιεφ, θα έπρεπε να υπάρχει ένα στοιχείο μεταξύ του αλουμινίου, που είχε ανακαλυφθεί το 1825 και του ινδίου που είχε ανακαλυφθεί το 1863. Το καλοκαίρι του 1868 προμηθεύτηκε από το ορυχείο Πιερρεφίτ της κοιλάδας Αργκελέ των Πυρηναίων ορέων 52 κιλά σφαλερίτη και το καλοκαίρι του 1875 βρήκε ενδείξεις για την ύπαρξη ενός νέου χημικού στοιχείου την ανακάλυψη του οποίου ανακοίνωσε στις 30 Αυγούστου 1875. Σε σημειώσεις του Μπουαμποντράν που παρουσίασε ο Βουρτζ (Adolph Wurtz, 1817-1884) στη Γαλλική Ακαδημία Επιστημών, αναφέρει ο Γάλλος χημικός:

Προχθές, Παρασκευή 27 Αυγούστου 1875, μεταξύ 3 και 4 το απόγευμα, βρήκα ενδείξεις για την πιθανή ύπαρξη ενός νέου απλού σώματος, στα προϊόντα της χημικής εξέτασης του σφαλερίτη από το ορυχείο Πιερφίτ, κοιλάδα Αρζελές (Πυρηναία).

Σε ένα πρόσθετο συμπλήρωμα στο τέλος αυτών των σημειώσεων, ο Μπουαμποντράν ονομάζει το στοιχείο χωρίς όμως να αναφέρει τους λόγους επιλογής του:

Οι εμπειρίες που απέκτησα από τις 29 Αυγούστου μου επιβεβαιώνουν τη σκέψη ότι το παρατηρούμενο σώμα θα πρέπει να θεωρείται ως ένα νέο στοιχείο, για το οποίο προτείνω να δοθεί το όνομα Γάλλιο.

Λίγο μετά την ονομασία του στοιχείου, κυκλοφόρησαν φήμες ότι το όνομα "gallium" προήλθε από μέρος του ονόματος, Le Coq, του Μπουαμποντράν που στα γαλλικά σημαίνει πετεινός, κόκορας και η λατινική απόδοση είναι gallus που σημαίνει πετεινός, αρσενική γαλοπούλα, γάλος. Ο Μπουαμποντράν, κατά τη διάρκεια της ζωής του, ήταν πολύ αγχωμένος σχετικά με αυτή τη φήμη την οποία αρνούνταν, όπως αναφέρει ο Αρνώ ντε Γκραμόν (Arnaud de Gramont) στη νεκρολογία του Γάλλου χημικού.

Το 1877, σε άρθρο του ο Γάλλος επιστήμονας διευκρίνισε ότι ονόμασε αυτό το στοιχείο «γάλλιο» προς τιμή της πατρίδας του, της Γαλλίας.

Εκα-αλουμίνιο (Ea) και γάλλιο (Ga)

Ιδιότητα	Πρόβλεψη για το Ea (Μεντελέγιεφ)	Βρέθηκε για το Ga (Μπουαμποντράν)	Σημερινή τιμή για το Ga
Ατομικό βάρος	68 amu	69,7 amu	69,723 amu
Τύπος οξειδίου	Ea2O3	Ga2O3	Ga2O3
Πυκνότητα	5,9 g/cm³	5,91 g/cm³	5,904 g/cm³
Σημείο τήξης	χαμηλό	30,1 °C	29,7646 °C
Σημείο βρασμού	υψηλό	1983 °C	2204 °C
Άλλες ιδιότητες	μη πτητικό, ανεπηρέαστο από τον αέρα	μη πτητικό, ανεπηρέαστο από τον αέρα	μη πτητικό, ανεπηρέαστο από τον αέρα
Τύπος αλάτων	EaX3	GaX3	GaX3
Ανακάλυψη	Πιθανόν φασματοσκοπικά	Έγινε φασματοσκοπικά

Την τελευταία εβδομάδα του Σεπτεμβρίου του 1875 απέδειξε τελικά ότι το γάλλιο ήταν όντως καινούργιο χημικό στοιχείο. Μετά από επίπονες προσπάθειες, το Νοέμβριο του 1875, κατόρθωσε να παρασκευάσει παραπάνω από 1 γραμμάριο γαλλίου.

Στην ανακάλυψή του, ο Μπουαμποντράν, οδηγήθηκε βασιζόμενος περισσότερο στις δικές του απόψεις για την κανονικότητα των φασματικών γραμμών, παρά στον περιοδικό πίνακα και τις προβλέψεις του Μεντελέγιεφ. Ο τελευταίος, στις 22 Νοεμβρίου 1875, διατύπωσε την άποψη ότι το γάλλιο ήταν ταυτόσημο με το εκα-αλουμίνιο.

Εμφανίσεις

Δοχείο γαλλίου.

Το γάλλιο δεν βρίσκεται ελεύθερο στη φύση. Είναι το 34ο αφθονότερο χημικό στοιχείο στον φλοιό της Γης. Η μέση περιεκτικότητα του μετάλλου στο στερεό φλοιό της Γης εκτιμάται από άλλους ερευνητές στα 15 ppm, από άλλους στα 16,9 ppm, και από ορισμένους στα 18-19 ppm. Εμφανίζεται ως δευτερεύον συστατικό μαζί με ψευδάργυρο (Zn), με γερμάνιο (Ge) και με αργίλιο (Al).

Το Ga στο γαλλίτη, στο γερμανίτη και στο σφαλερίτη. Το ορυκτό γαλλίτης είναι το σημαντικότερο ορυκτό του γαλλίου. Το ορυκτό γερμανίτης συνοδεύεται από 1.000 - 10.000 ppm Ga ή κατ' άλλους 5.000 - 7.000 ppm ενώ γερμανίτης από την περιοχή Τσουμέμπ (Tsumeb) της Ναμίμπια (νοτιοδυτική Αφρική) περιείχε 18.500 ppm Ga. Η περιεκτικότητα του σφαλερίτη σε γάλλιο γενικά κυμαίνεται μεταξύ 1 - 1000 ppm. Αυτό που μπορεί να ανακτηθεί από τα ορυκτά του Zn εκτιμάται σε 6.500 τόννους παγκοσμίως.

Το Ga στο βωξίτη. Ο βωξίτης αποτελεί τη σημαντικότερη πηγή γαλλίου. Οι συγκεντρώσεις Ga σε αυτόν δεν είναι καθορισμένες και κυμαίνονται μεταξύ 10 ppm και 160 ppm ανάλογα με τη περιοχή από την οποία προέρχεται ο βωξίτης. Οι πλουσιότεροι, σε γάλλιο, βωξίτες είναι αυτοί που εξορύσσονται στην Ουγγαρία και περιέχουν πάνω από 130 ppm, οι βωξίτες της Γκάνας με πάνω από 140 ppm γάλλιο και του Βιετνάμ με πάνω από 90 ppm. Τα παγκόσμια αποθέματα γαλλίου που μπορούν να ανακτηθούν από το βωξίτη εκτιμώνται σε 1,6 εκατ. τόνους υπολογισμένα με βάση τα εκτιμώμενα παγκόσμια βωξιτικά αποθέματα και την περιεκτικότητά τους σε γάλλιο.

Το Ga στους ορυκτούς άνθρακες και στην ιπτάμενη τέφρα. Σε κοιτάσματα ορυκτών ανθράκων το εύρος περιεκτικότητας σε γάλλιο είναι 1 - 20 ppm (μέση τιμή ~ 7 ppm) και στην ιπτάμενη τέφρα η μέση περιεκτικότητα είναι περίπου 100 ppm. Σε μερικές περιπτώσεις, η ιπτάμενη τέφρα μπορεί να περιέχει 10 - 500 ppm Ga και κάποιες φορές μέχρι 10.000 ppm Ga.

Το Ga σε διάφορα ορυκτά-πετρώματα-εδάφη. Το γάλλιο σε ρουμπίνια σε κάποιες εναποθέσεις στην Τανζανία και στο Μαλάουι βρέθηκε μεταξύ 10 - 500 ppm. Η μέση περιεκτικότητα του μετάλλου στους βασάλτες βρέθηκε 17 ppm και στους γρανίτες 18,5 ppm, ενώ στα περισσότερα είδη επιφανειακών εδαφών περιέχεται σε μια μέση τιμή περίπου 21,1 ppm. Υπολειμματικοί ψαμμίτες και άλλα ιζηματογενή πετρώματα είναι γενικά φτωχοί σε γάλλιο. Σε ανθρακικά πετρώματα το γάλλιο βρίσκεται σε ίχνη. Σε θειικά, και φθοριούχα ορυκτά δεν βρίσκεται σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες από 0,15 ppm ενώ αντιθέτως παρατηρούνται αυξημένες συγκεντρώσεις σε άστριους πηγματιτικής προέλευσης, οι οποίο είναι και οι βασικοί περιέκτες γαλλίου σε γρανιτικά πετρώματα, και σε μαρμαρυγίες. Αυξημένη περιεκτικότητα σε Ga εμφανίζεται επίσης στις εκβολές των ποταμών στην ισημερινή ζώνη και στον Κόλπο της Βεγγάλης. Αυτό οφείλεται σε τροπικές διεργασίες αποσάθρωσης που παρατηρούνται σ' αυτές τις περιοχές. Επίσης λατεριτικοί σχηματισμοί, όπως στα νησιά της Χαβάης περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις σε Ga.

Το Ga στους μετεωρίτες. Στους μετεωρίτες, το γάλλιο βρίσκεται σε συγκέντρωση 7,8 ppb.

Γεωχημεία του γαλλίου

Κομμάτι γαλλίου καθαρότητας > 99 %

Σε αντίθεση με το αργίλιο που είναι λιθόφιλο στοιχείο και τα ίνδιο-θάλλιο που είναι κυρίως χαλκόφιλα, το γάλλιο εμφανίζει ενδιάμεση συμπεριφορά με ελαφρά χαλκόφιλο προσανατολισμό κάτω από ορισμένες υδροθερμικές συνθήκες. Έτσι, το γάλλιο απαντά και σε πυριτικά και σε θειούχα περιβάλλοντα, ως σουλφίδιο με ψευδάργυρο και γερμάνιο. Η συχνότητα εμφάνισής του αυξάνεται καθώς αυξάνεται και η αλκαλικότητα των πετρωμάτων. Ακόμη, αντικαθιστά το αργίλιο ή το σίδηρο στους αμφιβόλους, στους αστρίους και στο μαρμαρυγία, τα δύο τελευταία μάλιστα ορυκτά είναι αυτά που κυρίως φιλοξενούν το γάλλιο σε πυριγενή και μεταμορφωσιγενή πετρώματα. Πάντως, δεν υπάρχει στενή σχέση μεταξύ των περιεκτικοτήτων γαλλίου και σιδήρου σε γεωλογικά υλικά, επειδή το ιόν Fe³⁺ ανάγεται εύκολα προς Fe²⁺.

Σε ιζηματογενή περιβάλλοντα, το γάλλιο συγκεντρώνεται με το αργίλιο σε αργίλους κατά τις διεργασίες αποσάθρωσης αν και κάποιες ποσότητες μπορεί να παραμείνουν στους αστρίους. Έτσι, οι συγκεντρώσεις γαλλίου είναι γενικά υψηλότερες σε αργιλικούς σχιστόλιθους και ψαμμίτες παρά σε καθαρούς χαλαζίτες και ανθρακικά πετρώματα.

Στα αργιλιοπυριτικά κυρίως εδάφη αντικαθιστά ισόμορφα το αργίλιο στη δομή. Η γενική τάση του Ga να συγκεντρώνεται σε υπολειμματικά υλικά, αντικατοπτρίζεται στο γεγονός ότι σε πολλά εδαφικά προφίλ, η συγκέντρωση του Ga αυξάνεται καθώς μεγαλώνει η ποσότητα της αργίλου.

Το γάλλιο είναι περισσότερο ευκίνητο σε επιφανειακά εδάφη όταν οι συνθήκες είναι όξινες, ενώ απαντά σε σχετικά υψηλά επίπεδα σε όξινα υπόγεια νερά ορυχείων, όπου δημιουργείται από την αποσάθρωση των σουλφιδίων.

Ορυκτά του γαλλίου

Ο γαλλίτης ήταν το πρώτο ορυκτό του γαλλίου που περιγράφηκε το 1958.

Μέχρι τα μέσα του 20ου αιώνα, δεν ήταν γνωστά ορυκτά του γαλλίου. Το 1958 περιγράφηκε για πρώτη φορά το ορυκτό του γαλλίτης (CuGaS₂), από τους Γερμανούς Στρουντς, Γκάιερ και Ζέελιγκερ. Τα δείγματα γαλλίτη βρέθηκαν στην περιοχή Τσουμέμπ (Tsumeb) της Ναμίμπια και στο ορυχείο Kipushi του Ζαίρ. Σύμφωνα με τους προηγούμενους ερευνητές, το ορυκτό συνυπήρχε μαζί με τα ορυκτά γερμανίτης, ρενιερίτης, σφαλερίτης, γαληνίτης, χαλκοπυρίτης, σιδηροπυρίτης, βορνίτης και χαλκοσίτης. Ο γαλλίτης είναι γκρίζο, σχετικά μαλακό, μη μαγνητικό ορυκτό με μεταλλική λάμψη. Περιέχει 35,32 % Ga και ανήκει στην ομάδα του χαλκοπυρίτη

Άλλα ορυκτά που περιέχουν γάλλιο σε ποσοστό πάνω από 1 % και βρέθηκαν επίσης στην περιοχή Tsumeb είναι ο τσουμγαλλίτης, ο σονγκεΐτης, ο κριεζελίτης, ο γαλλομπενταντίτης, ενώ περιεκτικότητα σε γάλλιο μικρότερη από 1 % περιέχουν τα ορυκτά ευζελίτης, οβαμποΐτης, καλβερτίτης, σιδηροχογκμπομίτης, μαϊκαϊνίτης και ντισακισίτης-(La)

Εξαγωγή του γαλλίου από τα μεταλλεύματα

Για την ανάκτηση του γαλλίου από τις φυσικές πηγές του, έχουν αναπτυχθεί σε όλο τον κόσμο αρκετές τεχνικές όπως η κατεργασία των υπολειμμάτων του βωξίτη με τη μέθοδο Μπάγιερ που είναι και η σχεδόν αποκλειστική πηγή γαλλίου σήμερα, η επεξεργασία των καταλοίπων ανάκτησης του ψευδαργύρου από το σφαλερίτη, η ανακύκλωση υλικών που περιέχουν γάλλιο αλλά και η επεξεργασία της ιπτάμενης τέφρας.

Ανάκτηση γαλλίου από το βωξίτη

Ο βωξίτης είναι ιζηματογενές πέτρωμα το οποίο παράγεται από τη χημική αποσάθρωση αργιλοπυριτικών ορυκτών με υψηλό περιεχόμενο σε αστρίους όταν οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι τροπικές ή υποτροπικές. Ο βωξίτης δεν έχει καθορισμένη χημική σύσταση περιέχει όμως κυρίως οξείδιο του αργιλίου, Al₂O₃ ενώ περιέχει σε πολύ μικρότερα ποσοστά και διάφορα οξείδια όπως SiO₂, Fe₂O₃, TiO₂ κ.ά. καθώς και μεταλλικά στοιχεία όπως ζιρκόνιο, νιόβιο και γάλλιο.

Ο βωξίτης αποτελεί το κύριο μετάλλευμα από το οποίο εξάγεται το αργίλιο παγκοσμίως και σχεδόν όλη η ποσότητα του γαλλίου. Η παραγωγή άνυδρης αλουμίνας (α-Al₂O₃), από την οποία τελικά θα παραχθεί το Al πραγματοποιείται σχεδόν αποκλειστικά με την υδρομεταλλουργική εξαγωγική μέθοδο Μπάγιερ (Bayer process). Κατά τη διαδικασία αυτή, ο βωξίτης, εκχυλίζεται υπό πίεση μέσα σε αυτόκλειστα με πυκνό διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου, NaOH, με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα υπέρκορο αργιλικό διάλυμα το οποίο περιέχει το γάλλιο μέχρι 0,25 g/L αλλά και όλο το ένυδρο Al₂O₃ που στη συνέχεια καταβυθίζεται με την μορφή κρυστάλλων Al(OH)₃.

Στο αργιλικό διάλυμα που απομένει το Ga βρίσκεται με τη μορφή Na[Ga(OH)₄(Η₂Ο)₂] που σχηματίζεται από την αντίδραση :

Ga₂O₃ + 2NaOH + 5H₂Ο → 2Na[Ga(OH)₄(H₂O)₂]

Μετά την καταβύθιση και την απομάκρυνση του Al(OH)₃, μόνο ένα μικρό μέρος του γαλλίου συμπαρασύρεται κι αυτό επανακτάται κατά τη διάρκεια του ηλεκτρολυτικού εξευγενισμού των καταλοίπων του Al. Στη συνέχεια το διήθημα κατεργάζεται με σιδηροκυανιούχα άλατα, οπότε το Ga καταβυθίζεται ως σιδηροκυανιούχο άλας :

4Ga³⁺ + 3[Fe(CN)₆]^4- → Ga₄[Fe(CN)₆]₃ ↓

Το προϊόν αποσυντίθεται με ισχυρή πύρωση παρουσία αέρα οπότε προκύπτουν οξείδια γαλλίου και σιδήρου :

Ga₄[Fe(CN)₆]₃ + 21/2 O₂ → 4Ga₂O₃ + 3Fe₂O₃ + 18(CN)₂

τα οποία συντήκονται με όξινο θειικό κάλιο και έτσι προκύπτουν ευδιάλυτα θειικά άλατα :

Ga₂O₃ + 6KHSO₄ → Ga₂(SO₄)₃ +3K₂SO₄ + 3H₂O

Fe₂O₃ + 6KHSO₄ → Fe₂(SO₄)₃ +3K₂SO₄ + 3H₂O

Παρουσία NaOH, τα θειικά άλατα Ga³⁺ και Fe³⁺ μετατρέπονται αντίστοιχα σε άλας γαλλίου και ίζημα Fe(OH)₃, που απομακρύνεται με διήθηση :

Ga₂(SO4)₃ +8ΝaOH + 4H₂Ο → 2Na[Ga(OH)₄(H₂O)₂] + 3Na₂SO₄

Fe₂(SO₄)₃ + 6NaOH → 2Fe(OH)₃ ↓ + 3Na₂SO₄

οπότε παραμένει εν διαλύσει το σύμπλοκο άλας του γαλλίου. Η περαιτέρω τελική κατεργασία και εξαγωγή του μεταλλικού γαλλίου μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους, όπως άμεση ηλεκτρόλυση του διαλύματος, εκχύλιση με κατάλληλους διαλύτες και ιοντοανταλλαγή.

Στην άμεση ηλεκτρόλυση, που είναι και η μέθοδος που χρησιμοποιείται περισσότερο, το ηλεκτρόδιο καθόδου είναι από υδράργυρο, ο οποίος όμως είναι εξαιρετικά τοξικός και επιβλαβής για το περιβάλλον. Έτσι, προηγείται μερικός εμπλουτισμός του αργιλικού διαλύματος σε γάλλιο. Αυτός επιτυγχάνεται με κλασματική καθίζηση του Al(ΟΗ)₃ εξουδετερώνοντας το διάλυμα με CO₂ ή με αφαίρεση μέρους της αλουμίνας με προσθήκη Ca(OH)₂ και επακόλουθη ανάκτηση του γαλλίου με καταβύθιση με CO₂. Βέβαια, το αργιλικό διάλυμα πλέον δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια της διαδικασίας Bayer χωρίς επανεπεξεργασία.

Αν χρησιμοποιηθούν ηλεκτρόδια από ανοξείδωτο ατσάλι ή νικέλιο, η διεργασία δυσκολεύει λόγω της εμφάνισης ανεπιθύμητων προσμίξεων όπως σίδηρος (Fe), V και χρώμιο (Cr). Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ακόμη κάθοδοι από κράματα Sn, Pb, Sn-Pb, αλλά και λεπτά φύλλα ή αλουμινόχαρτα πάχους 0,01 - 0,3 χιλιοστών. Ως ηλεκτρόδιο ανόδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί λευκόχρυσος καλυμμένος με τιτάνιο, νικέλιο ή καθαρό αλουμίνιο το οποίο δεν επιμολύνει την όλη διεργασία και δεν εμποδίζει και την εναπόθεση του γαλλίου στην κάθοδο.

Η παραλαβή του γαλλίου από τις επιφάνειες των ηλεκτροδίων μπορεί να γίνει με διάφορες φυσικοχημικές διεργασίες οι οποίες ενδέχεται να επηρεάσουν οικονομικά την όλη βιομηχανική παραγωγή.

Το μεταλλικό γάλλιο που παράγεται με την παραπάνω διαδικασία είναι καθαρότητας 99,9 % - 99,99 %. Πολλές όμως εφαρμογές του μετάλλου, ειδικά στη βιομηχανία ημιαγωγών, απαιτούν καθαρότητα πολύ μεγαλύτερη (> 99,9999 %) που απαιτεί περαιτέρω εξευγενισμό. Γάλλιο καθαρότητας 99,999999 % μπορεί να επιτευχθεί με τήξη ζώνης.

Ανάκτηση γαλλίου από το σφαλερίτη

Ο σφαλερίτης κατεργάζεται με θειικό οξύ και το διάλυμα θειικού ψευδαργύρου που παράγεται απαλλάσσεται από την περίσσεια του οξέος με εξουδετέρωση. Έτσι καταβυθίζεται μια "μεταλλική λάσπη" που μπορεί να περιέχει μέχρι και 0,07 % γάλλιο. Η λάσπη αυτή εκπλύνεται με NaOH οπότε γίνεται μετατροπή του γαλλίου και του αργιλίου που συνυπάρχει στα αντίστοιχα υδροξείδια, τα οποία καταβυθίζονται στη συνέχεια με εξουδετέρωση με οξύ. Τα ιζήματα εκπλύνονται με HCl και έτσι προκύπτει ένα διάλυμα που περιέχει GaCl₃ και λίγο Al. Το GaCl₃ απομονώνεται με εκχύλιση με αιθέρα ο οποίος απομακρύνεται με απόσταξη και το χλωριούχο άλας διαλύεται σε πυκνό NaOH. Στο τελικό στάδιο, το γάλλιο ηλεκτροαποτίθεται από το γαλλικό νάτριο και καθαρίζεται είτε με ηλεκτροχημικό καθαρισμό είτε με κλασματική κρυστάλλωση.

Παραγωγή γαλλίου - Οικονομικά στοιχεία

Από το βωξίτη και το σφαλερίτη μπορεί να ανακτηθεί μόνο ένα μέρος του γαλλίου που υπάρχει, οπότε δε μπορούν να γίνουν ακριβείς εκτιμήσεις των παγκόσμιων αποθεμάτων του μετάλλου. Πάντως επειδή τα παγκόσμια αποθέματα βωξίτη είναι πάρα πολύ μεγάλα και θα εξορύσσονται πολλές δεκαετίες ακόμη, τα αποθέματα γαλλίου δεν προβλέπεται να εξαντληθούν σύντομα.

Τα παγκόσμια αποθέματα βάσης (reserves base), δηλαδή αυτά που περιλαμβάνουν αποδεδειγμένους πόρους γαλλίου, που είναι επί του παρόντος οικονομικά πλήρως ή οριακά εκμεταλλεύσιμα ή προς το παρόν ασύμφορα για οικονομική εκμετάλλευση, ανέρχονται σε 430 χιλιάδες τόννους.

Το 2010 η παγκόσμια παραγωγή πρωτογενούς γαλλίου εκτιμήθηκε στους 106 τόνους (με ικανότητα παραγωγής 184 τόννους), 34 % περισσότερο από το 2009. Οι κυριότερες χώρες παραγωγής είναι η Κίνα, που προβλέπεται να αυξήσει το ρυθμό παραγωγής από 141 τόνους/έτος το 2010 σε 206 τόνους/έτος μέχρι τα τέλη του 2011, η Γερμανία, το Καζακστάν και η Ουκρανία. Χώρες με μικρότερη παραγωγή είναι η Ουγγαρία, η Ιαπωνία, η Ρωσία και η Σλοβακία. Η παραγωγή επεξεργασμένου και εξευγενισμένου γαλλίου εκτιμήθηκε στους 161 τόνους και οι κυριότερες χώρες-παραγωγοί είναι η Κίνα, η Ιαπωνία και οι Η.Π.Α. Ανακύκλωση γαλλίου πραγματοποιεί ο Καναδάς, η Γερμανία, η Ιαπωνία, το Ηνωμένο Βασίλειο και οι Η.Π.Α.

Διακύμανση τιμών γαλλίου (11/2006 - 07/2012)

Το γάλλιο παράγεται σε διάφορους βαθμούς καθαρότητας ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζεται :

• Γάλλιο 4N για μεταλλουργικές, χημικές και εφαρμογές ηλιακής τεχνολογίας.
• Γάλλιο 6N και 7N για ηλεκτρονικές και εφαρμογές ημιαγωγών.
• Γάλλιο 8N (βαθμός ΜΒΕ) για τεχνικές επιταξίας μοριακής δέσμης (molecular beam epitaxy). Η τεχνική αυτή παράγει πολύ λεπτά στρώματα υλικών εξαιρετικής καθαρότητας και χρησιμοποιείται σε ιδιαίτερα δαπανηρές διατάξεις μικροκυμάτων και οπτοηλεκτρονικές διατάξεις, πολύ μεγάλης ακρίβειας.

Οι τιμή πώλησης του γαλλίου σε μεγάλο βαθμό καθορίζεται από την προσφορά και τη ζήτηση και παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις εξαρτώμενη και από την ανάπτυξη ή την ύφεση των βιομηχανιών ηλεκτρονικών στις οποίες κυρίως χρησιμοποιείται το γάλλιο και οι ενώσεις του. Οι περισσότερες συναλλαγές γίνονται με μακροπρόθεσμες συμβάσεις εμπιστευτικού χαρακτήρα και επομένως, δεν είναι δυνατόν να καθοριστεί μια αξιόπιστη μέση τιμή για το γάλλιο.

Ενδεικτικά, η τιμή ράβδου γαλλίου καθαρότητας 4Ν στις 12 Ιουλίου 2012 ήταν προσφοράς 300 δολάρια/Kg και ζήτησης 350 δολάρια/Kg

Φυσικά χαρακτηριστικά

Το γάλλιο είναι αργυρόλευκο, μαλακό (1,5 - 2,5 στη σκληρομετρική κλίμακα Μος) μέταλλο. Έχει δυναμικό ιξώδες n = 1,70 mPa·s. Το στερεό μέταλλο έχει πυκνότητα περίπου 5,9 g/cm³ στους 25 °C, ενώ το υγρό περίπου 6,1 g/cm³ κοντά στο σημείο πήξης. Γίνεται υπεραγωγός στους -272,067 °C. Το στερεό μέταλλο θραύεται με κογχώδη θραυσμό δηλαδή τα κομμάτια που προκύπτουν από το σπάσιμο μοιάζουν με κελύφη οστράκων. Είναι μέταλλο διαμαγνητικό με μαγνητική επιδεκτικότητα, χ_m = -21,6×10⁻⁶ cm³/mol. Παρά την σχετικά υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητά του, πολλές φορές χαρακτηρίζεται ως ημιμέταλλο λόγω του σημείου τήξης του και της δομής του.

Κρυστάλλωση γαλλίου από τήξη

Η σταθερότερη κρυσταλλική του μορφή είναι η α-μορφή αλλά έχουν αναγνωριστεί αρκετές ακόμη μετασταθείς κρυσταλλικές δομές σε χαμηλές θερμοκρασίες ή σε ψηλές πιέσεις.

Το μεταλλικό γάλλιο καθαρότητας ≥ 99,99999 %, έχει ασυνήθιστα χαμηλό σημείο τήξης και λειώνει στη θερμοκρασία της παλάμης, 29,7646 °C, πολύ χαμηλότερο από τα άλλα στοιχεία της ίδιας ομάδας του περιοδικού πίνακα δηλαδή το βόριο (2075 °C), το αργίλιο (660,32 °C ), το ίνδιο (156,6 °C) και το θάλλιο (304 °C). Μόνο ο υδράργυρος (-38,83 °C) και το καίσιο (28,44 °C) έχουν χαμηλότερες θερμοκρασίες τήξης από το γάλλιο. Η τήξη μάλιστα του γαλλίου συνοδεύεται και από συστολή, πράγμα που αποτελεί ένδειξη του σχηματισμού διμερούς μορφής (Ga₂) κοντά στο σημείο τήξης.

Μια άλλη ασυνήθιστη ιδιότητα είναι ότι μπορεί να υπερψυχθεί, δηλαδή να ψυχθεί κάτω από το σημείο ψύξης χωρίς στερεοποίηση.

Διαθέτει επίσης υψηλό σημείο βρασμού (2204 °C) και είναι το χημικό στοιχείο με το μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασίας μεταξύ σημείων τήξης και βρασμού, περίπου 2174 °C.

Το α-Ga, όπως και το νερό, το πυρίτιο, το βισμούθιο, το αντιμόνιο και το γερμάνιο, διαστέλλεται όταν στερεοποιείται γι' αυτό δεν πρέπει να φυλάσσεται σε γυάλινα δοχεία τα οποία μπορεί να σπάσουν με τη διαστολή. Η πυκνότητά του κοντά στο σημείο τήξης είναι κατά περίπου 3,1 % υψηλότερη από την πυκνότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Όπως αποδείχθηκε με μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, αυτό οφείλεται στο ότι το στερεό γάλλιο σχηματίζει πολύ σταθερά διμερή Ga₂ δηλαδή μοριακούς δεσμούς σε στερεά κατάσταση. Γι'αυτό το λόγο ονομάζεται και "πολυμερικό" γάλλιο.

Το γάλλιο διαχέεται γρήγορα μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα ορισμένων μετάλλων και ειδικά του αργιλίου. Αν χαραχθεί μια γραμμή από κομμάτι στερεού γαλλίου πάνω σε αλουμινόχαρτο, το αλουμίνιο θα γίνει αμέσως εύθρυπτο στην περιοχή της γραμμής ως αποτέλεσμα της διάχυσης του Ga ανάμεσα στους πόρους του αλουμινίου. Γι'αυτό το λόγο η Διεθνής Ένωση Αεροπορικών Μεταφορών (International Air Transport Association, ΙΑΤΑ) ταξινόμησε το γάλλιο στα διαβρωτικά υλικά.

Κρυσταλλικές διαμορφώσεις του γαλλίου

Έχουν περιγραφεί επτά κρυσταλλικές δομές του γαλλίου, μία σταθερή (α-Ga) και έξι μετασταθείς που σχηματίζονται σε διάφορες θερμοκρασίες και πιέσεις. Η α-μορφή σχηματίζεται σε κανονική πίεση και θερμοκρασία, οι μορφές β-, γ-, και δ- σχηματίζονται από υπέρψυξη του γαλλίου σε κανονική πίεση αλλά χαμηλή θερμοκρασία, οι μορφές Ga-II, Ga-III σε υψηλές πιέσεις και πρόσφατα αναγνωρίστηκε και η μορφή Ga-IV που σχηματίζεται σε πολύ υψηλή πίεση.

Η ορθορομβική μορφή α-Ga είναι η συνηθέστερη και περιγράφηκε πλήρως για πρώτη φορά το 1932 από το Γερμανό χημικό Λάφς (Fritz Laves, 1906 - 1978). Είναι έντονα ανισότροπη, εμφανίζεται σε κανονική θερμοκρασία (< 29,7741 °C) και πίεση, έχει αριθμό συναρμογής 1+2+2+2 και κάθε άτομο γαλλίου συναρμόζεται με επτά γειτονικά με χαρακτηριστικούς δεσμούς Ga-Ga μήκους 2,45 Å.

Η μονοκλινής μορφή β-Ga έχει θερμοκρασία τήξης -16,3 °C και η μορφή γ-Ga έχει σημείο τήξης -35,6 °C. Η δύο αυτές μετασταθείς μορφές λαμβάνονται από το υπερψυγμένο γάλλιο σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση.

Η στοιχειώδης κυψελίδα της ρομβοεδρικής μορφής δ-Ga αποτελείται 22 άτομα Ga. Η μετασταθής μορφή δ-Ga εμφανίζεται σε ατμοσφαιρική πίεση και στους -19,45 °C.

Στις διαμορφώσεις υψηλής πίεσης Ga-II, Ga-III και Ga-IV που μελετήθηκαν με περίθλαση ακτίνων-Χ παρατηρήθηκαν μεγάλοι αριθμοί συναρμογής μεταξύ των ατόμων Ga. Η ενδοκεντρωμένη κυβική μορφή Ga-ΙΙ σχηματίζεται στις 27.600 Αtm και η ενδοκεντρωμένη τετραγωνική μορφή Ga-III σχηματίζεται στις 25.700 Αtm ενώ έχει σημείο τήξης 48,7 °C. Η ολοεδρικά κεντρωμένη κυβική μορφή Ga-IV είναι σταθερή σε πίεση τουλάχιστον 1.480.000 atm χωρίς αισθητή αλλαγή του όγκου.

• 
  α-Ga
• 
  β-Ga
• 
  γ-Ga
• 
  δ-Ga
• 
  Ga-ΙΙ
• 
  Ga-ΙΙΙ
• 
  Ga-IV

Χημικά χαρακτηριστικά

Ζ	Στοιχείο	Ηλεκτρόνια ανά στιβάδα
5	Βόριο	2, 3
13	Αργίλιο	2, 8, 3
31	Γάλλιο	2, 8, 18, 3
49	Ίνδιο	2, 8, 18, 18, 3
81	Θάλλιο	2, 8, 18, 32, 18, 3
113	Νιχόνιο	2, 8, 18, 32, 32, 18, 3

Το γάλλιο ανήκει στην 13η ομάδα (παλιότερος συμβολισμός ΙΙΙ_Α) και στον τομέα p, δηλαδή το εξωτερικό του ηλεκτρόνιο ανήκει σε p-τροχιακό. Τα στοιχεία του τομέα p παρουσιάζουν μεταξύ τους μεγάλες διαφορές στις φυσικοχημικές ιδιότητες, διότι είναι ο μόνος τομέας που περιέχει μέταλλα, αμέταλλα και ευγενή αέρια.
Με βάση τον όξινο-βασικό χαρακτήρα των οξειδίων του, το γάλλιο, ανήκει στα ημιμέταλλα (μεταλλοειδή) αλλά με βάση την ηλεκτρική του αγωγιμότητα ταξινομείται στα μέταλλα. Ανήκει επίσης και στα λεγόμενα πτωχά μέταλλα (poor metals), χημικός όρος που δεν είναι αναγνωρισμένος από την IUPAC. Αυτά είναι 14 στοιχεία του τομέα-p που δημιουργούν ένα τρίγωνο δεξιά των στοιχείων μετάπτωσης στον περιοδικό πίνακα και είναι το αργίλιο, το ίνδιο, το γάλλιο, το θάλλιο, το γερμάνιο, ο κασσίτερος, ο μόλυβδος, το αντιμόνιο, το βισμούθιο, το πολώνιο και τα στοιχεία 113, φλερόβιο, 115 και λιβερμόριο. Είναι ηλεκτραρνητικότερα των μεταβατικών μετάλλων, πιο μαλακά από αυτά και έχουν θερμοκρασίες τήξης και βρασμού γενικά χαμηλότερες. Διακρίνονται ωστόσο από τα μεταλλοειδή επειδή έχουν πολύ μεγαλύτερα σημεία βρασμού. Το γάλλιο έχει επαμφοτερίζοντα χαρακτήρα και στην ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων (έχει κανονικό δυναμικό Ε⁰ = -0,529 V) βρίσκεται μακριά από το αργίλιο (Ε⁰ = -1,676 V) και είναι λιγότερο δραστικό από αυτό και πιο κοντά στον ψευδάργυρο (Ε⁰ = -0,763 V) που βρίσκεται ακριβώς αριστερά στον περιοδικό πίνακα.

Τα ιόντα γαλλίου σε υδατικά διαλύματα

Το μονοσθενές κατιόν Ga⁺ είναι γνωστό μόνο σε τήγματα, ενώ το δισθενές Ga²⁺ υπάρχει μόνο στο ιόν Ga₂X₆^2- (X = Cl, Br, I) που σχηματίζεται από την ηλεκτρόλυση μεταλλικού γαλλίου σε ισχυρό οξύ. Περιέχει δεσμό Ga—Ga αλλά εύκολα οξειδώνεται π.χ. από αλογόνα προς GaX₄^-

Το τρισθενές ιόν Ga³⁺ είναι το σημαντικότερο για την υδατική χημεία του γαλλίου. Τα διαλύματα και η χημεία των ενώσεων συναρμογής του Ga³⁺ μοιάζουν κάπως με του Al³⁺ και In³⁺ αλλά είναι πολύ παρόμοια με του κατιόντος Fe³⁺ (υψηλού spin), όπως φαίνεται στο διπλανό πίνακα

Παράμετρος	Ga3+	Fe3+	Al3+	In3+
Ιονική ακτίνα (pm) (οκταεδρική)	62	64,5	53,5	80
Ιονική ακτίνα (pm) (τετραεδρική)	47	49	39	62
Απόλυτη σκληρότητα (eV) (Pearson)	17	12,08	45,77	13
Ηλεκτραρνητικότητα	1,81	1,83	1,61	1,78
Ενέργεια διάσπασης δεσμού μετάλλου-οξυγόνου (KJ/mol)	353,5	390,4	511	320

Σε διαλύματα το ιόν Ga³⁺ βρίσκεται με τη μορφή οκταεδρικού εφυδατωμένου συμπλόκου με έξι μόρια νερού, [Ga(H₂O)₆]³⁺, και συμπεριφέρεται ως "σκληρό οξύ" κατά Pearson. Συνδέεται εύκολα και ισχυρά με ισχυρές βάσεις κατά Lewis, ιδιαιτέρως με ΟΗ^-. Το ιόν Ga³⁺ αποτελεί μεταλλικό κέντρο με ισχυρή τάση για δημιουργία χηλικών ενώσεων με υποκαταστάτες που διαθέτουν Ο-δότες δηλαδή μέσω ατόμων οξυγόνου και, σε μικρότερο βαθμό, Ν-δότες (μέσω ατόμων αζώτου). Το [Ga(H₂O)₆]³⁺ υδρολύεται σχεδόν πλήρως, αντικαθιστώντας σταδιακά τα μόρια νερού με ΟΗ^-, σε pH κοντά στην ουδέτερη περιοχή σχηματίζοντας εύκολα το δυσδιάλυτο άμορφο Ga(OH)₃ που έχει σταθερά γινομένου διαλυτότητας K_sp = 7×10⁻³⁶ :

[Ga(H₂O)₆]³⁺ + Η₂Ο $\rightleftharpoons$ [Ga(H₂O)₅(OH)]²⁺ + H₃Ο⁺ (pK₁ = 2,6)

[Ga(H₂O)₅(OH)]²⁺ + Η₂Ο $\rightleftharpoons$ [Ga(H₂O)₄(OH)₂]⁺ + H₃Ο⁺ (pK₂ = 3,3)

Σε συγκεντρώσεις γαλλίου πάνω από 0,01 Μ και σε pH περίπου 2, καταβυθίζεται ένα μέρος του [Ga(H₂O)₄(OH)₂]⁺ ως μια άμορφη φάση που μοιάζει στη δομή με το Ga(OH)₃ :

[Ga(H₂O)₄(OH)₂]⁺ $\rightleftharpoons$ Ga(OH)_3(s) + H₃O⁺ + 2H₂O

ενώ το υπόλοιπο υδρολύεται:

[Ga(H₂O)₄(OH)₂]⁺ + H2O $\rightleftharpoons$ [Ga(H₂O)₃(OH)₃]⁺ + H₃O⁺ (pK₃ = 4,4)

Το εν διαλύσει Ga(OH)_3(aq) ιοντίζεται εν μέρει:

Ga(OH)_3(aq) + Η₂Ο $\rightleftharpoons$ Ga(OH)₄^- + H⁺ (pK₄ = 6,3)

Σε pH = 7,4 στους 25 °C η συνολική διαλυτότητα του γαλλίου στο νερό (σε ισορροπία με το στερεό GaO(OH)) είναι περίπου 10⁻⁶ mol/L, με το διαλυμένο γάλλιο κατά 98,4 % στη μορφή Ga(OH)₄^- και κατά 1,6 % στη μορφή Ga(OH)₃. Το Ga(OH)₃ και το GaO(OH) αποδεικνύουν τις επαμφοτερίζουσες ιδιότητες του γαλλίου, αυξάνοντας τη διαλυτότητα και σε υψηλές και σε χαμηλές τιμές pH. Η ελάχιστη διαλυτότητα (10^-7,2 Μ) εμφανίζεται σε pH = 5,2. Ακόμη και σε pH = 2, ωστόσο, η συνολική διαλυτότητα των Ga(OH)₃ και GaO(OH) είναι μόνο 10⁻² Μ και σε pH = 10 είναι μόνο 10^-3,3 Μ.
Εκτός από το υδροξείδιο και το οξείδιο-υδροξείδιο, το γάλλιο σχηματίζει και το πολύ δυσδιάλυτο φωσφορικό γάλλιο(ΙΙΙ), GaPO₄, το οποίο σε pH κοντά στην ουδέτερη περιοχή έχει γινόμενο διαλυτότητας K_sp = 10⁻²¹.

Ηλεκτρονιακή δόμηση

Η συστολή της ατομικής ακτίνας του Ga

Ηλεκτρονιακή διαμόρφωση Ga

Ορισμένες χημικές παράμετροι του γαλλίου παρουσιάζουν κάποιες ανωμαλίες σε σχέση με τις αντίστοιχες του αργιλίου (που βρίσκεται ακριβώς από πάνω στην ίδια ομάδα του περιοδικού πίνακα):

• Το άτομο του γαλλίου έχει παρόμοιο μέγεθος με το άτομο του αργιλίου, και τα δύο έχουν ομοιοπολική ακτίνα 125 pm, αλλά το Ga έχει ηλεκτραρνητικότητα υψηλότερη από του Al, 1,81 έναντι 1,61 αντίστοιχα.
• Το άθροισμα των τριών πρώτων ενεργειών ιονισμού του γαλλίου δηλαδή 578,8 + 1979,3 + 2963 = 5521,3 KJ/mol, είναι υψηλότερο από αυτό του αργιλίου (5138,8 KJ/mol). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχουν και ενώσεις του γαλλίου στις οποίες αυτό εμφανίζεται με αριθμούς οξείδωσης +1 αλλά και +2 εκτός από τον κυριότερο που είναι ο +3.
• Το υδρίδιο GaH₃ έχει μικρότερη οξύτητα κατά Lewis σε σχέση με το AlH₃.

Οι "ανωμαλίες" αυτές οφείλονται στο φαινόμενο της συστολής των στοιχείων του τομέα d (d-block contraction). Η αιτία της συστολής της ατομικής ακτίνας είναι η μικρή προστασία (θωράκιση) του πυρηνικού φορτίου από τα ηλεκτρόνια των d τροχιακών. Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια σθένους έλκονται πιο έντονα από τον πυρήνα οπότε προκαλείται αύξηση των δυναμικών (ενεργειών) ιονισμού και κατά συνέπεια δυσκολία ιονισμού αλλά και συρρίκνωση των ιονικών ακτίνων.

Χημικές αντιδράσεις του μετάλλου

Οι ενέργειες ιονισμού (σε kJ/mol) των σταδιακών μετατροπών του γαλλίου σε ιόντα από Ga⁺ έως Ga¹⁰⁺ καθώς και τα δυναμικά ημιαντιδράσεων αναγωγής διαφόρων ενώσεων και ιόντων του Ga, βρίσκονται στους "κρυμμένους" πίνακες που ακολουθούν:

Ενέργειες ιονισμού

Μετατροπή	Ενέργεια ιονισμού (KJ/mol)
Ga - Ga+	578,8
Ga+ - Ga2+	1979,3
Ga2+ - Ga3+	2963
Ga3+ - Ga4+	6200
Ga4+ - Ga5+	8700
Ga5+ - Ga6+	11400
Ga6+ - Ga7+	14400
Ga7+ - Ga8+	17700
Ga8+ - Ga9+	22300
Ga9+ - Ga10+	26100

Δυναμικά αναγωγής

Ημιαντίδραση	Δυναμικό Ε0 (V)
Ga3+ + 2e- ⇆ Ga+	-0,4
Ga3+ + 3e- ⇆ Ga(s)	-0,56

Το γάλλιο είναι αδιάλυτο στο νερό αντιδρά όμως με αυτό και οξειδώνεται σε αυτόκλειστο στους 200 °C :

2Ga + 3H₂Ο $\longrightarrow$ Ga₂O₃ + 3H₂

Είναι σταθερό στον ξηρό αέρα εξαιτίας της δημιουργίας στην επιφάνειά του ενός στρώματος οξειδίου. Στους 1000 °C οξειδώνεται από τον αέρα και με έντονη φλόγα από το καθαρό οξυγόνο σε υψηλή πίεση προς οξείδιο :

4Ga + 3O₂ $\longrightarrow$ 2Ga₂O₃

Όπως φαίνεται από την ημιαντίδραση Ga³⁺ + 3e^- ⇆ Ga_(s), Ε⁰ = -0,56 V, το γάλλιο βρίσκεται πριν το υδρογόνο στην ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων και επομένως το αντικαθιστά στα αραιά οξέα όπως επίσης αντικαθιστά και τα μέταλλα που βρίσκονται μετά από αυτό στις ενώσεις τους (αντιδράσεις απλής αντικατάστασης)

2Ga + 3H₂SO₄ (αραιό) $\longrightarrow$ Ga₂(SO₄)₃ + 3H₂

2Ga + 6HCl $\longrightarrow$ 2GaCl₃ + 3H₂

Ga + 3AgNO₃ $\longrightarrow$ Ga(NO₃)₃ + 3Ag

Αντιδρά εν ψυχρώ με το χλώριο και το βρώμιο και εν θερμώ με το ιώδιο, σχηματίζοντας αλογονίδια του τύπου GaX₃ (X =Cl, Br, I). Επίσης αντιδρά εν θερμώ με το θείο :

2Ga + 3X₂ $\longrightarrow$ 2GaX₃

4Ga + 3S₂ $\longrightarrow$ 2Ga₂S₃

Διαλύεται αργά στα υδροξείδια των αλκαλίων σχηματίζοντας άλατα γαλλικών ανιόντων (Ga(OH)₄^-) :

2Ga + 2NaOH + 6H₂Ο $\longrightarrow$ 2NaGa(OH)₄ + 3H₂

Το βασιλικό νερό οξειδώνει το γάλλιο το οποίο οξειδώνεται και από το υπεροξείδιο του νατρίου αλλά και από το χλωρικό κάλιο σύμφωνα με τις αντιδράσεις αντίστοιχα:

3Ga + 3HNO₃ + 9HCl $\longrightarrow$ 3GaCl₃ + 3NO + 6H₂O

3Na₂O₂ + 2Ga $\longrightarrow$ 2Na₃GaO₃ 3

KClO₃ + 2Ga $\longrightarrow$ Ga₂O₃ + KCl

Από την επίδραση πυκνού νιτρικού οξέος, το γάλλιο μεταπίπτει σε παθητική κατάσταση δηλαδή επικαλύπτεται γρήγορα από οξείδιο το οποίο αποτρέπει την περαιτέρω διάβρωση του μετάλλου ενώ από την επίδραση πυκνού θερμού θειικού οξέος προκύπτει θειικό άλας :

2Ga + 6H₂SO₄ $\longrightarrow$ Ga₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂Ο

Όταν διαβιβαστεί υδροχλώριο πάνω από Ga σε υψηλή θερμοκρασία (950 °C) και χαμηλή πίεση (< 20 KPa) σχηματίζεται αέριο χλωριούχο γάλλιο(Ι) το οποίο καταβυθίζεται με ψύξη με υγρό άζωτο ως κόκκινο στερεό που αποσυντίθεται στους 0 °C :

2Ga + 2HCl $\longrightarrow$ 2GaCl + H₂

Το άζωτο αντιδρά με το γάλλιο σε πολύ ειδικές συνθήκες, ενώ τα στοιχεία P, As, Sb αντιδρούν με θέρμανση :

Ga + A $\longrightarrow$ GaA (A = P, As, Sb)

όπως και τα S, Se, Te :

Ga + A' $\longrightarrow$ Ga₂A'₃ (A' = S, Se, Te)

Σε θερμοκρασίες μεταξύ 500 °C - 1000 °C ή μεγαλύτερες, το γάλλιο είναι πολύ διαβρωτικό για τα περισσότερα μέταλλα εκτός από το βολφράμιο, το μολυβδαίνιο και το νικέλιο. Διαβρώνει πολύ γρήγορα λεπτό φύλλο αλουμινίου και χοντρό φύλλο μέσα σε λίγες ώρες σε θερμοκρασία δωματίου.

Ανίχνευση γαλλίου με φασματοσκοπικές μεθόδους

Κατά την ανίχνευση του μετάλλου με φλογοφασματοσκοπία εκπομπής (flame emission spectroscopy, FES), υπάρχουν δύο γραμμές εκπομπής, μέλη της ίδιας διπλής κορυφής, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν: στα 403,30 nm και 417,21 nm. Μια μικρή μείωση (3-mm κόκκινη ζώνη), της φλόγας υποξειδίου του αζώτου (N₂O)-ακετυλενίου (C₂H₂) δίνει το καλύτερο όριο ανίχνευσης με το μέγιστο σήμα που εμφανίζεται κοντά στην άκρη του εσωτερικού κώνου. Στη φασματοσκοπία ατομικής εκπομπής (atomic absorption spectroscopy, AAS), το όριο ανίχνευσης του γαλλίου σε υδατικό διάλυμα είναι 75 μg/L. Στην AAS είναι προτιμότερη η χρήση πολύ λεπτής φλόγας N₂O-(C₂H₂). Η γραμμή στα 287,42 nm είναι πιο ευαίσθητη αλλά εξίσου χρήσιμη είναι η διπλή κορυφή στα 294,4 nm και η γραμμή στα 417,21 nm.

Κατά τον προσδιορισμό του γαλλίου στα ορυκτά του, για να αυξηθεί η εκλεκτικότητα και η ευαισθησία της ΑΑS, το μέταλλο πρώτα εξάγεται με μορφή συμπλόκου με 8-οξυκινολίνη και Ν-κυνναμοϋλ-φαινυλ-υδροξυλαμινη (CAFHA) και μετά εισάγεται η ένωση αυτή στον ατομοποιητή.

Το γάλλιο μπορεί επίσης να ταυτοποιηθεί με χρωματομετρικές μεθόδους (με χρήση ροδαμίνης Β), φθορισμομετρικά (με χρήση 8-υδροξυ-κινολίνης) ή και συμπλοκομετρικά με τιτλοδότηση με δινάτριο άλας του αιθυλενο-διαμινο-τετραοξικού οξέος (EDTA).

Ισότοπα

Το φυσικό γάλλιο συντίθεται από μίγμα δύο σταθερών ισοτόπων : ⁶⁹Ga σε ποσοστό 60,108 % και ⁷¹Ga σε ποσοστό 39,892 %.

Το ραδιοϊσότοπο ⁶⁷Ga (χρόνος ημιζωής t_1/2 = 3,2617 ημέρες) και το ⁶⁸Ga (χρόνος ημιζωής t_1/2 = 67,71 λεπτά) χρησιμοποιούνται στην πυρηνική ιατρική. Το ⁶⁷Ga χρησιμοποιείται στην ιατρική απεικόνιση, διαδικασία που είναι γνωστή ως "σάρωση γαλλίου", στον εντοπισμό νεοπλασιών και στην ανίχνευση φλεγμονών. Είναι το πλέον μακρόβιο ραδιοϊσότοπο του γαλλίου .

Το ραδιοϊσότοπο ⁶⁸Ga διασπάται με εκπομπή ποζιτρονίων με προϊόν τον πυρήνα του ψευδαργύρου-68, παράγεται από το γερμάνιο-68 μέσα σε κατάλληλες γεννήτριες. Παρόλο που είναι γνωστό στην πυρηνική ιατρική εδώ και 35 χρόνια, η πρόσφατη αξιοποίησή του με νέες επισημασμένες ουσίες όπως π.χ. το γάλλιο-68-1,4,7,10-τετρααζακυκλοδωδεκαν-N,N',N,N'-τετραοξικό οξύ (gallium-68-DOTA), δημιουργεί νέα δεδομένα στην απεικόνιση με τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET) στην πυρηνική ιατρική.

Ενώσεις του γαλλίου

Το γάλλιο έχει δομή εξωτερικής στιβάδας 4s² 4p¹ και εμφανίζεται στις ενώσεις του με κύριο αριθμό οξείδωσης +3 εφόσον μπορεί να απολέσει και τα 3 ηλεκτρόνια. Υπάρχουν όμως και ενώσεις όπου παρουσιάζεται με αριθμό οξείδωσης +1 αν χάσει μόνο το 4p¹ ηλεκτρόνιο εξαιτίας του φαινομένου της συστολής των στοιχείων του τομέα d. Αναφέρονται και διμερείς διαμαγνητικές ενώσεις που περιέχουν δεσμό Ga-Ga όπου το γάλλιο έχει αριθμό οξείδωσης +2.

Οξείδια - Υδροξείδια

Κρυσταλλική δομή του β-Ga₂O₃

Ga₂O₃. Το κυριότερο οξείδιο του γαλλίου είναι το Ga₂O₃ το οποίο υπάρχει σε πέντε διαμορφώσεις. Το α-Ga₂O₃ είναι σταθερό σε υψηλές θερμοκρασίες, το β-Ga₂O₃ είναι η σταθερότερη μορφή. Είναι οξείδιο επαμφοτερίζον, πιο δραστικό από την αλουμίνα και μπορεί να αναχθεί προς μεταλλικό γάλλιο με Η₂ ή με CO και θέρμανση στους 600 °C. Το γ-Ga₂O₃ παρασκευάζεται με ταχεία θέρμανση του υδροξειδίου στους 400˚C-500˚C. Το δ-Ga₂O₃ σχηματίζεται από την αποσύνθεση Ga(NO₃)₃ στους 250 °C το οποίο όταν θερμανθεί στιγμιαία στους 500 °C, μετατρέπεται σε ε-Ga₂O₃. Το Ga₂O₃ χρησιμοποιείται σε εφαρμογές λέιζερ, σε κατασκευές υλικών που φωσφορίζουν ή φθορίζουν, σε αισθητήρες αερίου, στη νανοτεχνολογία, στην κατασκευή καταλυτών κ.ά.

Ga₂O. Το οξείδιο του γαλλίου(Ι) ή υποξείδιο του γαλλίου είναι μαύρο στερεό σταθερό στον ξηρό αέρα και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Παρασκευάζεται με αναγωγή υπό κενό μεταξύ 500 °C και 700 °C του Ga₂O₃ από Ga, προς τα οποία και αποσυντίθεται πάνω από τους 100 °C. Είναι ισχυρό αναγωγικό ικανό να ανάγει το H₂SO₄ προς H₂S.

GaO. Το οξείδιο του γαλλίου(ΙΙ) δεν είναι σταθερό υπό φυσιολογικές συνθήκες και η ύπαρξή του έχει διαπιστωθεί φασματοσκοπικά μόνο στην αέρια φάση.

Ga(OH)₃ και GaO(OH). Το υδροξείδιο του γαλλίου(ΙΙΙ) είναι πολύ δυσδιάλυτο στερεό, έχει σταθερά γινομένου διαλυτότητας K_sp = 7×10⁻³⁶, και φαίνεται να έχει άμορφη δομή. Σχηματίζεται από την υδρόλυση του εφυδατωμένου Ga³⁺. Μετατρέπεται με την παραμονή προς την φαινομενικά σταθερή ορθορομβική κρυσταλλική φάση GaΟ(OH)(γάλλιο οξείδιο-υδροξείδιο), η οποία είναι κάπως λιγότερο διαλυτή σε ουδέτερο διάλυμα από το Ga(OH)₃ :

GaO(OH) + H₂Ο $\rightleftharpoons$ Ga³⁺ + 3OH_- (pK = 39,1)

αλλά σαφώς διαλυτή σε αλκαλικά διαλύματα με το σχηματισμό γαλλικών αλάτων :

GaO(OH) + H₂Ο + OH- $\rightleftharpoons$ Ga(OH)₄^- (pK = 0,33)

Το GaO(OH) μπορεί να παρασκευαστεί και από τη θέρμανση του Ga(OH)₃ στους 100 °C ή με θέρμανση Ga με νερό σε αυτόκλειστο στους 200 °C

GaOH. Το υδροξείδιο του γαλλίου(Ι) παρασκευάζεται από την αντίδραση ατόμων γαλλίου με Η₂Ο ή Η₂Ο₂. Φασματοσκοπικές και θεωρητικές μελέτες έδειξαν ότι έχει γωνιώδη δομή.

Υδρίδια

Μοντέλο του μορίου Ga₂H₆

Γαλλάνια, [GaH₃]_n. Από πολλές απόψεις, η χημεία των γαλλανίων προσομοιάζει περισσότερο με τη χημεία των βορανίων (B_nH_n+4, B_nH_n+6) παρά με αυτή των αλανίων ([AlH₃]_n) διότι η ηλεκτραρνητικότητα του γαλλίου (1,81) είναι μεγαλύτερη του αργιλίου (1,61) και πιό κοντά σε αυτήν του βορίου (2,04).
Τα μοριακά είδη της μορφής [GaH₃]_n είναι γνωστά από το 1989 ενώ έχουν εντοπιστεί και οι μορφές Ga₂H₂ και GaH₂. Υπάρχουν φασματοσκοπικές αποδείξεις ενός ολιγομερούς του τύπου [GaH₃]_n με n > 2 στη στερεά φάση και σε διάλυμα σε χαμηλή θερμοκρασία αλλά η μορφή Ga₂H₆ (διγαλλάνιο, digallane) φαίνεται ότι είναι η επικρατέστερη στην αέρια φάση. Το διγαλλάνιο μελετήθηκε λεπτομερειακά στις αρχές της δεκαετίας του 1990 και μελέτες με περίθλαση ηλεκτρονίων έδειξαν ότι μοιάζει δομικά με το διβοράνιο, Β₂Η₆. Υπάρχει μόνο σε χαμηλή θερμοκρασία ως λευκό στερεό και αποσυντίθεται πάνω από τους -20,15 °C προς Ga και Η₂. Παρασκευάζεται από GaCl₃ και Me₃SiH και αναγωγή του προϊόντος από LiAlH₄ στους -33,15 °C. Αντιδρά με υδροχλώριο στους -95 °C δίνοντας Ga₂Cl₆ αλλά και με άλλα αντιδραστήρια όπως αμμωνία, αιθυλένιο, φωσφίνη κ.ά. πάντα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (< -20 °C).

Το τριγαλλάνιο, Ga₃H₉ έχει μελετηθεί μόνο με θεωρητικές υπολογιστικές μεθόδους.

Γαλλιλένιο, GaH. Το μήκος δεσμού Ga-Η στο γαλλιλένιο (gallylene) είναι 1,67 Å και η ενθαλπία σχηματισμού + 239 KJ/mol. Σχηματίζεται με μορφή ασταθών σωματιδίων όταν ατομικό υδρογόνο διέλθει πάνω από Ga σε υψηλή θερμοκρασία ή κατά τη διάρκεια ηλεκτρικών εκκενώσεων μεταξύ ανοδικού ηλεκτροδίου από χαλκό και καθοδικού από γάλλιο σε ατμόσφαιρα Η₂ .

Δυαδικές ενώσεις με Ν, P, As, Sb

Οι δυαδικές ενώσεις του γαλλίου με τα στοιχεία της 13ης ομάδας του περιοδικού πίνακα, έχουν αποκτήσει ιδιαίτερο ενδιαφέρον εξαιτίας της χρήσης τους ως III-V ημιαγώγιμα υλικά όμοια με το πυρίτιο και το γερμάνιο.

Κομμάτι από ενιαίο κρύσταλλο GaN, μήκους ~ 3 mm

GaN. Το άχρωμο αζωτούχο γάλλιο(ΙΙΙ) ή νιτρίδιο του γαλλίου είναι αγωγός n-τύπου, κρυσταλλώνεται στο εξαγωνικό σύστημα με δομή βουρτσίτη και είναι σταθερό σε κανονική πίεση αλλά και στο κυβικό σύστημα με δομή σφαλερίτη όταν αναπτύσσεται με μεθόδους επιταξίας σε κυβικό υπόστρωμα. Έχει πυκνότητα 6,15 g/cm³ που είναι η μεγαλύτερη από τις ενώσεις του Ga με τα στοιχεία της 15ης ομάδας. Μαζί με το GaAs αντιπροσωπεύουν σχεδόν το 99 % του γαλλίου που καταναλώνεται στις Η.Π.Α. Χρησιμοποιείται για να κατασκευή διόδων λέιζερ και εκπομπής φωτός (LED). Κρύσταλλοι GaN μπορούν να αναπτυχθούν σε τήγμα Na/Ga αφού πρώτα το GaN παρασκευαστεί με επίδραση αμμωνίας σε Ga ή Ga₂O₃.

Έχει μελετηθεί και το αζίδιο του γαλλίου(ΙΙΙ), Ga(N₃)₃, το οποίο παρασκευάζεται με αποσύνθεση της ένωσης GaF₃·NH₃ στους 250 °C.

GaP. Το κίτρινο φωσφορούχο γάλλιο(ΙΙΙ) ή φωσφίδιο του γαλλίου κρυσταλλώνεται στο κυβικό σύστημα, έχει δομή σφαλερίτη και είναι σταθερό σε κανονική πίεση αλλά σε πίεση > 21 - 30 GPa αποκτά δομή β-Sn (λευκός κασσίτερος). Έχει πυκνότητα 4,138 g/cm³, σκληρότητα 5 και όταν εμφυτευθεί θείο ή τελλούριο σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις μετατρέπεται σε αγωγό n-τύπου. Είναι άοσμο στερεό αδιάλυτο στο νερό. Έχει πορτοκαλί χρώμα παραλλαγές του οποίου εμφανίζονται ανάλογα με τις προσμίξεις. Χρησιμοποιείται ως υλικό τεχνολογίας LED από τη δεκαετία του 1960. Ως LED εκπέμπει φως διαφόρων χρωμάτων (πράσινο, κιτρινοπράσινο, κόκκινο) ανάλογα με το "ντοπάρισμα" που δέχεται.

Κρύσταλλοι GaAs, περίπου 2 mm. Γυαλισμένη (αριστερά) και τραχεία πλευρά

GaAs. Το σκουρόχρωμο αρσενικούχο γάλλιο(ΙΙΙ) ή αρσενίδιο του γαλλίου κρυσταλλώνεται στο κυβικό σύστημα, έχει δομή σφαλερίτη και είναι σταθερό σε κανονική πίεση αλλά σε πίεση > 17 GPa αποκτά ορθορομβική δομή. Έχει σκληρότητα 4-5 της κλίμακας Mohs, πυκνότητα 5,317 g/cm³ και χρησιμοποιείται για να κατασκευή οπτοηλεκτρονικών συσκευών (δίοδοι λέιζερ, LED, φωτοανιχνευτές και ηλιακά κύτταρα) και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Αποτελεί το σημαντικότερο εμπορικό III-V ημιαγωγό παγκοσμίως, πολυτιμότερο ακόμη και από το πυρίτιο για ηλεκτρονικά κυκλώματα υψηλής ταχύτητας.

GaSb. Το σκουρόχρωμο αντιμονιούχο γάλλιο(ΙΙΙ) ή αντιμονίδιο του γαλλίου κρυσταλλώνεται στο κυβικό σύστημα, έχει δομή σφαλερίτη και είναι σταθερό σε κανονική πίεση αλλά σε πίεση > 8 - 10 GPa αποκτά δομή β-Sn (λευκός κασσίτερος). Έχει πυκνότητα 5,61 g/cm³, σκληρότητα 4,5 και μετατρέπεται σε ημιαγωγό p-τύπου όταν "ντοπαριστεί" με αλκυλοπαράγωγα του κασσιτέρου(ΙV) όπως ο τετραμεθυλο- και τετραβουτυλο-κασσίτερος, Me₄Sn και Bu₄Sn αντίστοιχα, με ψευδάργυρο αλλά και με έρβιο.

Δυαδικές ενώσεις με S, Se, Te

Το θειούχο γάλλιο(ΙΙ), GaS

Ενώσεις του Ga(III). Το θειούχο γάλλιο(ΙΙΙ), Ga₂S₃, είναι κίτρινο στερεό μέτρια διαλυτό στο νερό και στα οξέα, που έχει τρεις πολυμορφικές μορφές α-, β- και γ-Ga₂S₃. Οι δύο πρώτες έχουν τη δομή του βουρτσίτη και η άλλη του σφαλερίτη στον οποίο το 1/3 των θέσεων των ιόντων Zn²⁺ είναι μη κατειλημμένες. Το σεληνιούχο και τελλουριούχο γάλλιο(ΙΙΙ), G₂Se₃ και Ga₂Te₃ αντίστοιχα, έχουν τη δομή του γ-Ga₂S₃. Είναι p-ημιαγωγοί τύπου III-IV και χρησιμοποιούνται σε διόδους λέιζερ και φωτοβολταϊκά.

Ενώσεις του Ga(I). Το γκριζόμαυρο στερεό θειούχο γάλλιο(Ι), Ga₂S, και το σεληνιούχο γάλλιο(Ι), Ga₂Se μπορούν να παρασκευαστούν από την αντίδραση του Ga με το Ga₂S₃ και το Ga₂Se₃ αντίστοιχα. Δεν έχουν μελετηθεί όμως επαρκώς ακόμη. Σε υδατικά διαλύματα όλα αποσυνθέτονται προς μεταλλικό Ga και αντίστοιχη ένωση Ga(III) .

Ενώσεις του Ga(II). Είναι γνωστές οι δομές των GaS, GaSe, GaTe που παρασκευάζονται με ανάλογους τρόπους με τις αντίστοιχες ενώσεις του Ga(I). Το GaS είναι κίτρινο στερεό μέτρια διαλυτό στο νερό και στα οξέα που λειώνει στους 970 °C και το GaSe είναι σκούρο κόκκινο και χρησιμοποιείται ως ένα μη γραμμικό φωτοαγώγιμο οπτικό υλικό. Το GaTe είναι ημιαγωγός του III-VI τύπου. Σε υδατικά διαλύματα όλα αποσυνθέτονται προς μεταλλικό Ga και αντίστοιχη ένωση Ga(III).

Αλογονίδια

Στερεοχημικό μοντέλο του GaF₃

Στερεοχημικό μοντέλο των ενώσεων GaΧ₃ με Χ = Cl, Br, I

GaX₃. Όλα τα τριαλογονίδια είναι ισχυρότατα οξέα κατά Λιούις και σχηματίζουν σύμπλοκα του τύπου GaX₃L (L= ligand δηλαδή υποκαταστάτης). To GaF₃ είναι μη πτητικό στερεό με υψηλό σημείο τήξης που παρασκευάζεται με απευθείας αντίδραση του γαλλίου με φθόριο ή υδροφθόριο. Είναι ένωση αδιάλυτη στο νερό και σε ένυδρη ή άνυδρη μορφή έντυπα αποτελεί πηγή γαλλίου για εφαρμογές ευαίσθητες σε οξυγόνο, όπως η παραγωγή μετάλλων. Τα άλλα GaΧ₃ (Χ = Cl, Br, I) προκύπτουν επίσης με απευθείας αντίδραση του Ga με τα αλογόνα. Είναι σχετικώς πτητικά σώματα και στη στερεά κατάσταση έχουν κρυσταλλικά πλέγματα που περιέχουν διμερή Ga₂X₆. Οι ατμοί αποτελούνται από μόρια διμερών τα οποία είναι επίσης παρόντα σε διαλύματα των ενώσεων σε ανόργανους διαλύτες. Μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες εμφανίζονται τα μονομερή GaΧ₃. Τα GaCl₃, GaBr₃ σχηματίζουν σύμπλοκα ιόντα με αριθμούς συναρμογής 4, 5, 6. Το GaCl₃ σε πολύ ξηρή κατάσταση χρησιμοποιείται σε ημιαγωγούς και σε εφαρμογές που απαιτούν ενώσεις υψηλής καθαρότητας.

GaX. Τα μονοαλογονίδια είναι ασταθή ενώ το GaF δεν είναι γνωστό. Το GaCl σχηματίζεται με θέρμανση του GaCl₃ στους 1097 °C αλλά δεν έχει απομονωθεί ως καθαρή ένωση. Πάνω από τους 0 °C αυτοοξειδώνεται προς Ga(0) και Ga(III). Το GaBr επίσης σχηματίζεται σε υψηλή θερμοκρασία. Τόσο το GaCl όσο και το GaΒr είναι σταθερά μόνο σε κατάλληλους διαλύτες και τα μετασταθή αυτά διαλύματα χρησιμοποιούνται για την παρασκευή άλλων ενώσεων του γαλλίου.

GaX₂. Το GaF₂ δεν είναι γνωστό. Όταν τα GaΧ₃ θερμαίνονται με γάλλιο σχηματίζονται ενώσεις με τύπο "GaΧ₂" αλλά κρυσταλλογραφικά και μαγνητικά δεδομένα έδειξαν ότι έχουν τη δομή Ga⁺[GaΧ₄]^— το γάλλιο δηλαδή περιέχεται με αριθμούς οξείδωσης +1 και +3. Παρασκευάζονται με ηλεκτρόλυση μεταλλικού γαλλίου μέσα σε ισχυρό οξύ

Άλλα αλογονίδια. Υπάρχουν και ενδιάμεσα χλωρίδια, βρωμίδια και ιωδίδια όπου το γάλλιο έχει αριθμούς οξείδωσης +1, +2, +3. Για παράδειγμα το Ga₃Cl₇ έχει παραπλήσια δομή με το διχρωμικό ανιόν, Cr₂O₇^2-, και ανταποκρίνεται περισσότερο στον τύπο Ga^IGa^III₂Cl₇. Τα Ga₂Br₃ και Ga₂I₃ έχουν δομές Ga^I₂ Ga^II₂Br₆ and Ga^I₂ Ga^II₂I₆ αντίστοιχα και περιέχουν δεσμούς Ga-Ga όπου το γάλλιο έχει αριθμό οξείδωσης +2.

Σύμπλοκα

Το γάλλιο εμφανίζει αριθμούς συναρμογής από 1 έως 6 με πιο συνηθισμένους το 4 και το 6.

Το GaCl₃ και το GaBr₃ σχηματίζουν σύμπλοκα ιόντα αλλά με αριθμούς συναρμογής 4, 5 ή 6 : [GaCl₆]^3-, [GaBr₆]^3—, [GaCl₅]^2—, [GaCl₄]^— και [GaBr₄]^— οπότε έτσι δημιουργούνται και ενώσεις της μορφής L·GaX₃ με L = ουδέτερη βάση κατά Lewis και X = Cl, Br.

Το χηλικό σύμπλοκο με EDTA, Ga(EDTA)⁻ γίνεται πάντα με αναλογία 1:1 ανεξάρτητα από το φορτίο του μετάλλου. Χρησιμοποιείται για δέσμευση ιόντων σε κονσερβοποιημένα τρόφιμα και ως αντίδοτο σε δηλητηριάσεις από Pb²⁺

Κράματα και διμεταλλικές ενώσεις

Κράμα galinstan από σπασμένο θερμόμετρο πάνω σε γυαλί

Το γάλλιο αναμιγνύεται πλήρως σε υγρή κατάσταση με το αργίλιο, το ίνδιο, τον κασσίτερο και τον ψευδάργυρο και δε σχηματίζονται ενώσεις αλλά τα κράματα αυτά έχουν τη δυαδική μορφή απλών ευτηκτικών συστημάτων που περιέχουν πάνω από 90 % Ga (το κράμα με In περιέχει 76 % Ga) και λιώνουν σε θερμοκρασίες μικρότερες των 30 °C. Αναφέρονται πολλές διμεταλλικές ενώσεις του γαλλίου της μορφής M_xGa_y όπου M = σχεδόν όλα τα μεταβατικά μέταλλα αλλά και αλκάλια και αλκαλικές γαίες και x, y = ακέραιοι αριθμοί π.χ. AgGa, Au₇Ga₂, Ir₃Ga₅, SrGa₄, Ti₂Ga, Li₃Ga₂, KGa₄, Na₅Ga₈ κ.ά. που κρυσταλλώνονται σε διάφορα κρυσταλλικά συστήματα. Επίσης είναι γνωστές ενώσεις με τα στοιχεία των λανθανιδών π.χ. DyGa₂, LaGa₂, ErGa₃ κ.ά. και των ακτινιδών π.χ. UGa₂, PuGa₆ κ.ά.

Από τη δεκαετία του 1980 έχουν παρασκευαστεί και μελετηθεί διάφορα κράματα του γαλλίου με τα άλλα στοιχεία της ίδιας ομάδας του περιοδικού πίνακα, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως ως ημιαγωγοί. Οι ενώσεις αυτές αποδίδονται με μη στοιχειομετρικούς τύπους και περιέχουν επίσης και κάποιο αμέταλλο όπως αρσενικό, αντιμόνιο, φωσφόρο. Παραδείγματα: Ga_xIn_1-xAs_ySb_1-y, Ga_xIn_1-xAs, Ga_xIn_1-xP, Ga_xIn_1-xSb, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y, Al_xGa_1-xAs κ.ά. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των ενώσεων αυτών εξαρτώνται από τις τιμές των παραμέτρων x, y που δεν είναι πάντα ακέραιες π.χ. οι πυκνότητες των ενώσεων Ga_0,47In_0,53As_yP_1-y και Ga_0,47In_0,53As_yP_1-y δίνονται από τον τύπο (4,81 + 0,552·y + 0,138·y²) g/cm³ όπου για την πρώτη ένωση είναι y = 0,24 και για τη δεύτερη είναι y = 0,6. Άρα η 1η ένωση γίνεται Ga_0,47In_0,53As_0,24P_0,76 με πυκνότητα d = 4,95 g/cm³ και η 2η γίνεται Ga_0,47In_0,53As_0,6P_0,4 με d = 5,19 g/cm³.

Galinstan. Ο όρος αυτός χρησιμοποιείται για οικογένεια ευτηκτικών κραμάτων αποτελούμενων από γάλλιο (από το αγγλικό gallium), ίνδιο (από το αγγλικό indium) και κασσίτερο (από το λατινικό όνομα stannum του κασσιτέρου) τα οποία είναι άοσμα υγρά σε θερμοκρασία δωματίου αδιάλυτα στο νερό και τυπικά έχουν σημείο πήξης −19 °C και σημείο βρασμού πάνω από 1300 °C. Μια τυπική σύνθεση galinstan είναι 68,5 % Ga, 21,5 % In και 10 % Sn. Τα ιατρικά θερμόμετρα με galinstan θεωρούνται πιο ακριβή και ασφαλέστερα από τα παραδοσιακά θερμόμετρα υδραργύρου γιατί τα κράματα galinstan είναι μη τοξικά και δε δημιουργούν σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα όπως ο υδράργυρος.

Φάσεις Zintl. Με τον όρο φάσεις Τσιντλ (Zintl phases) χαρακτηρίζεται μια μεγάλη ομάδα ουσιών που αποτελούν, κατά κάποιο τρόπο, τη γέφυρα-μετάβαση μεταξύ ιοντικών και πολυμεταλλικών ενώσεων. Ο όρος εισήχθη για πρώτη φορά από το Γερμανό χημικό Φριτς Λάφες (Fritz Laves, 1906 – 1978) το 1941 σε αναγνώριση του έργου του επίσης Γερμανού χημικού Έντουαρντ Τσιντλ (Eduard Zintl, 1898 – 1941) που είχε αποβιώσει την ίδια χρονιά και τις μελέτησε πρώτος τη δεκαετία του 1930. Οι φάσεις Τσιντλ αποτελούνται από μέταλλο των ομάδων 1η (αλκάλια) και 2η (αλκαλικές γαίες) και ένα ή περισσότερα στοιχεία του τομέα p του περιοδικού πίνακα π.χ. NaTl, CaSi₂, NaGe, Ba₄SiAs₄, Ba₃AlSb₃ κ.ά. Είναι ουσίες ιοντικές όπου κατιόν είναι το πλέον ηλεκτροθετικό μέταλλο της ένωσης, εύθρυπτες, ημιαγώγιμες, διαμαγνητικές ή ελαφρά παραμαγνητικές ανάλογα με τη θερμοκρασία. Διακρίνονται γενικά τρεις τυπικές ομάδες φάσεων Τσιντλ : α) με μη-εντοπισμένους δεσμούς, β) με εντοπισμένους δεσμούς όπως π.χ. K₃Ga₃As₄ και γ) με διασυνδεδεμένες συστάδες (clusters) όπου έχουν περιγραφεί αρκετές ενώσεις με γάλλιο.

Οργανικές ενώσεις του γαλλίου

Στερεοχημικό μοντέλο του (CH₃)₃Ga

Δεν υπάρχουν δυαδικές ενώσεις του γαλλίου με άνθρακα. Έχουν μελετηθεί όμως κάποια τριαδικά καρβίδια με έμφαση κυρίως στη δομή και τις μαγνητικές τους ιδιότητες όπως Mn₃GaC, Nd₃GaC και Mo₂GaC.
Έχουν μελετηθεί πάνω από 1000 οργανικές ενώσεις του γαλλίου. Μεταξύ αυτών υπάρχουν οργανικά οξέα (οξικό, οξαλικό, κιτρικό), αλκοξείδια και παράγωγά τους π.χ. Ga(OCH₃), Ga(OC₆H₅)₃ κ.ά.

Από το 1980 και μετά, το ενδιαφέρον για τις οργανομεταλλικές ενώσεις του Ga έχει αυξηθεί, κυρίως επειδή αυτές χρησιμοποιούνται ως πρόδρομες ουσίες για να ημιαγωγικά υλικά όπως το GaAs. Έχουν μελετηθεί ενώσεις όπως το τριμεθυλο-γάλλιο, (CH₃)₃Ga (σημείο τήξης -16 °C, σημείο βρασμού 56 °C) και το τριαιθυλο-γάλλιο (CH₃CH₂)₃Ga που περιέχουν δεσμό Ga-C μήκους 196 pm. Είναι μονομερή και σε διάλυμα και σε αέρια φάση και είναι άχρωμα πυροφορικά υγρά δηλαδή αναφλέγονται εύκολα όταν έρθουν σε επαφή με τον αέρα. Παρασκευάζονται από αντιδραστήρια Γκρινιάρ με αντιδράσεις όπως :

GaBr₃ + 3RMgBr $\longrightarrow$ R₃Ga + 3MgBr₂

GaCl₃ + 3RLi $\longrightarrow$ R₃Ga + 3LiCl

2Ga + 3R₂Hg $\longrightarrow$ 2R₃Ga + 3Hg

Με δότες ηλεκτρονίων (D) σχηματίζουν ενώσεις της μορφής GaR₃·D.

Το υδροξείδιο της μορφής (CH₃)₂GaOH που μπορεί να παρασκευαστεί από υδρόλυση του Ga(CH₃)₃, έχει ελαφρά αλκαλικό χαρακτήρα. Αντιδρά με υδατικά διαλύματα ανόργανων οξέων όπως υπερχλωρικό, θειικό ή νιτρικό και σχηματίζει άλας (CH₃)₃Ga(H₂O)₂⁺ που περιέχει το εφυδατωμένο κατιόν Ga(CH₃)₂⁺.

Τοξικότητα - Προφυλάξεις

Επαγγελματικές ασθένειες που οφείλονται στο γάλλιο δεν έχουν αναφερθεί και ο βιολογικός ρόλος του μετάλλου και των ενώσεών του έχουν μελετηθεί μόνο πειραματικά. Οι εργαζόμενοι στις βιομηχανίες ηλεκτρονικών όπου χρησιμοποιείται το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) μπορεί να εκτεθούν σε επικίνδυνες ουσίες προερχόμενες από αυτό, όπως είναι το αρσενικό και η αρσίνη. Το GaAs συσσωρεύεται κυρίως στους πνεύμονες και στα νεφρά και έχει χαρακτηριστεί καρκινογόνο για τους ανθρώπους από το "Διεθνές Γραφείο Ερευνών για τον Καρκίνο" (International Agency for Research on Cancer, IARC) παρόλο που δεν υπάρχουν δεδομένα και οι αποδείξεις καρκινογένεσης σε πειραματόζωα είναι οριακές. Το νιτρικό γάλλιο είναι πολύ επιβλαβές για το δέρμα και τα μάτια, ενώ η υψηλή τοξικότητα του οξικού και του κιτρικού γαλλίου έχει αποδειχθεί από θανάτους πειραματόζωων από παράλυση του αναπνευστικού συστήματος.

Η τοξικότητα του γαλλίου και των ενώσεών του εξαρτάται από τον τρόπο εισαγωγής τους στο σώμα. Πειράματα σε κουνέλια για μακρά περίοδο (4 έως 5 μήνες) έδειξαν ασήμαντες διαταραχές στις πρωτεΐνες και μικρή αναστολή της δράσης των ενζύμων που οφείλονταν στη μικρή απορρόφηση του γαλλίου από το σώμα. Επίσης, η απορρόφηση γαλλίου μετά από κατάποση σωματιδίων GaAs από πειραματόζωα, ήταν πάρα πολύ μικρή.

Η κύρια οδός απέκκρισης του γαλλίου από το σώμα είναι μέσω των ούρων, με μικρότερες ποσότητες να αποβάλλονται με τα κόπρανα. Στους ανθρώπους, το ⁶⁷Ga έχει αναφερθεί στο γάλα θηλασμού μητέρων που είχαν υποβληθεί σε θεραπεία με το ραδιοϊσότοπο ενώ σε βρέφη που θήλαζαν αυτό εντοπίστηκε μόνο στο γαστρεντερικό σωλήνα. Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι το γάλλιο έχει υψηλό συντελεστή μεταφοράς από κατάποση τροφής στο γάλα των μητέρων. Οι ατμοί γαλλίου είναι επιβλαβείς όταν εισπνέονται και το μέταλλο δεν πρέπει να έρχεται σε επαφή με το δέρμα ή να καταπίνεται. Σε περίπτωση επαφής με τα μάτια, πρέπει αυτά να πλυθούν αμέσως με άφθονο νερό και να ζητηθεί ιατρική συμβουλή. Οι χειριστές γαλλίου πρέπει να φοράνε κατάλληλη προστατευτική ενδυμασία και κατάλληλα γάντια και γυαλιά.

Εφαρμογές

Το γάλλιο και οι ενώσεις του βρίσκουν πολλές εφαρμογές ιδιαίτερα σε τεχνολογίες αιχμής. Έτσι, το μεταλλικό γάλλιο χρησιμοποιείται σε θερμόμετρα, σε ανιχνευτές ροής ηλιακών νετρίνων, σε κράματα συγκόλλησης και στη δημιουργία "υγρών" κραμάτων, σε οδοντιατρικά κράματα κ.ά. Οι ενώσεις του, κυρίως με N, As, P όπως GaN, GaAs κλπ. χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ως ημιαγωγοί, σε διόδους laser και LED, σε στρατιωτικές εφαρμογές, σε φωτοβολταϊκά κ.ά. Πολλά άλατα όπως το γαλλικό νάτριο και σύμπλοκα όπως το μαλτολικό γάλλιο χρησιμοποιούνται στην καταπολέμηση κακοηθών όγκων. Το οξείδιο του γαλλίου χρησιμοποιείται ως ενισχυτικό καταλυτών στην πετροχημική βιομηχανία.

Σχεδόν το 95 % του παραγομένου παγκοσμίως γαλλίου διοχετεύεται σε εφαρμογές ημιαγωγών, παρόλο που ανακαλύπτονται συνεχώς καινούργιες χρήσεις του μετάλλου σε νέα κράματα και κυψέλες καυσίμων. Το 2010, στις Η.Π.Α. περίπου το 64% του γαλλίου που καταναλώθηκε χρησιμοποιήθηκε σε ολοκληρωμένα κυκλώματα (Integrated Circuits). Σε οπτικοηλεκτρονικές συσκευές, οι οποίες περιλαμβάνουν διόδους λέιζερ, διόδους LED, φωτοανιχνευτές και ηλιακά κύτταρα, χρησιμοποιήθηκε το 35 % και το υπόλοιπο 1% χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα και ανάπτυξη, σε κράματα και άλλες εφαρμογές.

Ημιαγωγοί

Μπλε LED βασισμένα σε γάλλιο

Κρύσταλλος GaN

Το μεταλλικό γάλλιο χρησιμοποιείται ευρέως ως πρόσμιξη σε ημιαγωγούς. Το υπερκαθαρό πυρίτιο, αλλά και το γερμάνιο, μπορούν να "ντοπαριστούν" με γάλλιο για να χρησιμοποιηθούν σε διάφορα μικροεξαρτήματα στερεάς κατάστασης, όπως τρανζίστορ. Οι πιο κοινές εφαρμογές του γαλλίου είναι με τη μορφή των ημιαγωγών p-τύπου αρσενικούχου και αζωτούχου γαλλίου(ΙΙΙ), GaAs και GaN αντίστοιχα των οποίων η ζήτηση αυξάνεται συνεχώς. Πάνω από το 90 % των εφαρμογών του γαλλίου σε βιομηχανικές χώρες γίνεται μέσω του GaAs. Οι δύο αυτές ενώσεις χρησιμοποιούνται σε αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα, σε ενισχυτές για την καλωδιακή τηλεόραση και ασύρματους σταθμούς βάσης επικοινωνιών, σε οπτοηλεκτρονικές συσκευές, σε διόδους εκπομπής φωτός (LED), σε διόδους λέιζερ, σε φωτοανιχνευτές, σε ηλιακά κύτταρα αλλά και σε “smartphones” 3ης και 4ης γενιάς τα οποία χρησιμοποιούν τέσσερις φορές περισσότερο GaAs από παλαιότερα κινητά τηλέφωνα. Ήδη αναπτύσσεται νέα γενιά LED με νιτρίδιο γαλλίου-ινδίου, GaInN. Αυτά τα νέα LED λέγεται ότι θα μπορούν να προσφέρουν εξαιρετική φωτεινότητα σε διάφορα χρώματα του φάσματος. Το Σεπτέμβριο του 2009, επιστήμονες στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο Μασαχουσέτης κατασκεύασαν υβριδικό μικροτσίπ με GaN-πυρίτιο που αναμένεται να είναι μικρότερο, πιο γρήγορο και πιο αποδοτικό από τους μικροεπεξεργαστές που βασίζονται μόνο στο πυρίτιο. Η αυξημένη ζήτηση σε GaAs και GaN οφείλεται επίσης σε νέες ασύρματες εφαρμογές επικοινωνιών και tablet PC. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που βασίζονται στο GaAs χρησιμοποιούνται σε πολλές στρατιωτικές εφαρμογές λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους, και δεν υπάρχουν ουσιαστικά υποκατάστατα του υλικού αυτού στις εφαρμογές αυτές. Δίοδοι λέιζερ 405 nm από GaN χρησιμοποιούνται ως πηγές ιώδους φωτός για ανάγνωση δίσκων Blu-ray.

Το γάλλιο αποτελεί συστατικό των νέων φωτοβολταϊκών ενώσεων, όπως τα μονοφασικά κράματα χαλκού-ινδίου-γαλλίου-σεληνίου-θείου, Cu(In,Ga)(Se,S)₂, που ανακοινώθηκαν από ερευνητές της Νότιας Αφρικής και των Η.Π.Α. για χρήση σε ηλιακούς συλλέκτες ως εναλλακτική λύση του κρυσταλλικού πυριτίου, του οποίου η προμήθεια είναι προς το παρόν μειωμένη.

Αρκετοί δορυφόροι αλλά και οχήματα εξερεύνησης της επιφάνειας του πλανήτη Άρη, χρησιμοποιούν τριπλή επίστρωση GaAs σε ηλιακά κύτταρα από γερμάνιο.

Ανιχνευτές νετρίνων

Πολύ ενδιαφέρουσα από επιστημονικής άποψης εφαρμογή του γαλλίου είναι η χρήση του ισοτόπου ⁷¹Ga σε δύο πειράματα ανίχνευσης της ροής των ηλιακών νετρίνων. Τα δύο πειράματα στηρίζονταν στη μετατροπή του ισοτόπου ⁷¹Ga στο ισότοπο ⁷¹Ge, το οποίο μπορεί να ανιχνευθεί, σύμφωνα με την αντίδραση :

⁷¹Ga + ν_e → ⁷¹Ge + e^-.

• Στο Παρατηρητήριο Νετρίνων με Γάλλιο στο Γκραν Σάσσο, ανατολικά της Ρώμης, το σχέδιο GALLEX συνέλεγε συνεχώς στοιχεία από το 1991 έως το 1997 χρησιμοποιώντας δεξαμενή με 12,2 τόνους ενυδατωμένου γαλλίου. Τον Απρίλιο του 1998 ξεκίνησε νέο σχέδιο παρατήρησης των ηλιακών νετρίνων που διήρκεσε μέχρι τον Ιανουάριο του 2002. Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά 83 τόνοι διαλύματος GaCl₃-HCl, που περιείχαν 30 τόνους καθαρού Ga, και τοποθετήθηκαν σε τούνελ στο Grand Sasso, περιμένοντας κάποια επιτυχημένη μετατροπή του ⁷¹Ga σε ⁷¹Ge από τη διέλευση των νετρίνων μέσα από τη Γη.
• Ένα άλλο πείραμα ανίχνευσης της ροής ηλιακών νετρίνων, με την επωνυμία SAGE (Soviet–American Gallium Experiment - μετάφραση: Σοβιετοαμερικανικό πείραμα γαλλίου, ή μερικές φορές Russian-American Gallium Experiment - μετάφραση: Ρωσοαμερικανικό πείραμα γαλλίου) ξεκίνησε με τη συνεργασία Ρώσων και Αμερικανών επιστημόνων στο Παρατηρητήριο νετρίνων του Μπακσάν (Baksan) στον Καύκασο της Ρωσίας από το Δεκέμβριο του 1989 και μέχρι τον Ιανουάριο του 2010 συνεχιζόταν κανονικά με ελάχιστες διακοπές. Χρησιμοποιήθηκαν 50 τόνοι λιωμένου ⁷¹Ga μέσα σε 10 αντιδραστήρες και τα άτομα ⁷¹Ge που παράγονταν συγκεντρώνονται σε αέριο μίγμα γερμανίου-ξένου. Τα άτομα ⁷¹Ge στη συνέχεια μετρούνταν ένα-ένα σε μικρό αναλογικό μετρητή καθώς μετατρέπονταν και πάλι σε ⁷¹Ga.

Ιατρικές εφαρμογές

Τα ραδιονουκλίδια του γαλλίου, και ειδικότερα το κιτρικό γάλλιο επισημασμένο με ⁶⁸Ga αλλά και το ⁶⁷Ga, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη διάγνωση ασθενειών των οστών αλλά και του εγκεφάλου όπως η ασθένεια Hodgkin, το λέμφωμα και η ενδιάμεση πνευμονοπάθεια. Άλατα γαλλίου, όπως το κιτρικό ή το νιτρικό γάλλιο που περιέχουν ραδιενεργό ισότοπο του γαλλίου, έχουν χρησιμοποιηθεί στην πυρηνική ιατρική απεικόνιση. Αυτή η χρήση, ωστόσο, έχει σε μεγάλο βαθμό αντικατασταθεί από τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων (PET) με χρήση της 2-δεοξυ-2-φθορογλυκόζης που περιέχει το ισότοπο ¹⁸F.

Οι θεραπευτικές ιδιότητες του Ga³⁺ έχουν αναγνωριστεί πριν από σχεδόν 1 αιώνα, όταν βρέθηκε ότι το θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στη θεραπεία της σύφιλης. Η αποτελεσματικότητα του κατιόντος Ga³⁺ φαίνεται να οφείλεται στο γεγονός ότι λόγω της μεγάλης χημικής ομοιότητας που παρουσιάζει με το κατιόν Fe³⁺, προσκολλάται στα ίδια σημεία του οργανισμού και είναι εξίσου βιοσυμβατό με αυτό . Στα επόμενα χρόνια, αποδείχθηκε ότι το ένυδρο νιτρικό γάλλιο(ΙΙΙ), Ga(NO₃)₃·9H₂O, παρά την τοξικότητά του, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως αντικαρκινικό φάρμακο για το καρκινοσάρκωμα Walker 256 και για τη λευχαιμία L1210 επειδή το ιόν απορροφάται από τον όγκο μέσω της κυκλοφορίας του αίματος. Το άλας αυτό είναι αποτελεσματικό ακόμη και αν εγχυθεί σε σημείο του σώματος μακριά από τον όγκο. Το νιτρικό ανιόν δε φαίνεται να παίζει ιδιαίτερο ρόλο οπότε το ίδιο αποτελεσματικά είναι και το χλωριούχο (GaCl₃) αλλά και το θειικό γάλλιο(ΙΙΙ) (Ga₂(SO₄)₃). Το Ga(NO₃)₃ επίσης μπορεί να αντιστρέψει τον εκφυλισμό των οστών ή/και τον καρκίνο, την υπερασβεστιαιμία, την οστεοπόρωση και το σύνδρομο Παζέ. Στην περίπτωση θεραπευτικής δράσης, το γάλλιο σταματά την οστική απορρόφηση, ομαλοποιεί τα επίπεδα ασβεστίου, προσθέτει οστική μάζα και σκοτώνει τα καρκινικά κύτταρα.

Μια άλλη ένωση του γαλλίου που χρησιμοποιείται για θεραπευτικούς σκοπούς είναι το σύμπλοκο με τρία μόρια μαλτόλης (μαλτολικό γάλλιο), που λαμβάνεται από το στόμα, και σε κλινικές και δοκιμές έδωσε θετικά αποτελέσματα ως πιθανή θεραπεία για διάφορους τύπους καρκίνου, λοιμώδεις νόσους και φλεγμονές. Το μαλτολικό γάλλιο είναι σε θέση να προμηθεύσει γάλλιο με υψηλή βιοδιαθεσιμότητα που είναι πολλές φορές υψηλότερη από εκείνη των αλάτων γαλλίου όπως το νιτρικό ή το χλωριούχο γάλλιο.

Σε οδοντιατρικές εφαρμογές τα κράματα με γάλλιο-παλλάδιο-κασσίτερο δεν υφίστανται χρώση και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή και επισκευή ειδών οδοντικής προσθετικής. Αυτά τα κράματα παρουσιάζουν αρκετά υψηλή θερμοκρασία συγκόλλησης που επιτρέπει την προ-συγκόληση του κράματος χωρίς παραμόρφωση της αποκατάστασης.

Εφαρμογές κραμάτων γαλλίου

• Γρανάτης γαδολινίου-γαλλίου (Gadolinium Gallium Garnet, GGG) με χημικό τύπο Gd₃Ga₅O₁₂ και με εμπορικά ονόματα όπως Galliant ή Diamonique II χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο του διαμαντιού γιατί είναι σχεδόν άχρωμος, έχει υψηλό δείκτη διάθλασης, λάμπει σαν διαμάντι και είναι σκληρός και κατεργάσιμος.
• Κράμα βαναδίου-γαλλίου χρησιμοποιείται στην παρασκευή υπεραγώγιμου μαγνήτη πεδίου 17,5 Τ.
• Το κράμα galinstan, αποτελούμενο από γάλλιο, ίνδιο και αντιμόνιο, είναι ρευστό δε θερμοκρασία δωματίου και επειδή έχει χαμηλή τοξικότητα αντικαθιστά τον υδράργυρο στα θερμόμετρα. Το κράμα αυτό έχει επίσης υψηλότερο ανακλαστικότητα και μικρότερη πυκνότητα από τον υδράργυρο, γι' αυτό τον αντικαθιστά και στους υγρούς καθρέπτες των τηλεσκοπίων της αστρονομίας.
• Πολλά κράματα γαλλίου με στοιχεία της 13ης και 15ης ομάδας του περιοδικού πίνακα χρησιμοποιούνται ευρέως ως ημιαγωγοί. Οι ενώσεις αυτές αποδίδονται με μη στοιχειομετρικούς τύπους όπως π.χ. Ga_xIn_1-xAs_ySb_1-y, Ga_xIn_1-xP κ.ά.

Στρατιωτικές εφαρμογές

Οι ενώσεις GaAs ή GaN, λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους, χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές εφαρμογές και μάλιστα δεν υπάρχουν επί του παρόντος αποτελεσματικά υποκατάστατα. Για παράδειγμα, στα ραντάρ, τρία ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του GaN το καθιστούν ιδιαίτερα πολύτιμο: πολύ υψηλή αντίσταση εξόδου, καλό υπόστρωμα θερμικής αγωγιμότητας και κατανομή ηλεκτρικού πεδίου που είναι δέκα φορές μεγαλύτερο από αυτό του GaAs. Επιπλέον, μια σειρά από σύγχρονες ενεργές κεραίες που χρησιμοποιούν GaN σε μαχητικά και περιπολικά αεροσκάφη, έχουν το κατάλληλο εύρος ζώνης και την ισχύ για επικοινωνίες και εκτέλεση επίθεσης παρεμβολών. Σε αυτό το πλαίσιο, η χρήση του GaN είναι ιδιαίτερα σημαντική για την ανάπτυξη των ενισχυτών που έχουν τόσο πολύ υψηλό εύρος ζώνης και μεγάλη ισχύ.

Το γάλλιο είναι επίσης σημαντικό για αμυντικούς σκοπούς, επειδή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εξειδικευμένες φωτογραφικές μηχανές που λειτουργούν σε υπεριώδη μήκη κύματος και φωτογραφίζουν εκτοξεύσεις πυραύλων ή εντοπίζουν εργοστάσια παραγωγής βιολογικών όπλων και επειδή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ειδικά διαμορφωμένες, συμπαγείς υπέρυθρες κάμερες για τη χρήση σε μη επανδρωμένα οχήματα.

Στο παρελθόν, το γάλλιο είχε χρησιμοποιηθεί στη μηχανική κατεργασία του πλουτωνίου των πυρηνικών όπλων, για τη σταθεροποίηση των αλλοτροπικών μορφών του.

Άλλες εφαρμογές

• Το γάλλιο έχει χρησιμοποιηθεί σε καταλύτες στην πετροχημική βιομηχανία. Η μετατροπή του προπανίου σε βενζολικά παράγωγα (βενζόλιο, τολουόλιο, ξυλόλιο) βελτιώνεται με χρήση ζεολίθων ως καταλύτες που έχουν εμποτιστεί με διάλυμα νιτρικού γαλλίου. Η δραστική ουσία φαίνεται να είναι το οξείδιο του γαλλίου που είναι διάσπαρτο στο ζεόλιθο παρά τα κατιόντα του μετάλλου σε θέση ανταλλαγής.
• Το γαλλικό μαγνήσιο, που περιέχει προσμίξεις όπως Mn²⁺, έχει αρχίσει να χρησιμοποιείται σε υπεριώδεις ακτίνες που ενεργοποιούνται από σκόνη φωσφόρου.
• Επειδή το γάλλιο μπορεί να υγράνει το γυαλί ή την πορσελάνη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία πολύ λαμπρών καθρεπτών.
• Όταν το γάλλιο προστίθεται σε ποσότητες έως 2 % στο υλικό κοινών συγκολλήσεων, μπορεί να βελτιώσει τα χαρακτηριστικά τους. Χρησιμοποιείται ακόμη ως "κόλλα" πολυτίμων λίθων πάνω σε μεταλλικά κοσμήματα.

Δευτερογενής παραγωγή - Ανακύκλωση γαλλίου

Το γάλλιο που ανακτάται από ανακύκλωση, κυρίως από το GaAs και από τα απόβλητα που προκύπτουν από την υγρή φάση της επιταξίας, αποτελεί σημαντική πηγή του μετάλλου και μπορεί να αποτελεί μέχρι και το μισό της προσφοράς στην παγκόσμια αγορά. Η ανακύκλωση μπορεί να γίνει είτε από τα κατάλοιπα της παραγωγής νέων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, είτε μετά το τέλος της ζωής χρησιμοποιημένων συσκευών. Από μια ράβδο GaAs μόνο το 15 % καταστρέφεται κατά τη χρήση· το υπόλοιπο 85 % μπορεί να ανακυκλωθεί. Ωστόσο, ειδικοί εκτιμούν ότι είναι σχεδόν αδύνατο να αυξηθούν οι ανακυκλούμενες ποσότητες επειδή, λόγω της αξίας του Ga και της τοξικότητας του As, αυτές έχουν ήδη βελτιστοποιηθεί.

Όπως ήδη αναφέρθηκε, οι χώρες που ανακυκλώνουν γάλλιο είναι ο Καναδάς, οι Η.Π.Α., η Ιαπωνία, η Μεγάλη Βρετανία και η Γερμανία. Είναι πιθανό όμως ότι γίνεται σημαντική ανακύκλωση και στην Κίνα.

Δείτε επίσης

• Γαλλίτης
• Βόριο
• Αργίλιο
• Ίνδιο
• Θάλλιο

Επιλεγμένη βιβλιογραφία

• Aldridge, Simon & Downs, Anthony John, επιμ. (2011). The Group 13 Metals Aluminium, Gallium, Indium and Thallium: Chemical Patterns and Peculiarities. Chichester: John Wiley and Sons. ISBN 978-0-470-68191-6. OCLC 803852190. 
• Downs, Anthony John (1993). Chemistry of Aluminium, Gallium, Indium and Thallium. Glasgow: Blackie Academic & Professional. ISBN 0-7514-0103-X. Ανακτήθηκε στις 29 Ιανουαρίου 2014. 
• Ebbing, Darrell D.· Gammon, Steven D. (2008). General Chemistry (9η έκδοση). Cengage Learning. ISBN 0-618-85748-6. 
• Emsley, J. (2003). Nature's building blocks: an A-Z guide to the elements. Oxford University Press. ISBN 0-198-50340-7. 
• Greenwood, Norman Neill· Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2η έκδοση). Oxford: Butterworth–Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4. 
• Heather, Hasan (2010). The Boron Elements: Boron, Aluminum, Gallium, Indium, Thallium (Understanding the Elements of the Periodic Table). New York: Rosen Publishing Group. ISBN 978-1-43585-333-1. 
• Housecroft, Catherine E.· Sharpe, Alan G. (2005). Inorganic chemistry (2η έκδοση). Prentice Hall. ISBN 978-0-1303-9913-7. 
• Μανουσάκης, Γεώργιος Ε. (1994). Γενική και Ανόργανη Χημεία. Θεσσαλονίκη: Αφοί Κυριακίδη. ISBN 960-343-272-5. 
• Pauling, Linus (1988). General Chemistry (3η έκδοση). Dover Publications. ISBN 978-04866-5622-9. 
• Roesky, Herbert W. & Atwood, David A., επιμ. (2003). Group 13 Chemistry III: Industrial Applications (Structure and Bonding Series, No. 105). Berlin: Springer. ISBN 978-3-54044-105-2. OCLC 773435020. 
• Schwartz, Mel (2002). Encyclopedia and Handbook of Materials, Parts and Finishes (2η έκδοση). CRC Press. ISBN 978-15667-6661-6. 
• Shapiro, Pamela J. & Atwood, David A., επιμ. (2002). Group 13 Chemistry: From Fundamentals to Applications (Acs Symposium Series, No. 822). Washington: American Chemical Society. ISBN 978-0-84123-785-8. OCLC 48837793. 
• Weeks, Mary Elvira (1933). Discovery of the elements. Journal of Chemical Education. ISBN 0-766-13872-0. 
• Wiberg, Egon· Holleman, Arnold Frederick· Wiberg, Nils· Aylett, Bernhard J.· Brewer, William & Eagleson, Mary (2001). Inorganic chemistry. San Diego, California: Academic Press. ISBN 0-123-52651-5. OCLC 833903147. 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Theodore Gray : Elements Display
• Mineral Species containing Gallium (Ga)
• Library of Inorganic Structures : Ga
• Pictures of Gallium, its minerals and applications
• High-resolution photographs of molten gallium, gallium crystals and gallium ingots under Creative Commons licence
• Pure Gallium crystals ~99,9999% picture in the element collection from Heinrich Pniok Αρχειοθετήθηκε 2008-12-19 στο Wayback Machine.
• Κουτάλι από γάλλιο που λειώνει
• Recapture Metals Limited, Germany
• Dowa Holdings, Japan