Gallium - Prix du gallium, occurrence, extraction, utilisation

Général

Gallium est un élément chimique rare avec le symbole de l'élément Ga et le numéro atomique 31. Dans le tableau périodique, il est dans la 4ème période et est le troisième élément du 3ème groupe principal (groupe 13) ou groupe bore. C'est un métal blanc argenté facile à liquéfier. Le gallium ne cristallise pas dans l'une des structures cristallines que l'on trouve souvent dans les métaux, mais dans sa modification la plus stable dans une structure orthorhombique avec des dimères de gallium. De plus, on connaît six autres modifications qui se forment dans des conditions de cristallisation particulières ou sous haute pression. En termes de propriétés chimiques, le métal est très similaire à l'aluminium.

Dans la nature, le gallium n'est présent que dans une faible mesure et principalement sous forme de mélange dans les minerais d'aluminium, de zinc ou de germanium; Les minéraux de gallium sont très rares. En conséquence, il est également obtenu comme sous-produit dans la production d'aluminium ou de zinc. La majeure partie du gallium est transformée en arséniure de gallium semi-conducteur, qui est principalement utilisé pour les diodes électroluminescentes.

Occurrence 

Le gallium est un élément rare sur terre, avec une teneur de 19 ppm dans la croûte continentale, son abondance est comparable à celle du lithium et du plomb. Il n'apparaît pas sous forme élémentaire, mais uniquement sous forme liée, principalement dans les minerais d'aluminium, de zinc ou de germanium. Les minerais les plus riches en gallium comprennent la bauxite, les minerais de zinc blende et la germanite.

Les teneurs en gallium sont pour la plupart faibles, la bauxite trouvée au Suriname avec la plus haute teneur connue ne contient que 0,008% de gallium. Les réserves de gallium dans la bauxite dans le monde sont de 1,6 · 10⁶ Tonnes estimées. Des teneurs plus élevées allant jusqu'à 1% de gallium se trouvent dans la germanite. Ce n'est que dans la mine Apex, dans l'État américain de l'Utah, que les minerais ont été trouvés si haut que l'extraction du gallium a été tentée. Cependant, cela a échoué après un court laps de temps pour des raisons de rentabilité.

Seuls quelques minéraux de gallium sont connus, parmi lesquels la gallite (CuGaS) trouvée principalement à Tsumeb en Namibie₂), Söhngeit (Ga (OH)₃) et la tsumgallite (GaO (OH)).

Extraction et présentation 

Le gallium est obtenu comme sous-produit de la production d'aluminium à partir de bauxite dans le procédé Bayer. Le mélange d'aluminate de sodium et de gallate de sodium dissous dans la soude est utilisé comme produit de départ. Le gallium peut être séparé de l'aluminium en utilisant divers procédés. Une possibilité est la cristallisation fractionnée à l'aide de dioxyde de carbone, l'hydroxyde d'aluminium précipitant initialement préférentiellement tandis que le gallate de sodium plus soluble s'accumule dans la solution d'hydroxyde de sodium. L'hydroxyde de gallium n'est précipité qu'après d'autres étapes du procédé, mélangé à de l'hydroxyde d'aluminium. Le mélange est ensuite dissous dans une solution d'hydroxyde de sodium et le gallium est obtenu par électrolyse. Étant donné que ce processus nécessite beaucoup d'énergie et de main-d'œuvre, il n'est utilisé que dans les pays à faible coût, comme la République populaire de Chine.

Le gallium peut également être obtenu directement à partir de la solution d'hydroxyde de sodium par électrolyse. Des cathodes au mercure sont utilisées à cet effet, un amalgame de gallium se formant lors de l'électrolyse. Il est également possible d'ajouter de l'amalgame de sodium à la solution.

Avec l'aide d'hydroxyquinoléines spéciales comme ligands chélateurs, il est possible d'extraire le gallium de la soude caustique avec du kérosène et de le séparer ainsi de l'aluminium. D'autres éléments, également extraits, peuvent être séparés avec des acides dilués. Le composé de gallium restant est ensuite dissous dans de l'acide chlorhydrique ou sulfurique concentré et réduit par voie électrolytique en métal.

Le gallium très pur est nécessaire pour de nombreuses applications techniques; pour les semi-conducteurs, par exemple, il ne peut contenir qu'un cent millionième de substances étrangères. Les méthodes de nettoyage possibles sont la distillation sous vide, la cristallisation fractionnée ou la fusion par zone.

La quantité de gallium produite est faible, en 2008 la production primaire mondiale était de 95 tonnes. Une autre source importante est le recyclage des déchets contenant du gallium, dont 2008 tonnes supplémentaires de gallium ont été extraites en 135. Les principaux pays producteurs sont la République populaire de Chine, l'Allemagne, le Kazakhstan et l'Ukraine, pour le recyclage du gallium également les États-Unis, le Japon et le Royaume-Uni.

A l'échelle du laboratoire, le gallium peut être produit par électrolyse d'une solution d'hydroxyde de gallium dans une solution d'hydroxyde de sodium sur des électrodes en platine ou en tungstène.

• La production de gallium ultra pur 99,99999%

Propriétés 

Propriétés physiques

Le gallium est un métal blanc argenté doux (dureté Mohs: 1,5). Il a un point de fusion inhabituellement bas pour les métaux, qui est de 29,76 ° C. Après le mercure et le césium, c'est le métal avec le point de fusion le plus bas, qui est également bien en dessous de celui des éléments voisins aluminium et indium. Cela est probablement dû à la structure cristalline inhabituelle qui, contrairement aux structures d'autres métaux, n'a pas un degré élevé de symétrie et n'est donc pas très stable. Le point d'ébullition étant comparativement élevé à 2204 ° C, le gallium a une surface inhabituellement grande dans laquelle il est liquide. En raison de la cristallisation difficile, le gallium liquide peut facilement être refroidi en dessous du point de fusion (sous-refroidissement) et cristallise soudainement lorsque les noyaux de cristallisation se forment.

Comme le silicium, certains autres éléments et l'eau, le gallium présente une anomalie de densité; sa densité est environ 3,2% plus élevée à l'état liquide que sous forme solide. Ceci est typique des substances qui ont des liaisons moléculaires à l'état solide.

Le gallium est diamagnétique à l'état solide, mais devient paramagnétique à l'état liquide ( = 2,4 10^-6 à 40 ° C)

La formation de liaisons gallium-gallium est caractéristique de ses structures. On connaît diverses modifications qui se forment dans différentes conditions de cristallisation (quatre modifications connues, α- à δ-gallium, sous pression normale) et sous pression (un total de trois autres modifications haute pression, Ga-II, Ga-III, Ga-IV). La modification la plus stable à température ambiante est l'α-gallium, qui cristallise dans une structure de couche orthorhombique. Deux atomes liés l'un à l'autre par une liaison covalente forment un dimère. Chaque atome de gallium est également adjacent à six autres atomes d'autres dimères. Il existe des liaisons métalliques entre les dimères individuels. Les dimères de gallium sont si stables qu'ils sont initialement retenus même lorsqu'ils fondent et peuvent également être détectés en phase gazeuse.

D'autres modifications se forment pendant la cristallisation du gallium liquide en surfusion. À -16,3 ° C, il se forme du β-gallium, qui a une structure cristalline monoclinique. Dans la structure, il y a des chaînes en zigzag parallèles d'atomes de gallium. Si la cristallisation se produit à une température de -19,4 ° C, il se forme du δ-gallium trigonal, dans lequel, comparable à l'α-bore, des icosaèdres déformés composés de douze atomes de gallium sont présents. Ceux-ci sont reliés les uns aux autres via des atomes de gallium individuels. A -35,6 ° C, le γ-gallium est finalement formé. Dans cette modification orthorhombique, les tubes sont formés à partir de Ga interconnectés₇Anneaux au milieu d'une chaîne linéaire d'autres atomes de gallium.

Si le gallium est placé sous haute pression à température ambiante, diverses modifications haute pression se succèdent lorsque la pression est augmentée. La modification du gallium-II cubique est stable au-dessus de 30 kbar, dans lequel chaque atome est entouré de huit autres. Si la pression est portée à 140 kbar, le métal cristallise alors sous forme de gallium-III tétragonal dans une structure qui correspond à celle de l'indium. Si la pression est encore augmentée jusqu'à environ 1200 kbar, la structure cubique à faces centrées du gallium IV est finalement formée.

Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques du gallium sont similaires à celles de l'aluminium. Ainsi, le gallium est passivé par la formation d'une couche d'oxyde dense dans l'air et ne réagit pas. Ce n'est que dans de l'oxygène pur à haute pression que le métal brûle avec une flamme vive pour former l'oxyde. De même, il ne réagit pas non plus avec l'eau, car l'hydroxyde de gallium insoluble se forme ici. Si, par contre, le gallium est allié à l'aluminium et est liquide à température ambiante en raison de l'abaissement du point de fusion, il réagit très violemment avec l'eau. Le gallium réagit également rapidement avec les halogènes pour former les sels correspondants GaX₃.

Le gallium est amphotère et soluble dans les acides et les bases avec dégagement d'hydrogène. Dans les acides, comme l'aluminium, des sels avec Ga se forment³⁺Ions, en bases gallates de la forme [Ga (OH)₄]^-. Il se dissout lentement dans les acides dilués et rapidement dans l'aqua regia et la soude caustique concentrée. Le gallium est passivé par l'acide nitrique.

Réaction du gallium avec de la soude caustique

La plupart des métaux sont attaqués par le gallium liquide, il ne peut donc être stocké que dans des conteneurs en quartz, verre, graphite, oxyde d'aluminium, tungstène jusqu'à 800 ° C et tantale jusqu'à 450 ° C.

isotope 

Il y a un total de 30 isotopes de gallium entre ⁵⁶Ga et ⁸⁶Ga et sept autres isomères de noyau connus. De ceux-ci sont deux ⁶⁹Ga et ⁷¹Ga stable et se produisent également dans la nature. Dans la composition isotopique naturelle prédomine ⁶⁹Ga avec 60,12%, 39,88% sont ⁷¹Ga. Des isotopes instables ⁶⁷Ga a la demi-vie la plus longue avec 3,26 jours, les autres demi-vies vont de secondes à un maximum de 14,1 heures ⁷²Ga.

Deux isotopes du gallium, ⁶⁷Ga et celui de courte durée avec une demi-vie de 67,71 minutes ⁶⁸Les Ga sont utilisés en médecine nucléaire comme traceurs pour la tomographie par émission de positons. ⁶⁷Ga est produit dans un cyclotron, tandis que dans la production de ⁶⁸Aucun cyclotron n'est nécessaire. Au lieu de cela, l'isotope du germanium à plus longue durée de vie ⁶⁸Ge par irradiation de ⁶⁹Ga généré avec des protons. Cela tombe en morceaux ⁶⁸Ga, le résultat ⁶⁸Le Ga peut être extrait dans un générateur de gallium 68. Pour les études, le gallium est généralement lié dans un complexe avec un ligand fortement chélatant tel que l'acide 1,4,7,10-tétraazacyclododécane-1,4,7,10-tétraacétique (DOTA).

Utiliser 

En raison de la rareté de l'élément, le gallium n'est utilisé que dans une mesure limitée. Divers composés de gallium sont fabriqués à partir de la plupart du gallium produit. Les plus importants d'un point de vue économique sont de loin ceux qui contiennent des éléments du 5e groupe principal, surtout l'arséniure de gallium, qui est, entre autres, nécessaire pour les cellules solaires et les diodes électroluminescentes. En 2003, 95% du gallium produit était utilisé à cette fin. Il sert également de matériau de dopage du silicium (dopage p).

La grande plage de température dans laquelle l'élément est liquide et la faible pression de vapeur en même temps sont utilisées pour la construction de thermomètres. Les thermomètres au gallium peuvent être utilisés jusqu'à des températures de 1200 ° C. Le gallium liquide peut être utilisé comme liquide barrière pour mesurer le volume de gaz à des températures plus élevées et comme matériau d'électrode liquide dans l'extraction de métaux ultra-purs tels que l'indium.

Le gallium a une mouillabilité élevée et une bonne réflectivité et est donc utilisé comme revêtement pour les miroirs. Il est également utilisé dans les alliages fondus, pour les échangeurs de chaleur dans les réacteurs nucléaires et en remplacement du mercure dans les lampes.

Les alliages de gallium avec d'autres métaux ont diverses utilisations. Les matériaux magnétiques sont créés par alliage avec du gadolinium, du fer, de l'yttrium, du lithium et du magnésium. L'alliage avec le vanadium dans la composition V₃Le Ga est un supraconducteur avec une température de transition relativement élevée de 16,8 K. Dans les armes nucléaires, il est allié au plutonium pour éviter les changements de phase. De nombreux alliages de gallium comme le Galinstan sont liquides à température ambiante et peuvent remplacer le mercure toxique ou les alliages sodium-potassium très réactifs.

preuve 

Le gallium peut être détecté qualitativement avec diverses réactions de couleur typiques. Ceux-ci incluent la réaction avec la rhodamine B dans le benzène, qui devient fluorescente jaune-orange à rouge-violet lorsque le gallium est ajouté, le morin, qui montre une fluorescence verte comme dans la réaction avec l'aluminium et l'hexacyanidoferrate de potassium (III), avec le gallium un précipité blanc d'hexacyanidoferrate de gallium (III ) formes. De plus, une détection spectroscopique via les raies spectrales violettes caractéristiques à 417,1 et 403,1 nm est possible.

Des preuves quantitatives peuvent être fournies par des titrages complexométriques, par exemple avec de l'acide éthylènediaminetétraacétique ou par spectrométrie d'absorption atomique.

Toxicologie et signification biologique 

Aucune donnée toxicologique n'existe pour le gallium métal; cependant, il est corrosif pour la peau et les muqueuses. Les composés nitrate de gallium (III) Ga (NO₃)₃ et oxyde de gallium (III) Ga₂O₃ posséder LD orale₅₀Valeurs dans la gamme des grammes: 4,360 g / kg pour le nitrate et 10 g / kg pour l'oxyde. Le gallium est donc considéré comme peu toxique et, pour autant que l'on sache, ne joue aucun rôle chez l'homme en tant qu'oligo-élément.

Liens 

Dans les composés, le gallium se produit presque exclusivement à l'état d'oxydation +3. De plus, des composés de gallium (I) rares et pour la plupart très instables sont connus, ainsi que ceux qui contiennent à la fois du gallium mono- et trivalent (formellement des composés de gallium (II)).

Composés avec des éléments du groupe azote

Les composés techniquement les plus importants du gallium sont ceux contenant les éléments du groupe azote. Le nitrure de gallium, le phosphure de gallium, l'arséniure de gallium et l'antimoniure de gallium sont des semi-conducteurs typiques (semi-conducteurs III-V) et sont utilisés pour les transistors, les diodes et d'autres composants en électronique. En particulier, des diodes électroluminescentes de différentes couleurs sont produites sous forme de composés de groupes gallium-azote. La couleur, qui dépend de la bande interdite, peut être ajustée par le rapport différent des anions ou en remplaçant le gallium par de l'aluminium ou de l'indium. L'arséniure de gallium est également utilisé pour les cellules solaires. Ceux-ci sont notamment utilisés dans les satellites, car l'arséniure de gallium est plus résistant aux rayonnements ionisants que le silicium.

des halogénures

Halogénures de gallium de la forme GaX₃ sont similaires dans de nombreuses propriétés aux composés d'aluminium correspondants. À l'exception du fluorure de gallium (III), ils se présentent sous forme de dimères dans une structure de bromure d'aluminium. Le chlorure de gallium (III) est le seul halogénure d'importance économique mineure. Il est utilisé comme acide de Lewis dans les réactions de Friedel-Crafts.

Connexions supplémentaires

Comme l'oxyde d'aluminium, l'oxyde de gallium (III) est un solide incolore à point de fusion élevé. Il se produit dans cinq modifications différentes, dont la β-modification cubique est la plus stable.

Les composés organiques du gallium existent sous forme gallane GAR₃, Gallylene GAR et comme gallans supérieursqui contiennent des liaisons gallium-gallium. Comme de nombreux autres composés organométalliques, ils sont instables à l'air et à l'hydrolyse. L'un des rares composés organiques du gallium d'importance économique est le triméthylgallium, qui est utilisé comme réactif de dopage et pour la production de couches minces d'arséniure de gallium et de nitrure de gallium dans l'épitaxie en phase gazeuse organométallique.

Général
Nom, symbole, numéro atomique	Gallium, Ga, 31
La Gamme	métaux
Groupe, période, bloc	13, 4, p
Apparence	blanc argenté
numéro CAS	7440-55-3
Fraction de masse de la coquille de terre	14 ppm
nucléaire
masse atomique	69,723 unités
Rayon atomique (calculé)	130 (136) après-midi
Rayon covalent	122 pm
Rayon de van der Waals	187 pm
configuration électronique	[Ar] 3d10 4s2 4p1
1. ionisation	578,8 kJ / mol
2. ionisation	1979,3 kJ / mol
3. ionisation	2963 kJ / mol
physiquement
L'état physique	fest
modifications	sept
densité	5,904 g / cm3
dureté Mohs	1,5
magnétisme	diamagnétique ( = -2,3 10-5)
point de fusion	302,91 K (29,76 ° C)
point d'ébullition	2477 K (2204 ° C)
Volume molaire	11,80 · 10-6 m3/ mol
Chaleur de vaporisation	256 kJ / mol
la chaleur de fusion	5,59 kJ / mol
vitesse du son	2740 m / s à 293,15 K
Capacité thermique spécifique	371 J / (kg K)
Conductivité électrique	à propos de 7,14 · 106 A / (V · m)
conductivité thermique	29 W / (m K)
Chimique
états d'oxydation	3
potentiel normal	−0,53 V (Ga3+ + 3 e- → Ga)
électronégativité	1,81 (échelle de Pauling)
isotope
isotope NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 67Ga {Syn.} 3,2612 j ε 1,00 67Zn 68Ga {Syn.} 67,629 minutes β+, ε 2,921 68Zn 69Ga 60,1% stable 70Ga {Syn.} 21,14 minutes β- 1,656 70Ge 71Ga 39,9% stable 72Ga {Syn.} 14,10 heures β- 4,001 72Ge 73Ga {Syn.} 4,86 heures β- 1,593 73Ge
Sicherheitshinweise
étiquetage SGH substances dangereuses

Gallium prix, graphiques, prix

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