Gallium

Im Jahr 1871 prognostizierte Dmitri Mendelejew mit Hilfe des von ihm entwickelten Periodensystems ein neues, Eka-Aluminium genanntes Element, welches sich später als Gallium herausstellen sollte.

Der französische Chemiker Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, der Mendelejews Voraussagen nicht kannte, fand heraus, dass zwischen Aluminium und Indium ein weiteres, noch unbekanntes Element stehen müsse. 1875 gelang es ihm in Paris schließlich, im Emissionsspektrum von Zinkblende-Erz, welches er in Säure gelöst und mit metallischem Zink versetzt hatte, zwei violette Spektrallinien zu belegen. Diese ordnete er dem noch unbekannten Element zu.

Anschließend konnte Boisbaudran aus einigen Hundert Kilogramm Zinkblende eine größere Menge Galliumhydroxid herstellen. Daraus stellte er durch Lösen in einer Kaliumcarbonatlösung und Elektrolyse erstmals elementares Gallium her.

Für die Namensgebung gibt es zwei unterschiedliche Theorien. Nach der ersten benannte Boisbaudran das Element nach Gallien, der lateinischen Bezeichnung seines Heimatlandes Frankreich. Die zweite gibt das ebenfalls lateinische Wort gallus (Hahn) als Quelle des Namens an, das im Französischen Le Coq heißt. Paul Émile Lecoq de Boisbaudran hätte das neue Element demnach nach seinem eigenen Namen benannt.

Gallium ist ein silberweißes, leicht bläulich glänzendes, sehr weiches Metall. Es hat einen für Metalle sehr niedrigen Schmelzpunkt von 29,76 °C. Auch wenn die Temperatur danach abgekühlt wird, bleibt das Metall noch einige Zeit unter seinem Schmelzpunkt flüssig.

Gallium ist relativ unedel und lößt sich unter Wasserstoffentwicklung in verdünnten Säuren und langsam auch in heißem Wasser. In kaltem Wasser und mit konzentrierter Salpetersäure erfolgt aufgrund einer Passivierung keine Reaktion. An der Luft ist es sehr beständig. Erst in reinem Sauerstoff un unter hohem Druck verbrennt Gallium. Mit der Gruppe der Haloge reagiert es bereits bei Zimmertemperatur und bildet die entsprechenden Halogenide. Die Galliumverbindungen zeigen große Ähnlichkeiten mit den Aluminiumverbindungen. Mit Aluminium bilden sich Legierungen mit sehr niedrigem Schmelzpunkt, die bei geringem Aluminiumgehalt auch heftig mit Wasser reagieren.

Bei der langsamen Abkühlung von flüssigem Gallium entstehen Kristalle. Hierbei gilt umso langsamer der Abkühlungsprozess und um so reiner das Gallium, desto besser gelingt die Kristallisation.

Auf Grund der Seltenheit dieses Elementes wird Gallium nur in geringem Umfang industriell verwendet. Aus dem größten Teil des produzierten Galliums werden verschiedene Galliumverbindungen und Legierungen hergestellt. Einen hohen Stellenwert hat vor allem Galliumarsenid, das unter anderem für Solarzellen und Leuchtdioden benötigt wird. 2003 wurden 95 % des produzierten Galliums dafür verarbeitet. Daneben dient es auch als Material zur Dotierung von Silicium.

Der große Temperaturbereich, in dem Gallium flüssig ist, und der gleichzeitig niedrige Dampfdruck werden für den Bau von Thermometern genutzt. Galliumthermometer lassen sich bis zu Temperaturen von 1200 °C einsetzen.

Legierungen von Gallium mit anderen Metallen werden unterschiedlich eingesetzt. Durch Legieren mit Gadolinium, Eisen, Yttrium, Lithium und Magnesium entstehen magnetische Werkstoffe. Die Legierung mit Vanadium ist ein Supraleiter mit der vergleichsweise hohen Sprungtemperatur von 16,8 K. In Kernwaffen wird es mit Plutonium legiert, um Phasenumwandlungen zu verhindern. Viele Galliumlegierungen wie Galinstan sind bei Raumtemperatur flüssig und können das giftige Quecksilber oder die sehr reaktiven Natrium-Kalium-Legierungen ersetzen.

Aufgrund seines niedrigen Schwellenwerts für den Neutrinoeinfang von nur 233,2 keV eignet sich Gallium als Detektormaterial zum Nachweis solarer Neutrinos.

Für Galliummetall existieren keine toxikologischen Daten. Elementares Gallium wirkt jedoch ätzend, da es sich bereits bei Körpertemperatur verflüssigt. Eine Gefahr besteht vor allem für die Augen, da die Hornhaut durch das verflüssigte Gallium benetzt wird und diese nur schwer gereinigt werden kann. Die akute Toxizität vom Gallium und seinen Verbindungen ist relativ gering. Gallium wird in Dentallegierungen eingesetzt. Bei dieser Anwendung können allergische Reaktionen auftreten.

Gallium wirkt korrosiv gegenüber anderen Metallen. Vor allem Aluminium wird stark von Gallium angegriffen und dessen Kristallstruktur gestört. Deshalb sollte Gallium immer getrennt von anderen Metallen gelagert werden.

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