Gallium - Seilnacht

Gallium ist ein weißes, leicht bläulich glänzendes, sehr weiches Metall, das bereits in der Handwärme schmilzt. Auch wenn die Temperatur danach abgekühlt wird, bleibt das Metall noch lange Zeit unter seinem Schmelzpunkt flüssig. Galliumsalze erzeugen eine blauviolette Flammenfarbe.

Gallium ist ein relativ unedles Metall, das sich unter Wasserstoffentwicklung in heißer Salzsäure und langsam auch in heißem Wasser löst. Mit Salzsäure entsteht Gallium(I,III)-chlorid GaCl₂. Zur Darstellung von reinem Gallium(III)-chlorid GaCl₃ muss man Gallium unter Ausschluss von Feuchtigkeit im Chlorwasserstoffstrom erhitzen. In kaltem Wasser und mit konzentrierter Salpetersäure erfolgt aufgrund einer Passivierung keine Reaktion. An der Luft ist Gallium beständig. Es verbrennt erst in reinem Sauerstoff unter hohem Druck. Mit den Halogenen wie Iod, Brom oder Chlor reagiert es bereits bei Zimmertemperatur und bildet die entsprechenden Halogenide. Gallium(III)-iodid GaI₃ ist zum Beispiel ein hellgelbes Salz, das an der Luft raucht und stark hygroskopisch ist. 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.

Zum Züchten der orthorhombischen Galliumkristalle benötigt man etwa 250 Gramm reines Gallium und gibt dieses in eine Aluminiumschüssel. Die Schüssel wird mit kochendem Wasser gefüllt. Nachdem sich das Gallium verflüssigt hat, kühlt man das heiße Wasser durch Zugabe von kaltem Wasser langsam in einem Abwaschbecken ab. Nach einer Weile bilden sich kleine Kristalle in der Schmelze, die man mit einer Titanpinzette vorsichtig herausnehmen kann. Tritt die Kristallisation nicht von alleine ein, kann man mit kleinen Impfkristallen nachhelfen. Je reiner das Galium ist und je langsamer abgekühlt wird, umso besser ist die Qualität der gezüchteten Kristalle (Titelbild). Für eine schnellere Kristallzüchtung kann man auch durch Erwärmen verflüssigtes Gallium in einer Porzellanschale abkühlen lassen. Auf diese Weise erhält man etwas einfacher aufgebaute Kristalle (Bild unten). Wichtig ist, dass das Kristall zum richtigen Zeitpunkt entnommen wird.

Elementares Gallium wirkt ätzend, da es sich 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.

Häufigkeit weniger häufig

Das Erz mit dem höchsten Galliumanteil ist der Gallit, der 1958 in Tsumeb entdeckt wurde. In geringen Mengen findet sich Galliumerz im Bauxit, aus dem es als Nebenprodukt anfällt. Auch die Zinkblende, der Magnetit, der Pyrit und das seltene Germaniummineral Germanit enthalten Spuren von Galliumerzen. Der Hauptproduzent für Gallium ist China, während Japan, Südkorea und Russland noch einen kleinen Anteil ausmachen. Aufgrund des Vorkommens in Bauxit und Zinkerzen wäre eine Gewinnung aus den Rohstoffresourcen von einigen anderen Ländern möglich. Dies ist aber für diese Länder nicht rentabel.

Die Existenz eines Elements mit dem Namen „Eka-Aluminium“ sagte schon D.I. Mendelejew um 1871 voraus. Elementares Gallium wurde im Jahre 1875 in Paris von dem französischen Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838–1912) erstmals hergestellt: Von einem Mineningenieur erhielt er zunächst 52 Kilogramm Zinkblende aus der Mine bei Pierrefitte in den Pyrenäen. Daraus stellte er zunächst ein Gemisch löslicher Salze her. Bei der Zugabe von Zinkpulver wurde ein Salz ausgefällt, dass beim Erhitzen in der Wasserstoffflamme im Spektroskop zwei neue Linien offenbarte. Ein paar Monate später versuchte er in einem Pariser Laboratorium das neu entdeckte Element in elementarer Form zu gewinnen. Diesmal setzt er mehrere Zentner Zinkblende ein und löste diese in Königswasser mit einem Überschuss an Salzsäure auf. Nach dem Filtrieren gab er zu dem Filtrat Zinkstücke hinzu. Er stoppte die Reaktion, bevor alle Säure verbraucht war, so dass er ein Hydroxidkonzentrat erhielt, in dem neben weiteren Hydroxiden wie Aluminiumhydroxid auch Galliumhydroxid enthalten war. Dies konnte er nach einem aufwändigen Reinigungsverfahren in relativ reiner Form gewinnen. Nach dem Lösen des Galliumhydroxids in Kaliumcarbonat-Lösung und einer anschließenden Elektrolyse gewann er ein Gramm elementares Gallium. [Lit. 138]

Der von Lecoq de Boisbaudran vergebene Name Gallium lehnt sich an den lateinischen Namen Gallia für Gallien (heute Frankreich) an. „Le Coq“ bedeutet im Französischen auch „Der Hahn“, während gallus das lateinische Wort dafür ist. Wahrscheinlich war sich der Entdecker den beiden Bedeutungen bewusst.

Gallium fällt als Nebenprodukt bei der Zink- und Aluminiumherstellung an. Bei der Bauxitaufbereitung scheidet sich das Metall aus dem gewonnenen Natriumaluminat an einer mit Quecksilber beschichteten Eisenkathode elektrolytisch ab. Je Tonne Bauxit lassen sich bis zu 60 Gramm Gallium gewinnen. Die Reinigung des Galliums erfolgt durch eine nachfolgende elektrolytische Raffination. Aus dem gewonnenen hochreinen Gallium werden auch Einkristalle hergestellt.

Bei automatischen Feuerlöschvorrichtungen wird das Metall aufgrund seiner niedrigen Schmelztemperatur als Sperrverschluss eingesetzt. Mit Zinn, Blei, Bismut oder Cadmium entstehen leicht schmelzbare Legierungen. Der größte Anteil des gewonnenen Galliums dient zur Herstellung von Galliumverbindungen wie Aluminiumgalliumarsenid oder Galliumnitrid. Aus diesen lassen sich LED (Light Emitting Diode), Transistoren oder Laserdioden herstellen. Auf dieser Technik basieren auch die blauviolett leuchtenden Laserdioden zum Einlesen der Blu-Ray-Disk. Von besonderer Bedeutung sind Leuchtdioden, die eine solche Leuchtstärke entwickeln, dass sie für Beleuchtungszwecke eingesetzt werden können. Das Geheimnis des weißen Lichts besteht in einer Kombination von verschiedenen Schichten: Galliumnitrid wird auf eine Saphirschicht oder eine Siliciumschicht aufgedampft. Die darüber liegende mit Cer dotierte Fluoreszenzschicht aus Yttrium-Aluminium-Granat wandelt das vom darunter liegenden Halbleiter ausgesandte blaue Licht in weißes Licht um.

Thermometer mit schwer schmelzbarem Quarzglas und einer Galliumlegierungfüllung können Temperaturbereiche von −15 °C bis 1200 °C messen. In Fieberthermometern findet man heute die Galliumlegierung Galinstan. Sie besteht nach Angaben des Herstellers etwa aus 69% Gallium, 21% Indium und 10% Zinn (lat. stannum). Die flüssige Legierung erstarrt erst beim Abkühlen unterhalb −19 °C. Da die Legierung sehr gerne an Glas haftet, muss ein solcher Thermometer innen mit Gallium(III)-oxid beschichtet werden. Eine Besonderheit der Legierung ist ihre Fähigkeit, sich mit Aluminium zu legieren.