Erfahren Sie hier alles über das
Element Gallium

Weiße Hexagons vor blauem Grund, in einem Hexagon ist das Germanium Elemente Symbol zu sehen.

Erfahren Sie hier alles über das Element Gallium

Zwei silberne Barren Germanium.
Eine goldene Klammer wie sie in einer Formel verwendet wird.

Name: Gallium
Symbol: Ga
Ordnungszahl: 31
Massenanteil an der Erdhülle: 14 ppm
Dichte: 5,904g cm-3
Mohshärte: 1,5
Schmelztemperatur: 29,76 °C
Siedetemperatur: 2.400 °C
Elektr. Leitfähigkeit: 7,4 x 106 A·V−1·m−1

Gallium gehört im Periodensystem zu den Halbmetallen.

Zwei silberne Barren Germanium.

Name: Gallium
Symbol: Ga
Ordnungszahl: 31
Massenanteil an der Erdhülle: 14 ppm
Dichte: 5,904g cm-3
Mohshärte: 1,5
Schmelztemperatur: 29,76 °C
Siedetemperatur: 2.400 °C
Elektr. Leitfähigkeit: 7,4 x 106 A·V−1·m−1

Gallium gehört im Periodensystem zu den Halbmetallen

Eigenschaften

Gallium ist ein sehr seltenes, hellblau schimmerndes Metall mit seltsamen, widersprüchlichen Eigenschaften. Der Rohstoff hat eine sehr niedrige Schmelztemperatur von knapp 30 °C, also Handwärme. In Legierungen, beispielsweise mit Indium, können sogar Schmelzpunkte unterhalb von 5 °C erreicht werden.

Ein glänzender Germanium-Kristall auf grauem Grund.

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Gallium schmlizt in der Hand
Mit einer Siedetemperatur von 2.400 °C ist es bis über den extrem hohen Bereich von 2.370 °C flüssig. Gallium ist weich, bei plötzlicher mechanischer Bearbeitung splittern aber feste Stücke ab. Es bleibt auch unter seinem Schmelzpunkt zunächst flüssig und erst durch einen Kristallisationskeim verflüssigt es sich.

Gallium weist eine Dichteanomalie auf. Es hat in flüssigem Zustand eine höhere Dichte als in festem Zustand. Nur wenige Elemente bzw. Verbindungen weisen dieses Phänomen auf. Die bekannteste Dichteanomalie findet man bei Wasser, H2O. Wasser hat bei 4 °C seine höchste Dichte mit der Folge, dass der bei unter 0 °C feste Zustand, also Eis, oben schwimmt. Ein Glücksfall für Menschen, denn ohne die Dichteanomalie bei Wasser gäbe es kein Leben auf der Erde.

  • Von der Industrie wird Gallium zu den Technologiemetallen gezählt – jenen Metallen, die für technologische Innovationen von besonderer Bedeutung sind.
  • In anderen Kontexten wird Gallium ebenfalls als Strategisches Metall bezeichnet, was seine Relevanz für die Wirtschaft eines Landes unterstreicht.
  • Gallium ist außerdem ein kritischer Rohstoff, also strategisch bedeutsam, aber nur endlich verfügbar.
  • Von der Industrie wird Gallium zu den Technologiemetallen gezählt – jenen Metallen, die für technologische Innovationen von besonderer Bedeutung sind.
  • In anderen Kontexten wird Gallium ebenfalls als Strategisches Metall bezeichnet, was seine Relevanz für die Wirtschaft eines Landes unterstreicht.
  • Gallium ist außerdem ein kritischer Rohstoff, also strategisch bedeutsam, aber nur endlich verfügbar.

GESCHICHTE

Schwarz-Weiß Bild von Clemens Winkler.
Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran

Im Jahre 1875 entdeckt der französische Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran Gallium. Boisbaudran war eigentlich seit 1958 im familiären Weinhandel tätig gewesen, hatte sich jedoch in seiner Freizeit der Suche neuer Elemente mittels spektroskopischer Analyse gewidmet. 1869 veröffentlichte Dmitry Ivanovich Mendeleyev das Periodensystem, auf dem er einige Stellen freigelassen, jedoch Vermutungen über die Eigenschaften der dort wahrscheinlich befindlichen Elemente angestellt hatte. Eines dieser Elemente war Eka-Aluminium.

Bei der Untersuchung von Zinksulfit erkennt Boisbaudran schließlich zunächst die Spektrallinien eines anderen Elementes, das, wie er nach der Isolierung feststellt, genau die Eigenschaften hat, die Mendeleyev für das Eka-Aluminium vorausgesagt hatte. Mit Boisbaudrans Entdeckung verfestigt sich damit der Glaube an die Korrektheit des Periodensystems. Boisbaudrans nennt seine Entdeckung Gallium, nach seinem Heimat Frankreich, Gallien im Lateinischen. Der Chemiker könnte hier aber auch seinen eigenen Nachnamen im Element verewigt haben. Lecoq bedeutet Hahn oder im Lateinischen Gallus.

Weitere Elemente, die von Boisbaudrans entdeckt wurden sind Samarium (1880), and Dysprosium (1886).

VORKOMMEN & GEWINNUNG

Gallium kommt ausschließlich in Verbindung mit anderen Elementen vor, meistens in Bauxit zusammen mit Aluminium und Zink, aber auch in dem selten vorkommenden Mineral Germanit. Der Galliumanteil in Bauxit liegt etwa bei nur 0,1 %, entsprechend sind Galliumminerale selbst sehr selten

Es gibt verschiedene Arten der Gewinnung von Gallium, alle sind sehr aufwendig. Meist ist Ausgangspunkt ein in Natronlauge gelöstes Gemisch, aus dem durch mehrere Verfahrensschritte Aluminium- und Galliumverbindungen getrennt werden. Reines Gallium wird schließlich durch eine sehr energieaufwendige Elektrolyse gewonnen. Nicht zuletzt aus Gründen der geringen Energiekosten ist der wichtigste Lieferant für die Primärproduktion heutzutage China. Das verglichen damit sehr viel einfachere Recycling findet naturgemäß in fast allen Industrieländern statt.

Grauer Argyrodit Brocken
Bauxitstein. Bild: wikimedia / BlueBreezeWiki, CC-BY 3.0

ANWENDUNGSGEBIETE von Gallium

ANWENDUNGS-GEBIETE von Gallium

Gallium spielt als Halbleiter in der Optoelektronik (die Umwandlung von elektrischen Daten in Lichtströme) eine große Rolle. Wichtige Einsatzgebiete sind die LED und OLED Technologie sowie die Photovoltaik. Auch in Computerchips, wie in der Hochfrequenz-Technik, welche für die Satelliten- wie auch die Mobilfunk-Kommunikation relevant ist, wird Gallium verarbeitet.

Gallium ist in der Dentaltechnik Legierungszusatz, in der Nuklearmedizin wird es in der Diagnostik verwendet. Gallium kann außerdem als ungiftiger Quecksilberersatz genutzt werden. Zwar ist der Rohstoff teurer, doch können mit Gallium-Thermometern Temperaturen bis 1.200 °C gemessen werden.

Leuchtdioden (LED)

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Seit den 90er Jahren wird Gallium in Form von Gallium-Nitrid (GaN) in LED und OLED Technologie verarbeitet. Hier hat es mehrere Innovationen entscheidend beeinflusst. War es lange nur möglich rotes und orangenes LED-Licht effizient zu erzeugen, kann mit Hilfe von Gallium-Nitrid das gesamte sichtbare Farbspektrum zum Leuchten gebracht werden. Außerdem sorgt Gallium-Nitrid für eine verbesserte Lichtausbeute.

(O)LED sind in einer großen Bandbreite moderner Produkte zu finden. Elektroautos, Zimmerbeleuchtungen, Displays (weiße LED) und Flachbildschirme verwenden Leuchtdioden, aber auch andere Produkte, wie etwa die bei Kindern beliebten leuchtenden Turnschuhe oder Ampelsysteme. Die Relevanz von Gallium für diese Industrie wird im Bericht der Deutschen Rohstoffagentur zu Gallium deutlich. Hier heißt es: „Eine moderne blaue Leuchtdiode besteht aus einer Vielzahl verschiedener Materialien wie Gallium-Nitrid als Basismaterial, Indium-Gallium-Nitrid als leuchtende Schicht und Aluminium-Gallium-Nitrid zur Effizienzsteigerung (Marscheider-Weidemann et al. 2016).“ (2018, 21)

Photovoltaik

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Für die Photovoltaik (die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie) spielt die Dünnschichttechnologie CIGS eine zentrale Rolle. Der Begriff ist ein englisches Akronym, welches sich aus den hier verarbeiteten Rohstoffen zusammensetzt: Copper, Indium, Gallium, Sulfur, Selenium (dt.: Kupfer, Indium, Gallium, Schwefel, Selen). Gallium wird dabei in Form von Galliumarsenid, also als Halbleiterverbindung aus Gallium und Arsen, als Ersatz für das gängigere Silizium eingesetzt.

Gallium-Arsenid-haltige Dünnschichtsolarzellen sind teuer in der Herstellung und aufwendig in der Entsorgung, so dass diese meist nur dort verbaut werden, wo die besonderen Eigenschaften dieser Zellen auch unbedingt gebraucht werden: im Weltraum. Weil sie hitzebeständiger als Siliziumzellen sind, auch in schlechteren Lichtverhältnissen gute Leistung erbringen und mit der schädlichen UV-Strahlung im Weltraum umgehen können, findet man Gallium-Arsenid-Dünnschicht-Solarzellen daher in der Regel in Satelliten. Das erste Raumfahrzeug mit Gallium-Arsenid-Dünnschicht-Solarzellen, Venera 3, startete 1965 ins All. Als Teil einer Tandem-Solarzelle versorgte die Technologie die NASA Mars-Rover Spirit 2004-2010) und Opportunity (2004-2018) mit Strom und auch die Raumstation ISS nutzt CIGS-Solarzellen.

Computerelektronik

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In den 50er Jahren entwickelt Heinrich Welker, Leiter der Festkörperphysik im Forschungslaboratorium der Siemens-Schukert-Werke AG in Erlangen, Gallium-Arsenid. Seit den 1970ern kommt die Halbleiter-Verbindung in der Computerelektronik zum Einsatz. Hier dient Gallium-Arsenid zu Wafern (aus Halbleiter-Materialien hergestellte Basisplatten für elektronische Bauelemente) verarbeitet als Basis von Computerchips. Im Gegensatz zu siliziumbasierten Bauelementen sind Gallium-Arsenid-Wafer in der Lage bis zu 200 °C Hitze auszuhalten, kommen also ohne aufwendige Kühlsysteme aus. Sie verbrauchen zudem weniger Strom. Die Elektronengeschwindigkeit ist um das fünffache schneller, die Rechenleistung damit höher.

Setze man in den 1980ern große Hoffnungen auf die Zukunft der Gallium-Arsenid-Wafer, wartet die Industrie aktuell auf bezahlbare Produktionsoptionen. Gallium-Arsenid-Wafer sind fast tausendfach teurer in der Herstellung und durch das Arsen ebenfalls giftig. Daher arbeiten die im Handel erhältlichen Computer trotz der geringeren Leistung mit auf Silizium-Wafern-basierenden Computerchips.

Gallium wird häufig als Flüssigmetall-Wärmeleitpaste zur Kühlung von elektronischen Bauelementen eingesetzt. Da Gallium schon bei 30 °C schmilzt aber erst ab 2400 °C siedet, verdampft die Paste nicht und bleibt selbst bei hohen Temperaturen unverändert.

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