Eigenschaften

Eigenschaften Gallium Verwendung Steckbrief

Hightech dank Gallium

 

Geschichte

Paul Emile Lecoq de Boisbaudran GalliumGallium ist ein sehr seltenes, hellblau schimmerndes Metall mit seltsamen, widersprüchlichen Eigenschaften. Es wurde 1875 im französischen Städtchen Cognac von dem französischen Physiker und Chemiker Paul Emile Lecoq de Boisbaudran (1838–1912) entdeckt und nach Gallien benannt, lateinisch für Frankreich. Ganz bestimmt hat er bei der Benennung des Metalls auch seinen eigenen Namen Le coq, der Hahn, lateinisch Gallus, verewigt. Ob er bei allem Patriotismus nicht vielleicht auch erst an seinen Namen und erst dann an Frankreich gedacht hat? Wer weiß!

1875 war auch das Jahr des “Metervertrag”, der seitdem weltweit das metrische System   als Meßgrundlage sichert. Dort wurden auch der “Urmeter” und das “Urkilogramm”, beide bestehend aus einer Platiniridium-Legierung und lagernd in Paris, als Maßeinheiten bestimmt.

Dimitri Mendelejew, der Erfinder des Periodensystems, sagte bereits 1871 vier Jahre vor der Entdeckung von Gallium dieses auf Grund von Berechnungen voraus und nannte es Eka-Aluminium.

Mendelejew wurde in seiner Heimatstadt St. Petersburg mit einem Denkmal geehrt.

 

Eigenschaften

gallium eigenschaften - gallium.de

Gallium hat eine sehr niedrige Schmelztemperatur von knapp 30 °C, also Handwärme, aber eine sehr hohe Siedetemperatur von 2400 °C. Es ist also über den extrem hohen Bereich von 2370 °C flüssig. In Legierungen, beispielsweise   mit Indium, können sogar Schmelzpunkte unterhalb von 5 °C erreicht werden. Es ist weich, bei plötzlicher mechanischer Bearbeitung splittern aber feste Stücke ab. Es bleibt auch unter seinem Schmelzpunkt zunächst flüssig, erst durch einen Kristallisationskeim verflüssigt es sich. Ebenfalls hat es in flüssigem Zustand eine höhere Dichte als in festem Zustand, genannt Dichteanomalie. 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. Ohne die Dichteanomalie bei Wasser gäbe es kein Leben auf der Erde.

 

 

Die wichtigsten Eigenschaften von Gallium

 

Name, Symbol, Ordnungszahl: Gallium, Ga, 31 Gallium Abbildung Flasche

Massenanteil an der Erdhülle: 1 x 10-3 %

Dichte: 5,904 g/cm³

Mohshärte: 1,5

Schmelzpunkt: 29,76 ºC

Elektrische Leitfähigkeit: 6,78 x 106 A / V x m

 

Gallium löst Aluminium, muss also vor allem in Flugzeugen entsprechend gesichert transportiert werden.

 

Vorkommen

Rohstoffgewinnung Gallium

Gallium kommt immer zusammen mit anderen Elementen vor, meistens in Bauxit zusammen mit Aluminium und Zink. Insofern ist Gallium ein Begleitmetall bei der Aluminium- und Zinkgewinnung. Der Galliumanteil in Bauxit liegt bei nur 0,1 %. Insofern sind Galliumminerale selbst sehr selten. Die Weltprimärproduktion lag 2008 bei nur 95 Tonnen, hinzu kommen 135 Tonnen aus Galliumschrotten, also Recycling.

Wichtigster Lieferant ist China.

 

Anwendungen

Gallium Anwendungen Technik

 

Gallium ist ungiftig und wird daher als nicht flüchtiger Ersatz für Quecksilber eingesetzt, wo wirtschaftlich möglich, da es sehr viel teurer ist. Dafür lassen sich mit Galliumthermometern Temperaturen bis 1200 °C messen.

Hauptsächlich dient es aber für viele Anwendungen in der Hochtechnologie:

 

LED durch Gallium

Das meiste Gallium wird für Galliumhalbleiter wie Galliumarsenid u. a. für Leuchtdioden verwendet, die immer mehr Anwendungen erfahren. Diese LEDs, vom englischen „light-emitting diode“, können sich durch konsequente Weiterentwicklung in Bezug auf hohe Lichtausbeute, niedrigen Stromverbrauch und lange Lebensdauer mittlerweile in allen modernen Beleuchtungssystemen durchsetzen. Hierzu gehören private Haushalte ebenso wie Büros und Fabriken, Straßenbeleuchtungen und Fahrzeuge aller Art.

LEDs blau Gallium Anwendung

Blaue LEDs basieren auf Indiumgalliumnitrid ©Wikipedia User Alexofdodd (CC BY-SA 3.0)

Durch verschiedene Galliumhalbleiter in Verbindung mit weiteren Metallen lassen sich Leuchtdioden unterschiedlicher Lichtstärke in allen Farben herstellen. Die Farbe Weiß entsteht durch Kombination der Farben rot, grün und blau.

LED-Flachbildfernseher nutzen LEDs als Hintergrundbeleuchtung, was eine hohe Leuchtdichte und somit eine geringe Bautiefe erlaubt.

Galliumarsenid benötigt man auch zur Herstellung von Wafern (Integrierte Schaltkreise) und Lasern.

Die aufkommende Elektromobilität wäre mit herkömmlichen Leuchtmitteln auf Grund des hohen Stromverbrauchs kaum denkbar.

Während diese Zeilen im März 2018 geschrieben werden, findet in Frankfurt am Main die Messe „Light & Building“ statt, mit der einhergeht die „Luminale“. Dieses Festival der Lichtkultur mit Lichtinstallationen und Lichtkunstwerken, das die ganze Stadt einschließlich der Nachbarstadt Offenbach sowie die Hochhäuser der Frankfurter Skyline abends mit einbezieht und Besucher aus der ganzen Welt begrüßen darf, ist nur möglich mit dem Einsatz von LEDs. Solche Lichtinstallationen findet man mittlerweile weltweit in Großstädten bei besonderen Gelegenheiten.

 

Weitere Anwendungsgebiete

Gallium wird für alle modernen Technologien wie Transistoren, Solarzellen, Opto-elektronik, Laser, Computer und Handys incl. Smartphones benötigt und ist kaum substituierbar. In der Computertechnik wird es zusammen mit Indium auch als Wärmeleitpaste, also zur Kühlung, eingesetzt. In der Dentaltechnik ist es Legierungszusatz, in der Nuklearmedizin wird es in der Diagnostik verwendet.

Studien zeigen, dass Galliumverbindungen als Medikamente gegen Osteoporose (Knochenschwund) eingesetzt werden können.

Sehr interessant, wenn auch nicht wichtig für tägliche Anwendungen, ist das Gallium-Experiment zum Nachweis von Neutrinos, genannt Gallex. Neutrinos sind kleinste Elementarteilchen, die sogar die Erde durchdringen können. Wissenschaftler der ganzen Welt haben an dem Projekt in den neunziger Jahren gearbeitet. Man hat in den Abruzzen ca. 100 km entfernt von Rom in umgerechnet 3200 m Wassertiefe einen Tank mit 100 Tonnen Galliumtrichlorid-Salzsäure Lösung eingebaut und damit Neutrinos detektiert. Eine ähnliche Forschung läuft bis heute in Russland als das Russisch-Amerikanische Gallium Experiment, genannt SAGE.

Gehandelt wird Gallium mit Reinheiten bis 99,9999 % (Sechser Gallium), üblich sind 99,99 % (Vierer Gallium), verpackt in PE-Flaschen zu 1 oder 2 Kilogramm.

 

Galliums Zukunft

Vernetzung Gallium Globus

Im Jahr 2017 wurde die DERA-Rohstoffliste 2016 mit dem Untertitel „Angebotskonzentration bei mineralischen Rohstoffen und Zwischenprodukten – potentielle Preis-und Lieferrisiken“ veröffentlicht, eine sehr aufwendige Studie der Deutschen Rohstoffagentur, ein Institut der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe.

Unter anderem wird dort auch Gallium untersucht. Bereits in der Zusammenfassung findet man den Satz:

„Hohe potentielle Preis- und Lieferrisiken weisen zwei Drittel aller untersuchten Raffinadeprodukte auf.“ Es folgt eine Aufzählung, darunter Gallium, Germanium, Indium, Wismut und Seltene Erden.

In der Studie wird auch die Dominanz Chinas als wichtigstes Bergbauland, wichtigster Raffinadeproduzent und bedeutendster Nettoexporteur von Zwischenprodukten genannt. China gelang es im vergangenen Jahrzehnt kontinuierlich, seine Marktanteile auszubauen. Als Beispiele werden genannt Gallium, Indium und Magnesium.

Gallium wird als eines der ersten Metalle weltweit knapp werden. Bis 2030 wird sich der Bedarf versechsfachen.

Zukunftsorientiert investieren mit Gallium

 

Quelle: „Strategische Metalle und Seltenerdmetalle“ Mikael Henrik von Nauckhoff