Gálium

Tlak pary
Gálium; (gallium)
	zinok ← gálium → germánium
	Periodická tabuľka
	4. perióda, 13. skupina, blok p
	kovy
Vzhľad
	striebrobiely kov
Atómové vlastnosti
Atómová hmotnosť	69,723 g·mol−1
Elektrónová konfigurácia	[Ar] 3d10 4s2 4p1
Atómový polomer	135 pm
Kovalentný polomer	122 pm
Kovový polomer	141 pm
Van der Waalsov pol.	187 pm
Iónový polomer; pre: Ga3+	62 pm
Chemické vlastnosti
Elektronegativita	1,81 (podľa Paulinga)
Ionizačná energia(e)	1: 578,8 kJ.mol−1; 2: 1 979,3 kJ.mol−1; 3: 2 963 kJ.mol−1
Oxidačné číslo(a)	III
Št. potenciál; (Ga3+/Ga)	−0,53 V
Fyzikálne vlastnosti (za norm. podmienok)
Skupenstvo	pevné
Hustota	5,91 kg·dm−3
Hustota kvapaliny; (pri 302,9146 K)	6,095 kg·dm−3
Teplota topenia	302,9146 K (29,7646 °C)
Teplota varu	2 477 K (2 203,85 °C)
Sk. teplo topenia	5,59 kJ·mol−1
Sk. teplo varu	254 kJ·mol−1
Tepelná kapacita	25,86 J·mol−1·K−1
Iné
Kryštálová sústava	rombická
Magnetizmus	diamagnetický
Elektrický odpor	270 nΩ·m
Tep. vodivosť	40,6 W·m−1·K−1
Tep. rozťažnosť	1,2 µm·m−1·K−1
Rýchl. zvuku	2 740 m·s−1
Youngov modul	9,8 GPa
Poissonovo č.	0,47
Tvrdosť (Mohs)	1,5
Tvrdosť (Brinell)	60 MPa
Reg. číslo CAS	7440-55-3
Izotop(y) (vybrané)
Commons ponúka multimediálny obsah na tému gálium.
	Chemický portál

Gálium (lat. Gallium) je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku Ga a protónové číslo 31. Je to vzácny mäkký strieborný kov, krehký, pevný len pri nízkych teplotách. Po ortuti má najnižšiu teplotu topenia. Hlavné uplatnenie nachádza v elektronike, v polovodičoch, v optoelektronike, výkonovej elektronike a jej chladení.^[1]

Fyzikálno-chemické vlastnosti[upraviť | upraviť zdroj]

Gálium je pomerne vzácny kov (ako olovo alebo molybdén), v prírode sa vyskytuje len vo forme zlúčenín v mocenstve Ga³⁺, výnimočne ako Ga¹⁺. Jeho nerasty gallit a germanit sa vyskytujú zriedkavo v niekoľkých baniach Južnej Afriky. V zemskej kôre je ale veľmi rozptýlené, nemá významné nerasty, a preto je jeho spracovávanie obtiažne a nákladné.

Gálium je typickým stopovým prvkom. Býva rozptýlené v nerastoch, ktoré obsahujú hliník, čo je spôsobené podobnosťou ich fyzikálno-chemických vlastností. Hlavná časť gália v litosfére je v hliníkových mineráloch. Obsah gália v bauxitoch je od 0,002 % do 0,01 %. Zvýšené koncentrácie gália sú aj v sfaleritoch (0,01 až 0,02 %), v čiernom uhlí (spolu s germániom), vturmalíne a tiež v niektorých železných rudách.

Je modrobieleho lesku, je mäkké a obtiera sa o prsty. Pod vplyvom aj slabého trenia v dlaniach sa topí. Vyrába sa z odpadu pri metalurgickom spracovávaní iných kovov (hliník, meď,...).

História[upraviť | upraviť zdroj]

Gálium objavil francúzsky chemik Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran pomocou spektroskopie v roku 1875. Prvok bol však predpovedaný už v roku 1870 ruským chemikom Dmitrijom Mendelejevom, ktorý predpovedal jeho existenciu vďaka periodickej tabuľke a jej periodickým vlastnostiam a dočasne ho nazval eka-aluminium (pod hliníkom).

Výroba[upraviť | upraviť zdroj]

Hlavným zdrojom gália je výroba hliníka spracovaní bauxitu Bayerovou metódou. Hlavnou surovinou pre priemyselnú produkcia gálium je bauxit, ktorý ho zvyčajne obsahuje ako súčasť nečistôt (do 0,1 %). Extrahuje sa elektrolýzou z alkalických kvapalín, ktoré sú medziproduktom spracovania prírodného bauxitu na komerčný oxid hlinitý. Gálium sa z takýchto roztokov izoluje elektrolýzou na ortuťovej katóde. Z alkalického roztoku získaného po úprave amalgámu vodou sa vyzráža, ktorý sa rozpustí v alkalickom roztoku a elektrolýzou sa izoluje gálium.

V roku 1963 bol v ZSNP vyrobený prvý kilogram československého gália, vypracovaný a laboratórne overený postup výroby a rafinácie gália na čistotu 99,999 %. V roku 1985 už v ZSNP produkovali ročne 3,5 tony, čo bola desatina svetovej výroby. Po zmenách v roku 1989 nastal útlm výroby oxidu hlinitého bola výroba gália bola v ZSNP novembri 1990 ukončená. Za celkové obdobie od r. 1969 do roku 1992 v ZSNP vyrobili 42 688 kg gália.^[2] V Spojených štátoch sa výroba primárneho gália začala až v roku 1987.^[3]

V roku 2010 Čína produkovala rovnako ako zbytok sveta ročne asi 100 ton gália. Od tohto roku spolu s dominanciou vo výrobe hliníka získala dominanciu aj vo výrobe gália a v roku 2022 už Čína ovládala 98% svetovej produkcie surového gália, čo predstavuje ročne asi 500 ton.^[1]

Cena a použitie[upraviť | upraviť zdroj]

Cena gália v roku 2023 značne poklesla po tom čo v júni 2022 dosiahla vrchol (od roku 2018).^[4] Cena gália čistoty 99,99% bola v auguste 2023 (pri kúpe malého množstva) asi 644 USD/kg,^[3] čo je približne pätina ceny Germánia. ^[4]
Odhaduje sa (Fraunhofer Institute), že len v Európe do roku 2030 budeme potrebovať oproti súčasnosti (2023) 7 až 26-krát viac gália.^[3]
Pretože gálium nie je jedovaté, z jeho zliatin s cínom a bizmutom sa robia zubné plomby namiesto amalgámu.
Používa sa aj ako náplň teplomerov na meranie vysokých teplôt.
Pokovovaním skla alebo porcelánu sa vyrábajú vysokokvalitné zrkadlá.
Gálium ako prísada veľmi znižuje teplotu tavenia zliatin, ktoré sa používajú na výrobu uzáverov automatických požiarnych prístrojov.
Veľmi čisté gálium sa používa na výrobu polovodičových elektronických prvkov (hlavne n-p-n tranzistorov).
V množstve do 2% sa používa ako prísada do spájok.

Zlúčeniny[upraviť | upraviť zdroj]

Arzenid galitý (GaAs) sa používa na výrobu LED diód, mikrovlnných diód, integrovaných obvodov a solárnych panelov. Viac ako 95% gália spotrebovaného v Spojených štátoch je vo forme GaAs. Analógové integrované obvody sú najväčšou aplikáciou pre gálium, pričom optoelektronické zariadenia (najmä laserové diódy a LED) sú až za nimi.^[5]
GaN - wide bandgap semiconductors. Polovodiče so širokým zakázaným pásmom sú polovodičové materiály, ktoré majú väčšiu medzeru v pásme ako bežné polovodiče. Bežné polovodiče, ako je kremík, majú zakázané pásmo v rozsahu 0,6 – 1,5 eV, zatiaľ čo materiály so širokým zakázaným pásmom ho majú nad 2 eV.
Zliatina gália, india a cínu s bodom tavenia (pri ochladzovaní tuhnutia) -20 °C sa používa pod obchodným názvom Galinstan ako náhrada ortuti v medicínskych teplomeroch.
Predpokladá sa použitie tekutej zliatiny Ga-Sn ako chladiaceho média namiesto vody vo vodou chladených čipoch superpočítačov. Táto zliatina má 65 krát väčšiu tepelnú vodivosť ako voda.
Ďalšie zliatiny sa využívajú pri chladení (aj výkonových súčiastok).^[6]

Strategická surovina[upraviť | upraviť zdroj]

Oblasti použitia zlúčenín gália zasahujú do obranného vojenského priemyslu a preto bolo v poslednom čase označené svetovými veľmocami (USA, EÚ) ako strategická surovina. 3. júla 2023 sa do centra pozornosti dostalo práve gálium (a germánium), keď čínske ministerstvo obchodu oznámilo plány na zavedenie nových obmedzení na vývoz tohto kovu. Tieto opatrenia, ktoré nadobudli účinnosť 1. augusta 2023 a už stihli otriasť globálnymi dodávateľskými reťazcami ale zároveň dokazujú čínsku ochotu využiť nerasty na geopolitický zisk. Už v roku 2011 Čína napríklad obmedzila vývoz gália do Japonska ako reakcia na vzájomný územný spor. V roku 2022 Čína ovládala 98% svetovej produkcie surového gália. Tento virtuálny monopol je do značnej miery výsledkom postavenia Číny ako globálneho lídra vo výrobe hliníka – procesu, ktorým sa získava väčšina svetového gália.^[1]^[5]

Referencie[upraviť | upraviť zdroj]

↑ ^a ^b ^c FUNAIOLE, Matthew P.; HART, Brian; POWERS-RIGGS, Aidan. De-risking Gallium Supply Chains: The National Security Case for Eroding China’s Critical Mineral Dominance. Report produced by the Center for Strategic and International Studies (CSIS) (CSIS), 2023-08-03. Dostupné online [cit. 2023-08-23]. (po anglicky)
↑ CUDZIŠ, František. Výroba gália na Slovensku (R.Kafka, L.Čambalová: Z dejín výroby hliníka na Slovensku, Neografia Martin, 2001, ISBN 80-88892-39-2) [online]. blog.sme.sk, [cit. 2023-08-23]. Dostupné online.
↑ ^a ^b ^c Gallium Price Today & Historical - 2023 Forecast - Where to Buy [online]. [Cit. 2023-08-24]. Dostupné online. (po anglicky)
↑ ^a ^b Gallium - 2023 Data - 2018-2022 Historical - 2024 Forecast - Price - Quote - Chart [online]. tradingeconomics.com, [cit. 2023-08-24]. Dostupné online.
↑ ^a ^b Gallium Statistics and Information | U.S. Geological Survey [online]. www.usgs.gov, [cit. 2023-08-23]. Dostupné online. (po anglicky)
↑ liquid gallium cooling: Topics by Science.gov [online]. www.science.gov, [cit. 2023-08-23]. Dostupné online. (po anglicky)