Gallium

Rozbalit box

Obsah boxu

Gallium (chemická značka Ga, latinsky Gallium) je chemický prvek s protonovým číslem 31. Nachází se ve 13. skupině a 4. periodě periodické tabulky. Jedná se o měkký, stříbřitě bílý kov, který je za standardních podmínek pevný, ale taje již při teplotě mírně nad pokojovou teplotou (29,76 °C). Díky této vlastnosti může roztát v lidské ruce. Gallium patří mezi kovy, ale jeho chemické vlastnosti vykazují podobnost s hliníkem a indiem. Jeho hlavní využití je v oblasti polovodičů, zejména ve formě arsenidu gallitého (GaAs) a nitridu gallitého (GaN).

Gallium se v přírodě nevyskytuje v čisté formě, ale pouze ve sloučeninách v malých koncentracích v bauxitových a sfaleritových rudách. Jeho existence byla předpovězena Dmitrijem Mendělejevem v roce 1871 na základě jeho periodického zákona, který ho nazval eka-hliník. Objeveno bylo spektroskopicky francouzským chemikem Paulem-Émilem Lecoqem de Boisbaudran v roce 1875.

📜 Historie

🏛️ Předpověď a objev

Existence gallia byla předpovězena v roce 1871 ruským chemikem Dmitrijem Mendělejevem. Na základě své periodické tabulky předpověděl existenci několika neznámých prvků, včetně jednoho, který měl vyplnit mezeru pod hliníkem. Nazval ho eka-hliník (ze sanskrtu, eka znamená "jeden") a s pozoruhodnou přesností předpověděl jeho klíčové vlastnosti, jako je atomová hmotnost (cca 68), hustota (5,9 g/cm³), nízký bod tání a skutečnost, že bude objeven pomocí spektroskopie.

Tato předpověď byla potvrzena v roce 1875, kdy francouzský chemik Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran zkoumal vzorek sfaleritu z Pyrenejí. Pomocí spektroskopu detekoval dvě nové fialové spektrální čáry, které naznačovaly přítomnost nového prvku. Ještě téhož roku se mu podařilo izolovat několik miligramů čistého kovu pomocí elektrolýzy jeho hydroxidu. Prvek pojmenoval gallium na počest své vlasti, Francie (latinsky Gallia).

Zajímavostí je, že první měření hustoty gallia, které de Boisbaudran provedl, udávalo hodnotu 4,7 g/cm³, což bylo v rozporu s Mendělejevovou předpovědí (5,9 g/cm³). Mendělejev napsal de Boisbaudranovi a navrhl mu, aby svá měření zopakoval, protože se domníval, že vzorek kovu nebyl čistý. De Boisbaudran, zpočátku skeptický, provedl další purifikaci a měření, která potvrdila Mendělejevovu předpověď. Tato událost byla jedním z nejvýznamnějších potvrzení platnosti periodického zákona a přinesla Mendělejevovi celosvětové uznání.

🏭 Moderní využití

Po dlouhou dobu nemělo gallium žádné významné komerční využití. Jeho unikátní vlastnosti, zejména obrovský rozsah teplot, ve kterém je v kapalném stavu, vedly k jeho použití ve vysokoteplotních teploměrech. Zlom nastal ve druhé polovině 20. století s rozvojem polovodičové technologie. Objev vlastností sloučeniny arsenid gallitý (GaAs) v 60. letech 20. století otevřel dveře k jeho masovému využití v mikrovlnné technice a infračervených aplikacích. Další revoluci přinesl vývoj nitridu gallitého (GaN), který umožnil výrobu vysoce svítivých modrých a bílých LED diod a laserových diod, což vedlo k udělení Nobelovy ceny za fyziku v roce 2014.

🔬 Fyzikální a chemické vlastnosti

🌡️ Fyzikální vlastnosti

Gallium je stříbřitě bílý kov s modravým leskem. V pevném stavu je křehké a lasturnatě se láme. Je to jeden z mála kovů (spolu s rtutí, cesiem a franciem), který může být za běžných teplot kapalný. Jeho bod tání je pouhých 29,76 °C, což znamená, že může roztát v lidské ruce.

Naopak jeho bod varu je velmi vysoký, přibližně 2204 °C. To dává galliu jeden z největších teplotních rozsahů, ve kterém zůstává v kapalném stavu, ze všech známých prvků. Tato vlastnost ho předurčuje pro použití ve vysokoteplotních teploměrech a termostatech.

Další neobvyklou vlastností gallia je, že při tuhnutí zvyšuje svůj objem (asi o 3,1 %), podobně jako voda, křemík, bismut nebo antimon. Z tohoto důvodu se nesmí skladovat v pevných skleněných nebo kovových nádobách, protože by je při ztuhnutí mohlo roztrhnout.

Kapalné gallium má tendenci k podchlazení; může zůstat v kapalném stavu i pod bodem tání. Krystalizaci lze snadno vyvolat přidáním malého krystalku pevného gallia (očkování). Kapalné gallium také smáčí sklo a porcelán, což z něj činí obtížně manipulovatelnou látku.

🧪 Chemické vlastnosti

Gallium se nachází ve 13. skupině, pod hliníkem. Jeho chemické chování je hliníku velmi podobné. Na vzduchu je relativně stálé, protože se na jeho povrchu vytváří tenká, pasivní vrstva oxidu gallitého (Ga₂O₃), která ho chrání před další oxidací.

Reaguje s kyselinami i zásadami, je tedy amfoterní.

• S kyselinami reaguje za vzniku gallitých solí a uvolnění vodíku:

2 Ga + 6 HCl → 2 GaCl₃ + 3 H₂

• S roztoky hydroxidů reaguje za vzniku gallitanů:

2 Ga + 2 NaOH + 6 H₂O → 2 Na[Ga(OH)₄] + 3 H₂

Nejběžnější oxidační stav gallia je +3. Existují i sloučeniny s oxidačním číslem +1, ty jsou však méně stálé.

Gallium je známé svou schopností difundovat do krystalové mřížky jiných kovů, zejména hliníku, zinku a oceli. Tento jev, známý jako zkřehnutí tekutým kovem, způsobuje, že tyto kovy ztrácejí svou pevnost a stávají se extrémně křehkými. Například hliníková plechovka, jejíž povrch je narušen galliem, se dá roztrhnout holýma rukama.

🌍 Výskyt a výroba

Gallium je relativně vzácný prvek, jeho obsah v zemské kůře se odhaduje na 15–19 ppm. To je srovnatelné s obsahem olova nebo lithia. V přírodě se nevyskytuje v ryzí formě. Jeho hlavními zdroji jsou:

• Bauxit: Ruda pro výrobu hliníku, která obsahuje gallium v koncentracích 0,001–0,1 %. Většina světové produkce gallia pochází právě jako vedlejší produkt při zpracování bauxitu Bayerovým procesem.
• Sfalerit: Ruda zinku, která může také obsahovat stopová množství gallia.

Výroba gallia je komplexní a energeticky náročná. Během Bayerova procesu se gallium koncentruje v alkalickém roztoku hydroxidu sodného. Z tohoto roztoku se následně získává elektrolýzou. Surové gallium se dále čistí několika metodami, jako je zonální tavení nebo krystalizace, aby se dosáhlo vysoké čistoty (až 99,9999 %), která je nezbytná pro polovodičové aplikace.

Největšími světovými producenty gallia jsou , , a . Vzhledem k jeho strategickému významu v elektronice a obranném průmyslu je gallium považováno za kritickou surovinu.

💡 Využití

Více než 95 % spotřeby gallia připadá na elektroniku, především ve formě polovodičových sloučenin.

📡 Polovodiče

• Arsenid gallitý (GaAs): Jedná se o nejdůležitější sloučeninu gallia. GaAs má vyšší pohyblivost elektronů než křemík, což mu umožňuje pracovat na mnohem vyšších frekvencích. Používá se pro výrobu:
  • Vysokofrekvenčních integrovaných obvodů pro mobilní telefony (zesilovače výkonu).
  • Mikrovlnných obvodů (např. pro radary a satelitní komunikaci).
  • Infračervených LED diod.
  • Vysoce účinných solárních článků, zejména pro vesmírné aplikace (satelity, kosmické sondy), kde je klíčová vysoká účinnost a odolnost vůči radiaci.

• Nitrid gallitý (GaN): Sloučenina, která způsobila revoluci v osvětlovací technice a výkonové elektronice. GaN se používá pro:
  • Vysoce svítivé modré, zelené a bílé LED diody. Objev modré LED na bázi GaN umožnil vznik bílých LED (kombinací modrého světla s fosforem) a plnobarevných LED displejů.
  • Modré a fialové laserové diody používané v Blu-ray přehrávačích.
  • Výkonové tranzistory pro moderní napájecí zdroje (např. kompaktní a účinné nabíječky pro notebooky a telefony) a pro vysokofrekvenční zesilovače v základnových stanicích 5G sítí.

🌡️ Slitiny a další využití

• Galinstan: Eutektická slitina gallia, india a cínu. Je tekutá při pokojové teplotě a používá se jako netoxická náhrada rtuti v lékařských a laboratorních teploměrech.
• Vysokoteplotní teploměry: Díky velkému rozsahu kapalného stavu se gallium používá v teploměrech pro měření vysokých teplot.
• Lékařství: Radioaktivní izotopy gallia (⁶⁷Ga a ⁶⁸Ga) se používají v nukleární medicíně pro diagnostiku zánětů, infekcí a nádorů (tzv. galliový sken).
• Fotovoltaika: Sloučeniny jako CIGS (měď-indium-gallium-selenid) se používají pro výrobu tenkovrstvých solárních článků.
• Jaderný průmysl: Gallium se v malém množství přidává do plutonia v jádrech jaderných zbraní, aby stabilizovalo jeho krystalovou strukturu (fázi δ) v širokém rozsahu teplot.

☣️ Biologický význam a bezpečnost

Gallium nemá žádný známý přirozený biologický význam pro živé organismy. V elementární formě je považováno za netoxické a při kontaktu s kůží nezpůsobuje vážné problémy, ačkoliv může zanechat šedou skvrnu.

Sloučeniny gallia, jako je chlorid gallitý (GaCl₃), mohou být dráždivé. Při manipulaci s galliem je třeba dbát opatrnosti kvůli jeho korozivnímu účinku na jiné kovy, zejména na hliník. Skladování gallia musí probíhat v plastových nebo speciálně potažených nádobách, aby se zabránilo jejich poškození při tuhnutí kovu.

🧑‍🏫 Pro laiky

Představte si gallium jako kouzelný kov. Vypadá jako kousek stříbra, ale když ho vezmete do ruky, během chvilky se vám teplem dlaně rozpustí na stříbrnou kapičku, podobně jako led. Ale na rozdíl od ledu je to stále kov.

• Proč je důležité? Gallium je superhrdina moderní elektroniky. Bez něj by nebyly jasné a úsporné LED žárovky, které máme doma, ani barevné obrazovky našich chytrých telefonů a televizí. Je také klíčovou součástí technologií, které umožňují rychlý mobilní internet, jako je 5G.
• Kde se bere? Nenajdete ho jen tak ležet na zemi. Získává se jako vedlejší produkt při výrobě hliníku z rudy zvané bauxit. Je ho tam jen velmi málo, takže je poměrně vzácné a drahé.
• Je nebezpečné? Samotný kov je pro člověka bezpečný. Jeho zvláštností ale je, že dokáže "nahlodat" jiné kovy. Když kápnete tekuté gallium na hliníkovou plechovku, hliník se stane tak křehkým, že ho můžete rozlomit rukama. Proto se musí skladovat v plastových lahvičkách, aby neroztrhlo skleněné nebo kovové nádoby, když zmrzne a zvětší svůj objem.

⏰ Tento článek je aktuální k datu 29.12.2025