Galyum

Galyum, ₃₁Ga

Galyum
Telaffuz	/ˈɡæliəm/ ​(GAL-ee-əm)
Görünüm	gümüşi mavi
Standart atom ağırlığı Ar, std(Ga)	7001697230000000000♠69.723(1)
Periyodik tablodaki Galyum
Al ↑ Ga ↓ In çinko ← galyum → germanyum
Atom numarası (Z)	31
Grup	13. grup
Period	periyot 4
Blok	p-blok
Element kategorisi	Geçiş sonrası metal
Elektron konfigürasyonu	[Ar] 3d10 4s2 4p1
Kabuk başına elektron	2, 8, 18, 3
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Erime noktası	302.9146 K ​(29.7646 °C, ​85.5763 °F)
Kaynama noktası	2673 K ​(2400 °C, ​4352 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	5.91 g/cm3
sıvı olduğunda ( m.p.)	6.095 g/cm3
Isı entalpisi	5.59 kJ/mol
Buharlaştırma ısı	256 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	25.86 J/(mol·K)
Buhar basıncı P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 1310 1448 1620 1838 2125 2518
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	−5, −4, −3, −2, −1, +1, +2, +3 (bir amfoterik oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.81
İyonlaşma enerjisi	1.: 578.8 kJ/mol 2.: 1979.3 kJ/mol 3.: 2963 kJ/mol (daha fazlası)
Atom yarıçapı	deneysel: 135 pm
Kovalent yarıçapı	122±3 pm
Van der Waals yarıçapı	187 pm
galyum spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	​ortorombiktir
Sesin hızı kalay çubuk	2740 m/s (20 °C)
Termal Genleşme	18 µm/(m·K) (25 °C)
Termal iletkenlik	40.6 W/(m·K)
Elektriksel direnç	270 nΩ·m (20 °C)
Manyetik sıralama	diyamanyetik
Manyetik alınganlık	−21.6·10−6 cm3/mol (290 K)
Young modülü	9.8 GPa
Poisson oranı	0.47
Mohs sertliği	1.5
Brinell sertliği	56.8–68.7 MPa
CAS Numarası	7440-55-3
Tarihçe
Adlandırma	after Gallia (Latin for: France), homeland of the discoverer
Tahmini	Dmitri Mendeleev (1871)
Keşfeden ve ilk izolasyon	Lecoq de Boisbaudran (1875)
galyum ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 66Ga syn 9.5 h β+ 4.153 66Zn 67Ga syn 3.3 d ε 1.001 67Zn 68Ga syn 1.2 h β+ 1.899 68Zn 69Ga 60.11% kararlı 70Ga syn 21 min β− 70Ge ε 70Zn 71Ga 39.89% kararlı 72Ga syn 14.1 h β− 3.997 72Ge 73Ga syn 4.9 h β− 1.598 73Ge

Galyum, sembolü Ga ve atom numarası 31 olan kimyasal bir elementtir. Elementel galyum, standart sıcaklık ve basınçta yumuşak, gümüşi mavi bir metaldir; ancak sıvı halde gümüşi beyaz olur. Çok fazla kuvvet uygulanırsa, galyum konkoidal olarak kırılabilir. Periyodik tablonun 13. grubundadır ve bu nedenle grubun diğer metalleri, alüminyum, indiyum ve talyum ile benzerlik gösterir. Galyum doğada serbest bir element olarak değil, çinko cevherlerinde ve boksitte eser miktarda galyum (III) bileşikleri olarak ortaya çıkar. Elementel galyum, 29.76 °C'den (85.57 °F) yüksek sıcaklıklarda, oda sıcaklığının üstünde, ancak 37 °C (99 °F) normal insan vücudu sıcaklığının altında bir sıvıdır. Böylece, metal bir kişinin elinde eriyecektir.

Galyumun erime noktası sıcaklık referans noktası olarak kullanılır. Galyum alaşımları, termometrelerde cıvaya toksik olmayan ve çevre dostu bir alternatif olarak kullanılır ve cıvadan daha yüksek sıcaklıklara dayanabilir. Suyun donma noktasının çok altında, −19 °C (−2 °F) daha düşük bir erime noktası, alaşım galinstan (%62- ⁠95 galyum, %5–22% indiyum ve 0 – ⁠) için talep edilir. Ağırlıkça %16 kalay), ancak bu aşırı soğutma etkisiyle donma noktası olabilir.

1875'teki keşfinden bu yana, galyum düşük erime noktalarına sahip alaşımlar yapmak için kullanılmıştır. Ayrıca yarı iletkenlerde, yarı iletken yüzeylerde katkı maddesi olarak kullanılır.

Galyum ağırlıklı olarak elektronikte kullanılır. Elektronikte galyumun ana kimyasal bileşiği olan galyum arsenid, mikrodalga devrelerde, yüksek hızlı anahtarlama devrelerinde ve kızılötesi devrelerde kullanılır. Yarı iletken galyum nitrür ve indiyum galyum nitrür, mavi ve mor ışık yayan diyotlar (LED'ler) ve diyot lazerler üretir. Galyum ayrıca takılar için yapay gadolinyum galyum garnet üretiminde de kullanılır. Galyum teknoloji açısından kritik bir unsur olarak kabul edilir.

Galyumun biyolojide bilinen bir doğal rolü yoktur. Galyum (III) biyolojik sistemlerde ferrik tuzlara benzer şekilde davranır ve farmasötikler ve radyofarmasötikler dahil olmak üzere bazı tıbbi uygulamalarda kullanılmıştır.

Fiziki ozellikleri

Elemental galyum doğada bulunmaz, ancak eritme ile kolayca elde edilir. Çok saf galyum, cam gibi konkoidal olarak kırılan gümüşi bir metaldir. Galyum sıvısı katılaştığında %3.10 oranında genişler; bu nedenle cam veya metal kaplarda saklanmamalıdır çünkü galyum durumu değiştiğinde kap kırılabilir. Galyum, yüksek yoğunluklu sıvı durumunu su, silikon, germanyum, bizmut ve plütonyum içeren diğer malzemelerin kısa listesiyle paylaşır.

Galyum, diğer metallerin çoğuna metal kafese yayılarak saldırır. Örneğin, alüminyum-çinko alaşımlarının ve çeliğin tane sınırlarına yayılarak onları çok kırılgan hale getirir. Galyum birçok metalle kolayca alaşım oluşturur ve plütonyum kristal yapısını stabilize etmek için nükleer bombaların plütonyum çekirdeklerindeki plütonyum-galyum alaşımında küçük miktarlarda kullanılır.

302.9146 K (29.7646 °C, 85.5763 °F) sıcaklıktaki galyumun erime noktası oda sıcaklığının hemen üzerindedir ve yaklaşık olarak Dünya'nın orta enlemlerindeki ortalama yaz gündüz sıcaklıklarıyla aynıdır. Bu erime noktası (mp), Uluslararası Ağırlık ve Ölçüm Bürosu (BIPM) tarafından kurulan 1990 Uluslararası Sıcaklık Ölçeğinde (ITS-90) resmi sıcaklık referans noktalarından biridir. Üçlü galyum noktası, 302.9166 K (29.7666 °C, 85.5799 °F), ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) tarafından erime noktasına tercih edilir.

Farklı kristal eksenler için galyum özellikleri

özellik	a	b	c
α (~25 °C, µm/m)	16	11	31
ρ (29.7 °C, nΩ·m)	543	174	81
ρ (0 °C, nΩ·m)	480	154	71.6
ρ (77 K, nΩ·m)	101	30.8	14.3
ρ (4.2 K, pΩ·m)	13.8	6.8	1.6

Galyumun erime noktası insan elinde eriyebilir ve daha sonra çıkarılırsa tekrar dondurulur. Sıvı metal, erime noktasının/donma noktasının altında aşırı soğutmaya eğilimlidir: Ga nanopartiküller, 90 K'nin altında sıvı halde tutulabilir. Bir kristal ile sınıflanır, dondurmanın başlatılmasına yardımcı olur. Galyum, normal oda sıcaklığında veya yakınında sıvı olduğu bilinen radyoaktif olmayan dört metalden (sezyum, rubidyum ve cıva ile) biridir. Dördünden galyum, ne yüksek oranda reaktif (rubidyum ve sezyum) ne de yüksek derecede toksik (cıva) olmayan ve bu nedenle cam metal yüksek sıcaklık termometrelerinde kullanılabilen tek tanesidir. Metal için en büyük sıvı aralıklarından birine sahip olur ve (civadan farklı olarak) yüksek sıcaklıklarda düşük bir buhar basıncına sahip olması da dikkat çekicidir. Galyumun kaynama noktası, 2673 K, mutlak skaladaki erime noktasından sekiz kat daha fazladır, erime noktası ile herhangi bir elementin kaynama noktası arasındaki en büyük oran. Civadan farklı olarak, sıvı galyum metali cam ve cildi, diğer birçok malzemeyle birlikte (kuvars, grafit ve Teflon hariç) daha az toksik olmasına ve uzak durmasına rağmen mekanik olarak daha zor hale getirir. Cam üzerine boyanmış galyum parlak bir aynadır. Bu nedenle, metal kontaminasyonu ve donma-genleşme problemlerinin yanı sıra, galyum metali numuneleri genellikle diğer kaplar içindeki polietilen paketlerde tedarik edilir.

Galyum, basit kristal yapıların hiçbirinde kristalleşmez. Normal koşullar altında kararlı faz, geleneksel birim hücrede 8 atomlu ortorombiktir. Bir birim hücre içinde, her atomun en yakın bir komşusu vardır (244 pm mesafede). Kalan altı birim hücre komşusu 27, 30 ve 39 pm daha uzaktadır ve aynı mesafedeki çiftler halinde gruplandırılmıştır. Birçok kararlı ve metastabil faz, sıcaklık ve basıncın fonksiyonu olarak bulunur. En yakın iki komşu arasındaki bağ kovalenttir; bu nedenle Ga₂ dimerleri kristalin temel yapı taşları olarak görülür. Bu, alüminyum ve indiyum komşu elementlere göre düşük erime noktasını açıklar. Bu yapı, galyum atomlarının tek 4p elektronları arasında, 4s elektronlardan ve [Ar]3d¹⁰ çekirdeğinden daha uzakta olan çekirdekten daha uzak olan etkileşimler nedeniyle iyot ve formlara çarpıcı bir şekilde benzer. Bu fenomen, oda sıcaklığında sıvı olan "sahte soy gaz" [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s² elektron konfigürasyonu ile cıva ile tekrar eder. 3d¹⁰ elektronları dış elektronları çekirdekten çok iyi korumaz ve bu nedenle galyumun ilk iyonizasyon enerjisi alüminyumdan daha büyüktür.

Galyumun fiziksel özellikleri oldukça anizotropiktir, yani a, b ve c gibi üç ana kristalografik eksen (tabloya bakınız) boyunca farklı değerlere sahiptir, bu da doğrusal (α) ve hacim termal genleşme katsayıları arasında önemli bir fark oluşturur. Galyumun özellikleri, özellikle erime noktasının yakınında, sıcaklığa güçlü bir şekilde bağlıdır. Örneğin, ısıl genleşme katsayısı erimeden sonra yüzde yüz artar.

İzotopları

Galyumun kütle sayısı 56 ila 86 arasında değişen 31 bilinen izotopu vardır. Sadece iki izotop stabildir ve doğal olarak galyum-69 ve galyum-71 oluşur. Galyum-69 daha fazladır: doğal galyumun yaklaşık %60,1'ini, galyum-71 ise %39,9'unu oluşturur. Diğer tüm izotoplar radyoaktiftir, galyum-67 en uzun ömürlüdür (yarı ömür 3.261 gün). Galyum-69'dan daha hafif izotoplar genellikle beta artı çürüme (pozitron emisyonu) veya çinko izotoplarına elektron yakalama yoluyla bozulur, ancak en hafif azı (kütle numaraları 56 ila 59 olan) hızlı proton emisyonu ile bozulur. İzotoplar, muhtemelen ertelenmiş nötron emisyonu ile beta eksi bozunma (elektron emisyonu) yoluyla germanyumun izotoplarına galyum-71 bozunurken, galyum-70 hem beta eksi bozunma hem de elektron yakalama yoluyla bozunabilir. Galyum-67, bozunma enerjisi pozitron emisyonuna izin vermek için yeterli olmadığından, çürüme modu olarak sadece elektron yakalanmasında ışık izotopları arasında benzersizdir. Galyum-67 ve galyum-68 (yarılanma ömrü 67.7 dk) nükleer tıpta kullanılmaktadır.

Kimyasal özellikler

Galyum esas olarak +3 oksidasyon durumunda bulunur. +1 oksidasyon durumu bazı bileşiklerde de bulunur, ancak galyumun daha ağır aynı türden şey indiyum ve talyum için olduğundan daha az yaygındır. Örneğin, çok kararlı GaCl₂ hem galyum(I) hem de galyum(III) içerir ve Ga^IGa^IIICl₄ olarak formüle edilebilir; bunun aksine, monoklorür 0 °C'nin üzerinde kararsızdır, elementel galyum ve galyum(III) klorüre orantısızdır. Ga–Ga bağları içeren bileşikler, GaS Ga₂⁴⁺(S²⁻)₂) olarak formüle edilebilir) ve dioksan kompleksi Ga₂Cl₄(C₄H₈O₂)₂ gibi gerçek galyum(II) bileşikleridir.

Sulu kimya

Güçlü asitler galyum çözer ve Ga
2(SO
4)
3 (galyum sülfat) ve Ga(NO
3)
3 (galyum nitrat) gibi galyum (III) tuzları oluşturur. Sulu galyum (III) tuz çözeltileri, hidratlanmış galyum iyonu, [Ga(H
2O)
6]3+
içerir. Galyum (III) hidroksit, Ga(OH)
3, amonyum ilave edilerek galyum (III) çözeltilerinden çökeltilebilir. Ga(OH)
3'ün 100 °C'de kurutulması galyum oksit hidroksit, GaO(OH) üretir.

Alkalin hidroksit çözeltileri galyum çözer ve Ga(OH)−
4 anyonunu içeren gallat tuzları (aynı adı taşıyan gallik asit tuzları ile karıştırılmamalıdır) oluşturur. Amfoterik olan galyum hidroksit, alkali içinde çözünerek gallat tuzları oluşturur. Daha önceki çalışmalar Ga(OH)3−
6'yı başka bir olası gallat anyonu olarak önerse de, daha sonraki çalışmalarda bulunamadı.

Oksitler ve kalkogenitler

Galyum, kalkojenlerle sadece nispeten yüksek sıcaklıklarda reaksiyona girer. Oda sıcaklığında galyum metal, pasif ve koruyucu bir oksit tabakası oluşturduğu için hava ve su ile reaktif değildir. Bununla birlikte, daha yüksek sıcaklıklarda, galyum (III) oksit, Ga
2O
3 oluşturmak için atmosferik oksijen ile reaksiyona girer. Ga
2O
3'ün vakumda elementel galyum ile 500 °C ila 700 °C arasında azaltılması, koyu kahverengi galyum(I) oksit, Ga
2O verir. Ga
2O, H
2SO
4'ü H
2S'ye azaltabilen çok güçlü bir indirgeyici maddedir. Bu galyum ve Ga
2O
3 800 °C arkasında ayrışır.

Galyum(III) sülfür, Ga
2S
3, 3 olası kristal modifikasyonuna sahiptir. Galyumun 950 °C'de hidrojen sülfür (H
2S) ile reaksiyonu ile yapılabilir. Alternatif olarak, Ga(OH)
3 747 °C'de kullanılabilir:

2 Ga(OH)
3 + 3 H
2S → Ga
2S
3 + 6 H
2O

Bir alkali metal karbonat ve Ga
2O
3 karışımının H
2S ile reaksiyona sokulması [Ga
2S
4]2−
anyonu ihtiva eden tiyogallatların oluşumuna yol açar. Güçlü asitler bu tuzları ayrıştırarak işlemde H
2S salar. Civa tuzu HgGa
2S
4 fosfor olarak kullanılabilir.

Galyum ayrıca galyum(II) sülfür ve yeşil galyum(I) sülfür gibi düşük oksidasyon durumlarında sülfitler oluşturur; bunların ikincisi bir azot akışı altında 1000 °C'ye ısıtılarak üretilir.

Diğer ikili kalkogenitler, Ga
2Se
3 ve Ga
2Te
3, çinkoblende yapıya sahiptir. Hepsi yarı iletkenlerdir, ancak kolayca hidrolize edilirler ve sınırlı faydaları vardır.

Nitrürler ve piktidler

Galyum, galyum nitrür, GaN oluşturmak için 1050 °C'de amonyak ile reaksiyona girer. Galyum ayrıca fosfor, arsenik ve antimon ile ikili bileşikler oluşturur: galyum fosfit (GaP), galyum arsenit (GaAs) ve galyum antimonid (GaSb). Bu bileşikler ZnS ile aynı yapıya sahiptir ve önemli yarı iletken özelliklere sahiptir. GaP, GaAs ve GaSb, galyumun elementel fosfor, arsenik veya antimon ile doğrudan reaksiyonu yoluyla sentezlenebilir. GaN'den daha yüksek elektrik iletkenliği sergilerler. GaP ayrıca düşük sıcaklıklarda Ga
2O'nun fosfor ile reaksiyona sokulmasıyla sentezlenebilir.

Galyum üçlü nitrürler oluşturur; Örneğin:

Li
3Ga + N
2 → Li
3GaN
2

Fosfor ve arsenik ile benzer bileşikler mümkündür: Li
3GaP
2 ve Li
3GaAs
2. Bu bileşikler, seyreltik asitler ve su ile kolayca hidrolize edilir.

Halidler

Galyum(III) oksit, galyum(III) florür, GaF
3 oluşturmak üzere HF veya F₂ gibi florlayıcı maddelerle reaksiyona girer. Suda kuvvetle çözünmeyen iyonik bir bileşiktir. Bununla birlikte, hidroflorik asit içinde çözünür, burada su ile bir eklenti oluşturur, GaF
3·3H
2O. Bu eklentiyi dehidre etmeye çalışmak GaF
2OH·nH
2O oluşturur. İlave madde amonyak ile reaksiyona girerek GaF
3·3NH
3'ü oluşturur, bu daha sonra susuz GaF
3 oluşturmak üzere ısıtılabilir.

Galyum triklorür galyum metalin klor gazı ile reaksiyonu sonucu oluşur. Triflorürün aksine galyum(III) klorür, erime noktası 78 °C olan dimerik moleküller Ga
2Cl
6 olarak bulunur. Eşdeğer bileşikler bromin ve iyot, Ga
2Br
6 ve Ga
2I
6 ile oluşturulur.

Diğer grup 13 trihalidler gibi, galyum (III) halojenürler, halid alıcıları olarak alkali metal halojenürler ile reaksiyona giren GaX−
4 anyonları içeren tuzlar oluşturmak için reaksiyona girer, buradaki X, bir halojendir. Ayrıca karbokasyonlar ve GaX−
4 oluşturmak için alkil halojenürlerle reaksiyona girerler.

Yüksek bir sıcaklığa ısıtıldığında, galyum (III) halojenürler, ilgili galyum (I) halojenürleri oluşturmak üzere elementel galyum ile reaksiyona girer. Örneğin GaCl
3, GaCl'yi oluşturmak için Ga ile reaksiyona girer:

2 Ga + GaCl
3 ⇌ 3 GaCl (g)

Düşük sıcaklıklarda denge sola doğru kayar ve GaCl elementel galyum ve GaCl
3 ile orantısız hale gelir. GaCl ayrıca Ga'nin HC1 ile 950 °C'de reaksiyona sokulması suretiyle de üretilebilir; ürün kırmızı bir katı halinde yoğunlaştırılabilir.

Galyum (I) bileşikleri Lewis asitleri ile ilave maddeler oluşturarak stabilize edilebilir. Örneğin:

GaCl + AlCl
3 → Ga+
[AlCl
4]−

"Galyum (II) halojenürler", GaX
2, aslında Ga+
[GaX
4]−
yapısına sahip ilgili galyum (III) halojenürlerle galyum (I) halojenürlerin eklentileridir. Örneğin:

GaCl + GaCl
3 → Ga+
[GaCl
4]−

Hidrürler

Alüminyum gibi, galyum da, lityum gallanatın (LiGaH
4) galyum (III) klorür ile −30 °C'de reaksiyona sokulmasıyla üretilebilen, gallan olarak bilinen bir hidrit, GaH
3 oluşturur:

3 LiGaH
4 + GaCl
3 → 3 LiCl + 4 GaH
3

Çözücü olarak dimetil eter varlığında GaH
3, (GaH
3)
n'ye polimerize olur. Solvent kullanılmazsa, gaz olarak dimer Ga
2H
6 (digallane) oluşur. Yapısı, alüminyumun 6 koordinasyon sayısına sahip olduğu a-AlH
3'ün aksine, iki galyum merkezini köprüleyen iki hidrojen atomuna sahip olan diboran'a benzer.

Gallane element galyum ve hidrojene ayrışan, -10 °C'nin üzerinde stabil değildir.

Organogalyum bileşikleri

Organogalyum bileşikleri, organoindyum bileşiklerine benzer reaktiviteye sahiptir, organoaluminyum bileşiklerinden daha az reaktiftir, ancak organothallium bileşiklerinden daha reaktiftir. Alkilgalyumlar monomeriktir. Lewis asitliği Al> Ga> sırasına göre azalır ve sonuç olarak organogalyum bileşikleri organoalüminyum bileşikleri gibi köprülü dimerler oluşturmaz. Organogalyum bileşikleri ayrıca organoalüminyum bileşiklerinden daha az reaktiftir. Kararlı peroksitler oluştururlar. Bu alkilgalyumlar, oda sıcaklığında düşük erime noktalarına sahip sıvılardır ve oldukça hareketli ve yanıcıdır. Trifenilgalyum çözeltide monomeriktir, ancak kristalleri zayıf moleküller arası Ga···C etkileşimleri nedeniyle zincir yapıları oluşturur.

Galyum triklorür, karbongallasyon reaksiyonları gibi organogalyum bileşiklerinin oluşumu için yaygın bir başlangıç reaktifidir. Galyum triklorür, trietil düzlemsel galyum siklopentadienil kompleksi GaCp₃'ü oluşturmak için dietil eter içindeki lityum siklopentadienit ile reaksiyona girer. Galyum (I), hekzametilbenzen gibi aren ligandları ile kompleksler oluşturur. Bu ligand oldukça hantal olduğu için [Ga(η⁶-C₆Me₆)]⁺ 'nın yapısı yarım sandviçin yapısıdır. Mezitilen gibi daha az hacimli ligandlar, iki ligandın bükülmüş bir sandviç yapıda merkezi galyum atomuna bağlanmasına izin verir. Benzen daha az hacimlidir ve dimer oluşumuna izin verir: bir örnek [Ga(η⁶-C₆H₆)₂] [GaCl₄]·3C₆H₆'dır.

Tarihçe

1871'de galyumun varlığı, ilk önce periyodik tablosundaki konumundan "eka-alüminyum" olarak adlandıran Rus kimyager Dmitri Mendeleev tarafından tahmin edildi. Ayrıca, yoğunluğu, erime noktası, oksit karakteri ve klorürdeki bağlanması gibi galyumun gerçek özelliklerine yakın karşılık gelen eka-alüminyumun çeşitli özelliklerini tahmin etti.

Mendeleev'in 1871 tahminleri ile galyumun bilinen özellikleri arasında karşılaştırma

Özellikler	Mendeleev'in tahminleri	Gerçek özellikler
Atom ağırlığı	~68	69.723
Yoğunluk	5.9 g/cm3	5.904 g/cm3
Erime noktası	Düşük	29.767 °C
Oksit formülü	M2O3	Ga2O3
Oksit yoğunluğu	5.5 g/cm3	5.88 g/cm3
Hidroksitin doğası	amfoterik	amfoterik

Mendeleev ayrıca eka-alüminyumun spektroskop yoluyla keşfedileceğini ve metalik eka-alüminyumun hem asitlerde hem de alkalilerde yavaşça çözüleceğini ve hava ile reaksiyona girmeyeceğini öngördü. Ayrıca M₂O₃'ün MX₃ tuzları vermek için asitlerde çözüneceğini, eka-alüminyum tuzlarının temel tuzlar oluşturacağını, eka-alüminyum sülfatın alumlar oluşturacağını ve susuz MCl₃'ün ZnCl₂'den daha fazla uçuculuğa sahip olması gerektiğini tahmin etti: tüm bu tahminler doğru çıktı.

Galyum, Fransız kimyager Paul Emile Lecoq de Boisbaudran tarafından 1875 yılında bir sphalerit örneğindeki karakteristik spektrumundan (iki mor çizgi) spektroskopi kullanılarak keşfedildi. O yılın ilerleyen saatlerinde Lecoq, potasyum hidroksit çözeltisi içindeki hidroksitin elektrolizi yoluyla serbest metali elde etti.

Kendi ülkesi Fransa'dan sonra Gaul anlamına gelen Latin Gallia'dan "gallia" elementi seçti. Daha sonra, 19. yüzyılda bilim adamları tarafından çok sevilen çok dilli puntolardan birinde, kendisinden sonra galyum adını da verdiği iddia edildi: "Le coq", "horoz" için Fransızca ve Latince "horoz" kelimesi "gallus" dur. 1877'de yazdığı bir makalede Lecoq bu varsayımı yalanladı.

Başlangıçta de Boisbaudran, Galeleum'un yoğunluğunu Mendeleev'in tahminlerine uymayan tek özellik olan 4.7 g/cm³ olarak belirledi; Mendeleev daha sonra ona yazdı ve yoğunluğunu yeniden ölçmesi gerektiğini önerdi ve de Boisbaudran, Mendeleev'in tam olarak tahmin ettiği gibi 5.9 g/cm³ doğru değeri elde etti.

1875'teki keşfinden yarı iletkenler dönemine kadar, galyumun birincil kullanım alanları yüksek sıcaklıklı termometrikler ve olağandışı stabilite veya erime kolaylığı (bazıları oda sıcaklığında sıvı) özelliklere sahip metal alaşımlardı. 1960'larda galyum arsenidin doğrudan bandgap yarıiletken olarak geliştirilmesi galyum uygulamalarında en önemli aşamaya geçmiştir.

Oluşum

Galyum, Dünya'nın kabuğunda serbest bir element olarak mevcut değildir ve gallit (CuGaS₂) gibi birkaç yüksek içerikli mineral, birincil kaynak olarak işlev görmek için çok nadirdir. Yerkabuğundaki bolluk yaklaşık 16,9 ppm'dir. Bu, kurşun, kobalt ve niyobyumun kabuk bolluğu ile karşılaştırılabilir. Ancak bu elementlerin aksine galyum, cevher içinde ağırlıkça >%0.1 konsantrasyonlarla kendi cevher yataklarını oluşturmaz. Aksine, çinko cevherlerindeki kabuk değerine benzer eser konsantrasyonlarda ve her ikisi de yan ürün olarak ekstrakte edildiği alüminyum cevherlerinde biraz daha yüksek değerlerde (~50 ppm) meydana gelir. Bu bağımsız tortu eksikliği galyumun jeokimyasal davranışından kaynaklanmaktadır ve çoğu cevher yataklarının oluşumu ile ilgili süreçlerde güçlü bir zenginleşme göstermemektedir.

Amerika Birleşik Devletleri Jeoloji Araştırması (USGS), bilinen boksit ve çinko cevheri rezervlerinde 1 milyon tondan fazla galyum bulunduğunu tahmin ediyor. Bazı kömür baca tozları, tipik olarak ağırlıkça %1'den az olan az miktarda galyum içerir. Bununla birlikte, bu miktarlar konakçı materyallerin madenciliği olmadan ekstre edilemez (aşağıya bakınız). Dolayısıyla galyumun mevcudiyeti temel olarak boksit, çinko cevherlerinin (ve kömürün) ekstre edilme hızına göre belirlenir.

Üretim ve kullanılabilirlik

Galyum, sadece diğer metallerin cevherlerinin işlenmesi sırasında bir yan ürün olarak üretilir. Ana kaynak malzemesi, alüminyumun ana cevheri olan boksittir, ancak küçük miktarlar da sülfidik çinko cevherlerinden çıkarılır (sfalerit ana konakçı mineraldir). Geçmişte, bazı kömürler önemli bir kaynaktı.

Bayer işleminde boksitin alüminaya işlenmesi sırasında, sodyum hidroksit liköründe galyum birikir. Bundan çeşitli yöntemler ile elde edilebilir. En yenisi iyon değişim reçinesi kullanımıdır. Ulaşılabilir ekstraksiyon verimleri, kritik olarak yem boksitindeki orijinal konsantrasyona bağlıdır. 50 ppm'lik tipik bir yem konsantrasyonunda, içerilen galyumun yaklaşık %15'i ekstrakte edilebilir. Kalan kısım kırmızı çamur ve alüminyum hidroksit akımlarına rapor vermektedir. Galyum, çözelti içindeki iyon değişim reçinesinden çıkarılır. Elektroliz daha sonra galyum metali verir. Yarı iletken kullanımı için ayrıca bir eriyikten bölge eritme veya tek kristal ekstraksiyonu ile saflaştırılır (Czochralski işlemi). %99.9999'luk saflıklar rutin olarak elde edilir ve ticari olarak elde edilebilir.

Yan ürün durumu, galyum üretiminin yılda çıkarılan boksit, sülfidik çinko cevheri (ve kömür) miktarıyla kısıtlandığı anlamına gelir. Bu nedenle, kullanılabilirliğinin arz potansiyeli açısından tartışılması gerekmektedir. Bir yan ürünün arz potansiyeli, mevcut piyasa koşullarında (yani teknoloji ve fiyat) yılda ev sahibi malzemelerinden ekonomik olarak çıkarılabilen miktar olarak tanımlanır. Yedekler ve kaynaklar yan ürünlerle ilgili değildir, çünkü ana ürünlerden bağımsız olarak çıkarılamazlar. Son tahminler galyum arz potansiyelini boksitten en az 2.100 t/yıl, sülfidik çinko cevherlerinden 85 t /yıl ve potansiyel olarak kömürden 590 t/yıl koymuştur. Bu rakamlar mevcut üretimden önemli ölçüde daha büyüktür (2016'da 375 ton). Bu nedenle, galyumun yan ürün üretiminde gelecekte büyük artışlar, üretim maliyetlerinde veya fiyatında önemli bir artış olmadan mümkün olacaktır. Düşük dereceli galyum için ortalama fiyat 2016'da kilogram başına 120 $ ve 2017'de kilogram başına 135-140 dolardı.

2017 yılında dünyanın düşük dereceli galyum üretimi ca. 315 ton - 2016'ya göre %15'lik bir artış. Çin, Japonya, Güney Kore, Rusya ve Ukrayna önde gelen üreticiler iken, Almanya 2016'da birincil galyum üretimini durdurdu. Yüksek saflıkta galyum verimi yakl. Çoğunlukla Çin, Japonya, Slovakya, İngiltere ve ABD kaynaklı 180 ton 2017 dünya yıllık üretim kapasitesinin düşük kalite için 730 ton, rafine edilmiş galyum için 320 ton olduğu tahmin edilmektedir.

Uygulamalar

Yarı iletken uygulamaları, toplamın %98'ini oluşturan galyum için ticari talebe hakimdir. Bir sonraki büyük uygulama gadolinyum galyum garnet içindir.

Yarı iletkenler

Yarı iletken endüstrisine hizmet etmek için son derece yüksek saflıkta (>% 99.9999) galyum ticari olarak mevcuttur. Elektronik bileşenlerde kullanılan galyum arsenid (GaAs) ve galyum nitrür (GaN), 2007 yılında ABD'de galyum tüketiminin yaklaşık %98'ini temsil ediyordu. Yarı iletken galyumun yaklaşık %66'sı ABD'de cep telefonlarındaki düşük gürültülü mikrodalga ön amplifikatörleri için ultra yüksek hızlı mantık yongaları ve MESFET'ler gibi entegre devrelerde (çoğunlukla galyum arsenit) kullanılır. Bu galyumun yaklaşık %20'si optoelektronikte kullanılmaktadır.

Dünya çapında galyum arsenit, yıllık küresel galyum tüketiminin %95'ini oluşturmaktadır. 2016'da %53'ü cep telefonlarından, %27'si kablosuz iletişimden, geri kalanı ise otomotiv, tüketici, fiber optik ve askeri uygulamalardan 7,5 milyar dolar oldu. GaAs tüketimindeki son artış çoğunlukla eski modellere göre 10 kat daha fazla GaAs kullanan 3G ve 4G akıllı telefonların ortaya çıkmasıyla ilgilidir.

Galyum arsenit ve galyum nitrür, 2015 yılında 15,3 milyar dolar ve 2016 yılında 18,5 milyar dolar olan çeşitli optoelektronik cihazlarda da bulunabilir. Alüminyum galyum arsenid (AlGaAs) yüksek güçlü kızılötesi lazer diyotlarda kullanılır. Yarı iletken galyum nitrür ve indiyum galyum nitrür mavi ve mor optoelektronik cihazlarda, çoğunlukla lazer diyotları ve ışık yayan diyotlarda kullanılır. Örneğin, galyum nitrür 405 nm diyot lazerler, daha yüksek yoğunluklu Blu-ray Disc kompakt veri disk sürücüleri için mor bir ışık kaynağı olarak kullanılır.

Galyum nitrürün diğer önemli uygulamaları kablolu televizyon iletimi, ticari kablosuz altyapı, güç elektroniği ve uydulardır. Yalnızca GaN radyo frekans cihazı pazarının 2016 yılında 370 milyon dolar ve 2016 yılında 420 milyon dolar olduğu tahmin ediliyor.

Uydu güç uygulamaları için geliştirilen çok-bağlantılı fotovoltaik hücreler, galyum arsenit, indiyum galyum fosfit veya indiyum galyum arsenit ince filmlerinin moleküler ışın epitaksi veya metalorganik buhar faz epitaksisi ile yapılır. Mars Keşif Gezicileri ve çeşitli uydular, germanyum hücreleri üzerinde üçlü bağlantı galyum arsenidi kullanır. Galyum ayrıca, güneş panellerinde kristal silikonuna düşük maliyetli bir alternatif olarak kullanılan fotovoltaik bileşiklerde (bakır indiyum galyum selenyum sülfür Cu(In, Ga)(Se,S)2) bir bileşendir.

Galinstan ve diğer alaşımlar

Galyum çoğu metalle kolayca alaşımlaşır ve düşük erime noktalı alaşımlarda bir bileşen olarak kullanılır. Galyum, indiyum ve kalayın neredeyse ötektik alaşımı, tıbbi termometrelerde kullanılan bir oda sıcaklığı sıvısıdır. Galinstan ticari ismi ile ("teneke kutuyu ifade eden" -stan "ile Latince stannum) bu alaşımın donma noktası −19 °C'dir (−2.2 °F). Bu alaşım ailesinin, bilgisayar çiplerini su yerine soğutmak için de kullanılabileceği ve genellikle yüksek performanslı hesaplamada termal macunun yerini aldığı öne sürülmüştür. Galyum alaşımları cıva diş amalgamlarının yerine geçmiştir, ancak bu malzemeler henüz geniş kabul görmemiştir.

Galyum cam veya porseleni ıslattığından, parlak aynalar oluşturmak için galyum kullanılabilir. Galyum alaşımlarının ıslatma etkisi istenmediğinde (Galinstan cam termometrelerinde olduğu gibi), cam şeffaf bir galyum(III) oksit tabakası ile korunmalıdır.

Nükleer silah çukurlarında kullanılan plütonyum, δ fazında stabilize edilir ve galyum ile alaşımlanarak işlenebilir hale getirilir.

Biyomedikal uygulamalar

Galyumun biyolojide doğal bir işlevi olmamasına rağmen, galyum iyonları vücuttaki demir(III) ile benzer şekilde süreçlerle etkileşime girer. Bu süreçler birçok hastalık durumu için bir belirteç olan enflamasyonu içerdiğinden, tıpta farmasötikler ve radyofarmasötikler olarak birkaç galyum tuzları kullanılır (veya geliştirilmektedir). Galyumun antikanser özelliklerine ilgi, tümör taşıyan hayvanlara tümör taşıyan hayvanlara enjekte edilen ⁶⁷Ga(III) sitratın tümör bölgelerine lokalize olduğu keşfedildiğinde ortaya çıkmıştır. Klinik çalışmalar galyum nitratın Hodgkin dışı lenfoma ve ürotelyal kanserlere karşı antineoplastik aktiviteye sahip olduğunu göstermiştir. Tris (8-kinolinolato) galyum(III) (KP46) ve galyum maltolat gibi yeni nesil galyum-ligand kompleksleri ortaya çıkmıştır. Galyum nitrat (Ganite markası), kemiklere tümör metastazı ile ilişkili hiperkalsemiyi tedavi etmek için intravenöz bir ilaç olarak kullanılmıştır. Galyumun osteoklast fonksiyonuna müdahale ettiği düşünülmektedir ve diğer tedaviler başarısız olduğunda tedavi etkili olabilir. Ağız, yüksek oranda emilebilen galyum(III) iyonu olan galyum maltolat, patolojik olarak çoğalan hücrelere, özellikle kanser hücrelerine ve ferrik demir (Fe³⁺) yerine kabul eden bazı bakterilere anti-proliferatiftir. Araştırmacılar, bir dizi kanser, bulaşıcı hastalık ve enflamatuar hastalık için potansiyel bir tedavi olarak bu bileşik üzerinde klinik ve klinik öncesi çalışmalar yürütmektedir.

Galyum iyonları Pseudomonas gibi bakteriler tarafından yanlışlıkla demir(III) yerine alındığında, iyonlar solunumla etkileşir ve bakteriler ölür. Bunun nedeni, demirin redoks-aktif olması ve solunum sırasında elektronların transferine izin vermesi, galyum ise redoks-inaktif olmasıdır.

Karmaşık bir amin-fenol Ga(III) bileşiği MR045, sıtmaya karşı yaygın bir ilaç olan klorokinlere dirençli parazitler için seçici olarak toksiktir. Hem Ga(III) kompleksi hem de klorokin, kanın parazitler tarafından sindirilmesinden oluşan bir bertaraf ürünü olan hemozoinin kristalleşmesini inhibe ederek etki eder.

Radyogalyum tuzları

Galyum sitrat ve galyum nitrat gibi galyum-67 tuzları, galyum taraması olarak bilinen nükleer tıp görüntülemesinde radyofarmasötik ajanlar olarak kullanılır. Radyoaktif izotop ⁶⁷Ga kullanılır ve galyum bileşiği veya tuzu önemsizdir. Vücut Ga³⁺ 'u Fe³⁺ gibi birçok yönden ele alır ve iyon enfeksiyon gibi iltihaplanma alanlarında ve hızlı hücre bölünmesi alanlarında bağlanır (ve konsantre olur). Bu, bu tür alanların nükleer tarama teknikleri ile görüntülenmesine izin verir.

68 dakikalık yarılanma ömrüne sahip bir pozitron yayıcı olan Galyum-68, nöroendokrin tümörlerin araştırılması için kullanılan bir somatostatin analogu olan DOTATOC ve DOTA-TATE gibi farmasötik preparatlara bağlandığında PET-CT'de bir teşhis radyonüklidi olarak kullanılmaktadır. Galyum-68'in farmasötik olarak preparasyonu kimyasaldır ve radyonüklid galyum-68 jeneratörlerinde germanyumun sentetik bir radyoizotopu olan germanyum-68'den elüsyonla çıkarılır.

Diğer kullanımlar

Galyum nötrino tespiti için kullanılır. Muhtemelen tek bir noktada toplanan en büyük saf galyum, Rusya'daki Baksan Neutrino Gözlemevi'nde SAGE deneyi tarafından kullanılan Galyum-Germanyum Nötrino Teleskobu'dur. Bu dedektör 55-57 ton (~ 9 metreküp) sıvı galyum içerir. Bir başka deney, 1990'ların başında bir İtalyan dağ tünelinde işletilen GALLEX nötrino dedektörüdür. Dedektör 12.2 ton sulanmış galyum-71 içeriyordu. Güneş nötrinoları 71Ga'lık birkaç atomun tespit edilen radyoaktif 71Ge olmasına neden oldu. Bu deney, güneş nötrino akısının teorinin öngördüğünden %40 daha az olduğunu gösterdi. Bu açık, daha iyi güneş nötrino dedektörleri ve teorileri inşa edilene kadar açıklanmamıştır (bakınız SNO).

Galyum ayrıca odaklanmış bir iyon demeti için sıvı metal iyon kaynağı olarak kullanılır. Örneğin, dünyanın en küçük kitabı olan Turnip Kasabasından Teeny Ted'i oluşturmak için odaklanmış bir galyum-iyon demeti kullanıldı. Galyumun bir başka kullanımı kayaklar ve diğer düşük sürtünmeli yüzey malzemeleri için kayma vaksında bir katkı maddesidir.

Kimyagerler arasında iyi bilinen pratik bir şaka, galyum kaşığı moda yapmak ve onları şüphesiz misafirlere çay servisi yapmak için kullanmaktır, çünkü galyum daha hafif homolog alüminyumuna benzer bir görünüme sahiptir. Kaşıklar daha sonra sıcak çayda erir.

Galyum

Tehlikeler
GHS piktogramlar
GHS işaret kelimesi	Tehlike
GHS Tehlike bildirimleri	H290, H318
GHS Önlem Açıklamaları	P280, P305, P351, P338, P310
NFPA 704	0 1 0

Önlemler

Metalik galyum toksik değildir. Bununla birlikte, galyum halid komplekslerine maruz kalmak akut toksisiteye neden olabilir. Çözünür galyum tuzlarının Ga³⁺ iyonu, büyük dozlarda enjekte edildiğinde çözünmeyen hidroksit oluşturma eğilimindedir; bu hidroksidin çökeltilmesi hayvanlarda nefrotoksisiteye neden olmuştur. Daha düşük dozlarda, çözünür galyum iyi tolere edilir ve zehir olarak birikmez, bunun yerine çoğunlukla idrarla atılır. Galyum atılımı iki aşamada gerçekleşir: ilk fazın biyolojik yarı ömrü 1 saat, ikincisinin biyolojik yarı ömrü 25 saattir.