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Gallium (symbole chimique Géorgie, numéro atomique 31) est un métal rare, doux et argenté. C'est un solide cassant à basse température, mais il se liquéfie légèrement au-dessus de la température ambiante et fond dans la main. C'est l'un des rares matériaux qui se dilate lors de la congélation (comme l'eau), et sa forme liquide a une densité plus élevée que la forme solide (comme l'eau). Le gallium est présent à l'état de traces dans la bauxite (un minerai d'aluminium) et les minerais de zinc.

Le gallium est le plus couramment utilisé sous la forme de l'arséniure composé de gallium (III), qui est un semi-conducteur utile pour les circuits intégrés, les diodes électroluminescentes (LED) et les diodes laser. Le nitrure et le phosphure de gallium sont également des matériaux semi-conducteurs précieux, et le gallium lui-même est utilisé comme dopant dans les semi-conducteurs. De plus, ce métal est un composant des alliages à basse température de fusion, et son alliage avec l'indium et l'étain est utilisé dans les thermomètres médicaux pour remplacer le mercure. De plus, le gallium peut mouiller (enduire) le verre pour créer des miroirs brillants.

Occurrence et isolement

Le gallium n'existe pas sous forme libre dans la nature, et il n'y a pas non plus de minéraux riches en gallium qui pourraient servir de principales sources d'extraction de l'élément ou de ses composés. Le gallium est plutôt extrait en tant que composant trace de la bauxite, du charbon, de la diaspore, de la germanite et de la sphalérite. Il a été démontré que certaines poussières de carneau provenant de la combustion du charbon contiennent jusqu'à 1,5% de gallium.

La majeure partie du gallium est extraite de la solution d'hydroxyde d'aluminium brut du procédé Bayer pour la production d'alumine et d'aluminium. Une électrolyse des cellules au mercure et l'hydrolyse de l'amalgame avec de l'hydroxyde de sodium conduisent au gallate de sodium. L'électrolyse donne alors du gallium métal. Pour une utilisation en semi-conducteur, une purification supplémentaire est effectuée par fusion de zone, ou encore extraction monocristalline d'une masse fondue (procédé Czochralski). Des puretés de 99,9999% sont couramment atteintes et largement disponibles dans le commerce.

Histoire

Avant la découverte du gallium, l'élément et nombre de ses propriétés avaient été prédites et décrites par Dmitri Mendeleev, sur la base de sa position dans le tableau périodique. Mendeleev a appelé l'élément hypothétique eka-aluminium.

En 1875, Lecoq de Boisbaudran découvre le gallium par la technique dite de la spectroscopie. En examinant un échantillon de blende de zinc des Pyrénées, il a remarqué deux raies violettes uniques dans son spectre, indiquant un élément auparavant inconnu. Plus tard, il a obtenu le métal libre par électrolyse de son hydroxyde en solution KOH. Il a nommé l'élément "gallia" d'après sa terre natale de France; aussi, dans l'un de ces jeux de mots multilingues si aimés des hommes de science du début du XIXe siècle, il l'a nommé d'après lui-Lecoq signifie "le coq" en français, et le latin pour coq est gallus.

Caractéristiques notables

Le gallium métal très pur a une couleur argentée brillante.

Dans le tableau périodique, le gallium se situe dans le groupe 13 (ancien groupe 3A), entre l'aluminium et l'indium, et dans le même groupe que le thallium. Par conséquent, ses propriétés ressemblent à celles de ces trois éléments. De plus, il est situé en période 4, entre le zinc et le germanium. Il serait également l'un des éléments des "métaux pauvres" situés entre les métaux de transition et les métalloïdes dans le tableau périodique.

Le gallium métallique de haute pureté a une couleur argentée brillante. En revanche, comme la plupart des métaux, le gallium finement divisé perd son gallium en poudre lustré qui apparaît gris. La forme solide se fracture conchoïdalement, comme le verre. Lorsque le gallium liquide se solidifie, il augmente de 3,1%. Ainsi, son état liquide a une densité plus élevée que l'état solide - une propriété caractéristique de seulement quelques matériaux comme l'eau et le bismuth. De plus, étant donné la propriété d'expansion pendant la solidification, le gallium n'est pas stocké dans des récipients en verre ou en métal pour empêcher le récipient de se rompre lorsque l'élément gèle.

Le gallium diffuse également dans le réseau cristallin de la plupart des autres métaux. C'est une autre raison pour laquelle il est important d'éloigner le gallium des récipients métalliques tels que l'acier ou l'aluminium. Le gallium s'allie facilement avec de nombreux autres métaux, et il a été utilisé en petites quantités dans le cœur de la première bombe atomique pour aider à stabiliser la structure cristalline du plutonium.

Compte tenu de son point de fusion de 30 ° C, le métal fond facilement dans la main. De plus, la forme liquide a une forte tendance à se refroidir en dessous de son point de fusion, et elle doit être ensemencée pour que la solidification commence. Le gallium est l'un des métaux - avec le césium, le francium et le mercure) - qui est liquide à ou près de la température ambiante normale. Il peut donc être utilisé dans les thermomètres haute température métal-en-verre. Il est également remarquable pour avoir l'une des plus grandes gammes de liquides pour un métal et (contrairement au mercure) pour avoir une faible pression de vapeur à des températures élevées.

Contrairement au mercure, le gallium liquide mouille (couche) le verre et la peau, ce qui le rend mécaniquement plus difficile à manipuler, bien qu'il soit sensiblement moins toxique et nécessite beaucoup moins de précautions. Pour cette raison, ainsi que les problèmes de contamination métallique et d'expansion de congélation mentionnés ci-dessus, les échantillons de gallium métal sont généralement fournis dans des paquets de polyéthylène dans d'autres conteneurs.

Le gallium ne cristallise dans aucune des structures cristallines simples. La phase stable dans des conditions normales est orthorhombique, avec huit atomes dans la maille élémentaire conventionnelle. Chaque atome n'a qu'un seul voisin le plus proche (à une distance de 244 picomètres) et six autres voisins dans un rayon supplémentaire de 39 picomètres. La liaison entre les voisins les plus proches a un caractère covalent. De plus, l'élément a de nombreuses phases stables et métastables, en fonction des conditions de température et de pression.

Le gallium de haute pureté est attaqué lentement par les acides minéraux.

Isotopes

De nombreux isotopes du gallium sont connus, allant de 56Ga à 86Ga. Parmi eux, il existe deux isotopes stables: 69Ga et 71Ga, à des abondances relatives estimées à 60,11% et 39,89%, respectivement. Les radio-isotopes, en revanche, ont des demi-vies extrêmement courtes.

Composés

Le gallium peut former un certain nombre de composés. Certains d'entre eux sont mentionnés ci-dessous.

  • Arséniure de gallium (III) (GaAs): Il s'agit d'un semi-conducteur important, utilisé pour des dispositifs tels que les circuits intégrés à fréquence micro-ondes (circuits intégrés monolithiques à micro-ondes ou MMIC), les diodes électroluminescentes infrarouges (LED), les diodes laser et les cellules solaires. Certaines de ses propriétés électroniques sont supérieures à celles du silicium. Par exemple, les appareils GaAs peuvent fonctionner à des fréquences plus élevées (supérieures à 250 gigahertz), générant moins de bruit, et peuvent fonctionner à des niveaux de puissance plus élevés. De plus, ils ont une bande interdite directe, ils peuvent donc être utilisés pour émettre de la lumière.
  • Hydroxyde de gallium (III) (Ga (OH)3): Il s'agit de la forme minérale normale du gallium dans la croûte terrestre. Il ne se présente pas comme un minéral discret, mais le gallium remplace l'aluminium dans les minerais comme la bauxite. L'hydroxyde de gallium est amphotère, c'est-à-dire qu'il peut se comporter aussi bien en acide qu'en base. Dans des conditions fortement acides, l'ion Ga3+ est formé; dans des conditions fortement basiques, Ga (OH)4-, est formé.
  • Nitrure de gallium (III) (GaN): Ce matériau dur et mécaniquement stable est un semi-conducteur binaire avec une large bande interdite directe. Il est utilisé dans les appareils optoélectroniques tels que les LED bleues et les diodes laser bleues à haute luminosité. Sa sensibilité aux rayonnements ionisants est faible, ce qui en fait un matériau adapté aux réseaux de cellules solaires pour les satellites. Il est à l'étude pour une utilisation dans des transistors haute fréquence et haute puissance pouvant fonctionner à des températures élevées.
  • Phosphure de gallium (III) (GaP): Ce matériau solide et cristallin a l'apparence de morceaux orange pâle. Il est inodore et insoluble dans l'eau, et il fond à 1480 ° C. Il s'agit d'un semi-conducteur à bande interdite indirecte (2,26 électron-volt). Du soufre ou du tellure peuvent être ajoutés comme dopants pour transformer le phosphure de gallium en un semi-conducteur de type n; ou du zinc peut être ajouté comme dopant pour préparer un semi-conducteur de type p. GaP est utilisé pour la fabrication de LED rouges, orange et vertes à faible et standard luminosité.

Applications

Le gallium, ses alliages et ses composés ont de nombreuses applications. Certains d'entre eux sont énumérés ci-dessous.

  • Les applications les plus courantes du gallium sont sous la forme d'arséniure de gallium (III) semi-conducteur. Ce composé est utilisé principalement pour les circuits intégrés analogiques, ainsi que pour les dispositifs optoélectroniques tels que les LED et les diodes laser.
  • Le gallium est largement utilisé comme dopant dans les semi-conducteurs, pour produire des dispositifs à semi-conducteurs tels que des transistors.
  • Étant donné que le gallium peut mouiller le verre ou la porcelaine, il peut être utilisé pour créer des miroirs brillants.
  • Le gallium s'allie facilement à la plupart des métaux et a été utilisé comme composant dans des alliages à bas point de fusion.
  • Le plutonium utilisé dans les puits d'armes nucléaires est usiné par alliage avec du gallium pour stabiliser les allotropes de plutonium.
  • Lorsqu'il est ajouté en quantités allant jusqu'à 2% dans les soudures courantes, le gallium peut favoriser le mouillage et les caractéristiques d'écoulement.
  • Le gallium est utilisé dans certains thermomètres à haute température.
  • Un alliage de gallium, d'indium et d'étain (nom commercial Galinstan) est largement disponible dans les thermomètres médicaux (thermomètres pour fièvre), remplaçant le mercure problématique. Cet alliage a un point de congélation de −20 ° C.
  • Gallate de magnésium, contenant des impuretés telles que le Mn+2, commence à être utilisé dans la poudre de phosphore activée par les ultraviolets.
  • Les sels de gallium, tels que le citrate de gallium ou le nitrate de gallium contenant un isotope radioactif du gallium, ont été utilisés en imagerie en médecine nucléaire. Cependant, cette utilisation a été largement remplacée par les scanners FDG PET.
  • De nombreuses recherches sont consacrées aux alliages de gallium comme substituts des amalgames dentaires au mercure, mais ces composés n'ont pas encore été largement acceptés.
  • Le gallium est le composant le plus rare des nouveaux composés photovoltaïques (tels que le cuivre indium gallium sélénium sulfure ou Cu (In, Ga) (Se, S)2, annoncé par des chercheurs sud-africains) pour une utilisation dans les panneaux solaires comme alternative au silicium cristallin, qui est actuellement en pénurie.
  • Il a été suggéré qu'un alliage liquide de gallium et d'étain pourrait être utilisé pour refroidir les puces informatiques à la place de l'eau. Comme il conduit la chaleur environ 65 fois mieux que l'eau, il peut faire un liquide de refroidissement comparable.1

Précautions

Le gallium n'est pas considéré comme toxique, mais les données sur ses effets ne sont pas concluantes. Certaines sources suggèrent qu'elle peut provoquer une dermatite suite à une exposition prolongée; d'autres tests n'ont pas provoqué de réaction positive. Lorsque l'élément est manipulé à mains nues, la peau acquiert une tache grise à partir d'une dispersion extrêmement fine de gouttelettes de gallium liquide.

Voir également

Remarques

  1. ↑ Will Knight. Frites chaudes réfrigérées avec du métal liquide. NewScientist.com. Récupéré le 6 avril 2007.

Les références

  • Gallium. Laboratoire national de Los Alamos. Récupéré le 6 avril 2007.
  • Gallium. WebElements. Récupéré le 6 avril 2007.

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 19 mai 2017.

Voir la vidéo: DU METAL EN FUSION DANS LA MAIN ! Gallium (Juillet 2020).

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