Galium: sifat, struktur, kelimpahan, kegunaan

Galium adalah unsur logam yang diwakili oleh simbol Ga milik golongan 13 dari tabel periodik. Secara kimiawi ia menyerupai aluminium dalam amfoterismenya; namun, kedua logam tersebut akhirnya menunjukkan sifat yang membuatnya dapat dibedakan satu sama lain.

Misalnya, paduan aluminium dapat dikerjakan untuk memberi mereka semua jenis bentuk; sedangkan galium memiliki titik leleh yang sangat rendah, praktis terdiri dari cairan keperakan. Juga, titik leleh galium lebih rendah daripada aluminium; yang pertama bisa meleleh karena panas tangan, sedangkan yang kedua tidak bisa.

Kristal galium diperoleh dengan mendepositkan fragmen kecil galium dalam larutan lewat jenuhnya (galium cair). Sumber: Maxim Bilovitskiy [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

Kesamaan kimia antara galium dan aluminium juga mengelompokkannya secara geokimia; yaitu, mineral atau batuan yang kaya akan aluminium, seperti bauksit, memiliki konsentrasi galium yang cukup besar. Selain sumber mineralogi ini, ada sumber lain dari seng, timbal dan karbon, yang tersebar luas di seluruh kerak bumi.

Galium tidak populer logam terkenal. Namanya saja bisa membangkitkan citra ayam jago di benaknya. Faktanya, representasi grafis dan umum dari galium biasanya ditemukan dengan gambar ayam jago perak; dicat dengan galium cair, zat yang sangat mudah dibasahi pada kaca, keramik, dan bahkan tangan.

Eksperimen di mana potongan-potongan galium logam dilebur dengan tangan sering terjadi, serta manipulasi cairannya dan kecenderungannya untuk menodai semua yang disentuhnya.

Meskipun galium tidak beracun, seperti merkuri, itu adalah agen penghancur logam, karena membuatnya rapuh dan tidak berguna (pada awalnya). Di sisi lain, secara farmakologis itu campur tangan dalam proses di mana matriks biologis menggunakan besi.

Bagi mereka yang berkecimpung di dunia optoelektronik dan semikonduktor, galium akan dijunjung tinggi, sebanding dengan dan, mungkin, lebih unggul dari silikon itu sendiri. Di sisi lain, dengan termometer galium, cermin dan benda-benda berdasarkan paduannya telah dibuat.

Secara kimiawi, logam ini masih memiliki banyak hal untuk ditawarkan; mungkin di bidang katalisis, energi nuklir, dalam pengembangan bahan semikonduktor baru, atau “hanya” dalam klarifikasi strukturnya yang membingungkan dan kompleks.

Sejarah

Prediksi keberadaannya

Pada tahun 1871, ahli kimia Rusia Dmitri Mendeleev telah meramalkan keberadaan unsur yang sifatnya mirip dengan aluminium; yang, ia bernama sebagai ekaluminio. Unsur ini harus ditempatkan tepat di bawah aluminium. Mendeleev juga memprediksi sifat-sifat ( densitas , titik leleh, rumus oksida, dll.) dari ekaluminium.

Penemuan dan isolasi

Anehnya, empat tahun kemudian ahli kimia Prancis Paul-Emili Lecoq de Boisbaudran, telah menemukan unsur baru dalam sampel sphalerite (seng blende), dari Pyrenees. Dia dapat menemukannya berkat analisis spektroskopi, di mana dia mengamati spektrum dua garis ungu yang tidak bertepatan dengan spektrum unsur lain.

Setelah menemukan unsur baru, Lecoq melakukan eksperimen pada 430 kg sphalerite, dari mana ia dapat mengisolasi 0,65 gramnya; dan setelah serangkaian pengukuran sifat fisik dan kimianya, dia menyimpulkan bahwa itu adalah ekaluminium Mendeleev.

Untuk mengisolasinya, Lecoq melakukan elektrolisis masing-masing hidroksidanya dalam kalium hidroksida; mungkin yang sama dengan yang dia gunakan untuk melarutkan sphalerite. Dengan menyatakan bahwa itu adalah ekaluminium, dan juga sebagai penemunya, dia memberinya nama ‘gallium’ (galium dalam bahasa Inggris). Nama ini berasal dari nama ‘Gallia’, yang dalam bahasa Latin berarti Prancis.

Namun, nama tersebut menghadirkan keingintahuan lain: ‘Lecoq’ dalam bahasa Prancis berarti ‘ayam jantan’, dan dalam bahasa Latin ‘gallus’. Menjadi logam, ‘gallus’ menjadi ‘gallium’; meskipun dalam bahasa Spanyol konversinya jauh lebih langsung. Jadi, bukanlah suatu kebetulan bahwa seekor ayam jantan dianggap sebagai galium.

Sifat fisik dan kimia

Penampilan dan ciri fisik

Gallium adalah logam keperakan yang tidak berbau, permukaan kaca dengan rasa astringen. Padatannya lunak dan rapuh, dan ketika patah ia menjadi berbentuk konkoid; yaitu, potongan-potongan yang terbentuk melengkung, mirip dengan kerang.

Ketika meleleh, tergantung pada sudut pandangnya, itu bisa menunjukkan cahaya kebiruan. Cairan keperakan ini tidak beracun jika terkena; namun, itu “menempel” terlalu banyak pada permukaan, terutama jika terbuat dari keramik atau kaca. Misalnya, setetes galium dapat menembus bagian dalam gelas kimia untuk melapisinya dengan cermin perak.

Jika fragmen padat galium disimpan dalam galium cair, ia berfungsi sebagai inti di mana kristal galium yang berkilauan berkembang dan tumbuh dengan cepat.

Nomor atom (Z)

31 ( 31 Ga)

Masa molar

69,723 g / mol

Titik lebur

29,7646 °C. Suhu ini dapat dicapai dengan memegang gelas galium erat di antara dua tangan sampai meleleh.

Titik didih

2400 °C. Perhatikan jarak yang besar antara 29,7 C dan 2400 C; yaitu, galium cair memiliki tekanan uap yang sangat rendah, dan fakta ini menjadikannya salah satu unsur dengan perbedaan suhu terbesar antara keadaan cair dan gas.

Kepadatan

-Pada suhu kamar: 5,91 g / cm 3

-Pada titik leleh: 6,095 g / cm 3

Perhatikan bahwa hal yang sama terjadi dengan galium seperti halnya dengan air: massa jenis cairannya lebih besar daripada padatannya. Oleh karena itu, kristal Anda akan mengapung di atas galium cair (gunung es galium). Faktanya, pemuaian volume padatan sedemikian rupa (tiga kali), sehingga tidak nyaman untuk menyimpan galium cair dalam wadah yang tidak terbuat dari plastik.

Panas fusi

5,59 kJ / mol

Panas penguapan

256 kJ / mol

Kapasitas panas molar

25,86 J / (mol K)

Tekanan uap

Pada 1037 C, cairannya hampir tidak memberikan tekanan 1 Pa.

Keelektronegatifan

1,81 pada skala Pauling

Energi ionisasi

-Pertama : 578,8 kJ/mol (Ga + gas)

-Kedua: 1979,3 kJ / mol (Ga 2+ gas)

-Ketiga: 2963 kJ / mol (Ga 3+ gas)

Konduktivitas termal

40,6 W / (mK)

Resistivitas listrik

270 nΩ · m pada 20 C

kekerasan mohs

1.5

Viskositas

1,819 cP pada 32 C

Tegangan permukaan

709 dyne / cm pada 30 C

Amfoterisme

Seperti aluminium, galium bersifat amfoter; bereaksi dengan asam dan basa. Misalnya, asam kuat dapat melarutkannya untuk membentuk garam galium (III); jika mereka H 2 SO 4 dan HNO 3 , Ga 2 (SO 4 ) 3 dan Ga (NO 3 ) 3 diproduksi , masing-masing. Sedangkan pada reaksi dengan basa kuat akan dihasilkan garam galat dengan ion Ga (OH) 4 .

Perhatikan persamaan antara Ga (OH) 4 dan Al (OH) 4 (aluminat). Jika amonia ditambahkan ke media, galium (III) hidroksida, Ga (OH) 3 , terbentuk, yang juga amfoter; ketika bereaksi dengan basa kuat, ia menghasilkan Ga (OH) 4 – lagi , tetapi jika bereaksi dengan asam kuat ia membebaskan kompleks berair [Ga (OH 2 ) 6 ] 3+ .

Reaktivitas

Galium logam relatif lembam pada suhu kamar. Itu tidak bereaksi dengan udara, karena lapisan tipis oksida, Ga 2 O 3 , melindunginya dari oksigen dan belerang. Namun, ketika dipanaskan, oksidasi logam berlanjut, sepenuhnya berubah menjadi oksidanya. Dan jika belerang hadir, pada suhu tinggi bereaksi membentuk Ga 2 S 3 .

Tidak hanya galium oksida dan sulfida, tetapi juga fosfida (GaP), arsenida (GaAs), nitrida (GaN), dan antimonida (GaSb). Senyawa tersebut dapat berasal dari reaksi langsung unsur-unsur pada suhu tinggi, atau dengan rute sintetis alternatif.

Demikian juga, galium dapat bereaksi dengan halogen untuk membentuk halidanya masing-masing; seperti Ga 2 Cl 6 , GaF 3 dan Ga 2 I 3 .

Logam ini, seperti aluminium dan sejenisnya (anggota dari kelompok yang sama 13), dapat berinteraksi secara kovalen dengan atom karbon untuk menghasilkan senyawa organologam. Dalam kasus ikatan Ga-C, mereka disebut organogalium.

Hal yang paling menarik tentang galium bukanlah ciri-ciri kimia sebelumnya, tetapi kemudahannya yang luar biasa untuk dapat dicampur (mirip dengan merkuri dan proses penggabungannya). Atom Ga-nya dengan cepat “bergesekan” di antara kristal logam, menghasilkan paduan galium.

Struktur dan konfigurasi elektron

Kompleksitas

Gallium tidak hanya tidak biasa karena merupakan logam yang meleleh dengan panas telapak tangan Anda, tetapi strukturnya kompleks dan tidak pasti.

Di satu sisi, diketahui bahwa kristalnya mengadopsi struktur ortorombik (Ga-I) dalam kondisi normal; Namun, ini hanyalah salah satu dari banyak kemungkinan fase untuk logam ini, yang urutan pasti atomnya belum ditentukan. Oleh karena itu, ini adalah struktur yang lebih kompleks daripada yang terlihat pada pandangan pertama.

Tampaknya hasilnya bervariasi sesuai dengan sudut atau arah di mana strukturnya dianalisis (anisotropi). Demikian pula, struktur ini sangat rentan terhadap perubahan suhu atau tekanan terkecil, yang berarti bahwa galium tidak dapat didefinisikan sebagai satu jenis kristal pada saat interpretasi data.

dimer

Atom Ga berinteraksi satu sama lain berkat ikatan logam. Namun, tingkat tertentu Covalence telah ditemukan antara dua atom tetangga, sehingga keberadaan Ga 2 dimer (Ga-Ga) diasumsikan .

Secara teori, ikatan kovalen ini seharusnya dibentuk oleh tumpang tindih orbital 4p, dengan satu-satunya elektronnya menurut konfigurasi elektron:

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 1

Campuran interaksi kovalen-logam ini dikaitkan dengan titik leleh galium yang rendah; karena, meskipun di satu sisi mungkin ada “lautan elektron” yang menyatukan atom-atom Ga dalam kristal, di sisi lain unit struktural terdiri dari dimer Ga 2 , yang interaksi antarmolekulnya lemah.

Fase di bawah tekanan tinggi

Ketika tekanan meningkat dari 4 menjadi 6 GPa, kristal galium mengalami transisi fase; dari ortorombik ia lolos ke kubik berpusat-tubuh (Ga-II), dan dari sini akhirnya lolos ke tetragonal berpusat-tubuh (Ga-III). Dalam kisaran tekanan, mungkin campuran kristal terbentuk, yang membuat interpretasi struktur menjadi lebih sulit.

bilangan oksidasi

Elektron yang paling energik adalah yang ditemukan di orbital 4s dan 4p; karena ada tiga dari mereka, oleh karena itu diharapkan galium dapat kehilangan mereka ketika digabungkan dengan unsur-unsur yang lebih elektronegatif daripadanya.

Ketika ini terjadi, keberadaan kation Ga 3+ diasumsikan , dan bilangan atau bilangan oksidasinya disebut +3 atau Ga (III). Faktanya, ini adalah yang paling umum dari semua bilangan oksidasinya. Senyawa berikut, misalnya, memiliki galium sebagai +3: Ga 2 O 3 (Ga 2 3+ O 3 2- ), Ga 2 Br 6 (Ga 2 3+ Br 6 ), Li 3 GaN 2 (Li 3 + Ga 3+ N 2 3- ) dan Ga 2 Te 3 (Ga 2 3+ Te 3 2- ).

Gallium juga dapat ditemukan dengan bilangan oksidasi +1 dan +2; meskipun mereka jauh lebih jarang daripada +3 (mirip dengan aluminium). Contoh senyawa tersebut adalah GaCl (Ga + Cl ), Ga 2 O (Ga 2 + O 2- ) dan GaS (Ga 2+ S 2- ).

Perhatikan bahwa keberadaan ion dengan besaran muatan yang identik dengan bilangan oksidasi yang dipertimbangkan selalu diasumsikan (benar atau tidak).

Kelimpahan dan memperoleh

Sebuah sampel dari mineral gallita, yang langka tetapi satu-satunya dengan konsentrasi gallium yang cukup besar. Sumber: Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Gallium ditemukan di kerak bumi dengan kelimpahan sebanding dengan logam kobalt, timbal, dan niobium. Ini muncul sebagai sulfida atau oksida terhidrasi, tersebar luas sebagai pengotor yang terkandung dalam mineral lain.

Oksida dan sulfidanya kurang larut dalam air, sehingga konsentrasi galium di laut dan sungai rendah. Selain itu, satu-satunya mineral yang “kaya” dalam galium adalah galium (CuGaS 2 , gambar atas). Namun, tidak praktis untuk mengeksploitasi ayam untuk mendapatkan logam ini. Kurang terkenal adalah mineral galium plumbogumite.

Oleh karena itu, tidak ada bijih yang ideal untuk logam ini (dengan konsentrasi lebih besar dari 0,1% massa).

Sebaliknya, galium diperoleh sebagai produk sampingan dari pengolahan metalurgi bijih logam lain. Misalnya, dapat diekstraksi dari bauksit, blender seng, tawas, batubara, galena, pirit, germanit, dll.; yaitu, biasanya diasosiasikan dengan aluminium, seng, karbon, timbal, besi, dan germanium dalam berbagai badan mineral.

Kromatografi pertukaran ion dan elektrolisis

Ketika bahan baku mineral dicerna atau dilarutkan , baik dalam media asam kuat atau basa kuat, diperoleh campuran ion logam yang dilarutkan dalam air. Karena galium adalah produk sekunder, ion Ga3+ -nya tetap larut dalam campuran setelah logam yang diinginkan mengendap.

Jadi, diinginkan untuk memisahkan Ga3 + ini dari ion lainnya, dengan tujuan tunggal untuk meningkatkan konsentrasinya dan kemurnian logam yang dihasilkan.

Untuk ini, selain teknik pengendapan konvensional, kromatografi pertukaran ion digunakan melalui penggunaan resin. Berkat teknik ini, dimungkinkan untuk memisahkan (misalnya) Ga 3+ dari Ca 2+ atau Fe 3+ .

Setelah larutan ion Ga 3+ yang sangat pekat diperoleh , larutan tersebut mengalami elektrolisis; yaitu, Ga 3+ menerima elektron untuk dapat terbentuk sebagai logam.

isotop

Gallium ditemukan di alam terutama sebagai dua isotop: 69 Ga, dengan kelimpahan 60,11%; dan 71 Ga, dengan kelimpahan 39,89%. Karena alasan inilah berat atom galium adalah 69,723 u. Isotop galium lainnya adalah sintetis dan radioaktif, dengan massa atom berkisar antara 56 Ga hingga 86 Ga.

Resiko

Lingkungan dan fisik

Dari sudut pandang lingkungan, galium logam tidak terlalu reaktif dan larut dalam air, sehingga tumpahan secara teori tidak mewakili risiko kontaminasi yang parah. Selain itu, tidak diketahui peran biologis apa yang mungkin dimilikinya dalam organisme, dengan sebagian besar atomnya diekskresikan dalam urin, tanpa tanda-tanda terakumulasi di jaringannya.

Tidak seperti merkuri, galium dapat ditangani dengan tangan kosong. Bahkan, eksperimen mencoba melelehkannya dengan panas tangan sudah cukup umum. Seseorang dapat menyentuh cairan perak yang dihasilkan tanpa takut merusak atau melukai kulitnya; meskipun itu meninggalkan noda perak di atasnya.

Namun, menelannya bisa menjadi racun, karena secara teori akan larut di perut untuk menghasilkan GaCl 3 ; garam galium yang efeknya pada tubuh tidak bergantung pada logam.

Kerusakan pada logam

Gallium dicirikan oleh pewarnaan yang tinggi atau melekat pada permukaan; dan jika ini logam, ia melewatinya dan membentuk paduan secara instan. Sifat dapat dicampur dengan hampir semua logam ini membuatnya tidak tepat untuk menumpahkan galium cair pada benda logam apa pun.

Oleh karena itu, benda logam berisiko pecah dengan adanya galium. Tindakannya bisa sangat lambat dan tidak diperhatikan sehingga membawa kejutan yang tidak diinginkan; terutama jika telah tumpah di kursi besi, yang bisa runtuh ketika seseorang duduk di atasnya.

Itulah sebabnya mereka yang ingin menangani galium tidak boleh bersentuhan dengan logam lain. Misalnya, cairannya mampu melarutkan aluminium foil, serta menyelinap ke dalam kristal indium, besi dan timah, untuk membuatnya rapuh.

Secara umum, terlepas dari yang disebutkan di atas, dan fakta bahwa uapnya hampir tidak ada pada suhu kamar, galium biasanya dianggap sebagai unsur aman dengan toksisitas nol.

Kegunaan

Termometer

Termometer Galinstan. Sumber: Gelegenheitsautor [Domain publik]

Gallium telah menggantikan merkuri sebagai cairan untuk membaca suhu yang ditandai oleh termometer. Namun, titik lelehnya 29,7 C masih tinggi untuk kegunaan ini, itulah sebabnya dalam keadaan logamnya tidak layak untuk digunakan dalam termometer; sebagai gantinya, paduan yang disebut Galinstan (Ga-In-Sn) digunakan.

Paduan Galinstan memiliki titik leleh sekitar -18 C, dan menambahkan toksisitas nolnya menjadikannya zat yang ideal untuk desain termometer medis bebas merkuri. Dengan cara ini, jika rusak, akan aman untuk membersihkan kekacauan; meskipun akan mengotori lantai karena kemampuannya untuk membasahi permukaan.

Pembuatan cermin

Sekali lagi, disebutkan tentang keterbasahan galium dan paduannya. Ketika menyentuh permukaan porselen, atau kaca, itu menyebar ke seluruh permukaan sampai benar-benar tertutup cermin perak.

Selain cermin, paduan galium telah digunakan untuk membuat objek dari segala bentuk, karena begitu dingin, benda itu akan mengeras. Ini bisa memiliki potensi nanoteknologi yang besar: untuk membangun objek dengan dimensi yang sangat kecil, yang secara logis akan beroperasi pada suhu rendah, dan akan menunjukkan sifat unik berdasarkan galium.

Komputer

Pasta termal yang digunakan dalam prosesor komputer dibuat dari paduan galium.

Narkoba

Ion Ga 3+ memiliki beberapa kemiripan dengan Fe 3+ dalam cara mereka mengintervensi proses metabolisme. Oleh karena itu, jika ada fungsi, parasit, atau bakteri yang membutuhkan zat besi untuk bekerja, mereka dapat dihentikan dengan salah mengiranya sebagai galium; seperti halnya bakteri pseudomonas.

Jadi di sinilah obat galium muncul, yang mungkin hanya terdiri dari garam anorganiknya, atau organogalium. La Ganita, nama dagang untuk galium nitrat, Ga (NO 3 ) 3 , digunakan untuk mengatur konsentrasi kalsium tinggi (hiperkalsemia) yang terkait dengan kanker tulang.

Teknologi

Gallium arsenide dan nitrida dicirikan sebagai semikonduktor, yang telah menggantikan silikon dalam kegunaan optoelektronik tertentu. Dengan mereka, transistor, dioda laser dan dioda pemancar cahaya (biru dan ungu), chip, sel surya, dll telah diproduksi. Misalnya, berkat laser GaN, cakram Blu-Ray dapat dibaca.

Katalis

Galium oksida telah digunakan untuk mempelajari katalisisnya dalam berbagai reaksi organik yang sangat diminati industri. Salah satu katalis galium yang lebih baru terdiri dari cairannya sendiri, di mana atom logam lain terdispersi yang berfungsi sebagai pusat atau situs aktif.

Misalnya, katalis galium-paladium telah dipelajari dalam reaksi dehidrogenasi butana; yaitu, mengubah butana menjadi spesies tak jenuh yang lebih reaktif, yang diperlukan untuk proses industri lainnya. Katalis ini terdiri dari galium cair yang bertindak sebagai penopang atom paladium.

Referensi

  1. Sella Andrea. (23 September 2009). galium. Dunia Kimia. Diperoleh dari: chemistryworld.com
  2. Wikipedia. (2019). galium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
  3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Struktur lokal galium cair di bawah tekanan. Laporan ilmiah, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
  4. Brahama D. Sharma & Jerry Donohue. (1962). Penyempurnaan struktur kristal galium. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd.117, S.293-300.
  5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. dkk. (2011). Distribusi, kejadian dan penyebab pengayaan galium dalam batubara dari Jungar Coalfield, Mongolia Dalam. Ilmu Pengetahuan Bumi Cina 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
  6. Marc Miguel. (sf). galium. Dipulihkan dari: nautilus.fis.uc.pt
  7. Redaktur Encyclopaedia Britannica. (5 April 2018). galium. Encyclopædia Britannica. Dipulihkan dari: britannica.com
  8. Mekar Josh. (3 April 2017). Gallium: Meleleh di Mulut Anda, Bukan Di Tangan Anda! Dewan Amerika untuk Sains dan Kesehatan. Dipulihkan dari: acsh.org
  9. Dr.Doug Stewart. (2019). Fakta Unsur Gallium. bahan kimia. Dipulihkan dari: chemicool.com
  10. Pusat Nasional Informasi Bioteknologi. (2019). galium. Basis Data PubChem. ID = 5360835. Dipulihkan dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov

Related Posts