El galio es un elemento químico ; tiene símbolo Ga y número atómico 31. Descubierto por el químico francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, [10] el galio se encuentra en el grupo 13 de la tabla periódica y es similar a los demás metales del grupo ( aluminio , indio , y talio ).
El galio elemental es un metal plateado relativamente blando a temperatura y presión estándar . En estado líquido adquiere un color blanco plateado. Si se aplica suficiente fuerza, el galio sólido puede fracturarse en forma concoidea . Desde su descubrimiento en 1875, el galio se ha utilizado ampliamente para fabricar aleaciones con puntos de fusión bajos. También se utiliza en semiconductores , como dopante en sustratos semiconductores.
El punto de fusión del galio se utiliza como punto de referencia de temperatura. Las aleaciones de galio se utilizan en termómetros como una alternativa al mercurio no tóxica y respetuosa con el medio ambiente , y pueden soportar temperaturas más altas que el mercurio. Se afirma que la aleación galinstan (62–95% de galio, 5–22% de indio y 0–) tiene un punto de fusión aún más bajo, −19 °C (−2 °F), muy por debajo del punto de congelación del agua. 16% de estaño en peso), pero ese puede ser el punto de congelación con el efecto de sobreenfriamiento .
El galio no se encuentra como elemento libre en la naturaleza, sino como compuestos de galio (III) en pequeñas cantidades en minerales de zinc (como la esfalerita ) y en la bauxita . El galio elemental es un líquido a temperaturas superiores a 29,76 °C (85,57 °F) y se derrite en las manos de una persona a una temperatura normal del cuerpo humano de 37,0 °C (98,6 °F).
El galio se utiliza principalmente en electrónica . El arseniuro de galio , el principal compuesto químico del galio en la electrónica, se utiliza en circuitos de microondas , circuitos de conmutación de alta velocidad y circuitos de infrarrojos . El nitruro de galio semiconductor y el nitruro de galio indio producen diodos emisores de luz y láseres de diodo azules y violetas . El galio también se utiliza en la producción de granate de galio y gadolinio artificial para joyería. El galio es considerado un elemento tecnológico crítico por la Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos y Frontiers Media . [11] [12]
El galio no tiene ningún papel natural conocido en la biología. El galio (III) se comporta de manera similar a las sales férricas en sistemas biológicos y se ha utilizado en algunas aplicaciones médicas, incluidas productos farmacéuticos y radiofármacos .
El galio elemental no se encuentra en la naturaleza, pero se obtiene fácilmente mediante fundición . El galio muy puro es un metal azul plateado que se fractura en forma concoidea como el vidrio . El galio líquido se expande un 3,10% cuando se solidifica; por lo tanto, no se debe almacenar en recipientes de vidrio o metal porque el recipiente puede romperse cuando el galio cambia de estado. El galio comparte el estado líquido de mayor densidad con una breve lista de otros materiales que incluye agua , silicio , germanio , bismuto y plutonio . [13]
El galio forma aleaciones con la mayoría de los metales. Se difunde fácilmente en las grietas o límites de grano de algunos metales como el aluminio, las aleaciones de aluminio y zinc [14] y el acero [15] , provocando una pérdida extrema de resistencia y ductilidad llamada fragilización del metal líquido .
El punto de fusión del galio, a 302,9146 K (29,7646 °C, 85,5763 °F), está justo por encima de la temperatura ambiente y es aproximadamente la misma que la temperatura diurna promedio de verano en las latitudes medias de la Tierra. Este punto de fusión (mp) es uno de los puntos de referencia de temperatura formales en la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) establecida por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM). [16] [17] [18] El punto triple del galio, 302,9166 K (29,7666 °C, 85,5799 °F), es utilizado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) con preferencia al punto de fusión. [19]
El punto de fusión del galio le permite derretirse en la mano humana y luego solidificarse si se retira. El metal líquido tiene una fuerte tendencia a sobreenfriarse por debajo de su punto de fusión / congelación : las nanopartículas de Ga se pueden mantener en estado líquido por debajo de 90 K. [20] La siembra con un cristal ayuda a iniciar la congelación. El galio es uno de los cuatro metales no radiactivos (junto con el cesio , el rubidio y el mercurio ) que se sabe que son líquidos a temperatura ambiente normal o cerca de ella. De los cuatro, el galio es el único que no es ni altamente reactivo (como lo son el rubidio y el cesio) ni altamente tóxico (como lo es el mercurio) y, por lo tanto, puede usarse en termómetros de alta temperatura de metal en vidrio . También se destaca por tener uno de los rangos de líquido más grandes para un metal y por tener (a diferencia del mercurio) una baja presión de vapor a altas temperaturas. El punto de ebullición del galio, 2676 K, es casi nueve veces mayor que su punto de fusión en la escala absoluta , la mayor relación entre el punto de fusión y el punto de ebullición de cualquier elemento. [21] A diferencia del mercurio, el galio líquido moja el vidrio y la piel, junto con la mayoría de los demás materiales (con las excepciones de cuarzo, grafito, óxido de galio (III) [22] y PTFE ), [23] lo que lo hace mecánicamente más difícil de manipular. aunque es sustancialmente menos tóxico y requiere muchas menos precauciones que el mercurio. El galio pintado sobre vidrio es un espejo brillante. [23] Por esta razón, además de por los problemas de contaminación metálica y expansión por congelación, las muestras de galio metálico generalmente se suministran en paquetes de polietileno dentro de otros contenedores.
El galio no cristaliza en ninguna de las estructuras cristalinas simples . La fase estable en condiciones normales es ortorrómbica con 8 átomos en la celda unitaria convencional . Dentro de una celda unitaria, cada átomo tiene sólo un vecino más cercano (a una distancia de 244 pm ). Los restantes seis vecinos de celdas unitarias están espaciados 27, 30 y 39 pm más y están agrupados en pares con la misma distancia. [25] Se encuentran muchas fases estables y metaestables en función de la temperatura y la presión. [26]
El enlace entre los dos vecinos más cercanos es covalente ; por lo tanto, los dímeros de Ga 2 se consideran los componentes fundamentales del cristal. Esto explica el bajo punto de fusión en relación con los elementos vecinos, el aluminio y el indio. Esta estructura es sorprendentemente similar a la del yodo y puede formarse debido a interacciones entre los electrones 4p individuales de los átomos de galio, más alejados del núcleo que los electrones 4s y el núcleo [Ar]3d 10 . Este fenómeno se repite con el mercurio con su configuración electrónica de "pseudogas noble" [Xe]4f 14 5d 10 6s 2 , que es líquido a temperatura ambiente. [27] Los electrones 3d 10 no protegen muy bien a los electrones externos del núcleo y, por lo tanto, la primera energía de ionización del galio es mayor que la del aluminio. [13] Los dímeros de Ga 2 no persisten en estado líquido y el galio líquido exhibe una estructura compleja poco coordinada en la que cada átomo de galio está rodeado por otros 10, en lugar de los 11 a 12 vecinos típicos de la mayoría de los metales líquidos. [28] [29]
Las propiedades físicas del galio son altamente anisotrópicas , es decir, tienen diferentes valores a lo largo de los tres ejes cristalográficos principales a , b y c (ver tabla), lo que produce una diferencia significativa entre los coeficientes de expansión térmica lineal (α) y volumétrico . Las propiedades del galio dependen en gran medida de la temperatura, especialmente cerca del punto de fusión. Por ejemplo, el coeficiente de expansión térmica aumenta varios cientos por ciento al fundirse. [24]
El galio tiene 31 isótopos conocidos, cuyo número de masa oscila entre 56 y 86. Sólo dos isótopos son estables y se encuentran de forma natural: el galio-69 y el galio-71. El galio-69 es más abundante: constituye aproximadamente el 60,1% del galio natural, mientras que el galio-71 constituye el 39,9% restante. Todos los demás isótopos son radiactivos, siendo el galio-67 el de vida media más larga (vida media de 3,261 días). Los isótopos más ligeros que el galio-69 generalmente se desintegran mediante desintegración beta plus (emisión de positrones) o captura de electrones a isótopos de zinc , aunque los más ligeros (números de masa 56 a 59) se desintegran mediante rápida emisión de protones . Los isótopos más pesados que el galio-71 se desintegran mediante desintegración beta menos (emisión de electrones), posiblemente con emisión retardada de neutrones , en isótopos de germanio , mientras que el galio-70 puede desintegrarse tanto mediante desintegración beta menos como por captura de electrones. El galio-67 es único entre los isótopos ligeros al tener únicamente la captura de electrones como modo de desintegración, ya que su energía de desintegración no es suficiente para permitir la emisión de positrones. [30] El galio-67 y el galio-68 (vida media de 67,7 min) se utilizan en medicina nuclear.
El galio se encuentra principalmente en el estado de oxidación +3 . El estado de oxidación +1 también se encuentra en algunos compuestos, aunque es menos común que en el indio y el talio , congéneres más pesados del galio . Por ejemplo, el muy estable GaCl 2 contiene galio (I) y galio (III) y puede formularse como Ga I Ga III Cl 4 ; por el contrario, el monocloruro es inestable por encima de 0 °C y se desproporciona en galio elemental y cloruro de galio (III). Los compuestos que contienen enlaces Ga-Ga son verdaderos compuestos de galio (II), como GaS (que puede formularse como Ga 2 4+ (S 2− ) 2 ) y el complejo de dioxano Ga 2 Cl 4 (C 4 H 8 O 2 ) . 2 . [31]
Los ácidos fuertes disuelven el galio y forman sales de galio (III) como Ga (NO
3)
3(nitrato de galio). Las soluciones acuosas de sales de galio (III) contienen el ion galio hidratado, [Ga(H
2Oh)
6]3+
. [32] : 1033 Hidróxido de galio (III) , Ga (OH)
3, puede precipitarse a partir de soluciones de galio (III) añadiendo amoníaco . Deshidratar Ga(OH)
3a 100 °C produce hidróxido de óxido de galio, GaO(OH). [33] : 140–141
Las soluciones de hidróxido alcalino disuelven el galio y forman sales de galato (que no deben confundirse con las sales de ácido gálico con nombres idénticos ) que contienen Ga(OH)−
4anión. [34] [32] : 1033 [35] El hidróxido de galio, que es anfótero , también se disuelve en álcali para formar sales de galato. [33] : 141 Aunque trabajos anteriores sugirieron Ga(OH)3-6
_como otro posible anión galato, [36] no se encontró en trabajos posteriores. [35]
El galio reacciona con los calcógenos sólo a temperaturas relativamente altas. A temperatura ambiente, el galio metálico no reacciona con el aire y el agua porque forma una capa de óxido protectora pasiva . Sin embargo, a temperaturas más altas reacciona con el oxígeno atmosférico para formar óxido de galio (III) , Ga.
2oh
3. [34] Reducción de Ga
2oh
3con galio elemental al vacío entre 500 °C y 700 °C se obtiene el óxido de galio(I) de color marrón oscuro , Ga.
2O. _ [33] : 285 Ga
2El O es un agente reductor muy fuerte , capaz de reducir el H.
2ENTONCES
4a H2S . [33] : 207 Se desproporciona a 800 °C volviendo a galio y Ga
2oh
3. [37]
Sulfuro de galio (III) , Ga
2S
3, tiene 3 posibles modificaciones de cristal. [37] : 104 Se puede obtener mediante la reacción del galio con sulfuro de hidrógeno ( H
2S ) a 950 °C. [33] : 162 Alternativamente, Ga(OH)
3se puede utilizar a 747 °C: [38]
Hacer reaccionar una mezcla de carbonatos de metales alcalinos y Ga
2oh
3con H
2S conduce a la formación de tiogalatos que contienen [Ga
2S
4]2-
anión. Los ácidos fuertes descomponen estas sales, liberando H
2S en el proceso. [37] : 104–105 La sal de mercurio, HgGa
2S
4, se puede utilizar como fósforo . [39]
El galio también forma sulfuros en estados de oxidación más bajos, como el sulfuro de galio (II) y el sulfuro de galio (I) verde, el último de los cuales se produce a partir del primero calentándolo a 1000 °C bajo una corriente de nitrógeno. [37] : 94
Los otros calcogenuros binarios, Ga
2sí
3y ga
2te
3, tienen la estructura de zincblenda . Todos ellos son semiconductores pero se hidrolizan fácilmente y tienen una utilidad limitada. [37] : 104
El galio reacciona con amoníaco a 1050 °C para formar nitruro de galio , GaN. El galio también forma compuestos binarios con fósforo , arsénico y antimonio : fosfuro de galio (GaP), arseniuro de galio (GaAs) y antimonuro de galio (GaSb). Estos compuestos tienen la misma estructura que el ZnS y tienen importantes propiedades semiconductoras . [32] : 1034 GaP, GaAs y GaSb se pueden sintetizar mediante la reacción directa del galio con fósforo elemental, arsénico o antimonio. [37] : 99 Exhiben una conductividad eléctrica más alta que el GaN. [37] : 101 GaP también se puede sintetizar haciendo reaccionar Ga
2O con fósforo a bajas temperaturas. [40]
El galio forma nitruros ternarios ; por ejemplo: [37] : 99
Son posibles compuestos similares con fósforo y arsénico: Li
3Brecha
2y li
3GaAs
2. Estos compuestos se hidrolizan fácilmente con ácidos diluidos y agua. [37] : 101
El óxido de galio (III) reacciona con agentes fluorantes como el HF o el F.
2para formar fluoruro de galio (III) , GaF
3. Es un compuesto iónico fuertemente insoluble en agua. Sin embargo, se disuelve en ácido fluorhídrico , en el que forma un aducto con agua, GaF.
3·3H
2O. _ Al intentar deshidratar este aducto se forma GaF.
2OH · n H
2O. _ El aducto reacciona con amoníaco para formar GaF.
3·3NH
3, que luego se puede calentar para formar GaF anhidro
3. [33] : 128-129
El tricloruro de galio se forma por la reacción del galio metálico con cloro gaseoso . [34] A diferencia del trifluoruro, el cloruro de galio (III) existe como moléculas diméricas, Ga
2CL
6, con un punto de fusión de 78 °C. Se forman compuestos equivalentes con bromo y yodo, Ga
2hermano
6y ga
2I
6. [33] : 133
Al igual que los otros trihaluros del grupo 13, los haluros de galio (III) son ácidos de Lewis , que reaccionan como aceptores de haluro con haluros de metales alcalinos para formar sales que contienen GaX.−
4aniones, donde X es un halógeno. También reaccionan con haluros de alquilo para formar carbocationes y GaX.−
4. [33] : 136-137
Cuando se calientan a alta temperatura, los haluros de galio (III) reaccionan con el galio elemental para formar los respectivos haluros de galio (I). Por ejemplo, GaCl
3reacciona con Ga para formar GaCl :
A temperaturas más bajas, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda y el GaCl se desproporciona de nuevo al galio elemental y al GaCl.
3. GaCl también se puede producir haciendo reaccionar Ga con HCl a 950 °C; el producto puede condensarse como un sólido rojo. [32] : 1036
Los compuestos de galio (I) se pueden estabilizar formando aductos con ácidos de Lewis. Por ejemplo:
Los llamados "haluros de galio (II)", GaX
2, son en realidad aductos de haluros de galio (I) con los respectivos haluros de galio (III), que tienen la estructura Ga+
[GaX
4]−
. Por ejemplo: [34] [32] : 1036 [41]
Al igual que el aluminio , el galio también forma un hidruro , GaH.
3, conocido como galano , que puede producirse haciendo reaccionar galanato de litio ( LiGaH
4) con cloruro de galio (III) a −30 °C: [32] : 1031
En presencia de dimetiléter como disolvente, GaH
3polimeriza a (GaH
3)
norte. Si no se utiliza ningún disolvente, el dímero Ga
2h
6( digalano ) se forma como gas. Su estructura es similar a la del diborano , teniendo dos átomos de hidrógeno uniendo los dos centros de galio, [32] : 1031 a diferencia de α- AlH3en el que el aluminio tiene un número de coordinación de 6. [32] : 1008
El galano es inestable por encima de -10 °C y se descompone en galio elemental e hidrógeno . [42]
Los compuestos de organogalio tienen una reactividad similar a la de los compuestos de organoindio , menos reactivos que los compuestos de organoaluminio , pero más reactivos que los compuestos de organotalio . [43] Los alquilgalios son monoméricos. La acidez de Lewis disminuye en el orden Al > Ga > In y, como resultado, los compuestos de organogalio no forman dímeros con puentes como lo hacen los compuestos de organoaluminio. Los compuestos de organogalio también son menos reactivos que los compuestos de organoaluminio. Forman peróxidos estables. [44] Estos alquilgalios son líquidos a temperatura ambiente, tienen puntos de fusión bajos y son bastante móviles e inflamables. El trifenilgalio es monomérico en solución, pero sus cristales forman estructuras de cadena debido a interacciones intermoleculares débiles de Ga···C. [43]
El tricloruro de galio es un reactivo inicial común para la formación de compuestos de organogalio, como en las reacciones de carbogalación . [45] El tricloruro de galio reacciona con ciclopentadienuro de litio en éter dietílico para formar el complejo ciclopentadienilo de galio plano trigonal GaCp 3 . El galio (I) forma complejos con ligandos areno como el hexametilbenceno . Debido a que este ligando es bastante voluminoso, la estructura del [Ga(η 6 -C 6 Me 6 )] + es la de un medio sándwich . Los ligandos menos voluminosos, como el mesitileno , permiten unir dos ligandos al átomo de galio central en una estructura tipo sándwich doblada. El benceno es aún menos voluminoso y permite la formación de dímeros: un ejemplo es [Ga(η 6 -C 6 H 6 ) 2 ] [GaCl 4 ]·3C 6 H 6 . [43]
En 1871, la existencia del galio fue predicha por primera vez por el químico ruso Dmitri Mendeleev , quien lo llamó " eka-aluminio " por su posición en su tabla periódica . También predijo varias propiedades del eka-aluminio que corresponden estrechamente a las propiedades reales del galio, como su densidad , punto de fusión , carácter de óxido y enlace en cloruro. [46]
Mendeleev predijo además que el eka-aluminio se descubriría mediante el espectroscopio , y que el eka-aluminio metálico se disolvería lentamente tanto en ácidos como en álcalis y no reaccionaría con el aire. También predijo que el M 2 O 3 se disolvería en ácidos para dar sales de MX 3 , que las sales de eka-aluminio formarían sales básicas, que el sulfato de eka-aluminio debería formar alumbre y que el MCl 3 anhidro debería tener una mayor volatilidad que el ZnCl 2. : todas estas predicciones resultaron ser ciertas. [47]
El galio fue descubierto mediante espectroscopia por el químico francés Paul Emile Lecoq de Boisbaudran en 1875 a partir de su espectro característico (dos líneas violetas ) en una muestra de esfalerita . [48] Más tarde ese año, Lecoq obtuvo el metal libre mediante electrólisis del hidróxido en una solución de hidróxido de potasio . [49]
Llamó al elemento "gallia", del latín Gallia que significa Galia , en honor a su tierra natal de Francia. [50] Más tarde se afirmó que, en un juego de palabras multilingüe del tipo preferido por los hombres de ciencia en el siglo XIX, también había nombrado galio en su honor: Le coq en francés significa "el gallo ", y la palabra latina para " gallo" es gallus . En un artículo de 1877, Lecoq negó esta conjetura. [49]
Originalmente, de Boisbaudran determinó la densidad del galio en 4,7 g/cm 3 , la única propiedad que no coincidía con las predicciones de Mendeleev; Mendeleev luego le escribió y le sugirió que volviera a medir la densidad, y de Boisbaudran obtuvo entonces el valor correcto de 5,9 g/cm 3 , que Mendeleev había predicho exactamente. [47]
Desde su descubrimiento en 1875 hasta la era de los semiconductores, los usos principales del galio fueron la termometría de alta temperatura y las aleaciones metálicas con propiedades inusuales de estabilidad o facilidad de fusión (algunas de ellas líquidas a temperatura ambiente).
El desarrollo del arseniuro de galio como semiconductor de banda prohibida directa en la década de 1960 marcó el comienzo de la etapa más importante en las aplicaciones del galio. [23] A finales de la década de 1960, la industria electrónica comenzó a utilizar galio a escala comercial para fabricar diodos emisores de luz, energía fotovoltaica y semiconductores, mientras que la industria de los metales lo utilizó [51] para reducir el punto de fusión de las aleaciones . [52]
El galio no existe como elemento libre en la corteza terrestre, y los pocos minerales de alto contenido, como la galita (CuGaS 2 ), son demasiado raros para servir como fuente primaria. [53] La abundancia en la corteza terrestre es de aproximadamente 16,9 ppm . [54] Esto es comparable a las abundancias de plomo , cobalto y niobio en la corteza terrestre . Sin embargo, a diferencia de estos elementos, el galio no forma sus propios depósitos de mineral con concentraciones de > 0,1% en peso en el mineral. Más bien, ocurre en concentraciones traza similares al valor de la corteza en los minerales de zinc, [53] [55] y en valores algo más altos (~ 50 ppm) en los minerales de aluminio, de los cuales se extrae como subproducto. Esta falta de depósitos independientes se debe al comportamiento geoquímico del galio, que no muestra un fuerte enriquecimiento en los procesos relevantes para la formación de la mayoría de los depósitos minerales. [53]
El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) estima que más de 1 millón de toneladas de galio están contenidas en reservas conocidas de minerales de bauxita y zinc. [56] [57] Algunos polvos de combustión de carbón contienen pequeñas cantidades de galio, normalmente menos del 1% en peso. [58] [59] [60] [61] Sin embargo, estas cantidades no se pueden extraer sin extraer los materiales anfitriones (ver más abajo). Así, la disponibilidad de galio está determinada fundamentalmente por el ritmo al que se extraen la bauxita, los minerales de zinc y el carbón.
El galio se produce exclusivamente como subproducto durante el procesamiento de minerales de otros metales. Su principal material fuente es la bauxita , el principal mineral de aluminio , pero también se extraen cantidades menores de minerales de zinc sulfídico ( siendo la esfalerita el principal mineral huésped). [62] [63] En el pasado, ciertos carbones eran una fuente importante.
Durante el procesamiento de bauxita a alúmina en el proceso Bayer , el galio se acumula en el licor de hidróxido de sodio . De esto se puede extraer mediante una variedad de métodos. El más reciente es el uso de resinas de intercambio iónico . [62] Las eficiencias de extracción alcanzables dependen fundamentalmente de la concentración original en la bauxita de alimentación. A una concentración de alimentación típica de 50 ppm, aproximadamente el 15% del galio contenido es extraíble. [62] El resto se reporta a las corrientes de lodo rojo e hidróxido de aluminio . El galio se elimina de la resina de intercambio iónico en solución. La electrólisis da luego galio metálico. Para uso en semiconductores , se purifica adicionalmente mediante fusión por zonas o extracción monocristalina de una masa fundida ( proceso Czochralski ). Se logran de forma rutinaria purezas del 99,9999% y están disponibles comercialmente. [64]
Su condición de subproducto significa que la producción de galio está limitada por la cantidad de bauxita, minerales de zinc sulfurados (y carbón) extraídos por año. Por lo tanto, su disponibilidad debe discutirse en términos de potencial de oferta. El potencial de oferta de un subproducto se define como la cantidad que se puede extraer económicamente de sus materiales anfitriones por año en las condiciones actuales del mercado (es decir, tecnología y precio). [65] Las reservas y los recursos no son relevantes para los subproductos, ya que no pueden extraerse independientemente de los productos principales. [66] Estimaciones recientes sitúan el potencial de suministro de galio en un mínimo de 2.100 t/año de bauxita, 85 t/año de minerales de zinc sulfídico y potencialmente 590 t/año de carbón. [62] Estas cifras son significativamente mayores que la producción actual (375 toneladas en 2016). [67] Por lo tanto, serán posibles aumentos importantes en el futuro en la producción de galio como subproducto sin aumentos significativos en los costos o precios de producción. El precio promedio del galio de baja calidad fue de 120 dólares por kilogramo en 2016 y de 135 a 140 dólares por kilogramo en 2017. [68]
En 2017, la producción mundial de galio de baja calidad fue de c. 315 toneladas, un aumento del 15 % con respecto a 2016. China, Japón, Corea del Sur, Rusia y Ucrania fueron los principales productores, mientras que Alemania cesó la producción primaria de galio en 2016. El rendimiento de galio de alta pureza fue de ca. 180 toneladas, en su mayoría procedentes de China, Japón, Eslovaquia, Reino Unido y EE. UU. La capacidad de producción anual mundial de 2017 se estimó en 730 toneladas de galio de baja calidad y 320 toneladas de galio refinado. [68]
China produjo c. 250 toneladas de galio de baja calidad en 2016 y c. 300 toneladas en 2017. También representó más de la mitad de la producción mundial de LED. [68] En julio de 2023, China representaba entre el 80% [69] y el 95% de su producción. [70]
Las aplicaciones de semiconductores dominan la demanda comercial de galio y representan el 98% del total. La siguiente aplicación importante es la de los granates de gadolinio y galio . [71]
El galio de pureza extremadamente alta (>99,9999%) está disponible comercialmente para servir a la industria de los semiconductores . El arseniuro de galio (GaAs) y el nitruro de galio (GaN) utilizados en componentes electrónicos representaron aproximadamente el 98% del consumo de galio en los Estados Unidos en 2007. Alrededor del 66% del galio semiconductor se utiliza en los EE.UU. en circuitos integrados (principalmente arseniuro de galio). como la fabricación de chips lógicos de ultra alta velocidad y MESFET para preamplificadores de microondas de bajo ruido en teléfonos móviles. Alrededor del 20% de este galio se utiliza en optoelectrónica . [56]
En todo el mundo, el arseniuro de galio representa el 95% del consumo mundial anual de galio. [64] Ascendió a 7.500 millones de dólares en 2016, de los cuales el 53 % procedía de teléfonos móviles, el 27 % de comunicaciones inalámbricas y el resto de aplicaciones automotrices, de consumo, de fibra óptica y militares. El reciente aumento en el consumo de GaAs está relacionado principalmente con la aparición de teléfonos inteligentes 3G y 4G , que emplean hasta 10 veces la cantidad de GaAs en los modelos más antiguos. [68]
El arseniuro de galio y el nitruro de galio también se pueden encontrar en una variedad de dispositivos optoelectrónicos que tuvieron una participación de mercado de 15,3 mil millones de dólares en 2015 y 18,5 mil millones de dólares en 2016. [68] El arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) se utiliza en diodos láser infrarrojos de alta potencia. Los semiconductores nitruro de galio y nitruro de indio y galio se utilizan en dispositivos optoelectrónicos de color azul y violeta, principalmente diodos láser y diodos emisores de luz . Por ejemplo, los láseres de diodo de 405 nm de nitruro de galio se utilizan como fuente de luz violeta para unidades de discos compactos de datos Blu-ray Disc de mayor densidad . [72]
Otras aplicaciones importantes del nitruro de galio son la transmisión de televisión por cable, la infraestructura inalámbrica comercial, la electrónica de potencia y los satélites. Solo el mercado de dispositivos de radiofrecuencia de GaN se estimó en 370 millones de dólares en 2016 y 420 millones de dólares en 2016. [68]
Las células fotovoltaicas multiunión , desarrolladas para aplicaciones de energía satelital , se fabrican mediante epitaxia de haz molecular o epitaxia de fase de vapor metalorgánica de películas delgadas de arseniuro de galio, fosfuro de indio y galio o arseniuro de indio y galio . Los Mars Exploration Rovers y varios satélites utilizan arseniuro de galio de triple unión en células de germanio. [73] El galio también es un componente de compuestos fotovoltaicos (como el sulfuro de cobre, indio, galio y selenio Cu(In,Ga)(Se,S) 2 ) que se utilizan en paneles solares como una alternativa rentable al silicio cristalino . [74]
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El galio se alea fácilmente con la mayoría de los metales y se utiliza como ingrediente en aleaciones de bajo punto de fusión . La aleación casi eutéctica de galio, indio y estaño es un líquido a temperatura ambiente que se utiliza en los termómetros médicos. Esta aleación, con el nombre comercial Galinstan (con el "-stan" refiriéndose al estaño, stannum en latín), tiene un punto de fusión bajo de -19 °C (-2,2 °F). [75] Se ha sugerido que esta familia de aleaciones también podría usarse para enfriar chips de computadora en lugar de agua, y a menudo se usa como reemplazo de la pasta térmica en la informática de alto rendimiento. [76] [77] Las aleaciones de galio se han evaluado como sustitutos de las amalgamas dentales de mercurio , pero estos materiales aún no han tenido una amplia aceptación. Se ha descubierto que las aleaciones líquidas que contienen principalmente galio e indio precipitan el CO 2 gaseoso en carbono sólido y se están investigando como metodologías potenciales para la captura y posiblemente la eliminación de carbono . [78] [79]
Debido a que el galio moja el vidrio o la porcelana , se puede utilizar para crear espejos brillantes . Cuando no se desea la acción humectante de las aleaciones de galio (como en los termómetros de vidrio Galinstan), el vidrio debe protegerse con una capa transparente de óxido de galio (III) . [80]
Debido a su alta tensión superficial y deformabilidad , [81] se pueden utilizar metales líquidos a base de galio para crear actuadores controlando la tensión superficial. [82] [83] [84] Los investigadores han demostrado el potencial del uso de actuadores de metal líquido como músculo artificial en la actuación robótica. [85] [86]
El plutonio utilizado en los pozos de armas nucleares se estabiliza en la fase δ y se hace mecanizable aleándolo con galio . [87] [88]
Aunque el galio no tiene una función natural en biología, los iones de galio interactúan con los procesos del cuerpo de manera similar al hierro (III) . Debido a que estos procesos incluyen la inflamación , un marcador de muchas enfermedades, se utilizan (o están en desarrollo) varias sales de galio como productos farmacéuticos y radiofármacos en medicina. El interés en las propiedades anticancerígenas del galio surgió cuando se descubrió que el citrato de 67 Ga (III) se inyectaba en animales con tumores localizados en los sitios del tumor. Los ensayos clínicos han demostrado que el nitrato de galio tiene actividad antineoplásica contra el linfoma no Hodgkin y los cánceres uroteliales. Ha surgido una nueva generación de complejos galio-ligando como el tris(8-quinolinolato)galio(III) (KP46) y el maltolato de galio. [89] El nitrato de galio (nombre comercial Ganite) se ha utilizado como producto farmacéutico intravenoso para tratar la hipercalcemia asociada con metástasis tumoral en los huesos. Se cree que el galio interfiere con la función de los osteoclastos y la terapia puede ser eficaz cuando otros tratamientos han fracasado. [90] El maltolato de galio , una forma oral y altamente absorbible de ion galio (III), es un antiproliferativo para las células que proliferan patológicamente, particularmente las células cancerosas y algunas bacterias que lo aceptan en lugar del hierro férrico (Fe 3+ ). Los investigadores están realizando ensayos clínicos y preclínicos sobre este compuesto como tratamiento potencial para varios cánceres, enfermedades infecciosas y enfermedades inflamatorias. [91]
Cuando bacterias como Pseudomonas absorben por error iones de galio en lugar de hierro (III) , los iones interfieren con la respiración y las bacterias mueren. Esto sucede porque el hierro es activo redox, lo que permite la transferencia de electrones durante la respiración, mientras que el galio es inactivo redox. [92] [93]
Un compuesto complejo de amina - fenol Ga (III) MR045 es selectivamente tóxico para los parásitos resistentes a la cloroquina , un fármaco común contra la malaria . Tanto el complejo Ga(III) como la cloroquina actúan inhibiendo la cristalización de hemozoína , un producto de eliminación formado a partir de la digestión de la sangre por los parásitos. [94] [95]
Las sales de galio-67 , como el citrato de galio y el nitrato de galio , se utilizan como agentes radiofarmacéuticos en la exploración de imágenes de medicina nuclear conocida como exploración con galio . Se utiliza el isótopo radiactivo 67 Ga y el compuesto o sal de galio carece de importancia. El cuerpo maneja el Ga 3+ de muchas maneras como si fuera Fe 3+ , y el ion se une (y se concentra) en áreas de inflamación, como infección, y en áreas de rápida división celular. Esto permite obtener imágenes de dichos sitios mediante técnicas de escaneo nuclear. [96]
El galio-68 , un emisor de positrones con una vida media de 68 minutos, se utiliza ahora como radionúclido de diagnóstico en PET-CT cuando se combina con preparaciones farmacéuticas como DOTATOC , un análogo de la somatostatina utilizado para la investigación de tumores neuroendocrinos , y DOTA-TATE . uno más nuevo, utilizado para metástasis neuroendocrinas y cáncer neuroendocrino de pulmón, como ciertos tipos de microcitoma . La preparación del galio-68 como producto farmacéutico es química y el radionúclido se extrae mediante elución del germanio-68, un radioisótopo sintético del germanio , en generadores de galio-68 . [97]
Detección de neutrinos : El galio se utiliza para la detección de neutrinos . Posiblemente la mayor cantidad de galio puro jamás recolectada en un solo lugar sea el Telescopio de Neutrinos de Galio-Germanio utilizado por el experimento SAGE en el Observatorio de Neutrinos de Baksan en Rusia. Este detector contiene entre 55 y 57 toneladas (~9 metros cúbicos) de galio líquido. [98] Otro experimento fue el detector de neutrinos GALLEX operado a principios de la década de 1990 en un túnel de montaña italiano. El detector contenía 12,2 toneladas de galio-71 regado. Los neutrinos solares provocaron que algunos átomos de 71 Ga se volvieran radiactivos en 71 Ge , lo que fue detectado. Este experimento demostró que el flujo de neutrinos solares es un 40% menor de lo que predijo la teoría. Este déficit ( problema de los neutrinos solares ) no se explicó hasta que se construyeron mejores detectores y teorías de neutrinos solares (ver SNO ). [99]
Fuente de iones : El galio también se utiliza como fuente de iones metálicos líquidos para un haz de iones enfocado . Por ejemplo, se utilizó un haz de iones de galio enfocado para crear el libro más pequeño del mundo, Teeny Ted de Turnip Town . [100]
Lubricantes : El galio sirve como aditivo en cera deslizante para esquís y otros materiales de superficie de baja fricción. [101]
Electrónica flexible : Los científicos de materiales especulan que las propiedades del galio podrían hacerlo adecuado para el desarrollo de dispositivos flexibles y portátiles. [102] [103]
Generación de hidrógeno : el galio rompe la capa protectora de óxido del aluminio, lo que permite que el agua reaccione con el aluminio del AlGa para producir gas hidrógeno. [104]
Humor : Una broma muy conocida entre los químicos es fabricar cucharas de galio y utilizarlas para servir té a invitados desprevenidos, ya que el galio tiene una apariencia similar a su homólogo más ligero, el aluminio. Luego las cucharas se derriten en el té caliente. [105]
Los avances en las pruebas de elementos traza han permitido a los científicos descubrir rastros de galio disuelto en los océanos Atlántico y Pacífico [106] En los últimos años, se han presentado concentraciones de galio disuelto en el mar de Beaufort . [106] [107] Estos informes reflejan los posibles perfiles de las aguas del Océano Pacífico y Atlántico. [107] Para los océanos Pacífico, las concentraciones típicas de galio disuelto están entre 4 y 6 pmol/kg a profundidades <~150 m. En comparación, para aguas del Atlántico, 25–28 pmol/kg a profundidades >~350 m. [107]
El galio ha entrado en los océanos principalmente a través de aportaciones eólicas, pero tener galio en nuestros océanos puede utilizarse para resolver la distribución del aluminio en los océanos. [108] La razón de esto es que el galio es geoquímicamente similar al aluminio, solo que menos reactivo. El galio también tiene un tiempo de residencia en la superficie del agua ligeramente mayor que el aluminio. [108] El galio tiene un perfil disuelto similar al del aluminio, debido a esto el galio se puede utilizar como trazador para el aluminio. [108] El galio también se puede utilizar como trazador de aportes eólicos de hierro. [109] El galio se utiliza como trazador de hierro en los océanos Pacífico noroeste, Atlántico sur y central. [109] Por ejemplo, en el Pacífico noroeste, las aguas superficiales con niveles bajos de galio, en la región subpolar, sugieren que hay una baja entrada de polvo, lo que posteriormente puede explicar el siguiente comportamiento ambiental rico en nutrientes y bajo en clorofila . [109]
El galio metálico no es tóxico. Sin embargo, varios compuestos de galio son tóxicos.
Los complejos de haluro de galio pueden ser tóxicos. [112] El ion Ga 3+ de las sales de galio solubles tiende a formar hidróxido insoluble cuando se inyecta en grandes dosis; La precipitación de este hidróxido provocó nefrotoxicidad en animales. En dosis más bajas, el galio soluble se tolera bien y no se acumula como veneno, sino que se excreta principalmente a través de la orina. La excreción de galio se produce en dos fases: la primera fase tiene una vida media biológica de 1 hora, mientras que la segunda tiene una vida media biológica de 25 horas. [96]
Las partículas de Ga 2 O 3 inhaladas probablemente sean tóxicas. [113]
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