Galio

El galio es un elemento químico de símbolo Ga y número atómico 31. Descubierto por el químico francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, 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 blando a temperatura y presión estándar. En su estado líquido, se vuelve de color blanco plateado. Si se aplica demasiada fuerza, el galio se puede fracturar concoidalmente. 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 no tóxica y respetuosa con el medio ambiente al mercurio, 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–⁠ 16% de estaño en peso), pero ese puede ser el punto de congelación con efecto de sobreenfriamiento.

El galio no se presenta como un elemento libre en la naturaleza, sino como compuestos de galio (III) en cantidades mínimas 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 derretirá en las manos de una persona a la temperatura normal del cuerpo humano de 37,0 °C (98,6 °F).

El galio se utiliza predominantemente en la 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 infrarrojos. El nitruro de galio semiconductor y el nitruro de galio indio producen diodos emisores de luz azul y violeta y diodos láser. El galio también se utiliza en la producción de granate de galio gadolinio artificial para joyería. El galio es considerado un elemento crítico para la tecnología por la Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos y Frontiers Media.

El galio no tiene un papel natural conocido en la biología. El galio (III) se comporta de manera similar a las sales férricas en los sistemas biológicos y se ha utilizado en algunas aplicaciones médicas, incluidas las farmacéuticas y radiofarmacéuticas.

Propiedades físicas

El galio elemental no se encuentra en la naturaleza, pero se obtiene fácilmente por fundición. El galio muy puro es un metal azul plateado que se fractura concoidalmente como el vidrio. El galio líquido se expande un 3,10 % cuando se solidifica; por lo tanto, no debe almacenarse 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 incluyen agua, silicio, germanio, bismuto y plutonio.

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 y el acero, lo que provoca una pérdida extrema de resistencia y ductilidad denominada 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 el mismo que el promedio de las temperaturas diurnas de verano en las latitudes medias de la Tierra. Este punto de fusión (mp) es uno de los puntos formales de referencia de temperatura en la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) establecida por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM). El punto triple del galio, 302,9166 K (29,7666 °C, 85,5799 °F), es utilizado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. con preferencia al punto de fusión.

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/punto de congelación: las nanopartículas de Ga se pueden mantener en estado líquido por debajo de 90 K.Sembrar con un cristal ayuda a iniciar la congelación. El galio es uno de los cuatro metales no radiactivos (con cesio, rubidio y mercurio) que se sabe que son líquidos a temperatura ambiente normal o cercana a ella. De los cuatro, el galio es el único que no es 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, 2673 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.A diferencia del mercurio, el galio metálico líquido humedece el vidrio y la piel, junto con la mayoría de los demás materiales (con la excepción del cuarzo, el grafito, el óxido de galio(III) y el PTFE), lo que hace que sea más difícil de manipular mecánicamente, aunque es sustancialmente menos tóxico y requiere muchas menos precauciones que el mercurio. El galio pintado sobre vidrio es un espejo brillante. Por esta razón, además de los problemas de contaminación por metal y expansión por congelación, las muestras de galio metálico generalmente se suministran en paquetes de polietileno dentro de otros contenedores.

Propiedad	a	b	C
α (~25 °C, μm/m)	dieciséis	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

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 solo un vecino más cercano (a una distancia de 244 pm). Los seis vecinos de celda unitaria restantes están espaciados 27, 30 y 39 pm más lejos, y están agrupados en pares con la misma distancia. Se encuentran muchas fases estables y metaestables en función de la temperatura y la presión.

El enlace entre los dos vecinos más cercanos es covalente; por lo tanto, los dímeros de Ga ₂ se consideran los bloques de construcción fundamentales del cristal. Esto explica el bajo punto de fusión en relación con los elementos vecinos, aluminio e indio. Esta estructura es sorprendentemente similar a la del yodo y puede formarse debido a las interacciones entre los electrones 4p individuales de los átomos de galio, más alejados del núcleo que los electrones 4s y el núcleo [Ar]3d. Este fenómeno se repite con el mercurio con su configuración electrónica de "pseudo-gas noble" [Xe]4f 5d 6s, que es líquido a temperatura ambiente. Los electrones 3d 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.Los dímeros de Ga ₂ no persisten en el estado líquido y el galio líquido presenta una estructura compleja de baja coordinación en la que cada átomo de galio está rodeado por otros 10, en lugar de los 11 o 12 vecinos típicos de la mayoría de los metales líquidos.

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), produciendo una diferencia significativa entre los coeficientes de expansión térmica lineal (α) y volumétrica. Las propiedades del galio dependen fuertemente de la temperatura, particularmente cerca del punto de fusión. Por ejemplo, el coeficiente de expansión térmica aumenta en varios cientos por ciento al fundirse.

Isótopos

El galio tiene 31 isótopos conocidos, cuyo número de masa oscila entre 56 y 86. Solo 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 más larga (vida media 3,261 días). Los isótopos más livianos que el galio-69 generalmente se descomponen a través de la desintegración beta plus (emisión de positrones) o captura de electrones a isótopos de zinc, aunque los más livianos (números de masa 56–59) se descomponen a través de la emisión rápida de protones. Los isótopos más pesados ​​que el galio-71 se descomponen a través de la desintegración beta menos (emisión de electrones), posiblemente con emisión de neutrones retardada, a isótopos de germanio, mientras que el galio-70 puede desintegrarse tanto mediante la desintegración beta menos como por la captura de electrones.El galio-67 y el galio-68 (vida media de 67,7 min) se utilizan en medicina nuclear.

Propiedades químicas

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 para los congéneres más pesados ​​del galio, el indio y el talio. Por ejemplo, el muy estable GaCl ₂ contiene tanto galio (I) como galio (III) y se puede formular como Ga Ga 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 compuestos de galio (II) verdadero, como el GaS (que se puede formular como Ga ₂ (S) ₂) y el complejo de dioxano Ga ₂ Cl ₄ (C ₄ H ₈ O ₂) ₂.

Química acuosa

Los ácidos fuertes disuelven el galio y forman sales de galio (III) como Ga (NO₃)₃(nitrato de galio). Las soluciones acuosas de sales de galio (III) contienen el ion de galio hidratado, [Ga(H₂O)₆]. Hidróxido de galio (III), Ga (OH)₃, puede precipitarse a partir de soluciones de galio (III) añadiendo amoníaco. Deshidratación de Ga(OH)₃a 100 °C produce hidróxido de óxido de galio, GaO(OH).

Las soluciones de hidróxido alcalino disuelven el galio y forman sales de galato (que no deben confundirse con las sales de ácido gálico del mismo nombre) que contienen el Ga(OH)₄anión. El hidróxido de galio, que es anfótero, también se disuelve en álcali para formar sales de galato. Aunque trabajos anteriores sugirieron Ga(OH)₆como otro posible anión galato, no se encontró en trabajos posteriores.

Óxidos y calcogenuros

El galio reacciona con los calcógenos solo a temperaturas relativamente altas. A temperatura ambiente, el galio metálico no reacciona con el aire y el agua porque forma una capa de óxido pasiva y protectora. Sin embargo, a temperaturas más altas, reacciona con el oxígeno atmosférico para formar óxido de galio (III), Ga₂O₃. Reduciendo Ga₂O₃con galio elemental en vacío a 500 °C a 700 °C produce el óxido de galio (I) marrón oscuro, Ga₂O. Georgia ₂O es un agente reductor muy fuerte, capaz de reducir H₂ASI QUE₄a H₂s _ Se desproporciona a 800 ° C de nuevo a galio y Ga₂O₃.

Sulfuro de galio (III), Ga₂S₃, tiene 3 posibles modificaciones de cristal. Se puede hacer por la reacción de galio con sulfuro de hidrógeno (H₂S) a 950 °C. Alternativamente, Ga(OH)₃se puede utilizar a 747 °C:2Ga (OH)₃+ 3 horas₂S → Ga₂S₃+ 6 horas₂O

Reacción de una mezcla de carbonatos de metales alcalinos y Ga₂O₃con h₂S conduce a la formación de tiogalatos que contienen el [Ga₂S₄]anión. Los ácidos fuertes descomponen estas sales, liberando H₂S en el proceso. La sal de mercurio, HgGa₂S₄, se puede utilizar como fósforo.

El galio también forma sulfuros en estados de oxidación más bajos, como el sulfuro de galio (II) y el sulfuro verde de galio (I), el último de los cuales se produce a partir del primero calentándolo a 1000 ° C bajo una corriente de nitrógeno.

Los otros calcogenuros binarios, Ga₂Se₃y Ga₂Te₃, tienen la estructura zincblenda. Todos son semiconductores, pero se hidrolizan fácilmente y tienen una utilidad limitada.

Nitruros y pnictidos

El galio reacciona con el 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 antimoniuro de galio (GaSb). Estos compuestos tienen la misma estructura que el ZnS y tienen importantes propiedades semiconductoras. GaP, GaAs y GaSb se pueden sintetizar mediante la reacción directa de galio con fósforo elemental, arsénico o antimonio. Exhiben una conductividad eléctrica más alta que GaN. GaP también se puede sintetizar haciendo reaccionar Ga₂O con fósforo a bajas temperaturas.

El galio forma nitruros ternarios; por ejemplo:li₃Ga + N₂→ li₃GaN₂

Son posibles compuestos similares con fósforo y arsénico: Li₃Brecha₂y li₃GaAs₂. Estos compuestos se hidrolizan fácilmente con ácidos diluidos y agua.

Haluros

El óxido de galio (III) reacciona con agentes fluorantes como HF o F₂para formar fluoruro de galio (III), GaF₃. Es un compuesto iónico fuertemente insoluble en agua. Sin embargo, se disuelve en ácido fluorhídrico, en el que forma un aducto con agua, GaF₃·3H₂O.₂OH · n H₂O. El aducto reacciona con el amoníaco para formar GaF₃·3NH₃, que luego se puede calentar para formar GaF anhidro₃.

El tricloruro de galio se forma por la reacción del galio metálico con cloro gaseoso. A diferencia del trifluoruro, el cloruro de galio (III) existe como moléculas diméricas, Ga₂cl₆, con un punto de fusión de 78 °C. Se forman compuestos equivalentes con bromo y yodo, Ga₂hermano₆y Ga₂yo₆.

Al igual que los otros trihaluros del grupo 13, los haluros de galio (III) son ácidos de Lewis, que reaccionan como aceptores de haluros 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 GaX₄.

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, GaCl₃reacciona con Ga para formar GaCl:2Ga + GaCl₃⇌ 3 GaCl (g)

A temperaturas más bajas, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda y el GaCl se vuelve desproporcionado a galio elemental y GaCl.₃. GaCl también se puede producir haciendo reaccionar Ga con HCl a 950 °C; el producto se puede condensar como un sólido rojo.

Los compuestos de galio (I) se pueden estabilizar formando aductos con ácidos de Lewis. Por ejemplo:GaCl + AlCl₃→ Ja[AlCl₄]

Los llamados "haluros de galio (II)", GaX₂, son en realidad aductos de haluros de galio (I) con los respectivos haluros de galio (III), que tienen la estructura Ga[GaX₄]. Por ejemplo:GaCl + GaCl₃→ Ja[GaCl₄]

Hidruros

Al igual que el aluminio, el galio también forma un hidruro, GaH₃, conocido como galano, que se puede producir haciendo reaccionar galanato de litio (LiGaH₄) con cloruro de galio(III) a −30 °C:3 LiGaH₄+ GaCl₃→ 3 LiCl + 4 GaH₃

En presencia de dimetil éter como solvente, GaH₃polimeriza a (GaH₃)_norte. Si no se utiliza disolvente, el dímero Ga₂H₆(digalano) se forma como un gas. Su estructura es similar al diborano, con dos átomos de hidrógeno que unen los dos centros de galio, a diferencia del α -AlH₃en el que el aluminio tiene un número de coordinación de 6.

El galano es inestable por encima de -10 ° C y se descompone en galio elemental e hidrógeno.

Compuestos de organogalio

Los compuestos de organogalio tienen una reactividad similar a los compuestos de organoindio, menos reactivos que los compuestos de organoaluminio, pero más reactivos que los compuestos de organotalio. 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 puenteados como lo hacen los compuestos de organoaluminio. Los compuestos de organogalio también son menos reactivos que los compuestos de organoaluminio. Forman peróxidos estables. 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 en cadena debido a las débiles interacciones intermoleculares de Ga···C.

El tricloruro de galio es un reactivo de partida común para la formación de compuestos de organogalio, como en las reacciones de carbogalación. El tricloruro de galio reacciona con ciclopentadienuro de litio en éter dietílico para formar el complejo ciclopentadienilo de galio planar trigonal GaCp ₃. El galio (I) forma complejos con ligandos de areno como el hexametilbenceno. Debido a que este ligando es bastante voluminoso, la estructura de [Ga(η -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 de sándwich doblado. El benceno es aún menos voluminoso y permite la formación de dímeros: un ejemplo es [Ga(η -C ₆ H ₆)₂ ] [ _GaCl4 ] · _{3C6H6 .}

Historia

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 se corresponden estrechamente con las propiedades reales del galio, como su densidad, punto de fusión, carácter de óxido y unión en cloruro.

Propiedad	Las predicciones de Mendeleev	Propiedades reales
Peso atomico	~68	69.723
Densidad	5,9 g/cm2	5,904 g/cm
Punto de fusion	Bajo	29.767 ºC
fórmula de óxido	M 2 O 3	Ga 2 O 3
Densidad de óxido	5,5 g/cm2	5,88 g/cm2
Naturaleza del hidróxido	anfótero	anfótero

Mendeleev predijo además que el eka-aluminio se descubriría por medio del 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 eka-sulfato de aluminio formaría alumbres y que el MCl ₃ anhidro debería tener una volatilidad mayor que el ZnCl ₂: todas estas predicciones resultaron ser ciertas.

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. Más tarde ese año, Lecoq obtuvo el metal libre por electrólisis del hidróxido en solución de hidróxido de potasio.

Llamó al elemento "gallia", del latín Gallia que significa Galia, en honor a su tierra natal de Francia. Más tarde se afirmó que, en un juego de palabras multilingüe de un tipo favorecido por los hombres de ciencia en el siglo XIX, también había nombrado galio en su honor: "Le coq" es francés para "el gallo" y la palabra latina para "gallo". es " gallo ". En un artículo de 1877, Lecoq negó esta conjetura.

Originalmente, de Boisbaudran determinó que la densidad del galio era de 4,7 g/cm, la única propiedad que no coincidía con las predicciones de Mendeleev; Mendeleev luego le escribió y le sugirió que debería volver a medir la densidad, y de Boisbaudran obtuvo el valor correcto de 5,9 g/cm, que Mendeleev había predicho exactamente.

Desde su descubrimiento en 1875 hasta la era de los semiconductores, los principales usos del galio fueron la termometría de alta temperatura y las aleaciones metálicas con propiedades inusuales de estabilidad o facilidad de fusión (algunas de las cuales son 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. En 1978, la industria electrónica usó galio para fabricar diodos emisores de luz, fotovoltaicos y semiconductores, mientras que el negocio de los metales lo usó para reducir el punto de fusión de las aleaciones.

Ocurrencia

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 escasos para servir como fuente primaria. La abundancia en la corteza terrestre es de aproximadamente 16,9 ppm. Esto es comparable a las abundancias de la corteza de plomo, cobalto y niobio. 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 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 de mineral.

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. Algunos polvos de combustión de carbón contienen pequeñas cantidades de galio, típicamente menos del 1% en peso. Sin embargo, estas cantidades no se pueden extraer sin extraer los materiales del huésped (ver más abajo). Así, la disponibilidad de galio está determinada fundamentalmente por la velocidad a la que se extraen la bauxita, los minerales de zinc (y el carbón).

Producción y disponibilidad

El galio se produce exclusivamente como subproducto durante el procesamiento de minerales de otros metales. Su principal material de origen es la bauxita, el principal mineral de aluminio, pero también se extraen cantidades menores de los minerales sulfurosos de zinc (siendo la esfalerita el principal mineral huésped). En el pasado, ciertos carbones fueron 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 por una variedad de métodos. El más reciente es el uso de resinas de intercambio iónico. Las eficiencias de extracción alcanzables dependen críticamente de la concentración original en la bauxita de alimentación. A una concentración de alimentación típica de 50 ppm, se puede extraer aproximadamente el 15% del galio contenido. 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 luego da galio metálico. Para uso en semiconductores, se purifica aún más con fusión por zonas o extracción monocristalina de una masa fundida (proceso Czochralski). Purezas del 99,9999 % se consiguen de forma rutinaria y están disponibles comercialmente.

Su estado de subproducto significa que la producción de galio está restringida por la cantidad de bauxita, minerales sulfurosos de zinc (y carbón) extraídos por año. Por lo tanto, su disponibilidad debe discutirse en términos de potencial de suministro. El potencial de suministro 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). Las reservas y los recursos no son relevantes para los subproductos, ya que no pueden extraerse independientemente de los productos principales. Estimaciones recientes sitúan el potencial de suministro de galio en un mínimo de 2.100 t/año a partir de bauxita, 85 t/año a partir de minerales sulfurosos de zinc y potencialmente 590 t/año a partir de carbón.Estas cifras son significativamente superiores a la producción actual (375 t en 2016). Por lo tanto, serán posibles importantes aumentos futuros en la producción de galio como subproducto sin aumentos significativos en los costos de producción o el precio. El precio promedio del galio de baja calidad fue de $120 por kilogramo en 2016 y de $135 a $140 por kilogramo en 2017.

En 2017, la producción mundial de galio de bajo grado fue ca. 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 aprox. 180 toneladas, en su mayoría procedentes de China, Japón, Eslovaquia, Reino Unido y EE. UU. La capacidad de producción mundial anual de 2017 se estimó en 730 toneladas para galio de bajo grado y 320 toneladas para galio refinado.

China produjo ca. 250 toneladas de galio de bajo grado en 2016 y ca. 300 toneladas en 2017. También representó más de la mitad de la producción mundial de LED.

Aplicaciones

Las aplicaciones de semiconductores dominan la demanda comercial de galio y representan el 98% del total. La siguiente aplicación importante es para los granates de galio y gadolinio.

Semiconductores

El galio de pureza extremadamente alta (> 99,9999%) está disponible comercialmente para servir a la industria de semiconductores. El arseniuro de galio (GaAs) y el nitruro de galio (GaN) utilizados en componentes electrónicos representaron alrededor del 98 % del consumo de galio en los Estados Unidos en 2007. Alrededor del 66 % del galio semiconductor se usa 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.

A nivel mundial, el arseniuro de galio representa el 95 % del consumo mundial anual de galio. Ascendió a 7500 millones de dólares en 2016, con un 53 % procedente de teléfonos móviles, un 27 % de comunicaciones inalámbricas y el resto de aplicaciones automotrices, de consumo, de fibra óptica y militares. El aumento reciente en el consumo de GaAs se relaciona principalmente con la aparición de teléfonos inteligentes 3G y 4G, que utilizan 10 veces más GaAs que los modelos más antiguos.

El arseniuro de galio y el nitruro de galio también se pueden encontrar en una variedad de dispositivos optoelectrónicos que tenían una participación de mercado de $ 15,3 mil millones en 2015 y $ 18,5 mil millones en 2016. El arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) se usa en diodos láser infrarrojos de alta potencia. Los semiconductores nitruro de galio y nitruro de indio y galio se utilizan en dispositivos optoelectrónicos azules y violetas, principalmente diodos láser y diodos emisores de luz. Por ejemplo, los láseres de diodo de nitruro de galio de 405 nm se utilizan como fuente de luz violeta para unidades de disco de datos compactas Blu-ray Disc de mayor densidad.

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 GaN se estimó en $ 370 millones en 2016 y $ 420 millones en 2016.

Las células fotovoltaicas de unión múltiple, desarrolladas para aplicaciones de energía satelital, se fabrican mediante epitaxia de haz molecular o epitaxia en fase de vapor metalorgánico 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 unión triple en células de germanio. El galio también es un componente de compuestos fotovoltaicos (como cobre, indio, galio, selenio, sulfuro Cu(In,Ga)(Se,S) ₂) que se utilizan en paneles solares como una alternativa rentable al silicio cristalino.

Galinstan y otras aleaciones

El galio se alea fácilmente con la mayoría de los metales y se usa 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 usa en termómetros médicos. Esta aleación, con el nombre comercial Galinstan (con el "-stan" que se refiere al estaño, stannum en latín), tiene un punto de fusión bajo de -19 ° C (-2,2 ° F). 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 computación de alto rendimiento.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 de carbono y posiblemente la eliminación de carbono.

Debido a que el galio humedece el vidrio o la porcelana, el galio se puede usar para crear espejos brillantes. Cuando no se desea la acción humectante de las aleaciones de galio (como en los termómetros de vidrio de Galinstan), el vidrio debe protegerse con una capa transparente de óxido de galio (III).

El plutonio utilizado en los pozos de armas nucleares se estabiliza en la fase δ y se puede mecanizar mediante aleación con galio.

Aplicaciones biomédicas

Aunque el galio no tiene una función natural en la biología, los iones de galio interactúan con los procesos del cuerpo de manera similar al hierro (III). Debido a que estos procesos incluyen inflamación, un marcador de muchos estados de enfermedad, varias sales de galio se usan (o están en desarrollo) como productos farmacéuticos y radiofármacos en medicina. El interés en las propiedades anticancerígenas del galio surgió cuando se descubrió que el citrato de 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 de galio-ligando como el tris(8-quinolinolato)galio(III) (KP46) y el maltolato de galio.El nitrato de galio (nombre comercial Ganite) se ha utilizado como un fármaco intravenoso para tratar la hipercalcemia asociada con metástasis tumorales en los huesos. Se cree que el galio interfiere con la función de los osteoclastos, y la terapia puede ser efectiva cuando otros tratamientos han fallado. El maltolato de galio, una forma oral altamente absorbible de iones de galio (III), es un antiproliferativo para las células que proliferan patológicamente, en particular las células cancerosas y algunas bacterias que lo aceptan en lugar del hierro férrico (Fe). Los investigadores están realizando ensayos clínicos y preclínicos sobre este compuesto como tratamiento potencial para varios tipos de cáncer, enfermedades infecciosas e inflamatorias.

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 redox activo, lo que permite la transferencia de electrones durante la respiración, mientras que el galio es redox inactivo.

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 de Ga(III) como la cloroquina actúan inhibiendo la cristalización de la hemozoína, un producto de eliminación formado por la digestión de la sangre por parte de los parásitos.

Sales de radiogalio

Las sales de galio-67, como el citrato de galio y el nitrato de galio, se utilizan como agentes radiofarmacéuticos en las imágenes de medicina nuclear conocidas como gammagrafía con galio. Se utiliza el isótopo radiactivo Ga, y el compuesto o sal de galio no es importante. El cuerpo maneja Ga de muchas maneras como si fuera Fe, y el ion se une (y se concentra) en áreas de inflamación, como infección, y en áreas de división celular rápida. Esto permite obtener imágenes de dichos sitios mediante técnicas de exploración nuclear.

El galio-68, un emisor de positrones con una vida media de 68 min, ahora se usa como radionúclido de diagnóstico en PET-CT cuando se combina con preparaciones farmacéuticas como DOTATOC, un análogo de la somatostatina que se usa para la investigación de tumores neuroendocrinos, y DOTA-TATE, uno más nuevo, utilizado para la metástasis neuroendocrina y el cáncer neuroendocrino de pulmón, como ciertos tipos de microcitoma. La preparación del galio-68 como producto farmacéutico es química, y el radionúclido se extrae por elución del germanio-68, un radioisótopo sintético de germanio, en generadores de galio-68.

Otros usos

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 es el Telescopio de neutrinos de galio-germanio utilizado por el experimento SAGE en el Observatorio de neutrinos de Baksan en Rusia. Este detector contiene de 55 a 57 toneladas (~9 metros cúbicos) de galio líquido. 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 aguado. Los neutrinos solares hicieron que algunos átomos de Ga se convirtieran en Ge radiactivo, que fueron detectados. Este experimento mostró que el flujo de neutrinos solares es un 40% menor que la teoría predicha. Este déficit no se explicó hasta que se construyeron mejores teorías y detectores de neutrinos solares (ver SNO).

Fuente de iones: el galio también se utiliza como fuente de iones de metal líquido 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.

Lubricantes: el galio sirve como aditivo en la cera deslizante para esquís y otros materiales de superficie de baja fricción.

Electrónica flexible: los científicos de materiales especulan que las propiedades del galio podrían hacerlo adecuado para el desarrollo de dispositivos portátiles y flexibles.

Generación de hidrógeno: el galio interrumpe la capa protectora de óxido sobre el aluminio, lo que permite que el agua reaccione con el aluminio en AlGa para producir gas hidrógeno.

Humor: una broma práctica muy conocida entre los químicos es fabricar cucharas de galio y usarlas para servir té a invitados desprevenidos, ya que el galio tiene una apariencia similar a su homólogo de aluminio más ligero. Luego, las cucharas se derriten en el té caliente.

Galio en el océano

Los avances en las pruebas de elementos traza han permitido a los científicos descubrir trazas de galio disuelto en los océanos Atlántico y Pacífico. En los últimos años, se han presentado concentraciones de galio disuelto en el mar de Beaufort. Estos informes reflejan los posibles perfiles de las aguas del Océano Pacífico y Atlántico. 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.

El galio ha ingresado a nuestros océanos principalmente a través del aporte eólico, pero tener galio en nuestros océanos puede usarse para resolver la distribución de aluminio en los océanos. 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 agua superficial ligeramente mayor que el aluminio. El galio tiene un perfil disuelto similar al del aluminio, por lo que el galio se puede utilizar como trazador para el aluminio. El galio también se puede utilizar como marcador de aportes eólicos de hierro. El galio se utiliza como trazador de hierro en el Pacífico noroeste y los océanos Atlántico sur y central.Por ejemplo, en el Pacífico noroeste, las aguas superficiales bajas en galio, en la región subpolar, sugieren que hay una baja entrada de polvo, lo que posteriormente puede explicar el siguiente comportamiento ambiental alto en nutrientes y bajo en clorofila.

Precauciones

El galio metálico no es tóxico. Sin embargo, la exposición a complejos de haluro de galio puede resultar en toxicidad aguda. El ion Ga de las sales de galio solubles tiende a formar el hidróxido insoluble cuando se inyecta en grandes dosis; la precipitación de este hidróxido resultó en 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 ocurre 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.