Text 8 Gallium

Vom Element mit der Ordnungszahl 31 wissen die meisten Leser, dass es eines der drei Elemente ist, die D.I. Mendelejew vorhergesagt und am ausführlichsten beschrieben hat. Außerdem weiß man noch, dass Gallium ein sehr leichtschmelzendes Metall ist, um Gallium in eine Flüssigkeit zu verwandeln, genügt die Wärme unserer Hand.

Übrigens ist Gallium nicht etwa das leichtestschmelzende Metall (selbst dann nicht, wenn man das Quecksilber außer Betracht lässt). Seine Schmelztemperatur beträgt 29,75°C, während Zäsium bei 28,5°C schmilzt. Man sollte aber Zäsium, wie überhaupt jedes Alkalimetall, lieber nicht in die Hand nehmen, und so lässt sich Gallium natürlich leichter auf der Handfläche schmelzen als Zäsium.

Mendelejew hatte die Eigenschaften des Galliums fünf Jahre vor dessen Entdeckung vorhergesagt. Der geniale russische Chemiker legte seiner Vorhersage die Gesetzmäßigkeiten der Eigenschaftsänderungen in den Gruppen des Periodensystems zugrunde. Doch auch für Lecoq de Boisbaudran war die Entdeckung des Galliums mehr als ein glücklicher Zufall. Der talentierte Spektralanalytiker hatte bereits 1863 Gesetzmäßigkeiten in der Änderung der Spektren von Elementen entdeckt, die sich in ihren Eigen­schaften nahestehen. Beim Vergleich der Spektren von Indium und Alumi­nium kam Lecoq de Boisbaudran zu dem Schluss, dass diese Elemente möglicherweise einen „Kollegen" haben könnten, dessen Spektrallinien einen „Lücke" im kurzwelligen Teil des Spektrums ausfüllen. Genau diese fehlende Linie suchte und fand er im Spektrum der Zinkblende aus Pierrefitte.

Die Schmelztemperatur des Galliums liegt ungewöhnlich niedrig, sie be­trägt nur 1/5 der Schmelztemperatur des Indiums. Die Erklärung liegt in der ungewöhnlichen Kristallstruktur des Galliums. Sein Kristallgitter wird nicht aus einzelnen Atomen gebildet wie bei den „normalen" Metallen, sondern aus zweiatomigen Molekülen. Die Ga₂-Moleküle sind sehr stabil und bleiben sogar bei Überführung des Galliums in den flüssigen Zustand erhalten. Untereinander sind diese Moleküle nur durch die schwachen von der Waalsschen Kräfte verbunden, zu deren Überwindung wenig Energie benötigt wird.

Mit der Zweiatomigkeit der Moleküle sind noch einige weitere Eigenschaf­ten des Elements Nummer 31 verknüpft. Gallium ist im flüssigen Zustand dichter und schwerer als im festen. Auch die elektrische Leitfähigkeit des flüssigen Galliums ist größer als die des festen.

Äußerlich ähnelt das Gallium am ehesten dem Zinn. Es ist ein silberweißes weiches Metall, das an der Luft nicht oxydiert und nicht dunkel wird. Seinen chemisches Eigenschaften nach steht das Gallium dem Aluminium nahe. Wie das Aluminium enthält es auch drei Elektronen auf der Außenschale. Es reagiert wie das Aluminium selbst in der Kälte mit Halogenen (ausgenommen Jod). Beide Metalle sind in Schwefel- und Salzsäure leicht löslich, und beide reagieren unter Bildung amphoterer Hydroxide mit Basen.

Allerdings gibt es in den chemischen Eigenschaften zwischen Gallium und Aluminium auch Unterschiede. Von trockenem Sauerstoff wird Gallium erst bei einer Temperatur über 260°C merklich oxydiert, während Alumini­um sehr rasch vom Sauerstoff angegriffen wird, wenn man es seiner schützenden Oxidhaut beraubt. Mit Wasserstoff bildet Gallium Hydride, die den Borhydriden ähneln. Aluminium dagegen vermag den Wasserstoff nur zu lösen, kann jedoch nicht mit diesem in Reaktion treten.

Daneben ähnelt das Gallium noch dem Quarz und dem Wasser, dem Quarz wegen seiner elektrischen und thermischen Anisotropie. Der elektrische Widerstand von Galliumkristallen ist davon abhängig, längs welcher Achse der Stromfluss erfolgt. Das Verhältnis zwischen Maximum und Mini­mum des elektrischen Widerstandes erreicht den Wert 7 und liegt damit höher als hei jedem anderen Metall. Das gleiche gilt für den Temperaturausdehnungskoeffizienten. Die Werte dieses Koeffizienten verhalten sich in Richtung der drei kristallographischen Achsen (Galliumkristalle sind rhombisch) wie31:16:ll.

Dem Wasser ähnelt Gallium dadurch, dass es beim Übergang in den festen Zustand eine Volumenzunahme zeigt. Diese Volumenzunahme ist recht merklich und beträgt 3,2%. Allein die hier erwähnte Kombination so widersprüchlicher Eigenschaften deutet auf die unwiederholbare Individualität des Elements Nummer 31 hin.

Außerdem besitzt Gallium eine ganze Reihe von Eigenschaften, die man bei keinem anderen Element findet. Einmal geschmolzen, kann es viele Monate hindurch im unterkühlten Zustand, d.h. bei einer Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes, verharren. Gallium ist das einzige Metall, das über den ungeheuer großen Temperaturbereich von 30 bis 2233°C eine Flüssigkeit bleibt, deren Flüchtigkeit minimal ist. Selbst im Hochvakuum tritt erst ab 1000°C eine merkliche Verdampfung ein. Im Unterschied zum festen und flüssigen Metall ist dampfförmiges Gallium einatomig. Der Übergang: Ga_22Ga erfordert einen sehr großen Energieaufwand, woraus sich die schwere Flüchtigkeit des Galliums erklärt. Das große Temperaturintervall, innerhalb dessen Gallium flüssig bleibt, bil­det die Grundlage einer der bedeutendsten technischen Anwendungen des Elements Nummer 31.