GALLIUM: SIFAT, STRUKTUR, PEROLEHAN, KEGUNAAN - KIMIA - 2025

The gallium adalah elemen logam yang diwakili oleh simbol Ga milik kelompok 13 dari tabel periodik. Secara kimiawi itu menyerupai aluminium dalam amfoterisme; Namun, kedua logam tersebut akhirnya menunjukkan sifat yang membuatnya dapat dibedakan satu sama lain.

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

Kristal galium diperoleh dengan mengendapkan sebagian kecil galium ke dalam larutan jenuh itu (galium cair). Sumber: Maxim Bilovitskiy

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

Gallium bukanlah logam yang terkenal. Namanya saja bisa membangkitkan citra ayam jago di benak. Nyatanya, gambaran umum galium biasanya ditemukan dengan gambar ayam jantan perak; dicat dengan galium cair, bahan yang sangat bisa dibasahi pada kaca, keramik, dan bahkan tangan.

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

Meskipun galium tidak beracun, seperti juga merkuri, ia adalah agen perusak logam, karena membuatnya rapuh dan tidak berguna (pertama kali). Di sisi lain, secara farmakologis mengintervensi proses di mana matriks biologis menggunakan besi.

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

Secara kimiawi, logam ini masih memiliki banyak penawaran; mungkin di bidang katalisis, energi nuklir, dalam pengembangan bahan semikonduktor baru, atau "secara sederhana" dalam klarifikasi strukturnya yang membingungkan dan kompleks.

Sejarah

Prediksi keberadaannya

Pada tahun 1871, kimiawan Rusia Dmitri Mendeleev telah meramalkan keberadaan unsur yang sifatnya mirip dengan aluminium; yang disebutnya sebagai ekaluminio. Elemen ini harus ditempatkan tepat di bawah aluminium. Mendeleev juga memprediksikan sifat (densitas, titik lebur, rumus oksidanya, dll.) Dari ekaluminium.

Penemuan dan isolasi

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

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

Untuk mengisolasi, Lecoq melakukan elektrolisis hidroksida masing-masing dalam kalium hidroksida; mungkin sama dengan yang dia gunakan untuk melarutkan sfalerit. Setelah dinyatakan sebagai ekaluminium, dan juga sebagai penemunya, ia memberinya nama 'gallium' (galium dalam bahasa Inggris). Nama ini berasal dari nama 'Gallia' yang dalam bahasa latinnya berarti Prancis.

Namun, namanya menimbulkan rasa ingin tahu lain: 'Lecoq' dalam bahasa Prancis berarti 'ayam jago', dan dalam bahasa Latin 'gallus'. Menjadi logam, 'gallus' menjadi 'gallium'; meskipun dalam bahasa Spanyol konversinya jauh lebih langsung. Jadi, bukan kebetulan bahwa ayam jago terpikir ketika berbicara tentang galium.

Sifat fisik dan kimia

Penampilan dan ciri fisik

Gallium adalah logam keperakan dengan permukaan seperti kaca dan tidak berbau dengan rasa yang sepat. Padatannya lembut dan rapuh, dan ketika retak ia menjadi conchoidal; yaitu potongan-potongan yang terbentuk melengkung, mirip dengan kerang laut.

Saat meleleh, tergantung pada sudut pandangnya, ini bisa menunjukkan cahaya kebiruan. Cairan keperakan ini tidak beracun jika terkena; Namun, itu "menempel" terlalu banyak ke permukaan, terutama jika itu keramik atau kaca. Misalnya, setetes galium dapat meresap ke dalam gelas untuk melapisinya dengan cermin perak.

Jika fragmen padat dari galium diendapkan dalam galium cair, ia berfungsi sebagai inti tempat 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. Temperatur ini bisa dicapai dengan memegang gelas gallium dengan erat di antara kedua tangan hingga meleleh.

Titik didih

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

Massa jenis

-Pada suhu kamar: 5.91 g / cm ³

-Pada titik leleh: 6,095 g / cm ³

Perhatikan bahwa hal yang sama terjadi pada galium seperti pada 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 tersebut sangat besar (tiga kali lipat) sehingga tidak nyaman untuk menyimpan gallium 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 ºC, hanya cairannya yang memiliki tekanan 1 Pa.

Elektronegativitas

1,81 pada skala Pauling

Energi ionisasi

-Pertama: 578,8 kJ / mol (Ga ⁺ gas)

-Kedua: 1979,3 kJ / mol (Ga ²⁺ gas)

-Tiga: 2963 kJ / mol (Ga ³⁺ gas)

Konduktivitas termal

40,6 W / (m K)

Resistivitas listrik

270 nΩ m pada 20 ºC

Kekerasan Mohs

1.5

Viskositas

1.819 cP pada suhu 32 ºC

Tegangan permukaan

709 dynes / cm pada 30 ºC

Amfoterisme

Seperti aluminium, galium bersifat amfoter; bereaksi dengan asam dan basa. Misalnya, asam kuat dapat melarutkannya untuk membentuk garam galium (III); jika mereka adalah H ₂ SO ₄ dan HNO ₃ , maka _dihasilkan Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ dan Ga (NO ₃ ) ₃ . Sedangkan bila bereaksi dengan basa kuat, dihasilkan garam galat, dengan ion Ga (OH) ₄ ^- .

Perhatikan kesamaan 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 ³⁺ .

Reaktivitas

Gallium logam relatif inert pada suhu kamar. Ia 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 ada, pada suhu tinggi ia bereaksi membentuk Ga ₂ S ₃ .

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

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

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

Hal yang paling menarik tentang galium bukanlah karakteristik kimianya sebelumnya, tetapi sangat mudah untuk mencampurkannya (mirip dengan merkuri dan proses amalgamasinya). Atom Ga-nya dengan cepat "menggesekkan bahu" di antara kristal logam, menghasilkan paduan galium.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Kompleksitas

Gallium bukan hanya luar biasa karena ia adalah logam yang meleleh karena panas telapak tangan Anda, tetapi strukturnya rumit 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 fasa untuk logam ini, yang urutan atomnya belum ditentukan. Oleh karena itu, ini adalah struktur yang lebih kompleks daripada yang terlihat pada pandangan pertama.

Tampaknya hasil bervariasi sesuai dengan sudut atau arah di mana strukturnya dianalisis (anisotropi). Selain itu, 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.

Dimers

Atom ga berinteraksi satu sama lain berkat ikatan logam. Namun, derajat kovalensi tertentu telah ditemukan antara dua atom yang bertetangga, sehingga diasumsikan keberadaan dimer Ga ₂ (Ga-Ga).

Secara teori, ikatan kovalen ini harus dibentuk oleh tumpang tindih orbital 4p, dengan satu-satunya elektron yang sesuai dengan konfigurasi elektronik:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

Campuran interaksi kovalen-logam ini dikaitkan dengan titik leleh yang rendah dari galium; karena, meskipun di satu sisi mungkin ada "lautan elektron" yang mengikat atom-atom Ga dengan erat di dalam kristal, di sisi lain unit strukturalnya 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 berpindah ke kubik yang berpusat pada tubuh (Ga-II), dan dari sini ia akhirnya berpindah ke tetragonal yang berpusat pada tubuh (Ga-III). Dalam kisaran tekanan, kemungkinan terbentuk campuran kristal, yang membuat interpretasi struktur menjadi lebih sulit.

Bilangan oksidasi

Elektron yang paling energik adalah yang ditemukan di orbital 4s dan 4p; karena ada tiga di antaranya, oleh karena itu diharapkan bahwa galium dapat kehilangannya jika dikombinasikan dengan unsur yang lebih elektronegatif daripada itu.

Jika 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 ₂³⁺ 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 selalu dianggap (benar atau tidak).

Di mana menemukan dan memperoleh

Sampel dari mineral gallita, yang jarang tetapi satu-satunya dengan konsentrasi gallium yang cukup besar. Sumber: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

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

Oksida dan sulfidanya sulit larut dalam air, sehingga konsentrasi galium di laut dan sungai rendah. Selanjutnya, satu-satunya mineral yang "kaya" dalam galium adalah galita (CuGaS ₂ , gambar atas). Namun, tidak praktis untuk mengeksploitasi ayam untuk mendapatkan logam ini. Yang kurang terkenal adalah mineral gallium plumbogumite.

Oleh karena itu, tidak ada bijih 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, pencampur seng, alum, batu bara, galena, pirit, germanit, dll .; yaitu, biasanya dikaitkan dengan aluminium, seng, karbon, timbal, besi, dan germanium dalam berbagai badan mineral.

Kromatografi dan elektrolisis pertukaran ion

Ketika bahan baku mineral dicerna atau dilarutkan, baik dalam media asam kuat atau basa, diperoleh campuran ion logam yang dilarutkan dalam air. Karena galium adalah produk sekunder, ion Ga ³⁺ -nya tetap terlarut dalam campuran setelah logam yang diinginkan mengendap.

Jadi, diinginkan untuk memisahkan Ga ^{3+ ini} dari ion-ion lain, dengan tujuan semata-mata untuk meningkatkan konsentrasi dan kemurnian logam yang dihasilkan.

Untuk ini, selain teknik presipitasi 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 ini akan dielektrolisis; 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 bersifat 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 tumpahannya secara teori tidak menunjukkan 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. Padahal, percobaan mencoba meleburnya dengan panas tangan cukup umum dilakukan. Seseorang dapat menyentuh cairan perak yang dihasilkan tanpa takut merusak atau melukai kulitnya; meskipun meninggalkan noda perak di atasnya.

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

Kerusakan logam

Gallium ditandai dengan pewarnaan yang tinggi atau melekat pada permukaan; dan jika ini adalah logam, ia melewatinya dan membentuk paduan secara instan. Karakteristik dapat mencampurkan hampir semua logam ini membuatnya tidak tepat untuk menumpahkan gallium cair ke benda logam apa pun.

Oleh karena itu, benda logam berisiko pecah berkeping-keping jika ada galium. Tindakannya bisa sangat lambat dan tidak disadari sehingga membawa kejutan yang tidak diinginkan; terutama jika tertumpah di atas kursi logam, yang bisa roboh saat seseorang duduk di atasnya.

Itulah mengapa mereka yang ingin menangani galium tidak boleh menyentuhnya 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 umumnya dianggap sebagai elemen aman dengan toksisitas nol.

Aplikasi

Termometer

Termometer Galinstan. Sumber: Gelegenheitsautor

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

Paduan Galinstan memiliki titik leleh sekitar -18 ºC, dan ditambahkan tanpa toksisitas menjadikannya bahan yang ideal untuk desain termometer medis yang tidak bergantung 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 tertutup seluruhnya pada 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 teknologi nano 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 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 mengira itu sebagai galium; seperti kasus bakteri pseudomonas.

Jadi di sinilah obat galium muncul, yang mungkin hanya terdiri dari garam anorganik, atau organogaliumnya. 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 nitride dicirikan sebagai semikonduktor, yang telah menggantikan silikon dalam aplikasi 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

Gallium oksida telah digunakan untuk mempelajari katalisisnya dalam reaksi organik yang berbeda untuk kepentingan industri yang besar. Salah satu katalis galium yang lebih baru terdiri dari cairannya sendiri, di mana atom-atom logam lain tersebar yang berfungsi sebagai pusat atau situs aktif.

Sebagai contoh, katalis gallium-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 pendukung atom paladium.

Referensi

1. Sella Andrea. (23 September 2009). Gallium. Kimia Dunia. Diperoleh dari: chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Gallium. 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, penyebab terjadinya dan pengayaan galium dalam batubara dari Jungar Coalfield, Mongolia Dalam. Sci. China Earth Sci.54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Marques Miguel. (sf). Gallium. Diperoleh dari: nautilus.fis.uc.pt
7. Editor Encyclopaedia Britannica. (5 April 2018). Gallium. Encyclopædia Britannica. Diperoleh dari: britannica.com
8. Bloom Josh. (3 April 2017). Gallium: Meleleh di Mulut Anda, Bukan Tangan Anda! Dewan Amerika tentang Sains dan Kesehatan. Diperoleh dari: acsh.org
9. Dr Doug Stewart. (2019). Fakta Elemen Gallium. Chemicool. Diperoleh dari: chemicool.com
10. Pusat Nasional untuk Informasi Bioteknologi. (2019). Gallium. Database PubChem. CID = 5360835. Diperoleh dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov