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Al igual que el mercurio, el galio es capaz de existir en un entorno a temperatura más o menos ambiente de 30°C. Entre todos los elementos, es el único que tiene el rango de estado líquido más importante. Cabe destacar que la noción de “estado líquido” representa la diferencia entre el punto de fusión y ebullición.
El galio es el elemento químico de símbolo Ga y número atómico 31. Pertenece a la familia de los metales pobres así como al grupo 13 de la tabla periódica. Su cuerpo simple es un metal caracterizado por un bajo punto de fusión de 29,76°C. Puede entonces fundirse en la mano. Se encuentran trazas de galio en minerales de zinc y en la bauxita.
El galio fue primero predicho por Dmitri Mendeléyev bajo la denominación de eka-aluminio. Posteriormente fue identificado por el químico francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, a quien debe su nombre actual. Según una teoría, el nombre galio provendría de quien lo encontró. De hecho, “coq” en latín significa “gallus”. Sin embargo, según su descubridor, la denominación del elemento habría sido dada en honor a Francia. Cabe señalar que el germanio y el escandio fueron nombrados en referencia a Germania y Escandinavia por quienes los descubrieron. Se trata respectivamente del alemán Clemens Winkler y del sueco Lars Fredrik Nilsson.
El galio puro se caracteriza por un aspecto plateado. Se rompe fácilmente en su forma sólida, como el vidrio. Una vez que se solidifica, su volumen puede aumentar un 3,1%. Es por esta razón que no debe almacenarse en un recipiente de vidrio o de metal. Además, el galio es corrosivo para la mayoría de los otros metales. De hecho, se difunde en la red metálica.
Gracias a un fenómeno de subenfriamiento, se puede mantener el galio en estado líquido. Es su punto de fusión de 29,76°C, bastante cercano a la temperatura ambiente, lo que hace esto posible. El cesio y el rubidio gozan de la misma particularidad. Para el mercurio, es el único metal líquido que posee un punto de fusión inferior a 0°C. Es por esto que se utiliza en termómetros de alta temperatura. También se sabe que tiene una baja presión de vapor en condiciones idénticas.
El galio dispone de 31 isótopos. Su número de masa varía entre 56 y 86. También se sabe que tiene tres isómeros nucleares. Entre todos estos isótopos, hay dos estables, el 69Ga y el 71Ga. Estos últimos constituyen la totalidad del galio natural. La proporción es de 60/40. En cuanto a la masa atómica del galio, esta es de 69,723(1) u.
La capacidad mundial de producción de galio primario al 99.99% en 2020 es del orden de 724 toneladas por año. La del galio refinado primario es de 205 toneladas, con un ritmo de producción de 325 toneladas por año en China, Japón, Estados Unidos y Eslovaquia. En cuanto a las reservas, se estima que son de más de un millón de toneladas.
En la clasificación periódica, el galio está presente en la naturaleza en un estado de oxidación +3. Se encuentra en los minerales de aluminio (bauxita) en forma de impurezas. Es con el proceso Bayer que se obtiene la alúmina por hidrometalurgia. Así, los iones Ga3+ (que tienen las mismas propiedades que los iones Al3+) son extraídos en forma de iones galato GaO2–. Esta operación se realiza al mismo tiempo que la extracción de los iones aluminato AlO2–. Sin embargo, los iones galato no toman la forma de hidróxido de galio o Ga(OH)3 en el momento de la fase de precipitación del hidróxido de aluminio Al(OH)3. En efecto, su concentración es demasiado baja. Así, se someten a un fenómeno de concentración reutilizando el método básico sobrenadante de la etapa de precipitación. La solución se dirige luego hacia una célula de electrólisis cuando los iones de galato están suficientemente concentrados.
Además, es posible reducir el galio en forma de amalgama Ga[Hg], de manera selectiva. Esto se realiza por electrólisis dentro de células con cátodo de mercurio. En medio básico, la descomposición de la amalgama proporciona galio de sodio, sin aluminio. Otra electrólisis permite obtener galio metálico con un nivel de pureza satisfactorio. Dado que la información industrial es confidencial, muchos datos son inaccesibles. Sin embargo, se sabe que la obtención por electrólisis del cobre proporciona una pureza equivalente al 99,99%.
La ultrapurificación del galio al 99,9999% útil para la industria de los semiconductores es posible gracias al proceso de crecimiento monocristalino. Hablamos aquí del método de la zona fundida, comercial y ampliamente disponible en las décadas 2000/2010. Finalmente, el uso principal del galio se orienta hacia la producción de arseniuro de galio o GaAs y de nitruro de galio o GaN.
El galio se emplea principalmente para la fabricación de materiales semiconductores diversos. Se incluyen notablemente los semiconductores binarios III-V:
También existen los principales semiconductores ternarios:
De todos estos materiales, el arseniuro de galio es el más común. Se trata del segundo material semiconductor más empleado después del silicio. Sin embargo, su ventaja es que sus propiedades electrónicas y optoelectrónicas son interesantes. Podemos por ejemplo hablar de una mayor conductividad de los electrones. También posee un gap directo que le permite ser desplegado en dispositivos LED y de detección de tipo fotodetector. Además, el arseniuro de galio es un sustrato importante de componentes activos de hiperfrecuencia.
El galio también se utiliza en el marco de depósitos en capa fina en epitaxia en fase gaseosa o MOCVD. Se recurre a él para el depósito de capas de GaAs o de GaN epitaxiadas que toman dos formas:
Por otro lado, está el galinstan que es una aleación de galio e indio. Es este último el que está presente en los termómetros desde la prohibición del mercurio. También se utiliza un radioisótopo del galio, el 67Ga, en imagen médica. Hablamos entonces de gammagrafía con galio 67. Este procedimiento es útil para la detección de:
También se utiliza en la investigación de tipos de neoplasias como los linfomas y los carcinomas hepatocelulares.
El radioisótopo 68Ga, por su parte, se explota como emisor de positrones en PET scan o tomografía por emisión de positrones.
El galio sirve como detector de neutrinos y es, de manera general, la fuente de iones empleada en la sonda iónica focalizada.
El galio es una materia que no ha sido objeto de estudios toxicológicos y ecotoxicológicos avanzados. Una situación deplorable a pesar de los riesgos eventuales de exposición al arseniuro de galio GaAs en la industria de los semiconductores. Efectivamente, se consideraba que el galio era poco tóxico. Se pensaba que no presentaba ningún problema para la salud con las dosis presentes en el medio ambiente y en la alimentación. Sin embargo, según los últimos informes, es corrosivo para las mucosas y la piel. Por otra parte, algunos componentes del galio tienen una toxicidad mal comprendida. El nitrato de galio Ga(NO3) y el óxido de galio Ga2O3 parecen demostrar cierta toxicidad cuando son ingeridos (aproximadamente 4,360 g/kg de DL50 para el nitrato y 10 g/kg para el óxido). En ratas expuestas, también se han observado ligeras necrosis pulmonares.
El arseniuro de galio parece ser reprotóxico mostrándose como factor de deleción de la espermatogénesis en ratas expuestas. También se constata una clara toxicidad testicular en estos roedores ante una exposición a dosis de 7,7 mg de arseniuro de galio por kg. Esto se hizo dos veces por semana con un total de 16 inhalaciones. Posteriormente se observan una disminución del número de espermatozoides y un aumento anormal. Además, en el grupo expuesto, se observó el desarrollo de una anomalía degenerativa en la cabeza de los espermatozoides.
El arseniuro de indio, un producto químico similar empleado en la industria electrónica, también ha provocado la disminución de la tasa de espermatozoides. Esto se ve en el epidídimo. Sin embargo, su toxicidad testicular parece ser claramente menor si se compara con la del arseniuro de galio. Sería por tanto lógico pensar que el trióxido de arsénico (As2O3) es el principal responsable de la disolución y degradación de ciertos elementos. Hablamos del arseniuro de indio in vivo y del arseniuro de galio. Sin embargo, no muestra toxicidad testicular.
Hoy en día, todavía se conoce mal la metabolización y la cinética corporal del galio inhalado o ingerido. Sin embargo, según algunos estudios, se han podido establecer ciertas conclusiones.
Así, la exposición oral única al arseniuro de galio GaAs tiene efectos hematológicos y fisiológicos. Estos últimos pueden observarse a partir de 1 a 15 días después de la administración. Además, hay que saber que el GaAs tiende a modificar la actividad del ácido δ-deshidratasa aminolevulínico o ALAD en la sangre y el corazón. Después de una exposición a 2 g/kg, se puede ver este fenómeno al 7º día. El ácido δ-aminolevulínico urinario o ALA, por su parte, presenta una excreción más importante. En este experimento, los efectos sobre la hemoglobina, la protoporfirina de zinc y el hematocrito del arseniuro de galio no eran notables.
En cuanto a la tasa sanguínea de Glutatión o GSH, ésta disminuyó significativamente al 7º día. Sin embargo, permanece sin cambios al primer o al 15º día tras una exposición. La respiración, la presión arterial, el ritmo cardíaco y la contracción en respuesta tampoco cambian. Sin embargo, se observan modificaciones menores al 7º día después de una exposición a 2.000 mg/kg de GaAs. En cambio, la tasa de galio en la sangre de las ratas y los animales normales que fueron expuestos a 500 mg/kg no era detectable.
En cuanto a la tasa de arsénico en la sangre, ésta había experimentado un aumento. Esto fue detectable, de manera dosis-dependiente, incluso a dosis bajas. Cabe señalar que las modificaciones fisiológicas son reversibles. En efecto, se observó una tendencia a la recuperación en todos los animales expuestos. A largo plazo, sin embargo, se sabe que el arsénico es un elemento cancerígeno.
Por otra parte, para la rata, una gran parte del galio inhalado permanece almacenada cierto tiempo en los pulmones. Se ha podido demostrar una toxicidad pulmonar en la rata de laboratorio expuesta a óxido de galio por inhalación. Se utilizó una suspensión de partículas de óxido de galio equimolar Ga2O3 a 65 mg/kg en este sentido. Esto parece estar relacionado con un fenómeno importante de retención pulmonar del 36% a los 14 días después de la exposición.
Con respecto al medio ambiente, la toxicidad del galio es hoy poco estudiada. Sin embargo, se sabe que presenta toxicidad, a un nivel específico, en las bacterias. Esta situación se observa en Pseudomonas fluorescens en función de la ausencia o presencia de oligoelementos. Estos pueden ser fosfatos o hierro. La bacteria en cuestión posee sin embargo una cierta capacidad de excreción de galio.
El galio ocupa un lugar importante en la trama de la novela “Gallium” de Olivier Marchand. Se lo representa en forma de dopaje semiconductor y de transmutación. Se trata de una historia que narra un mundo privado brutalmente de toda forma de tecnología moderna.
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