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Gálio (Ga)

Gálio é um metal do grupo 13 da Tabela Periódica, conhecido por seu baixo ponto de fusão e por ser aplicado na fabricação do LED.

Pessoa segurando um cubo laranja, com o símbolo do gálio, com uma Tabela Periódica branca como plano de fundo.
O nome do elemento gálio é uma homenagem à França.
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O gálio, número atômico 31, é um metal pertencente ao grupo 13 da Tabela Periódica. Destaca-se pelo seu baixo ponto de fusão, na faixa dos 30 °C. Contudo, como apenas entra em ebulição aos 2204 °C, é o elemento de maior intervalo líquido da Tabela Periódica. Quimicamente, é semelhante ao zinco (vizinho na Tabela Periódica) e ao alumínio (elemento logo acima no grupo 13). É o 34º elemento mais abundante da crosta terrestre, porém bem espaçado.

O gálio é comumente obtido dos rejeitos de mineração da esfalerita e da bauxita, pois os minérios que o possuem como elemento principal são raros. Sua principal aplicação está no campo dos semicondutores, muito por conta do arseneto de gálio (GaAs) e nitreto de gálio (GaN), utilizados para a fabricação de LED, lasers, smartphones, entre outros.

Veja também: Boro — um semimetal que também pertence ao grupo 13 da Tabela Periódica

Tópicos deste artigo

Resumo sobre gálio

  • O gálio é um metal de coloração prateada localizado no grupo 13 da Tabela Periódica.

  • Possui um baixo ponto de fusão, podendo apresentar-se líquido em um dia de verão brasileiro.

  • É o elemento com maior intervalo líquido de toda Tabela Periódica.

  • É o 34º elemento mais abundante da crosta terrestre, porém é bem distribuído, não sendo raro, mas escasso.

  • Os minerais que têm gálio como elemento principal são raros.

  • É um metal obtido dos rejeitos de mineração de outros minerais mais comuns, como bauxita e esfalerita.

  • Sua principal aplicação está na indústria de semicondutores, sendo utilizado para a produção de laser, LED, smartphones, telas de computador e televisão, entre outros.

  • Foi previsto por Dmitri Mendeleev, mas descoberto e confirmado pelo francês Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran.

  • Seu nome é uma homenagem à França.

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Propriedades do gálio

  • Símbolo: Ga

  • Número atômico: 31

  • Massa atômica: 69,723 u.m.a

  • Eletronegatividade: 1,81

  • Ponto de fusão: 29,76 °C

  • Ponto de ebulição: 2204 °C

  • Densidade: 5,904 g.cm-3 (a 29,6 °C, sólido), 6,095 g.cm-3 (a 29,6 °C, líquido)

  • Configuração eletrônica: [Ar] 4s2 3d10 4p1

  • Série química: grupo 13, metais

Características do gálio

Pessoa com o elemento químico gálio na palma da mão.
O gálio é um metal capaz de fundir-se na palma da mão.

O gálio, na sua forma metálica e pura, apresenta uma bonita aparência prateada. A maior característica desse elemento, contudo, é seu baixo ponto de fusão, permitindo que ele seja líquido em temperatura próxima à temperatura ambiente, algo que só é possível também por mercúrio, rubídio e césio.

Além disso, a faixa em que o gálio permanece líquida é muito grande, sendo a maior de qualquer metal. Seu baixo ponto de fusão é consequência de seu baixo raio atômico, de 130 pm (picômetros, 10-12 m), quase o mesmo do alumínio.

Outro ponto interessante da natureza do gálio é que esse elemento quase sempre apresenta super-resfriamento (ou supercongelamento), propriedade física em que a substância permanece líquida mesmo abaixo do seu ponto de solidificação. Assim, para a solidificação do gálio, talvez seja necessário a utilização de um gérmen de solidificação, um pequeno pedaço metálico no estado sólido para iniciar todo o processo.

O gálio apresenta menor densidade na forma sólida, o que quer dizer que, como a água, o germânio e o bismuto, sofre uma expansão (na faixa de 3,1%). Assim, deve-se ter cuidado ao colocá-lo em recipientes de vidro, pois, durante a solidificação, pode causar a ruptura do frasco. Esse elemento apresenta ainda isótopos estáveis 69Ga (abundância de 60,4%) e 71Ga (abundância de 39,6%). Ainda, apresenta 22 isótopos instáveis, cujas massas variam de 63 a 76.

Quimicamente, o gálio possui semelhanças com o zinco e é menos reativo que o alumínio (elemento logo acima no grupo). Assim como o alumínio, o gálio é protegido da oxidação por conta da formação de um fino filme de óxido que se forma sobre sua superfície. Porém, a 1000 °C, oxida-se totalmente pelo ar ou por oxigênio puro. Reage lentamente com a água abaixo de 100 °C, mas pode ser oxidado pela água em uma temperatura de 200 °C (em uma autoclave, em que a pressão é maior).

Normalmente, o gálio é trivalente (+3), mas também existe na forma monovalente (+1). Existem até algumas formas em que ele apresenta duas cargas possíveis, como o caso do tetraclorogalato de gálio I, Ga(GaCl4), em que o gálio apresenta NOx +1 e -1.

Agentes oxidantes, como aqua regia, ácido sulfúrico, peróxido de hidrogênio e ácido perclórico, atacam o gálio efetivamente, principalmente se aquecidos. O gálio ainda reage com os halogênios em temperatura ambiente ou um pouco acima, da mesma forma que os demais elementos do grupo 13, índio e tálio.

2 Ga + 3 X2 → 2 GaX3            (X = halogênio)

Ele também é capaz de reagir com outros ametais, como fósforo, enxofre, selênio e arsênio. O gálio também apresenta comportamento anfotérico. O óxido de gálio III, contudo, é um pouco mais ácido que a alumina (Al2O3). É atacado por hidróxidos alcalinos a uma temperatura de 100 °C.

Além disso, tanto em soluções alcalinas quanto em soluções ácidas, a solubilidade de compostos de gálio é alta, na ordem de 1000 g.L-1. Em temperaturas próximas aos 1000 °C, o gálio é corrosivo a boa parte dos metais.

Leia também: Rutênio — o elemento que possui semelhanças químicas com o ósmio

Onde o gálio pode ser encontrado?

O gálio é o 34º elemento mais abundante da crosta terrestre, porém é amplamente distribuído em diversas rochas. Assim, pode ser considerado escasso, mas não é raro. Estima-se que sua concentração na crosta terrestre varie de 15 ppm a 19 ppm (mg.kg-1).

Mina de bauxita.
Mina de bauxita, um dos minérios em que o gálio é encontrado como elemento-traço, ou seja, como elemento de baixa concentração.

Em geral, o gálio é um elemento-traço (de baixa concentração) em diversos minerais mais comuns, como:

  • esfalerita;

  • gibbsita;

  • feldspatos;

  • bauxita.

Porém, na krieselita, os teores de gálio podem chegar a 20% em massa desse elemento. A presença de gálio em boa concentração de minérios de alumínio (bauxita) e zinco (esfalerita) se dá pela proximidade das propriedades químicas, o que permite a substituição dos átomos.

Mesmo sendo raros, existem minérios que possuem gálio como principal constituinte. É o caso da galita, um sulfeto de gálio e cobre (CuGaS2), com 35% em massa de gálio, além dos catalogados galobeudantita, sohngeita e tsumgalita.

Obtenção do gálio

Amostra de gálio metálico com pureza estimada em 99,99%
Amostra de gálio metálico com pureza estimada em 99,99%

Há duas fontes para produção de gálio: a bauxita, na qual a concentração deste metal fica entre 8 ppm e 800 ppm de gálio, sendo a faixa de 40 ppm a 80 ppm a mais comum; e a esfalerita, em que a concentração deste metal pode variar entre 1 ppm e 2500 ppm.

Em concentrações menores, o gálio é obtido dos rejeitos de mineração. No caso da mineração de zinco, o rejeito que contém gálio é tratado com soluções ácidas para sua separação e concentração. A partir daí, o gálio pode ser extraído por extração líquido-líquido, empregando-se trialquilfosfatos, dialquilfosfatos, hidroxiquinolinas, éter isopropílico, entre outros.

No caso da bauxita, os rejeitos do processo Bayer são a principal fonte. Deles, o gálio pode ser extraído por carbonatação, eletrólise, redução química, extração líquido-líquido ou por meio de resinas de troca iônica.

Para se obter gálio de alta pureza, deve-se transformar o gálio dos rejeitos em sais de gálio, os quais sofrerão eletrólise ígnea, e o gálio será obtido na forma líquida.

Aplicações do gálio

O gálio tem a grande facilidade de formar ligas metálicas, pois o seu pequeno raio atômico permite que ele se difunda facilmente na estrutura dos demais metais. Além disso, o baixo ponto de fusão também influencia na liga gerada, permitindo maior facilidade em trabalhar com ela.

Porém a maior parte da aplicação do gálio está na indústria de semicondutores, principalmente por conta dos compostos GaAs (arseneto de gálio) e GaN (nitreto de gálio). Os smartphones necessitam do GaAs em sua constituição.

Esses compostos têm a capacidade de transformar a eletricidade diretamente em um laser, sendo usados na fabricação de dispositivos óptico eletrônicos, tais como díodo laser, LED e células solares.

O arseneto de gálio e alumínio (AlGaAs) e o arseneto de gálio e índio (InGaAs) são os materiais emissores de luz nos laser díodos de 405 nm dos aparelhos Blu-ray. A aplicação de LED em telas de televisão, monitores, computadores e dispositivos de iluminação é responsável pelo aumento da demanda de gálio em todo o mundo.

Exposição de televisões de LED em estande no Global Innovations Show IFA 2018, em Berlim, na Alemanha.
Painéis de LED aumentam a demanda por gálio. [1]

O gálio também tem aplicações na medicina. Por não se acumular nos tecidos, ele não é considerado um elemento tóxico. Desse modo, esse elemento pode ser utilizado para detectar doenças, tais como linfomas, doença pulmonar intersticial e doença de Hodgkin. O nitrato de gálio é utilizado como uma droga no tratamento do câncer dos ossos e linfomas. Isso porque o gálio pode:

  • normalizar os níveis de cálcio nos ossos;

  • aumentar a massa óssea;

  • matar as células cancerígenas.

Saiba mais: Estanho — outro elemento químico que tem baixo ponto de fusão

História do gálio

O gálio já havia sido previsto pelo criador da Tabela Periódica, Dmitri Mendeleev, em 1869. Ao perceber uma lacuna em seu invento, logo abaixo do alumínio, o russo tratou de chamar o elemento (até então não descoberto) de eka-alumínio. O prefixo eka- servia para indicar semelhança, o que quer dizer que Mendeleev acreditava que o elemento a ser descoberto teria propriedades físico-químicas semelhantes ao alumínio.

Em 1875, o francês Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran detectou as primeiras amostras do que seria o eka-alumínio em uma amostra de esfalerita. As análises espectroscópicas revelaram um par de linhas violetas, características do novo elemento.

De Boisbaudran, no ano seguinte, coletou a primeira amostra pura do novo elemento por meio de eletrólise, nomeando-o gálio em homenagem ao seu país, França (do latim, Gallia). Mendeleev, aliás, estava de fato certo, pois previu uma densidade de 6 g.cm-3 para o novo elemento. Os dados experimentais apontaram uma densidade de 5,9 g.cm-3 para o gálio.

Exercícios resolvidos sobre gálio

Questão 1

(Unesp - 2020) Leia o texto para responder à questão

Lâmpadas sem mercúrio

Agora que os LEDs estão jogando para escanteio as lâmpadas fluorescentes compactas e seu conteúdo pouco amigável ao meio ambiente, as preocupações voltam-se para as lâmpadas ultravioletas, que também contêm o tóxico mercúrio.

Embora seja importante proteger-nos de muita exposição à radiação UV do Sol, a luz ultravioleta também tem propriedades muito úteis. Isso se aplica à luz UV com comprimentos de onda curtos, de 100 a 280 nanômetros, chamada luz UVC, que é especialmente útil por sua capacidade de destruir bactérias e vírus.

Para eliminar a necessidade do mercúrio para geração da luz UVC, Ida Hoiaas, da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia, montou um diodo pelo seguinte procedimento: inicialmente, depositou uma camada de grafeno (uma variedade cristalina do carbono) sobre uma placa de vidro. Sobre o grafeno, dispôs nanofios de um semicondutor chamado nitreto de gálio-alumínio (AlGaN). Quando o diodo é energizado, os nanofios emitem luz UV, que brilha através do grafeno e do vidro.

(www.inovacaotecnologica.com.br. Adaptado.)

No nitreto de gálio-alumínio, os números de oxidação do nitrogênio e do par Al-Ga são, respectivamente,

A) 0 e 0.

B) +6 e -6.

C) +1 e -1.

D) -3 e +3.

E) -2 e +2.

Resolução:

Alternativa D

O composto é o AlGaN. O nitrogênio, na ausência de um elemento químico mais eletronegativo, como oxigênio e flúor, apresenta carga igual a -3 (até porque precisa ganhar 3 elétrons para completar octeto).

Se o NOx do nitrogênio é igual a -3, podemos dizer que o par Al-Ga possui um NOx igual a x, sendo o valor de x calculado como:

x + (-3) = 0

x = +3

Questão 2

(Ufla - MG)

“Qual é o elemento químico que está sempre na sombra? É o Índio pois ele está abaixo do gálio.”

Segundo o trocadilho acima, o elemento gálio aparece logo acima do elemento índio na Tabela Periódica.

Com relação aos elementos gálio e índio, é INCORRETO afirmar:

A) apresentam, respectivamente, 4 e 5 camadas eletrônicas.

B) são metais de transição.

C) apresentam estado de oxidação +3.

D) possuem 1 elétron desemparelhado.

Resolução:

Alternativa B

O gálio e o índio estão, respectivamente, no período 4 e 5 da Tabela Periódica, tendo, assim, 4 e 5 camadas eletrônicas também. Desse modo, a alternativa A está correta e não deve ser marcada.

Os dois elementos podem apresentar NOx igual a +3, pois suas distribuições eletrônicas terminam em 4s2 4p1 (no caso do gálio) e 5s2 5p1 (no caso do índio), necessitando-se perder três elétrons para atingir o octeto. Isso também demonstra que ambos possuem um elétron desemparelhado, justamente o que está no subnível p. Assim, as alternativas C e D não podem ser marcadas, pois estão corretas.

Com isso, a incorreta é a da letra B, pois Ga e In não são metais de transição, mas sim fazem parte do bloco dos elementos representativos, visto que são do grupo 13.

Crédito de imagem

[1] Grzegorz Czapski / Shutterstock

 

Por Stéfano Araújo Novais
Professor de Química 

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

NOVAIS, Stéfano Araújo. "Gálio (Ga)"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/quimica/galio.htm. Acesso em 26 de maio de 2022.

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