Gallium

Prédit sous le nom d’ekaaluminium, le gallium est un élément chimique dont la température de fusion (29,8 °C) lui permet de fondre dans la main, mais il bout à 2 204 °C, lui conférant la plus grande plage d’état liquide de tous les éléments.

Dimitri Mendeleïev (cf. Mendeleïev) avait laissé une case vacante dans son tableau périodique, en-dessous de l’aluminium (cf. Aluminium) : l’ekaaluminium a été découvert par le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran qui lui a, en toute simplicité, donné le nom de gallium, car « coq » en latin se dit gallus. Élève de Charles Adolphe Würtz, il effectue à partir de 1859 des recherches sur l’application de la spectroscopie aux analyses chimiques et publie en 1874 « Spectres lumineux, spectres prismatiques, et en longueurs d’ondes destinés aux recherches de chimie minérale », un des ouvrages fondateurs de la spectroscopie.
La découverte du gallium est basée sur l’observation de nouvelles raies dans le spectre d’échantillons de bauxite qui lui permit d’isoler cet élément en 1875.

Le gallium pur a un bel aspect argenté ; à l’état solide sa fracture est de type conchoïdale, comme pour le verre. Le volume du gallium augmente de 3,1% lorsqu’il se solidifie, phénomène rencontré pour quelques métaux comme le silicium (cf. Silicium), le germanium, le bismuth, l’antimoine (cf. Antimoine), le plutonium, et l’eau (cf. Eau).

L’existence d’une pente négative dans le diagramme de phase entre le gallium solide et le gallium liquide signifie qu’une augmentation de pression liquéfie le gallium et que l’on pourrait ainsi faire du ski sur du gallium (et d’autant plus facilement que sa densité est de 6 !). Le gallium corrode la plupart des autres métaux en diffusant dans le réseau métallique.

Du fait de son point de fusion de 29,8 °C, proche de la température ambiante, le gallium peut y être maintenu liquide grâce au phénomène de surfusion, également observé pour le césium et le rubidium, le mercure étant le seul métal liquide avec un point de fusion négatif. De ce fait, il est utilisé dans les thermomètres pour hautes températures ; l’alliage Galinstan (68,5 % Ga, 21,5 % In, 10 % Sn) permet de descendre légèrement en température (F = 19 °C). Il faut noter que le gallium est liquide dans un intervalle de plus de 2 100 °C, un record à comparer à celui du néon (cf. Néon & Cie), avec l’intervalle le plus étroit, 2,5 °C.

Le gallium n’existe pas à l’état natif et il est connu très peu de minéraux renfermant un pourcentage significatif du métal, dont la gallite (CuGaS2). La teneur en gallium de l’écorce terrestre est de 16,9 ppm, ce qui conduirait à des réserves de l’ordre du million de tonnes, basées sur une concentration de 50 ppm dans les réserves connues de bauxite et de minerais de zinc.

Le gallium est un sous-produit de la production d’aluminium et de zinc (cf. Zinc). La plupart du gallium commercialisé est extrait de la solution d’hydroxyde d’aluminium lors de la production d’alumine par le procédé Bayer (cf. Alumine). Le gallium est obtenu par électrolyse dans des cellules à mercure. L’hydrolyse de l’amalgame mercure-gallium avec de l’hydroxyde de sodium, donne du gallate de sodium qui par électrolyse fournit du gallium métallique pur. Pour l’industrie des semi-conducteurs, on utilise un gallium ultra-pur préparé selon le procédé Czochralski (cf. Silicium). Du gallium pur à 99,9999 % est est ainsi largement disponible. La production mondiale annuelle est estimée à 200 t, la Chine (encore…) produisant plus des trois-quarts de l’approvisionnement mondial.

L’essentiel du gallium est utilisé en alliage avec l’arsenic. Le matériau composite III-V obtenu, « AsGa » ou arséniure de gallium, est un semi-conducteur à gap direct extrêmement important en hyperfréquence et en optoélectronique, du fait de la grande mobilité électronique qui le caractérise. Il constitue le substrat privilégié des composants actifs hyperfréquences.

Dans les années 90, on pensait qu’il allait supplanter le silicium dans tous les domaines où ce dernier faisait merveille. En fait arséniure de gallium et silicium ont des propriétés complémentaires et la rareté du gallium le réserve maintenant à des applications très spécifiques.

L’arséniure de gallium est utilisé pour les dépôts en couche mince en épitaxie en phase gazeuse (MOCVD) dans le dépôt de couches de GaAs ou de GaN épitaxiées, sous deux formes : triméthylgallium ((CH3)3Ga) et triéthylgallium ((C2H5)3Ga. Le nitrure de gallium produit la lumière bleue des LEDs (cf. LEDs) et diodes lasers.

L’industrie des semi-conducteurs utilise 95 % du marché mondial du gallium, mais de nouvelles applications se développent dans les domaines des alliages, des piles à combustible et de cellules photovoltaïques, employées notamment par les satellites et les robots martiens. Une utilisation inattendue est dans la « Big Science », plus particulièrement la physique des particules où des cuves remplies de gallium, allant jusqu’à 100 t, sont employées pour la recherche du neutrino.

Le gallium est également utilisé en imagerie médicale. En médecine nucléaire, il permet en effet de produire des images scintigraphiques utiles dans la détection de sites d’inflammation et de sites d’infection ainsi que dans la recherche de certaines néoplasies, notamment les lymphomes et les carcinomes hépatocellulaires.

Pensée du jour
« Gallium sonne mieux que Boisbaudranium, mais leurs applications sont les mêmes !
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Sources

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