Au même titre que le mercure, le gallium est capable d’exister dans un environnement à température plus ou moins ambiante de 30 °C. Parmi tous les éléments, c’est le seul qui dispose de la plage d’état liquide la plus importante. À noter que la notion « état liquide » représente la différence entre le point de fusion et d’ébullition.
Le gallium est l’élément chimique de symbole Ga et de numéro atomique 31. Il appartient à la famille des métaux pauvres ainsi qu’au groupe 13 du tableau périodique. Son corps simple est un métal qui est caractérisé par un point de fusion bas de 29,76 °C. Il peut alors fondre dans la main. Des traces de gallium se retrouvent dans les minéraux de zinc et dans la bauxite.
Le gallium a tout d’abord Ă©tĂ© prĂ©dit par Dmitri MendeleĂŻev sous la dĂ©nomination d’éka-aluminium. Il a ensuite Ă©tĂ© identifiĂ© par le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875, Ă qui il doit son nom actuel. Selon une thĂ©orie, le nom gallium proviendrait de celui qui l’a trouvĂ©. En effet, « coq » en latin signifie « gallus ». Cependant, l’appellation de l’élĂ©ment aurait Ă©tĂ© donnĂ©e en l’honneur de la France, selon son dĂ©couvreur. Il faut noter que le germanium et le scandium ont Ă©tĂ© nommĂ©s en rĂ©fĂ©rence Ă la Germanie et Ă la Scandie par ceux qui l’ont dĂ©couvert. Il s’agit respectivement de l’Allemand Clemens Winkler et du SuĂ©dois Lars Fredrik Nilsson.
Le gallium pur se caractérise par un aspect argenté. Il se brise facilement sous sa forme solide, comme le verre. Une fois qu’il se solidifie, son volume peut augmenter de 3,1 %. C’est d’ailleurs pour cette raison qu’il ne doit pas être entreposé dans un contenant en verre ou en métal. De plus, le gallium est corrosif pour la majorité des autres métaux. En effet, il se diffuse dans le réseau métallique.
Grâce Ă un phĂ©nomène de surfusion, on peut maintenir le gallium dans un Ă©tat liquide. C’est son point de fusion de 29,76 °C, assez proche de la tempĂ©rature ambiante, qui rend cela possible. Le cĂ©sium et le rubidium jouissent de la mĂŞme particularitĂ©. Pour le mercure, il s’agit de l’unique mĂ©tal liquide possĂ©dant un point de fusion infĂ©rieur Ă 0 °C. C’est d’ailleurs pour cette raison qu’il est utilisĂ© dans les thermomètres Ă haute tempĂ©rature. On sait Ă©galement qu’il dispose d’une faible pression de vapeur dans des conditions identiques.
Le gallium dispose de 31 isotopes. Leur nombre de masse varie entre 56 à 86. On sait aussi qu’il possède trois isomères nucléaires. Parmi tous ces isotopes, on en compte deux stables, soit 69Ga et 71Ga. Ces derniers constituent l’ensemble du gallium naturel. La proportion est de 60/40. Pour ce qui est de la masse atomique du gallium, celle-ci est de 69,723(1) u.
La capacité mondiale de production de gallium primaire à 99.99 % en 2020 est de l’ordre de 724 tonnes par an. Celle du gallium raffiné primaire est de 205 tonnes, avec un rythme de production de 325 tonnes par an en Chine, au Japon, aux États-Unis et en Slovaquie. Pour les réserves, on estime qu’elles sont à plus d’un million de tonnes.
Dans la classification pĂ©riodique, le gallium est prĂ©sent dans la nature dans un Ă©tat d’oxydation +3. On le retrouve dans les minerais d’aluminium (bauxite) sous la forme d’impuretĂ©s. C’est avec le procĂ©dĂ© Bayer que l’on obtient l’alumine par hydromĂ©tallurgie. Ainsi, les ions Ga3+ (disposant des mĂŞmes propriĂ©tĂ©s que les ions Al3+) sont extraits dans une forme d’ions gallate GaO2–. Cette opĂ©ration est rĂ©alisĂ©e en mĂŞme temps que l’extraction des ions aluminate AlO2–. En revanche, les ions gallate ne prennent pas la forme d’hydroxyde de gallium ou Ga(OH)3 au moment de la phase de prĂ©cipitation de l’hydroxyde d’aluminium Al(OH)3. En effet, leur concentration est trop faible. On fait ainsi subir un phĂ©nomène de concentration en rĂ©utilisant la mĂ©thode basique surnageante de l’étape de prĂ©cipitation. La solution s’oriente ensuite vers une cellule d’électrolyse lorsque les ions de gallate sont suffisamment concentrĂ©s.
En outre, il est possible de réduire le gallium sous forme d’amalgame Ga[Hg], de manière sélective. Cela se réalise par électrolyse à l’intérieur de cellules à cathode de mercure. En milieu basique, la décomposition de l’amalgame procure du gallium de sodium, sans aluminium. Une autre électrolyse permet d’obtenir du gallium métallique avec un niveau de pureté satisfaisant. Puisque les informations industrielles sont confidentielles, de nombreuses données sont inaccessibles. En revanche, on sait que l’obtention par électrolyse du cuivre fournit une pureté équivalente à 99,99 %.
L’ultrapurification du gallium à 99,9999 % utile à l’industrie des semi-conducteurs est possible grâce au procédé de croissance monocristalline. On parle ici de la méthode de la zone fondue, commercialement et largement disponible dans les décennies 2000/2010. Enfin, l’usage principal du gallium s’oriente vers la production d’arséniure de gallium ou GaAs et de nitrure de gallium ou GaN.
Le gallium est principalement employé pour la fabrication de matériaux semi-conducteurs divers. On compte notamment les semi-conducteurs binaires III-V :
Il existe aussi les principaux semi-conducteurs ternaires :
De toutes ces matières, l’arséniure de gallium est le plus courant. Il s’agit du deuxième matériau semi-conducteur le plus employé après le silicium. Néanmoins, son avantage est que ses propriétés électroniques et optoélectroniques sont intéressantes. On peut par exemple parler d’une plus importante conductivité des électrons. Il possède aussi un gap direct qui lui permet d’être déployé dans des dispositifs LED et de détection de type photodétecteur. En outre, l’arséniure de gallium est un substrat majeur de composants actifs hyperfréquences.
Le gallium est également utilisé dans le cadre de dépôts en couche mince en épitaxie en phase gazeuse ou MOCVD. Il est recouru pour le dépôt de couches de GaAs ou de GaN épitaxiées qui prennent deux formes :
Par ailleurs, on compte le galinstan qui est un alliage de gallium et d’indium. C’est ce dernier qui est prĂ©sent dans les thermomètres depuis l’interdiction du mercure. On se sert Ă©galement d’un radioisotope du gallium, soit le 67Ga, en imagerie mĂ©dicale. On parle alors de scintigraphie au gallium 67. Ce procĂ©dĂ© est utile pour la dĂ©tection de :
On l’utilise aussi dans la recherche de genres de néoplasies tels que les lymphomes et les carcinomes hépatocellulaires.
Le radioisotope 68Ga, quant à lui, est exploité en tant qu’émetteur de positron en PET scan ou tomographie par émission de positrons.
Le gallium sert en tant que détecteur de neutrinos et est, d’une manière générale, la source d’ions employée dans la sonde ionique focalisée.
Le gallium est une matière qui n’a pas fait l’objet d’études toxicologiques et écotoxicologiques avancées. Une situation déplorable malgré les risques éventuels d’exposition à l’arséniure de gallium GaAs dans l’industrie des semi-conducteurs. On considérait effectivement que le gallium était faiblement toxique. On pensait qu’il ne présentait aucun souci pour la santé avec les doses présentes dans l’environnement et dans l’alimentation. En revanche, selon les derniers rapports, il est corrosif pour les muqueuses et la peau. Par ailleurs, des composants du gallium disposent d’une toxicité mal comprise. Le nitrate de gallium Ga(NO3) et l’oxyde de gallium Ga2O3 semblent démontrer une certaine toxicité lorsqu’ils sont ingérés (environ 4,360 g/kg de DL50 pour le nitrate et 10 g/kg pour l’oxyde). Chez des rats exposés, on a également remarqué de légères nécroses pulmonaires.
L’arséniure de gallium paraît reprotoxique en se montrant facteur de délétion de la spermatogenèse chez des rats exposés. On constate aussi une nette toxicité testiculaire chez ces rongeurs à une exposition à des doses de 7,7 mg d’arséniure de gallium par kg. Cela a été fait deux fois par semaine avec un total de 16 inhalations. Une diminution du nombre de spermatozoïdes et une augmentation anormale sont ensuite remarquées. En outre, dans le groupe exposé, un développement d’une anomalie dégénérative de la tête des spermatozoïdes a été observé.
L’arséniure d’indium, un produit chimique proche employé dans l’industrie de l’électronique, a aussi provoqué la baisse du taux de spermatozoïdes. Cela se voit dans l’épididyme. En revanche, sa toxicité testiculaire paraît plus faible de manière plus nette si on la compare avec celle de l’arséniure de gallium. Il serait donc logique de penser que le trioxyde d’arsenic (As2O3) est le principal responsable de la dissolution et de la dégradation de certains éléments. On parle de l’arséniure d’indium in vivo et de l’arséniure de gallium. Cependant, il ne montre pas de toxicité testiculaire.
Aujourd’hui, on connaît encore mal la métabolisation et la cinétique corporelle du gallium inhalé ou ingéré. En revanche, selon des études, on a pu établir certaines conclusions.
Ainsi, l’exposition orale unique Ă l’arsĂ©niure de gallium GaAs a des effets hĂ©matologiques et physiologiques. Ces derniers peuvent ĂŞtre observĂ©s Ă partir de 1 Ă 15 jours suite Ă l’administration. D’ailleurs, il faut savoir que le GaAs tend Ă modifier l’activitĂ© de l’acide δ-dĂ©shydratase aminolĂ©vulinique ou ALAD dans le sang et le cĹ“ur. Après une exposition Ă 2 g/kg, on peut voir ce phĂ©nomène au 7e jour. L’acide δ-aminolĂ©vulinique urinaire ou ALA, quant Ă lui, prĂ©sente une excrĂ©tion plus importante. Dans cette expĂ©rience, les effets sur l’hĂ©moglobine, la protoporphyrine du zinc et l’hĂ©matocrite de l’arsĂ©niure de gallium n’étaient pas notables.
Pour ce qui est du taux sanguin de Glutathion ou GSH, celui-ci a diminué de manière significative au 7e jour. Néanmoins, il reste inchangé au premier ou au 15e jour suite à une exposition. La respiration, la pression artérielle, le rythme cardiaque et la contraction en réponse ne changent pas non plus. On remarque toutefois des modifications mineures au 7e jour après une exposition à 2 000 mg/kg de GaAs. En revanche, le taux de gallium dans le sang chez les rats et les animaux normaux qui ont été exposés à 500 mg/kg n’était pas détectable.
En ce qui concerne le taux d’arsenic dans le sang, celui-ci avait connu une augmentation. Cela a été détectable, de manière dose-dépendante, même à faible dose. Notons que les modifications physiologiques sont réversibles. En effet, une tendance à la récupération a été observée chez tous les animaux exposés. À long terme, on sait néanmoins que l’arsenic est un élément cancérigène.
Par ailleurs, pour le rat, une grande partie du gallium inhalé reste stockée un certain temps dans les poumons. On a donc pu démontrer une toxicité pulmonaire chez le rat de laboratoire exposé à de l’oxyde de gallium par inhalation. Une suspension de particules d’oxyde de gallium équimolaire Ga2O3 à 65 mg/kg a été utilisée dans ce sens. Cela semble être lié à un phénomène important de rétention pulmonaire de 36 % à 14 jours après l’exposition.
Par rapport à l’environnement, la toxicité du gallium est aujourd’hui peu étudiée. En revanche, on sait qu’il en présente, à un niveau spécifique, chez les bactéries. Cette situation se remarque chez le Pseudomonas fluorescens en fonction de l’absence ou de la présence d’oligo-éléments. Ceux-ci peuvent être des phosphates ou du fer. La bactérie concernée possède néanmoins une certaine capacité d’excrétion de gallium.
Le gallium prend une place importante dans l’intrigue du roman « Gallium » d’Olivier Marchand. On le représente sous forme de dopage semi-conducteur et de transmutation. Il s’agit d’une histoire racontant un monde privé brutalement de toute forme de technologie moderne.
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