Gal

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Gal
cynk ← gal → german
Wygląd
srebrzystobiały
Gal
Widmo emisyjne galu
Widmo emisyjne galu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.

gal, Ga, 31
(łac. gallium)

Grupa, okres, blok

13, 4, p

Stopień utlenienia

III

Właściwości metaliczne

metal

Właściwości tlenków

amfoteryczne

Masa atomowa

69,723(1) u[1][a]

Stan skupienia

stały

Gęstość

5904 kg/m³

Temperatura topnienia

29,7646 °C

Temperatura wrzenia

2204 °C

Numer CAS

7440-55-3

PubChem

5360835

Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Gal (Ga, łac. gallium) – pierwiastek chemiczny z bloku p układu okresowego, o liczbie atomowej 31. Jest twardym i kruchym metalem[2] o kolorze srebrzystobiałym. Ma przełam muszlowy podobny do szkła. Topi się w temperaturze 29,76 °C, trzymany w dłoni zamienia się w ciecz.

Występuje w śladowych ilościach w boksycie, kaolinicie i rudach cynku. Na skalę przemysłową uzyskuje się go z boksytu. Niskiej temperaturze topnienia towarzyszy wysoka temperatura wrzenia (2204 °C), dzięki czemu stosuje się go w termometrach wysokotemperaturowych. Stop galu z indem i cyną (galinstan) ma jeszcze niższą temperaturę topnienia (około −20 °C). W przeciwieństwie do rtęci, gal i jego związki nie są trujące. Powszechnie wykorzystywanym związkiem jest arsenek galu, będący półprzewodnikiem, mającym wiele zastosowań.

Kropelki stopionego galu łączące się w większą kroplę

Odkrycie[edytuj | edytuj kod]

Gal został odkryty w 1875 podczas analizy widmowej błyszczu cynkowego. Francuski chemik Lecoq de Boisbaudran zauważył kilka fioletowych prążków zwiastujących istnienie nieznanego dotąd pierwiastka. W tym samym roku uzyskał wolny gal, poddając elektrolizie amoniakalny roztwór siarczanu galu. Gal wydzielił się na platynowej katodzie.

Istnienie galu, na podstawie prawa okresowości pierwiastków, przewidzieli Dymitr Mendelejew[3] (1869) i Julius Lothar Meyer (1870). Mendelejew nadał mu nazwę ekaglin i trafnie przewidział jego właściwości. Zgadzała się wartościowość (3), taka sama jak glinu. Mendelejew uważał, że masa atomowa będzie wynosić 68, a Boisbaudran stwierdził, że jest ona równa 69,865. Mendelejew twierdził, że ekaglin będzie tworzyć ałuny, co też się potwierdziło. Jedynie podany przez Boisbaudrana ciężar właściwy znacznie różnił się od przewidywań Mendelejewa. Mendelejew zwrócił się listownie do odkrywcy z prośbą o sprawdzenie pomiarów, bowiem ciężar właściwy galu powinien według niego wynosić około 6 g/cm³. Okazało się, że pomiary Boisbaudrana faktycznie były błędne i ciężar właściwy galu wynosi 5,935 g/cm³. Po przeprowadzeniu bardziej precyzyjnych pomiarów, stwierdzono, że wynosi on 5,904 g/cm³[4].

Izotopy[edytuj | edytuj kod]

Gal ma dwa trwałe izotopy, o masach atomowych 69 i 71. Znane są także dziesiątki izotopów radioaktywnych, o krótkich czasach połowicznego rozpadu. W diagnostyce technikami medycyny nuklearnej wykorzystywane są jego izotopy promieniotwórcze 67Ga i 68Ga.

Gal-67[edytuj | edytuj kod]

Czas połowicznego rozpadu 67Ga wynosi 3,26 dnia. Ulega w 100% wychwytowi elektronu do stabilnego izotopu 67Zn[5], emitując przy tym promieniowanie gamma. Jest wykorzystywany do obrazowania medycznego techniką SPECT (tomografia emisyjna pojedynczych fotonów). Podawany jest w formie soli nieorganicznych[6].

Gal-68[edytuj | edytuj kod]

Czas połowicznego rozpadu 68Ga wynosi 67,6 minut. Ulega w 100% rozpadowi β+ do stabilnego izotopu 68Zn[5]. Jest jednym z podstawowych izotopów używanych w diagnostyce metodą PET (pozytonowej tomografii emisyjnej)[7]. Jest stosowany od lat 60. XX w., kiedy zostały opracowane pierwsze generatory germanowo-galowe 68Ge/68Ga[8]. Generatory germanowo-galowe znajdują zastosowanie w placówkach medycyny nuklearnej nie posiadających własnego cyklotronu. Zasada działania generatora 68Ge/68Ga jest następująca: izotop macierzysty german-68 (czas połowicznego rozpadu: 271 dni), zaadsorbowany na kolumnę w urządzeniu, ulega rozpadowi przez wychwyt elektronów do galu-68, a powstały w ten sposób izotop galu-68 może zostać eluowany roztworem rozcieńczonego kwasu solnego i wykorzystany do sporządzania docelowego radiofarmaceutyku[9]. Gotowy radiofarmaceutyk 68Ga-DOTATOC składa się z jonu galu-68 skompleksowanego za pomocą chelatora, którym jest zazwyczaj kwas 1,4,7,10-tetraazacyklododekano-N,N′,N″,N‴-tetraoctowy (DOTA) lub jego pochodne, połączonego z oktreotydem, syntetycznym analogiem somatostatyny, wykazującym powinowactwo do receptorów somatostatynowych (SSTR), których zwiększona ekspresja została stwierdzona w przypadku guzów neuroendokrynnych[10]. Zestaw do znakowania radiofarmaceutyku 68Ga DOTATOC został w 2016 roku zarejestrowany w Europie. Innym przykładem radiofarmaceutyku wykorzystującego izotop galu-68 jest 68Ga PSMA-11, stosowany do diagnostyki raka prostaty wykorzystujący liniowy chelator HBED oraz peptyd wykazujący powinowactwo do antygenu błonowego swoistego dla prostaty(ang.) (PSMA), którego znacznie zwiększona ekspresja jest charakterystyczna dla tego schoprzenia[11]. Ze względu na ograniczenia generatorów 68Ge/68Ga (takich jak wysoki koszt zakupu, krótki termin ważności, niska aktywność otrzymanego izotopu), liczba badań PET z użyciem radiofarmaceutyków na bazie galu-68 nie spełnia zapotrzebowania rynku[12]. Dlatego na początku XXI w. podjęto próby uzyskania tego izotopu za pomocą cyklotronów medycznych poprzez napromieniowanie protonami cynku-68[13][14][15][16][17] w reakcji jądrowej 68Zn(p,n)68Ga. Otrzymany tą metodą izotop cynku-68 jest następnie oddzielany od materiału tarczowego z wykorzystaniem złóż chelatujących, a następnie zostaje poddany formulacji jako prekursor do radioznakowania[18]. Izotop galu-68 pochodzenia generatorowego w porównaniu z izotopem galu-68 pochodzenia cyklotronowego różni się poziomem zanieczyszczeń radionuklidowych. W eluacie generatora germanowo-galowego możliwa jest obecność niewielkich ilości (< 0,001%) izotopu macierzystego germanu-68 (68Ge), w izotopie produkcji cyklotronowej takie zanieczyszczenie nie występuje, natomiast mogą występować pewne ilości zanieczyszczeń radionuklidowych pochodzących z procesu naświetlania materiału tarczowego. Materiałem tarczowym do produkcji galu-68 jest chemicznie czysty cynk, wysoko wzbogacony w izotop 68, oraz niewielki procent pozostałych stabilnych izotopów cynku, które w procesie naświetlania ulegają przemianą jądrowym do izotopów 66Zn oraz 67Zn[19]. W 2021 roku Uniwersytet w Coimbrze uzyskał pierwsze na świecie pozwolenie na produkcję oraz późniejszą dystrybucję do zastosowań w diagnostyce onkologicznej galu-68 otrzymywanego metodą tarczy stałej w cyklotronie[20]. Wyniki badań klinicznych opublikowanych w 2022 r. potwierdziły, że izotop galu-68 otrzymywany nową metodą jest odpowiedni do zastosowań klinicznego i nie wpływa na jakość sporządzanych preparatów radiofarmaceutycznych[21].

Właściwości[edytuj | edytuj kod]

Pierwiastkowy występuje w przyrodzie w ilości 0,0005% wagowo[22]. Można go łatwo uzyskać poprzez wytapianie.

Bardzo czysty gal ma srebrzysty kolor. Należy unikać przechowywania go w pojemnikach ze szkła, ponieważ rozszerza się podczas krzepnięcia o ok. 3,1%. Podobnie jak rtęć, gal w stanie ciekłym tworzy spontanicznie stopy z wieloma innymi metalami, dlatego nie należy go przechowywać również w metalowych pojemnikach, w związku z czym przechowuje się go w pojemnikach polietylenowych.

Niska temperatura topnienia (ok. 29,8 °C) pozwala na roztopienie galu poprzez trzymanie go w dłoni. W stanie ciekłym ma tendencję do przechładzania się, do krystalizacji potrzebny jest zarodek krystalizacji. Gal jest jednym z niewielu metali (obok fransu, rubidu, cezu czy rtęci), które są ciekłe w temperaturze zbliżonej do pokojowej. W związku z tym znajduje zastosowanie przy produkcji wysokotemperaturowych termometrów[22]. Gal ma także bardzo wysoką (w porównaniu z temperaturą topnienia) temperaturę wrzenia (i bardzo niską prężność pary). W przeciwieństwie do rtęci, ciekły gal zwilża szkło i skórę, przez co praca z nim może być niewygodna, lecz nie jest trujący.

Gal krystalizuje w układzie rombowym o unikatowej strukturze, w której każdy atom ma bliskiego sąsiada w odległości 244 pm i 3 pary dalszych atomów oddalonych o 270–280 pm[23]. Jest to struktura, której nie przyjmuje żaden inny metal, natomiast przypomina strukturę krystaliczną jodu[2]. Wiązania pomiędzy najbliższymi atomami mają charakter kowalencyjny, w związku z czym podstawowymi cząsteczkami budującymi kryształy galu są dimery Ga
2
.

Gal powoli roztwarza się w mocnych kwasach i zasadach.

Fluorek, arsenek i fosforek galu mają własności półprzewodnikowe. Domieszkuje się nimi krzem stosowany w przemyśle elektronicznym. Warstwy z arsenku galu stosuje się w układach scalonych typu MMIC.

Gal nie ma żadnego znaczenia biologicznego, ale są przypuszczenia, że ma wpływ na szybkość przemiany materii[potrzebny przypis]. Związki galu nie wykazują działania toksycznego.

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

  • jako domieszka przy produkcji półprzewodników i tranzystorów
  • do produkcji luster (gdyż zwilża szkło)
  • jako substancja wspomagająca zobrazowanie w diagnostyce medycznej
  • przy produkcji stopów niskotopliwych
  • do polepszania właściwości spoiw lutowniczych
  • do produkcji termometrów wysokotemperaturowych
  • jako katalizator w produkcji wodoru z wody metodą utleniania glinu
  • do sztuczek iluzjonistycznych typu zginanie łyżeczek w dłoni

Stop galu, indu i cyny (galinstan) bywa stosowany w termometrach lekarskich – jego temperatura topnienia wynosi około −20 °C.

Uwagi[edytuj | edytuj kod]

  1. Wartość w nawiasie oznacza niepewność związaną z ostatnią cyfrą znaczącą.

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Błąd w przypisach: Błąd w składni elementu <ref>. Brak tekstu w przypisie o nazwie CIAAW
    BŁĄD PRZYPISÓW
  2. a b Adam Bielański: Podstawy chemii nieorganicznej. Wyd. 5. Warszawa: PWN, 2002, s. 785. ISBN 83-01-13654-5.
  3. Andrzej; Anna Czerwińscy: Chemia. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego, technikum. Kształcenie w zakresach podstawowym, rozszerzonym tom 1. Warszawa: Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 2002, s. 24. ISBN 83-02-08215-5.
  4. Ignacy Eichstaedt: Księga pierwiastków. Warszawa: Wiedza Powszechna, 1973, s. 237–238. OCLC 839118859.
  5. a b G. Audi i inni, The Nubase evaluation of nuclear and decay properties, „Nuclear Physics A”, 729 (1), 2003, s. 3–128, DOI10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 (ang.).
  6. Richard P. Dittrich, Orlando De Jesus, Gallium Scan, [w:] StatPearls, Treasure Island (FL): StatPearls Publishing, 2022, PMID33620825 (ang.).
  7. Krzysztof Kilian, 68Ga-DOTA and analogs: Current status and future perspectives, „Reports of Practical Oncology & Radiotherapy”, 19, 2014, S13–S21, DOI10.1016/j.rpor.2014.04.016, PMID28443194, PMCIDPMC5394743 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  8. G.I. Gleason, A positron cow, „The International Journal of Applied Radiation and Isotopes”, 8 (2-3), 1960, s. 90–94, DOI10.1016/0020-708X(60)90052-1 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  9. F. Rösch, Past, present and future of 68Ge/68Ga generators, „Applied Radiation and Isotopes”, 76, 2013, s. 24–30, DOI10.1016/j.apradiso.2012.10.012, PMID23245638 (ang.).
  10. Drishty Satpati, Recent Breakthrough in 68Ga-Radiopharmaceuticals Cold Kits for Convenient PET Radiopharmacy, „Bioconjugate Chemistry”, 32 (3), 2021, s. 430–447, DOI10.1021/acs.bioconjchem.1c00010, PMID33630583 (ang.).
  11. Matthias Eder i inni, Novel Preclinical and Radiopharmaceutical Aspects of [68Ga]Ga-PSMA-HBED-CC: A New PET Tracer for Imaging of Prostate Cancer, „Pharmaceuticals (Basel, Switzerland)”, 7 (7), 2014, s. 779–796, DOI10.3390/ph7070779, PMID24983957, PMCIDPMC4113732 (ang.).
  12. Krishan Kumar, The Current Status of the Production and Supply of Gallium-68, „Cancer Biotherapy & Radiopharmaceuticals”, 35 (3), 2020, s. 163–166, DOI10.1089/cbr.2019.3301, PMID32196363 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  13. Mukesh K. Pandey i inni, Cyclotron production of (68)Ga via the (68)Zn(p,n)(68)Ga reaction in aqueous solution, „American Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging”, 4 (4), 2014, s. 303–310, PMID24982816, PMCIDPMC4074496 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  14. F. Alves i inni, Production of copper-64 and gallium-68 with a medical cyclotron using liquid targets, „Modern Physics Letters A”, 32 (17), 2017, art. nr 1740013, DOI10.1142/S0217732317400132 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  15. Aiman H. Alnahwi i inni, Automated radiosynthesis of 68Ga for large-scale routine production using 68Zn pressed target, „Applied Radiation and Isotopes”, 156, 2020, s. 109014, DOI10.1016/j.apradiso.2019.109014 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  16. Bryce J.B. Nelson i inni, Taking cyclotron 68Ga production to the next level: Expeditious solid target production of 68Ga for preparation of radiotracers, „Nuclear Medicine and Biology”, 80-81, 2020, s. 24–31, DOI10.1016/j.nucmedbio.2020.01.005, PMID32004935 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  17. Mai Lin i inni, Fully automated preparation of 68Ga-PSMA-11 at curie level quantity using cyclotron-produced 68Ga for clinical applications, „Applied Radiation and Isotopes”, 155, 2020, s. 108936, DOI10.1016/j.apradiso.2019.108936, PMID31655351 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  18. Kaelyn V. Becker i inni, A Review of Accelerator-Produced Ga-68 with Solid Targets, „Current Radiopharmaceuticals”, 14 (4), 2021, s. 315–324, DOI10.2174/1874471013666201224113651, PMID33357189 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  19. Stefano Riga i inni, Production of Ga-68 with a General Electric PETtrace cyclotron by liquid target, „Physica medica: PM: an international journal devoted to the applications of physics to medicine and biology: official journal of the Italian Association of Biomedical Physics (AIFB)”, 55, 2018, s. 116–126, DOI10.1016/j.ejmp.2018.10.018, PMID30473059 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  20. University of Coimbra gets groundbreaking licence to distribute gallium-68, an essential isotope for cancer diagnosis, 27 września 2021 [dostęp 2022-05-06].
  21. Melissa E. Rodnick i inni, Synthesis of 68Ga-radiopharmaceuticals using both generator-derived and cyclotron-produced 68Ga as exemplified by [68Ga]Ga-PSMA-11 for prostate cancer PET imaging, „Nature Protocols”, 17 (4), 2022, s. 980–1003, DOI10.1038/s41596-021-00662-7, PMID35246649 [dostęp 2022-05-06] (ang.).
  22. a b Ryszard Szepke: 1000 słów o atomie i technice jądrowej. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1982. ISBN 83-11-06723-6. (pol.)
  23. N.N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemistry of the elements. Oxford; New York: Pergamon Press, 1984, s. 223. ISBN 0-08-022057-6.
Błąd w przypisach: Znacznik <ref> o nazwie „CIAAW2”, zdefiniowany w <references>, nie był użyty wcześniej w treści.
BŁĄD PRZYPISÓW

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]