De NRC publiceert een serie artikelen over de elementen. Ieder element heeft zijn eigen plaats in het Periodiek Systeem. Ieder element heeft ook een bijzonder verhaal. Ook gallium.
a) Zoek in BINAS op waar Gallium in het periodiek systeem staat. Tot welke groep van elementen behoort het?
Gallium heeft atoomnummer 31, het staat onder aluminium en is ook een metaal (geel gekleurd in Binas tab 99).
b) Wat is het smeltpunt?
De smelttemperatuur is 303 K, dat is 30o C. (BINAS tabel 40).
Gemma Venhuizen schrijft in haar artikel in de NRC:
‘Het element dat smelt in je mond, niet in je hand.’ Met die knipoog naar vroegere M&M-reclames introduceert de Italiaanse scheikundige Andrea Sella in de podcast Chemistry in its element zijn favoriet: gallium.
c) Leg uit wat Andrea hiermee bedoelt.
De smelttemperatuur van Gallium is 30o C. Als je een stukje gallium op je hand legt zal het niet smelten, maar doe je het in je mond dan smelt het wel. (Dit is overigens in de praktijk niet aan te raden).
Gemma vervolgt:
Er bestaat zelfs een galliumgoocheltruc: wie een lepeltje van gallium in een kop hete thee plaatst, kan het op die manier laten ‘verdwijnen’. De beroemde neuroloog en schrijver Oliver Sacks had thuis een privéverzameling met elementen, en liet zijn gasten die truc graag zien. Om van gallium vervolgens weer een vaste stof te maken, is louter afkoeling nodig.
d) Leg uit hoe deze verdwijntruc werkt.
Hete thee heeft een temperatuur veel hoger dan 30o dus het gallium lepeltje smelt meteen.
e) Heb je na afkoeling weer een lepeltje terug? Leg uit waarom wel of niet.
Het gesmolten gallium wordt vloeibaar en lost op in de thee. Daarbij raakt het zijn vast vorm kwijt. Je krijgt bij afkoelen dus niet een lepeltje terug maar een hoopje gallium op de bodem.
Zie onderstaand filmpje van dit proefje:
Even verderop schrijft Gemma:
Gallium heeft ook voor wetenschappelijke doorbraken gezorgd. Zo ging de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2014 naar de ontdekking van blauw led-licht, gebaseerd op de halfgeleider gallium-nitride. Omdat er al rode en groene leds bestonden, werd het – door de drie kleuren te combineren – mogelijk om wit led-licht te maken: veel energiezuiniger dan andere lichtbronnen.
Het woordje ‘led’ is een afkorting. Het betekent light emitting diode.
f) Leg uit wat een diode is.
Een diode is een elektronisch onderdeel dat de elektrische stroom zeer goed in één richting geleidt, maar praktisch niet in de andere. Diodes zijn meestal gemaakt van halfgeleidend materiaal.
Een led werkt niet goed als je hem rechtstreeks op het stopcontact aansluit. Dat heeft er niet alleen mee te maken dat de spanning (230 V) veel te hoog is voor een diode.
g) Geef een andere reden waarom je een led niet rechtstreeks op een stopcontact mag aansluiten.
Het stopcontact levert wisselstroom terwijl een led gelijkstroom (in de goede richting) nodig heeft om te kunnen branden. Een lage wisselspanning zou de led laten knipperen met 50 Hz, dat gaat zo snel dat we het niet merken.
Gallium-nitride (GaN) is een halfgeleider. Als er een spanning op de goede manier over een halfgeleider wordt gezet overbruggen de elektronen een energiebarrière en gaat er een stroom lopen. De energie die daarbij vrijkomt wordt in een led omgezet in licht. De energiebarrière bij GaN is 3,4 eV.
h) Bereken de golflengte van het licht dat bij deze energie hoort. Wat voor licht is dit?
$3,4~\mathrm{eV}=3,4\cdot 1,6\cdot 10^{-19}=5,4\cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$
$\lambda=\frac{hc}{E}=\frac{6,6\cdot 10^{-34}\cdot 3,0\cdot 10^8}{5,4\cdot 10^{-19}}=3,7\cdot 10^{-7}~\mathrm{m}$
Dit is ultraviolet.
Door kleine hoeveelheden van andere elementen aan een halfgeleider toe te voegen kunnen de elektrische en optische eigenschappen van de stof gemanipuleerd worden. Bij GaN kan de energiebarrière vergroot worden door Si toe te voegen en verkleind worden door Mg toe te voegen.
i) Leg uit welk element aan GaN toegevoegd moet worden zodat je er een led van kunt maken die blauw licht uitzendt.
Blauw licht heeft een grotere golflengte dan UV, dus een kleinere energie. Een led die blauw licht uitzendt wordt gemaakt van GaN waaraan een beetje magnesium is toegevoegd. Dat heet Mg-gedoteerd p-GaN.
