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Gallium, Indium, Thallium

Reaktionsverhalten

Als Elemente der III. Hauptgruppe des Periodensystems treten Gallium, Indium und Thallium dreiwertig, d.h. in der Regel in der Oxidationsstufe +3, auf. Mit zunehmender Atommasse der Elemente steigt jedoch die Beständigkeit der um zwei Einheiten niedrigeren Oxidationsstufe +1 (inert-pair-Effekt), z.B. Gallium(I)-chlorid, GaCl, Indium(I)-chlorid, InCl, Thallium(I)-fluorid, TlF. Während Gallium(I)-Verbindungen noch leicht zu den stabileren Gallium(III)-Verbindungen oxidiert werden, wirken Thallium(III)-Salze auf Grund ihrer leichten Reduzierbarkeit zur beständigeren einwertigen Stufe als starke Oxidationsmittel. In wässriger Phase sind von den Verbindungen in der Oxidationsstufe +1 nur die des Thalliums stabil, einwertiges Gallium bzw. Indium unterliegen der Disproportionierung in Metall und Ga3+- bzw. In3+-Ionen. Die Thallium(I)-Verbindungen weisen Analogien sowohl zu entsprechenden Kalium- als auch Silber-Verbindungen auf.

Neben den ein- und dreiwertigen Verbindungen gibt es beim Gallium, Indium und Thallium auch solche mit der formalen Oxidationszahl +2, die jedoch für die Chemie in wässriger Lösung ohne Bedeutung sind. Die zweiwertigen Verbindungen müssten theoretisch paramagnetisch sein, sind tatsächlich jedoch diamagnetisch, da in den Kristallgittern entsprechender Verbindungen keine Ga2+-, In2+- oder Tl2+-Ionen vorliegen, sondern eine Kombination aus ein- und dreiwertigen Ionen, also z.B. (GaI,GaIII)4+, bzw. Ga24+-Einheiten, in denen die Atome durch Element-Element-Bindungen miteinander verknüpft sind.

Gallium und Indium ähneln in ihrem chemischen Verhalten dem Aluminium.

Gallium

Gallium ist an der Luft beständig, da es sich wie Aluminium auf der Oberfläche mit einer dünnen, festen Oxidschicht überzieht.

Erst in reinem Sauerstoff und unter hohem Druck verbrennt es mit heller Flamme vollständig zu Gallium(III)-oxid, Ga2O3:

4Ga+ 3O2 2Ga2O3

Gallium löst sich entsprechend seiner Position in der elektrochemischen Spannungsreihe in starken, nichtpassivierenden Säuren und starken Laugen auf.

Im stark sauren Milieu, z.B. durch Salzsäure oder Schwefelsäure, wird Gallium unter Wasserstoffentwicklung zum dreiwertigen Kation oxidiert. Durch verdünnte wässrige Mineralsäuren wird das Metall nur langsam angegriffen. Bei Einwirkung oxidierender Säuren wie Salpetersäure kommt es auf der Oberfläche des Metalls ebenfalls zur Ausbildung einer schützenden Oxidhaut, die einen weiteren Angriff der Säure verhindert (Passivierung). Auch in sauerstofffreiem Wasser ist Gallium aufgrund der Schutzschicht bis 100 °C beständig.

In schwachen Laugen bildet Gallium eine feste, unlösliche Schutzschicht aus Galliumhydroxid, Ga(OH)3:

2Ga+ 6H2O 2Ga(OH)3+ 3H2

In starken Alkalien durchläuft Gallium eine zu Aluminium analoge Redoxreaktion und geht als Tetrahydroxo-Komplex (Gallat) in Lösung:

2Ga+ 6H2O+ 2OH 2[Ga(OH)4]+ 3H2

Mit geringen Mengen Aluminium bildet Gallium Legierungen, die bei Vorliegen einer eutektischen Mischung, bedingt durch die Schmelzpunkt-Erniedrigung des Galliums, bei Raumtemperatur flüssig sind und mit Wasser ähnlich heftig wie Natrium reagieren. Auch mit zahlreichen anderen Metallen, u.a. Silber, Zink oder Kupfer, entstehen Legierungen, so dass Gallium bevorzugt in Kunststoffbehältern aufbewahrt wird.

Mit Ausnahme von Iod reagieren die Halogene schon in der Kälte, mit Gallium zu den Trihalogeniden GaX3. In der Hitze reagieren auch Schwefel, Phosphor, Arsen und Antimon mit Gallium.

Indium

Wie Aluminium und Gallium ist Indium gegenüber Luft oder Sauerstoff bei Raumtemperatur beständig (Ausbildung einer Oxidschutzschicht), erst bei starkem Erhitzen verbrennt es mit blauer Flamme zu Indium(III)-oxid, In2O3. In kompakter Form ist das Element beständig gegenüber kochendem Wasser und löst sich im Unterschied zu Aluminium oder Gallium auch nicht in siedenden Alkalien, reagiert aber als Pulver mit Wasser zu Indiumhydroxid, In(OH)3. Indium löst sich langsam in kalten verdünnten, schneller in heißen konzentrierten Mineralsäuren, unter Bildung von Indium(III)-Salzen und Wasserstoff. In der Hitze erfolgt eine lebhafte Reaktion des Metalls mit den Halogenen sowie Schwefel, Phosphor und Stickstoff.

Thallium

Thallium ist unter Normalbedingungen beständig gegenüber trockenem Sauerstoff und luft- oder sauerstofffreiem Wasser. An feuchter Luft bedeckt sich das Metall mit einem graublauen Film aus Thallium(I)-oxid, Tl2O, bzw. -hydroxid, TlOH. Thallium verbrennt bei höheren Temperaturen mit grüner Flamme zum Thallium(I)-oxid, Tl2O, mit Ozon, O3, oder Wasserstoffperoxid, H2O2, reagiert es zum Thallium(III)-oxid, Tl2O3. In Salzsäure löst sich Thallium wegen der geringen Löslichkeit des Monochlorids sehr schwer, in Schwefelsäure etwas besser und sehr leicht in verdünnter Salpetersäure. In wässrigen Alkalien und flüssigem Ammoniak löst sich Thallium nicht. Mit den Halogenen, besonders heftig mit Fluor, reagiert es schon unter Normalbedingungen, mit Schwefel erst in der Wärme.

Gefährdungshinweis
Thallium und Thallium-Verbindungen sind hoch toxisch! Leichtlösliche Thallium-Verbindungen werden sogar durch die Haut resorbiert. Sie wirken analog den Verbindungen des Quecksilbers und des Bleis. Bereits wenige Milligramm Thallium führen zu schleichenden Vergiftungserscheinungen, von denen Haarausfall vielleicht das augenfälligste, aber auch geringfügigste Symptom darstellt (weitere Symptome sind u.a. grauer Star, Nervenschwund, Neuralgien, Psychosen; höhere Dosen können auch tödlich wirken).
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