Gal

Gal (Ga, ) – pierwiastek chemiczny z bloku p układu okresowego, o liczbie atomowej 31. Jest twardym i kruchym metalem o kolorze srebrzystobiałym. Ma przełam muszlowy podobny do szkła. Topi się w temperaturze , 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 (), dzięki czemu stosuje się go w termometrach wysokotemperaturowych. Stop galu z indem i cyną (galinstan) ma jeszcze niższą temperaturę topnienia (około ). W przeciwieństwie do rtęci, gal i jego związki nie są trujące. Powszechnie wykorzystywanym związkiem jest arsenek galu, będący półprzewodnikiem, mającym wiele zastosowań. mały|lewo|Kropelki stopionego galu łączące się w większą kroplę

Odkrycie 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 (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 , 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.

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

W latach 60. XX w. zauważono, że izotop galu 67 wstrzyknięty gryzoniom gromadził się w obrębie guzów nowotworowych, co stało się przyczynkiem do dalszych badań nad wpływem związków galu na nowotwory. Przeprowadzone badania wykazały skuteczność w leczeniu raka pęcherza moczowego oraz chłoniaka. Związki galu zostały uznane za drugie, po związkach platyny, najbardziej efektywne związki metali w terapii przeciwnowotworowej.

Gal-68 Czas połowicznego rozpadu 68Ga wynosi 67,6 minut. Ulega w 100% rozpadowi β+ do stabilnego izotopu 68Zn. Jest jednym z podstawowych izotopów używanych w diagnostyce metodą PET (pozytonowej tomografii emisyjnej). Jest stosowany od lat 60. XX w., kiedy zostały opracowane pierwsze generatory germanowo-galowe 68Ge/68Ga. 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. 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. 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 (PSMA), którego znacznie zwiększona ekspresja jest charakterystyczna dla tego schorzenia. 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. Dlatego na początku XXI w. podjęto próby uzyskania tego izotopu za pomocą cyklotronów medycznych poprzez napromieniowanie protonami cynku-68 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. 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 przemianom jądrowym do izotopów 66Ga oraz 67Ga. 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. 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.

Właściwości Pierwiastkowy występuje w przyrodzie w ilości 0,0005% wagowo. 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. ) 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. 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. Jest to struktura, której nie przyjmuje żaden inny metal, natomiast przypomina strukturę krystaliczną jodu. Wiązania pomiędzy najbliższymi atomami mają charakter kowalencyjny, w związku z czym podstawowymi cząsteczkami budującymi kryształy galu są dimery .

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.

Zastosowania 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 jako substancja polepszająca rozpraszanie ciepła w chłodzeniu układów elektronicznych

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

Zastosowania medyczne związków galu Izotopy 67Ga i 68Ga są stosowane w obrazowaniu medycznym. Jony galu działają jako mimetyki żelaza, przez co znalazły zastosowanie w terapii nowotworów. Związki galu mają też działania przeciwbakteryjne. Ponieważ bakterie nie mogą nabyć oporności na działanie tych związków, przypuszcza się, że mogą one zastąpić w przyszłości kurację antybiotykową. Ponadto związki galu wykazują działanie przeciwzapalne oraz są stosowane w leczeniu hiperkalcemii związanej z nowotworami.

Przypisy

Bibliografia

Kategoria:Pierwiastki chemiczne