En la última entrega de Conoce tus elementos, nuestro largo recorrido por la tabla periódica, conocimos algo más sobre el elemento químico de treinta protones, el cinc, un metal muy conocido –como los tres o cuatro últimos que hemos visto en la serie–, utilísimo y razonablemente abundante.

Hoy, sin embargo, la cosa cambia. Como hemos dicho antes en la serie, existen elementos que aparecen puros en la naturaleza y son fáciles de reconocer, otros que son abundantes pero que suelen formar compuestos –con lo que hemos convivido durante milenios con ellos sin reconocerlos– y, finalmente, otros que son escasos y además muy difíciles de reconocer, con lo que fueron descubiertos muy tarde, históricamente hablando. El elemento de hoy pertenece a ese grupo: permaneció oculto durante casi toda nuestra historia, siguió oculto durante la fiebre de descubrimiento de nuevos elementos del siglo XVIII, ¡y también a la de casi todo el siglo XIX!

Hizo falta esperar a la segunda mitad de ese siglo para que, por fin, nos revelara sus misterios. Tanto es así que, como veremos, su descubrimiento se hizo en el orden inverso al habitual. En los siglos anteriores, los químicos tomaban cualquier sustancia que se les pusiera por delante e intentaban aislar nuevos elementos de ella. Sin embargo, en el caso que nos ocupa hoy el elemento se descubrió antes de aislarlo, y no sólo eso: antes de que se detectase su presencia por primera vez ya habíamos predicho su existencia e incluso sus propiedades con cierta precisión.

Se trata, por tanto, de un elemento bastante nuevo, que durante un siglo tras su descubrimiento fue poco más que una curiosidad científica, pero que luego se ha convertido en uno de nuestros más fieles aliados tecnológicos. En su momento fue uno de los enormes triunfos de un científico cuyo nombre estoy seguro de que conoces –viejo héroe de la serie–, y supuso un “¡zas, en toda la boca!” a una legión de sus críticos. ¿Te pica la curiosidad? Entonces hablemos sobre el elemento de treinta y un protones, el galio.

Como hemos dicho al principio, el galio es un elemento bastante poco común en la corteza terrestre: ocupa el número 35 en la lista de elementos más abundantes con una concentración de unas 16 partes por millón. Además, se asocia muy fácilmente a otros elementos. Como tantos otros metales de la parte media de la tabla, el galio tiene varios estados de oxidación (+1, +2 y +3 en este caso, aunque el más común es +3), y tiene unas ganas tremendas de librarse de electrones “de sobra”, es decir, de oxidarse. Como consecuencia es imposible encontrarlo puro en la naturaleza.

En realidad, naturalmente, está por todas partes: 16 partes por millón es una concentración muy baja, pero la masa total de la corteza es gigantesca. El problema es que está disperso, mezclado con otros elementos. Ni siquiera existen rocas formadas por óxidos de galio sin más, ya que la concentración de este metal es demasiado baja incluso para eso. El galio se presenta en forma de impureza en minerales formados por otros metales más abundantes, como la bauxita (una mena de aluminio) o la esfalerita (un mineral de cinc). Pero claro, si extraes el aluminio de la primera o el cinc de la segunda, las cantidades de galio aleadas con el metal principal son tan minúsculas que es casi imposible darse cuenta de su existencia salvo que sepas de antemano que está ahí.

En resumen: que hemos tenido galio como “polizón” de otros metales durante muchísimo tiempo, pero nadie sospechaba de su existencia. Todo cambió, sin embargo, con la llegada de dos avances fundamentales en la ciencia del siglo XIX, uno teórico y otro práctico.

El avance teórico fue una auténtica revolución en nuestra Química: la tabla periódica de los elementos elaborada por Dmitri Mendeleyev. Nunca más buscaríamos nuevos elementos ciegamente, ni nos sorprenderíamos una vez tras otra con sus propiedades. Mendeleyev ya ha hecho su aparición en esta serie con sus valientes predicciones cuando hablamos sobre el escandio, y no voy a repetir aquí toda la historia, que también ha sido contada por Álex Girón en El Cedazo. Sin embargo, sí quiero mencionar el caso concreto del galio, ya que fue el primer elemento de la historia en ser descubierto tras su predicción teórica.

Dmitri Mendeleyev (1834-1907).

Como dijimos al hablar del escandio, Mendeleyev predijo la existencia de elementos aún desconocidos a partir de los “huecos” teóricos que dejaban en la tabla que había elaborado. En el caso del aluminio existía un hueco de este tipo, de modo que el ruso llamó al elemento correspondiente eka-aluminio o uno-aluminio usando el sánscrito. Pero Mendeleyev, que era cuidadoso a más no poder, no se limitó a predecir la existencia del elemento: se dedicó a intentar estimar sus propiedades.

Para hacerlo disponía de los otros elementos a su alrededor: además del aluminio (en la misma columna que el galio pero en un período anterior) conocía el indio (en la misma columna pero en la siguiente fila) y también el cinc (el elemento inmediatamente anterior en la tabla). Desgraciadamente no tenía datos del elemento inmediatamente posterior, el eka-silicio, porque le sucedía exactamente lo mismo que al eka-aluminio… pero el ruso hizo lo propio con él, y predijo sus propiedades (hoy en día conocemos al eka-silicio como germanio, y hablaremos de él en la siguiente entrada de la serie).

De manera que, utilizando los datos de los elementos que sí conocía –especialmente el aluminio–, Mendeleev calculó los correspondientes el eka-aluminio. Con lo que a muchos les pareció un atrevimiento insolente, en 1871 el ruso afirmó que las propiedades fundamentales de este elemento desconocido –para muchos científicos inexistente, una mera invención del pobre Dmitri– serían las siguientes:

• Su masa atómica debía rondar los 68 gramos por mol.

• Su densidad era de alrededor de 6 g/cm3.

• Su punto de fusión sería bastante bajo (Mendeleyev no pudo calcular cuál exactamente).

• Su estado de oxidación más común sería +3, es decir, formaría óxidos del tipo Ea2O3 (Ea es el símbolo del eka-aluminio, claro).

• Estos óxidos serían algo menos densos que el propio eka-aluminio, es decir, unos 5,5 g/cm3.

• En contacto con el cloro, formaría una sal del tipo Ea2Cl6, que sería volátil.

Tabla de Mendeleyev de 1871, con el eka-aluminio en rojo.

Como ves, el ruso no se andaba con chiquitas, sino que daba una información bastante detallada sobre el supuesto elemento. Dado que absolutamente ningún elemento conocido tenía esas propiedades, si alguien descubriese uno nuevo que presentase características como las de la lista, se trataría necesariamente de un elemento desconocido. Pero eso, de acuerdo con muchos químicos de 1871, era imposible.

Muchas veces, en ciencia, quien propone algo revolucionario muere sin el reconocimiento que merece, ya que hacen falta décadas o incluso siglos para que sus predicciones se cumplan. Pero Dmitri Mendeleyev fue no sólo afortunado, sino afortunadísimo: en cuatro años el mundo quedó boquiabierto cuando se cumplió la primera de sus predicciones. Para ello hizo falta el segundo avance fundamental del siglo XIX en lo que a nosotros concierne hoy: la espectroscopía.

Como ya hemos dicho antes múltiples veces en El Tamiz, las transiciones electrónicas en los átomos suponen una especie de “huella dactilar” del átomo. Una vez se desarrolló esta técnica de detección, fue posible identificar elementos como nunca antes hubiéramos imaginado. Por un lado pudimos detectar nuevos elementos a distancia, ya que bastaba con analizar el espectro luminoso emitido por los cuerpos –como sucedió en el caso del helio que enlazo más arriba–. Por otro, y aquí es donde está la clave en el caso del galio, fue posible detectar la presencia de elementos en cantidades minúsculas gracias a la aparición de sus líneas de emisión espectroscópica, aunque fuesen tenues.

De modo que, tras la aparición de la espectroscopía, los químicos del XIX hicieron algo parecido a lo que habían hecho sus colegas del XVIII utilizando otras técnicas: buscaron todo lo que tenían a mano y lo sometieron al análisis espectroscópico, ya que tal vez sustancias cotidianas contuviesen ínfimas cantidades de elementos que habían pasado inadvertidos hasta entonces. Mendeleyev tuvo la inmensa suerte de que esta etapa se produjo más o menos a la vez que él realizada sus predicciones, y que algunas de ellas justo se adecuaban a este “perfil”: elementos muy escasos que existían en rocas comunes pero en ínfima concentración.

En 1875 el francés Paul Émile Lecoq de Boisbaudran (a la derecha), un químico aficionado sin una preparación formal demasiado extensa, estaba haciendo justamente eso: en su laboratorio, en el que había instalado un espectroscopio, se dedicaba a analizar el espectro de múltiples compuestos. Lecoq –como muchos de sus contemporáneos– sometía el compuesto en cuestión a la llama de un mechero Bunsen o a un arco eléctrico, forzándolo a brillar, y luego utilizaba el espectroscopio para analizar las longitudes de onda emitidas.

El proceso era bien conocido, pero muy trabajoso. El problema es que cualquier roca, por ejemplo, contenía átomos de múltiples elementos, y cada elemento poseía su propia “huella dactilar” compuesta por múltiples líneas espectroscópicas. Por lo tanto, una vez obtenida la emisión del compuesto, hacía falta ir eliminando cuidadosamente los patrones de elementos ya conocidos, una y otra y otra vez… hasta que, si uno tenía suerte, quedaban líneas sin explicación que tal vez –sólo tal vez, si no había habido ningún error en el proceso– eran la señal de que ahí había algún otro elemento nuevo.

Bien, Lecoq hizo esto una infinidad de veces –y, de hecho, volverá a hacer su aparición en esta serie varias veces más–. Una de estas veces, al someter una sal de cloro obtenida de cierta roca al proceso que acabo de describir, obtuvo líneas de emisión desconocidas. La cantidad del nuevo elemento, a partir de las líneas obtenidas, debía de ser muy pequeña, con lo que el francés se dedicó a obtener mayor cantidad del mineral.

La muestra original de la roca tenía unos 50 kg. Lecoq realizó el segundo intento con varios cientos de kilos, y esta vez la presencia del nuevo elemento era incontestable. El francés extrajo la sal de cloro con el nuevo elemento de la roca y luego la sometió a electrólisis, y por fin obtuvo lo que hacía saltar las lágrimas a cualquier químico de la época: más de un gramo de un elemento nuevo. Para determinar con mayor precisión las propiedades del elemento que acababa de descubrir, Lecoq repitió el proceso con unas cuatro toneladas de roca, y obtuvo la nada despreciable cantidad de 75 gramos del elemento casi puro. Lo que el francés vio sería algo parecido a esto:

Galio puro (foobar/CC Attribution-Sharealike 3.0 License).

Lecoq denominó al nuevo elemento galio, por el nombre latino de su país natal. Posteriormente alguien sugirió que tal vez todo era un juego de palabras y que Lecoq bautizó así al elemento por su propio apellido, ya que gallus significa gallo en latín, y Le coq es el gallo en francés, pero Paul Émile lo negó categóricamente. Sea como fuere, gallo o galia, el nuevo elemento mantuvo su nombre (galio) y símbolo (Ga) hasta nuestros días.

Pero lo interesante del galio no resultó ser su nombre. Cuando Lecoq obtuvo los 75 gramos, pudo medir sus propiedades físicas y hacerlo reaccionar con otros elementos. La lista habla por sí sola:

• Su masa atómica era de entre 69 y 70 gramos por mol.

• Su densidad era de unos 5,9 g/cm3.

• Su punto de fusión era de unos 30 °C.

• Al exponerlo al oxígeno formaba un óxido de la forma Ga2O3.

• La densidad del óxido de galio era de 5,88 g/cm3.

• Al combinarlo con cloro formaba una sal volátil, Ga2Cl6.

Blanco y en botella. Tan sólo cuatro años después de la predicción de su existencia por parte de Dmitri Mendeleiev, el misterioso eka-aluminio había asomado la cabeza. ¡El galio no era otra cosa que el propio eka-aluminio! En pocos años más, como sabes si leíste aquí sobre el escandio, el ruso vio cómo otra de sus predicciones se hacía realidad, y lo mismo sucedió en 1886 con el germanio. La fama del ruso creció como la espuma –y con razón–, y sus críticos cerraron la boca discretamente.

Las propiedades físicas del galio resultaron ser muy curiosas. Como ves en la lista, se funde a unos 30 °C, con lo que a temperatura ambiente puede ser sólido o líquido, dependiendo de dónde se encuentre, ¡o incluso de qué época del año sea, o de si es de día o de noche! Es más, puede ser sólido como en la foto de arriba porque la habitación esté a unos 25 °C, por ejemplo, pero si lo pones sobre tu mano se funde… y si luego lo dejas sobre la mesa, según vuelve a la temperatura ambiente vuelve al estado sólido otra vez. Curiosísimo, ¿no? Para muestra, un botón:

Se trata de uno de los escasísimos metales que es líquido a temperatura ambiente (los otros son el mercurio, el cesio, el rubidio y el francio), y además el rango de temperaturas a las que permanece líquido es mayor que para cualquier otro metal. Si observas la foto de arriba, su apariencia es muy similar a la del mercurio y casi todos los metales de transición. Sin embargo, su comportamiento es bastante peculiar incluso comparado con el del mercurio –con el que seguro que estás familiarizado–.

Si alguna vez has tenido mercurio cerca, tras la rotura de un termómetro, por ejemplo, habrás visto que, aunque es líquido, el mercurio no “moja”: se mantiene compacto en forma de gotas muy redondas. El que un líquido moje o no es un asunto complejo, ya que depende de la tensión superficial, de las fuerzas entre las partículas que lo forman y con las de la superficie sobre la que está en contacto, etc., pero estoy convencido de que sabes a lo que me refiero si has tenido mercurio cerca – su comportamiento no se parece nada al del agua en este aspecto.

Ahora bien, el galio se comporta como el agua, es decir, “moja”, lo cual lo hace bastante menos cómodo de manejar que el mercurio. Si viertes mercurio en el suelo, por ejemplo, es muy fácil hacer que todo el mercurio –salvo que alguna gotita se haya escapado muy lejos– vuelva a formar una sola gota grande, y meterlo luego en un recipiente sin apenas impurezas. Pero derramar galio es mucho más parecido a derramar agua, y volver a recuperarlo íntegro mucho más complicado que en el caso del mercurio. En el siguiente vídeo puedes ver a alguien jugando con galio en la mano, y el color del que acaba la mano, algo que no sucedería con el otro metal:

Por otro lado, como seguro que sabes, el mercurio es tóxico, mientras que el galio no lo es –en algunas personas puede producir dermatitis, pero no tiene comparación con los peligros del mercurio–. Así que el individuo del vídeo de arriba no tiene de qué preocuparse por mancharse la mano con galio. Imagino que el hecho de que no sea tóxico fue la razón de que con el tiempo la gente hiciese con él cucharas de broma como de la de más arriba, pero me parece una broma peligrosa (y, francamente, con poca gracia) por mucho que no sea mercurio.

Otra peculiaridad de los cambios de fase del galio es el hecho de que, como el agua, la fase sólida es menos densa que la líquida. Lo mismo que el agua se expande ligeramente al congelarse, el galio se expande ligeramente al solidificarse. Dado que su temperatura de fusión es de 30 °C, esto significa que hay que ser cuidadoso al guardarlo en un recipiente, ya que a lo largo del año o incluso de un solo día puede congelarse y fundirse varias veces y tal vez romper el recipiente.

Si se solidifica en las condiciones adecuadas, el galio forma cristales bastante complejos… pero claro, salvo que te asegures de que se mantiene frío, los cristales desaparecerán cuando la temperatura supere de nuevo los 30 °C.

Galio cristalizando (Tmv23 & Dblay/ CC Attribution-Sharealike 3.0 License).

Sí, como ves, es un metal curioso, y como curiosidad permaneció durante mucho tiempo. Su escasez hizo que no tuviera sentido utilizarlo en gran cantidad, y de todos modos tampoco serviría como un metal normal: ¿imaginas fabricar algo con él para verlo derretirse como un muñeco de nieve cuando llega el verano? Además, aunque algunas de sus propiedades químicas fueran similares a las del aluminio, no conducía tan bien como él y no era apenas útil para la tecnología del XIX.

Algo para lo que sí resultó útil fue como substituto del mercurio en termómetros médicos, al no ser tóxico. Pero, para usarlo así, hacía falta superar dos dificultades: por un lado, incluso en contacto con la piel tarda un tiempo en fundirse, con lo que hacía falta asegurarse de que era líquido incluso por debajo de 30 °C. Por otro lado, el mercurio no moja las paredes del termómetro, pero el galio sí.

La solución fue una aleación (el galio se alea fácilmente con muchos metales, otra de sus virtudes): galio, indio y estaño. El resultado, llamado galinstan, se funde a -19 °C, con lo que no hace falta fundirlo para utilizarlo en un termómetro. Desgraciadamente, esta aleación sigue mojando, pero el problema se solventó cubriendo las paredes interiores del tubo del termómetro con Ga2O3.

Al alearlo con otros metales en una pequeña proporción, el galio disminuía su punto de fusión, y para eso se empleó durante décadas. No es que fuera inútil, pero su importancia era muy relativa. Sin embargo, todo cambió en la década de 1960. Fue entonces cuando se descubrieron las magníficas propiedades de un compuesto del galio como semiconductor; Javier Sedano ha escrito hace unos meses un artículo sobre semiconductores, de modo que puedes dirigirte allí para saber más sobre ellos (de hecho, J menciona brevemente el compuesto del que vamos a hablar).

Arseniuro de galio (W. Oelen/CC Attribution-Sharealike 3.0 License).

Se trataba del arseniuro de galio (GaAs), molécula formada por un átomo de arsénico y otra de galio. El arseniuro de galio resultó tener propiedades parecidas a las del silicio, pero con grandes ventajas para algunas aplicaciones concretas. Por ejemplo, el arseniuro de galio proporciona mayor movilidad a los electrones y resiste mejor los cambios de temperatura. A partir de la década de 1960 se fue empleando más y más como semiconductor en microondas, ordenadores, satélites y teléfonos móviles.

Tanto es así que hoy en día la respuesta rápida a la pregunta ¿para qué usamos el galio? es simplemente: para producir GaAs y usarlo como semiconductor. Alrededor del 98% de la producción mundial de galio está destinada a este uso, y tan sólo el 2% restante se emplea en aleaciones para disminuir la temperatura de fusión de otros metales. Se trata de una coincidencia afortunada: el galio es bastante poco frecuente, de modo que nunca nos hubiera sido útil como un metal estructural –como sucede con el hierro, por ejemplo–. Sin embargo, dado que hacen falta muy pequeñas cantidades para producir semiconductores para circuitos, sus peculiares propiedades al asociarse al arsénico lo han convertido en un muy fiel aliado nuestro, tecnológicamente hablando.

Puede que te sorprenda que no termine de la manera habitual: no, el galio no tiene un papel biológico de importancia. Su estado de oxidación más común es +3 (es decir, cede tres electrones a quien esté dispuesto a aceptarlos), y su comportamiento biológico es por tanto bastante similar al del hierro… pero claro, el hierro es tan común que ningún organismo ha evolucionado para emplear el átomo de galio en proteínas, ya que disponíamos de hierro en abundancia y el galio no proporciona ninguna ventaja sobre él.

Afortunadamente, tampoco parece ser tóxico, como hemos dicho al hablar del mercurio, de modo que no hay que preocuparse ni por consumirlo ni por dejar de hacerlo. Puede que nunca lo hayas usado para jugar –como la cuchara de arriba– pero estoy bastante convencido de que lo tienes cerca, ya que creo que casi todos los teléfonos móviles tienen algo de este gallo francés.

En la próxima entrega de la serie conoceremos el átomo de treinta y dos protones, el eka-silicio… quiero decir, el germanio.

Para saber más (esp/ing cuando es posible):

• Galio / Gallium
• Arseniuro de galio / Gallium arsenide