Galio
Hace varios ayeres, cuando no sabía qué dirección tomaría mi vida, en el segundo año de preparatoria, el curso de Química llamó poderosamente mi atención por toda la gama de conocimientos que me permitían entender algo del mundo que me rodeaba; por ejemplo, saber por qué el hielo siendo un sólido no se hunde en el agua o, cómo es que muchos mamíferos o plantas captamos oxígeno del aire para respirar. Y así, se pueden citar miles de ejemplos de fenómenos que son expresiones y resultado de las propiedades químicas y fisicoquímicas de la materia. Desde aquel entonces, no dudé en decidir que tomaría el camino que me llevara a investigar sobre la composición de la materia y sus transformaciones.
En este andar de aprender e investigar, yo, como otras personas con el mismo interés sin lugar a dudas, nos topamos con la Tabla Periódica de los Elementos. Cada uno de los elementos tiene propiedades particulares que definen su reactividad y afinidad con otros elementos, lo que a su vez determina cómo se pueden combinar para formar compuestos químicos que tendrán también propiedades químicas bien definidas. En la naturaleza hay elementos que son muy abundantes y fundamentales para que exista toda clase de vida en nuestro planeta. Sin embargo, existen otros elementos que son poco abundantes, y no por ello, dejan de ser importantes y éste es el caso del Galio. Por ello me permitiré contarles algunos aspectos relevantes y curiosidades de este elemento.
El elemento Galio fue descubierto en 1875 por Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, en París Francia. Sin embargo, se predijo su existencia 6 años antes por el químico ruso Dimitriv Mendeleyev. En la Tabla Periódica propuesta por Mendeleyev, el químico ruso dejó un espacio en blanco abajo del aluminio y pronosticó que correspondería a un elemento con masa atómica alrededor de 68 y con densidad de 5.9 gramos por centímetro cúbico. ¡Maravillosamente, el razonamiento de Mendeleyev fue acertado ya que las propiedades predichas eran muy cercanas a las que fueron encontradas más tarde! [1]
En el laboratorio privado de Boisbaudran – que yo quisiera tener un año de éstos – a partir de una muestra de un mineral con sulfuro de Zinc (ZnS), la analizó a través de algo que los químicos llamamos espectro – no confundir con un fantasma o algo por el estilo. Un espectro es la respuesta de hacer incidir energía en una muestra, a través de radiación electromagnética. Boisbaudran se encontró con un patrón de líneas que no había visto antes y concluyó a partir de este resultado, que en la muestra debería estar presente un nuevo elemento. En noviembre de 1875, logró extraerlo y asilarlo, mediante un tratamiento llamado electrólisis, en presencia de hidróxido de potasio (KOH). Una vez logrado esto, en diciembre del mismo año, Boisbaudran presentó sus resultados en la Academia Francesa de Ciencias, llamándolo galio, cuyo nombre se deriva del nombre en latín de Francia Gallia.
El galio pertenece al grupo 13 del periodo 4 de la Tabla Periódica, su símbolo es Ga, su número atómico es 31 y su masa atómica 69.723. Su estado de oxidación es +3, que implica que puede perder hasta 3 electrones de su capa más externa para combinarse con otros elementos. Su punto de ebullición es de 30 °C y el de fusión de 2403 °C. Estas últimas propiedades fisicoquímicas indican que el Ga se mantiene en estado líquido en un muy amplio intervalo de temperatura, desde 30 a 2402 °C. A temperatura ambiente (25 °C), el Ga es posible observarlo como un metal sólido con una apariencia similar al aluminio, pero si se toma un trozo y lo calentamos con el calor de nuestra mano, se vuelve líquido y ahora se observará como el mercurio que se usa en los termómetros.
En el cuerpo humano hay menos de 1 mg de Ga; en la corteza terrestre se encuentra en una concentración de 18 partes por millón (p.p.m., que significa que algo se encuentra diluido con respecto a un disolvente en una millonésima parte) y ocupa el lugar 34 de los elementos más abundantes. En el mar se tiene una concentración de 30 partes por trillón (p.p.t.) y en la atmósfera no se le encuentra.
No existen minerales de galio y las fuentes donde se encuentra son de aluminio. También se puede tener hasta en 1.5% de Ga en el humo del carbón. Pero la principal forma de extracción es a partir de los procesos de refinamiento y purificación de zinc y cobre. Debido a que no es muy abundante, anualmente la producción mundial es de 30 toneladas. La pregunta que surge inmediatamente, considerando que es un elemento tan poco abundante, es: ¿realmente resulta importante extraerlo? La respuesta es sí, ya que tiene varios usos principalmente en la industria electrónica y en medicina.
¿Realmente resulta importante extraerlo? La respuesta es sí.
El galio, combinado con el arsénico, forma el arseniuro de galio (GaAs), que es un semiconductor de electricidad con propiedades similares al silicio. Es utilizado como sustituto de éste en la industria electrónica.
Además, tiene la capacidad de convertir la electricidad en luz, y por ello, se usa también en la fabricación de LEDs (Ligth–Emitting Diodes, o diodos emisores de luz en español), en los monitores en relojes y celulares y, dado su ventaja de ser un material que se calienta menos que el silicio, su uso se extiende a la fabricación de super-computadoras. Por cierto, el alcance en cuanto a aplicaciones del GaAs no sólo se limita a su uso en nuestro planeta, pues los paneles solares que se han usado en alguna de las naves de exploración enviadas a Marte fueron de GaAs.[2]
No sólo se ha aprovechado las propiedades de compuestos con Ga; sino también para preparar medicamentos para combatir bacterias que merman nuestra salud, por ejemplo en antibióticos contra: Pseudomonas aeruginosa, Francisella tulerensis y varias micobacterias como Klebsiella pneumoniae. Recientemente se informó en la revista Science Translational Medicine del 2018 [3] que se midió el efecto antibacterial de Ga en esputo de fibrosis quística (una infección que afecta a los pulmones) donde el agente infeccioso es la Pseudomonas aeruginosa. Los resultados indicaron que con 4 o 5 microgramos de Ga, son suficientes para limitar el crecimiento completamente de la bacteria y que el Ga actúa inhibiendo las enzimas bacterianas clave que dependen del hierro, provocando una alteración en el crecimiento de la bacteria, así como una mayor sensibilidad a agentes oxidantes.
Por otro lado, también se han usado los isótopos [4] de Ga 67 (con tiempo de vida media de 78 horas) y Ga 68, (tiempo de vida de 68 minutos), como marcador o trazador radiactivo en medicina nuclear, con el cual es posible detectar disfunción en nuestros, órganos, tejidos y células[5]. La técnica que usa Ga 68 es la tomografía de emisión de positrón (PET, por sus siglas en inglés) y se llama Gammagrafía con Galio 67. Este último isótopo, es un análogo del ion hierro. Las células tumorales pueden concentrar el complejo transferrina-Ga 67, asociados a los receptores de transferrina, donde también se han encontrado en las proteínas citoplasmáticas, así como en algunas macromoléculas dentro de los organelos celulares. La captación de galio 67 es directamente proporcional al metabolismo celular; por este motivo es utilizado para evaluar la viabilidad tumoral y por su baja concentración en tejidos fibrosos o masas necróticas. El galio 67 incrementa su concentración en el tejido afectado por inflamación y procesos infecciosos. Por lo anterior, la gammagrafía con galio es útil en los diagnósticos de linfoma de Hodgkin, hepatoma, cáncer pulmonar y melanoma.[6]
Finalmente, queda la reflexión sobre el impacto que tiene la química de elementos como el Ga en nuestras vidas, y en general, el enorme conocimiento que nos ofrece la Química para poder tener bienestar.
No es casual que desde la antigüedad, muchas civilizaciones como la griega o aquellas del lejano oriente, mostraran asombro y tuvieran respeto por la naturaleza y sus manifestaciones; sabían de alguna manera que los elementos que la conformaban eran esenciales para su cuerpo y espíritu. C2
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Referencias
[1] John Emsley, Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, Oxford University Press, New York, 2nd Edition, 2011. http://www.rsc.org/periodic-table/element/31/gallium.
[2] John Emsley, Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, Oxford University Press, New York, 2nd Edition, 2011. http://www.rsc.org/periodic-table/element/31/gallium.
[3] Goss et al., Sci. Transl. Med. 10, eaat7520 (2018) 26 September 2018.
[4]Los isótopos son átomos de un mismo elemento que pueden tener variantes en su peso atómico por poseer uno o más neutrones en su masa atómica.
[5] https://www.isotopesmatter.com/applets/IPTEI/pdf-elements/gallium.pdf
[6] http://www.gamagrafia.com.mx/gammagrafia-con-galio67.html
