„Galliumorthophosphat“ – Versionsunterschied
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Version vom 12. März 2017, 12:24 Uhr
| Strukturformel | ||||||||||
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| Keine Zeichnung vorhanden | ||||||||||
| Allgemeines | ||||||||||
| Name | Galliumorthophosphat | |||||||||
| Andere Namen |
Galliumphosphat | |||||||||
| Summenformel | GaPO4 | |||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | ||||||||||
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| Eigenschaften | ||||||||||
| Molare Masse | 164,69 g·mol−1 | |||||||||
| Aggregatzustand |
fest | |||||||||
| Dichte |
3,57 g·cm−3[1] | |||||||||
| Sicherheitshinweise | ||||||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | ||||||||||
Galliumorthophosphat (Galliumphosphat) ist eine chemische Verbindung des Galliums aus der Gruppe der Phosphate.
Vorkommen
Da Galliumorthophosphat im Gegensatz zu Quarz in der Natur nicht vorkommt, kann der Kristall nur synthetisch hergestellt werden. Zurzeit wird Galliumorthophosphat nur von einer Firma in Österreich kommerziell hergestellt. Wie bei synthetischem Quarz erfolgt die Zucht hydrothermal.[3]
Gewinnung und Darstellung
Galliumorthophosphat kann (wie auch andere Galliumphosphate) durch Reaktion von Galliumhydroxid mit Phosphoroxysäuren gewonnen werden. Das Anhydrat kann durch Erhitzung des Dihydrates oder durch Reaktion von Gallium mit Phosphorsäure dargestellt werden.[4] Das Kristallwachstum erfolgt ähnlich wie die von Berlinit hydrothermal bei Temperaturen unter 250 °C.[3]
Eigenschaften
Galliumorthophosphat ist ein farbloser, im trigonalen Kristallsystem kristallisierendes Galliumsalz mit der Härte 5.5 nach der Mohs’schen Härteskala.
Die Kristallstruktur von Galliumorthophosphat ist isotyp zu α-Quarz indem Silizium abwechselnd durch Gallium und Phosphor ersetzt wird.[5]
Deshalb besitzt diese Verbindung nahezu dieselben Eigenschaften wie Quarz, besitzt jedoch wie das ebenfalls intensiv untersuchte Aluminiumorthophosphat einen doppelt so großem Piezoeffekt.[3] Durch diese Verdopplung ergeben sich für viele technische Anwendungen Vorteile gegenüber Quarz, wie zum Beispiel eine höhere Kopplungskonstante bei Resonatoren.[3]
Analog zu Quarz ist Galliumorthophosphat aus GaO4 und PO4-Tetraedern aufgebaut, die gegeneinander etwas verkippt sind. Die spiralenförmige Anordnung entlang der c-Achse führt zu optisch rechts- und linksdrehenden Kristallen (Enantiomorphie).
Galliumorthophosphat hat im Gegensatz zu Quarz bis zu 933 °C[6] (andere Quelle 976 °C[3]) keinen α-β Phasenübergang, so dass die Tieftemperaturphase des Galliumorthophosphat (Struktur wie α-Quarz) zu dieser Temperutur stabil ist und damit auch die physikalischen Eigenschaften des Kristalls. Darüber findet jedoch eine Phasenumwandlung in eine cristobalit-ähnliche Struktur statt.[5] Für die Verbindung konnte eine UV-Lumineszenz nachgewiesen werden.[7]
Das Dihydrat besitzt eine monokline Kristallstruktur mit der Raumgruppe P21/n (Raumgruppen-Nr. 14, Stellung 2) (a = 9,77, b= 9,64, c= 9,68 Å, β = 102,7°).[8]
Verwendung
Für die Druckmessung in Verbrennungsmotoren wurde speziell für Hochtemperaturanwendungen Galliumorthophosphat als Piezomaterial entwickelt, das sich insbesondere durch eine hohe und von der Temperatur weitgehend unabhängige piezoelektrische Empfindlichkeit auszeichnet. Bemerkenswert an Galliumorthophosphat sind seine Temperaturbeständigkeit bis über 900 °C, eine im Vergleich zu Quarz etwa doppelt so hohe Empfindlichkeit, die bis weit über 500 °C nahezu unverändert bleibt, ein hoher elektrischer Isolationswiderstand bis zu hohen Temperaturen, die Stabilität stabil gegenüber spannungsinduzierter Zwillingsbildung und das fehlen eines pyroelektrischen Effektes.[5][9]
Drucksensoren auf Quarzbasis müssen für Anwendungen bei höheren Temperaturen (ab 300 °C) mit Wasser gekühlt werden. Der Wunsch diese vergleichbar großen Sensoren durch miniaturisierte, ungekühlte zu ersetzen, konnte 1994 erstmals erfüllt werden, als es gelang, Quarz in piezoelektrischen Drucksensoren durch Galliumorthophosphat zu ersetzen.
Galliumorthophosphat besitzt neben dem nahezu temperaturunabhängigen Piezoeffekt auch ausgezeichnete elektrische Isolationswerte bei hohen Temperaturen. Ebenso existieren temperaturkompensierte Kristallschnitte bis über 500 °C und mit Quarz vergleichbare Resonatorgüten. GaPO4 wird aufgrund dieser Materialeigenschaften insbesondere für piezoelektrische Hochtemperatur-Drucksensoren sowie in Hochtemperatur- Mikrowaagen eingesetzt.[10]
Literatur
- G. Gautschi: Piezoelectric Sensorics. Springer Verlag
Einzelnachweise
- ↑ Ion Tiginyanu, Pavel Topala, Veaceslav Ursaki: Nanostructures and Thin Films for Multifunctional Applications Technology, Properties and Devices. Springer, 2016, ISBN 978-3-319-30198-3, S. 195 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
- ↑ a b c d e K. Byrappa, Masahiro Yoshimura: Handbook of Hydrothermal Technology. Cambridge University Press, 2008, ISBN 978-0-08-094681-8, S. 248 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ Jacqueline I. Kroschwitz: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Fuel Resources to Heat ... Wiley, 1994, ISBN 978-0-471-52681-0, S. 311 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ a b c Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann: Grundlagen Verbrennungsmotoren Funktionsweise, Simulation, Messtechnik. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-658-03195-4, S. 558 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ ELENA C. SHAFER, RUSTUM ROY: Studies of Silica-Structure Phases: I, GaPO4, GaAsO4, and GaSbO4. In: Journal of the American Ceramic Society. 39, 1956, S. 330, doi:10.1111/j.1151-2916.1956.tb15598.x.
- ↑ Anatoly N Trukhin, Krishjanis Shmits, Janis L Jansons, Lynn A Boatner: Ultraviolet luminescence of ScPO , AlPO and GaPO crystals . In: Journal of Physics: Condensed Matter. 25, 2013, S. 385502, doi:10.1088/0953-8984/25/38/385502.
- ↑ R. C. L. Mooney-Slater: The crystal structure of hydrated gallium phosphate of composition GaPO4.2H2O. In: Acta Crystallographica. 20, 1966, S. 526, doi:10.1107/S0365110X6600118X.
- ↑ P. Krempl, G. Schleinzer, W. Wallno¨fer: Gallium phosphate, GaPO4: a new piezoelectric crystal material for high-temperature sensorics. In: Sensors and Actuators A: Physical. 61, 1997, S. 361, doi:10.1016/S0924-4247(97)80289-0.
- ↑ Jason Millichamp, Ebrahim Ali, Nigel P. Brandon, Richard J. C. Brown, David Hodgson, Christos Kalyvas, George Manos, Daniel J. L. Brett: Application of a GaPO4 Crystal Microbalance for the Detection of Coke Formation in High-Temperature Reactors and Solid Oxide Fuel Cells . In: Industrial & Engineering Chemistry Research. 50, 2011, S. 8371, doi:10.1021/ie200188z.