ARSENIETO DE GÁLIO: ESTRUTURA, PROPRIEDADES, USOS, RISCOS - QUÍMICA - 2025

O arsenieto de gálio é um composto inorgânico que consiste no elemento átomo de gálio (Ga) e átomo de arsênio (As). Sua fórmula química é GaAs. É um sólido cinza escuro que pode ter um brilho metálico azul esverdeado.

Nanoestruturas deste composto foram obtidas com potencial para diversos usos em diversos campos da eletrônica. Pertence a um grupo de materiais denominado compostos III-V devido à localização de seus elementos na tabela química periódica.

Nanoestruturas de GaAs. Яна Сычикова, Сергей Ковачёв / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Fonte: Wikimedia Commons.

É um material semicondutor, o que significa que pode conduzir eletricidade apenas sob certas condições. É amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos, como transistores, GPS, luzes LED, lasers, tablets e telefones inteligentes.

Possui características que permitem absorver facilmente a luz e convertê-la em energia elétrica. Por este motivo, é utilizado em células solares de satélites e veículos espaciais.

Permite gerar radiação que penetra vários materiais e também organismos vivos, sem causar danos aos mesmos. Tem sido estudado o uso de um tipo de laser GaAs que regenera a massa muscular danificada pelo veneno de cobra.

No entanto, é um composto tóxico e pode causar câncer em humanos e animais. Equipamentos eletrônicos descartados em aterros sanitários podem liberar arsênico perigoso e ser prejudicial à saúde de pessoas, animais e meio ambiente.

Estrutura

O arsenieto de gálio tem uma proporção de 1: 1 entre um elemento do Grupo III da tabela periódica e um elemento do Grupo V, por isso é chamado de composto III-V.

É considerado um sólido intermetálico composto de arsênio (As) e gálio (Ga) com estados de oxidação variando de Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ a Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3).

Cristal de arsenieto de gálio. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Fonte: Wikimedia Commons.

Nomenclatura

• Arsenieto de gálio
• Monoarseneto de gálio

Propriedades

Estado físico

Sólido cristalino cinza escuro com brilho metálico azul esverdeado ou pó cinza. Seus cristais são cúbicos.

Cristais de GaAs. Esquerda: lado polido. À direita: lado áspero. Materialscientist at English Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Fonte: Wikimedia Commons.

Peso molecular

144,64 g / mol

Ponto de fusão

1238 ºC

Densidade

5,3176 g / cm ³ a 25 ° C

Solubilidade

Em água: menos de 1 mg / mL a 20 ° C.

Propriedades quimicas

Possui um hidrato que pode formar sais ácidos. É estável ao ar seco. No ar úmido escurece.

Ele pode reagir com vapor, ácidos e gases ácidos, emitindo o gás venenoso chamado arsina, arsan ou hidreto de arsênio (AsH ₃). Reage com bases emitindo gás hidrogênio.

É atacado pelo ácido clorídrico concentrado e pelos halogênios. Quando derretido, ataca o quartzo. Se molhar, exala um odor de alho e se for aquecido até a decomposição emite gases arsênicos altamente tóxicos.

Outras propriedades físicas

É um material semicondutor, o que significa que pode se comportar como condutor de eletricidade ou como isolante dependendo das condições a que está sujeito, como campo elétrico, pressão, temperatura ou radiação que recebe.

Espaço entre bandas eletrônicas

Ele tem uma largura de gap de energia de 1.424 eV (elétron-volts). A largura do gap de energia, banda proibida ou bandgap é o espaço entre as camadas de elétrons de um átomo.

Quanto maior a lacuna de energia, maior a energia necessária para que os elétrons "pule" para a próxima camada e faça com que o semicondutor mude para um estado de condução.

GaAs tem uma lacuna de energia mais ampla do que o silício e isso o torna altamente resistente à radiação. É também uma largura de lacuna direta, portanto, pode emitir luz com mais eficácia do que o silício, cuja largura de lacuna é indireta.

Obtendo

Pode ser obtido passando uma mistura gasosa de hidrogênio (H ₂) e arsênio sobre óxido de gálio (III) (Ga ₂ O ₃) a 600 ° C.

Também pode ser preparado pela reação entre cloreto de gálio (III) (GaCl ₃) e óxido de arsênio (As ₂ O ₃) a 800 ° C.

Uso em células solares

O arsenieto de gálio é usado em células solares desde a década de 1970, pois possui excelentes características fotovoltaicas que lhe conferem uma vantagem sobre outros materiais.

Ele tem um desempenho melhor do que o silício na conversão de energia solar em eletricidade, fornecendo mais energia em condições de alto calor ou pouca luz, duas das condições comuns que as células solares suportam, em que há mudanças nos níveis de iluminação e na temperatura.

Algumas dessas células solares são usadas em carros movidos a energia solar, veículos espaciais e satélites.

Células solares GaAs em um pequeno satélite. Academia Naval dos Estados Unidos / domínio público. Fonte: Wikimedia Commons.

Vantagens do GaAs para esta aplicação

É resistente à umidade e à radiação ultravioleta, o que o torna mais durável às condições ambientais e permite sua utilização em aplicações aeroespaciais.

Possui baixo coeficiente de temperatura, por isso não perde eficiência em altas temperaturas e resiste a altas doses acumuladas de radiação. Danos de radiação podem ser removidos revenidos a apenas 200 ° C.

Possui alto coeficiente de absorção de fótons de luz, por isso tem alto desempenho em baixa luminosidade, ou seja, perde muito pouca energia quando há pouca iluminação solar.

As células solares GaAs são eficientes mesmo com pouca luz. Autor: Arek Socha. Fonte: Pixabay.

Produz mais energia por unidade de área do que qualquer outra tecnologia. Isso é importante quando você tem uma área pequena, como aeronaves, veículos ou pequenos satélites.

É um material flexível e de baixo peso, sendo eficiente mesmo quando aplicado em camadas muito finas, o que torna a célula solar muito leve, flexível e eficiente.

Células solares para veículos espaciais

Os programas espaciais têm usado células solares GaAs por mais de 25 anos.

A combinação do GaAs com outros compostos de germânio, índio e fósforo tornou possível a obtenção de células solares altamente eficientes que estão sendo utilizadas em veículos que exploram a superfície do planeta Marte.

Versão artística do rover Curiosity em Marte. Este dispositivo possui células solares de GaAs. NASA / JPL-Caltech / Domínio público. Fonte: Wikimedia Commons.

Desvantagem de GaAs

É um material muito caro se comparado ao silício, que tem sido a principal barreira para sua implementação prática em células solares terrestres.

Porém, métodos para seu uso em camadas extremamente finas estão sendo estudados, o que reduzirá custos.

Uso em dispositivos eletrônicos

GaAs tem vários usos em vários dispositivos eletrônicos.

Em transistores

Transistores são elementos que servem para amplificar sinais elétricos e abrir ou fechar circuitos, entre outros usos.

Usado em transistores, o GaAs possui maior mobilidade eletrônica e maior resistividade que o silício, por isso tolera condições de maior energia e maior frequência, gerando menos ruído.

Transistor GaAs usado para amplificar a potência. Epop / CC0. Fonte: Wikimedia Commons.

No GPS

Na década de 1980 o uso desse composto permitiu a miniaturização dos receptores do Global Positioning System ou GPS (Global Positioning System).

Este sistema permite determinar a posição de um objeto ou pessoa em todo o planeta com uma precisão de centímetros.

O arsenieto de gálio é usado em sistemas GPS. Autor: Foundry Co. Fonte: Pixabay.

Em dispositivos optoeletrônicos

Filmes de GaAs obtidos em temperaturas relativamente baixas têm excelentes propriedades optoeletrônicas, como alta resistividade (requer alta energia para se tornar um condutor) e rápida transferência de elétrons.

Seu gap de energia direta o torna adequado para uso neste tipo de dispositivo. São dispositivos que transformam energia elétrica em energia radiante ou vice-versa, como luzes LED, lasers, detectores, diodos emissores de luz, etc.

Lanterna LED. Pode conter arsenieto de gálio. Autor: Hebi B. Fonte: Pixabay.

Em radiação especial

As propriedades desse composto motivaram seu uso para gerar radiação com frequências de terahertz, que são radiações que podem penetrar em todos os tipos de materiais, exceto metais e água.

A radiação terahertz, por ser não ionizante, pode ser aplicada na obtenção de imagens médicas, pois não danifica os tecidos do corpo nem causa alterações no DNA como os raios-X.

Essas radiações também tornariam possível detectar armas escondidas em pessoas e bagagens, podem ser usadas em métodos de análise espectroscópica em química e bioquímica e podem ajudar a descobrir obras de arte escondidas em edifícios muito antigos.

Tratamento médico potencial

Um tipo de laser de GaAs mostrou ser útil para aumentar a regeneração da massa muscular danificada por um tipo de veneno de cobra em camundongos. No entanto, são necessários estudos para determinar sua eficácia em humanos.

Vários times

É utilizado como semicondutor em dispositivos de magnetorresistência, termistores, capacitores, transmissão de dados por fibra óptica fotoeletrônica, microondas, circuitos integrados utilizados em dispositivos de comunicação por satélite, sistemas de radar, smartphones (tecnologia 4G) e tablets.

Os circuitos eletrônicos em smartphones podem conter GaAs. Autor: Arek Socha. Fonte: Pixabay.

Riscos

É um composto altamente tóxico. A exposição prolongada ou repetida a este material causa danos ao corpo.

Os sintomas de exposição podem incluir hipotensão, insuficiência cardíaca, convulsões, hipotermia, paralisia, edema respiratório, cianose, cirrose hepática, lesão renal, hematúria e leucopenia, entre muitos outros.

Pode causar câncer e prejudicar a fertilidade. É tóxico e cancerígeno também para animais.

Resíduos Perigosos

O crescente uso de GaAs em dispositivos eletrônicos tem levantado preocupações em relação ao destino desse material no meio ambiente e seus potenciais riscos à saúde pública e ambiental.

Há um risco latente de liberação de arsênio (elemento tóxico e venenoso) quando os dispositivos contendo GaAs são descartados em aterros de resíduos sólidos municipais.

Estudos mostram que as condições de pH e redox em aterros sanitários são importantes para a corrosão do GaAs e liberação de arsênio. Em pH 7,6 e sob uma atmosfera normal de oxigênio, até 15% desse metalóide tóxico pode ser liberado.

Os equipamentos eletrônicos não devem ser descartados em aterros sanitários, pois o GaAs pode liberar o arsênico tóxico. Autor: INESby. Fonte: Pixabay.

Referências

1. Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA. (2019). Arsenieto de gálio. Recuperado de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA et al. (2019). Nanoestruturas metálicas para células solares. Em Nanomateriais para Aplicações em Células Solares. Recuperado de sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018). Comportamento de lixiviação do arsenieto de gálio (GaAs) e mudanças na química da superfície em resposta ao pH e O ₂. Gerenciamento de resíduos 77 (2018) 1-9. Recuperado de sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Arsenieto de Gálio. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Recuperado de sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Filmes finos duros. Filme GaAs. Propriedades e produção. Em Nanocoatings Anti-Abrasivos. Recuperado de sciencedirect.com.
6. Lide, DR (editor) (2003). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Arsenieto de gálio: outro jogador na tecnologia de semicondutores Recuperado de allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et al. (2012). A irradiação com laser GaAs 904 nm melhora a recuperação da massa da miofibra durante a regeneração do músculo esquelético previamente danificado pela crotoxina. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Recuperado de link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Células solares de GaAs ultrafinos de alto desempenho habilitadas com nanoestruturas periódicas dielétricas heterogeneamente integradas. ACS Nano. 27 de outubro de 2015; 9 (10): 10356-65. Recuperado de ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toxicidade do arseneto de índio, arsenieto de gálio e arsenieto de alumínio e gálio. Toxicol Appl Pharmacol. 1 de agosto de 2004; 198 (3): 405-11. Recuperado de ncbi.nlm.nih.gov.