Галлий

Что такое галлий

Галлий. [Gallium; от лат. Gallia — Галлия (назв. Франции)], Ga — химический элемент 13-й группы, четвёртого периода периодической системы (по устаревшей III группы периодической    системы    элементов).

Атомный номер 31, атомная масса 69,72. Серебристо-белый металл с синеватым оттенком.

В соединениях  проявляет степени окисления +1, +2 и +3. Состоит из стабильных изотопов 69Ga (61,2%) и  71 Ga  (38,8%).

Известно девять искусственных радиоактивных изотопов с периодом полураспада от нескольких минут до 83 ч (⁶⁷Ga).

Определить галлий можно с помощью органического анализа.

Электронная конфигурация: сокращенная электронная конфигурация Ga:

3d¹⁰4s²4p¹

Полная электронная конфигурация галлия:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p¹

Существование и св-ва галлия предсказал в 1870 рус. ученый Д. И. Менделеев. Открыл галлий в  1875 франц.  химик П. Э. Лекок де Буабодран.

Содержание галлия в земной коре 1,5 · 10^-3 %. Встречается в виде изоморфной примеси в минералах алюминия, железа и цинка.

Известен единственный минерал — галлит CuGaS₂, встречающийся с германитом в очень малых количествах.

Уникальная орторомбическая   структура   с   периодами а = 4,5258,    b = 4,5186    и     с = 7,6570 А при т-ре 297 К.

Характеризуется   образованием   атомных пар Ga₂ и относительно слабой связью с остальными шестью атомами в ячейке.

Это обусловливает увеличение плотности (с 5,9037 до 6,0947 г/см³) и уменьшение удельного электрического сопротивления (с 44,9 до 25,7 мком · см) при плавлении.

А также большое переохлаждение перед кристаллизацией и аномально низкую т-ру  плавления (29,76 ± 0,02° С).

Интересный факт про галлий: Он имеет уникальную особенность сильно понижать температуру плавления всех сплавов, в которых содержится.

При этом температура опускается ниже, чем у каждого компонента сплава по отдельности (эвтектические составы).

Например сплав галинстан (68,5 % галлия, 21,5 % индия и 10 % олова) имеет температуру плавления -19 °С это свойство позволило использовать этот сплав в место ртути в термометрах.

Физические свойства галлия

Монокристалл галлий анизотропен. Электр, сопротивление по осям а, b и с (т-ра 20° С) равно 17,4; 8,1 и 54,3 мком · см и существенно зависит от давления.

Теплопроводность по осям 0,0956; 0,2390 и 0,0478 кал/см · сек · град.

У поликристаллического образца температурный коэффициент линейного расширения   2,0 · 10   ,   объемного 5,95 х 10^-5 град .

Теплоемкость (кал/г-атом · град) 5,97 (т-ра 22,8 °С), 6,13 (температура 26 °С) и 8,00 (т-ра 29° С).

По твердости галлий (2,5 кгс/мм²) близок к золоту. Прочность на растяжение 2—3,8 кгс/мм².

Поддается обработке давлением, в результате к-рого получают фольгу толщиной < 20 мк.

Диамагнетик. Работа выхода электронов 4,12 эв.

Отражательная способность от 60 до 73%. Для галлия характерна широкая   область жидкого   состояния ( t _кип 2237 °С).

Потенциалы ионизации Ga° → Ga⁺ → Ga²⁺ → Ga³⁺ соответственно 6,00; 20,43 и 30,60. Сечение захвата тепловых нейтронов 2,71 барн.

Жидкий галлий — агрессивный металл, легко взаимодействующий при повышенной т-ре со всеми металлами (до т-ры 600 С не взаимодействует только с вольфрамом, рением, бериллием и танталом).

Наличие у иона галлия псевдоинертной структуры обусловливает большую поляризуемость остова атома, чем у ионов, имеющих структуру инертного газа.

Это приводит к образованию различных весьма стойких соединений, а также к меньшей основности его гидроокиси по сравнению со скандием.

Существование галлия было научно предсказано Д. И. Менделеевым. При создании периодической системы химических элементов в 1869 г.

Он, основываясь на открытом им Периодическом законе, оставил вакантные места в третьей группе для неизвестных элементов — аналогов алюминияи кремния (экаалюминий и экасилиций).

Свойства

1. Галлий — мягкий металл с очень блестящей поверхностью. Чистый галлий имеет серебристо-голубой цвет. Элементарная или природная форма галлия не встречается в природе. Его нужно добывать плавкой или другими способами. Он сильно отличается и, следовательно, не очень похож на металл. Он мягкий и может быть разрезан ножом.

2. Его температура плавления составляет около 29 градусов по Цельсию, что довольно низко. Поэтому, если температура вашего тела выше 30 градусов по Цельсию, часть его может легко растаять в ваших руках. Это один из четырех нерадиоактивных химических элементов (ртуть, рубидий и цезий), которые находятся в жидком состоянии при комнатной температуре. Галлий очень легко прилипает к стеклу или фарфору.

3. Еще одна интересная особенность элемента Ga заключается в том, что он может переохлаждаться. Переохлаждение это химическое явление, при котором вещество может охлаждаться, не затвердевая ниже точки замерзания. Поскольку температура плавления галлия составляет около 29 градусов по Цельсию, вполне вероятно, что он начнет превращаться в твердое вещество ниже 29 градусов. Но это не относится к галлию. Он может переохлаждаться, не превращаясь в твердое вещество и сохраняя свою жидкоподобную структуру. Галлий также нелегко кристаллизуется.

4. Галлий также обладает легирующими свойствами, которые позволяют легко сплавляться с такими металлами, как алюминий и цинк. Он может легко диффундировать в металлические границы цинка, алюминия и стали. Один известный сплав галлия называется Галинстан, который состоит из галлия, олова и индия.

5. Температура кипения галлия составляет примерно 2200 градусов по Цельсию, а его плотность составляет 5,907 грамма на кубический сантиметр, что соответствует плотности воды. Это единственный элемент, у которого такое большое соотношение между температурой плавления и температурой кипения.

Галлий алюминий

Галлий легко взаимодействует со многими металлами образуя при этом амальгамы, так с алюминием образует амальгаму галий-алюминий.

Это эффект протекает при комнатной температуре в течении нескольких дней, для того чтобы реакция протекала быстрее нужно удалить оксидную пленку алюминия и нагреть материал.

Что характерно если реагировать большое количество аллюминия он становиться хрупким и легко ломается.

А если реакция происходит с пудрой или фольгой, то образуется своеобразная кашица которая обладает уникальными свойствами.

Погруженная в воду начинает много выделять водород, это обесняется тем, что галлий препятствует образованию оксидной пленки на поверхности алюминия.

Это свойство пытались применить для производства водорода, но отказались из за большой стоимости галлия.

Применяется в медицине, так как что частицы галлия способны заменить частички железа, необходимые для функционирования организма. А также его включают в состав различных медицинских препаратов.

Металлическим галлием заполняют кварцевые термометры для измерения высоких температур.

Как был обнаружен Галлий

Периодический закон Дмитрия Менделеева описывал, как каждый химический элемент связан друг с другом. В периодической таблице, которую он создал, в таблице были пустые места.

Место для номера 31 тоже было пустым. Исходя из элементов на боковой стороне коробки для элемента № 31, Менделеев был уверен, что элемент № 31 действительно существовал, но просто не был найден.

Он даже пошел на шаг вперед и предсказал характеристики будущего элемента и назвал его “эка-алюминий”.

Химический элемент был вскоре найден французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном в 1870-х годах.

Пол был полон решимости открыть элемент между алюминием и индием.

Поскольку цинк имел атомный номер 30, Пол полагал, что галлий можно найти в Цинковой руде.

Он решил изучить спектры (четкие линии, создаваемые химическими элементами при нагревании), которые получала руда.

К его удивлению и удаче, металл, который он искал, был найден в руде, но в следах. Позже он смог произвести хорошее количество чистого галлия.

Он присвоил название “галлий”, чтобы отдать дань старому названию Франции-Галлия.

Изотопы галлия

Удивительно простым способом изотопы-это атомы с одинаковым атомом, но разной атомной массой. Разница вызвана наличием большего количества нейтронов.

Изотопы химически похожи, но существуют физические различия. Галлий содержит целых 25 известных изотопов.

Из них только два стабильны — галлий ⁶⁹Ga и галлий ⁷¹Ga.

Первый из них наиболее распространен и обеспечивает большую часть его естественного присутствия.

Также существует несколько радиоактивных изотопов (изотопов, испускающих радиоактивное излучение) галлия, таких как самый известный — галлий ⁶⁷Ga.

Из приведенной выше информации мы можем сделать вывод, что физические свойства галлия сильно зависят от температурного фактора.

Химические свойства галлия

Галлий-довольно реакционно способный химический элемент. Он не обладает высокой реакционной способностью, как щелочные металлы.

Из четырех нерадиоактивных металлов, которые находятся в жидкой форме при комнатной температуре (Ртуть, цезий и рубидий).

Галлий является единственным элементом, который не является высоко реактивным, как цезий и рубидий, или высокотоксичным, как ртуть.

Он относительно стабилен в воде и воздухе, но галлий реагирует как со щелочью, так и с кислотой.

Оксид галлия

Известны два окисла галлия:

Ga₂O₃ — вещество белого цвета.

Ga₂O — вещество темно-коричневого цвета.

Стойкая   при т-ре до 400° С   альфа-форма   Ga₂O₃   (плотность 6,4 г/см3) — аналог α-Аl₂O₃.

Известны модификации: β-Ga₂O₃ (моноклинная,   плотность   5,9   в/см³), γ-Ga₂O₃ (шпинель), δ-Ga₂O₃ (кубическая) и ε-Ga₂O₃ (орторомбическая).

Выше т-ры 800° С единственной стойкой формой является β-Ga₂O₃ (плавится при т-ре 1795° С без разложения).

Модификация β-Ga₂O₃ получается при прокаливании гидроокиси, нитрата и органических соединений галлия.

Она плохо растворима в к-тах и основаниях.

Нагреванием до т-ры 500° С в вакууме или инертной среде смеси Ga₂O₃ и галлия получают Ga₂O, сублимирующийся выше т-ры 650° С.

Особенностью взаимодействия галлия с халькогенами является образование соединений различной стехиометрии (Ga₂S, GаХал, Gа₂Хал₃, Ga₄S₆, GaTe₃ и др.).

При участии в связи всех или только части валентных электронов.

Установлено большое число двойных халькогенидов, например HgGa₂Te₄.

Халькогениды стойки на воздухе, отличаются ценными физ. св-вами (фоточувствительностью, люминесценцией, полупроводниковыми св-вами).

Галлий токсичность

В чистом состоянии галлий не токсичен, но примеси других металлов таких как ртуть, медь, мышьяк и т.д., могут вызвать сильные отравления и аллергические реакции.

Чрезвычайно опасны соединения галлия с мышьяком, так как мышьяк имеет свойства накапливаться в организме сопутственно вызывая при этом всякого рода непонятных заболеваний.

На производстве где работают люди непосредственно с галлием и его соединениями (пример радио-электронная промышленность) зачастую встречаются профессиональные заболевания.

Сопровождающиеся зудом и воспалением кожи, возможны и другие варианты в зависимости от состава вещества.

Соединения галлия

Соединения галлий типа А3В6 ценны полупроводниковыми св-вами: GaN   (t_пл  1500° С), GaP (t_пл1522° С), GaAs ( t_пл1237° С) и GaSb (t_пл 712° С).

Ширина запрещенной зоны для них соответственно 3,25; 2,4; 1,53 и 0,80 эв.

Эвтектические сплавы имеют низкую  т-ру плавления, в том числе бинарные (%):

1. 2% Аl (26,5° С), 5% Zn (25,4° С), 8% Sn (20,4° С), 22% In (15,8° С).
2. Тройные, например 29%  In +4%  Zn(13° С), 25% In + 13% Sn (10,5° С).

Наиболее   мощным   потенциальным источником  получения галлия  служат растворы глиноземного произ-ва при переработке боксита и нефелина.

Концентрация галлия в алюминатно-щелочном растворе после разложения в процессе   Байера — 100—150 мг/л по способу спекания — 50—65 мг/л.

По этим способам галлий отделяют от большей части алюминия карбонизацией, концентрируя в последней фракции осадка.

Затем обогащенный осадок обрабатывают известью, галлий переходит в раствор, откуда черновой металл выделяют, напр., электролизом.

Получение галлия

Галлий можно получать переработкой полиметаллических руд и углей.

Черновой галлий промывают водой и к-тами, затем фильтруют через пористые пластины и нагревают в вакууме, чтобы удалить летучие примеси.

Для  получения галлия  высокой чистоты используют химический, электро-химический и физические методы. Галий мало токсичный металл.

Выпускают его в виде слитков цилиндрической формы массой ~250 и ~500 г в полиэтиленовой упаковке.

Полупроводниковые соединения галлия, особенно арсенид GaAs и антимонид GaSb, нашли применение в электронике:

1. Туннельные диоды.
2. Транзисторы.
3. Варакторы — диоды с переменной емкостью.
4. Модуляторы в схемах СВЧ.
5. Усилители.
6. Преобразователи.
7. Диоды Ганна.
8. Солнечные элементы.
9. Электролюминесцентные диоды.
10. Лазеры.

Созданы сверхпроводящие соленоиды из галлида ванадия. Добавки галлия улучшают мех. свойства некоторых сплавов.

Получили применение твердеющие пасты на его основе и его легкоплавких сплавов, смешанных с порошками разных металлов и наполнителей.

Сплавы Gain используют в радиационных контурах. Известны катализаторы содержащие галлий.

Применение галлия

1. Чистый галлий используется в полупроводниковой промышленности. Они используются при изготовлении интегральных схем и электронных микросхем. Соединения галлия также используются в лазерных устройствах. Он широко используется при изготовлении светодиодов.

2. Поскольку галлий является жидким металлом при комнатной температуре, он используется так же, как ртуть, используемая в медицинских термометрах.

3. Галлий легко сплавляется с металлами. Некоторые из сплавов галлия действуют в качестве заменителей токсичных ртутных сплавов.

4. Галлий смачивает стекла и легко прилипает к ним. Это помогает создавать отличные зеркала.

5. Сплав галлия также используется для стабилизации плутония, используемого в ядерных устройствах. Еще одним применением сплавов галлия является его использование для охлаждения машин и других электронных устройств, таких как компьютер.

6. Галлий широко используется в биомедицинской промышленности. Несколько солей галлия используются в медицинских целях. Некоторые соединения также проявляют противоопухолевые свойства. Проводятся исследования по получению галлия, включающие лечение воспаления, рака и других подобных заболеваний.

Часто задаваемые вопросы ответы про галлий?

Что такое галлий в природе?

Галлий как металл в природе отсутствует, микродозы его соединений содержат цинковые руды и бокситы.

Рассеянный элемент, не формирующий мегаскоплений. Галлием богаты два десятка минералов, среди которых – полудрагоценные самоцветы гранат, берилл, турмалин, сподумен.

Что такое чистый галлий?

Чистый галлий – это мягкий, серебристо-серого с синеватостью цвета, хрупкий металл. По составу – конгломерат двух изотопов (оба стабильны).

Синтезировано три десятка радиоактивных единиц. Заполняя свою таблицу, он знал, что должны появиться новые химические элементы, которые заполнят пустующие ячейки.

Что такое Кристаллический галлий?

Кристаллический галлий имеет несколько полиморфных модификаций, однако термодинамически устойчивой является только одна (I), имеющая орторомбическую (псевдотетрагональную) решётку с параметрами а = 4,5186 Å, b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å.

Чем опасен галлий?

Галлий мало токсичен по одним сведениям, высоко токсичен — по другим.

Клиническая картина отравления:

1. Кратковременное возбуждение.
2. Затем заторможенность.
3. Нарушение координации движений.
4. Адинамия.
5. Арефлексия.
6. Замедление дыхания, нарушение его ритма.

Для чего используют галлий?

Галлий, его сплавы и соединения используются в радиоэлектронике, стекольной и керамической промышленности, электровакуумной и лазерной технике, медицине.

Основные производители — США, Швеция, Канада, Япония. См. также рассеянных элементов руды.

Галлий где используеться?

Галлий, и сплавы на его основе используются в радиоэлектронике, стекольной и керамической промышленности, электровакуумной и лазерной технике, медицине.

Основные производители сплавов — США, Швеция, Канада, Япония..

Статья на тему галлий