ГАЛЛИЙ: СВОЙСТВА, СТРОЕНИЕ, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Галлий представляет собой металлический элемент , который представлен символом Ga , принадлежащий к группе 13 периодической таблицы. Химически он похож на амфотерию алюминия; однако оба металла в конечном итоге проявляют свойства, которые делают их отличимыми друг от друга.

Например, алюминиевые сплавы можно обрабатывать, чтобы придать им любую форму; в то время как галлий имеет очень низкие температуры плавления и состоит практически из серебристых жидкостей. Кроме того, температура плавления галлия ниже, чем у алюминия; первый может таять от тепла руки, а второй - нет.

Кристаллы галлия получают путем осаждения небольшого фрагмента галлия в его перенасыщенном растворе (жидкий галлий). Источник: Максим Биловицкий

Химическое сходство между галлием и алюминием также группирует их геохимически; то есть минералы или горные породы, богатые алюминием, такие как бокситы, имеют значительные концентрации галлия. Помимо этого минералогического источника, есть и другие цинк, свинец и углерод, широко распространенные по всей земной коре.

Галлий не является широко известным металлом. Одно его название может вызвать в сознании образ петуха. На самом деле графические и общие изображения галлия обычно встречаются с изображением серебряного петуха; окрашены жидким галлием, сильно смачиваемым веществом на стекле, керамике и даже на руке.

Часто проводятся эксперименты, в которых куски металлического галлия плавят руками, а также манипулирование его жидкостью и его склонность окрашивать все, к чему он прикасается.

Хотя галлий не токсичен, как ртуть, он разрушает металлы, так как делает их хрупкими и бесполезными (в первую очередь). С другой стороны, фармакологически он вмешивается в процессы, в которых биологические матрицы используют железо.

Для тех, кто занимается оптоэлектроникой и полупроводниками, галлий будет в почете, сравнимым с кремнием и, возможно, даже превосходящим его. С другой стороны, из галлия были сделаны термометры, зеркала и предметы на основе его сплавов.

В химическом отношении этому металлу еще есть что предложить; возможно, в области катализа, ядерной энергии, при разработке новых полупроводниковых материалов или «просто» в разъяснении их запутанной и сложной структуры.

история

Предсказания его существования

В 1871 году русский химик Дмитрий Менделеев уже предсказал существование элемента, свойства которого были бы аналогичны свойствам алюминия; которую он назвал ekaluminio. Этот элемент должен был располагаться чуть ниже алюминия. Менделеев также предсказал свойства (плотность, температура плавления, формулы его оксидов и т. Д.) Экалюминия.

Открытие и изоляция

Удивительно, но четыре года спустя французский химик Поль-Эмили Лекок де Буабодран обнаружил новый элемент в образце сфалерита (цинковая обманка) из Пиренеев. Он смог обнаружить это благодаря спектроскопическому анализу, в ходе которого он наблюдал спектр двух фиолетовых линий, не совпадающих со спектром другого элемента.

Обнаружив новый элемент, Лекок провел эксперименты с 430 кг сфалерита, из которых он смог выделить 0,65 грамма; и после серии измерений его физических и химических свойств он пришел к выводу, что это экалюминий Менделеева.

Чтобы выделить его, Lecoq выполнил электролиз его соответствующего гидроксида в гидроксиде калия; вероятно, тот самый, с помощью которого он растворял сфалерит. Убедившись, что это экалюминий, а также будучи его первооткрывателем, он дал ему название «галлий» (галиум на английском языке). Это название произошло от названия «Галлия», что на латыни означает Франция.

Однако в названии есть еще одно любопытство: «Lecoq» по-французски означает «петух», а по-латыни - «gallus». Будучи металлом, «галл» стал «галлием»; хотя на испанском языке преобразование гораздо более прямое. Таким образом, неслучайно, когда говорят о галлии, подразумевают петуха.

Физические и химические свойства

Внешний вид и физические характеристики

Галлий - это серебристый металл без запаха со стеклянной поверхностью и терпким вкусом. Его твердое тело мягкое и хрупкое, а когда оно трескается, то становится раковиной; то есть сформированные кусочки имеют изогнутую форму, похожую на морские ракушки.

В расплавленном состоянии, в зависимости от угла обзора, он может светиться голубоватым оттенком. Эта серебристая жидкость не токсична при контакте; однако он слишком сильно «цепляется» за поверхности, особенно если они керамические или стеклянные. Например, одна капля галлия может проникнуть внутрь стеклянной чашки и покрыть ее серебряным зеркалом.

Если твердый фрагмент галлия осаждается в жидком галлии, он служит ядром, в котором быстро развиваются и растут блестящие кристаллы галлия.

Атомный номер (Z)

31 ( ₃₁ млрд лет)

Молярная масса

69,723 г / моль

Температура плавления

29,7646 ° С. Этой температуры можно достичь, крепко держа галлиевый стакан двумя руками, пока он не расплавится.

Точка кипения

2400 ° С. Обратите внимание на большой разрыв между 29,7 ºC и 2400 ºC; то есть жидкий галлий имеет очень низкое давление пара, и этот факт делает его одним из элементов с наибольшей разницей в температуре между жидким и газообразным состояниями.

плотность

-При комнатной температуре: 5,91 г / см ³

-Температура плавления: 6,095 г / см ³

Обратите внимание, что с галлием происходит то же самое, что и с водой: плотность его жидкости больше, чем плотность твердого вещества. Следовательно, ваши кристаллы будут плавать на жидком галлии (галлиевых айсбергах). Фактически, объемное расширение твердого тела таково (в три раза), что неудобно хранить жидкий галлий в емкостях, не сделанных из пластика.

Теплота плавления

5,59 кДж / моль

Теплота испарения

256 кДж / моль

Молярная теплоемкость

25,86 Дж / (моль К)

Давление газа

При 1037 ºC только его жидкость оказывает давление в 1 Па.

Электроотрицательность

1,81 по шкале Полинга

Энергии ионизации

-Первый: 578,8 кДж / моль (Ga ⁺ газ)

-Второй: 1979,3 кДж / моль ( газообразный Ga ²⁺ )

-Третий: 2963 кДж / моль ( газообразный Ga ³⁺ )

Теплопроводность

40,6 Вт / (м · К)

Удельное электрическое сопротивление

270 нОм м при 20 ºC

Твердость по Моосу

1,5

вязкость

1819 сП при 32 ºC

Поверхностное натяжение

709 дин / см при 30 ºC

Amphotericism

Как и алюминий, галлий амфотерный; реагирует как с кислотами, так и с основаниями. Например, сильные кислоты могут растворять его с образованием солей галлия (III); если они представляют собой H ₂ SO ₄ и HNO ₃ , соответственно _{образуются} Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ и Ga (NO ₃ ) ₃ . Тогда как при реакции с сильными основаниями образуются галлатные соли с ионом Ga (OH) ₄ ^- .

Обратите внимание на сходство между Ga (OH) ₄ ^- и Al (OH) ₄ ^- (алюминатом). Если в среду добавить аммиак , образуется гидроксид галлия (III) Ga (OH) ₃ , который также является амфотерным; при реакции с сильными основаниями он ^снова производит Ga (OH) ₄ ^- , но если он реагирует с сильными кислотами, он высвобождает сложный водный ³⁺ .

Реактивность

Металлический галлий относительно инертен при комнатной температуре. Он не реагирует с воздухом, так как тонкий слой оксида Ga ₂ O ₃ защищает его от кислорода и серы. Однако при нагревании окисление металла продолжается, полностью превращаясь в его оксид. А если сера присутствует, при высоких температурах она реагирует с образованием Ga ₂ S ₃ .

Существуют не только оксиды и сульфиды галлия, но также фосфиды (GaP), арсениды (GaAs), нитриды (GaN) и антимониды (GaSb). Такие соединения могут возникать в результате прямой реакции элементов при повышенных температурах или альтернативными способами синтеза.

Точно так же галлий может реагировать с галогенами с образованием соответствующих галогенидов; такие как Ga ₂ Cl ₆ , GaF ₃ и Ga ₂ I ₃ .

Этот металл, как алюминий и его родственные соединения (члены той же группы 13), может ковалентно взаимодействовать с атомами углерода с образованием металлоорганических соединений. В случае со связями Ga-C их называют органогалиями.

Самое интересное в галлии - это не его предыдущие химические характеристики, а его огромная легкость, с которой он может быть сплавлен (как у ртути и процесса ее амальгамирования). Его атомы Ga быстро «протискиваются» между металлическими кристаллами, в результате чего получаются сплавы галлия.

Структура и электронная конфигурация

сложность

Галлий необычен не только тем, что это металл, плавящийся от тепла ладони, но и его структура сложная и неопределенная.

С одной стороны, известно, что его кристаллы принимают орторомбическую структуру (Ga-I) при нормальных условиях; Однако это лишь одна из многих возможных фаз для этого металла, точный порядок расположения атомов которой не указан. Следовательно, это более сложная структура, чем может показаться на первый взгляд.

Кажется, что результаты меняются в зависимости от угла или направления, в котором анализируется его структура (анизотропия). Точно так же эти структуры очень чувствительны к малейшим изменениям температуры или давления, а это означает, что галлий не может быть определен как один тип кристалла во время интерпретации данных.

димеры

Атомы Ga взаимодействуют друг с другом благодаря металлической связи. Однако определенная степень ковалентности была обнаружена между двумя соседними атомами, поэтому предполагается существование димера Ga ₂ (Ga-Ga).

Теоретически эта ковалентная связь должна быть образована перекрытием 4p-орбитали с ее единственным электроном в соответствии с электронной конфигурацией:

3д ¹⁰ 4с ² 4п ¹

Этой смеси ковалентно-металлических взаимодействий приписывают низкую температуру плавления галлия; поскольку, хотя, с одной стороны, может существовать «море электронов», которое плотно удерживает атомы Ga в кристалле, с другой стороны, структурные единицы состоят из димеров Ga ₂ , межмолекулярные взаимодействия которых являются слабыми.

Фазы под высоким давлением

При увеличении давления от 4 до 6 ГПа кристаллы галлия претерпевают фазовые переходы; от орторомбической она переходит к кубической с центром на теле (Ga-II), а затем окончательно переходит к тетрагональной с центром на теле (Ga-III). В диапазоне давлений возможно образование смеси кристаллов, что еще больше затрудняет интерпретацию структур.

Числа окисления

Наиболее энергичные электроны находятся на 4s и 4p орбиталях; так как их три, поэтому ожидается, что галлий может потерять их при соединении с элементами более электроотрицательными, чем он.

Когда это происходит, предполагается существование катиона Ga ³⁺ , и его номер или степень окисления называется +3 или Ga (III). Фактически, это самая распространенная из всех его степеней окисления. Следующие соединения, например, имеют галлий в виде +3: Ga ₂ O ₃ (Ga ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ), Ga ₂ Br ₆ (Ga ₂ ³⁺ Br ₆ ^- ), Li ₃ GaN ₂ (Li ₃ ⁺ Ga ³⁺ N ₂ ^3- ) и Ga ₂ Te ₃ (Ga ₂³⁺ Те ₃ ^2- ).

Галлий также может быть найден со степенью окисления +1 и +2; хотя они встречаются гораздо реже, чем +3 (аналогично алюминию). Примерами таких соединений являются GaCl (Ga ⁺ Cl ^- ), Ga ₂ O (Ga ₂ ⁺ O ^2- ) и GaS (Ga ²⁺ S ^2- ).

Обратите внимание, что существование ионов с величиной заряда, идентичной рассматриваемой степени окисления, всегда предполагается (правильно или нет).

Где найти и получить

Образец минерала галлита - редкий, но единственный образец с заметным содержанием галлия. Источник: Роб Лавинский, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Галлий содержится в земной коре в количестве, пропорциональном содержанию металлов кобальта, свинца и ниобия. Он выглядит как гидратированный сульфид или оксид, широко распространенный в качестве примесей, содержащихся в других минералах.

Его оксиды и сульфиды плохо растворяются в воде, поэтому концентрация галлия в морях и реках невысока. Кроме того, единственный минерал, «богатый» галлием, - это галлит (CuGaS ₂ , верхнее изображение). Однако эксплуатировать курицу для получения этого металла непрактично. Менее известен минерал галлий плюмбогумит.

Следовательно, для этого металла не существует идеальных руд (с концентрацией более 0,1% по массе).

Вместо этого галлий получают как побочный продукт металлургической обработки руд других металлов. Например, его можно извлечь из бокситов, смесителей цинка, квасцов, углей, гален, пирита, германитов и т.д .; то есть он обычно связан с алюминием, цинком, углеродом, свинцом, железом и германием в различных минеральных телах.

Ионообменная хроматография и электролиз

Когда минеральное сырье переваривается или растворяется в сильнокислой или щелочной среде, получается смесь ионов металлов, солюбилизированных в воде. Поскольку галлий является вторичным продуктом, его ионы Ga ³⁺ остаются растворенными в смеси после осаждения представляющих интерес металлов.

Таким образом, желательно отделить этот Ga ³⁺ от других ионов с единственной целью увеличения их концентрации и чистоты получаемого металла.

Для этого, в дополнение к обычным методам осаждения, используется ионообменная хроматография с использованием смолы. Благодаря этому способу можно отделить (например) Ga ³⁺ от Ca ²⁺ или Fe ³⁺ .

После получения высококонцентрированного раствора ионов Ga ³⁺ его подвергают электролизу; то есть Ga ³⁺ получает электроны, чтобы иметь возможность формироваться в виде металла.

Изотопы

Галлий встречается в природе в основном в виде двух изотопов: ⁶⁹ Ga с содержанием 60,11%; и ⁷¹ млрд лет при содержании 39,89%. По этой причине атомный вес галлия равен 69,723 ед. Другие изотопы галлия являются синтетическими и радиоактивными, с атомными массами от ⁵⁶ до ⁸⁶ млрд лет.

риски

Экологические и физические

С экологической точки зрения металлический галлий не очень реакционноспособен и не растворяется в воде, поэтому теоретически его разливы не представляют серьезного риска загрязнения. Кроме того, неизвестно, какую биологическую роль он может играть в организмах, при этом большинство его атомов выводится с мочой без каких-либо признаков накопления в какой-либо из его тканей.

В отличие от ртути, с галлием можно обращаться голыми руками. На самом деле эксперимент с попыткой растопить его теплом рук довольно распространен. Человек может прикоснуться к образовавшейся серебряной жидкости, не опасаясь повредить или поранить кожу; хотя он оставляет на нем серебряное пятно.

Однако его прием внутрь может быть токсичным, поскольку теоретически он растворяется в желудке с образованием GaCl ₃ ; соль галлия, действие которой на организм не зависит от металла.

Повреждение металлов

Галлий характеризуется сильным окрашиванием или прилипанием к поверхностям; а если они металлические, он проходит через них и мгновенно образует сплавы. Эта характеристика, заключающаяся в возможности легирования почти всех металлов, делает неприемлемым проливание жидкого галлия на какой-либо металлический объект.

Таким образом, металлические предметы могут расколоться на части в присутствии галлия. Его действие может быть настолько медленным и незаметным, что преподносит нежелательные сюрпризы; особенно, если его пролили на металлический стул, который может рухнуть, если кто-нибудь на него сядет.

Вот почему те, кто хочет работать с галлием, никогда не должны контактировать с другими металлами. Например, его жидкость способна растворять алюминиевую фольгу, а также проникать в кристаллы индия, железа и олова, делая их хрупкими.

В целом, несмотря на вышесказанное и тот факт, что его пары практически отсутствуют при комнатной температуре, галлий считается безопасным элементом с нулевой токсичностью.

Приложения

Термометры

Термометры галинстан. Источник: Gelegenheitsautor

Галлий заменил ртуть в качестве жидкости для измерения температуры, отмеченной термометром. Однако его температура плавления 29,7 ºC все еще высока для этого применения, поэтому в металлическом состоянии его нецелесообразно использовать в термометрах; вместо этого используется сплав под названием галинстан (Ga-In-Sn).

Сплав Галинстан имеет точку плавления около -18 ºC, а его нулевая токсичность делает его идеальным веществом для создания медицинских термометров, не зависящих от ртути. Таким образом, если бы он сломался, можно было бы безопасно убрать беспорядок; хотя он может испачкать пол из-за его способности смачивать поверхности.

Изготовление зеркал

Снова упоминается смачиваемость галлия и его сплавов. Когда он касается поверхности фарфора или стекла, он распространяется по всей поверхности, пока полностью не покроется серебряным зеркалом.

Помимо зеркал, сплавы галлия использовались для создания предметов любой формы, поскольку после охлаждения они затвердевают. Это могло бы иметь большой нанотехнологический потенциал: создавать объекты очень малых размеров, которые логически работали бы при низких температурах и проявляли бы уникальные свойства на основе галлия.

компьютеры

Термопасты, используемые в компьютерных процессорах, изготавливаются из сплавов галлия.

наркотики

Ионы Ga ³⁺ имеют некоторое сходство с Fe ³⁺ в том, как они вмешиваются в метаболические процессы. Следовательно, если есть функция, паразиты или бактерии, для выполнения которых требуется железо, их можно остановить, приняв его за галлий; так обстоит дело с бактериями псевдомонад.

Вот где появляются препараты галлия, которые могут состоять просто из его неорганических солей или органогалиев. La Ganita, торговое название нитрата галлия, Ga (NO ₃ ) ₃ , используется для регулирования высоких концентраций кальция (гиперкальциемии), связанных с раком костей.

технологический

Арсенид и нитрид галлия являются полупроводниками, которые пришли на замену кремнию в некоторых оптоэлектронных приложениях. С их помощью изготовлены транзисторы, лазерные диоды и светодиоды (синие и фиолетовые), микросхемы, солнечные элементы и т. Д. Например, благодаря лазерам на GaN диски Blu-Ray можно читать.

Катализаторы

Оксиды галлия использовались для изучения их катализа в различных органических реакциях, представляющих большой промышленный интерес. Один из новых галлиевых катализаторов состоит из собственной жидкости, над которой диспергированы атомы других металлов, которые действуют как активные центры или участки.

Например, галлий-палладиевый катализатор был изучен в реакции дегидрирования бутана; то есть преобразование бутана в более реакционноспособные ненасыщенные частицы, необходимые для других промышленных процессов. Этот катализатор состоит из жидкого галлия, выступающего в качестве носителя для атомов палладия.

Ссылки

1. Селла Андреа. (23 сентября 2009 г.). Галлий. Мир химии. Получено с: chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Галлий. Получено с: en.wikipedia.org
3. Ли Р., Ван, Л., Ли, Л., Ю, Т., Чжао, Х., Чепмен, К. В. Лю, Х. (2017). Локальная структура жидкого галлия под давлением. Научные отчеты, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Брахама Д. Шарма и Джерри Донохью. (1962). Уточнение кристаллической структуры галлия. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd.117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. et al. (2011). Распространение, наличие и причины обогащения галлия в углях Джунгарского угольного месторождения, Внутренняя Монголия. Sci. China Earth Sci. 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Маркес Мигель. (SF). Галлий. Получено с: nautilus.fis.uc.pt
7. Редакторы энциклопедии Британника. (5 апреля 2018 г.). Галлий. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
8. Блум Джош. (3 апреля 2017 г.). Галлий: тает во рту, а не в руках! Американский совет по науке и здоровью. Получено с: acsh.org
9. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе галлия. Chemicool. Получено с: chemicool.com
10. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Галлий. База данных PubChem. CID = 5360835. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov