Галлий и его характеристики

Галлий и его характеристики

Галлий, таллий и индий относятся к редкоземельным металлам и рассеянным элементам. При этом галлия на земле довольно много, среди редких элементов его больше всех. Как правило, он встречается в качестве сопутствующего элемента в месторождениях алюминия (в бокситах), а алюминий — один из самых распространенных на земле металлов. Добывают Ga из бокситов, нефелиновых и некоторых цинковых сульфидных руд, из вторичного сырья.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!
Галлий и его характеристики Галлий и его характеристики
Йод кристаллический ЧДА, фасовка 100 гр Сера молотая

Индий — очень рассеянный элемент, изредка встречается в минералах, использовать которые для промышленного производства не рентабельно. Индий часто встречается в качестве сопутствующего элемента в свинцово-цинковых, медно-цинковых, оловянных, сульфидных и других рудах гидротермального происхождения. Добывают In из отходов цинкового, свинцового и оловянного производств.

Таллий — распространенный рассеянный элемент, входит в состав более 30-ти минералов, которые не подходят для массовой добычи. Встречается как примесь в сульфидных минералах свинца, цинка, меди и железа. В процессе переработки этих руд и получают Tl.

Свойства

Все три элемента являются металлами, причем, у таллия и индия металлические свойства более выражены, чем, у галлия. Tl, In и Ga — светло-серебристые мягкие и пластичные металлы, индий даже режется ножом.

У них довольно низкая температура плавления, причем у галлия она самая низкая из металлов, исключая ртуть и цезий. А вот температуры кипения у этих веществ высокие. У галлия температурный промежуток жидкого состояния составляет целых 2200 градусов.

Все три металла обладают свойством сверхпроводимости.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Молибден и его характеристики

Оценим за полчаса!

Индий, галлий, таллий и все их соединения токсичны.

Галлий обладает уникальной кристаллической структурой. В кристаллическом виде он намного менее плотен, чем в расплавленном. Поэтому при кристаллизации его кристаллы плавают на поверхности расплава, что сильно осложняет процесс выращивания крупных кристаллов.

Ga в жидком состоянии (в отличие от ртути) смачивает стекло. In легко прилипает к стеклу, слюде, кварцу, керамике, припаивается к большинству металлов.

Все три элемента химически активны, хотя на воздухе почти не окисляются из-за быстро образующейся на поверхности защитной оксидной пленки. Реагируют с некислородосодержащими кислотами с выделением водорода.

Образуют плохо растворимые в воде гидроксиды. Галлий легко растворяется в щелочах, индий растворяется только в концентрированных щелочах, таллий со щелочами не взаимодействует.

Ga вступает в реакции с фтором, хлором, бромом, йодом.

Галлий и его характеристики

Tl на воздухе при комнатной температуре медленно окисляется, на его поверхности образуется черная корка оксида, замедляющая дальнейшее окисление.

В связи с этим таллий хранят или в слитках, покрытых лаком, или под слоем дистиллированной воды. (Металл не реагирует с водой, лишенной растворенного кислорода. В обычной воде постепенно растворяется.

) Таллий взаимодействует с сильными кислотами, галогенами, серой. Tl и его соединения окрашивают пламя в зеленый цвет.

Источник: https://pcgroup.ru/blog/gallij-indij-i-tallij-svojstva/

Галлий и его характеристики

Галлий принадлежит к числу редких элементов и в сколько-нибудь значительных концентрациях в природе не встречается. Его получают главным образом из цинковых концентратов после выплавки из них цинка.

В свободном состояние галлий представляет собой серебристо-белый (рис. 1) мягкий металл с низкой температурой плавления. На воздухе он довольно стоек, воду не разлагает, но легко растворяется в кислотах и щелочах.

Галлий и его характеристики

Рис. 1. Галлий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса галлия

Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии галлий существует в виде одноатомных молекул Ga, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 69,723.

Изотопы галлия

Известно, что в природе галлий может находиться в виде двух стабильных изотопов 69Ga (60,11%) и 71Ga (39,89%). Их массовые числа равны 69 и 71 соответственно. Ядро атома изотопа галлий 69Ga содержит тридцать один протон и тридцать восемь нейтронов, а изотопа 71Ga – столько же протонов и сорок нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные радиоактивные изотопы галлия с массовыми числами от 56-ти до 86-ти, а также три изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 67Ga с периодом полураспада равным 3,26 суток.

Ионы галлия

На внешнем энергетическом уровне атома галлий имеется три электрона, которые являются валентными:

1s22s22p63s23p63d104s24p1.

В результате химического взаимодействия галлий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ga0 -2e → Ga2+;

Ga0 -3e → Ga3+.

Молекула и атом галлия

В свободном состоянии галлий существует в виде одноатомных молекул Ga. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу галлия:

Энергия ионизации атома, эВ 6,00
Относительная электроотрицательность 181
Радиус атома, нм 0,141

Сплавы галлия

Добавлением галлия к алюминию получают сплавы, хорошо поддающиеся горячей обработке; сплавы галлия с золотом применяются в зубопротезном и ювелирном деле.

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/ximiya/ximicheskie-elementy/gallij-i-ego-xarakteristiki/

Галлий

Галлий — это серебристо-серый металл с синеватым отливом, достаточно хрупкий. В природе в чистом виде он не встречается и является рассеянным элементом. Среднее содержание галлия в земной коре составляет 19 г/т.

Галлий содержится в минералах, преимущественно это сфалерит, магнетит, касситерит, гранат, берилл, турмалин, сподумен, флогопит, биотит, мусковит, серицит, лепидолит, хлорит, полевые шпаты, нефелин, гекманит и натролит. Достаточно редкий минерал галлит Cu­GaS₂ используют для выделения чистого галлия.

Кроме того, галлий может быть получен в качестве побочного продукта переработки бокситов.

Галлий плавится всего при 29,76 °C, поэтому он тает даже в руке. При температуре, близкой к комнатной, плавятся еще три металла: ртуть, цезий и рубидий. Но из-за высокой токсичности или реакционной способности их, в отличие от галлия, нельзя брать в руки.

Как был открыт галлий

Существование галлия было предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 на основании сформулированного им Периодического закона. Менделеев дал этому элементу название «экаалюминий» и предсказал у него такие свойства как плотность, температуру плавления. Также Менделеев предсказал:

  • характер оксида,
  • связь в соединениях с хлором.
  • что металл будет медленно растворяться в кислотах и щелочах;
  • он не будет реагировать с воздухом;
  • оксид экаалюминия M₂O₃ должен реагировать с кислотами с образованием солей MX₃;
  • что он должен образовывать основные соли;
  • хлорид обладает большей летучестью, чем Zn­Cl₂;
  • что этот элемент откроют с помощью спектроскопии.

Менделеев оказался Ностардамусом в химии: когда галлий был получен, все предсказанные ученым свойства подтвердились!

В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран изучал сфалерит с помощью спектроскопии и обнаружил две фиолетовые линии, принадлежащие новому элементу. Год спустя ученый выделил новый элемент с помощью электролиза.

Этот элемент Буабодран назвал в честь латинского названия Франции — Gal­lia. Существует легенда, что в это название ученый вкладывал и другой смысл. Лекок созвучно с французским le coq, т.е. «петух» (на латыни gal­lus).

Буабодран как бы ненароком увековечил свое имя в названии нового элемента.

Изучая полученный галлий, Буабодран определил, что плотность отличается от предсказанной Менделеевым. Когда Менделеев узнал об этом, то написал французскому коллеге с рекомендацией перепроверить результаты. И как оказалось, не напрасно: первые данные Буабодрана действительно были неверными.

Области применения галлия

Бóльшая часть добываемого галлия используется для производства полупроводников. Арсенид (GaAs) и нитрид галлия (GaN) используются в электронных компонентах многих устройств, для создания интегральных схем, высокопроизводительных процессоров, микроволновых усилителей.

Арсенид галлия используется в различных электрооптических инфракрасных приборах. Арсенид галлия-алюминия применяется для создания инфракрасных лазерных диодов высокой мощности. На основе нитрида галлия и нитрида индия-галлия производят синие и фиолетовые лазерные диоды.

Кстати, лазер на нитриде галлия применяется в приводах Blu-ray дисков.

Фотоэлементы на основе арсенида галлия, фосфида и арсенида индия-галлия установлены на космических спутниках и марсоходах.

Галлий имеет интересную особенность: он сильно понижает температуру плавления сплавов, в которых содержится. При этом температура опускается ниже, чем у каждого компонента сплава по отдельности (эвтектические составы). Так, сплав Галинстан (68,5 % галлия, 21,5 % индия и 10 % олова) имеет температуру плавления -19 °С и используется в некоторых термометрах вместо ртути.

Галлий применяется и в медицине. В целом металл характеризуется низкой токсичностью и не выполняет естественной биологической функции.

Поэтому препараты на основе галлия могут применяться при лечении и диагностике раковых заболеваний (изотопы галлий-67 и -68).

Также галлий используется при лечении некоторых бактериальных инфекций: ион Ga³⁺ замещает Fe³⁺ в метаболических путях дыхания бактерий, вызывая их гибель. Препараты на основе галлия могут применяться при лечении малярии.

Еще галлий помогает обнаружить нейтрино-частицы, исходящие от Солнца. Как правило, выявление таких частиц — это весьма сложный и трудоемкий процесс. Галлий в составе регистрационной смеси повышает чувствительность анализа, а соответственно, и помогает зафиксировать нейтрино.

Детекторы GALLEX Национальной лаборатории Гран-Сассо содержат 12,2 тонны галлия-71. Они улавливают нейтрино, исходящие от Солнца, и превращают его в радиоактивный изотоп, излучение которого можно зафиксировать.

Подобные исследования также проводят в Баксанской нейтринной обсерватории (Кабардино-Балкария), где нейтрино-детекторы содержат 5 тонн жидкого галлия.

По температуре плавления галлия можно проверять термометры! Эта величина — 302,9146 K (29,7646 °C) – признана стандартом Международного бюро мер и весов.

В 2007 году с помощью пучков ионов галлия толщиной 7 нм в Si­mon Fras­er Uni­ver­si­ty напечатали самую маленькую в мире книгу – Tee­ny Ted from Turnip Town. Книга получилась размером 0,07x 0,10 мм.

У галлия есть еще одно забавное применение: ложки из галлия, по виду не отличимые от алюминиевых, используют для фокуса с исчезающей ложкой. В горячем чае или кофе такая ложка попросту расплавится!

Источники:

Источник: https://melscience.com/RU-ru/articles/gallij/

Популярная библиотека химических элементов

31
Ga 3 18 8 2
ГАЛЛИЙ
69,72
4s24p1

Об элементе с атомным номером 31 большинство читателей помнят только, что это один из трех элементов, предсказанных и наиболее подробно описанных Д.И. Менделеевым, и что галлий – весьма легкоплавкий металл: чтобы превратить его в жидкость, достаточно тепла ладони.

Впрочем, галлий – не самый легкоплавкий из металлов (даже если не считать ртуть). Его температура плавления 29,75°C, а цезий плавится при 28,5°C; только цезий, как и всякий щелочной металл, в руки не возьмешь, поэтому на ладони, естественно, галлий расплавить легче, чем цезий.

Спой рассказ об элементе №31 мы умышленно начали с упоминания о том, что известно почти всем. Потому что это «известное» требует пояснений. Все знают, что галлий предсказан Менделеевым, а открыт Лекоком де Буабодраном, но далеко не всем известно, как произошло открытие. Почти все знают, что галлий легкоплавок, но почти никто не может ответить на вопрос, почему он легкоплавок.

Как был открыт галлий

Французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран вошел в историю как открыватель трех новых элементов: галлия (1875), самария (1879) и диспрозия (1886). Первое из этих открытий принесло ему славу.

В то время за пределами Франции он был мало известен. Ему было 38 лет, занимался он преимущественно спектроскопическими исследованиями. Спектроскопистом Лекок де Буабодран был хорошим, и это, в конечном счете, привело к успеху: все три свои элемента он открыл методом спектрального анализа.

В 1875 г. Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки, привезенной из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре и была обнаружена новая фиолетовая линия (длина волны 4170 Å).

Новая линия свидетельствовала о присутствии в минерале неизвестного элемента, и, вполне естественно, Лекок де Буабодран приложил максимум усилий, чтобы этот элемент выделить. Сделать это оказалось непросто: содержание нового элемента в руде было меньше 0,1%, и во многом он был подобен цинку*.

После длительных опытов ученому удалось-таки получить новый элемент, но в очень небольшом количестве. Настолько небольшом (меньше 0,1 г), что изучить его физические и химические свойства Лекок де Буабодрап смог далеко не полно.

* О том, как получают галлий из цинковой обманки, рассказано ниже.

Сообщение об открытии галлия – так в честь Франции (Галлия – ее латинское название) был назван новый элемент – появилось в докладах Парижской академии наук.

Это сообщение прочел Д.И. Менделеев и узнал в галлии предсказанный им пятью годами раньше экаалюминий. Менделеев тут же написал в Париж. «Способ открытия и выделения, а также немногие описанные свойства заставляют предполагать, что новый металл не что иное, как экаалюминий», – говорилось в его письме.

Затем он повторял предсказанные для этого элемента свойства.

Более того, никогда не держа в руках крупинки галлия, не видя его в глаза, русский химик утверждал, что первооткрыватель элемента ошибся, что плотность нового металла не может быть равна 4,7, как писал Лекок де Буабодран, – она должна быть больше, примерно 5,9…6,0 г/см3!

Как это ни странно, но о существовании периодического закона первый из его утвердителен, «укрепителен», узнал лишь из этого письма. Он еще раз выделил и тщательно очистил крупицы галлия, чтобы проверить результаты первых опытов.

Некоторые историки науки считают, что делалось это с целью посрамить самоуверенного русского «предсказателя». Но опыт показал обратное: ошибся первооткрыватель.

Позже он писал: «Не нужно, я думаю, указывать на исключительное значение, которое имеет плотность нового элемента в отношении подтверждения теоретических взглядов Менделеева».

Почти точно совпали с данными опыта и другие предсказанные Менделеевым свойства элемента №31. «Предсказания Менделеева оправдались с незначительными отклонениями: экаалюминий превратился в галлий». Так характеризует это событие Энгельс в «Диалектике природы».

Нужно ли говорить, что открытие первого из предсказанных Менделеевым элементов значительно укрепило позиции периодического закона.

Почему галлий легкоплавок?

Предсказывая свойства галлия, Менделеев считал, что этот металл должен быть легкоплавким, поскольку его аналоги по группе – алюминий и индий – тоже тугоплавкостью не отличаются.

Но температура плавления галлия необычно низкая, в пять раз ниже, чем у индия. Объясняется это необычным строением кристаллов галлия.

Его кристаллическая решетка образована не отдельными атомами (как у «нормальных» металлов), а двухатомными молекулами. Молекулы Ga2 очень устойчивы, они сохраняются даже при переводе галлия в жидкое состояние.

Но между собой эти молекулы связаны лишь слабыми вандерваальсовыми силами, и для разрушения их связи нужно совсем немного энергии.

С двухатомностью молекул связаны еще некоторые свойства элемента №31. В жидком состоянии галлий плотнее и тяжелее, чем в твердом. Электропроводность жидкого галлия также больше, чем твердого.

На что галлий похож?

Внешне – больше всего на олово: серебристо-белый мягкий металл, на воздухе он не окисляется и не тускнеет.

А по большинству химических свойств галлий близок к алюминию. Как и у алюминия, на внешней орбите атома галлия три электрона. Как и алюминий, галлий легко, даже на холоду, взаимодействует с галогенами (кроме иода). Оба металла легко растворяются в серной и соляной кислотах, оба реагируют со щелочами и дают амфотерные гидроокиси. Константы диссоциации реакций

  • Ga(OH)3 → Ga3+ + 3OH–
  • Н3GаО3 → 3Н+ + GaO3–3
  • – величины одного порядка.
  • Есть, однако, и отличия в химических свойствах галлия и алюминия.
  • Сухим кислородом галлий заметно окисляется лишь при температуре выше 260°C, а алюминий, если лишить его защитной окисной пленки, окисляется кислородом очень быстро.

С водородом галлий образует гидриды, подобные гидридам бора. Алюминий же способен только растворять водород, но не вступать с ним в реакцию.

  1. А еще галлий похож на графит, на кварц, на воду.
  2. На графит – тем, что оставляет серый след на бумаге.
  3. На кварц – электрической и тепловой анизотропностью.

Величина электрического сопротивления кристаллов галлия зависит от того, вдоль какой оси проходит ток. Отношение максимума к минимуму равно 7 – больше, чем у любого другого металла. То же и с коэффициентом теплового расширения.

Величины его в направлении трех кристаллографических осей (кристаллы галлия ромбические) относятся как 31:16:11.

А на воду галлий похож тем, что, затвердевая, он расширяется. Прирост объема заметный – 3,2%.

Уже одно сочетание этих противоречивых сходств говорит о неповторимой индивидуальности элемента №31.

Кроме того, у него есть свойства, не присущие ни одному элементу. Расплавленный, он может многие месяцы оставаться в переохлажденном состоянии при температуре ниже точки плавления.

Это единственный из металлов, который остается жидкостью в огромном интервале температур от 30 до 2230°C, причем летучесть его паров минимальна. Даже в глубоком вакууме он заметно испаряется лишь при 1000°C. Пары галлия в отличие от твердого и жидкого металла одноатомны.

Переход Ga2 → 2Ga требует больших затрат энергии; этим и объясняется трудность испарения галлия.

Большой температурный интервал жидкого состояния – основа одного из главных технических применений элемента №31.

На что галлий годен?

Галлиевые термометры позволяют в принципе измерить температуру от 30 до 2230°C. Сейчас выпускаются галлиевые термометры для температур до 1200°C.

Элемент №31 идет на производство легкоплавких сплавов, используемых в сигнальных устройствах. Сплав галлия с индием плавится уже при 16°C. Это самый легкоплавкий из всех известных сплавов.

  • Как элемент III группы, способствующий усилению в полупроводнике «дырочной» проводимости, галлий (чистотой не меньше 99,999%) применяют как присадку к германию и кремнию.
  • Интерметаллические соединения галлия с элементами V группы – сурьмой и мышьяком – сами обладают полупроводниковыми свойствами.
  • Добавка галлия в стеклянную массу позволяет получить стекла с высоким коэффициентом преломления световых лучей, а стекла на основе Ga2O3 хорошо пропускают инфракрасные лучи.
Читайте также:  Оформление чертежей по гост

Жидкий галлий отражает 88% падающего на него света, твердый – немногим меньше. Поэтому делают очень простые в изготовлении галлиевые зеркала – галлиевое покрытие можно наносить даже кистью.

Иногда используют способность галлия хорошо смачивать твердые поверхности, заменяя им ртуть в диффузионных ваккумных насосах. Такие насосы лучше «держат» вакуум, чем ртутные.

Предпринимались попытки применить галлий в атомных реакторах, но вряд ли результаты этих попыток можно считать успешными. Мало того, что галлий довольно активно захватывает нейтроны (сечение захвата 2,71 барна), он еще реагирует при повышенных температурах с большинством металлов.

Галлий не стал атомным материалом. Правда, его искусственный радиоактивный изотоп 72Ga (с периодом полураспада 14,2 часа) применяют для диагностики рака костей. Хлорид и нитрат галлия-72 адсорбируются опухолью, и, фиксируя характерное для этого изотопа излучение, медики почти точно определяют размеры инородных образований.

Как видите, практические возможности элемента №31 достаточно широки.

Использовать их полностью пока не удается из-за трудности получения галлия – элемента довольно редкого (1,5 10–3% веса земной коры) и очень рассеянного. Собственных минералов галлия известно немного.

Первый и самый известный его минерал, галлит CuGaS2 обнаружен лишь в 1956 г. Позже были найдены еще два минерала, совсем уже редких.

Обычно же галлий находят в цинковых, алюминиевых, железных рудах, а также в каменном угле – как незначительную примесь. И что характерно: чем больше эта примесь, тем труднее ее извлечь, потому что галлия больше в рудах тех металлов (алюминий, цинк), которые близки ему по свойствам. Основная часть земного галлия заключена в минералах алюминия.

Извлечение галлия – «удовольствие» дорогое. Поэтому элемент №31 используется в меньших количествах, чем любой его сосед по периодической системе.

Не исключено, конечно, что наука ближайшего будущего откроет в галлии нечто такое, что он станет совершенно необходимым и незаменимым, как это случилось с другим элементом, предсказанным Менделеевым, – германием. Всего 30 лет назад его применяли еще меньше, чем галлий, а потом началась «эра полупроводников»…

Поиски закономерностей

Свойства галлия предсказаны Д.И. Менделеевым за пять лет до открытия этого элемента. Гениальный русский химик строил свои предсказания на закономерностях изменения свойств по группам периодической системы. Но и для Лекока де Буабодрана открытие галлия не было счастливой случайностью. Талантливый спектроскопист, он еще в 1863 г.

обнаружил закономерности в изменении спектров близких по свойствам элементов. Сравнивая спектры индия и алюминия, он пришел к выводу, что у этих элементов может быть «собрат», линии которого заполнили бы пробел в коротковолновой части спектра. Именно такую недостающую линию он искал и нашел в спектре цинковой обманки из Пьеррфита.

Приводим для сравнения таблицу основных свойств, предсказанного Д.И. Менделеевым экаалюминия и открытого Лекоком де Буабодраном галлия.

Экаалюминий Галлий
Атомный вес около 68 Атомный вес 69,72
Должен быть низкоплавким Температура плавления 29,75°C
Удельный вес близок к 6,0 Удельный вес 5,9 (в твердом состоянии) и 6,095 (в жидком)
Атомный объем 11,5 Атомный объем 11,8
Не должен окисляться на воздухе Слегка окисляется только при духекрасном калении
При высокой температуре должен разлагать воду При высокой температуре раз лагает воду
Формулы соединений:ЕаСl3 Еа2О3, Еа2(SO4)3 Формулы соединений:GaCl3, Ga3О3, Ga2(SO4)3
Должен образовывать квасцы Еа2(SO4)3Ме2SO4 · 24H2О, но труднее, чем алюминий Образует квасцы состава (NH4) Ga(SO4)2 · 12H2O
Окись Еа2О3 должна легко восстанавливаться и давать металл более летучий, чем Аl, а пото му можно ожидать, что экаалю миний будет открыт путем спектрального анализа Галлий легко восстанавливается из окиси прокаливанием в токе водорода, открыт при помощи спектрального анализа

Игра слов?

Некоторые историки науки видят в названии элемента №31 не только патриотизм, но и нескромность его первооткрывателя. Принято считать, что слово «галлий» происходит от латинского Gallia (Франция). Но при желании в том же слове можно усмотреть намек на слово «петух»! По-латыни «петух» – gallus, по-французски – le coq. Лекок де Буабодран?

В зависимости от возраста

В минералах галлий часто сопутствует алюминию. Интересно, что соотношение этих элементов в минерале зависит от времени образования минерала. В полевых шпатах один атом галлия приходится на 120 тыс. атомов алюминия. В нефелинах, образовавшихся намного позже, это соотношение уже 1:6000, а в еще более «молодой» окаменевшей древесине – всего 1:13.

Первый патент

Первый патент на применение галлия взят 60 лет назад. Элемент №31 хотели использовать в дуговых электрических лампах.

Серу вытесняет, серой защищается

Интересно происходит взаимодействие галлия с серной кислотой. Оно сопровождается выделением элементарной серы. При этом сера обволакивает поверхность металла и препятствует его дальнейшему растворению. Если же обмыть металл горячей водой, реакция возобновится, и будет идти до тех пор, пока на галлии не нарастет новая «шкура» из серы.

Вредное влияние

Жидкий галлий взаимодействует с большинством металлов, образуя сплавы и интерметаллические соединения с довольно низкими механическими свойствами. Именно поэтому соприкосновение с галлием приводит многие конструкционные материалы к потере прочности. Наиболее устойчив к действию галлия бериллий: при температуре до 1000°C он успешно противостоит агрессивности элемента №31.

И окись тоже!

Незначительные добавки окиси галлия заметно влияют на свойства окисей многих металлов. Так, примесь Ga2O3 к окиси цинка значительно уменьшает ее спекаемость. Зато растворимость цинка в таком окисле намного больше, чем в чистом. А у двуокиси титана при добавлении Ga2O3 резко падает электропроводность.

Как получают галлий

Промышленных месторождений галлиевых руд в мире не найдено. Поэтому галлий приходится извлекать из очень небогатых им цинковых и алюминиевых руд. Поскольку состав руд и содержание в них галлия неодинаковы, способы получения элемента №31 довольно разнообразны. Расскажем для примера, как извлекают галлий из цинковой обманки – минерала, в котором этот элемент был обнаружен впервые.

Прежде всего, цинковую обманку ZnS обжигают, а образовавшиеся окислы выщелачивают серной кислотой. Вместе с многими другими металлами галлий переходит в раствор. Преобладает в этом растворе сульфат цинка – основной продукт, который надо очистить от примесей, в том числе и от галлия. Первая стадия очистки – осаждение так называемого железного шлама.

При постепенной нейтрализации кислого раствора этот шлам выпадает в осадок. В нем оказывается около 10% алюминия, 15% железа и (что для нас сейчас наиболее важно) 0,05…0,1% галлия. Для извлечения галлия шлам выщелачивают кислотой или едким натром – гидроокись галлия амфотерна.

Щелочной способ удобнее, поскольку в этом случае можно делать аппаратуру из менее дорогих материалов.

Под действием щелочи соединения алюминия и галлия переходят в раствор. Когда этот раствор осторожно нейтрализуют, гидроокись галлия выпадает в осадок. Но в осадок переходит и часть алюминия. Поэтому осадок растворяют еще раз, теперь уже в соляной кислоте.

Получается раствор хлористого галлия, загрязненный преимущественно хлористым алюминием. Разделить эти вещества удается экстракцией. Приливают эфир и, в отличие от АlСl3, GаСl3 почти полностью переходит в органический растворитель.

Слои разделяют, отгоняют эфир, а полученный хлорид галлия еще раз обрабатывают концентрированным едким натром, чтобы перевести в осадок и отделить от галлия примесь железа. Из этого щелочного раствора и получают металлический галлий.

Получают электролизом при напряжении 5,5 в. Осаждают галлий на медном катоде.

Галий и зубы

Долгое время считалось, что галлий токсичен. Лишь в последние десятилетия это неправильное мнение опровергнуто. Легкоплавкий галлий заинтересовал стоматологов. Еще в 1930 г.

было впервые предложено заменить галлием ртуть в композициях для пломбирования зубов. Дальнейшие исследования и у нас, и за рубежом подтвердили перспективность такой замены.

Безртутные металлические пломбы (ртуть заменена галлием) уже применяются в стоматологии.

• Германий

• Оглавление

Источник: http://n-t.ru/ri/ps/pb031.htm

Галлий

Общие сведения и методы получения

Галлий (Ga) — металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком. Существование галлия было предсказано в 1871 г. Д И. Менделеевым, который назвал его экаалюминием. Открыл галлий в 1875 г. француз­ский химик Лекок де Буабодран спектральным анализом цинковой об-маикн. Элемент назван галлием в честь Франции.

Содержание галлия в земной коре — 1,5*10-3 % (по массе). Гал­лий — рассеянный элемент, присутствует в виде изоморфной примеси во миогнх минералах алюминия и железа, а также в цинковой обманке. Известен один минерал галлия — галлит (CuGaS2), обнаруженный в 1958 г.; он встречается вместе с германитом в малых количествах.

Основной источник получения галлия в настоящее время — раство­ры глиноземного производства при переработке боксита и нефелина; кроме того, возможно извлечение галлия из отходов электролиза алю­миния, из угольной пены, из сульфидных полиметаллических руд и уг­лей при их переработке.

Концентрация галлия в алюминиевых растворах после разложения в процессе Байера 100—150 мг/л, по способу спекания 50—65 мг/л.

Этими двумя способами галлий отделяют от большей части алюми­ния карбонизацией, концентрируя галлий в виде Ga(OH)3 в последней фракции осадка. Обогащенный раствор обрабатывают известью, полу­чая галлиевый концентрат, содержание Ga203 в Котором достигает ~1%. Возможно также выделение галлия электролизом на ртутном катоде из оборотных растворов процесса Байера

Технический галлий получают электролизом или цементацией. Элек­тролит— раствор галлиевого концентрата в едком натре Температура электролиза 50—70°С при расходе энергии 100 Вт-ч/г Ga. Цементирую­щим металлом служит алюминий.

  • Получаемый электрохимическими методами галлий содержит значи­тельное количество примесей, зависящее от состава исходного электро­лита. Черновой галлий подвергают очистке несколькими способами:
  • 1) промывка горячей водой и фильтрация через пористые фильтры (галлий чистотой 99,9 %);
  • 2) промывка кислотами (содержание примесей снижается до 0,01 %);
  • 3) вакуумная обработка (основана на различии в давлении паров при высокой температуре между галлием и ряДом примесей);

4) электролитическое рафинирование, т. е. растворение чернового галлия в щелочном электролите в катодное осаждение чистого металла'

  1. 5) физические методы очистки (направленная кристаллизация, зон­ная плавка).
  2. Сочетание рассмотренных методов очистки чернового галлия, позво­ляет получать металл чистотой 99,9996 °/о, который используют для син­теза полупроводниковых соединений.
  3. Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 31, атомная масса 69,72 а. е. м. Природный галлий состоит из двух стабильных изотопов с массовыми числами 69 (61,2%) и 71 (38,8%).

Атомный объем 11,8*10-6 м3/моль, атомный радиус 0,138 нм, ионный радиус (Ga3+) 0,062 нм, конфигурация внешней электронной оболочки галлия 4s24p'. Потенциалы ионизации атома / (эВ): 6,00, 20,51, 30,70. Число спектральных линий нейтрального атома 55. Электроотрицатель­ность 1,6

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Ga—3e*±Ga3+ q>0= =—0,52 В. В соединениях галлий проявляет степени окисления +1, +2 и +3. Электрохимический эквивалент оавен 0,24083 мг/Кл.

На воздухе на поверхности металлического галлия обычно образу­ется тонкая пленка оксида, так что дальнейшее окисление незначитель­но; заметнее процесс окисления идет при 500 °С; при более высоких тем­пературах металл сгорает до оксида.

Галлий легко растворяется в азот­ной и серной кислотах, а реагируя с щелочами, образует амфотерный гидроксид. По отношению к воде галлий весьма устойчив, не разлагая ее даже при 100 СС.

Галлий взаимодействует с галогенами (кроме иода), даже на холоду образуя галогениды; с иодом галлий взаимодействует только при нагревании.

Оксид галлия (III) Ga203 получается при обезвоживании гидроксида. Это вещество белого цвета с температурой плавления 1740 «С и плот­ностью 6,480 Мг/м3. Оксид галлия (I) Ga20 получается при нагревании металла в атмосфере оксида углерода или в результате восстановления оксида галлия (III). Это вещество с плотностью 4,770 Мг/м3 сублимиру­ет выше 650 °С.

При растворении гидроксида галлия в щелочах обра­зуются галлаты Me[Ga(OH)4], Галла ты щелочных металлов хорошо растворимы, щелочноземельных — ограниченно растворимы. Известны многочисленные галлийоргаиические соединения, которые получаются действием соответствующих ртутьорганических соединений на галлий.

Соли галлия, полученные от сильных кислот, растворимы в воде и склон­ны (в водных растворах) к гидролизу.

Жидкий галлий — очень агрессивный металл, при повышенной тем­пературе легко взаимодействует со всеми металлами. До температуры 600 «С галлий не взаимодействует только с вольфрамом, танталом, ре­нием и бериллием.

Металлы III и IV групп, а также висмут образуют с галлием диа­граммы состояния эвтектического типа или с ограниченной раствори­мостью в жидком состоянии (кадмий, ртуть, таллий, висмут и свинец)-Щелочные металлы дают с галлием высокотемпературные соединения. Для галлия характерна ограниченная растворимость в твердом состоя­нии со многими металлами.

Области применения

Широкое применение галлия началось лишь с 50-х годов нашего века, после того как было установлено, что его интерметаллические соеди­нения обладают полупроводниковыми свойствами. Соединения типа AIUBV(GaAs, GaP, GaSb) сохраняют полупроводниковые свойства да­же при повышенных температурах.

Так, приборы, в которых использу­ется GaAs, работают при температуре до 450 °С, а приборы с GaP — до 1000 °С. Галлий — перспективный материал для использования в сол­нечных батареях: солнечные элементы из GaAs стойки к космической радиации.

Арсенид галлия применяют также в качестве активной лазер­ной среды.

Галлий используют как акцепторную добавку для легирования гер­мания.

Легкоплавкие сплавы, которые галлий образует с рядом металлов (Sn, Pb, In, Т1 и др.), применяют в терморегуляторах, спринклериых устройствах, в качестве жидкости для высокотемпературных термомет­ров и манометров. Сплавы на основе галлия используют для «холод­ной пайки» различных материалов

В атомной технике галлий применяют в жидкометаллических радиа­ционных контурах как компонент рабочего низкотемпературного сплава.

Благодаря хорошей отражательной способности галлий широко ис­пользуется дли изготовления зеркал; в люминесцентных составах для ламп соединения галлия играют роль активаторов. Добавка галлия в

стеклянную массу позволяет получать стекла с высоким коэффициентом преломления. Имеются данные об использовании изотопа галлия (72Ga) для диагностики заболеваний.

Источник: https://ibrain.kz/himiya-svoystva-elementov/galliy

Галлий



  • 16
  • ПЛАН
  • Введение
  • 1. Общая характеристика галлия, его химические  и физические свойства
  • 2. Основные соединения галлия
  • 3. Применение галлия
  • Заключение
  • Список литературы

Введение

Д. И. Менделеев в соответствии с открытым им в марте 1869 года периодическим законом предсказал существование этого элемента, назвав его эка-алюминием. Поль Эмиль Лекок де Буабодран назвал его в честь своей родины Франции, по её латинскому названию — Галлия (Gallia).

Примечательно так же, что символ Франции — петух (по-французски — le coq), так что в названии элемента его первооткрыватель неявно увековечил и свою фамилию. Кроме того на латыни «петух» — gallus. Открытие галлия — первое подтверждение справедливости выявленных Д. И.

Менделеевым закономерностей.

В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран, исследуя спектроскопическим путем цинковую обманку — хорошо известный минерал, привезенный из местечка Пьерфитт в Пиренеях, обнаружил фиолетовую незнакомку — новую спектральную линию, свидетельствовавшую о том, что в минерале присутствует неизвестный химический элемент.

Но увидеть новую линию — это лишь полдела, теперь предстояло выделить из минерала виновника ее появления в спектре. Задача была не из легких, так как содержание искомого элемента в цинковой обманке оказалось крайне незначительным.

Все же химику сопутствовал успех: после многочисленных опытов ему удалось получить крупицу нового металла — всего 0,1 грамма.

  1. Основная цель данной работы – рассмотреть химические свойства галлия и его соединения.
  2. Определив цель работы, выделим следующие задачи:
  3. –        рассмотреть общую характеристику галлия, его химические и физические свойства;
  4. –        рассмотреть основные соединения галлия;
  5. –        рассмотреть область применения галлия.

1. Общая характеристика галлия, его химические и физические свойства

31 Галлий
Ga69,723
3d104s24p1

Галлий — элемент главной подгруппы третьей группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 31. Обозначается символом Ga (лат. Gallium). Относится к группе лёгких металлов. Простое вещество галлий — мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком[1].

  • Атомный номер — 31
  • Атомная масса — 69,723
  • Плотность, кг/м³ — 5910
  • Температура плавления, °С — 29,8
  • Теплоемкость, кДж/(кг·°С) — 0,331
  • Электроотрицательность — 1,8
  • Ковалентный радиус, Å — 1,26
  • 1-й ионизац. потенциал, эв — 6,00
  • Нахождение галлия в природе

Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т. Галлий типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Единственный минерал Галлия — галлит CuGaS2 очень редок. Геохимия Галлия тесно связана с геохимией алюминия, что обусловлено сходством их физико-химических свойств.

Основная часть Галлия в литосфере заключена в минералах алюминия.  Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними, галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка.

Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0 – 0,1%), магнетит (0 – 0,003%), касситерит (0 – 0,005%), гранат (0 – 0,003%), берилл (0 – 0,003%), турмалин (0 – 0,01%), сподумен (0,001 – 0,07%), флогопит (0,001 – 0,005%), биотит (0 – 0,1%), мусковит (0 – 0,01%), серицит (0 – 0,005%), лепидолит (0,001 – 0,03%), хлорит (0 – 0,001%), полевые шпаты (0 – 0,01%), нефелин (0 – 0,1%), гекманит (0,01 – 0,07%), натролит (0 – 0,1%).

Физические свойства галлия

Пожалуй, самое известное свойство галлия, это его температура плавления, она составляет 29.76 °C. Это второй по легкоплавкости металл в периодической системе (после ртути). Это позволяет плавить металл, держа его в руке. Галлий – один из немногих металлов, расширяющихся при затвердевании расплава (другие – Bi, Ge).

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.

Другие модификации галлия (β, γ, δ, ε) кристаллизуются из переохлаждённого диспергированного металла и являются нестабильными.

Читайте также:  Гост оформления диссертации 2020

При повышенном давлении наблюдались ещё две полиморфные структуры галлия II и III, имеющие, соответственно, кубическую и тетрагональную решётки [2].

Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре T=20 °C равна 5,904 г/см³.

Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2230 °C), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100÷1200 °C. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале T=0÷24 °C равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при T=29÷100 °C — 410 Дж/кг·К (0,098 кал/г·град).

Удельное электрическое сопротивление в твёрдом и жидком состоянии равны, соответственно, 53,4·10−6 ом·см (при T=0 °C) и 27,2·10−6 ом·см (при T=30 °C).

Вязкость жидкого галлия при разных температурах равна 1,612 пуаз при T=98 °C и 0,578 пуаз при T=1100 °C. Поверхностное натяжение, измеренное при 30 °C в атмосфере водорода равно 0,735 н/м.

Коэффициенты отражения для длин волн 4360 Å и 5890 Å составляют 75,6 % и 71,3 %, соответственно.

Природный галлий состоит из двух изотопов 69Ga (61,2 %) и 71Ga (38,8 %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1·10−28 м² и 5,1·10−28 м², соответственно.

Галлий-малотоксичный элемент. Из-за низкой температуры плавления слитки галлия рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается расплавом галлия. Одно время металл даже применялся для изготовления пломб (вместо амальгамных).

Это применение основано на том, что при смешивании порошка меди с расплавленным галлием получается паста, которая через несколько часов затвердевает (из-за образования интерметаллического соединения) и потом может выдержать нагрев до 600 градусов без плавления.

              При высоких температурах галлий является очень агрессивным веществом. При температурах выше 500 °C, он разъедает практически все металлы, кроме вольфрама, а также многие другие материалы.

Кварц устойчив к действию расплавленного галлия до 1100 °C, но проблема может возникнуть из-за того, что кварц (а также большинство других стекол) отлично смачивается этим металлом. То есть, галлий просто налипнет на стенки кварца.

Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления. При нагревании под давлением галлий реагирует с водой, образуя соединение GaOOH по реакции:[3]

  1. 2Ga + 4H2O = 2GaOOH + 3H2↑.
  2. Галлий взаимодействует с минеральными кислотами с выделением водорода и образованием солей, причём реакция протекает даже ниже комнатной температуры:
  3. 2Ga + 6HCl = 2GaCl3 + 3H2↑
  4. Продуктами реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты, содержащие ионы Ga(OH)4- и, возможно, Ga(OH)3- и Ga(OH)2-:
  5. 2Ga + 6H2O + 2NaOH = 2Na[Ga(OH)4] + 3H2↑
  6. Галлий реагирует с галогенами: реакция с хлором и фтором идёт при комнатной температуре, с бромом — уже при −35 °C (около 20 °C — с воспламенением), взаимодействие с иодом начинается при нагревании.
  7. Галлий не взаимодействует с водородом, углеродом, азотом, кремнием и бором.

При высоких температурах галлий способен разрушать различные материалы и его действие сильнее расплава любого другого металла. Так, графит и вольфрам устойчивы к действию расплава галлия до 800 °C, алунд и оксид бериллия BeO — до 1000 °C, тантал, молибден и ниобий устойчивы до 400÷450 °C.

С большинством металлов галлий образует галлиды, исключением являются висмут, а также металлы подгрупп цинка, скандия, титана. Один из галлидов V3Ga имеет довольно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 16,8 K.

  • Галлий образует полимерные гидриды:
  • 4LiH + GaCl3 = Li[GaH4 ] + 3LiCl.
  • Устойчивость ионов падает в ряду BH4- → AlH4- → GaH4-. Ион BH4- устойчив в водном растворе, AlH4- и GaH4- быстро гидролизуются:
  • GaH4- + 4H2O = Ga(OH)3 + OH- + 4H2-
  • При растворении Ga(OH)3 и Ga2O3 в кислотах образуются аквакомплексы [Ga(H2O)6]3+, поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов, например, хлорид галлия GaCl3*6H3O, галлийкалиевые квасцы KGa(SO4)2*12H2O.

Интересно происходит взаимодействие галлия с серной кислотой. Оно сопровождается выделением элементарной серы. При этом сера обволакивает поверхность металла и препятствует его дальнейшему растворению. Если же обмыть металл горячей водой, реакция возобновится, и будет идти до тех пор, пока на галлии не нарастет новая «шкура» из серы.

2. Основные соединения галлия

Ga2H6 — летучая жидкость, tпл −21,4 °C, tкип 139 °C. В эфирной суспензии с гидратом лития или таллия образует соединения LiGaH4 и TlGaH4. Образуется в результате обработки тетраметилдигаллана триэтиламином. Имеются банановые связи, как и в диборане

Ga2O3 — белый или жёлтый порошок, tпл 1795 °C. Существует в виде двух модификаций. α-Ga2О3 — бесцветные тригональные кристаллы с плотностью 6,48 г/см³, малорастворимые в воде, растворимые в кислотах. β-Ga2О3 — бесцветные моноклинные кристаллы c плотностью 5,88 г/см³, малорастворимые в воде, кислотах и щёлочах.

Получают нагреванием металлического галлия на воздухе при 260 °C или в атмосфере кислорода, или прокаливанием нитрата или сульфата галлия. ΔH°298(обр) −1089,10 кДж/моль; ΔG°298(обр) −998,24 кДж/моль; S°298 84,98 Дж/моль*K.

Проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства, по сравнению с алюминием, усилены:[4]

  1. Ga2O3 + 6HCl = 2GaCl2 + 3H2O
  2. Ga2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Ga(OH)4]
  3. Ga2O3 + Na2CO3 = 2NaGaO2 + CO2

Ga(OH)3 — выпадает в виде желеобразного осадка при обработке растворов солей трёхвалентного галлия гидроксидами и карбонатами щелочных металлов (pH 9,7).

Растворяется в концентрированном аммиаке и концентрированном растворе карбоната аммония, при кипячении осаждается. Нагреванием гидроксид галлия можно перевести в GaOOH, затем в Ga2O3*H2O, и, наконец, в Ga2O3.

Можно получить гидролизом солей трёхвалентного галлия.

GaF3 — белый порошок. tпл >1000 °C, tкип 950 °C , плотность — 4,47 г/см³. Малорастворим в воде. Известен кристаллогидрат GaF3·3Н2O. Получают нагреванием оксида галлия в атмосфере фтора.

GaCl3 — бесцветные гигроскопичные кристаллы. tпл 78 °C, tкип 215 °C, плотность — 2,47 г/см³. Хорошо растворим в воде. В водных растворах гидролизуется. Получают непосредственно из элементов. Применяется в качестве катализатора в органических синтезах.

GaBr3 — бесцветные гигроскопичные кристаллы. tпл 122 °C, tкип 279 °C плотность — 3,69 г/см³. Растворяется в воде. В водных растворах гидролизуется. В аммиаке малорастворим. Получают непосредственно из элементов.

GaI3 — гигроскопичные светло-жёлтые иглы. tпл 212 °C, tкип 346 °C, плотность — 4,15 г/см³. Гидролизуется тёплой водой. Получают непосредственно из элементов.

GaS3 — жёлтые кристаллы или белый аморфный порошок с tпл 1250 °C и плотностью 3,65 г/см³. Взаимодействует с водой, при этом полностью гидролизуется. Получают взаимодействием галлия с серой или сероводородом.

Ga2(SO4)3·18H2O — бесцветное, хорошо растворимое в воде вещество. Получается при взаимодействии галлия, его оксида и гидроксида с серной кислотой. С сульфатами щелочных металлов и аммония легко образует квасцы, например, KGa(SO4)2·12Н2О.

Ga(NO3)3·8H2O — бесцветные, растворимые в воде и этаноле кристаллы. При нагревании разлагается с образованием оксида галлия (III). Получается действием азотной кислоты на гидроксид галлия.

  Получение галлия  

Основной источник получения Галлия — алюминиевое производство. Галлий при переработке бокситов по способу Байера концентрируется в оборотных маточных растворах после выделения Аl(ОН)3.

Из таких растворов Галлий выделяют электролизом на ртутном катоде.

Из щелочного раствора, полученного после обработки амальгамы водой, осаждают Ga(OH)3, которую растворяют в щелочи и выделяют Галлий электролизом.

При содово-известковом способе переработки бокситовой или нефелиновой руды Галлий концентрируется в последних фракциях осадков, выделяемых в процессе карбонизации.

Для дополнительного обогащения осадок гидрооксидов обрабатывают известковым молоком.

При этом большая часть Al остается в осадке, а Галлий переходит в раствор, из которого пропусканием СО2 выделяют галлиевый концентрат (6-8% Gа2О3); последний растворяют в щелочи и выделяют Галлий электролитически[5].

Источником Галлия может служить также остаточный анодный сплав процесса рафинирования Al по методу трехслойного электролиза. В производстве цинка источниками Галлия являются возгоны (вельц-оксиды), образующиеся при переработке хвостов выщелачивания цинковых огарков.

Полученный электролизом щелочного раствора жидкий Галлий, промытый водой и кислотами (НСl, HNO3), содержит 99,9-99,95% Ga. Более чистый металл получают плавкой в вакууме, зонной плавкой или вытягиванием монокристалла из расплава.

3. Применение галлия

Арсенид галлия GaAs — перспективный материал для полупроводниковой электроники.

Нитрид галлия используется в создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона. Нитрид галлия обладает превосходными химическими и механическими свойствами, типичными для всех нитридных соединений.

Источник: https://www.referat911.ru/Himiya/gallij/30443-1264682-place1.html

Характеристика галлия

ВВЕДЕНИЕ 

    Являясь типично рассеянным элементом, галлий имеет обычный для этой группы элементов кларк — 1,5 · 10-3
%.

    Д. И. Менделеев в соответствии с открытым им в марте 1869 года периодическим законом предсказал существование этого элемента, назвав его эка-алюминием. Поль Эмиль Лекок де Буабодран назвал его в честь своей родины Франции, по её латинскому названию — Галлия (Gallia).

Примечательно так же, что символ Франции — петух (по-французски —
le coq
), так что в названии элемента его первооткрыватель неявно увековечил и свою фамилию. Кроме того на латыни «петух» —
gallus
. Открытие галлия — первое подтверждение справедливости выявленных Д. И.

 Менделеевым закономерностей.

    В 1875 году Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки, привезенной 
из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре 
и была обнаружена новая фиолетовая линия. Новая линия свидетельствовала 
о присутствии в минерале неизвестного элемента, и, вполне естественно, Лекок 
де Буабодран приложил максимум усилий, чтобы этот элемент выделить.

Сделать 
это оказалось непросто: содержание нового элемента в руде было меньше 0,1 %, и во многом он был подобен цинку. После длительных опытов ученому удалось-таки получить новый элемент, но в очень небольшом количестве.

Настолько небольшом (меньше 0,1 г), что изучить его физические и химические свойства Лекок де Буабодран смог далеко не полно [1].

    1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
О ГАЛЛИИ
 

    Галлий — элемент главной подгруппы третьей группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 31. Обозначается символом Ga (лат. Gallium). Относится к группе лёгких металлов. Простое вещество
галлий 
— мягкий пластичный металл серебристо-белого (по другим данным светло-серого) цвета с синеватым оттенком.

    Среднее содержание галлия в земной коре 1,5 · 10-3 %. Галлий типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.

) и широкой возможности изоморфизма с ними, галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка.

Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0 — 0,1 %), магнетит (0 — 0,003 %), касситерит (0 — 0,005 %), гранат (0 — 0,003 %), берилл (0 — 0,003 %), турмалин (0 — 0,01 %), сподумен (0,001 — 0,07 %), флогопит (0,001 — 0,005 %), биотит (0 — 0,1 %), мусковит (0 — 0,01 %), серицит (0 — 0,005 %), лепидолит (0,001 — 0,03 %), хлорит (0 — 0,001 %), полевые шпаты (0 — 0,01 %), нефелин (0 — 0,1 %), гекманит (0,01 — 0,07 %), натролит (0 — 0,1 %). Концентрация галлия в морской воде 3 · 10−5 мг/л.

    Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, России, странах СНГ. 

    2 ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ 
СВОЙСТВА ГАЛЛИЯ

    2.1 Физические свойства

    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.

Другие модификации галлия (β, γ, δ, ε) кристаллизуются из переохлаждённого диспергированного металла и являются нестабильными.

При повышенном давлении наблюдались ещё две полиморфные структуры галлия II и III, имеющие, соответственно, кубическую и тетрагональную решётки.

    Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре   T = 20 °C    равна

5,904 г/см³, жидкий галлий при T = 29,8 °C имеет плотность 6,095 г/см³, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Температура плавления галлия немного выше комнатной и равна Tпл.= 29,8 °C, кипит галлий при Tкип.= 2230 °C.

    Одной из особенностей галлия является широкий 
температурный интервал существования 
жидкого состояния (от 30 и до 2230 °C), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100÷1200 °C. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале T=0÷24 °C равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при T=29÷100 °C — 410 Дж/кг·К (0,098 кал/г·град).

    Удельное 
электрическое сопротивление в 
твёрдом и жидком состоянии равны, соответственно, 53,4·10−6 Ом·см (при T=0 °C) и 27,2·10−6 Ом·см (при T=30 °C).

Вязкость жидкого галлия при разных температурах равна 1,612 пуаз при T=98 °C и 0,578 пуаз при T=1100 °C. Поверхностное натяжение, измеренное при 30 °C в атмосфере водорода равно 0,735 н/м.

Коэффициенты отражения для длин волн 4360 Å и 5890 Å составляют 75,6 % и 71,3 %, соответственно.

    Природный галлий состоит из двух изотопов
69Ga (61,2 %) и 71Ga (38,8 %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1·10−28 м² и 5,1·10−28 м², соответственно. 

    2.2 Химические свойства 

    Химические 
свойства галлия близки к свойствам 
алюминия. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего 
окисления.

  •     Галлий 
    реагирует с горячей водой: 
  • 2Ga + 6H2O = 2Ga(OH)3↓ + 3H2↑. 
  •     При реакции с перегретым паром (350 °C) образуется соединение GaOOH (гидрат оксида галлия или метагаллиевая кислота): 
  • 2Ga + 4H2O = 2GaOOH + 3H2↑. 
  •     Галлий 
    взаимодействует с минеральными кислотами с выделением водорода и образованием солей, причём реакция 
    протекает даже ниже комнатной температуры: 
  • 2Ga + 6HCl = 2GaCl3 + 3H2↑. 
  •     Продуктами 
    реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты, содержащие ионы Ga(OH)4− и, возможно, Ga(OH)63− и Ga(OH)2−: 
  • 2Ga + 6H2O + 2NaOH = 2Na[Ga(OH)4] + 3H2↑. 
  •     Галлий 
    реагирует с галогенами: реакция с хлором и фтором идёт при комнатной температуре, с бромом — уже при -35 °C (около 20 °C — с воспламенением), взаимодействие с иодом начинается при нагревании.
  •     Галлий 
    не взаимодействует с водородом, углеродом, азотом, кремнием и бором.

    При высоких температурах галлий способен разрушать различные материалы 
и его действие сильнее расплава любого другого металла. Так, графит и вольфрам устойчивы к действию расплава галлия до 800 °C, алунд и оксид бериллия BeO — до 1000 °C, тантал, молибден и ниобий устойчивы до 400÷450 °C.

    С большинством металлов галлий образует галлиды, исключением являются висмут, а также металлы подгрупп цинка, скандия, титана. Один из галлидов V3Ga имеет довольно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 16,8 K.

  1.     Галлий 
    образует полимерные гидриды:
  2. 4LiH + GaCl3 = Li[GaH4] + 3LiCl.
  3.     Устойчивость 
    ионов падает в ряду BH4− → AlH4− → GaH4−. Ион BH4− устойчив в водном растворе, AlH4− и GaH4− быстро гидролизуются:
  4. GaH4− + 4H2O = Ga(OH)3 + OH− + 4H2−. 

    При растворении Ga(OH)3 и Ga2O3 в кислотах образуются аквакомплексы [Ga(H2O)6]3+, поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов, например, хлорид галлия GaCl3·6H2O, галлийкалиевые квасцы KGa(SO4)2·12H2O. Аквакомплексы галлия в растворах бесцветны. 

    3 ПРИМЕНЕНИЕ ГАЛЛИЯ И ЕГО ПОТРЕБИТЕЛИ

    Арсенид галлия GaAs — перспективный материал для полупроводниковой электроники.

    Нитрид 
галлия используется в создании полупроводниковых 
лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона. Нитрид галлия обладает превосходными 
химическими и механическими 
свойствами, типичными для всех нитридных 
соединений.

    Изотоп 
71Ga является важнейшим материалом для регистрации нейтрино и в связи с этим перед техникой стоит весьма актуальная задача выделения этого изотопа из природной смеси в целях повышения чувствительности детекторов нейтрино. Так как содержание
71Ga составляет в природной смеси изотопов около 39,9 %, то выделение чистого изотопа и использование его в качестве детектора нейтрино способно повысить чувствительность регистрации в 2,5 раза.

    Галлий 
дорог, в 2005 году на мировом рынке 
тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США, и в связи с высокой 
ценой и в то же время с большой 
потребностью в этом металле очень 
важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и 
переработке каменных углей на жидкое топливо.

    Галлий 
имеет ряд сплавов, жидких при 
комнатной температуре, и один из его сплавов имеет температуру 
плавления 3 °C, но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре), и как теплоноситель он малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.

    Галлий — превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы практически очень важные металлические клеи.

    Металлическим галлием также заполняют кварцевые 
термометры (вместо ртути) для измерения 
высоких температур. Это связано 
с тем, что галлий имеет значительно 
более высокую температуру кипения 
по сравнению с ртутью.

    Из-за низкой температуры плавления слитки галлия рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который 
плохо смачивается жидким галлием [1].

    Наибольшим 
потребителем галлия в мире является японский рынок, поставки галлия в Японию составили в последние годы, т: 135,7(2000), 125,2(2001), 107,5 (2002). Спрос на галлий составил в 2002 г., т: 32 в США, 10 в Европе и 6 в других странах. В конце 2006 г.

цена на галлий чистотой 99,99% установилась на уровне 450 $/кг, а чистотой 99,9999 — 99,99999 – 600 $/кг. Крупнейшими производителями этого металла являются Китай, Германия, Япония, Россия, Казахстан, в меньших масштабах галлий производят в Венгрии, Украине, США, Словакии.

Рафинированный галлий из технического металла и скрапа в больших объемах производят Франция, Япония, США, Великобритания [5]. 

    4 ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ ГАЛЛИЯ

    Он 
не образует самостоятельных минералов, а входит в решетки других минералов, в первую очередь, гидроксидов алюминия — диаспора, бемита и гиббсита. Это связано с близостью их химических и физико-химических свойств с алюминием, а также ионных радиусов — 0,057 нм у А13+ и 0,063 нм у Ga3+. Такое же изоморфное замещение возможно и с минералами Fe3+.

    Содержание 
галлия в бокситах изменяется в пределах одного месторождения; оно определяется не минеральной формой гидроксидов, а средой и условиями их образования. Обычно содержание галлия в бокситах составляет 0,01 — 0,001 %; примерно таково же содержание галлия в нефелиновых рудах. 

    5 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СОЕДИНЕНИЙ ГАЛЛИЯ СО ЩЕЛОЧНО-АЛЮМИНАТНЫМИ РАСТВОРАМИ 

    При переработке бокситов на глинозем щелочными 
методами большая часть галлия (65÷70 %) переходит в алюминатный раствор, который при многократном обороте обогащается галлием до определенной концентрации. Основная форма существования галлия в щелочной среде — галлат натрия NaGa(OH)4.

    Присутствие галлия в алюминатном растворе не оказывает заметного влияния на процессы спекания, выщелачивания, обескремнивания и карбонизации. Вывод галлия из процесса осуществляется с гидроксидом алюминия и содо- поташным маточным раствором.

    Ряд исследователей изучали процесс 
соосаждения галлия при декомпозиции алюминатных растворов. При спонтанном разложении алюминатных растворов или с введением затравки в присутствии добавок галлия (Ga2О3 2÷10г/л) соосаждение его постоянно и достигает 3 — 4 %. С. П. Яценко, Н. В.

Деменев указывают, что минимальная степень соосаждения галлия (4 %) наблюдается при разложении алюминатных растворов с затравкой, а наибольшая (14 %) — при спонтанном разложении. При этом степень извлечения гидроксида алюминия не изменяется в зависимости от концентрации галлия в исходном растворе (Ga2О3 0,1÷1,1 г/л).

Между содержанием галлия в алюминатном растворе и в гидроксиде алюминия, полученном при декомпозиции, имеет место линейная зависимость.

Источник: https://www.freepapers.ru/100/harakteristika-galliya/35736.226101.list1.html

Ссылка на основную публикацию