Обновлено: 08.07.2024

Природный галлий состоит из двух изотопов 69 Ga (61, 2% по массе) и 71 Ga (38, 8%). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s 2 p 1 . Степень окисления +3, +1 (валентности I, III).

Радиус атома 0, 1245 нм, радиус иона Ga 3+ 0, 062 нм. Энергии последовательной ионизации 5, 998, 20, 514, 30, 71, 64, 2 и 89, 8 эВ. Электроотрицательность по Полингу 1, 6.

История открытия

Впервые существование этого элемента предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 на основании открытого им периодического закона. Он назвал его экаалюминий. В 1875 П. Э. Лекок де Буабодран выделил галлий из цинковых руд.

Де Буабодран определил плотность галлия — 4, 7 г/см 3 , что не соответствовало предсказанному Д. И. Менделеевым значению 5, 9 г/см 3 . Уточненное значение плотности галлия (5, 904 г/см 3 ) совпало с предсказанием Менделеева.

Нахождение в природе

Содержание в земной коре 1, 8·10 –3 % по массе. Галлий относится к рассеянным элементам. В природе встречается в виде очень редких минералов: зенгеита Ga(OH)₃, галлита CuGaS₂и других. Является спутником алюминия, цинка, германия, железа; содержится в сфалеритах, нефелине, натролите, бокситах, германите, в углях и железных рудах некоторых месторождений.

Получение

Основной источник галлия — алюминатные растворы, получаемые при переработке глинозема. После удаления большей части Al и многократного концентрирования образуется щелочной раствор, содержащий Ga и Al. Галлий выделяют электролизом этого раствора.

Физические и химические свойства

Галлий — легкоплавкий светло-серый металл с синеватым оттенком. Расплав Ga может находиться в жидком состоянии при температуре ниже температуры плавления (29, 75 °C). Температура кипения 2200 °C, это объясняется тем, что в жидком галлии плотная упаковка атомов с координационным числом 12. Для ее разрушения надо затратить много энергии.

Кристаллическая решетка устойчивой α-модификации образована двухатомными молекулами Ga₂, связанными между собой ван-дер-ваальсовыми силами, длина связи 0, 244 нм.

Стандартный электродный потенциал пары Ga 3+ /Ga равен –0, 53В, Ga находится в электрохимическом ряду до водорода.

На воздухе Ga покрывается оксидной пленкой, предохраняющей от дальнейшего окисления. С мышьяком, фосфором, сурьмой образует арсенид, фосфид и антимонид галлия, с серой, селеном, теллуром — халькогениды. При нагревании Ga реагирует с кислородом. С хлором и бромом галлий взаимодействует при комнатной температуре, с иодом — при нагревании. Галогениды галлия, образуют димеры Ge₂X₆.

Устойчивость ионов падает в ряду BH₄ – — AlH₄ – — GaH₄ – . Ион BH₄ – устойчив в водном растворе, AlH₄ – и GaH₄ – быстро гидролизуются:

Оксид и гидроксид галлия проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства у них по сравнению с Al усилены:

При подщелачивании раствора какой-либо соли галлия выделяется гидроксид галлия переменного состава Ge₂O₃·xH₂O:

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.

Применение

Особенности обращения

Галлий — малотоксичный элемент. Из-за низкой температуры плавления слитки Ga рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается жидким галлием.

Галлий — элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — 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 хрупкий металл серебристо-белого (по другим данным светло-серого) цвета с синеватым оттенком.

Содержание

• 1 История
• 2 Происхождение названия
• 3 Нахождение в природе
  • 3.1 Месторождения
  • 5.1 Изотопы
  • 8.1 В медицине

  
  
  

  История

  Вскоре галлий был открыт, выделен в виде простого вещества и изучен французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. 20 сентября 1875 года. На заседании Парижской академии наук было зачитано письмо Лекока де Буабодрана об открытии нового элемента и изучении его свойств. В письме сообщалось, что 27 августа 1875 года между 3 и 4 часами вечера он обнаружил признаки нового простого тела в образце цинковой обманки, привезенном из рудника Пьерфитт в долине Аржелес (Пиренеи). Так, исследуя спектр образца, Лекок де Буабодран выявил две новые фиолетовые линии, свидетельствующие о присутствии в минерале неизвестного элемента. В этом же письме он предложил назвать новый элемент Gallium. Выделение элемента было сопряжено с немалыми трудностями, поскольку содержание нового элемента в руде было меньше 0,2 %. В итоге Лекоку де Буабодрану удалось получить новый элемент в количестве менее 0,1 г и исследовать его. По свойствам новый элемент оказался сходен с цинком.

  Я думаю…, нет необходимости указывать на исключительное значение, которое имеет плотность нового элемента в отношении подтверждения теоретических взглядов Менделеева

  Происхождение названия

  Поль Эмиль Лекок де Буабодран назвал элемент в честь своей родины Франции, по её латинскому названию — Галлия ( Gallia ).

  Нахождение в природе

  Среднее содержание галлия в земной коре — 19 г/т. 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

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

  Получение

  Для получения металлического галлия чаще используют редкий минерал галлит CuGaS₂ (смешанный сульфид меди и галлия). Его следы постоянно встречаются со сфалеритом, халькопиритом и германитом. Значительно бо́льшие его количества (до 1,5 %) были обнаружены в золе некоторых каменных углей. Однако основным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита (обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1 %)) и нефелина. Галлий также можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля. Извлекается он электролизом щёлочных жидкостей, являющихся промежуточным продуктом переработки природных бокситов на технический глинозём. Концентрация галлия в щелочном алюминатном 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 обогащённый осадок обрабатывают известью, галлий переходит в раствор, откуда черновой металл выделяется электролизом. Загрязнённый галлий промывают водой, после этого фильтруют через пористые пластины и нагревают в вакууме для того, чтобы удалить летучие примеси. Для получения галлия высокой чистоты используют химический (реакции между солями), электрохимический (электролиз растворов) и физический (разложение) методы. В очень чистом виде (99,999 %) он был получен путём электролитического рафинирования, а также восстановлением водородом тщательно очищенного GaCl₃.

  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 20°C равна 5,904 г/см³ , жидкий галлий ( t_пл. = 29,8°C ) имеет плотность 6,095 г/см³ , то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Это свойство является весьма редким, его проявляют лишь немногие простые вещества и соединения (в частности, вода, кремний, германий, сурьма, висмут и плутоний). Кипит галлий при 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 удельная теплоёмкость равна 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 сантипуаз при T = 98°C и 0,578 сантипуаз 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.

  Изотопы

  Природный галлий состоит из двух стабильных изотопов 69 Ga (изотопная распространённость 60,11 ат. % ) и 71 Ga ( 39,89 ат. % ). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1 барн и 5,1 барн , соответственно.

  Помимо них, известны 29 искусственных радиоактивных изотопов галлия с массовыми числами от 56 Ga до 86 Ga и по крайней мере 3 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущие радиоактивные изотопы галлия — это 67 Ga (период полураспада 3,26 суток) и 72 Ga (период полураспада 14,1 часов).

  
  

  Химические свойства

  Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия, но реакции металлического галлия, как правило, идут гораздо медленнее из-за меньшей химической активности. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления.

  Галлий медленно реагирует с горячей водой, вытесняя из неё водород и образуя гидроксид галлия (III):

  На практике же данная реакция не происходит из-за быстрого окисления поверхности металла.

  При реакции с перегретым паром (350°C) образуется соединение GaOOH (гидрат оксида галлия или метагаллиевая кислота):

  2Ga + 4H₂O → to 2GaOOH + 3H₂

  Галлий взаимодействует с минеральными кислотами с выделением водорода и образованием солей:

  На практике реакция происходит только с концентрированными минеральными кислотами и значительно ускоряется при нагревании. 2Ga + 6HCl → 2GaCl₃ + 3H₂↑

  Продуктами реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты, содержащие ионы Ga(OH)₄ − и Ga(OH)₆ 3− :

  Галлий реагирует с галогенами: реакция с хлором и бромом идёт при комнатной температуре, с фтором — уже при −35°C (около 20°C — с воспламенением), взаимодействие с иодом начинается при нагревании.

  При высоких температурах нагреванием в запаянной камере можно получить неустойчивые галогениды галлия (I) — GaCl, GaBr, GaI:

  2Ga + GaI₃ → ot 3GaI

  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 гидридогаллаты:

  Устойчивость ионов падает в ряду BH₄ − → AlH₄ − → GaH₄ − . Ион BH₄ − устойчив в водном растворе, AlH₄ − и GaH₄ − быстро гидролизуются:

  Галлийорганические соединения представлены алкильными (например, триметилгаллий) и арильными (например, трифенилгаллий) производными общей формулы GaR₃, а также их галогеналкильными и галогенарильными аналогами GaHal_{3− n} R _n . Галлийорганические соединения неустойчивы к воде и воздуху, однако реагируют не так бурно, как алюминийорганические соединения.

  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.

  Вступает в реакцию с раствором дихромата калия и концентрированой серной кислотой (не ниже 50%) в соотношении примерно 1:1. При достижении необходимой концентрации реагирующих веществ на поверхности галлия появляется явление поверхностного натяжения, от чего из-за постоянной смены количества полученных веществ капля жидкого металла приобретает способность к "пульсации". Данные расширения и сокращения напоминают работу сердца, от чего данный опыт получил название 'Галлиевое Сердце". Данная реакция не имеет никакого практического значения для науки и является показательной для этого металла.

  
  

  Основные соединения

  Применение

  Галлий до́рог, 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 в жидкое топливо. Около 97 % мирового производства галлия идёт на различные полупроводниковые соединения.

  Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре (так называемых галлам), и один из его сплавов имеет температуру плавления −19 °C (галинстан, эвтектика In-Ga-Sn). Галламы применяются для замены токсичной ртути в качестве жидких затворов вакуумных аппаратов и диффузионных растворов, в качестве смазок при соединении кварцевых, стеклянных и керамических деталей. С другой стороны, галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре). Например, по отношению к алюминию и его сплавам галлий является мощным понизителем прочности, (см. адсорбционное понижение прочности, эффект Ребиндера). Это свойство галлия было продемонстрировано и детально изучено П. А. Ребиндером и Е. Д. Щукиным при контакте алюминия с галлием или его эвтектическими сплавами (жидкометаллическое охрупчивание). Кроме того, смачивание алюминия плёнкой жидкого галлия вызывает его стремительное окисление, подобно тому, как это происходит с алюминием, амальгамированным ртутью. Галлий растворяет при температуре плавления около 1 % алюминия, который достигает внешней поверхности плёнки, где мгновенно окисляется воздухом. Оксидная плёнка на жидкой поверхности неустойчива и не защищает от дальнейшего окисления. Вследствие этого жидкий галлиевый сплав в качестве термоинтерфейса между тепловыделяющим компонентом (например, центральным процессором компьютера) и алюминиевым радиатором не используют.

  Галлий и его эвтектический сплав с индием используется как теплоноситель в контурах реакторов.

  Галлий может использоваться как смазочный материал и как покрытие зеркал специального назначения. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы важные в практическом плане 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 со ртутью.

  Оксид галлия входит в состав ряда важных лазерных материалов группы гранатов — ГСГГ (гадолиний-скандий-галлиевый гранат), ИСГГ (иттрий-скандий-галлиевый гранат) и др.

  
  
  

  
  
  

  Арсенид галлия GaAs активно используется в сверхвысокочастотной электронике, полупроводниковых лазерах.

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

  Для светодиодов, полупроводниковых лазеров и других приложений оптоэлектроники и фотовольтаики используются и другие полупроводниковые соединения галлия типа A III B V : нитрид индия-галлия, арсенид индия-галлия, нитрид индия-галлия-алюминия, антимонид галлия, арсенид-фосфид галлия, арсенид-антимонид-фосфид индия-галлия, фосфид галлия, арсенид алюминия-галлия и т. п.

  Лангасит (LGS, силикат лантана-галлия) используется как пьезоматериал.

  Изотоп галлий-71, составляющий в природной смеси изотопов около 39,9 %, является материалом для регистрации нейтрино. Использование его в качестве детектора нейтрино способно повысить чувствительность регистрации в 2,5 раза.

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

  В медицине

  В медицине галлий используется для торможения потери костной массы у онкологических больных и для быстрой остановки кровотечения из глубоких ран, не вызывая образование тромбов. Также галлий является мощным антибактериальным средством и ускоряет заживление ран.

  Биологическая роль

  Не играет биологической роли.

  Контакт кожи с галлием приводит к тому, что сверхмалые дисперсные частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно. При попытке убрать его размазывается ещё сильнее. Лучший способ убрать пятна с рук или поверхности - воспользоваться жидким мылом.

  Галлий малотоксичен по одним сведениям, высокотоксичен - по другим. Клиническая картина отравления: кратковременное возбуждение, затем заторможенность, нарушение координации движений, адинамия, арефлексия, замедление дыхания, нарушение его ритма. На этом фоне наблюдается паралич нижних конечностей, далее — кома, смерть. Ингаляционное воздействие галлий-содержащего аэрозоля в концентрации 50 мг/м³ вызывает у человека поражение почек, равно как и внутривенное введение 10—25 мг/кг солей галлия. Отмечается протеинурия, азотемия, нарушение клиренса мочевины.

  Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu,
  Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H₂,
  W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

  Антимонид галлия (GaSb) Арсенат галлия (GaAsO₄) Арсенид галлия (GaAs) Ацетат галлия (Ga(CH₃COO)₃) Бромид галлия (I) (GaBr) Бромид галлия (II) (GaBr₂) Бромид галлия (III) (GaBr₃) Галлаты Гидроксид галлия (Ga(OH)₃) Гидроксоацетат галлия (Ga(CH₃COO)₃3Ga(OH)₃3H₂O) Дигаллан (Ga₂H₆) Дихлорогаллат (I) водорода (H[GaCl₂]) Иодид галлия (I) (GaI) Иодид галлия (II) (GaI₂) Иодид галлия (III) (GaI₃) Метагидроксид галлия (GaO(OH)) Нитрат галлия (Ga(NO₃)₃) Нитрид галлия (GaN) Оксалат галлия (Ga₂(C₂O₄)₃) Оксид-вольфрамат галлия (Ga₂O₃2WO₃8H₂O) Оксид-ацетат галлия (4Ga(CH₃COO)₃ 2Ga₂O₃ 5H₂O) Оксид-молибдат галлия (2Ga₂O₃3MoO₃15H₂O) Оксид-хлорид галлия (GaOCl) Оксид галлия (I) (Ga₂O) Оксид галлия (III) (Ga₂O₃) Перхлорат галлия (III) (Ga(ClO₄)₃) Селенат галлия (Ga₂(SeO₄)₃) Селенид галлия (I) (Ga₂Se) Селенид галлия (II) (GaSe) Селенид галлия (III) (Ga₂Se₃) Сульфат галлия (Ga₂(SO₄)₃) Сульфид галлия (I) (Ga₂S) Сульфид галлия (II) (GaS) Сульфид галлия (III) (Ga₂S₃) Теллурид галлия (II) (GaTe) Теллурид галлия (III) (Ga₂Te₃) Тетраметилдигаллан (Ga₂H₂(CH₃)₄) Тетрахлорогаллат (III) водорода (H[GaCl₄]) Тиоцианат галлия (III) (Ga(NCS)₃) Триметилгаллий (Ga(CH₃)₃) Трифенилгаллий (Ga(C₆H₅)₃) Триэтилгаллий (Ga(C₂H₅)₃) Фосфат галлия (GaPO₄) Фосфид галлия (GaP) Фторид галлия (GaF₃) Хлорид галлия (II) (GaCl₂)

  №31 Галлий

  Существование галлия ("экаалюминия") и основные его свойства были предсказаны в 1870 году Д. И. Менделеевым. Элемент был открыт спектральным анализом в пиренейской цинковой обманке и выделен в 1875 году французским химиком П. Э. Лекоком де Буабодраном; назван в честь Франции (лат. Gallia). Точное совпадение свойств галлия с предсказанными было первым триумфом периодической системы.

  Нахождение в природе, получение:

  Состоит из двух стабильных изотопов с массовыми числами 69 (60,5%) и 71 (39,5%). Среднее содержание галлия в земной коре относительно высокое, 1,5·10 -3 % по массе, что равно содержанию свинца и молибдена. Галлий - типичный рассеянный элемент. 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. Содержание галлия в бокситах и нефелинах колеблется от 0,002 до 0,01%. Повышенные концентрации галлия наблюдаются также в сфалеритах (0,01-0,02%), в каменных углях (вместе с германием), а также в некоторых железных рудах. Значительными запасами галлия обладают Китай, США, Россия, Украина, Казахстан.
  Основной источник получения галлия - алюминиевое производство. При переработке бокситов галлий концентрируется в 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.
  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.

  Физические свойства:

  Металл серебристо-белого цвета, мягкий, тяжёлый. Отличительная особенность галлия - большой интервал жидкого состояния (tпл 29,8°C, tкип 2230°С) и низкое давление пара при температурах до 1100-1200°С. Плотность твердого металла 5,904 г/см 3 (20°С), ниже чем жидкого, поэтому кристаллизующийся галлий, подобно льду, может разорвать стеклянную ампулу. Удельная теплоемкость твердого галлия 376,7 дж/(кг·К).

  Химические свойства:

  На воздухе при обычной температуре галлий стоек. Выше 260°С в сухом кислороде наблюдается медленное окисление (пленка оксида защищает металл). Хлор и бром реагируют с галлием на холоду, йод - при нагревании. Расплавленный галлий при температурах выше 300° С взаимодействует со всеми конструкционными металлами и сплавами (кроме W), образуя интерметаллические соединения.
  При нагревании под давлением галлий реагирует с водой: 2Ga + 4H₂O = 2GaOOH + 3H₂
  С минеральными кислотами Ga медленно реагирует с выделением водорода: 2Ga + 6HCl = 2GaCl₃ + 3H₂
  При этом в серной и соляной кислотах галлий растворяется медленно, в плавиковой - быстро, в азотной кислоте на холоду галлий устойчив.
  В горячих растворах щелочей галлий медленно растворяется. 2Ga + 6H₂O + 2NaOH = 2Na[Ga(OH)₄] + 3H₂

  Важнейшие соединения:

  Оксид галлия , Ga₂O₃ — белый или жёлтый порошок, tпл 1795°C. Получают нагреванием металлического галлия на воздухе при 260 °C или в атмосфере кислорода, или прокаливанием нитрата или сульфата галлия. Существует в виде двух модификаций. Медленно реагирует с кислотами и щелочами в растворе, проявляя амфотерные свойства:
  Гидроксид галлия , Ga(OH)₃ — выпадает в виде желеобразного осадка при обработке растворов солей трёхвалентного галлия гидроксидами и карбонатами щелочных металлов (pH 9,7). Можно получить гидролизом солей трёхвалентного галлия.
  Проявляет амфотерные, с некоторым преобладанием кислотных, свойства, при растворении в щелочах образует галлаты (например, 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.
  Соли галлия . GaCl₃ — бесцветные гигроскопичные кристаллы. tпл 78 °C, tкип 215 °C Ga₂(SO₄)₃*18H₂O — бесцветное, хорошо растворимое в воде вещество, образует двойные соли типа квасцов. Ga(NO₃)₃*8H₂O — бесцветные, растворимые в воде и этаноле кристаллы
  Сульфид галлия , Ga₂S₃ — жёлтые кристаллы или белый аморфный порошок с tпл 1250°C , разлагается водой.
  Гидриды галлия получают исходя из галлийорганических соединений. Подобны гидридам бора, алюминия: Ga₂H₆ — дигаллан, летучая жидкость, tпл − 21,4 °C, tкип 139 °C. [GaH₃]_x - полигаллан, белое твердое вещество. Гидриды неустойчивы, разлагаются с выделением водорода.
  Галанат лития , Li[GaH₄] получают в эфирном растворе реакцией 4LiH + GaCl₃ = Li[GaH₄] + 3LiCl
  Бесцветные кристаллы, неустойчив, водой гидролизуется с выделением водорода.

  Применение:

  Галлий можно использовать для изготовления оптических зеркал, отличающихся высокой отражательной способностью.
  Галлий - превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы практически очень важные металлические клеи.
  Арсенид галлия GaAs, а также GaP, GaSb, обладающие полупроводниковыми свойствами - перспективные материалы для полупроводниковой электроники. Они могут применяться в высокотемпературных выпрямителях и транзисторах, солнечных батареях а также в приемниках инфракрасного излучения.
  Оксид галлия входит в состав важных лазерных материалов группы гранатов - ГСГГ, ИАГ, ИСГГ и др.
  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.
  

  
  

  
  Мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком.

  Галлий / Gallium (Ga), 31

  [Ar] 3d 10 4s 2 4p 1

  1,81 (шкала Полинга)

  a=4,519 b=7,658 c=4,526 Å

  Га́ллий — 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 (CAS-номер: 7440-55-3) — мягкий пластичный металл серебристо-белого (по другим данным светло-серого) цвета с синеватым оттенком.

  Содержание

  История

  Вскоре галлий был открыт, выделен в виде простого вещества и изучен французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. В 1875 году Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки, привезенной из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре им была обнаружена новая фиолетовая линия, свидетельствующая о присутствии в минерале неизвестного элемента. Выделение элемента было сопряжено с немалыми трудностями, поскольку содержание нового элемента в руде было меньше 0,1 %. В итоге Лекоку де Буабодрану удалось получить новый элемент в количестве менее 0,1 г и исследовать его. По свойствам новый элемент оказался сходен с цинком.

  Я думаю…, нет необходимости указывать на исключительное значение, которое имеет плотность нового элемента в отношении подтверждения теоретических взглядов Менделеева

  Происхождение названия

  Поль Эмиль Лекок де Буабодран назвал элемент в честь своей родины Франции, по её латинскому названию — Галлия ( Gallia ).

  Нахождение в природе

  Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т. 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 [3] .

  Месторождения

  Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, России, странах СНГ [4] .

  Получение

  Наиболее мощным потенциальным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита и нефелина. Концентрация галлия в щелочном алюминатном 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 обогащённый осадок обрабатывают известью, галлий переходит в раствор, откуда черновой металл выделяется электролизом. Галлий можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля. Загрязнённый галлий промывают водой, после этого фильтруют через пористые пластины и нагревают в вакууме для того, чтобы удалить летучие примеси. Для получения галлия высокой чистоты используют химический (реакции между солями), электрохимический (электролиз растворов) и физический (разложение) методы.

  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 [1] . 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 [1] .

  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 T_пл.=29,8 °C, кипит галлий при T_кип.=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 69 Ga (61,2 %) и 71 Ga (38,8 %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1·10 −28 м² и 5,1·10 −28 м², соответственно [1] .

  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:

  
  

  При реакции с перегретым паром (350 °C) образуется соединение GaOOH (гидрат оксида галлия или метагаллиевая кислота):

  
  

  Галлий взаимодействует с минеральными кислотами с выделением водорода и образованием солей:

  
  

  Продуктами реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты, содержащие ионы Ga(OH)₄ − и Ga(OH)₆ 3− :

  
  

  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.

  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 гидридогаллаты:

  
  

  Устойчивость ионов падает в ряду BH₄ − → AlH₄ − → GaH₄ − . Ион BH₄ − устойчив в водном растворе, AlH₄ − и GaH₄ − быстро гидролизуются:

  
  

  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.

  Основные соединения

  Применение

  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 галлий-71 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 71 Ga 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 (эвтектика In-Ga-Sn), но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре). Например, по отношению к алюминию и его сплавам галлий является мощным понизителем прочности, (см. адсорбционное понижение прочности, эффект Ребиндера). Это свойство галлия было ярчайше продемонстрировано и детально изучено П. А. Ребиндером и Е. Д. Щукиным при контакте алюминия с галлием или его эвтектическими сплавами (жидкометаллическое охрупчивание). Как теплоноситель галлий малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.

  Галлий — превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы очень важные в практическом плане 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.

  Оксид галлия входит в состав ряда стратегически важных лазерных материалов группы гранатов — ГСГГ, ИАГ, ИСГГ и др.

  Биологическая роль и особенности обращения

  Не играет биологической роли.

  Контакт кожи с галлием приводит к тому, что сверхмалые дисперсные частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно.

  Клиническая картина острого отравления: кратковременное возбуждение, затем заторможенность, нарушение координации движений, адинамия, арефлексия, замедление дыхания, нарушение его ритма. На этом фоне наблюдается паралич нижних конечностей, далее — кома, смерть. Ингаляционное воздействие галлий-содержащего аэрозоля в концентрации 50 мг/м³ вызывает у человека поражение почек, равно как и внутривенное введение 10-25 мг/кг солей галлия. Отмечается протеинурия, азотемия, нарушение клиренса мочевины [5] .

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

  Впервые существование этого элемента предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 на основании открытого им периодического закона. Он предсказал его плотность — 5,9 г/см³. В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран (Р. Е. Lecoq de Boisbaudran) выделил этот элемент из цинковых руд. Де Буабодран определил плотность галлия — 4,7 г/см³, что не соответствовало значению, предсказанному Менделеевым. Уточненное значение плотности галлия (5,904 г/см³) совпало с предсказанием Менделеева.

  Происхождение названия

  Нахождение в природе

  Основной источник галлия — алюминатные растворы, получаемые при переработке глинозёма. После удаления большей части алюминия и многократного концентрирования образуется щелочной раствор, содержащий галлий и алюминий. Галлий выделяют электролизом этого раствора.

  Физические и химические свойства

  При нагревании под давлением галлий реагирует с водой:

  С минеральными кислотами Ga медленно реагирует с выделением водорода:

  Изотоп галлий-71 является важнейшим материалом для регистрации нейтрино, и в этой связи перед техникой стоит весьма актуальная задача выделения этого изотопа из природной смеси в целях повышения чувствительности детекторов нейтрино. Так как содержание 71 Ga 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 Биологическая роль и особенности обращения

  Читайте также:

    
  • Жак бессон токарный станок кратко
    
  • Детство и юность леонардо да винчи кратко
    
  • Фреймы в html кратко
    
  • Комната старухи процентщицы кратко
    
  • Контрнаступление это кратко и понятно