ГАЛІЙ: ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Галій являє собою металевий елемент , який представлений символом Ga , що належить до групи 13 періодичної таблиці. Хімічно він нагадує алюміній за своєю амфотеризмом; проте обидва метали виявляють властивості, які роблять їх відрізняються один від одного.

Наприклад, алюмінієві сплави можна працювати, щоб надати їм всілякі форми; тоді як галій має дуже низькі температури плавлення, що складаються практично з сріблястих рідин. Також температура плавлення галію нижча, ніж у алюмінію; перші можуть танути від тепла руки, а другі не можуть.

Кристали галію, отримані шляхом осадження невеликого фрагмента галію в перенасиченому його розчині (рідкий галій). Джерело: Максим Біловіцький

Хімічна схожість між галієм та алюмінієм також групує їх геохімічно; тобто мінерали або гірські породи, багаті алюмінієм, такі як боксити, мають значну концентрацію галію. Крім цього мінералогічного джерела, є ще цинк, свинець та вуглець, широко розповсюджені по всій земній корі.

Галій - не популярний метал. Саме його ім'я може викликати у малюка зображення півня. Насправді графічні та загальні зображення галію зазвичай зустрічаються із зображенням срібного півня; пофарбована рідким галієм, сильно змочуваною речовиною на склі, кераміці та навіть руці.

Експерименти, в яких руками розтоплюють шматки металевого галію, а також маніпулювання його рідиною та її схильність до плям усього, до чого вона торкається.

Хоча галій не токсичний, як і ртуть, він є руйнівним агентом металів, оскільки робить їх крихкими та марними (в першу чергу). З іншого боку, фармакологічно він втручається в процеси, коли біологічні матриці використовують залізо.

Для тих, хто в світі оптоелектроніки та напівпровідників, галій буде сприйнятий з високою повагою, порівнянний з і, можливо, перевершує сам кремній. З іншого боку, з галію виготовлені термометри, дзеркала та предмети на основі його сплавів.

Хімічно цей метал все ще може запропонувати багато; можливо, в галузі каталізу, ядерної енергії, при розробці нових напівпровідникових матеріалів або "просто" в з'ясуванні їх заплутаної і складної структури.

Історія

Прогнози його існування

У 1871 р. Російський хімік Дмитро Менделєєв вже передбачив існування елемента, властивості якого були аналогічні властивостям алюмінію; який він назвав ekaluminio. Цей елемент повинен був розташовуватися трохи нижче алюмінію. Менделєєв також передбачив властивості (густина, температура плавлення, формули його оксидів тощо) екалюмінію.

Відкриття та ізоляція

Дивно, але через чотири роки французький хімік Пол-Емілі Лекок де Буассудран знайшов новий елемент у зразку сфалериту (цинкової суміші) з Піренеїв. Він зміг його виявити завдяки спектроскопічному аналізу, в якому він спостерігав спектр двох фіолетових ліній, що не збігався з спектром іншого елемента.

Виявивши новий елемент, Лекок провів експерименти на 430 кг сфалериту, з якого він зміг виділити його 0,65 грама; і після серії вимірювань його фізичних та хімічних властивостей він зробив висновок, що це екаллюміній Менделєєва.

Для його ізоляції Лекок здійснив електроліз відповідного гідроксиду в гідроксиді калію; певно той самий, з яким він розчинив сфалерит. Підтвердивши, що це екалюміній, а також був його відкривачем, він дав йому назву "галію" (англ. Galium). Ця назва походить від назви "Gallia", що з латинської означає Франція.

Однак назва викликає ще одну цікавість: "Lecoq" по-французьки означає "півень", а по-латині "gallus". Будучи металом, "gallus" став "галієм"; хоча в іспанській мові конверсія набагато пряміша. Таким чином, не випадково про півня думають, коли говорять про галій.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішній вигляд та фізичні характеристики

Галій - сріблястий металевий сріблястий метал без запаху, що має в'яжучий смак. Її тверда речовина м'яке і крихке, а при руйнуванні воно робить це конфоїдальне; тобто утворені шматочки вигнуті, схожі на морські мушлі.

При плавленні, залежно від кута, під яким він оглядається, він може проявляти синювате сяйво. Ця срібляста рідина не є токсичною при контакті; однак вона занадто сильно «чіпляється» за поверхні, особливо якщо вони керамічні або скляні. Наприклад, одна крапля галію може пронизувати внутрішню частину скляної чашки, щоб покрити її срібним дзеркалом.

Якщо твердий фрагмент галію осідає в рідкому галії, він служить ядром, де швидко розвиваються і розростаються блискучі кристали галію.

Атомне число (Z)

31 ( ₃₁ Га)

Молярна маса

69,723 г / моль

Точка плавлення

29,7646 ° С. Цю температуру можна досягти, щільно тримаючи склянку галію між двома руками, поки він не розплавиться.

Точка кипіння

2400 ° С. Зверніть увагу на великий зазор між 29,7 ° C і 2400 ° C; іншими словами, рідкий галій має дуже низький тиск пари, і цей факт робить його одним із елементів з найбільшою різницею температури між рідким та газоподібним станами.

Щільність

-В кімнатній температурі: 5,91 г / см ³

-Точка плавлення: 6.095 г / см ³

Зауважте, що з галієм відбувається те саме, що і з водою: щільність його рідини більша, ніж у твердої речовини. Тому ваші кристали будуть плавати на рідкому галії (галієві айсберги). Насправді об'ємне розширення твердої речовини таке (три рази), що зберігати рідкий галій у контейнерах, які не виготовлені з пластмас, незручно.

Тепло синтезу

5,59 кДж / моль

Тепло випаровування

256 кДж / моль

Молярна теплоємність

25,86 Дж / (моль К)

Тиск пари

При 1037 ºC тільки його рідина чинить тиск 1 Па.

Електронегативність

1,81 за шкалою Полінга

Енергії іонізації

-По-перше: 578,8 кДж / моль (Ga ⁺ газ)

-Друге: 1979,3 кДж / моль (Ga ²⁺ газоподібний)

-Трете: 2963 кДж / моль (Ga ³⁺ газоподібний)

Теплопровідність

40,6 Вт / (м К)

Електричний опір

270 nΩ м при 20 ºC

Твердість Мооса

1.5

В'язкість

1819 cP при 32 ºC

Поверхневе натягнення

709 дин / см при 30 ºC

Амфотеризм

Як і алюміній, галій є амфотерним; реагує як з кислотами, так і з основами. Наприклад, сильні кислоти можуть розчиняти його, утворюючи солі галію (III); якщо вони H ₂ SO ₄ і HNO ₃ , Ga ₂ (SO ₄ ) ₃ і Ga (NO ₃ ) _{3 утворюються} відповідно. Тоді як при взаємодії з сильними основами утворюються солі галату з іоном Ga (OH) ₄ ^- .

Зверніть увагу на подібність між Ga (OH) ₄ ^- та Al (OH) ₄ ^- (алюмінат). Якщо до середовища додається аміак , утворюється гідроксид галію (III), Ga (OH) ₃ , який також є амфотерним; при взаємодії з сильними основами він виробляє Ga (OH) ₄ ^{- знову} , але якщо він реагує з сильними кислотами, він звільняє складний водний ³⁺ .

Реактивність

Металічний галій є відносно інертним при кімнатній температурі. Він не реагує з повітрям, оскільки тонкий шар оксиду Ga ₂ O ₃ захищає його від кисню та сірки. Однак при нагріванні окислення металу триває, повністю перетворюючись у його оксид. А якщо сірка присутня, при високій температурі вона реагує на утворення Ga ₂ S ₃ .

Існують не тільки оксиди та сульфіди галію, але й фосфіди (GaP), арсеніди (GaAs), нітриди (GaN) та антимоніди (GaSb). Такі сполуки можуть виникати шляхом прямої реакції елементів при підвищеній температурі або альтернативними способами синтезу.

Так само галій може реагувати з галогенами, утворюючи свої відповідні галогеніди; такі як Ga ₂ Cl ₆ , GaF ₃ і Ga ₂ I ₃ .

Цей метал, як алюміній та його конгенери (члени тієї ж групи 13), можуть ковалентно взаємодіяти з атомами вуглецю, утворюючи металоорганічні сполуки. У випадку тих, хто має зв'язки Ga-C, вони називаються органогаліями.

Найбільше цікаво про галій - це не будь-які його попередні хімічні характеристики, а його величезна легкість, за допомогою якої він може бути легований (подібний до ртуті та процесу злиття). Його атоми Ga швидко "втирають плечі" між металевими кристалами, в результаті чого утворюються сплави галію.

Структура та електронна конфігурація

Складність

Галій не тільки незвичний тим, що це метал, який плавиться від тепла долоні, але його структура є складною і невизначеною.

З одного боку, відомо, що його кристали в нормальних умовах приймають орторомбічну структуру (Ga-I); Однак це лише одна з безлічі можливих фаз цього металу, точний порядок його атомів не визначений. Тому вона є більш складною структурою, ніж може здатися на перший погляд.

Здається, результати змінюються залежно від кута чи напрямку, в якому аналізується його структура (анізотропія). Крім того, ці структури дуже сприйнятливі до найменших змін температури або тиску, що означає, що галій не може бути визначений як один тип кристала під час інтерпретації даних.

Димери

Атоми Ga взаємодіють між собою завдяки металевому зв’язку. Однак певна ступінь ковалентності виявлена ​​між двома сусідніми атомами, тому передбачається існування димеру Ga ₂ (Ga-Ga).

Теоретично ця ковалентна зв'язок повинна утворюватися внаслідок перекриття орбіталі 4p, з її єдиним електроном відповідно до електронної конфігурації:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

Цій суміші ковалентно-металевих взаємодій приписують низьку температуру плавлення галію; оскільки, з одного боку, може існувати «море електронів», яке щільно утримує атоми Ga в кристалі, з іншого структурні одиниці складаються з димерів Ga ₂ , міжмолекулярні взаємодії яких слабкі.

Фази під високим тиском

Коли тиск зростає від 4 до 6 ГПа, кристали галію зазнають фазових переходів; від орторомбіка вона переходить до кубічного центру з тілом (Ga-II), а з цього остаточно переходить до чотирикутного, зосередженого на тілі (Ga-III). У діапазоні тиску, можливо, утворюється суміш кристалів, що ускладнює інтерпретацію структур.

Окислювальні числа

Найенергійніші електрони - це ті, що знаходяться на орбіталях 4s і 4p; оскільки їх є три, тому очікується, що галій може втратити їх у поєднанні з елементами, більш електронегативними, ніж він.

Коли це відбувається, передбачається існування катіона Ga ³⁺ , а його кількість чи стан окислення називають +3 або Ga (III). Насправді це найпоширеніший з усіх його окислювальних чисел. Такі сполуки, наприклад, містять галій як +3: Ga ₂ O ₃ (Ga ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ), Ga ₂ Br ₆ (Ga ₂ ³⁺ Br ₆ ^- ), Li ₃ GaN ₂ (Li ₃ ⁺ Ga ³⁺ N ₂ ^3- ) і Ga ₂ Te ₃ (Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2- ).

Галій також можна зустріти з окислювальними числами +1 і +2; хоча вони зустрічаються набагато рідше, ніж +3 (аналогічні, як у алюмінію). Прикладами таких сполук є GaCl (Ga ⁺ Cl ^- ), Ga ₂ O (Ga ₂ ⁺ O ^2- ) і GaS (Ga ²⁺ S ^2- ).

Зауважимо, що існування іонів із величиною заряду, ідентичним розглянутим окислювальному числу, завжди передбачається (правильно чи ні).

Де знайти та отримати

Зразок мінералу галлита, який рідкісний, але єдиний з помітною концентрацією галію. Джерело: Роб Лавінський, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Галій міститься в земній корі з великою кількістю, пропорційною кількості металів кобальту, свинцю та ніобію. Він з'являється у вигляді гідратного сульфіду або оксиду, широко поширений у вигляді домішок, що містяться в інших мінералах.

Її оксиди та сульфіди погано розчиняються у воді, тому концентрація галію в морях та річках низька. Крім того, єдиним мінералом, багатим галієм, є галліта (CuGaS ₂ , верхнє зображення). Однак експлуатувати курку для отримання цього металу недоцільно. Менш відомий мінеральний галлійний плумбогуміт.

Тому ідеальних руд для цього металу немає (з концентрацією, що перевищує 0,1 мас.%).

Натомість галій отримують як побічний продукт металургійної обробки руд інших металів. Наприклад, його можна добувати з бокситів, цинкових блендерів, квасцов, вугілля, гален, піритів, германітів тощо; тобто зазвичай асоціюється з алюмінієм, цинком, вуглецем, свинцем, залізом та германієм у різних мінеральних тілах.

Іонообмінна хроматографія та електроліз

Коли мінеральна сировина перетравлюється або розчиняється або в сильнокислих, або в основних середовищах, отримують суміш іонів металів, розчинених у воді. Оскільки галій є вторинним продуктом, його іони Ga ³⁺ залишаються розчиненими в суміші після осадження цікавих металів.

Таким чином, бажано відокремити ці Ga ³⁺ від інших іонів з єдиною метою підвищення їх концентрації та чистоти одержуваного металу.

Для цього, крім звичайних методів осадження, використовується іонообмінна хроматографія за допомогою використання смоли. Завдяки цій техніці можна відокремити (наприклад) Ga ³⁺ від Ca ²⁺ або Fe ³⁺ .

Після отримання висококонцентрованого розчину іонів Ga ³⁺ його піддають електролізу; тобто Ga ³⁺ отримує електрони, щоб мати можливість формуватися як метал.

Ізотопи

Галлій зустрічається в природі головним чином у вигляді двох ізотопів: ⁶⁹ Ga, з великою кількістю 60,11%; та ⁷¹ га, із чисельністю 39,89%. Саме з цієї причини атомна маса галію становить 69,723 u. Інші ізотопи галію - синтетичні та радіоактивні, атомні маси - від ⁵⁶ Ga до ⁸⁶ Ga.

Ризики

Екологічні та фізичні

З екологічної точки зору, металевий галій не дуже реагує і розчинний у воді, тому його розливи теоретично не становлять серйозних ризиків забруднення. Крім того, невідомо, яку біологічну роль він може мати в організмах, оскільки більша частина його атомів виводиться з сечею, без ознак накопичення в жодній з її тканин.

На відміну від ртуті, з галієм можна обробляти голими руками. Насправді експеримент намагатися розплавити його теплом рук досить поширений. Людина може торкнутися отриманої срібної рідини, не боячись пошкодити чи поранити їх шкіру; хоча це і залишає сріблясту пляму на ньому.

Однак прийом її всередину може бути токсичним, оскільки теоретично він би розчинявся в шлунку, утворюючи GaCl ₃ ; солі галію, вплив яких на організм не залежить від металу.

Пошкодження металів

Для галію характерно сильне фарбування або прилягання до поверхонь; і якщо вони металеві, він проходить через них і утворює сплави миттєво. Ця характеристика можливості сплаву майже всіх металів робить недоцільним розливання рідкого галію на будь-який металевий предмет.

Тому металеві предмети ризикують розірватися на шматки у присутності галію. Його дія може бути настільки повільною і непомітною, що приносить небажані сюрпризи; особливо якщо він був розлитий на металевий стілець, який може розвалитися, коли хтось на ньому сидить.

Ось чому ті, хто бажає поводитися з галієм, ніколи не повинні контактувати з іншими металами. Наприклад, його рідина здатна розчиняти алюмінієву фольгу, а також проникати в кристали індію, заліза та олова, щоб зробити їх крихкими.

Загалом, незважаючи на вищезазначене та факт, що його пари майже відсутні при кімнатній температурі, галій, як правило, вважається безпечним елементом з нульовою токсичністю.

Програми

Термометри

Термометри Галінгстан Джерело: Gelegenheitsautor

Галій замінив ртуть як рідину для зчитування температур, позначених термометром. Однак температура плавлення 29,7 ºC все ще висока для цього застосування, тому в його металевому стані використовувати його в термометрах було б неможливо; натомість використовується сплав під назвою Galinstan (Ga-In-Sn).

Сплав Galinstan має температуру плавлення близько -18ºC, а додана нульова токсичність робить його ідеальною речовиною для проектування незалежних від ртуті медичних термометрів. Таким чином, якби його зламати, було б безпечно очистити безлад; хоча він забруднив би підлогу через свою здатність до вологих поверхонь.

Виробництво дзеркал

Знову згадується змочуваність галію та його сплавів. Коли вона торкається фарфорової поверхні або скла, вона поширюється по всій поверхні до повного покриття срібним дзеркалом.

Окрім дзеркал, сплави галію використовувались для створення предметів будь-якої форми, оскільки після охолодження вони тверднуть. Це може мати великий нанотехнологічний потенціал: будувати об’єкти дуже малих розмірів, які логічно діяли б при низьких температурах і виявляли б унікальні властивості на основі галію.

Комп'ютери

Теплові пасти, що використовуються в комп'ютерних процесорах, виготовлені із сплавів галію.

Наркотики

Іони Ga ³⁺ мають певну схожість з Fe ³⁺ за способом їх втручання в обмінні процеси. Тому, якщо є функція, паразит або бактерії, для виконання яких потрібне залізо, їх можна зупинити, прийнявши його за галій; такий випадок бактерій псевдомонас.

Ось тут з’являються препарати з галієм, які можуть просто складатися з його неорганічних солей або органогалій. La Ganita, торгова назва нітрату галію, Ga (NO ₃ ) ₃ , використовується для регулювання високих концентрацій кальцію (гіперкальціємія), пов’язаних з раком кісток.

Технологічна

Арсенід і нітрид галію характеризуються напівпровідниками, які замінили кремній у певних оптоелектронних сферах. З ними виготовлені транзистори, лазерні діоди та світлодіоди (синій та фіолетовий), мікросхеми, сонячні батареї тощо. Наприклад, завдяки GaN-лазерам, диски Blu-Ray можна читати.

Каталізатори

Оксиди галію були використані для вивчення їх каталізу в різних органічних реакціях, що представляють великий промисловий інтерес. Один з новіших галієвих каталізаторів складається з власної рідини, над якою розсіюються атоми інших металів, які діють як активні центри або ділянки.

Наприклад, каталізатор галію-паладій був вивчений в реакції дегідрування бутану; тобто перетворення бутану в більш реакційноздатні ненасичені види, необхідні для інших промислових процесів. Цей каталізатор складається з рідкого галію, який виступає в якості опори для атомів паладію.

Список літератури

1. Селла Андреа. (23 вересня 2009 р.). Галій. Світ хімії. Відновлено з: chemistryworld.com
2. Вікіпедія. (2019). Галій. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Місцева структура рідкого галію під тиском. Наукові доповіді, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Брахама Д. Шарма та Джеррі Донохуе. (1962). Удосконалення кристалічної структури галію. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Ван, У., Цінь, Ю., Лю, Х. та ін. (2011 р.). Причини поширення, виникнення та збагачення галію у вугіллі з вугілля Родовища Джунгар, Внутрішня Монголія. Науковий співробітник Китаю Земля 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Маркес Мігель. (sf). Галій. Відновлено з: nautilus.fis.uc.pt
7. Редактори Encyclopeedia Britannica. (5 квітня 2018 р.). Галій. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
8. Блум Джош. (3 квітня 2017 р.). Галій: Тане в роті, а не в руках! Американська рада з питань науки та охорони здоров'я. Відновлено з: acsh.org
9. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факти елемента галію. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com
10. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Галій. PubChem База даних. CID = 5360835. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov