Galiu | ||||
---|---|---|---|---|
← Zinc | Germaniu → | ||||
| ||||
Aspectul unei substanțe simple | ||||
mostra de galiu | ||||
Proprietățile atomului | ||||
Nume, simbol, număr | Galiu / Galiu (Ga), 31 | |||
Grup , punct , bloc |
13 (învechit 3), 4, p-element |
|||
Masa atomica ( masa molara ) |
69.723(1) [1] a. e. m. ( g / mol ) | |||
Configuratie electronica |
[Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1 |
|||
Raza atomului | ora 141 | |||
Proprietăți chimice | ||||
raza covalentă | ora 126 | |||
Raza ionică | (+3e) 62 (+1e) 81 pm | |||
Electronegativitatea | 1,81 (scara Pauling) | |||
Potențialul electrodului | 0 | |||
Stări de oxidare | +1, +3 | |||
Energia de ionizare (primul electron) |
578,7 (6,00) kJ / mol ( eV ) | |||
Proprietățile termodinamice ale unei substanțe simple | ||||
Densitate (la n.a. ) | 5,91 g/cm³ | |||
Temperatură de topire | 302,9146 K (29,7646°C) | |||
Temperatura de fierbere | 2477 K (2203,85°C) | |||
Oud. căldură de fuziune | 5,59 kJ/mol | |||
Oud. căldură de evaporare | 270,3 kJ/mol | |||
Capacitate de căldură molară | 26,07 [2] J/(K mol) | |||
Volumul molar | 11,8 cm³ / mol | |||
Rețeaua cristalină a unei substanțe simple | ||||
Structura de zăbrele | ortorombic | |||
Parametrii rețelei | a=4,519 b=7,658 c=4,526 Å | |||
Debye temperatura | 240K _ | |||
Alte caracteristici | ||||
Conductivitate termică | (300 K) 28,1 W/(m K) | |||
numar CAS | 7440-55-3 |
31 | Galiu |
Ga69.723 | |
3d 10 4s 2 4p 1 |
Galiul ( simbol chimic - Ga , din lat. Galiu ) este un element chimic din grupa a 13-a (conform clasificării învechite - subgrupul principal al celui de-al treilea grup, IIIA), a patra perioadă a sistemului periodic de elemente chimice din D. I. Mendeleev , cu număr atomic 31.
Substanța simplă galiu este un metal moale fragil de culoare alb-argintie (conform altor surse, gri deschis) cu o nuanță albăstruie. Aparține grupului de metale ușoare .
Existența galiului a fost prezisă științific de D. I. Mendeleev . Când a creat sistemul periodic de elemente chimice în 1869, pe baza Legii periodice pe care a descoperit -o, a lăsat locuri libere în grupa a treia pentru elemente necunoscute - analogi ai aluminiului și siliciului (ekaaluminiu și ekasilicon) [3] . Mendeleev, pe baza proprietăților elementelor vecine, bine studiate, a descris cu precizie nu numai cele mai importante proprietăți fizice și chimice , ci și metoda descoperirii - spectroscopie . În special, într-un articol din 11 decembrie (29 noiembrie, stil vechi) 1870 , publicat în Jurnalul Societății Ruse de Chimie [ 4] , Mendeleev a indicat că greutatea atomică a ekaaluminiului este aproape de 68, greutatea specifică este de aproximativ 6 g / cm3 .
Proprietate | Ekaaluminiu | Galiu |
---|---|---|
Masă atomică | ~68 | 69.723 |
Gravitație specifică | 5,9 g/ cm3 | 5,904 g/ cm3 |
Temperatură de topire | Scăzut | 29,767 °C |
Formula de oxid | M2O3 _ _ _ | Ga2O3 _ _ _ |
Densitatea oxidului | 5,5 g/ cm3 | 5,88 g/ cm3 |
Hidroxid | amfoter | amfoter |
Galiul a fost în curând descoperit, izolat ca substanță simplă și studiat de chimistul francez Paul Émile Lecoq de Boisbaudran . 20 septembrie 1875 . La o reuniune a Academiei de Științe din Paris , a fost citită o scrisoare a lui Lecoq de Boisbaudran despre descoperirea unui nou element și studiul proprietăților acestuia. Scrisoarea relata că la 27 august 1875, între orele 15 și 16, el a descoperit semne ale unui nou corp simplu într-un specimen de blendă de zinc , adus de la mina Pierrefitte din valea Argelès ( Pirinei ). Așadar, examinând spectrul eșantionului, Lecoq de Boisbaudran a dezvăluit două noi linii violete corespunzătoare lungimii de undă de 404 și 417 milionimi de milimetru și indicând prezența unui element necunoscut în mineral. În aceeași scrisoare, el a propus denumirea noului element Gallium [6] . Izolarea elementului a fost asociată cu dificultăți considerabile, deoarece conținutul noului element în minereu era mai mic de 0,2%. Drept urmare, Lecoq de Boisbaudran a reușit să obțină un nou element în cantitate mai mică de 0,1 g și să-l studieze. Proprietățile noului element s-au dovedit a fi similare cu zincul.
O furtună de încântare a fost provocată de mesajul despre numele elementului în onoarea Franței, conform numelui său roman. Mendeleev, după ce a aflat despre descoperire dintr-un raport publicat, a descoperit că descrierea noului element coincide aproape exact cu descrierea ekaaluminiului prezisă de el mai devreme. El a trimis o scrisoare lui Lecoq de Boisbaudran despre aceasta, subliniind că densitatea noului metal a fost determinată incorect și ar trebui să fie 5,9-6,0, și nu 4,7 g/cm 3 . O verificare amănunțită a arătat că Mendeleev avea dreptate, iar Lecoq de Boisbaudran însuși a scris despre asta:
Cred că..., nu este nevoie să subliniem importanța excepțională pe care o are densitatea unui element nou în raport cu confirmarea opiniilor teoretice ale lui Mendeleev.
— Citat. conform [7]Descoperirea galiului și descoperirile de germaniu și scandiu care au urmat la scurt timp după, au întărit poziția Legii periodice, demonstrând clar potențialul ei predictiv. Mendeleev l-a numit pe Lecoq de Boisbaudran unul dintre „întăritorii legii periodice”.
Paul Emile Lecoq de Boisbaudran a numit elementul în onoarea patriei sale, Franța, după numele său latin - Gallia ( Gallia ) [8] .
Există o legendă nedocumentată că în numele elementului descoperitorul său și-a perpetuat implicit numele de familie ( Lecoq ). Denumirea latină a elementului ( Gallium ) este consonantă cu gallus - „cocoș” (lat.) [9] . Este de remarcat faptul că cocoșul le coq (franceză) este simbolul Franței.
Conținutul mediu de galiu din scoarța terestră este de 19 g/t. Galiul este un oligoelement tipic cu o dublă natură geochimică. Datorită apropierii proprietăților sale chimice cristaline cu principalele elemente de formare a rocii (Al, Fe etc.) și a posibilității largi de izomorfism cu acestea, galiul nu formează acumulări mari, în ciuda valorii clarke semnificative . Se disting următoarele minerale cu conținut ridicat de galiu: sfalerit (0-0,1%), magnetit (0-0,003%), casiterit (0-0,005%), granat (0-0,003%), beril (0-0,003% ) ), turmalina (0-0,01%), spodumen (0,001-0,07%), flogopit (0,001-0,005%), biotit (0-0,1%), moscovit (0-0,01%), sericit (0-0,005%), lepidolit (0,001-0,03%), clorit (0-0,001%), feldspați (0-0,01%), nefelină (0-0,1%), hecmanit (0,01 -0,07%), natrolit (0-0,1%). Concentrația de galiu în apa de mare este de 3⋅10 −5 mg/l [10] .
Depozitele de galiu sunt cunoscute în Africa de Sud-Vest, Rusia, țările CSI [11] .
Galiul cristalin are mai multe modificări polimorfe , totuși, doar una (I) este stabilă termodinamic, având o rețea ortorombic ( pseudotetragonal ) cu parametrii a = 4,5186 Å , b = 7,6570 Å , c = 4,5256 Å [2] . Alte modificări ale galiului ( β , γ , δ , ε ) cristalizează din metalul dispersat suprarăcit și sunt instabile. La presiune ridicată s-au observat încă două structuri polimorfe de galiu II și III, având, respectiv, rețele cubice și tetragonale [2] .
Densitatea galiului în stare solidă la o temperatură de 20 ° C este de 5,904 g / cm³ , galiul lichid ( t pl. \u003d 29,8 ° C ) are o densitate de 6,095 g / cm³ , adică în timpul solidificării, volumul de galiu crește. Această proprietate este destul de rară, fiind prezentată doar de câteva substanțe și compuși simpli (în special apă , siliciu , germaniu , antimoniu , bismut și plutoniu ). Galiul fierbe la 2230 °C. Una dintre caracteristicile galiului este un domeniu larg de temperatură pentru existența unei stări lichide (de la 30 la 2230 °C), în timp ce are o presiune scăzută a vaporilor la temperaturi de până la 1100–1200 °C. Capacitatea termică specifică a galiului solid în intervalul de temperatură T = 0–24°C este de 376,7 J /kg K ( 0,09 cal /g grad ), în stare lichidă la T = 29–100°C , capacitatea termică specifică este 410 J/kg K ( 0,098 cal/g grad ).
Rezistivitatea electrică în stare solidă și lichidă este, respectiv, 53,4⋅10 −6 Ohm·cm (la T = 0°C ) și 27,2⋅10 −6 Ohm·cm (la T = 30°C ). Vâscozitatea galiului lichid la diferite temperaturi este de 1,612 centipoise la T = 98°C și 0,578 centipoise la T = 1100°C . Tensiunea superficială , măsurată la 30 ° C într - o atmosferă de hidrogen , este de 0,735 N/m . Coeficienții de reflexie pentru lungimile de undă de 4360 Å și 5890 Å sunt de 75,6% și, respectiv, 71,3%.
Galiul natural este format din doi izotopi stabili 69 Ga ( abundență izotopică 60,11 at. % ) și 71 Ga ( 39,89 at. % ). Secțiunea transversală de captare a neutronilor termici este de 2,1 barn și respectiv 5,1 barn [2] .
În plus față de aceștia, sunt cunoscuți 29 de izotopi radioactivi artificiali de galiu cu numere de masă de la 56 Ga la 86 Ga și cel puțin 3 stări izomerice ale nucleelor . Cei mai lungi izotopi radioactivi ai galiului sunt 67 Ga ( timp de înjumătățire 3,26 zile) și 72 Ga (timp de înjumătățire 14,1 ore).
Proprietățile chimice ale galiului sunt apropiate de cele ale aluminiului , dar reacțiile galiului metalic tind să fie mult mai lente datorită activității chimice mai scăzute. Filmul de oxid format pe suprafața metalului în aer protejează galiul de oxidarea ulterioară.
Galiul reacționează lent cu apa fierbinte, înlocuind hidrogenul din aceasta și formând hidroxid de galiu (III) :
În practică, această reacție nu are loc datorită oxidării rapide a suprafeței metalice.
Când reacţionează cu abur supraîncălzit (350 °C), se formează compusul GaOOH (oxid de galiu hidrat sau acid metagalic):
Galiul interacționează cu acizii minerali pentru a elibera hidrogen și a forma săruri :
În practică, reacția are loc numai cu acizi minerali concentrați și este foarte accelerată prin încălzire.Produșii de reacție cu alcalii și carbonați de potasiu și sodiu sunt hidroxogalați care conțin ioni Ga(OH) 4 − și Ga(OH) 6 3 − :
Galiul reacționează cu halogeni : reacția cu clorul și bromul are loc la temperatura camerei, cu fluor - deja la -35 ° C (aproximativ 20 ° C - cu aprindere), interacțiunea cu iodul începe la încălzire.
La temperaturi ridicate, prin încălzire într-o cameră etanșă, se pot obține halogenuri instabile de galiu (I) - GaCl , GaBr , GaI :
Galiul nu interacționează cu hidrogenul , carbonul , azotul , siliciul și borul .
La temperaturi ridicate, galiul este capabil să distrugă diferite materiale și acțiunea sa este mai puternică decât topirea oricărui alt metal. Deci, grafitul și wolframul sunt rezistente la acțiunea topiturii de galiu până la 800 ° C, alundum și oxidul de beriliu BeO - până la 1000 ° C, tantalul , molibdenul și niobiul sunt rezistente până la 400-450 ° C.
Cu majoritatea metalelor, galiul formează galide, cu excepția bismutului , precum și a metalelor din subgrupele zinc , scandiu și titan . Una dintre galide, V 3 Ga , are o temperatură de tranziție supraconductoare destul de ridicată de 16,8 K.
Galiul formează hidrdogalați:
Stabilitatea ionică scade în seria BH 4 − → AlH 4 − → GaH 4 − . Ionul BH 4 - stabil în soluție apoasă, AlH 4 - și GaH 4 - hidrolizează rapid :
Compușii organici de galiu sunt reprezentați de derivați alchil (de exemplu, trimetilgaliu ) și arii (de exemplu, trifenilgaliu ) cu formula generală GaR3 , precum și analogii lor haloalchil și haloaril GaHal 3− n R n . Compușii organici de galiu sunt instabili la apă și aer, cu toate acestea, ei nu reacționează la fel de violent ca compușii organoaluminiu.
Când Ga (OH) 3 și Ga 2 O 3 sunt dizolvate în acizi, se formează complexe acvatice [Ga (H 2 O) 6 ] 3+ , prin urmare, sărurile de galiu sunt izolate din soluții apoase sub formă de hidrați cristalini , de exemplu , clorură de galiu GaCl 3 6H 2 O, alaun de potasiu galiu KGa(SO 4 ) 2 12H 2 O. Complecșii acvatici de galiu în soluții sunt incolori.
Reacționează cu o soluție de dicromat de potasiu și acid sulfuric concentrat (nu mai puțin de 50%) într-un raport de aproximativ 1:1. Când la suprafața galiului se atinge concentrația necesară de substanțe care reacţionează, apare fenomenul de tensiune superficială din care, datorită modificării constante a cantității de substanțe obținute, o picătură de metal lichid dobândește capacitatea de a „pulsa”. Aceste expansiuni și contracții amintesc de munca inimii, de la care această experiență a primit numele de „Inimă de Galiu”. Această reacție nu are nicio semnificație practică pentru știință și este un indicator al acestui metal.
Pentru a obține galiu metalic, se folosește mai des galitul mineral rar CuGaS 2 ( cupru și sulfură de galiu în amestec). Urmele sale se găsesc constant la sfalerite , calcopirită și germanită [12] . În cenușa unor cărbuni bituminoși s-au găsit cantități semnificativ mai mari (până la 1,5%). Cu toate acestea, principala sursă de obținere a galiului sunt soluțiile de producție de alumină în timpul procesării bauxitei (conținând de obicei impurități minore (până la 0,1%)) și nefelinei . Galiul poate fi obținut și prin prelucrarea minereurilor polimetalice, cărbunelui. Este extras prin electroliza lichidelor alcaline, care sunt un produs intermediar al procesării bauxitei naturale în alumină comercială. Concentrația de galiu într-o soluție de aluminat alcalin după descompunere în procesul Bayer: 100-150 mg/l , conform metodei de sinterizare: 50-65 mg/l . Conform acestor metode, galiul este separat de cea mai mare parte a aluminiului prin carbonizare, concentrându-se în ultima fracție de precipitat. Apoi precipitatul îmbogățit este tratat cu var, galiul intră în soluție, de unde metalul brut este eliberat prin electroliză . Galiul contaminat este spălat cu apă, apoi filtrat prin plăci poroase și încălzit sub vid pentru a îndepărta impuritățile volatile. Pentru a obține galiu de înaltă puritate, se folosesc metode chimice (reacții între săruri), electrochimice (electroliza soluțiilor) și fizice (descompunere). Într-o formă foarte pură (99,999%), a fost obținut prin rafinare electrolitică, precum și prin reducerea cu hidrogen a GaCl3 purificat cu grijă .
Galiul este un produs secundar în producția de aluminiu.
Galiul este scump, în 2005 pe piața mondială o tonă de galiu a costat 1,2 milioane de dolari SUA , iar datorită prețului ridicat și, în același timp, mare nevoie de acest metal, este foarte important să se stabilească extracția sa completă în producția de aluminiu. și prelucrarea cărbunelui în combustibil lichid. Aproximativ 97% din producția mondială de galiu merge către diverși compuși semiconductori [2] [13] .
Galiul are o serie de aliaje care sunt lichide la temperatura camerei (așa-numitul gallum ) [2] , iar unul dintre aliajele sale are un punct de topire de -19 °C ( galinstan , eutectic In-Ga-Sn). Galamurile sunt folosite pentru a înlocui mercurul toxic ca sigilii lichide în dispozitivele de vid și soluții de difuzie, ca lubrifianți la îmbinarea pieselor de cuarț, sticlă și ceramică. Pe de altă parte, galiul (aliaje într-o măsură mai mică) este foarte agresiv la majoritatea materialelor structurale (fisurarea și eroziunea aliajelor la temperatură ridicată). De exemplu, în raport cu aluminiul și aliajele sale, galiul este un puternic reducător de rezistență (vezi Reducerea rezistenței de adsorbție, Efectul Relinder ). Această proprietate a galiului a fost demonstrată și studiată în detaliu de P. A. Rebinder și E. D. Shchukin în timpul contactului aluminiului cu galiul sau aliajele sale eutectice (fragilare lichid-metal). În plus, umezirea aluminiului cu o peliculă de galiu lichid determină oxidarea sa rapidă, similar cu ceea ce se întâmplă cu aluminiul amalgamat cu mercur. Galiul se dizolvă la punctul de topire aproximativ 1% din aluminiu, care ajunge la suprafața exterioară a filmului, unde este oxidat instantaneu de aer. Filmul de oxid de pe suprafața lichidului este instabil și nu protejează împotriva oxidării ulterioare.
Galiul și aliajul său eutectic cu indiu sunt folosite ca agent de răcire în circuitele reactoarelor [2] .
Galiul poate fi folosit ca lubrifiant și ca acoperire pentru oglinzile cu destinații speciale. Pe baza de galiu și nichel , s-au creat cleiuri metalice de galiu și scandiu , importante din punct de vedere practic .
Galiul metalic este, de asemenea, introdus în termometre cu cuarț (în loc de mercur ) pentru a măsura temperaturile ridicate. Acest lucru se datorează faptului că galiul are un punct de fierbere mult mai mare decât mercurul [14] .
Oxidul de galiu face parte dintr-un număr de materiale laser importante din grupul granat - GSHG (granat gadoliniu-scandiu-galiu ), YSGG ( granat ytriu-scandiu-galiu ), etc.
Arseniura de galiu GaAs este utilizat în mod activ în electronica cu microunde , lasere semiconductoare.
Nitrura de galiu GaN este utilizată la crearea laserelor semiconductoare și LED-urilor, radiațiilor ultraviolete și violete. Nitrura de galiu dopată cu indiu, InGaN , este utilizată pentru a produce LED-uri albastre , violete și verzi de înaltă eficiență . În plus, LED-urile albe sunt produse prin acoperirea LED-urilor albastre cu un fosfor , care este o sursă de lumină eficientă . Astfel de LED-uri sunt utilizate pe scară largă pentru iluminat. Pe lângă optoelectronică, nitrura de galiu este folosită în electronica de putere pentru a crea tranzistoare puternice de mare viteză [15] , precum și tranzistoare HEMT pentru electronica cu microunde [16] . Nitrura de galiu are proprietăți chimice și mecanice excelente tipice tuturor compușilor de nitrură.
Pentru LED-uri, lasere semiconductoare și alte aplicații ale optoelectronică și fotovoltaică , se mai folosesc și alți compuși semiconductori de galiu tip A III B V : nitrură de indiu-galiu, arseniură de indiu-galiu , nitrură de indiu-galiu-aluminiu , antimoniură de galiu , arseniură de galiu -fosfură , arsenidă- fosfură de antimoniură de indiu, galiu, fosfură de galiu, arseniură de aluminiu , etc.
Langazitul (LGS, silicat de galiu lantan) este folosit ca material piezo.
Izotopul galiu-71 , care reprezintă aproximativ 39,9% în amestecul natural de izotopi, este un material pentru detectarea neutrinilor . Folosirea acestuia ca detector de neutrini poate crește sensibilitatea de detecție cu un factor de 2,5.
Un aliaj galiu-plutoniu (cu un conținut de galiu de ordinul 3-3,5 at.%) este utilizat în bombele nucleare cu plutoniu pentru a stabiliza structura cristalină a plutoniului în faza delta pe un interval larg de temperatură. În plus, adăugarea de galiu crește rezistența la coroziune a plutoniului și aproape anulează coeficientul său de dilatare termică; în acest caz, spre deosebire de aluminiu, galiul are o secțiune transversală scăzută pentru reacția (α, n). În special, bomba Fat Man aruncată pe Nagasaki conținea plutoniu stabilizat cu galiu [17] .
Datorită punctului de topire scăzut, lingourile de galiu se recomandă a fi transportate în saci de polietilenă , care sunt slab umeziți de galiu lichid.
În medicină, galiul este utilizat pentru a inhiba pierderea osoasă la pacienții cu cancer și pentru a opri rapid sângerarea de la rănile profunde, fără a provoca cheaguri de sânge. De asemenea, galiul este un agent antibacterian puternic și accelerează vindecarea rănilor [18] .
Nu joacă un rol biologic.
Contactul pielii cu galiu duce la faptul că pe ea rămân particule dispersate ultrafine ale metalului. În exterior, arată ca o pată gri. Când încercați să-l îndepărtați, se întinde și mai mult. Cel mai bun mod de a elimina petele de pe mâini sau suprafețe este să folosești săpun lichid.
Galiul este slab toxic după unele surse [2] , foarte toxic după altele [19] . Tabloul clinic al otrăvirii: excitare de scurtă durată, apoi letargie, tulburări de coordonare a mișcărilor, adinamie , areflexie , încetinire a respirației, tulburări ale ritmului acesteia. Pe acest fond, se observă paralizia extremităților inferioare , apoi comă , moarte . Expunerea prin inhalare la un aerosol care conține galiu la o concentrație de 50 mg/m³ provoacă leziuni renale la oameni, precum și administrarea intravenoasă a 10-25 mg/kg de săruri de galiu. Se notează proteinurie , azotemie , clearance -ul ureei afectat [20] .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Sistem periodic de elemente chimice a lui D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Seria de activitate electrochimică a metalelor | |
---|---|
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 , |