Атомна маса на галия. Галият е метал, който се топи в ръцете

От елемента с атомен номер 31 повечето читатели си спомнят само, че той е един от трите елемента, предсказани и описани най-подробно от D.I. Менделеев, и че галият е много топим метал: за да се превърне в течност, топлината на дланта е достатъчна.

Галият обаче не е най-топимият метал (дори и да не броим живака). Неговата точка на топене е 29,75°C, докато цезият се топи при 28,5°C; само цезий, като всеки алкален метал, не можете да вземете в ръцете си, следователно, в дланта на ръката си, естествено, е по-лесно да се стопи галий, отколкото цезий.

Съзнателно започнахме нашия разказ за елемент No31 със споменаване на това, което е известно на почти всички. Защото това "известно" се нуждае от известно обяснение. Всеки знае, че галият е бил предсказан от Менделеев и открит от Лекок дьо Боабодран, но не всеки знае как се е случило откритието. Почти всеки знае, че галият е топим, но почти никой не може да отговори на въпроса защо е топим.

Как е открит галият?

Френският химик Пол Емил Лекок дьо Боабодран влезе в историята като откривател на три нови елемента: галий (1875), самарий (1879) и диспрозий (1886). Първото от тези открития му донесе слава.

По това време извън Франция той беше малко известен. Той беше на 38 години, занимаваше се основно със спектроскопски изследвания. Lecoq de Boisbaudran беше добър спектроскоп и това в крайна сметка доведе до успех: той открива и трите си елемента чрез спектрален анализ.

През 1875 г. Lecoq de Boisbaudran изследва спектъра на цинковата смес, донесена от Pierrefitte (Пиренеи). Именно в този спектър е открита нова виолетова линия (дължина на вълната 4170 Ǻ). Новата линия показва наличието на неизвестен елемент в минерала и, съвсем естествено, Лекок де Боабодран положи всички усилия да изолира този елемент. Това не беше лесно да се направи: съдържанието на новия елемент в рудата беше по-малко от 0,1% и в много отношения беше подобно на цинка*. След продължителни експерименти ученият успя да получи нов елемент, но в много малко количество. Толкова малък (по-малко от 0,1 g), че Lecoq de Boisbaudrap не може да проучи напълно неговите физични и химични свойства.

Как се получава галий от цинкова смес е описано по-долу.

Съобщението за откриването на галий - така в чест на Франция (Gallia - нейното латинско име) е наречен нов елемент - се появи в докладите на Парижката академия на науките.

Това съобщение е прочетено от D.I. Менделеев разпознава екаалуминия, който е предсказал пет години по-рано, в галий. Менделеев веднага пише на Париж. „Методът на откриване и изолиране, както и малкото описани свойства, предполагат, че новият метал не е нищо повече от екаалуминий“, се казва в писмото му. След това повтори предвидените свойства за този елемент. Освен това, никога не държейки зрънце галий в ръцете си, без да го види в очите си, руският химик твърди, че откривателят на елемента се е объркал, че плътността на новия метал не може да бъде равна на 4,7, както пише Лекок дьо Боабодран - трябва да е повече около 5,9...6,0 g/cm3!

Колкото и странно да изглежда, но първият от неговите утвърдителни, „укрепващи“ такива научи за съществуването на периодичния закон едва от това писмо. Той отново изолира и внимателно пречисти галиевите зърна, за да провери резултатите от първите експерименти. Някои историци на науката смятат, че това е направено, за да се посрами самоуверения руски „предсказател“. Но опитът показва обратното: откривателят се е объркал. По-късно той пише: „Мисля, че не е необходимо да се изтъква изключителното значение, което има плътността на нов елемент във връзка с потвърждението на теоретичните възгледи на Менделеев.“

Другите свойства на елемент № 31, предсказани от Менделеев, почти точно съвпадат с експерименталните данни. "Прогнозите на Менделеев се сбъднаха с малки отклонения: екаалуминият се превърна в галий." Ето как Енгелс характеризира това събитие в „Диалектика на природата“.

Излишно е да казвам, че откриването на първия елемент, предсказано от Менделеев, значително засили позицията на периодичния закон.

Защо галият е топим?

Предсказвайки свойствата на галия, Менделеев смята, че този метал трябва да бъде топим, тъй като неговите аналози в групата - алуминий и индий - също не се различават по огнеупорност.

Но точката на топене на галия е необичайно ниска, пет пъти по-ниска от тази на индия. Това се обяснява с необичайната структура на кристалите на галия. Кристалната му решетка се образува не от отделни атоми (както при "нормалните" метали), а от двуатомни молекули. Молекулите на Ga 2 са много стабилни; те се запазват дори когато галият се превръща в течно състояние. Но тези молекули са свързани помежду си само чрез слаби сили на Ван дер Ваалс и е необходима много малко енергия, за да се прекъсне връзката им.

Още някои свойства на елемент No 31 са свързани с двуатомността на молекулите. В течно състояние галият е по-плътен и по-тежък, отколкото в твърдо състояние. Електрическата проводимост на течния галий също е по-голяма от тази на твърдия галий.

Как изглежда галият?

Външно - най-вече върху калай: сребристо-бял мек метал, не се окислява и не потъмнява на въздух.

И по повечето химични свойства галият е близък до алуминия. Подобно на алуминия, във външната орбита на галиевия атом има три електрона. Подобно на алуминия, галият лесно, дори на студено, взаимодейства с халогени (с изключение на йод). И двата метала лесно се разтварят в сярна и солна киселина, и двата реагират с основи и дават амфотерни хидроксиди. Константи на дисоциация на реакциите

Ga(OH) 3 → Ga 3+ + 3OH -

H 3 GaO 3 → 3H + + GaO 3– 3

са количества от същия ред.

Има обаче разлики в химичните свойства на галия и алуминия.

При сух кислород галият се окислява забележимо само при температури над 260 ° C, а алуминият, ако е лишен от защитния си оксиден филм, се окислява от кислород много бързо.

С водород галият образува хидриди, подобни на борните хидриди. Алуминият, от друга страна, може само да разтваря водорода, но не и да реагира с него.

А галият е подобен на графита, кварца, водата.

На графит - този, който оставя сива следа върху хартията.

Върху кварца - електрическа и термична анизотропия.

Електрическото съпротивление на кристалите на галия зависи от това по коя ос протича токът. Съотношението на максимума към минимума е 7 - повече от всеки друг метал. Същото важи и за коефициента на топлинно разширение.

Стойностите му в посока на три кристалографски оси (ромбични кристали на галий) са свързани като 31:16:11.

А галият е подобен на водата по това, че се разширява, когато се втвърди. Увеличението на обема е осезаемо – 3,2%.

Вече една комбинация от тези противоречиви прилики говори за уникалната индивидуалност на елемент No 31.

Освен това има свойства, които не са присъщи на нито един елемент. Разтопен, той може да остане преохладен в продължение на много месеци под точката на топене. Това е единственият метал, който остава течен в широк температурен диапазон от 30 до 2230°C и неговата летливост на парите е минимална. Дори при висок вакуум, той се изпарява забележимо само при 1000°C. Галиевите пари, за разлика от твърдите и течните метали, са едноатомни. Преходът Ga 2 → 2Ga изисква много енергия; това обяснява трудността на изпаряването на галия.

Големият температурен диапазон на течното състояние е в основата на едно от основните технически приложения на елемент No31.

За какво е полезен галият?

Галиевите термометри позволяват по принцип да измерват температури от 30 до 2230°C. Галиевите термометри вече се предлагат за температури до 1200°C.

Елемент No 31 отива за производството на нискотопими сплави, използвани в сигналните устройства. Сплав от галий и индий се топи вече при 16°C. Това е най-топимата от всички известни сплави.

Интерметалните съединения на галия с елементи от V групата - антимон и арсен - сами по себе си имат полупроводникови свойства.

Добавянето на галий към стъклената маса прави възможно получаването на стъкла с висок коефициент на пречупване на светлинните лъчи, а стъклата на базата на Ga 2 O 3 пропускат добре инфрачервените лъчи.

Течният галий отразява 88% от светлината, падаща върху него, твърдият - малко по-малко. Следователно галиеви огледала са много лесни за производство - галиево покритие може да се нанесе дори с четка.

Понякога се използва способността на галия да навлажнява добре твърдите повърхности, като заменя живака в дифузионните вакуумни помпи. Такива помпи „поддържат“ вакуума по-добре от живачните.

Правени са опити за използване на галий в ядрени реактори, но резултатите от тези опити трудно могат да се считат за успешни. Галият не само доста активно улавя неутрони (напречно сечение на улавяне от 2,71 барна), но и реагира при повишени температури с повечето метали.

Галият не се превърна в атомен материал. Вярно е, че неговият изкуствен радиоактивен изотоп 72 Ga (с период на полуразпад от 14,2 часа) се използва за диагностициране на рак на костите. Галий-72 хлорид и нитрат се адсорбират от тумора и чрез фиксиране на радиационната характеристика на този изотоп лекарите почти точно определят размера на чуждите образувания.

Както можете да видите, практическите възможности на елемент No 31 са доста широки. Все още не е възможно да се използват напълно поради трудността за получаване на галий, доста рядък елемент (1,5 10 -3% от теглото на земната кора) и много разпръснат. Известни са малко естествени минерали на галий. Неговият първи и най-известен минерал, галит CuGaS 2, е открит едва през 1956 г. По-късно са открити още два минерала, които вече са доста редки.

Обикновено галият се намира в цинкови, алуминиеви, железни руди, както и във въглищата - като незначителен примес. И което е характерно: колкото повече е този примес, толкова по-трудно се извлича, защото има повече галий в рудите на онези метали (алуминий, цинк), които са близки до него по свойства. Основната част от земния галий е затворена в алуминиеви минерали.

галий(лат. Gallium), Ga, химичен елемент от група III на периодичната система на Д. И. Менделеев, сериен номер 31, атомна маса 69,72; сребристо бял мек метал. Състои се от два стабилни изотопа с масови числа 69 (60,5%) и 71 (39,5%).

Съществуването на галий ("екаалуминий") и неговите основни свойства са предсказани през 1870 г. от Д. И. Менделеев. Елементът е открит чрез спектрален анализ в пиренейска цинкова смес и изолиран през 1875 г. от френския химик P. E. Lecoq de Boisbaudran; кръстен на Франция (лат. Gallia). Точното съвпадение на свойствата на Галий с предсказаните е първият триумф на периодичната система.

Средното съдържание на галий в земната кора е относително високо, 1,5·10 -3% тегловни, което е равно на съдържанието на олово и молибден. Галият е типичен микроелемент. Единственият галиев минерал, CuGaS 2 галит, е много рядък. Геохимията на галия е тясно свързана с геохимията на алуминия, което се дължи на сходството на техните физикохимични свойства. Основната част от галия в литосферата е затворена в алуминиеви минерали. Съдържанието на галий в боксит и нефелин варира от 0,002 до 0,01%. Повишени концентрации на галий се наблюдават и в сфалеритите (0,01-0,02%), в каменните въглища (заедно с германий), а също и в някои железни руди.

Физични свойства на галия.Галият има ромбична (псевдотетрагонална) решетка с параметри a = 4,5197Å, b = 7,6601Å, c = 4,5257Å. Плътност (g / cm 3) на твърд метал 5,904 (20 ° C), течен 6,095 (29,8 ° C), тоест по време на втвърдяване обемът на галия се увеличава; t pl 29,8°С, t bp 2230°С. Отличителна черта на галия е широк диапазон на течно състояние (2200°C) и ниско налягане на парите при температури до 1100-1200°C. Специфичният топлинен капацитет на твърд галий е 376,7 J/(kg K), т.е. 0,09 cal/(g deg) в диапазона от 0-24°C, течен, съответно, 410 j/(kg K), т.е. 0,098 cal/ (g deg) в диапазона от 29-100°C. Електрическо съпротивление (ом см) на твърд галий 53,4 10 -6 (0°C), течен 27,2 10 -6 (30°C). Вискозитет (поаз = 0,1 n sec / m 2): 1,612 (98 ° C), 0,578 (1100 ° C), повърхностно напрежение 0,735 n / m (735 dyn / cm) (30 ° C в атмосфера от H 2) . Коефициентите на отражение за дължините на вълната от 4360Å и 5890Å са съответно 75,6% и 71,3%. Напречното сечение на улавяне на топлинни неутрони е 2,71 барна (2,7 10 -28 m 2).

Химични свойства на галия.Галият е стабилен във въздуха при нормални температури. Над 260°C в сух кислород се наблюдава бавно окисление (оксидният филм защитава метала). В сярната и солната киселина галият се разтваря бавно, във флуороводородната киселина - бързо, в азотната киселина на студа галият е стабилен. Галият бавно се разтваря в горещи алкални разтвори. Хлорът и бромът реагират с галия на студено, йодът - при нагряване. Разтопеният галий при температури над 300 ° C взаимодейства с всички структурни метали и сплави.

Най-стабилните тривалентни съединения на галия, които в много отношения са сходни по свойства с химическите съединения на алуминия. Освен това са известни едно- и двувалентни съединения. Най-високият оксид Ga 2 O 3 е бяло вещество, неразтворимо във вода. Съответният хидроксид се утаява от разтвори на галиеви соли под формата на бяла желатинова утайка. Има изразен амфотеричен характер. При разтваряне в основи се образуват галати (например Na), при разтваряне в киселини - галиеви соли: Ga 2 (SO 4) 3, GaCl 3 и др. Киселинните свойства на галиевия хидроксид са по-изразени от тези на алуминиевия хидроксид [Al(OH) 3 е в диапазона на pH = 10,6-4,1, а Ga(OH) 3 е в диапазона на pH = 9,7-3,4].

За разлика от Al(OH) 3 , галиевият хидроксид се разтваря не само в силни основи, но и в разтвори на амоняк. При кипене от разтвора на амоняк отново се утаява галиевият хидроксид.

От галиевите соли най-голямо значение имат GaCl 3 хлорид (т.т. 78°C, т.к. 200°C) и Ga 2 сулфат (SO 4) 3. Последният с алкален метал и амониев сулфат образува двойни соли от типа стипца, например (NH 4) Ga (SO 4) 2 12H 2 O. Галият образува фероцианид Ga 4 3, който е слабо разтворим във вода и разредени киселини, които може да се използва за отделянето му от Al и редица други елементи.

Получаване на Галия.Основният източник на галий е производството на алуминий. Галият по време на обработката на боксит по метода на Байер се концентрира в циркулиращите матерни разтвори след отделянето на Al(OH) 3 . Галият се изолира от такива разтвори чрез електролиза върху живачен катод. От алкалния разтвор, получен след третиране на амалгамата с вода, се утаява Ga(OH) 3, който се разтваря в алкали и се изолира галий чрез електролиза.

При метода на натриева вар за преработка на бокситна или нефелинова руда, галият се концентрира в последните фракции на седиментите, освободени при карбонизация. За допълнително обогатяване утайката от хидроксиди се обработва с варно мляко. В този случай по-голямата част от Al остава в утайката, а галият преминава в разтвор, от който чрез преминаване на CO 2 се изолира галиев концентрат (6-8% Ga 2 O 3); последният се разтваря в алкали и галият се изолира електролитно.

Остатъчната анодна сплав от процеса на рафиниране на Al чрез метода на трислойна електролиза също може да служи като източник на галий. При производството на цинк източниците на галий са сублимати (оксиди на Weltz), образувани по време на преработката на излугващия хвост от цинкова сгарка.

Течният галий, получен чрез електролиза на алкален разтвор, промит с вода и киселини (HCl, HNO 3), съдържа 99,9-99,95% Ga. По-чист метал се получава чрез вакуумно топене, зоново топене или чрез изтегляне на единичен кристал от стопилката.

Приложение на галий.Най-обещаващото приложение на галия е под формата на химични съединения като GaAs, GaP, GaSb, които имат полупроводникови свойства. Могат да се използват във високотемпературни токоизправители и транзистори, слънчеви клетки и други устройства, където може да се използва фотоелектричният ефект в бариерен слой, както и в приемници на инфрачервено лъчение. Галият може да се използва за направата на оптични огледала, които са силно отразяващи. Вместо живак е предложена сплав от алуминий с галий като катод за лампи с ултравиолетово лъчение, използвани в медицината. Течният галий и неговите сплави се предлага да се използват за производството на високотемпературни термометри (600-1300°C) и манометри. Интерес представлява използването на галия и неговите сплави като течен охлаждащ агент в енергийните ядрени реактори (това се възпрепятства от активното взаимодействие на галия при работни температури със структурните материали; евтектичната сплав Ga-Zn-Sn има по-слаб корозионен ефект от чистата Галий).

Метал ГАЛИЙ

Галият е елемент от основната подгрупа на третата група от четвъртия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев, с атомен номер 31. Означава се със символа Ga (лат. Gallium). Принадлежи към групата на леките метали. Простата субстанция галий (CAS номер: 7440-55-3) е мек пластичен метал със сребристо-бял (според други източници светлосив) цвят със синкав оттенък.

Метал ГАЛИЙ

Галий: Точка на топене 29,76 °C

ниска токсичност, можете да вземете и разтопите!

Материал за полупроводникова електроника

Галиев арсенид GaAs

е обещаващ материал за полупроводниковата електроника.

галиев нитрид

използван при създаването на полупроводникови лазери и светодиоди в синия и ултравиолетовия диапазон. Галиевият нитрид има отлични химични и механични свойства, типични за всички нитридни съединения.

Изотоп галий-71

е най-важният материал за откриване на неутрино и във връзка с това технологията е изправена пред много спешна задача да отдели този изотоп от естествена смес, за да повиши чувствителността на неутрино детекторите. Тъй като съдържанието на 71Ga в естествената смес от изотопи е около 39,9%, изолирането на чист изотоп и използването му като детектор за неутрино може да повиши чувствителността на откриване с 2,5 пъти.

Химични свойства

Галият е скъп, през 2005 г. един тон галий струваше 1,2 милиона щатски долара на световния пазар и поради високата цена и в същото време голямата нужда от този метал е много важно да се установи пълното му извличане в производство на алуминий и преработка на въглища на течно гориво.

Галият има редица сплави, които са течни при стайна температура и една от неговите сплави има точка на топене от 3 °C (In-Ga-Sn евтектична), но от друга страна, галият (сплави в по-малка степен) е много агресивен към повечето конструктивни материали (напукване и ерозия на сплави при висока температура). Например, по отношение на алуминия и неговите сплави, галият е мощен редуктор на якост (вижте намаляване на силата на адсорбция, ефект на Rehbinder). Това свойство на галия е демонстрирано и подробно проучено от P. A. Rebinder и E. D. Shchukin по време на контакта на алуминия с галий или неговите евтектични сплави (течно-метално крехкост). Като охлаждаща течност галият е неефективен и често просто неприемлив.

Галият е отличен лубрикант

. На базата на галий и никел, галий и скандий са създадени метални лепила, които са много важни в практическо отношение.

Метален галий също се пълни в кварцови термометри (вместо живак) за измерване на високи температури. Това е така, защото галият има много по-висока точка на кипене от живака.

Галиевият оксид е част от редица стратегически важни лазерни материали от групата на гранатите - GSHG, YAG, ISGG и др.

Галият все още не е получил широко промишлено приложение. Понастоящем са определени следните области на използване на галий.
Термометри за висока температура.Галият има ниска точка на топене (29,8°) с висока точка на кипене (~2200°). Това позволява да се използва за производството на кварцови термометри за измерване на високи температури (600-1300°).
Нискотопими сплави.Галият с редица метали (бисмут, олово, калай, кадмий, индий, талий и др.) образува нискотопими сплави с точка на топене под 60°. Така, например, сплав от галий с 25% In се топи при температура 16°, точката на топене на сплав от галий с 8% Sn е 20°. Температурата на топене на евтектичната сплав (82% Ga, 12% Sn и 6% Zn) е 17°.
Предложени са редица топими сплави, съдържащи галий за сигнални устройства (спринклерни предпазители), използвани при пожарогасене, чието действие се основава на топенето на сплавта при превишаване на определена температура, което предизвиква автоматично задействане на системата за разпръскване на вода.
За термометри вместо живак е предложена топяща сплав, съдържаща 60% Sn, 30% Ga и 10% In.
Напоследък беше обърнато внимание на възможността за използване на галий и неговите сплави като течна среда за отстраняване на топлина в електроцентрали, например топлината, отделяна в ядрените котли. Предимството на галия като топлопроводима течност е неговата висока точка на кипене, съчетана с висока топлопроводимост. Въпреки това, пречка за използването на галиева охлаждаща течност е взаимодействието на галия с повечето метали при високи температури.
Предлага се в стоматологията вместо живачни амалгами да се използват галиеви сплави. Следните сплави се препоръчват за зъбни пломби; 40-80% Bi; 30-60% Sn; 0,5-0,8% Ga и 61,5% Bi; 37,2% Sn; 1,3% Ga.
Огледала. Галият има способността да прилепва добре към стъклото, което прави възможно производството на галиеви огледала. Огледало може да се направи чрез притискане на галий между два нагрети листа стъкло. Галиевите огледала имат висок
отразяваща способност. За дължина на вълната 4,360 A отражателната способност е 75,6%, за вълна от 5,890 A - 71,3%. Течният галий отразява 88% от светлината, падаща върху огледалото.
Други области на приложение.Предлага се да се използва сплав от алуминий с галий вместо живак като катод за лампи с ултравиолетово лъчение, използвани в медицината. Полученото лъчение се обогатява с лъчи от синята и червената част на спектъра, което подобрява терапевтичния ефект на лъчението.
Възможна е замяна на живака с галий в живачни токоизправители. Много високата точка на кипене на метала позволява да се работи с много по-високи натоварвания, отколкото при използване на живак.
Известно е използването на галиеви соли като компонент на светещи бои (за възбуждане на флуоресцентното сияние на съединенията). Галиевите соли се използват също в аналитичната химия, в медицината и като катализатори в органичния синтез.

27.03.2019

На първо място, трябва да решите колко сте готови да похарчите за покупката. Експертите препоръчват на начинаещите инвеститори сума от 30 хиляди рубли до 100. Струва си ...

27.03.2019

Металното валцуване се използва активно в наше време в различни ситуации. Всъщност в много индустрии е просто невъзможно да се направи без него, тъй като валцуван метал ...

27.03.2019

Стоманените уплътнения с овално сечение са предназначени за уплътняване на фланцеви съединения на фитинги и тръбопроводи, които транспортират агресивни среди.

26.03.2019

Много от нас са чували за такава длъжност като системен администратор, но не всеки може да си представи какво точно се има предвид под тази фраза....

26.03.2019

Всеки човек, който прави ремонт в стаята си, трябва да помисли какви конструкции трябва да бъдат инсталирани във вътрешното пространство. На пазара...

26.03.2019

Към днешна дата газоанализаторите се използват активно в нефтената и газовата промишленост, в общинския сектор, в хода на анализи в лабораторни комплекси, за...

26.03.2019

Днес металните контейнери се използват активно за стационарно съхранение на различни видове течности, включително нефт и нефтопродукти, в складове, в...

25.03.2019

В Algerian Qatari Steel, намираща се в село Белара, „горещи“ тестове на мелница за телени пръти с номинална мощност приблизително ...

25.03.2019

Най-високо ниво на надеждност на електроснабдяването на отговорните потребители може да се постигне чрез работата на автономни генератори. Приемане на...

Галият е елемент от основната подгрупа на третата група от четвъртия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев, с атомен номер 31. Означава се със символа Ga (лат. галий). Принадлежи към групата на леките метали. Простата субстанция галий е мек, пластичен сребристо-бял метал със синкав оттенък.

Атомно число - 31

Атомна маса - 69,723

Плътност, kg/m³ - 5910

Точка на топене, °С - 29,8

Топлинен капацитет, kJ / (kg ° С) - 0,331

Електроотрицателност - 1,8

Ковалентен радиус, Å - 1,26

1-ва йонизация потенциал, ev - 6.00

Историята на откриването на галий

През 1875 г. Lecoq de Boisbaudran изследва спектъра на цинковата смес, донесена от Pierrefitte (Пиренеи). Именно в този спектър беше открита нова виолетова линия. Новата линия показва наличието на неизвестен елемент в минерала и, съвсем естествено, Лекок де Боабодран положи всички усилия да изолира този елемент. Това не беше лесно да се направи: съдържанието на новия елемент в рудата беше по-малко от 0,1% и в много отношения беше подобно на цинка*. След продължителни експерименти ученият успя да получи нов елемент, но в много малко количество. Толкова малък (по-малко от 0,1 g), че Lecoq de Boisbaudran не може да проучи напълно неговите физични и химични свойства.

Намиране Галияв природата

Средното съдържание на галий в земната кора е 19 g/t. Галият е типичен микроелемент с двойна геохимична природа. Единственият галиев минерал, CuGaS 2 галит, е много рядък. Геохимията на галия е тясно свързана с геохимията на алуминия, което се дължи на сходството на техните физикохимични свойства. Основната част от галия в литосферата е затворена в алуминиеви минерали. Поради близостта на своите кристалохимични свойства с основните скалообразуващи елементи (Al, Fe и др.) и широката възможност за изоморфизъм с тях, галият не образува големи натрупвания, въпреки значителната кларкова стойност. Различават се следните минерали с високо съдържание на галий: сфалерит (0 - 0,1%), магнетит (0 - 0,003%), каситерит (0 - 0,005%), гранат (0 - 0,003%), берил (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%), фелдшпат (0 - 0,01%), нефелин (0 - 0,1%), хекманит (0,01 - 0,07%), натролит (0 - 0,1%).

Физически свойства Галия

Може би най-известното свойство на галия е неговата точка на топене, която е 29,76 °C. Това е вторият най-топим метал в периодичната таблица (след живака). Това ви позволява да топите метал, докато го държите в ръката си. Галият е един от малкото метали, които се разширяват, когато стопилката се втвърди (други са Bi, Ge).

Кристалният галий има няколко полиморфни модификации, но само една (I) е термодинамично стабилна, имаща орторомбична (псевдотетрагонална) решетка с параметри a = 4,5186 Å, b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å. Други модификации на галия (β, γ, δ, ε) кристализират от преохладен диспергиран метал и са нестабилни. При повишено налягане се наблюдават още две полиморфни структури на галий II и III, имащи съответно кубична и тетрагонална решетки.

Плътността на галия в твърдо състояние при T=20°C е 5,904 g/cm³.

Една от характеристиките на галия е широк температурен диапазон за съществуване на течно състояние (от 30 до 2230 °C), докато има ниско налягане на парите при температури до 1100÷1200 °C. Специфичният топлинен капацитет на твърд галий в температурния диапазон T=0÷24 °C е 376,7 J/kg K (0,09 cal/g град.), в течно състояние при T=29÷100 °C - 410 J/kg K (0,098 cal/g deg).

Електрическото съпротивление в твърдо и течно състояние е съответно 53,4 10 −6 ohm cm (при T=0 °C) и 27,2 10 −6 ohm cm (при T=30 °C). Вискозитетът на течния галий при различни температури е 1,612 поаза при T=98°C и 0,578 поаза при T=1100°C. Повърхностното напрежение, измерено при 30 °C във водородна атмосфера, е 0,735 N/m. Коефициентите на отражение за дължините на вълната от 4360 Å и 5890 Å са съответно 75,6% и 71,3%.

Естественият галий се състои от два изотопа 69 Ga (61,2%) и 71 Ga (38,8%). Напречното сечение на улавяне на топлинни неутрони е съответно 2,1·10 −28 m² и 5,1·10 −28 m².

Галият е нискотоксичен елемент. Поради ниската точка на топене, галиевите блокове се препоръчват да се транспортират в полиетиленови торби, които са слабо овлажнени от галиевата стопилка. Едно време от метала дори се правеха пломби (вместо амалгама). Това приложение се основава на факта, че когато медният прах се смеси с разтопен галий, се получава паста, която се втвърдява след няколко часа (поради образуването на интерметално съединение) и след това може да издържи нагряване до 600 градуса без топене.

При високи температури галият е много агресивно вещество. При температури над 500 °C корозира почти всички метали с изключение на волфрама, както и много други материали. Кварцът е устойчив на разтопен галий до 1100°C, но може да възникне проблем, тъй като кварцът (както и повечето други стъкла) е силно омокряем от този метал. Това означава, че галият просто ще се придържа към стените на кварца.

Химични свойства Галия

Химичните свойства на галия са близки до тези на алуминия. Оксидният филм, образуван върху металната повърхност във въздуха, предпазва галия от по-нататъшно окисление. Когато се нагрява под налягане, галият реагира с вода, образувайки съединението GaOOH чрез реакцията:

2Ga + 4H 2 O = 2GaOOH + 3H 2 .

Галият взаимодейства с минерални киселини с отделянето на водород и образуването на соли и реакцията протича дори под стайна температура:

2Ga + 6HCl = 2GaCl 3 + 3H 2

Реакционните продукти с алкали и калиеви и натриеви карбонати са хидроксогалати, съдържащи Ga (OH) 4 - и евентуално Ga (OH) 6 3 - и Ga (OH) 2 - йони:

2Ga + 6H 2 O + 2NaOH = 2Na + 3H2

Галият реагира с халогени: реакцията с хлор и флуор протича при стайна температура, с бром - вече при -35 ° C (около 20 ° C - със запалване), взаимодействието с йод започва при нагряване.

Галият не взаимодейства с водород, въглерод, азот, силиций и бор.

При високи температури галият е способен да разрушава различни материали и действието му е по-силно от стопилката на всеки друг метал. И така, графитът и волфрамът са устойчиви на действието на галиева стопилка до 800 ° C, алунд и берилиев оксид BeO - до 1000 ° C, тантал, молибден и ниобий са устойчиви до 400 ÷ 450 ° C.

С повечето метали галият образува галиди, с изключение на бисмута, както и метали от подгрупите на цинк, скандий и титан. Един от галидите V 3 Ga има доста висока свръхпроводяща преходна температура от 16,8 K.

Галият образува полимерни хидриди:

4LiH + GaCl 3 = Li + 3LiCl.

Йонната стабилност намалява в серия BH 4 - → AlH 4 - → GaH 4 - . Йон BH 4 - стабилен във воден разтвор, AlH 4 - и GaH 4 - бързо хидролизират:

GaH 4 - + 4H 2 O \u003d Ga (OH) 3 + OH - + 4H 2 -

Когато Ga (OH) 3 и Ga 2 O 3 се разтварят в киселини, се образуват водни комплекси 3+, следователно, галиеви соли се изолират от водни разтвори под формата на кристални хидрати, например галиев хлорид GaCl 3 * 6H 2 O , калий галий стипца KGa (SO 4) 2 * 12H2O.

Интересно е взаимодействието на галия със сярна киселина. То е придружено от отделяне на елементарна сяра. В този случай сярата обгръща повърхността на метала и предотвратява по-нататъшното му разтваряне. Ако обаче металът се измие с гореща вода, реакцията ще се възобнови и ще продължи, докато върху галия се появи нова „кожа“ от сяра.

Основни връзки Галия

Ga2H6- летлива течност, t pl −21,4 °C, bp t 139 °C. В етерна суспензия с литиев или талий хидрат, той образува LiGaH 4 и TlGaH 4 съединения. Образува се в резултат на третирането на тетраметилдигалан с триетиламин. Има бананови връзки, както в диборана

Ga2O3- бял или жълт прах, t pl 1795 °C. Съществува под формата на две модификации. α- Ga 2 O 3 - безцветни тригонални кристали с плътност 6,48 g / cm³, слабо разтворими във вода, разтворими в киселини. β- Ga 2 O 3 - безцветни моноклинни кристали с плътност 5,88 g / cm³, слабо разтворими във вода, киселини и основи. Получава се чрез нагряване на метален галий на въздух при 260 °C или в кислородна атмосфера, или чрез калциниране на галиев нитрат или сулфат. ΔH° 298(arr) -1089.10 kJ/mol; ΔG° 298(arr) -998,24 kJ/mol; S° 298 84,98 J/mol*K. Те показват амфотерни свойства, въпреки че основните свойства, в сравнение с алуминия, са подобрени:

Ga 2 O 3 + 6HCl = 2GaCl 2 Ga 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O \u003d 2Na Ga 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2NaGaO 2 + CO 2

Ga(OH)3- утаява се под формата на желеобразна утайка по време на обработката на разтвори на соли на тривалентен галий с хидроксиди и карбонати на алкални метали (рН 9,7). Разтваря се в концентриран амоняк и концентриран разтвор на амониев карбонат, утаява се при кипене. Чрез нагряване галиевият хидроксид може да се превърне в GaOOH, след това в Ga 2 O 3 *H 2 O и накрая в Ga 2 O 3. Може да се получи чрез хидролиза на соли на тривалентен галий.

GaF3- Бяла пудра. t pl > 1000 ° C, t kip 950 ° C, плътност - 4,47 g / cm³. Слабо разтворим във вода. Известен кристален GaF 3 ·3H 2 O. Получава се чрез нагряване на галиев оксид във флуорна атмосфера.

GaCl3- безцветни хигроскопични кристали. t pl 78 ° C, t kip 215 ° C, плътност - 2,47 g / cm³. Нека се разтварят добре във вода. Хидролизира във водни разтвори. Получава се директно от елементите. Използва се като катализатор в органичния синтез.

GaBr3- безцветни хигроскопични кристали. t pl 122 ° C, t kip 279 ° C плътност - 3,69 g / cm³. Разтваря се във вода. Хидролизира във водни разтвори. Слабо разтворим в амоняк. Получава се директно от елементите.

GaI 3- хигроскопични светложълти игли. t pl 212 ° C, t kip 346 ° C, плътност - 4,15 g / cm³. Хидролизира се с топла вода. Получава се директно от елементите.

GaS 3- жълти кристали или бял аморфен прах с t pl 1250 °C и плътност 3,65 g/cm³. Той взаимодейства с водата, като същевременно се хидролизира напълно. Получава се при взаимодействието на галий със сяра или сероводород.

Ga 2 (SO 4) 3 18H 2 O- безцветно, силно разтворимо във вода вещество. Получава се при взаимодействието на галия, неговия оксид и хидроксид със сярна киселина. Със сулфати на алкални метали и амоний той лесно образува стипца, например KGa (SO 4) 2 12H 2 O.

Ga(NO 3) 3 8H 2 O- безцветни кристали, разтворими във вода и етанол. При нагряване се разлага, за да образува галиев (III) оксид. Получава се чрез действието на азотната киселина върху галиевия хидроксид.

Получаване на галий

Основният източник на галий е производството на алуминий. Галият по време на обработката на боксит по метода на Байер се концентрира в циркулиращите матерни разтвори след отделянето на Al(OH) 3 . Галият се изолира от такива разтвори чрез електролиза върху живачен катод. От алкалния разтвор, получен след третиране на амалгамата с вода, се утаява Ga(OH) 3, който се разтваря в алкали и се изолира галий чрез електролиза.

Използването на галий

Галиевият арсенид GaAs е обещаващ материал за полупроводниковата електроника.

Галиевият нитрид се използва при създаването на полупроводникови лазери и светодиоди в синия и ултравиолетовия диапазон. Галиевият нитрид има отлични химични и механични свойства, типични за всички нитридни съединения.

Като елемент от група III, който допринася за повишаване на проводимостта на "дупка" в полупроводник, галият (с чистота най-малко 99,999%) се използва като добавка към германий и силиций. Интерметалните съединения на галия с елементи от V групата - антимон и арсен - сами по себе си имат полупроводникови свойства.

Изотопът на галий-71 е най-важният материал за откриване на неутрино и в тази връзка технологията е изправена пред много спешна задача за отделяне на изотопи от естествена смес, за да се повиши чувствителността на детекторите за неутрино. Тъй като съдържанието на 71 Ga в естествената смес от изотопи е около 39,9%, изолирането на чист изотоп и използването му като детектор за неутрино може да повиши чувствителността на откриване с 2,5 пъти.

Галият има редица сплави, които са течни при стайна температура и една от неговите сплави има точка на топене 3 °C, но от друга страна, галият (сплави в по-малка степен) е доста агресивен към повечето конструктивни материали (пукнатини и ерозия на сплави при висока температура) и като охлаждаща течност е неефективна и често просто неприемлива.

Галият е отличен лубрикант. На базата на галий и никел, галий и скандий са създадени практически много важни метални лепила.

Галиевият оксид е компонент на редица стратегически важни лазерни материали.

Производство на галий в света

Световното му производство не надвишава двеста тона годишно. С изключение на две наскоро открити находища - през 2001 г. в Голд Канион, Невада, САЩ и през 2005 г. във Вътрешна Монголия, Китай - галий не се среща никъде по света в промишлени концентрации. (В последното находище е установено наличието на 958 хиляди тона галий във въглищата - това е удвояване на световните ресурси на галий).

Световните ресурси на галий само в боксит се оценяват на над 1 милион тона, а в споменатото находище в Китай 958 хиляди тона галий във въглища - удвояване на световните ресурси на галий).

Няма много производители на галий. GEO Gallium е един от лидерите на пазара на галий. Основните му мощности до 2006 г. се състояха от завод в Щаде (Германия), който произвежда около 33 тона годишно, завод в Салиндрес, преработващ 20 тона годишно (Франция) и в Пиняра (Западна Австралия) - потенциал (но не е въведен в експлоатация в система) капацитет до 50 тона/година.

През 2006 г. позицията на производител №1 отслабна - предприятието Stade беше закупено от британската MCP и американската Recapture Metals.

Японската компания Dowa Mining е единственият в света производител на първичен галий от цинкови концентрати като страничен продукт от производството на цинк. Общият капацитет за суровини на Dowa Mining се оценява на до 20 тона годишно. В Казахстан заводът за алуминий на Казахстан в Павлодар има общ капацитет до 20 тона годишно.

Китай се превърна в много сериозен доставчик на галий. В Китай има 3 основни производителя на първичен галий - Geatwall Aluminium Co. (до 15 тона годишно), алуминиев завод в Шандонг (около 6 тона годишно) и алуминиев завод в Гуейджоу (до 6 тона годишно). Има и редица копродукции. Sumitomo Chemical създаде съвместно предприятие в Китай с капацитет до 40 тона годишно. Американската фирма AXT създаде съвместно предприятие с най-голямото китайско алуминиево предприятие Shanxi Aluminium Factory Beijing JiYa semiconductor Material Co. с капацитет до 20 тона / година.

Производство на галий в Русия

В Русия структурата на производството на галий се определя от формирането на алуминиевата индустрия. Двете водещи групи, които обявиха сливането - Russian Aluminium и SUAL - са собственици на галиевите обекти, създадени в алуминиевите рафинерии.

Руски алуминий: Николаевска алуминиева рафинерия в Украйна (класически хидрохимичен метод на Bayer за преработка на тропически боксит, капацитет на площадката - до 12 тона галий/годишно) и Ачинск алуминиев завод в Русия (преработка чрез синтероване на нефелинови суровини - урти от Кия- Шалтирско находище на Красноярска територия, капацитетът на секцията е 1,5 тона галий / година).

СУАЛ: Капацитети в Каменск-Уралски (технология на синтероване на Байер за боксити от Северноуралския район на бокситни руди, капацитет на площадката - до 2 тона галий / година), в Бокситогорския алуминиев завод (преработва боксити от Ленинградска област чрез синтероване, капацитет - 5 тона галий / година, в момента консервиран) и Пикалевски алуминиев оксид (преработва нефелинови концентрати от апатит-нефелинови руди от Мурманска област чрез синтероване, капацитетът на обекта е 9 тона галий / година). Общо всички предприятия на Русал и СУАЛ могат да произвеждат над 20 тона годишно.

Реалното производство е по-ниско – например през 2005 г. са изнесени 8,3 тона галий от Русия и 13,9 тона галий от Николаевската алуминиева рафинерия от Украйна.

При изготвянето на материала е използвана информация от фирма Квар.

име:*
Електронна поща:
коментар: