Masse atomique du gallium. Le gallium est un métal qui fond dans les mains

La majorité des lecteurs se souviennent de l'élément de numéro atomique 31 seulement qu'il s'agit de l'un des trois éléments prédits et décrits le plus en détail par D.I. Mendeleev, et que le gallium est un métal très fusible : la chaleur de la paume suffit à le transformer en liquide.

Cependant, le gallium n'est pas le plus fusible des métaux (même si l'on exclut le mercure). Son point de fusion est de 29,75 °C, tandis que le césium fond à 28,5 °C ; seul le césium, comme tout métal alcalin, ne peut pas être manipulé, donc, naturellement, le gallium est plus facile à fondre dans la paume de la main que le césium.

Nous avons délibérément commencé notre histoire sur l'élément numéro 31 en mentionnant ce qui est connu de presque tout le monde. Parce que ce "connu" a besoin d'explications. Tout le monde sait que le gallium a été prédit par Mendeleev et découvert par Lecoque de Boisbaudran, mais tout le monde ne sait pas comment la découverte s'est produite. Presque tout le monde sait que le gallium est fusible, mais presque personne ne peut répondre à la question de savoir pourquoi il est fusible.

Comment le gallium a été découvert

Le chimiste français Paul Émile Lecoq de Boisbaudran est entré dans l'histoire comme le découvreur de trois nouveaux éléments : le gallium (1875), le samarium (1879) et le dysprosium (1886). La première de ces découvertes lui a valu la gloire.

A cette époque, hors de France, il était peu connu. Il avait 38 ans, il était principalement engagé dans la recherche spectroscopique. Lecoq de Boisbaudran était un bon spectroscopiste, et cela a finalement mené au succès : il a découvert ses trois éléments par la méthode de l'analyse spectrale.

En 1875, Lecoq de Boisabaudran étudie le spectre de la blende de zinc apportée de Pierrefit (Pyrénées). Dans ce spectre, une nouvelle raie violette (longueur d'onde 4170 Ǻ) a été découverte. La nouvelle ligne indiquait la présence d'un élément inconnu dans le minéral, et, tout naturellement, Lecoq de Boisbaudran s'est efforcé d'isoler cet élément. Ce n'était pas facile à faire : la teneur du nouvel élément dans le minerai était inférieure à 0,1%, et à bien des égards, elle était similaire au zinc *. Après de longues expériences, le scientifique a réussi à obtenir un nouvel élément, mais en très petite quantité. Si petit (moins de 0,1 g) que Lecoq de Boisbaudrappe n'a pas pu étudier pleinement ses propriétés physiques et chimiques.

Comment le gallium est obtenu à partir du mélange de zinc est décrit ci-dessous.

Le message de la découverte du gallium - c'est ainsi qu'un nouvel élément a été nommé en l'honneur de la France (la Gaule est son nom latin) - est apparu dans les rapports de l'Académie des sciences de Paris.

Ce message a été lu par D.I. Mendeleev et reconnu dans le gallium l'eka-aluminium qu'il avait prédit cinq ans plus tôt. Mendeleev écrivit aussitôt à Paris. "La méthode de découverte et d'isolement, ainsi que les quelques propriétés décrites, permettent de supposer que le nouveau métal n'est rien de plus que l'eka-aluminium", a déclaré dans sa lettre. Ensuite, il a répété les propriétés prédites pour cet élément. De plus, ne tenant jamais dans ses mains des grains de gallium, sans le voir dans les yeux, le chimiste russe arguait que le découvreur de l'élément s'était trompé, que la densité du nouveau métal ne pouvait être de 4,7, comme l'écrivait Lecoq de Boisbaudran - il doit être supérieur à environ 5,9 ... 6,0 g/cm 3 !

Curieusement, mais le premier de ses "renforcements" affirmatifs n'a appris l'existence de la loi périodique que par cette lettre. Il isola à nouveau et purifia soigneusement les grains de gallium afin de vérifier les résultats des premières expériences. Certains historiens de la science pensent que cela a été fait dans le but de faire honte au "prédicteur" russe sûr de lui. Mais l'expérience a montré le contraire : le découvreur s'est trompé. Plus tard, il écrivit : « Il n'est pas nécessaire, je pense, de souligner l'importance exceptionnelle qu'a la densité de l'élément nouveau par rapport à la confirmation des vues théoriques de Mendeleïev.

D'autres propriétés de l'élément n° 31 prédites par Mendeleev coïncidaient presque exactement avec les données expérimentales. "Les prédictions de Mendeleev se sont réalisées avec des écarts mineurs : l'eka-aluminium s'est transformé en gallium." C'est ainsi qu'Engels caractérise cet événement dans Dialectique de la nature.

Inutile de dire que la découverte du premier des éléments prédits par Mendeleïev a considérablement renforcé la position de la loi périodique.

Pourquoi le gallium est-il fusible ?

Prédisant les propriétés du gallium, Mendeleev pensait que ce métal devrait être fusible, car ses analogues du groupe - aluminium et indium - ne diffèrent pas non plus par leur caractère réfractaire.

Mais le point de fusion du gallium est exceptionnellement bas, cinq fois inférieur à celui de l'indium. Cela s'explique par la structure inhabituelle des cristaux de gallium. Son réseau cristallin n'est pas formé d'atomes individuels (comme dans les métaux "normaux"), mais de molécules diatomiques. Les molécules de Ga 2 sont très stables, elles persistent même lorsque le gallium est converti à l'état liquide. Mais ces molécules ne sont reliées entre elles que par de faibles forces de van der Waals, et très peu d'énergie est nécessaire pour rompre leur lien.

Certaines propriétés de l'élément 31 sont également associées aux molécules diatomiques. A l'état liquide, le gallium est plus dense et plus lourd que dans le solide. La conductivité électrique du gallium liquide est également supérieure à celle du gallium solide.

A quoi ressemble le gallium ?

Extérieurement - surtout sur l'étain : un métal doux blanc argenté, il ne s'oxyde pas et ne se ternit pas à l'air.

Et pour la plupart de ses propriétés chimiques, le gallium est proche de l'aluminium. Comme l'aluminium, le gallium a trois électrons sur son orbite externe. Comme l'aluminium, le gallium interagit facilement, même par temps froid, avec les halogènes (à l'exception de l'iode). Les deux métaux se dissolvent facilement dans les acides sulfurique et chlorhydrique, réagissent tous deux avec les alcalis et donnent des hydroxydes amphotères. Constantes de dissociation des réactions

Ga (OH) 3 → Ga 3+ + 3OH -

Н 3 GaO 3 → 3Н + + GaO 3– 3

- quantités d'un même ordre.

Il existe cependant des différences dans les propriétés chimiques du gallium et de l'aluminium.

Avec l'oxygène sec, le gallium n'est sensiblement oxydé qu'à des températures supérieures à 260°C, tandis que l'aluminium, s'il est privé de son film d'oxyde protecteur, s'oxyde très rapidement par l'oxygène.

Avec l'hydrogène, le gallium forme des hydrures similaires aux hydrures de bore. L'aluminium, en revanche, n'est capable que de dissoudre l'hydrogène, mais ne réagit pas avec lui.

Et le gallium est similaire au graphite, au quartz, à l'eau.

Sur graphite - car il laisse une marque grise sur le papier.

Sur quartz - anisotropie électrique et thermique.

L'amplitude de la résistance électrique des cristaux de gallium dépend de l'axe le long duquel le courant circule. Le rapport du maximum au minimum est de 7, plus que tout autre métal. Il en est de même pour le coefficient de dilatation thermique.

Ses valeurs dans la direction de trois axes cristallographiques (cristaux de gallium rhombiques) sont liées comme 31:16:11.

Et le gallium est semblable à l'eau en ce sens qu'en durcissant, il se dilate. L'augmentation du volume est perceptible - 3,2%.

La combinaison même de ces similitudes contradictoires parle de l'individualité unique de l'élément n°31.

De plus, il possède des propriétés qui ne sont inhérentes à aucun élément. Une fois fondu, il peut rester en surfusion pendant plusieurs mois en dessous de son point de fusion. C'est le seul métal qui reste liquide dans une large plage de température de 30 à 2230°C, et sa volatilité de vapeur est minime. Même sous vide poussé, il ne s'évapore sensiblement qu'à 1000°C. Les vapeurs de gallium, contrairement aux métaux solides et liquides, sont monoatomiques. La transition Ga 2 → 2Ga demande beaucoup d'énergie ; ceci explique la difficulté de vaporiser le gallium.

La large plage de température de l'état liquide est à la base de l'une des principales applications techniques de l'élément n°31.

A quoi sert le gallium ?

Les thermomètres au gallium peuvent en principe mesurer des températures comprises entre 30 et 2230°C. Les thermomètres au gallium sont désormais disponibles pour des températures allant jusqu'à 1200°C.

L'élément n° 31 est utilisé pour la production d'alliages à bas point de fusion utilisés dans les dispositifs de signalisation. L'alliage gallium avec indium fond déjà à 16°C. C'est l'alliage à plus bas point de fusion connu.

Les composés intermétalliques du gallium avec des éléments du groupe V - antimoine et arsenic - ont eux-mêmes des propriétés semi-conductrices.

L'ajout de gallium à la masse de verre permet d'obtenir des verres à fort indice de réfraction des rayons lumineux, et les verres à base de Ga 2 O 3 transmettent bien les infrarouges.

Le gallium liquide réfléchit 88 % de la lumière incidente, tandis que le gallium solide réfléchit un peu moins. Par conséquent, ils rendent les miroirs de gallium très faciles à fabriquer - un revêtement de gallium peut même être appliqué avec un pinceau.

Parfois, ils utilisent la capacité du gallium à bien mouiller les surfaces dures, le remplaçant par du mercure dans les pompes à vide à diffusion. De telles pompes « retiennent » mieux le vide que les pompes à mercure.

Des tentatives ont été faites pour utiliser le gallium dans les réacteurs nucléaires, mais les résultats de ces tentatives peuvent difficilement être considérés comme des succès. Non seulement le gallium capture assez activement les neutrons (section efficace de capture 2,71 grange), mais il réagit également à des températures élevées avec la plupart des métaux.

Le gallium n'est pas devenu un matériau atomique. Certes, son isotope radioactif artificiel 72 Ga (avec une demi-vie de 14,2 heures) est utilisé pour diagnostiquer le cancer des os. Le chlorure et le nitrate de gallium-72 sont adsorbés par la tumeur et, en fixant le rayonnement caractéristique de cet isotope, les médecins déterminent presque avec précision la taille des formations étrangères.

Comme vous pouvez le voir, les possibilités pratiques de l'élément 31 sont assez larges. Il n'a pas encore été possible de les utiliser complètement en raison de la difficulté d'obtenir du gallium, un élément assez rare (1,5 10 –3 % du poids de la croûte terrestre) et très dispersé. On sait peu de choses sur les minéraux intrinsèques du gallium. Son premier et le plus célèbre minéral, la gallite CuGaS 2, n'a été découvert qu'en 1956. Plus tard, deux autres minéraux ont été découverts, qui sont déjà assez rares.

Habituellement, le gallium se trouve dans le zinc, l'aluminium, les minerais de fer, ainsi que dans le charbon - en tant qu'impureté insignifiante. Et ce qui est caractéristique : plus cette impureté est importante, plus il est difficile de l'extraire, car il y a plus de gallium dans les minerais de ces métaux (aluminium, zinc) qui lui sont proches en propriétés. La majeure partie du gallium terrestre est contenue dans les minéraux d'aluminium.

Gallium(lat. Gallium), Ga, un élément chimique du groupe III du système périodique de D. I. Mendeleev, numéro de série 31, masse atomique 69,72; métal doux blanc argenté. Se compose de deux isotopes stables avec des nombres de masse 69 (60,5 %) et 71 (39,5 %).

L'existence du gallium ("ekaaluminium") et ses principales propriétés ont été prédites en 1870 par D. I. Mendeleev. L'élément a été découvert par analyse spectrale dans la blende de zinc des Pyrénées et isolé en 1875 par le chimiste français P.E. Lecoque de Boisbaudran ; du nom de la France (lat. Gallia). La coïncidence exacte des propriétés de la Gaule avec celles prédites fut le premier triomphe du tableau périodique.

La teneur moyenne en gallium de la croûte terrestre est relativement élevée, 1,5 · 10 -3% en masse, ce qui équivaut à la teneur en plomb et en molybdène. Le gallium est un oligo-élément typique. Le seul minéral de gallium, la gallite CuGaS 2, est très rare. La géochimie du gallium est étroitement liée à la géochimie de l'aluminium, ce qui est dû à la similitude de leurs propriétés physico-chimiques. La majeure partie du gallium dans la lithosphère est contenue dans des minéraux d'aluminium. La teneur en gallium de la bauxite et de la néphéline varie de 0,002 à 0,01 %. Des concentrations accrues de gallium sont également observées dans les sphalérites (0,01-0,02%), dans le charbon (avec le germanium) et aussi dans certains minerais de fer.

Propriétés physiques du gallium. Le gallium a un réseau rhombique (pseudotétragonal) avec des paramètres a = 4,5197 , b = 7,6601 , c = 4,5257 . La densité (g/cm3) du métal solide est de 5,904 (20°C), celle du liquide est de 6,095 (29,8°C), c'est-à-dire que lors de la solidification, le volume de Gallium augmente ; point de fusion 29,8°C, point d'ébullition 2230°C. Une caractéristique distinctive du gallium est un grand intervalle de l'état liquide (2200 ° C) et une faible pression de vapeur à des températures allant jusqu'à 1100-1200 ° C. La chaleur spécifique du gallium solide est de 376,7 J / (kg K), soit 0,09 cal / (g deg) dans la plage de 0-24 ° C, du gallium liquide, respectivement, 410 J / (kg K) , c'est-à-dire 0,098 cal / (g · deg) dans la plage de 29 à 100 ° C. Résistance électrique spécifique (ohm cm) du Gallium solide 53,4 · 10 -6 (0°C), liquide 27,2 · 10 -6 (30°C). Viscosité (poise = 0,1 ns/m2) : 1,612 (98°C), 0,578 (1100°C), tension superficielle 0,735 n/m (735 dyn/cm) (30°C dans une atmosphère de H2)... Les coefficients de réflexion pour les longueurs d'onde 4360Å et 5890Å sont respectivement de 75,6% et 71,3%. La section efficace de capture des neutrons thermiques est de 2,71 granges (2,7 · 10 -28 m 2).

Propriétés chimiques du gallium. Le gallium est stable dans l'air aux températures ordinaires. Au-dessus de 260°C, une oxydation lente est observée dans l'oxygène sec (le film d'oxyde protège le métal). Le gallium se dissout lentement dans les acides sulfurique et chlorhydrique, rapidement dans les acides fluorhydrique, et le gallium est stable dans l'acide nitrique à froid. Le gallium se dissout lentement dans les solutions alcalines chaudes. Le chlore et le brome réagissent avec le gallium à froid, l'iode - lorsqu'il est chauffé. Le gallium fondu à des températures supérieures à 300 ° C interagit avec tous les métaux et alliages de structure.

Les composés trivalents les plus stables du gallium, dont les propriétés sont à bien des égards similaires aux composés chimiques de l'aluminium. De plus, des composés mono- et bivalents sont connus. L'oxyde supérieur Ga 2 O 3 est une substance blanche, insoluble dans l'eau. L'hydroxyde correspondant est précipité à partir de solutions de sels de gallium sous forme d'un précipité gélatineux blanc. Il a un caractère amphotère prononcé. Lorsqu'ils sont dissous dans des alcalis, des gallates se forment (par exemple, Na), lorsqu'ils sont dissous dans des acides, des sels de gallium se forment : Ga 2 (SO 4) 3, GaCl 3, etc. Les propriétés acides de l'hydroxyde de gallium sont plus prononcées que celles de l'hydroxyde de gallium. hydroxyde d'aluminium [l'intervalle de Al ( OH) 3 se situe dans la plage de pH = 10,6-4,1 et Ga (OH) 3 dans la plage de pH = 9,7-3,4].

Contrairement à Al (OH) 3, l'hydroxyde de gallium se dissout non seulement dans les alcalis forts, mais également dans les solutions d'ammoniac. Lors de l'ébullition, l'hydroxyde de gallium précipite à nouveau de la solution d'ammoniac.

Parmi les sels de gallium, les plus importants sont le chlorure de GaCl 3 (point de fusion 78°C, point d'ébullition 200°C) et le sulfate de Ga 2 (SO 4 ). Ce dernier avec les sulfates alcalins et d'ammonium forme des sels doubles du type alun, par exemple (NH 4) Ga (SO 4) 2 12H 2 O. Le gallium forme du ferrocyanure Ga 4 3, peu soluble dans l'eau et les acides dilués, qui peut être utilisé pour le séparer d'Al et d'un certain nombre d'autres éléments.

Obtention de la Gaule. La principale source de gallium est la production d'aluminium. Le gallium dans le traitement de la bauxite par la méthode Bayer est concentré dans les eaux-mères circulantes après la séparation d'Al (OH) 3. Le gallium est isolé de ces solutions par électrolyse sur une cathode de mercure. Ga (OH) 3 est précipité à partir de la solution alcaline obtenue après traitement de l'amalgame avec de l'eau, qui est dissoute dans l'alcali et le gallium est isolé par électrolyse.

Dans la méthode de traitement à la chaux sodée du minerai de bauxite ou de néphéline, le gallium est concentré dans les dernières fractions des sédiments libérés lors du processus de carbonisation. Pour un enrichissement supplémentaire, le sédiment d'hydroxyde est traité avec du lait de chaux. Dans ce cas, la majeure partie de l'Al reste dans le précipité, et le Gallium passe dans une solution, à partir de laquelle le concentré de gallium (6-8% Ga 2 O 3 ) est séparé par passage du CO 2 ; ce dernier est dissous dans un alcali et le gallium est isolé électrolytiquement.

L'alliage d'anode résiduel du procédé d'affinage d'Al par électrolyse à trois couches peut également servir de source de gallium. Dans la production de zinc, les sources de gallium sont les fumées (oxydes de Waelz) générées lors du traitement des résidus de lixiviation des cendres de zinc.

Le gallium liquide obtenu par électrolyse d'une solution alcaline, lavée à l'eau et aux acides (HCl, HNO 3), contient 99,9 à 99,95% de Ga. Un métal plus pur est obtenu par fusion sous vide, fusion par zone ou en tirant un monocristal hors de la masse fondue.

Application de gallium. L'application la plus prometteuse du Gallium se présente sous la forme de composés chimiques tels que GaAs, GaP, GaSb avec des propriétés semi-conductrices. Ils peuvent être utilisés dans les redresseurs et transistors à haute température, les batteries solaires et autres dispositifs où l'effet photoélectrique peut être utilisé dans la couche de blocage, ainsi que dans les récepteurs infrarouges. Le gallium peut être utilisé pour fabriquer des miroirs optiques hautement réfléchissants. Un alliage d'aluminium avec du gallium a été proposé à la place du mercure comme cathode des lampes à rayonnement ultraviolet utilisées en médecine. Le gallium liquide et ses alliages ont été proposés pour être utilisés pour la fabrication de thermomètres à haute température (600-1300°C) et de manomètres. L'utilisation du gallium et de ses alliages comme réfrigérant liquide dans les réacteurs nucléaires est intéressante (cela est entravé par l'interaction active du gallium aux températures de fonctionnement avec les matériaux de structure ; l'alliage eutectique Ga-Zn-Sn a un effet corrosif inférieur Gallium).

Métal GALLIUM

Le gallium est un élément du sous-groupe principal du troisième groupe de la quatrième période du tableau périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleev, de numéro atomique 31. Il est désigné par le symbole Ga (latin Gallium). Appartient au groupe des métaux légers. La substance simple gallium (numéro CAS : 7440-55-3) est un métal plastique souple de couleur blanc argenté (selon d'autres sources, gris clair) avec une teinte bleuâtre.

Métal GALLIUM

Gallium : Point de fusion 29,76°C

faible toxicité, vous pouvez le prendre en main et le faire fondre !

Matériel électronique semi-conducteur

Arséniure de gallium GaAs

- un matériau prometteur pour l'électronique des semi-conducteurs.

Nitrure de gallium

utilisé dans la création de lasers à semi-conducteurs et de LED dans la gamme bleue et ultraviolette. Le nitrure de gallium a d'excellentes propriétés chimiques et mécaniques typiques de tous les composés de nitrure.

Isotope gallium-71

est le matériau le plus important pour l'enregistrement des neutrinos, et à cet égard, la technologie est confrontée à un problème très urgent de séparation de cet isotope d'un mélange naturel afin d'augmenter la sensibilité des détecteurs de neutrinos. Étant donné que la teneur en 71Ga dans le mélange naturel d'isotopes est d'environ 39,9 %, l'isolement d'un isotope pur et son utilisation comme détecteur de neutrinos peuvent augmenter la sensibilité de détection de 2,5 fois.

Propriétés chimiques

Le gallium est cher, en 2005 sur le marché mondial une tonne de gallium a coûté 1,2 million de dollars américains, et en raison du prix élevé et en même temps d'une grande demande pour ce métal, il est très important d'établir son extraction complète dans le production d'aluminium et transformation du charbon en combustible liquide.

Le gallium possède de nombreux alliages liquides à température ambiante, et l'un de ses alliages a un point de fusion de 3°C (eutectique In-Ga-Sn), mais en revanche, le gallium (alliages dans une moindre mesure) est très agressif pour la plupart des matériaux de structure (fissuration et érosion des alliages à haute température). Par exemple, par rapport à l'aluminium et ses alliages, le gallium est un puissant réducteur de résistance (voir réduction de résistance par adsorption, effet Rebinder). Cette propriété du gallium a été brillamment démontrée et étudiée en détail par P.A. Rebinder et E.D. Shchukin au contact de l'aluminium avec le gallium ou ses alliages eutectiques (fragilisation du métal liquide). En tant que liquide de refroidissement, le gallium est inefficace et souvent tout simplement inacceptable.

Le gallium est un excellent lubrifiant

... A base de gallium et de nickel, de gallium et de scandium, des colles métalliques, très importantes en pratique, ont été créées.

Le gallium métallique est également utilisé dans les thermomètres à quartz (au lieu du mercure) pour mesurer les températures élevées. En effet, le gallium a un point d'ébullition nettement plus élevé que le mercure.

L'oxyde de gallium fait partie d'un certain nombre de matériaux laser stratégiquement importants du groupe des grenats - GHA, YAG, ISGG, etc.

Le gallium n'a pas encore reçu d'application industrielle généralisée. À l'heure actuelle, les domaines suivants d'utilisation du gallium ont été identifiés.
Thermomètres pour températures élevées. Le gallium a un point de fusion bas (29,8°) et un point d'ébullition élevé (~ 2200°). Cela lui permet d'être utilisé pour la fabrication de thermomètres à quartz pour mesurer des températures élevées (600-1300°).
Alliages à bas point de fusion. Le gallium avec de nombreux métaux (bismuth, plomb, étain, cadmium, indium, thallium, etc.) forme des alliages fusibles dont le point de fusion est inférieur à 60°. Par exemple, un alliage de gallium à 25% d'In fond à une température de 16°, la température de fusion d'un alliage de gallium à 8% de Sn est de 20°. Le point de fusion de l'alliage eutectique (82 % Ga, 12 % Sn et 6 % Zn) est de 17°.
Un certain nombre d'alliages à bas point de fusion contenant du gallium ont été proposés pour des dispositifs de signalisation (fusibles de gicleurs) utilisés dans la lutte contre l'incendie, dont l'action est basée sur la fusion de l'alliage lorsqu'une certaine température est dépassée, ce qui provoque l'activation automatique du système de pulvérisation d'eau.
Un alliage à bas point de fusion contenant 60 % de Sn, 30 % de Ga et 10 % d'In est proposé pour les thermomètres à la place du mercure.
Récemment, l'attention a été attirée sur la possibilité d'utiliser le gallium et ses alliages comme milieu liquide pour évacuer la chaleur dans les centrales électriques, par exemple la chaleur dégagée dans les chaudières nucléaires. L'avantage du gallium en tant que liquide conducteur de chaleur est son point d'ébullition élevé, combiné à une conductivité thermique élevée. Cependant, un obstacle à l'utilisation d'un caloporteur au gallium est l'interaction du gallium avec la plupart des métaux à haute température.
Il est proposé d'utiliser des alliages de gallium en dentisterie au lieu d'amalgames au mercure. Les alliages suivants sont recommandés pour les obturations dentaires ; 40 à 80 % de Bi ; 30-60% Sn; 0,5-0,8% Ga et 61,5% Bi; 37,2 % Sn ; 1,3% Ga.
Miroirs. Le gallium a la capacité de bien adhérer au verre, ce qui permet de réaliser des miroirs de gallium. Le miroir peut être fabriqué en pressant du gallium entre deux feuilles de verre chauffées. Les miroirs au gallium ont une haute
réflectivité. Pour une longueur d'onde de 4,360 A, la réflectivité est de 75,6%, pour une longueur d'onde de 5,890 A - 71,3%. Le gallium liquide réfléchit 88 % de la lumière incidente sur le miroir.
Autres domaines d'application. Il est proposé d'utiliser un alliage aluminium-gallium à la place du mercure comme cathode des lampes à rayonnement ultraviolet utilisées en médecine. Le rayonnement résultant est enrichi de rayons des parties bleue et rouge du spectre, ce qui améliore l'effet thérapeutique du rayonnement.
Il est possible de remplacer le mercure par du gallium dans les redresseurs au mercure. Le point d'ébullition très élevé du métal permet de travailler avec des charges nettement plus élevées qu'avec le mercure.
Il est connu d'utiliser des sels de gallium comme composant de peintures lumineuses (pour exciter la luminescence fluorescente des composés). Les sels de gallium sont également utilisés en chimie analytique, en médecine et comme catalyseurs dans la synthèse organique.

27.03.2019

Tout d'abord, vous devez décider combien vous êtes prêt à dépenser pour un achat. Les experts recommandent aux investisseurs novices un montant de 30 000 roubles à 100. Cela vaut la peine ...

27.03.2019

Le métal laminé à notre époque est activement utilisé dans diverses situations. En effet, dans de nombreuses industries, il est tout simplement impossible de s'en passer, car le métal laminé ...

27.03.2019

Les joints ovales en acier sont conçus pour sceller les raccords à bride des raccords et des canalisations qui transportent des fluides corrosifs ....

26.03.2019

Beaucoup d'entre nous ont entendu parler d'un tel poste en tant qu'administrateur système, mais tout le monde ne sait pas exactement ce que signifie cette phrase ...

26.03.2019

Toute personne qui effectue des réparations dans sa chambre doit réfléchir aux structures à installer dans l'espace intérieur. Sur le marché...

26.03.2019

Aujourd'hui, les analyseurs de gaz sont activement utilisés dans les industries pétrolières et gazières, dans le secteur des services publics, lors d'analyses dans des complexes de laboratoires, pour ...

26.03.2019

Aujourd'hui, les conteneurs métalliques sont activement utilisés pour le stockage fixe de divers types de liquides, y compris le pétrole et les produits pétroliers, dans les entrepôts, dans ...

25.03.2019

Chez l'Algérien Qatari Steel, situé dans le village de Bellara, inspections « à chaud » d'un laminoir à fil d'une capacité d'environ ...

25.03.2019

Le plus haut niveau de fiabilité de l'approvisionnement en électricité pour les consommateurs responsables peut être atteint grâce à l'exploitation de générateurs autonomes. Prenant en compte...

Le gallium est un élément du sous-groupe principal du troisième groupe de la quatrième période du tableau périodique des éléments chimiques de D. I. Mendeleev, de numéro atomique 31. Il est désigné par le symbole Ga (lat. Gallium). Appartient au groupe des métaux légers. La substance simple gallium est un métal plastique souple de couleur blanc argenté avec une teinte bleuâtre.

Numéro atomique - 31

Masse atomique - 69,723

Densité, kg/m³ - 5910

Point de fusion, ° С - 29,8

Capacité calorifique, kJ / (kg ° C) - 0,331

Électronégativité - 1,8

Rayon covalent, - 1,26

1ère ionisation potentiel, eV - 6,00

L'histoire de la découverte du gallium

En 1875, Lecoq de Boisbaudran étudie le spectre de la blende de zinc apportée de Pierrefit (Pyrénées). Dans ce spectre, une nouvelle raie violette a été découverte. La nouvelle ligne indiquait la présence d'un élément inconnu dans le minéral, et, tout naturellement, Lecoq de Boisbaudran s'est efforcé d'isoler cet élément. Ce n'était pas facile à faire : la teneur du nouvel élément dans le minerai était inférieure à 0,1%, et à bien des égards, elle était similaire au zinc *. Après de longues expériences, le scientifique a réussi à obtenir un nouvel élément, mais en très petite quantité. Si petit (moins de 0,1 g) que Lecoq de Boisbaudran était loin d'être pleinement en mesure d'étudier ses propriétés physiques et chimiques.

Découverte Gauledans la nature

La teneur moyenne en gallium de la croûte terrestre est de 19 g/t. Le gallium est un oligo-élément typique à double nature géochimique. Le seul minéral de gallium, la gallite CuGaS 2, est très rare. La géochimie du gallium est étroitement liée à la géochimie de l'aluminium, ce qui est dû à la similitude de leurs propriétés physico-chimiques. La majeure partie du gallium dans la lithosphère est contenue dans des minéraux d'aluminium. En raison de la proximité de ses propriétés cristallochimiques avec les principaux éléments rocheux (Al, Fe, etc.) et de la large possibilité d'isomorphisme avec eux, le gallium ne forme pas de grandes accumulations, malgré la valeur importante du clarke. On distingue les minéraux suivants à forte teneur en gallium : sphalérite (0 - 0,1%), magnétite (0 - 0,003%), cassitérite (0 - 0,005%), grenat (0 - 0,003%), béryl (0 - 0,003%) , tourmaline (0 - 0,01 %), spodumène (0,001 - 0,07 %), phlogopite (0,001 - 0,005%), biotite (0 - 0,1 %), muscovite (0 - 0,01 %), séricite (0 - 0,005%), lépidolite (0,001 - 0,03 %), chlorite (0 - 0,001 %), feldspaths (0 - 0,01 %), néphéline (0 - 0,1 %), heckmanite (0,01 - 0,07 %), natrolite (0 - 0,1 %).

Propriétés physiques Gaule

La propriété la plus connue du gallium est peut-être son point de fusion, qui est de 29,76°C. C'est le deuxième métal le plus fusible du tableau périodique (après le mercure). Cela vous permet de faire fondre le métal tout en le tenant dans votre main. Le gallium est l'un des rares métaux qui se dilate lorsque la masse fondue se solidifie (les autres sont le Bi, le Ge).

Le gallium cristallin a plusieurs modifications polymorphes, cependant, un seul (I) est thermodynamiquement stable, ayant un réseau orthorhombique (pseudotétragonal) avec des paramètres a = 4,5186 , b = 7,6570 , c = 4,5256 . D'autres modifications du gallium (β, γ, , ε) cristallisent à partir de métal dispersé en surfusion et sont instables. A pression élevée, deux autres structures polymorphes de gallium II et III ont été observées, ayant respectivement des réseaux cubiques et tétragonaux.

La densité du gallium à l'état solide à une température de T = 20°C est de 5,904 g/cm³.

L'une des caractéristiques du gallium est une large plage de température pour l'existence d'un état liquide (de 30 à 2230 ° C), alors qu'il a une faible pression de vapeur à des températures allant jusqu'à 1100 1200 ° C. La chaleur spécifique du gallium solide dans la plage de température T = 0-24°C est de 376,7 J/kg K (0,09 cal/g deg.), à l'état liquide à T = 29-100°C - 410 J/kg · K (0,098 cal/g · deg).

Les résistances électriques spécifiques à l'état solide et liquide sont respectivement de 53,4 · 10 -6 ohm · cm (à T = 0 °C) et de 27,2 · 10 -6 ohm · cm (à T = 30 ° C). La viscosité du gallium liquide à différentes températures est de 1,612 poises à T = 98°C et de 0,578 poises à T = 1100°C. La tension superficielle mesurée à 30°C dans une atmosphère d'hydrogène est de 0,735 N/m. Les coefficients de réflexion pour les longueurs d'onde 4360 et 5890 sont respectivement de 75,6% et 71,3%.

Le gallium naturel est constitué de deux isotopes 69 Ga (61,2 %) et 71 Ga (38,8 %). La section efficace de capture des neutrons thermiques est égale pour eux à 2,1 · 10 −28 m2 et 5,1 · 10 −28 m2, respectivement.

Le gallium est un élément peu toxique. En raison de la basse température de fusion, il est recommandé de transporter les lingots de gallium dans des sacs en polyéthylène, qui sont mal mouillés par le gallium fondu. À une certaine époque, le métal était même utilisé pour faire des plombages (au lieu d'amalgames). Cette application est basée sur le fait qu'en mélangeant de la poudre de cuivre avec du gallium fondu, on obtient une pâte qui durcit après quelques heures (en raison de la formation d'un composé intermétallique) et peut alors supporter un chauffage jusqu'à 600 degrés sans fondre.

À haute température, le gallium est très corrosif. À des températures supérieures à 500 ° C, il corrode presque tous les métaux à l'exception du tungstène, ainsi que de nombreux autres matériaux. Le quartz résiste au gallium fondu jusqu'à 1100°C, mais un problème peut survenir du fait que le quartz (et la plupart des autres verres) est bien mouillé par ce métal. C'est-à-dire que le gallium collera simplement aux parois du quartz.

Propriétés chimiques Gaule

Les propriétés chimiques du gallium sont proches de celles de l'aluminium. Un film d'oxyde formé à la surface du métal dans l'air protège le gallium d'une oxydation supplémentaire. Lorsqu'il est chauffé sous pression, le gallium réagit avec l'eau, formant un composé GaOOH selon la réaction :

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

Le gallium interagit avec les acides minéraux avec la libération d'hydrogène et la formation de sels, et la réaction se déroule même en dessous de la température ambiante :

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

Les produits de la réaction avec les alcalis et les carbonates de potassium et de sodium sont des hydroxogallates contenant des ions Ga (OH) 4 - et, éventuellement, Ga (OH) 6 3- et Ga (OH) 2 - :

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

Le gallium réagit avec les halogènes: la réaction avec le chlore et le fluor se produit à température ambiante, avec le brome - déjà à -35 ° C (environ 20 ° C - avec allumage), l'interaction avec l'iode commence lorsqu'il est chauffé.

Le gallium n'interagit pas avec l'hydrogène, le carbone, l'azote, le silicium et le bore.

À des températures élevées, le gallium est capable de détruire divers matériaux et son effet est plus fort que la fonte de tout autre métal. Ainsi, le graphite et le tungstène résistent à l'action du gallium fondu jusqu'à 800°C, l'alundum et l'oxyde de béryllium BeO - jusqu'à 1000°C, le tantale, le molybdène et le niobium sont stables jusqu'à 400 450°C.

Avec la plupart des métaux, le gallium forme des gallides, à l'exception du bismuth, ainsi que des métaux des sous-groupes zinc, scandium et titane. L'un des gallides V 3 Ga a une température de transition supraconductrice assez élevée de 16,8 K.

Le gallium forme des hydrures polymères :

4LiH + GaCl 3 = Li + 3LiCl.

La stabilité des ions décroît dans l'ordre BH 4 - → AlH 4 - → GaH 4 -. L'ion BH 4 est stable en solution aqueuse, AlH 4 - et GaH 4 - sont rapidement hydrolysés :

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

Lorsque Ga (OH) 3 et Ga 2 O 3 sont dissous dans des acides, des complexes aquatiques 3+ se forment, par conséquent, des sels de gallium sont libérés des solutions aqueuses sous forme d'hydrates cristallins, par exemple, le chlorure de gallium GaCl 3 * 6H 2 O , gallium potassium alun KGa (SO 4) 2 * 12H 2 O.

L'interaction du gallium avec l'acide sulfurique se déroule de manière intéressante. Elle s'accompagne de la libération de soufre élémentaire. Dans ce cas, le soufre enveloppe la surface du métal et empêche sa dissolution ultérieure. Si vous lavez le métal avec de l'eau chaude, la réaction reprendra et se poursuivra jusqu'à ce qu'une nouvelle "peau" de soufre se développe sur le gallium.

Connexions de base Gaule

Ga 2 H 6- liquide volatil, point de fusion -21.4°C, point d'ébullition 139°C. Dans une suspension d'éther avec de l'hydrate de lithium ou de thallium, il forme les composés LiGaH 4 et TlGaH 4. Formé en traitant le tétraméthyldigallane avec de la triéthylamine. A des connexions banane, tout comme le diboran

Ga 2 O 3- poudre blanche ou jaune, point de fusion 1795°C. Il y a deux modifs. α- Ga 2 O 3 - cristaux trigonaux incolores d'une densité de 6,48 g / cm³, légèrement solubles dans l'eau, solubles dans les acides. β- Ga 2 O 3 - cristaux monocliniques incolores d'une densité de 5,88 g / cm³, légèrement solubles dans l'eau, les acides et les alcalis. Il est obtenu par chauffage du gallium métallique dans l'air à 260°C ou sous atmosphère d'oxygène, ou par calcination du nitrate ou du sulfate de gallium. ΔH°298 (échantillon) -1089,10 kJ/mol ; ΔG°298 (échantillon) -998,24 kJ/mol ; S°298 84,98 J/mol*K. Ils présentent des propriétés amphotères, bien que les propriétés principales, par rapport à l'aluminium, soient renforcées :

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

Ga (OH) 3- tombe sous forme de précipité gélatineux lors du traitement de solutions de sels de gallium trivalent avec des hydroxydes et carbonates de métaux alcalins (pH 9,7). Il se dissout dans l'ammoniac concentré et une solution concentrée de carbonate d'ammonium, précipite lors de l'ébullition. Par chauffage, l'hydroxyde de gallium peut être converti en GaOOH, puis en Ga 2 O 3 * H 2 O et enfin en Ga 2 O 3. Peut être obtenu par hydrolyse de sels de gallium trivalents.

GaF 3- Poudre blanche. t pl> 1000 ° C, t pb 950 ° C, densité - 4,47 g / cm³. Légèrement soluble dans l'eau. Hydrate cristallin connu GaF 3 · 3H 2 O. Obtenu par chauffage d'oxyde de gallium dans une atmosphère de fluor.

GaCl 3- cristaux hygroscopiques incolores. t pl 78 ° C, t pb 215 ° C, densité - 2,47 g / cm³. Dissolvons bien dans l'eau. Il s'hydrolyse dans les solutions aqueuses. Obtenu directement à partir des éléments. Il est utilisé comme catalyseur dans les synthèses organiques.

GaBr 3- cristaux hygroscopiques incolores. t pl 122 ° C, t pb 279 ° C densité - 3,69 g / cm³. Il se dissout dans l'eau. Il s'hydrolyse dans les solutions aqueuses. Légèrement soluble dans l'ammoniaque. Obtenu directement à partir des éléments.

Gal 3- aiguilles hygroscopiques jaune clair. point de fusion 212 ° C, point d'ébullition 346 ° C, densité - 4,15 g / cm³. Il est hydrolysé à l'eau tiède. Obtenu directement à partir des éléments.

Gaz 3- cristaux jaunes ou poudre amorphe blanche ayant un point de fusion de 1250 °C et une densité de 3,65 g/cm³. Réagit avec l'eau, tout en s'hydrolysant complètement. Obtenu par l'interaction du gallium avec le soufre ou l'hydrogène sulfuré.

Ga 2 (SO 4) 3 18H 2 O- une substance incolore, facilement soluble dans l'eau. Il est obtenu par l'interaction du gallium, de son oxyde et de son hydroxyde avec l'acide sulfurique. Avec les sulfates de métaux alcalins et d'ammonium, il forme facilement de l'alun, par exemple, KGa (SO 4) 2 12H 2 O.

Ga (NO 3) 3 8H 2 O- cristaux incolores, solubles dans l'eau et l'éthanol. Se décompose en chauffant pour former de l'oxyde de gallium (III). Il est obtenu par action de l'acide nitrique sur l'hydroxyde de gallium.

Production de gallium

La principale source de gallium est la production d'aluminium. Le gallium dans le traitement de la bauxite par la méthode Bayer est concentré dans les eaux-mères circulantes après la séparation d'Al (OH) 3. Le gallium est isolé de ces solutions par électrolyse sur une cathode de mercure. Ga (OH) 3 est précipité à partir de la solution alcaline obtenue après traitement de l'amalgame avec de l'eau, qui est dissoute dans l'alcali et le gallium est isolé par électrolyse.

Application de gallium

L'arséniure de gallium GaAs est un matériau prometteur pour l'électronique des semi-conducteurs.

Le nitrure de gallium est utilisé dans la création de lasers à semi-conducteurs et de diodes électroluminescentes bleues et ultraviolettes. Le nitrure de gallium a d'excellentes propriétés chimiques et mécaniques typiques de tous les composés de nitrure.

En tant qu'élément du groupe III, contribuant à l'amélioration de la conductivité des "trous" dans un semi-conducteur, le gallium (avec une pureté d'au moins 99,999 %) est utilisé comme additif au germanium et au silicium. Les composés intermétalliques du gallium avec des éléments du groupe V - antimoine et arsenic - ont eux-mêmes des propriétés semi-conductrices.

L'isotope gallium-71 est le matériau le plus important pour l'enregistrement des neutrinos, et à cet égard, la technologie est confrontée à une tâche très urgente de séparer cet isotope du mélange naturel afin d'augmenter la sensibilité des détecteurs de neutrinos. La teneur en 71 Ga du mélange naturel d'isotopes étant d'environ 39,9 %, l'isolement d'un isotope pur et son utilisation comme détecteur de neutrinos peuvent augmenter la sensibilité de détection d'un facteur 2,5.

L'ajout de gallium à la masse de verre permet d'obtenir des verres à fort indice de réfraction des rayons lumineux, et les verres à base de Ga 2 O 3 transmettent bien les infrarouges.

Le gallium possède de nombreux alliages liquides à température ambiante, et l'un de ses alliages a un point de fusion de 3°C, mais en revanche, le gallium (alliages dans une moindre mesure) est très corrosif pour la plupart des matériaux de structure (fissuration et l'érosion des alliages à haute température), et en tant que liquide de refroidissement, il est inefficace et souvent tout simplement inacceptable.

Le gallium est un excellent lubrifiant. A base de gallium et de nickel, de gallium et de scandium, des adhésifs métalliques pratiquement très importants ont été créés.

L'oxyde de gallium se trouve dans un certain nombre de matériaux laser d'importance stratégique.

Production de gallium dans le monde

Sa production mondiale ne dépasse pas deux cents tonnes par an. À l'exception de deux gisements récemment découverts - en 2001 à Gold Canion, Nevada, États-Unis et en 2005 en Mongolie intérieure, Chine - le gallium est introuvable dans le monde en concentrations commerciales. (Dans le dernier gisement, la présence de 958 000 tonnes de gallium dans le charbon a été établie - il s'agit d'un doublement des ressources mondiales de gallium).

Les ressources mondiales de gallium dans la seule bauxite sont estimées à plus de 1 million de tonnes, et dans ledit gisement en Chine, 958 000 tonnes de gallium dans le charbon représentent un doublement des ressources mondiales de gallium).

Il n'y a pas beaucoup de producteurs de gallium. L'un des leaders sur le marché du gallium est GEO Gallium. Ses principales capacités jusqu'en 2006 consistaient en une entreprise à Stade (Allemagne), où sont extraites environ 33 tonnes par an, une usine à Salindres, qui traite 20 tonnes/an (France) et à Pinjarra (Australie-Occidentale) - potentiel (mais pas introduit dans le système) capacité jusqu'à 50 tonnes / an.

En 2006, la position du constructeur n°1 s'affaiblit - la société de Stade est rachetée par l'anglais MCP et l'américain Recapture Metals.

La société japonaise Dowa Mining est le seul producteur mondial de gallium primaire à partir de concentrés de zinc en cours de production de zinc. La pleine capacité pour la matière première de Dowa Mining est estimée à 20 tonnes / an Au Kazakhstan, l'entreprise Aluminium of Kazakhstan à Pavlodar - la pleine capacité est jusqu'à 20 tonnes / an.

La Chine est devenue un fournisseur très important de gallium. Il existe 3 principaux producteurs de gallium primaire en Chine - Geatwall Aluminium Co. (jusqu'à 15 tonnes/an), l'usine d'aluminium du Shandong (environ 6 tonnes/an) et l'usine d'aluminium du Guizhou (jusqu'à 6 tonnes/an). Il existe également un certain nombre de coentreprises. Sumitomo Chemical a mis en place une joint-venture en Chine d'une capacité allant jusqu'à 40 tonnes/an. La société américaine AHT a créé une coentreprise Beijing JiYa Semiconductor Material Co. avec la plus grande entreprise chinoise d'aluminium Shanxi Aluminium Factory. avec une capacité allant jusqu'à 20 tonnes / an.

Production de gallium en Russie

En Russie, la structure de la production de gallium est déterminée par la formation de l'industrie de l'aluminium. Les deux principaux groupes qui ont annoncé la fusion, Russian Aluminium et SUAL, sont propriétaires de parcelles de gallium créées dans les raffineries d'alumine.

Aluminium russe : Raffinerie d'alumine de Nikolaev en Ukraine (méthode hydrochimique classique de Bayer de traitement de la bauxite tropicale, capacité du site jusqu'à 12 tonnes de gallium/an) et Raffinerie d'alumine d'Achinsk en Russie (traitement par frittage de matières premières de néphéline - urtites du gisement de Kiya-Shaltyrsky dans le territoire de Krasnoïarsk, capacité du site - 1,5 tonne de gallium / an).

SUAL : Capacités à Kamensk-Uralsky (technologie de frittage Bayer des bauxites de la région du minerai de bauxite du nord de l'Oural, capacité du site - jusqu'à 2 tonnes de gallium / an), à la raffinerie d'alumine de Boksitogorsk (traite les bauxites de la région de Leningrad par frittage, capacité - 5 tonnes de gallium/an, actuellement mis sous cocon) et Pikalevsky Alumina (traite par frittage des concentrés de néphéline à partir de minerais d'apatite-néphéline de la région de Mourmansk, la capacité du site est de 9 tonnes de gallium/an). Au total, toutes les entreprises Rusal et SUAL peuvent produire plus de 20 tonnes/an.

La production réelle est inférieure - par exemple, en 2005, 8,3 tonnes de gallium ont été exportées de Russie et 13,9 tonnes de gallium de la raffinerie d'alumine de Nikolaev ont été exportées d'Ukraine.

Lors de la préparation du matériel, les informations de la société "Kvar" ont été utilisées.

Nom:*
E-mail:
Un commentaire: