Атомна маса галію. Галій – метал, що плавиться в руках

Про елемент з атомним номером 31 більшість читачів пам'ятають лише, що це один із трьох елементів, передбачених та найбільш докладно описаних Д.І. Менделєєвим, і що галій - дуже легкоплавкий метал: щоб перетворити його на рідину, достатньо тепла долоні.

Втім, галій - не легкоплавкий з металів (навіть якщо не рахувати ртуть). Його температура плавлення 29,75 ° C, а цезій плавиться при 28,5 ° C; тільки цезій, як і всякий лужний метал, до рук не візьмеш, тому на долоні, природно, галій розплавити легше, ніж цезій.

Свою розповідь про елемент №31 ми навмисне розпочали зі згадки про те, що відомо майже всім. Тому що це «відоме» потребує пояснень. Всі знають, що галій пророкував Менделєєва, а відкритий Лекоком де Буабодраном, але далеко не всім відомо, як відбулося відкриття. Багато хто знає, що галій легкоплавкий, але майже ніхто не може відповісти на питання, чому він легкоплавкий.

Як було відкрито галій

Французький хімік Поль Еміль Лекок де Буабодран увійшов до історії як відкривач трьох нових елементів: галію (1875), самарію (1879) та диспрозію (1886). Перше із цих відкриттів принесло йому славу.

У той час поза Францією він був мало відомий. Йому було 38 років, він займався переважно спектроскопічними дослідженнями. Спектроскопіст Лекок де Буабодран був хорошим, і це, зрештою, призвело до успіху: всі три свої елементи він відкрив методом спектрального аналізу.

У 1875 р. Лекок де Буабодран досліджував спектр цинкової обманки, привезеної з Пьеррфита (Піренеї). У цьому спектрі і була виявлена нова фіолетова лінія (довжина хвилі 4170 ?). Нова лінія свідчила про присутність у мінералі невідомого елемента, і, звісно, Лекок де Буабодран доклав максимум зусиль, щоб цей елемент виділити. Зробити це виявилося непросто: вміст нового елемента в руді було менше 0,1%, і багато в чому він був подібний до цинку*. Після тривалих дослідів ученому вдалося отримати новий елемент, але в дуже невеликій кількості. Настільки невеликий (менше 0,1 г), що вивчити його фізичні та хімічні властивості Лекок де Буабодрап зміг далеко не повно.

Про те, як отримують галій із цинкової обманки, розказано нижче.

Повідомлення про відкриття галію – так на честь Франції (Галія – її латинська назва) було названо новий елемент – з'явилося у доповідях Паризької академії наук.

Це повідомлення прочитав Д.І. Менделєєв і впізнав у галії передбачений ним п'ять років раніше екаалюміній. Менделєєв відразу написав у Париж. «Спосіб відкриття та виділення, а також деякі описані властивості змушують припускати, що новий метал не що інше, як екаалюміній», – йшлося у його листі. Потім він повторював передбачені для цього елемента властивості. Більше того, ніколи не тримаючи в руках крупинки галію, не бачачи його в очі, російський хімік стверджував, що першовідкривач елемента помилився, що щільність нового металу не може дорівнювати 4,7, як писав Лекок де Буабодран, - вона повинна бути більше, приблизно 5,9...6,0 г/см 3 !

Як це не дивно, але про існування періодичного законуперший його ствердний, «укрепитель», дізнався лише з цього листа. Він ще раз виділив і ретельно очистив крихти галію, щоб перевірити результати перших дослідів. Деякі історики науки вважають, що робилося це з метою осоромити самовпевненого російського «провісника». Але досвід показав протилежне: помилився першовідкривач. Пізніше він писав: "Не потрібно, я думаю, вказувати на виняткове значення, яке має щільність нового елемента щодо підтвердження теоретичних поглядів Менделєєва".

Майже точно збіглися з даними досвіду та інші передбачені Менделєєвим властивості елемента №31. «Пророцтва Менделєєва виправдалися з незначними відхиленнями: екаалюміній перетворився на галій». Так характеризує цю подію Енгельс у «Діалектиці природи».

Чи треба говорити, що відкриття першого із передбачених Менделєєвим елементів значно зміцнило позиції періодичного закону.

Чому галій легкоплавок?

Передбачаючи властивості галію, Менделєєв вважав, що цей метал повинен бути легкоплавким, оскільки його аналоги по групі – алюміній та індій – теж не відрізняються тугоплавкістю.

Але температура плавлення галію незвичайно низька, у п'ять разів нижча, ніж у Індії. Пояснюється це незвичною будовою кристалів галію. Його кристалічні грати утворені не окремими атомами (як у «нормальних» металів), а двоатомними молекулами. Молекули Ga 2 дуже стійкі, вони зберігаються навіть при переведенні галію в рідкий стан. Але між собою ці молекули пов'язані лише слабкими вандерваальсовими силами, і для руйнування їхнього зв'язку потрібно зовсім небагато енергії.

З двоатомністю молекул пов'язані деякі властивості елемента №31. У рідкому стані галій щільніше і важче, ніж у твердому. Електропровідність рідкого галію також більша, ніж твердого.

На що схожий галій?

Зовні - найбільше на олово: сріблясто-білий м'який метал, на повітрі він не окислюється і не тьмяніє.

А з більшості хімічних властивостей галій близький до алюмінію. Як і в алюмінію, на зовнішній орбіті атома галію три електрони. Як і алюміній, галій легко, навіть на холоді, взаємодіє з галогенами (крім йоду). Обидва метали легко розчиняються в сірчаній та соляній кислотах, обидва реагують із лугами та дають амфотерні гідроксиди. Константи дисоціації реакцій

Ga(OH) 3 → Ga 3+ + 3OH –

Н 3 GaО 3 → 3Н + + GaO 3–3

– величини одного порядку.

Є, однак, і відмінності у хімічні властивостігалію та алюмінію.

Сухим киснем галій помітно окислюється лише за температури вище 260°C, а алюміній, якщо позбавити його захисної плівки, окислюється киснем дуже швидко.

З воднем галій утворює гідриди, подібні до гідридів бору. Алюміній здатний тільки розчиняти водень, але не вступати з ним в реакцію.

А ще галій схожий на графіт, на кварц, воду.

На графіт – тим, що залишає сірий слід на папері.

На кварц – електричною та тепловою анізотропністю.

Розмір електричного опору кристалів галію залежить від цього, уздовж який осі проходить струм. Ставлення максимуму до мінімуму дорівнює 7 – більше, ніж будь-якого іншого металу. Те саме і з коефіцієнтом теплового розширення.

Величини його у напрямку трьох кристалографічних осей (кристали галію ромбічні) відносяться як 31:16:11.

А на воду галій схожий на те, що, затвердіючи, він розширюється. Приріст обсягу помітний – 3,2%.

Вже одне поєднання цих суперечливих подібностей свідчить про неповторну індивідуальність елемента №31.

Крім того, у нього є властивості, які не притаманні жодному елементу. Розплавлений він може багато місяців залишатися в переохолодженому стані при температурі нижче точки плавлення. Це єдиний з металів, який залишається рідиною у величезному інтервалі температур від 30 до 2230 ° C, причому леткість його пар мінімальна. Навіть у глибокому вакуумі він помітно випаровується лише за 1000°C. Пари галію на відміну від твердого і рідкого металуодноатомні. Перехід Ga 2 → 2Ga потребує великих витрат енергії; цим пояснюється труднощі випаровування галію.

Великий температурний інтервал рідкого стану – основа одного з основних технічних застосувань елемента №31.

На що галій придатний?

Галлієві термометри дозволяють в принципі виміряти температуру від 30 до 2230°C. Наразі випускаються галієві термометри для температур до 1200°C.

Елемент №31 йде виробництво легкоплавких сплавів, які у сигнальних пристроях. Сплав галію з індиєм плавиться вже за 16°C. Це найлегший з усіх відомих сплавів.

Як елемент III групи, що сприяє посиленню в напівпровіднику «діркової» провідності, галій (чистотою не менше 99,999%) застосовують як присадку до германію та кремнію.

Інтерметалеві сполуки галію з елементами V групи – сурмою та миш'яком – самі мають напівпровідникові властивості.

Добавка галію в скляну масу дозволяє отримати скла з високим коефіцієнтом заломлення світлових променів, а скла на основі Ga 2 O 3 добре пропускають інфрачервоні промені.

Рідкий галій відбиває 88% світла, що падає на нього, твердий - трохи менше. Тому роблять дуже прості у виготовленні дзеркала галлієві – галієве покриття можна наносити навіть пензлем.

Іноді використовують здатність галію добре змочувати тверді поверхні, замінюючи їм ртуть у дифузійних ваккумних насосах. Такі насоси краще "тримають" вакуум, ніж ртутні.

Були спроби застосувати галій в атомних реакторах, але навряд чи результати цих спроб вважатимуться успішними. Мало того, що галій досить активно захоплює нейтрони (перетин захоплення 2,71 барна), він ще реагує за підвищених температур з більшістю металів.

Галій не став атомним матеріалом. Щоправда, його штучний радіоактивний ізотоп 72 Ga (з періодом напіврозпаду 14,2 годин) застосовують для діагностики раку кісток. Хлорид і нітрат галію-72 адсорбуються пухлиною, і, фіксуючи характерне для цього ізотопу випромінювання, медики майже точно визначають розміри сторонніх утворень.

Як бачите, практичні можливості елемента №31 досить широкі. Використовувати їх повністю поки що не вдається через труднощі отримання галію – елемента досить рідкісного (1,5 10 –3 % ваги земної кори) і дуже розсіяного. Власних мінералів галію відомо небагато. Перший і найвідоміший його мінерал, галліт CuGaS 2 виявлено лише в 1956 р. Пізніше було знайдено ще два мінерали, зовсім рідкісні.

Зазвичай галій знаходять у цинкових, алюмінієвих, залізних рудах, а також у кам'яному вугіллі - як незначну домішку. І що характерно: чим більше ця домішка, тим важче її витягти, тому що галію більше в рудах тих металів (алюміній, цинк), які близькі йому за властивостями. Основна частина земного галію міститься у мінералах алюмінію.

Галій(лат. Gallium), Ga, хімічний елемент ІІІ групи періодичної системиД. І. Менделєєва, порядковий номер 31, атомна маса 69,72; сріблясто-білий м'який метал. Складається із двох стабільних ізотопів із масовими числами 69 (60,5%) та 71 (39,5%).

Існування Галію ("екаалюмінію") і основні його властивості були передбачені в 1870 Д. І. Менделєєвим. Елемент був відкритий спектральним аналізом у піренейській цинковій обманці та виділений у 1875 році французьким хіміком П. Е. Лекоком де Буабодраном; названо на честь Франції (лат. Gallia). Точний збіг властивостей Галлія з передбачуваними був першим тріумфом періодичної системи.

Середній вміст Галію в земної коривідносно високе, 1,5 · 10 -3 % за масою, що дорівнює вмісту свинцю та молібдену. Галій – типовий розсіяний елемент. Єдиний мінерал Галію – галліт CuGaS 2 дуже рідкісний. Геохімія Галію тісно пов'язана з геохімією алюмінію, що обумовлено схожістю їх фізико-хімічних властивостей. Основну частину Галію в літосфері укладено в мінералах алюмінію. Зміст Галію в бокситах та нефелінах коливається від 0,002 до 0,01%. Підвищені концентраціїГалія спостерігаються також у сфалеритах (0,01-0,02%), у кам'яному вугіллі (разом з германієм), а також у деяких залізних рудах.

Фізичні властивості Галію.Галій має ромбічну (псевдотетрагональну) решітку з параметрами а = 4,5197Å, b = 7,6601Å, c = 4,5257Å. Щільність (г/см 3) твердого металу 5,904 (20°С), рідкого 6,095 (29,8°С), тобто при затвердінні обсяг Галію збільшується; t пл 29,8 ° C, t кип 2230 ° С. Відмінна особливістьГалія - великий інтервал рідкого стану (2200°С) та низький тиск пари при температурах до 1100-1200°С. Питома теплоємність твердого Галію 376,7 дж/(кг·К), тобто 0,09 кал/(г·град) в інтервалі 0-24°С, рідкого відповідно 410 дж/(кг·К), тобто 0,098 кал /(г·град) в інтервалі 29-100°С. Питомий електричний опір (ом·см) твердого Галію 53,4·10 -6 (0°С), рідкого 27,2·10 -6 (30°С). В'язкість (пуаз = 0,1 н · сек / м 2): 1,612 (98 ° С), 0,578 (1100 ° С), поверхневий натяг 0,735 н / м (735 дин / см) (30 ° С в атмосфері Н 2) . Коефіцієнти відображення для довжин хвиль 4360 і 5890 відповідно рівні 75,6% і 71,3%. Перетин захоплення теплових нейтронів 2,71 бар (2,7 · 10 -28 м 2).

Хімічні властивості Галію.На повітрі за нормальної температури Галій стійок. Вище 260° З сухому кисні спостерігається повільне окислення (плівка оксиду захищає метал). У сірчаній та соляній кислотах Галій розчиняється повільно, у плавиковій – швидко, в азотній кислоті на холоді Галій стійкий. У гарячих розчинах лугів Галій повільно розчиняється. Хлор та бром реагують з Галлієм на холоду, йод – при нагріванні. Розплавлений Галій при температурах вище 300 ° С взаємодіє з усіма конструкційними металами та сплавами.

Найбільш стійкі тривалентні сполуки Галію, які багато в чому близькі за властивостями хімічних сполук алюмінію. Крім того, відомі одно- та двовалентні сполуки. Вищий оксид Gа 2 Про 3 - речовина білого кольору, нерозчинний у воді. Відповідний йому гідрооксид осідає з розчинів солей Галію у вигляді білого драглистого осаду. Вона має яскраво виражений амфотерний характер. При розчиненні в лугах утворюються галати (наприклад, Na), при розчиненні в кислотах - солі Галію: Gа 2 (SО 4) 3 , GaCl 3 та ін. Кислотні властивості у гідрооксиду Галію виражені сильніше, ніж у гідрооксиду алюмінію ВІН) 3 лежить у межах рН = 10,6-4,1, a Ga(OH) 3 в межах рН = 9,7-3,4].

На відміну від Al(ОН) 3 гідроксид Галію розчиняється не тільки в сильних лугах, але і в розчинах аміаку. При кип'ятінні з аміачного розчину знову випадає гідрооксид Галію.

Із солей Галлія найбільше значеннямають хлорид GaCl 3 (t пл 78°C, t кип 200°C) і сульфат Ga 2 (SO 4) 3 . Останній з сульфатами лужних металів і амонію утворює подвійні солі типу галунів, наприклад (NH 4)Ga(SO 4) 2 ·12H 2 O. Аl та ряду інших елементів.

Отримання Галлія.Основне джерело отримання Галію – алюмінієве виробництво. Галій при переробці бокситів за способом Байєра концентрується в оборотних маточних розчинах після виділення Аl(ОН) 3 . З таких розчинів Галлію виділяють електролізом на ртутному катоді. З лужного розчину, отриманого після обробки амальгами водою, беруть в облогу Ga(OH) 3 , яку розчиняють у лугу і виділяють Галій електролізом.

При содово-вапняному способі переробки бокситової або нефелінової руди Галій концентрується в останніх фракціях опадів, що виділяються у процесі карбонізації. Для додаткового збагачення осад гідрооксидів обробляють вапняним молоком. При цьому більша частина Al залишається в осаді, а Галій переходить в розчин, з якого пропусканням 2 виділяють галієвий концентрат (6-8% Gа 2 Про 3); останній розчиняють у лугу та виділяють Галій електролітично.

Джерелом Галію може служити залишковий анодний сплав процесу рафінування Al за методом тришарового електролізу. У виробництві цинку джерелами Галію є відгони (вельц-оксиди), що утворюються при переробці хвостів вилуговування цинкових недогарків.

Отриманий електролізом лужного розчину рідкий Галій, промитий водою та кислотами (НСl, HNO 3), містить 99,9-99,95% Ga. Чистіший метал отримують плавкою у вакуумі, зонною плавкою або витягуванням монокристалу з розплаву.

Застосування Галію.Найбільш перспективне застосування Галію у вигляді хімічних сполуктипу GaAs, GaP, GaSb, які мають напівпровідникові властивості. Вони можуть застосовуватися у високотемпературних випрямлячах та транзисторах, сонячних батареях та інших приладах, де може бути використаний фотоефект у замикаючому шарі, а також у приймачах інфрачервоного випромінювання. Галій можна використовувати для виготовлення оптичних дзеркал, що відрізняються високою відбивною здатністю. Сплав алюмінію з Галлієм запропонований замість ртуті як катод ламп ультрафіолетового випромінювання, які застосовуються в медицині. Рідкий Галій та його сплави запропоновано використовувати для виготовлення високотемпературних термометрів (600-1300 ° С) та манометрів. Цікавим є застосування Галію та його сплавів як рідкого теплоносія в енергетичних ядерних реакторах (цьому заважає активна взаємодія Галій при робочих температурах з конструкційними матеріалами; евтектичний сплав Ga-Zn-Sn має меншу корозійну дію, ніж чистий Галій).

Метал ГАЛІЙ

Галій - елемент головної підгрупи третьої групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементівД. І. Менделєєва, з атомним номером 31. Позначається символом Ga (лат. Gallium). Належить до групи легких металів. Проста речовина галій (CAS-номер: 7440-55-3) - м'який пластичний метал сріблясто-білого (за іншими даними світло-сірого) кольору із синюватим відтінком.

Метал ГАЛІЙ

Галій:Температура плавлення 29.76 °C

малотоксичний, можна взяти в руки та розплавити!

Матеріал для напівпровідникової електроніки

Арсенід Галія GaAs

- Перспективний матеріал для напівпровідникової електроніки.

Нітрід галію

використовується у створенні напівпровідникових лазерів та світлодіодів синього та ультрафіолетового діапазону. Нітрид галію має чудові хімічні та механічні властивості, типові для всіх нітридних сполук.

Ізотоп галій-71

є найважливішим матеріалом для реєстрації нейтрино і у зв'язку з цим перед технікою стоїть дуже актуальне завдання виділення цього ізотопу із природної суміші з метою підвищення чутливості детекторів нейтрино. Так як вміст 71Ga становить природної суміші ізотопів близько 39,9%, то виділення чистого ізотопу і використання його як детектор нейтрино здатне підвищити чутливість реєстрації в 2,5 рази.

Хімічні властивості

Галій доріг, у 2005 році на світовому ринку тонна галію коштувала 1,2 млн доларів США, і у зв'язку з високою ціною і водночас з великою потребою в цьому металі дуже важливо налагодити його вилучення при алюмінієвому виробництві та переробці кам'яного вугілляна рідке паливо.

Галій має ряд сплавів, рідких при кімнатній температурі, і один з його сплавів має температуру плавлення 3 ° C (евтектика In-Ga-Sn), але з іншого боку галій (сплави меншою мірою) дуже агресивний до більшості конструкційних матеріалів (розтріскування і розмивання сплавів за високої температури). Наприклад, по відношенню до алюмінію та його сплавів галій є потужним знижувачем міцності (див. адсорбційне зниження міцності, ефект Ребіндера). Цю властивість галію було яскраво продемонстровано і детально вивчено П. А. Ребіндером та Є. Д. Щукіним при контакті алюмінію з галієм або його евтектичними сплавами (рідкометалеве крихтіння). Як теплоносій галій малоефективний, а часто просто неприйнятний.

Галій - чудовий мастильний матеріал

. На основі галію та нікелю, галію та скандію створені дуже важливі в практичному плані металеві клеї.

Металічним галієм заповнюють також кварцові термометри (замість ртуті) для вимірювання високих температур. Це з тим, що галій має значно більше високу температурукипіння порівняно з ртуттю.

Оксид галію входить до складу низки стратегічно важливих лазерних матеріалів групи гранатів - ДСГГ, ІАГ, ІСГГ та ін.

Широкого промислового застосування галій ще отримав. Нині визначилися такі галузі використання галію.
Термометри високої температури.Галій має низьку температуру плавлення (29,8°) при високій температурі кипіння (~2200°). Це дозволяє використовувати його для виготовлення кварцових термометрів для виміру високих температур (600-1300 °).
Легкоплавкі сплави.Галій з рядом металів (вісмут, свинець, олово, кадмій, індій, талій та ін) утворює легкоплавкі сплави, що мають температуру плавлення нижче 60 °. Так, наприклад, сплав галію з 25% In плавиться при температурі 16°, точка плавлення сплаву галію з 8% Sn дорівнює 20°. Температура плавлення евтектичного сплаву (82% Ga, 12% Sn та 6% Zn) дорівнює 17°.
Запропоновано ряд легкоплавких сплавів, що містять галій, для сигнальних пристроїв (спринклерних запобіжників), що застосовуються у пожежній справі, дія яких заснована на розплавленні сплаву при перевищенні певної температури, що викликає автоматичне включеннясистеми розпилення води.
Легкоплавкий сплав, що містить 60% Sn, 30% Ga та 10% In, запропонований для термометрів замість ртуті.
У Останнім часомпривернуто увагу до можливості використання галію та його сплавів як рідке середовище для відведення тепла на енергетичних установках, наприклад, тепла, що виділяється в атомних котлах. Перевагою галію як теплопровідної рідини є висока температура кипіння, що поєднується з високою теплопровідністю. Однак перешкодою до використання галієвого теплоносія є взаємодія галію з більшістю металів при високих температурах.
Запропоновано використовувати сплави галію в зубній справі замість амальгам ртуті. Для зубних пломб рекомендовані такі сплави; 40-80% Bi; 30-60% Sn; 0,5-0,8% Ga та 61,5% Bi; 37,2% Sn; 1,3% Ga.
Дзеркала. Галій має здатність добре прилипати до скла, що дозволяє виготовляти галієві дзеркала. Дзеркало можна виготовити шляхом стискання галію між двома нагрітими листами скла. Галлієві дзеркала мають високу
відбивною здатністю. Для довжини хвилі 4,360 А відбивна здатність становить 75,6%, для хвилі 5,890 А – 71,3%. Рідкий галій відбиває 88% падаючого на дзеркало світла.
Інші сфери застосування.Запропоновано застосовувати сплав алюмінію з галієм замість ртуті як катод ламп ультрафіолетового випромінювання, що використовуються в медицині. Отримане при цьому випромінювання збагачене променями блакитних і червоних частин спектру, що покращує терапевтична діявипромінювання.
Можлива заміна галієм ртуті у ртутних випрямлячах. Дуже висока температура кипіння металу дозволяє працювати зі значно великими навантаженняминіж при використанні ртуті.
Відомо застосування солей галію в якості компонента фарб, що світяться (для збудження флуоресцентного світіння сполук). Солі галію використовують також в аналітичній хімії, в медицині та як каталізаторів в органічному синтезі.

27.03.2019

По-перше, треба визначитися скільки ви готові витратити на покупку. Фахівці рекомендують інвесторам-початківцям суму від 30 тисяч рублів до 100.

27.03.2019

Металопрокат в наш час активно використовується в найбільш різних ситуаціях. Справді, на багатьох виробництвах просто не обійтися без нього, тому що металопрокат.

27.03.2019

Сталеві прокладки овального перерізу призначені для герметизації фланцевих з'єднань арматури та трубопроводів, що транспортують агресивні середовища.

26.03.2019

Багато хто з нас чув про таку посаду як системний адміністратор, але далеко не кожен уявляє, що конкретно мається на увазі під цією фразою.

26.03.2019

Кожна людина, яка робить ремонт у своєму приміщенні, має замислюватися про те, які конструкції необхідно встановити у міжкімнатний простір. На ринку...

26.03.2019

На сьогоднішній день газоаналізатори активно застосовують у нафтовій та в газовій галузях, у комунальній сфері, у ході здійснення аналізів у лабораторних комплексах, для...

26.03.2019

На сьогоднішній день металеві ємності активно використовуються з метою стаціонарного зберігання різного роду рідин, серед яких нафта та нафтопродукти, на складах, в...

25.03.2019

На підприємстві Algerian Qatari Steel, що знаходиться в населеному пунктіБеллара, стартували «гарячі» перевірки дротяного стану з показником потужності приблизно...

25.03.2019

Найвищий рівеньнадійності постачання електрики для відповідальних споживачів можна досягти за допомогою експлуатації автономних генераторів. Приймаючи в...

Галій - елемент головної підгрупи третьої групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва з атомним номером 31. Позначається символом Ga (лат. Gallium). Належить до групи легких металів. Проста речовина галій - м'який пластичний метал сріблясто-білого кольору із синюватим відтінком.

Атомний номер - 31

Атомна маса - 69,723

Щільність, кг/м³ - 5910

Температура плавлення, ° С - 29,8

Теплоємність, кДж/(кг·°С) - 0,331

Електронегативність - 1,8

Ковалентний радіус, Å - 1,26

1-й іонізація. потенціал, ев - 6,00

Історія відкриття галію

В 1875 Лекок де Буабодран досліджував спектр цинкової обманки, привезеної з Пьеррфита (Піренеї). У цьому спектрі і було виявлено нову фіолетову лінію. Нова лінія свідчила про присутність у мінералі невідомого елемента, і, звісно, Лекок де Буабодран доклав максимум зусиль, щоб цей елемент виділити. Зробити це виявилося непросто: вміст нового елемента в руді було менше 0,1%, і багато в чому він був подібний до цинку*. Після тривалих дослідів ученому вдалося отримати новий елемент, але в дуже невеликій кількості. Настільки невеликий (менше 0,1 г), що вивчити його фізичні та хімічні властивості Лекок де Буабодран зміг далеко не повно.

Знаходження галіяв природі

Середній вміст галію у земній корі 19 г/т. Галій типовий розсіяний елемент, що має подвійну геохімічну природу. Єдиний мінерал Галію – галліт CuGaS 2 дуже рідкісний. Геохімія Галію тісно пов'язана з геохімією алюмінію, що зумовлено схожістю їх фізико-хімічних властивостей. Основну частину Галію в літосфері укладено в мінералах алюмінію. Зважаючи на близькість його кристалохімічних властивостей з головними породоутворюючими елементами (Al, Fe та ін.) і широку можливість ізоморфізму з ними, галій не утворює великих скупчень, незважаючи на значну величину кларка. Виділяються наступні мінерали з підвищеним вмістом галію: сфалерит (0 – 0,1%), магнетит (0 – 0,003%), каситерит (0 – 0,005%), гранат (0 – 0,003%), берил (0 – 0,003%), турмалін (0 – 0,01%), сподумен (0,001 – 0,07%), флогопіт (0,001 – 0,005%), біотит (0 – 0,1%), мусковіт (0 – 0,01%), серицит ( 0 – 0,005%), лепідоліт (0,001 – 0,03%), хлорит (0 – 0,001%), польові шпати (0 – 0,01%), нефелін (0 – 0,1%), гекманіт (0,01 - 0,07%), натроліт (0 - 0,1%).

Фізичні властивості галія

Мабуть, найвідоміша властивість галію, його температура плавлення, вона становить 29.76 °C. Це другий за легкоплавкістю метал у періодичній системі (після ртуті). Це дозволяє плавити метал, тримаючи його у руці. Галій – один із небагатьох металів, що розширюються при затвердінні розплаву (інші – Bi, Ge).

Кристалічний галій має кілька поліморфних модифікацій, проте термодинамічно стійкою є тільки одна (I), що має орторомбічну (псевдотетрагональну) решітку з параметрами а = 4,5186 Å, b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å . Інші модифікації галію (β, γ, δ, ε) кристалізуються з переохолодженого диспергованого металу і є нестабільними. При підвищеному тиску спостерігалися ще дві поліморфні структури галію II і III, що мають, відповідно, кубічні та тетрагональні грати.

Щільність галію в твердому стані за температури T=20 °C дорівнює 5,904 г/см³.

Однією з особливостей галію є широкий температурний інтервал існування рідкого стану (від 30 до 2230 °C), при цьому він має низький тиск пари при температурах до 1100÷1200 °C. Питома теплоємністьтвердого галію в температурному інтервалі T=0÷24 °C дорівнює 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), у рідкому стані при T=29÷100 °C - 410 Дж/кг· К (0,098 кал/г·град).

Питомий електричний опір у твердому та рідкому стані рівні, відповідно, 53,4·10 −6 ом·см (при T=0 °C) та 27,2·10 −6 ом·см (при T=30 °C). В'язкість рідкого галію при різних температурахдорівнює 1,612 пуази при T=98 °C і 0,578 пуази при T=1100 °C. Поверхневий натяг, виміряний при 30 °C в атмосфері водню, дорівнює 0,735 н/м. Коефіцієнти відображення для довжин хвиль 4360 Å і 5890 Å становлять 75,6% і 71,3%, відповідно.

Природний галій складається з двох ізотопів 69 Ga (61,2%) та 71 Ga (38,8%). Поперечний переріз захоплення теплових нейтронів дорівнює їм 2,1·10 −28 м² і 5,1·10 −28 м², відповідно.

Галій-малотоксичний елемент. Через низьку т-ри плавлення зливки галію рекомендується транспортувати в пакетах з поліетилену, який погано змочується розплавом галію. У свій час метал навіть застосовувався для виготовлення пломб (замість амальгамних). Це застосування засноване на тому, що при змішуванні порошку міді з розплавленим галієм виходить паста, яка за кілька годин твердне (через утворення інтерметалевого з'єднання) і потім може витримати нагрівання до 600 градусів без плавлення.

За високих температур галій є дуже агресивною речовиною. При температурах вище 500 ° C він роз'їдає практично всі метали, крім вольфраму, а також багато інших матеріалів. Кварц стійкий до дії розплавленого галію до 1100 °C, але проблема може виникнути через те, що кварц (а також більшість інших стекол) чудово змочується цим металом. Тобто галій просто налипне на стінки кварцу.

Хімічні властивості галія

Хімічні властивості галію близькі до властивостей алюмінію. Оксидна плівка, що утворюється на поверхні металу на повітрі, оберігає галію від подальшого окислення. При нагріванні під тиском галій реагує з водою, утворюючи сполуку GaOOH за реакцією:

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

Галій взаємодіє з мінеральними кислотамиз виділенням водню та утворенням солей, причому реакція протікає навіть нижче за кімнатну температуру:

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

Продуктами реакції з лугами і карбонатами калію і натрію є гідроксогалати, що містять іони Ga(OH) 4 - і, можливо, Ga(OH) 6 3- і Ga(OH) 2 - :

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

Галій реагує з галогенами: реакція з хлором і фтором йде при кімнатній температурі, з бромом - вже при -35 ° C (близько 20 ° C - з запаленням), взаємодія з йодом починається при нагріванні.

Галій не взаємодіє з воднем, вуглецем, азотом, кремнієм та бором.

При високих температурах галій здатний руйнувати різні матеріали і його дія сильніша за розплав будь-якого іншого металу. Так, графіт та вольфрам стійкі до дії розплаву галію до 800 °C, алунд та оксид берилію BeO - до 1000 °C, тантал, молібден та ніобій стійкі до 400÷450 °C.

З більшістю металів галій утворює галіди, винятком є вісмут, а також метали підгруп цинку, скандію, титану. Один з галид V 3 Ga має досить високу температуру переходу в надпровідний стан 16,8 K.

Галій утворює полімерні гідриди:

4LiH + GaCl 3 = Li + 3LiCl.

Стійкість іонів падає серед BH 4 - → AlH 4 - → GaH 4 - . Іон BH 4 - стійкий у водному розчині, AlH 4 - та GaH 4 - швидко гідролізуються:

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

При розчиненні Ga(OH) 3 і Ga 2 O 3 в кислотах утворюються аквакомплекси 3+ , тому з водних розчинів солі галію виділяються у вигляді кристалогідратів, наприклад, хлорид галію GaCl 3 *6H 2 O, галійкалієві галун KGa(SO 4) 2 * 12H 2 O.

Цікаво відбувається взаємодія галію із сірчаною кислотою. Воно супроводжується виділенням елементарної сірки. При цьому сірка обволікає поверхню металу та перешкоджає його подальшому розчиненню. Якщо ж обмити метал гарячою водою, реакція відновиться, і йтиме доти, доки на галії не наросте нова «шкура» із сірки.

Основні з'єднання галія

Ga 2 H 6- Летуча рідина, t пл -21,4 ° C, t кип 139 ° C. В ефірній суспензії з гідратом літію або талію утворює сполуки LiGaH 4 та TlGaH 4 . Утворюється в результаті обробки тетраметилдігаллан триетиламін. Є бананові зв'язки, як і в діборані

Ga 2 O 3- білий або жовтий порошок, t пл. 1795 °C. Існує у вигляді двох модифікацій. α- Ga 2 Про 3 - безбарвні тригональні кристали із щільністю 6,48 г/см³, малорозчинні у воді, розчинні у кислотах. β- Ga 2 Про 3 - безбарвні моноклінні кристали з щільністю 5,88 г/см³, малорозчинні у воді, кислотах та лугах. Отримують нагріванням металевого галію на повітрі при 260 °C або в атмосфері кисню, або прожарюванням нітрату або сульфату галію. ΔH° 298(обр) −1089,10 кДж/моль; ΔG° 298(обр) −998,24 кДж/моль; S° 298 84,98 Дж/моль*K. Виявляють амфотерні властивості, хоча основні властивості, порівняно з алюмінієм, посилені:

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- випадає у вигляді желеподібного осаду при обробці розчинів солей тривалентного галію гідроксидами та карбонатами лужних металів (pH 9,7). Розчиняється в концентрованому аміаку та концентрованому розчині карбонату амонію, при кип'ятінні осаджується. Нагріванням гідроксид галію можна перевести в GaOOH, потім Ga 2 O 3 *H 2 O, і, нарешті, в Ga 2 O 3 . Можна отримати гідроліз солей тривалентного галію.

GaF 3- Білий порошок. t пл >1000 °C, t кіп 950 °C, щільність - 4,47 г/см³. Малорозчинний у воді. Відомий кристалогідрат GaF 3 ·3Н 2 O. Отримують нагріванням оксиду галію в атмосфері фтору.

GaCl 3- Безбарвні гігроскопічні кристали. t пл 78 °C, t кіп 215 °C, щільність - 2,47 г/см³. Добре розчинний у воді. У водних розчинахгідролізується. Отримують безпосередньо із елементів. Застосовується як каталізатор в органічних синтезах.

GaBr 3- Безбарвні гігроскопічні кристали. t пл 122 °C, t кіп 279 °C щільність - 3,69 г/см³. Розчиняється у воді. У водяних розчинах гідролізується. В аміаку малорозчинний. Отримують безпосередньо із елементів.

GaI 3- гігроскопічні світло-жовті голки. t пл 212 °C, t кіп 346 °C, щільність - 4,15 г/см³. Гідролізується теплою водою. Отримують безпосередньо із елементів.

GaS 3- жовті кристали або білий порошок аморфний з t пл 1250 °C і щільністю 3,65 г/см³. Взаємодіє з водою, повністю гідролізується. Отримують взаємодією галію з сіркою або сірководнем.

Ga 2 (SO 4) 3 ·18H 2 O- безбарвна, добре розчинна у воді речовина. Виходить при взаємодії галію, його оксиду та гідроксиду із сірчаною кислотою. З сульфатами лужних металів та амонію легко утворює галун, наприклад, KGa(SO 4) 2 ·12Н 2 Про.

Ga(NO 3) 3 ·8H 2 O- безбарвні, розчинні у воді та етанолі кристали. При нагріванні розкладається із утворенням оксиду галію (III). Виходить дією азотної кислотина гідроксид галію.

Отримання галію

Основне джерело отримання Галію – алюмінієве виробництво. Галій при переробці бокситів за способом Байєра концентрується в оборотних маточних розчинах після виділення Аl(ОН) 3 . З таких розчинів Галлію виділяють електролізом на ртутному катоді. З лужного розчину, отриманого після обробки амальгами водою, беруть в облогу Ga(OH) 3 , яку розчиняють у лугу і виділяють Галій електролізом.

Застосування галію

Арсенід галію GaAs - перспективний матеріал для напівпровідникової електроніки.

Нітрід галію використовується у створенні напівпровідникових лазерів та світлодіодів синього та ультрафіолетового діапазону. Нітрид галію має чудові хімічні та механічні властивості, типові для всіх нітридних сполук.

Як елемент III групи, що сприяє посиленню в напівпровіднику «діркової» провідності, галій (чистотою не менше 99,999%) застосовують як присадку до германію та кремнію. Інтерметалеві сполуки галію з елементами V групи – сурмою та миш'яком – самі мають напівпровідникові властивості.

Ізотоп галій-71 є найважливішим матеріалом для реєстрації нейтрино, і у зв'язку з цим перед технікою стоїть дуже актуальне завдання виділення цього ізотопу з природної суміші з метою підвищення чутливості детекторів нейтрино. Оскільки вміст 71 Ga становить природної суміші ізотопів близько 39,9 %, то виділення чистого ізотопу та використання його як детектор нейтрино здатне підвищити чутливість реєстрації в 2,5 рази.

Галій доріг, у 2005 році на світовому ринку тонна галію коштувала 1,2 млн доларів США, і у зв'язку з високою ціною і водночас з великою потребою в цьому металі дуже важливо налагодити його повне вилучення при алюмінієвому виробництві та переробці кам'яного вугілля на рідке паливо.

Галій має ряд сплавів, рідких при кімнатній температурі, і один з його сплавів має температуру плавлення 3 °C, але з іншого боку галій (сплави меншою мірою) дуже агресивний до більшості конструкційних матеріалів (розтріскування та розмивання сплавів при високій температурі), і як теплоносій він малоефективний, а часто просто неприйнятний.

Галій - чудовий мастильний матеріал. На основі галію та нікелю, галію та скандію створені практично дуже важливі металеві клеї.

Металічним галієм заповнюють також кварцові термометри (замість ртуті) для вимірювання високих температур. Це з тим, що галій має значно вищу температуру кипіння проти ртуттю.

Оксид галію входить до складу низки стратегічно важливих лазерних матеріалів.

Виробництво галію у світі

Його світове виробництво не перевищує двох сотень тонн на рік. За винятком двох нещодавно виявлених родовищ – у 2001 р. у Gold Canion, Невада, США та у 2005 р. у Внутрішній Монголії, Китай – ніде у світі галій не зустрічається у промислових концентраціях. (В останньому родовищі встановлено наявність 958 тис. тонн галію у вугіллі – це подвоєння світових ресурсів галію).

Світові ресурси галію тільки в бокситах, за оцінками, перевищують 1 млн. тонн, і в згадане родовище в Китаї 958 тис. тонн галію у вугіллі – подвоєння світових ресурсів галію).

Виробників галію не так багато. Одним із лідерів на ринку галію є фірма GEO Gallium. Її основні потужності до 2006 р. складалися з підприємства в Stade (Німеччина), де видобувається близько 33 тонн на рік, заводу в Salindres, що переробляє 20 тонн/рік (Франція) та у Pinjarra (Західна Австралія) – потенційні (але не введені в буд) потужності до 50 тонн/рік.

У 2006 р. позиції виробника №1 послабилися - підприємство в Stade було куплено англійським МСР та американським Recapture Metals.

Японська фірма Dowa Mining - єдиний у світі виробник первинного галію з цинкових концентратів попутно у виробництві цинку. Повні потужності за первинним матеріалом Dowa Mining – оцінюються до 20 тонн/рік, У Казахстані підприємство «Алюміній Казахстану» у Павлодарі – повні потужності до 20 тонн/рік.

Дуже серйозним постачальником галію став Китай. У Китаї є 3 великих виробника первинного галію - Geatwall Aluminium Co. (до 15 тонн/рік), Shandong Aluminium Plant (близько 6 тонн/рік) та Guizhou Aluminium Plant (до 6 тонн/рік). Існує також низка спільних виробництв. Sumitоmo Chemical створила у Китаї спільне підприємство з продуктивністю до 40 тонн/рік. Американська фірма АХТ створила із найбільшим китайським алюмінієвим підприємством Shanxi Aluminium Factory спільне підприємство Beijing JiYa semiconductor Material Co. із продуктивністю до 20 тонн/рік.

Виробництво галію в Росії

У Росії її структура галієвого виробництва визначається формуванням алюмінієвої галузі. Дві провідні групи, які оголосили про злиття - "Російський Алюміній" і "СУАЛ" є власниками галієвих ділянок, що створювалися при глиноземних заводах.

«Російський алюміній»: Миколаївський глиноземний комбінат в Україні (класичний гідрохімічний метод Байєра переробки тропічних бокситів, потужність ділянки – до 12 тонн галію/рік) та Ачинський глиноземний комбінат в Росії (переробка методом спікання нефелінової сировини – уртитів Кия-Шалтирського) Красноярського краю, Потужність ділянки - 1.5 тонн галію / рік).

«СУАЛ»: Потужності в Кам'янськ-Уральському (технологія Баєр-спікання бокситів Північно-Уральського бокситорудного району, потужність ділянки – до 2 тонн галію/рік), на Бокситогорському глиноземному комбінаті (переробляє боксити Ленінградської областіметодом спікання, потужність – 5 тонн галію/рік, нині законсервований) та «Пікалевському глиноземі» (переробляє методом спікання нефелінові концентрати з апатит-нефелінових руд Мурманської області, потужність ділянки – 9 тонн галію/рік). Сумарно всі підприємства Русалу та СУАЛу можуть виробляти понад 20 тонн/рік.

Реальне виробництво нижче – наприклад, у 2005 р. з Росії було експортовано 8.3 тонни галію та 13.9 тонн галію Миколаївського глиноземного комбінату з України.

Під час підготовки матеріалу використано інформацію компанії «Квар».

Ім'я:*
E-Mail:
Коментар: