Где применяется металл галлий

Обновлено: 09.05.2024

Ga, химический элемент III группы периодической системы Д. И. Менделеева, порядковый номер 31, атомная масса 69,72; серебристо-белый мягкий металл. Состоит из двух стабильных изотопов с массовыми числами 69 (60,5% ) и 71 (39,5%).

Существование Г. («экаалюминия») и основные его свойства были предсказаны в 1870 Д. И. Менделеевым. Элемент был открыт спектральным анализом в пиренейской цинковой обманке и выделен в 1875 французским химиком П. Э. Лекоком де Буабодраном; назван в честь Франции (лат. Gallia). Точное совпадение свойств Г. с предсказанными было первым триумфом периодической системы.

Среднее содержание Г. в земной коре относительно высокое, 1,5-10 -30 % по массе, что равно содержанию свинца и молибдена. Г. — типичный рассеянный элемент. Единственный минерал Г. — галдит CuGaS₂ очень редок. Геохимия Г. тесно связана с геохимией алюминия (См. Алюминий), что обусловлено сходством их физико-химических свойств. Основная часть Г. в литосфере заключена в минералах алюминия. Содержание Г. в бокситах и нефелинах колеблется от 0,002 до 0,01%. Повышенные концентрации Г. наблюдаются также в сфалеритах (0,01—0,02% ), в каменных углях (вместе с германием), а также в некоторых железных рудах.

Физические и химические свойства. Г. имеет ромбическую (псевдотетрагональную) решётку с параметрами а = 4,5197А, b = 7,6601A, с = 4.5257А. Плотность. (г/см 3 ) твёрдого металла 5,904 (20°С), жидкого 6,095 (29,8°С), т. е при затвердевании объём Г. увеличивается; t_пл 29,8°С, t_kип 2230°С. Отличительная особенность Г. — большой интервал жидкого состояния (2200° С) и низкое давление пара при температурах до 1100—1200°С. Удельная теплоёмкость твёрдого Г. 376,7 дж/ (кг·К), т. е. 0,09 кал/ (г •град) в интервале 0—24°С, жидкого соответственно 410дж /(кг•К.), то есть 0,098 кал/(г·град) в интервале 29—100°С. Удельное электрическое сопротивление (ом·см) твёрдого Г. 53,4-10 -6 (0°С), жидкого 27,2·10 -6 (30°С). Вязкость (пуаз = 0,1 н· сек/м 2 ): 1,612(98°С), 0,578 (1100°С), поверхностное натяжение 0,735 н/м (735 дин/см) (30 °С в атмосфере H₂). Коэффициенты отражения для длин волн 4360А и 5890А соответственно равны 75,6% и 71,3%. Сечение захвата тепловых нейтронов 2,71 барна (2,7·10 -28 м 2 ).

На воздухе при обычной температуре Г. стоек. Выше 260° С в сухом кислороде наблюдается медленное окисление (плёнка окиси защищает металл). В серной и соляной кислотах Г. растворяется медленно, в плавиковой — быстро, в азотной кислоте на холоду Г. устойчив. В горячих растворах щелочей Г. медленно растворяется. Хлор и бром реагируют с Г. на холоду, и́од — при нагревании. Расплавленный Г. при температурах выше 300° С взаимодействует со всеми конструкционными металлами и сплавами.

Наиболее устойчивы трёхвалентные соединения Г., которые во многом близки по свойствам химическим соединениям алюминия. Кроме того, известны одно- и двухвалентные соединения. Высший окисел Ga₂O₃ — вещество белого цвета, нерастворимое в воде. Соответствующая ему гидроокись осаждается из растворов солей Г. в виде белого студенистого осадка. Она имеет ярко выраженный амфотерный характер. При растворении в щелочах образуются галлаты (например, Na[Ga(OH)₄]), при растворении в кислотах — соли Г.: Ga₂(S0₄)₃, GaCl₃ и др. Кислотные свойства у гидроокиси Г. выражены сильнее, чем у гидроокиси алюминия [интервал выделения А1(ОН)₃ лежит в пределах pH = 10,6—4,1, а Ca(OH)₃ в пределах pH = 9,7—3,4].

В отличие от A1(OH)₃, гидроокись Г. растворяется не только в сильных щелочах, но и в растворах аммиака. При кипячении из аммиачного раствора вновь выпадает гидроокись Г.

Из солей Г. наибольшее значение имеют хлорид GaC1₃ (t _пл 78°С, t _кип 200°С) и сульфат Ga₂(SO₄)₃. Последний с сульфатами щелочных металлов и аммония образует двойные соли типа квасцов, например (NH₄) Ga(SO₄)₂-12H₂O.Г. образует малорастворимый в воде и разбавленных кислотах ферроцианид Ga₄[Fe(CN)₆]₃, что может быть использовано для его отделения от Al и ряда др. элементов.

Получение и применение. Основной источник получения Г. — алюминиевое производство. Г. при переработке бокситов по способу Байера концентрируется в оборотных маточных растворах после выделения А1(ОН)з. Из таких растворов Г. выделяют электролизом на ртутном катоде. Из щелочного раствора, полученного после обработки амальгамы водой, осаждают Ga(OH)₃, которую растворяют в щёлочи и выделяют Г. электролизом.

При содово-известковом способе переработки бокситовой или нефелиновой руды Г. концентрируется в последних фракциях осадков, выделяемых в процессе карбонизации. Для дополнительного обогащения осадок гидроокисей обрабатывают известковым молоком. При этом большая часть A1 остаётся в осадке, а Г. переходит в раствор, из которого пропусканием CO₂ выделяют галлиевый концентрат (6—8% Ga₂O₃); последний растворяют в щёлочи и выделяют Г. электролитически.

Источником Г. может служить также остаточный анодный сплав процесса рафинирования A1 по методу трёхслойного электролиза. В производстве цинка источниками Г. являются возгоны(вельц-окислы), образующиеся при переработке хвостов выщелачивания цинковых огарков.

Полученный электролизом щелочного раствора жидкий Г., промытый водой и кислотами (HC1, HNOз), содержит 99,9—99,95% Ga. Более чистый металл получают плавкой в вакууме, зонной плавкой или вытягиванием монокристалла из расплава.

Широкого промышленного применения Г. пока не имеет. Потенциально возможные масштабы попутного получения Г. в производстве алюминия до сих пор значительно превосходят спрос на металл. Наиболее перспективно применение Г. в виде химических соединений типа GaAs, GaP, GaSb, обладающих полупроводниковыми свойствами. Они могут применяться в высокотемпературных выпрямителях и транзисторах, солнечных батареях и др. приборах, где может быть использован фотоэффект в запирающем слое, а также в приёмниках инфракрасного излучения. Г. можно использовать для изготовления оптических зеркал, отличающихся высокой отражательной способностью. Сплав алюминия с Г. предложен вместо ртути в качестве катода ламп ультрафиолетового излучения, применяемых в медицине. Жидкий Г. и его сплавы предложено использовать для изготовления высокотемпературных термометров (600—1300° С) и манометров. Представляет интерес применение Г. и его сплавов в качестве жидкого теплоносителя в энергетических ядерных реакторах (этому мешает активное взаимодействие Г. при рабочих температурах с конструкционными материалами; эвтектический сплав Ga—Zn—Sn оказывает меньшее коррозионное действие, чем чистый Г. ).

Лит.: Шека И. А., Чаус И. С., Митюрева Т. Т., Галлий, К., 1963; Еремин Н. И., Галлий, М., 1964; 3еликман А. Н., К рейн О. Е., Самсонов Г. В., Металлургия редких металлов, 2 изд., М., 1964; Einecke Е., Das Gallium, Lpz., [1937].

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Галлий – польза, особенности и опасность металла

Этот металл не относится к редким, но на мировых биржах за него расплачиваются миллионами. Галлий – материал номер один для нового тысячелетия.

Что представляет собой

Галлий – это химический элемент, занимающий ячейку №31 таблицы Менделеева.
Относится к легким металлам.
Чистый галлий – это мягкий, серебристо-серого с синеватостью цвета, хрупкий металл.
По составу – конгломерат двух изотопов (оба стабильны). Синтезировано три десятка радиоактивных единиц.

Как был открыт

Существование вещества предсказал Дмитрий Менделеев (1869 год):

Заполняя свою таблицу, он знал, что должны появиться новые химические элементы, которые заполнят пустующие ячейки.
Одно из них назвал экаалюминием, предсказал основные свойства: удельный вес, легкоплавкость.

Через шесть лет все подтвердилось. Французский химик Эмиль де Буабодран выделил из цинковой руды, добытой в Пиренеях, простое вещество, описал его свойства.

О новизне просигнализировала фиолетовость линий в спектре элемента.

Ученый предложил именовать элемент галлием – по латинизированному названию Франции (Галлия). Так он и вошел в историю.

Нахождение в природе

Галлий как металл в природе отсутствует, микродозы его соединений содержат цинковые руды и бокситы. Рассеянный элемент, не формирующий мегаскоплений.

Галлием богаты два десятка минералов, среди которых – полудрагоценные самоцветы гранат, берилл, турмалин, сподумен.

Элемент не особо редок – тонна земной коры содержит 19 г галлия, литр морской воды – 3 мкг.

Физико-химические характеристики

Еще Менделеев установил сходство химических свойств галлия с алюминием. Но «галлиевые» реакции идут неспешно, спокойно.

Металл наделен небанальными характеристиками:

Структура кристаллической решетки меняется в зависимости от температуры и давления.
Затвердевая, вещество расширяется. Такой феномен редкость, им наделены всего несколько элементов, включая кремний и воду.
Особенность галлия – жидкая форма в температурном диапазоне 2200 единиц (начинает плавиться при 25°C). Недаром обрел репутацию «жидкого металла».

Расплавляемость при комнатной температуре – признак, по которому галлий легко отличить от остальных металлов.

На воздухе обзаводится пленкой-оксидом.
Не взаимодействует с кремнием, бором, газами (азотом, угле-, водородом).
С большинством металлов образует галлиды.

Нагретый галлий разрушает материалы сильнее любого расплавленного металла.

Свойства атома
Название, символ, номер	Галлий / Gallium (Ga), 31
Атомная масса (молярная масса)	69,723(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d10 4s2 4p1
Радиус атома	141 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	126 пм
Радиус иона	(+3e) 62 (+1e) 81 пм
Электроотрицательность	1,81 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	(+1) +3
Энергия ионизации (первый электрон)	578,7 (6,00) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	5,91 г/см³
Температура плавления	302,9146 К (29,7646°C)
Температура кипения	2477 К (2203,85°C)
Уд. теплота плавления	5,59 кДж/моль
Уд. теплота испарения	270,3 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,07 Дж/(K·моль)
Молярный объём	11,8 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	орторомбическая
Параметры решётки	a=4,519 b=7,658 c=4,526 Å
Температура Дебая	240 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 28,1 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-55-3

Особо опасен галлий для алюминия и меди. Он пропитывает их насквозь, внедряясь в кристаллическую структуру. Алюминий окисляется, затем рассыпается.

Галлий держат подальше от электроники, алюминиевых радиаторов, конденсаторов, ноутбуков с корпусом из алюминиевого сплава, других деталей.

Технология производства

Основой производства металлического галлия часто служит минерал галлит (формула CuGaS2), а также уголь, нефелины, бокситы.

Традиционный способ получения продукта – из глиноземов, выделенных переработкой бокситов:

Жидкие щелочи (полуфабрикат при переработке бокситов) подвергают электролизу либо спекают. Насыщенность галлием раствора (на литр) достигает 110-140 либо 52-63 мг.
Карбонизацией извлекают алюминий, получая насыщенный осадок.
Осадок известкуют, получая галлиевый раствор.
Из раствора почти готовый металл «достают» электролизом.
С целью нейтрализации летучих примесей продукт окатывают водой, фильтруют, подогревают в вакуумной печи.

Особо чистый материал (примесей не более 0,0001%) получают рафинированием либо восстановлением водородом.

За килограмм галлия на мировом рынке выкладывают $1200-1400. Такая цена актуализирует проблему отладки 100% извлечения галлия из бокситов либо жидкого топлива из каменного угля.

Где используется

До цифровой эры галлий использовался как компонент легкоплавких сплавов. Сегодня главная сфера применения металла (96,7%) – микроэлектроника.

Мягкий, хрупкий металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком – галлий

Промышленность

На практике эксплуатируются полезные свойства галлия:

Металл – «дублер» ядовитой ртути в вакуумных аппаратах, термометрах, работающих при высоких температурах.
Смазка при соединении деталей из керамики, кварца, стекла.
Сплав металла с индием – топливо атомных установок.
Внешний слой зеркал специального назначения.
Оксид, арсенид, нитрид галлия – компонент лазерной аппаратуры синего и ультрафиолетового диапазона, электроники, работающей на сверхвысоких частотах.
Природный изотоп-71 опознает присутствие нейтрино.

Металл – температурный стабилизатор, «щит» от коррозии для плутония как компонента атомных бомб. (Такую сбросили на Нагасаки).

Легкоплавкость – не всегда достоинство. Она затрудняет хранение, перемещение вещества и продукции из него. Для устранения этого недостатка кусочки галлия упаковывают в полиэтилен, на который галлий не воздействует.

Медицина

Элемент нашел применение в медицине:

Онкологи используют препараты галлия, чтобы приостановить разрушение скелета пациентов.
Ими оперативно останавливают кровотечение из проникающих ран. При этом тромбы не образуются.
Это сильный истребитель бактерий.
Благодаря галлию раны затягиваются быстрее и безболезненнее.

Медицина оценила сходство воздействия соединений галлия и железа на биологическом уровне. Они используются как дублеры.

Воздействие на человека

О токсичности вещества единства нет, диапазон оценок – от малой до высокой степени.

Об интоксикации галлием сигнализируют следующие симптомы:

Возбуждение, сменяющееся заторможенностью.
Разбалансированность при движении.
Нарушение дыхательного ритма (учащение-замедление).

Результатом может стать паралич ног, кома, летальный исход.

Вдыхание аэрозоля с галлием в составе (49,9 мг на кубометр) либо инъекция солей вещества (0,011-0,026 г/кг массы тела человека) выводит из строя почки.

Галлий

Галлий — это серебристо-серый металл с синеватым отливом, достаточно хрупкий. В природе в чистом виде он не встречается и является рассеянным элементом. Среднее содержание галлия в земной коре составляет 19 г/т. Галлий содержится в минералах, преимущественно это сфалерит, магнетит, касситерит, гранат, берилл, турмалин, сподумен, флогопит, биотит, мусковит, серицит, лепидолит, хлорит, полевые шпаты, нефелин, гекманит и натролит. Достаточно редкий минерал галлит CuGaS₂ используют для выделения чистого галлия. Кроме того, галлий может быть получен в качестве побочного продукта переработки бокситов.

Галлий плавится всего при 29,76 °C, поэтому он тает даже в руке. При температуре, близкой к комнатной, плавятся еще три металла: ртуть, цезий и рубидий. Но из-за высокой токсичности или реакционной способности их, в отличие от галлия, нельзя брать в руки.

Как был открыт галлий

Существование галлия было предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 на основании сформулированного им Периодического закона. Менделеев дал этому элементу название «экаалюминий» и предсказал у него такие свойства как плотность, температуру плавления. Также Менделеев предсказал:

характер оксида,
связь в соединениях с хлором.
что металл будет медленно растворяться в кислотах и щелочах;
он не будет реагировать с воздухом;
оксид экаалюминия M₂O₃ должен реагировать с кислотами с образованием солей MX₃;
что он должен образовывать основные соли;
хлорид обладает большей летучестью, чем ZnCl₂;
что этот элемент откроют с помощью спектроскопии.

Менделеев оказался Ностардамусом в химии: когда галлий был получен, все предсказанные ученым свойства подтвердились!

В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран изучал сфалерит с помощью спектроскопии и обнаружил две фиолетовые линии, принадлежащие новому элементу. Год спустя ученый выделил новый элемент с помощью электролиза. Этот элемент Буабодран назвал в честь латинского названия Франции — Gallia. Существует легенда, что в это название ученый вкладывал и другой смысл. Лекок созвучно с французским le coq, т.е. «петух» (на латыни gallus). Буабодран как бы ненароком увековечил свое имя в названии нового элемента.

Изучая полученный галлий, Буабодран определил, что плотность отличается от предсказанной Менделеевым. Когда Менделеев узнал об этом, то написал французскому коллеге с рекомендацией перепроверить результаты. И как оказалось, не напрасно: первые данные Буабодрана действительно были неверными.

Области применения галлия

Бóльшая часть добываемого галлия используется для производства полупроводников. Арсенид (GaAs) и нитрид галлия (GaN) используются в электронных компонентах многих устройств, для создания интегральных схем, высокопроизводительных процессоров, микроволновых усилителей. Арсенид галлия используется в различных электрооптических инфракрасных приборах. Арсенид галлия-алюминия применяется для создания инфракрасных лазерных диодов высокой мощности. На основе нитрида галлия и нитрида индия-галлия производят синие и фиолетовые лазерные диоды. Кстати, лазер на нитриде галлия применяется в приводах Blu-ray дисков.

Фотоэлементы на основе арсенида галлия, фосфида и арсенида индия-галлия установлены на космических спутниках и марсоходах.

Галлий имеет интересную особенность: он сильно понижает температуру плавления сплавов, в которых содержится. При этом температура опускается ниже, чем у каждого компонента сплава по отдельности (эвтектические составы). Так, сплав Галинстан (68,5 % галлия, 21,5 % индия и 10 % олова) имеет температуру плавления -19 °С и используется в некоторых термометрах вместо ртути.

Галлий применяется и в медицине. В целом металл характеризуется низкой токсичностью и не выполняет естественной биологической функции. Поэтому препараты на основе галлия могут применяться при лечении и диагностике раковых заболеваний (изотопы галлий-67 и -68). Также галлий используется при лечении некоторых бактериальных инфекций: ион Ga³⁺ замещает Fe³⁺ в метаболических путях дыхания бактерий, вызывая их гибель. Препараты на основе галлия могут применяться при лечении малярии.

Еще галлий помогает обнаружить нейтрино-частицы, исходящие от Солнца. Как правило, выявление таких частиц — это весьма сложный и трудоемкий процесс. Галлий в составе регистрационной смеси повышает чувствительность анализа, а соответственно, и помогает зафиксировать нейтрино. Детекторы GALLEX Национальной лаборатории Гран-Сассо содержат 12,2 тонны галлия-71. Они улавливают нейтрино, исходящие от Солнца, и превращают его в радиоактивный изотоп, излучение которого можно зафиксировать. Подобные исследования также проводят в Баксанской нейтринной обсерватории (Кабардино-Балкария), где нейтрино-детекторы содержат 5 тонн жидкого галлия.

По температуре плавления галлия можно проверять термометры! Эта величина — 302,9146 K (29,7646 °C) – признана стандартом Международного бюро мер и весов.

В 2007 году с помощью пучков ионов галлия толщиной 7 нм в Simon Fraser University напечатали самую маленькую в мире книгу – Teeny Ted from Turnip Town. Книга получилась размером 0,07x 0,10 мм.

У галлия есть еще одно забавное применение: ложки из галлия, по виду не отличимые от алюминиевых, используют для фокуса с исчезающей ложкой. В горячем чае или кофе такая ложка попросту расплавится!

Мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком.

Галлий / Gallium (Ga), 31

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 1

1,81 (шкала Полинга)

a=4,519 b=7,658 c=4,526 Å

Га́ллий — элемент главной подгруппы третьей группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 31. Обозначается символом Ga (лат. Gallium ). Относится к группе лёгких металлов. Простое вещество галлий (CAS-номер: 7440-55-3) — мягкий пластичный металл серебристо-белого (по другим данным светло-серого) цвета с синеватым оттенком.

Содержание

История

Существование галлия было научно предсказано Д. И. Менделеевым. При создании периодической системы химических элементов в 1869 г. он, основываясь на открытом им Периодическом законе, оставил вакантные места в третьей группе для неизвестных элементов — аналогов алюминия и кремния (экаалюминий и экасилиций). Менделеев, основываясь на свойствах соседних, хорошо изученных элементов, достаточно точно описал не только важнейшие физические и химические свойства, но и метод открытия — спектроскопия. В частности, в статье в «Журнале Русского химического общества» в 1871 г. Менделеев указал, что атомный вес экаалюминия близок к 68, удельный вес около 6 г/см 3 . В металлическом состоянии металл будет легкоплавок.

Вскоре галлий был открыт, выделен в виде простого вещества и изучен французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. В 1875 году Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки, привезенной из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре им была обнаружена новая фиолетовая линия, свидетельствующая о присутствии в минерале неизвестного элемента. Выделение элемента было сопряжено с немалыми трудностями, поскольку содержание нового элемента в руде было меньше 0,1 %. В итоге Лекоку де Буабодрану удалось получить новый элемент в количестве менее 0,1 г и исследовать его. По свойствам новый элемент оказался сходен с цинком.

Я думаю…, нет необходимости указывать на исключительное значение, которое имеет плотность нового элемента в отношении подтверждения теоретических взглядов Менделеева

Открытие галлия и последовавшие вскоре открытия германия и скандия укрепило позиции Периодического закона, ярко продемонстировав его прогностический потенциал. Менделеев называл Лекока де Буабодрана одним из «укрепителей периодического закона».

Происхождение названия

Поль Эмиль Лекок де Буабодран назвал элемент в честь своей родины Франции, по её латинскому названию — Галлия ( Gallia ).

Существует недокументированная легенда, что в названии элемента его первооткрыватель неявно увековечил и свою фамилию ( Lecoq ). Латинское название элемента ( Gallium ) созвучно gallus — «петух» (лат.). Примечательно, что именно петух le coq (франц.) является символом Франции.

Среднее содержание галлия в земной коре 19 г/т. Галлий типичный рассеянный элемент, обладающий двойной геохимической природой. Ввиду близости его кристаллохимических свойств с главными породообразующими элементами (Al, Fe и др.) и широкой возможности изоморфизма с ними, галлий не образует больших скоплений, несмотря на значительную величину кларка. Выделяются следующие минералы с повышенным содержанием галлия: сфалерит (0 — 0,1 %), магнетит (0 — 0,003 %), касситерит (0 — 0,005 %), гранат (0 — 0,003 %), берилл (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 %), полевые шпаты (0 — 0,01 %), нефелин (0 — 0,1 %), гекманит (0,01 — 0,07 %), натролит (0 — 0,1 %). Концентрация галлия в морской воде 3·10 −5 мг/л [3] .

Месторождения

Месторождения галлия известны в Юго-Западной Африке, России, странах СНГ [4] .

Получение

Наиболее мощным потенциальным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита и нефелина. Концентрация галлия в щелочном алюминатном растворе после разложения в процессе Байера: 100—150 мг/л, по способу спекания: 50—65 мг/л. По этим способам галлий отделяют от большей части алюминия карбонизацией, концентрируя в последней фракции осадка. Затем обогащённый осадок обрабатывают известью, галлий переходит в раствор, откуда черновой металл выделяется электролизом. Галлий можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля. Загрязнённый галлий промывают водой, после этого фильтруют через пористые пластины и нагревают в вакууме для того, чтобы удалить летучие примеси. Для получения галлия высокой чистоты используют химический (реакции между солями), электрохимический (электролиз растворов) и физический (разложение) методы.

Физические свойства

Кристаллический галлий имеет несколько полиморфных модификаций, однако термодинамически устойчивой является только одна (I), имеющая орторомбическую (псевдотетрагональную) решётку с параметрами а = 4,5186 Å, b = 7,6570 Å, c = 4,5256 Å [1] . Другие модификации галлия (β, γ, δ, ε) кристаллизуются из переохлаждённого диспергированного металла и являются нестабильными. При повышенном давлении наблюдались ещё две полиморфные структуры галлия II и III, имеющие, соответственно, кубическую и тетрагональную решётки [1] .

Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре T=20 °C равна 5,904 г/см³, жидкий галлий при T=29,8 °C имеет плотность 6,095 г/см³, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Температура плавления галлия немного выше комнатной и равна T_пл.=29,8 °C, кипит галлий при T_кип.=2230 °C.

Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2230 °C), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100—1200 °C. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале T=0—24 °C равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при T=29—100 °C — 410 Дж/кг·К (0,098 кал/г·град).

Удельное электрическое сопротивление в твёрдом и жидком состоянии равны, соответственно, 53,4·10 −6 ом·см (при T=0 °C) и 27,2·10 −6 ом·см (при T=30 °C). Вязкость жидкого галлия при разных температурах равна 1,612 пуаз при T=98 °C и 0,578 пуаз при T=1100 °C. Поверхностное натяжение, измеренное при 30 °C в атмосфере водорода равно 0,735 н/м. Коэффициенты отражения для длин волн 4360 Å и 5890 Å составляют 75,6 % и 71,3 %, соответственно.

Природный галлий состоит из двух изотопов 69 Ga (61,2 %) и 71 Ga (38,8 %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1·10 −28 м² и 5,1·10 −28 м², соответственно [1] .

Химические свойства

Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления.

Галлий реагирует с горячей водой:

При реакции с перегретым паром (350 °C) образуется соединение GaOOH (гидрат оксида галлия или метагаллиевая кислота):

" />

Галлий взаимодействует с минеральными кислотами с выделением водорода и образованием солей:

Продуктами реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты, содержащие ионы Ga(OH)₄ − и Ga(OH)₆ 3− :

Галлий реагирует с галогенами: реакция с хлором и фтором идёт при комнатной температуре, с бромом — уже при −35 °C (около 20 °C — с воспламенением), взаимодействие с иодом начинается при нагревании.

При высоких температурах галлий способен разрушать различные материалы и его действие сильнее расплава любого другого металла. Так, графит и вольфрам устойчивы к действию расплава галлия до 800 °C, алунд и оксид бериллия BeO — до 1000 °C, тантал, молибден и ниобий устойчивы до 400÷450 °C.

С большинством металлов галлий образует галлиды, исключением являются висмут, а также металлы подгрупп цинка, скандия, титана. Один из галлидов V₃Ga имеет довольно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 16,8 K.

Галлий образует гидридогаллаты:

Устойчивость ионов падает в ряду BH₄ − → AlH₄ − → GaH₄ − . Ион BH₄ − устойчив в водном растворе, AlH₄ − и GaH₄ − быстро гидролизуются:

При растворении Ga(OH)₃ и Ga₂O₃ в кислотах образуются аквакомплексы [Ga(H₂O)₆] 3+ , поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов, например, хлорид галлия GaCl₃*6H₂O, галлийкалиевые квасцы KGa(SO₄)₂*12H₂O. Аквакомплексы галлия в растворах бесцветны.

Основные соединения

Применение

Арсенид галлия GaAs — перспективный материал для полупроводниковой электроники.

Нитрид галлия используется в создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона. Нитрид галлия обладает превосходными химическими и механическими свойствами, типичными для всех нитридных соединений.

Изотоп галлий-71 является важнейшим материалом для регистрации нейтрино и в связи с этим перед техникой стоит весьма актуальная задача выделения этого изотопа из природной смеси в целях повышения чувствительности детекторов нейтрино. Так как содержание 71 Ga составляет в природной смеси изотопов около 39,9 %, то выделение чистого изотопа и использование его в качестве детектора нейтрино способно повысить чувствительность регистрации в 2,5 раза.

Галлий дорог, в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США, и в связи с высокой ценой и в то же время с большой потребностью в этом металле очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.

Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре, и один из его сплавов имеет температуру плавления 3 °C (эвтектика In-Ga-Sn), но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре). Например, по отношению к алюминию и его сплавам галлий является мощным понизителем прочности, (см. адсорбционное понижение прочности, эффект Ребиндера). Это свойство галлия было ярчайше продемонстрировано и детально изучено П. А. Ребиндером и Е. Д. Щукиным при контакте алюминия с галлием или его эвтектическими сплавами (жидкометаллическое охрупчивание). Как теплоноситель галлий малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.

Галлий — превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы очень важные в практическом плане металлические клеи.

Металлическим галлием также заполняют кварцевые термометры (вместо ртути) для измерения высоких температур. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению с ртутью.

Оксид галлия входит в состав ряда стратегически важных лазерных материалов группы гранатов — ГСГГ, ИАГ, ИСГГ и др.

Биологическая роль и особенности обращения

Не играет биологической роли.

Контакт кожи с галлием приводит к тому, что сверхмалые дисперсные частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно.

Клиническая картина острого отравления: кратковременное возбуждение, затем заторможенность, нарушение координации движений, адинамия, арефлексия, замедление дыхания, нарушение его ритма. На этом фоне наблюдается паралич нижних конечностей, далее — кома, смерть. Ингаляционное воздействие галлий-содержащего аэрозоля в концентрации 50 мг/м³ вызывает у человека поражение почек, равно как и внутривенное введение 10-25 мг/кг солей галлия. Отмечается протеинурия, азотемия, нарушение клиренса мочевины [5] .

Из-за низкой температуры плавления слитки галлия рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается жидким галлием.

ГА́ЛЛИЙ -я; м. [от лат. Gallia - Франция] Химический элемент (Ga), мягкий легкоплавкий металл серебристо-белого цвета (применяется в производстве полупроводников).

(лат. Gallium), химический элемент III группы периодической системы. Название от Gallia — латинское название Франции. Серебристо-белый легкоплавкий (t_пл 29,77ºC) металл; плотность (г/см 3 ) твердого металла 5,904, жидкого 6,095; t_кип 2205ºC. На воздухе химически стоек. В природе рассеян, встречается вместе с Al. Применяют в основном (на 97%) в производстве полупроводниковых материалов (GaAs, GaSb, GaP, GaN).

ГА́ЛЛИЙ (лат. Gallium, от Gallia — латинского названия Франции), Ga (читается «галлий»), химический элемент с атомным номером 31, атомная масса 69,723.
Природный галлий состоит из двух изотопов 69 Ga (61,2% по массе) и 71 Ga (38,8%). Конфигурация внешнего электронного слоя 4s 2 p 1 . Степень окисления +3 , +1 (валентности I, III).
Расположен в группе IIIА периодической системы элементов, в 4-м периоде.
Радиус атома 0,1245 нм, радиус иона Ga 3+ 0,062 нм. Энергии последовательной ионизации 5,998, 20,514, 30,71, 64,2 и 89,8 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,6.
История открытия
Впервые существование этого элемента предсказано Д. И. Менделеевым (см. МЕНДЕЛЕЕВ Дмитрий Иванович) в 1871 на основании открытого им периодического закона. Он назвал его экаалюминий. В 1875 П. Э. Лекок де Буабодран (см. ЛЕКОК ДЕ БУАБОДРАН Поль Эмиль) выделил галлий из цинковых руд.
Де Буабодран определил плотность галлия — 4,7 г/см 3 , что не соответствовало предсказанному Д. И. Менделеевым значению 5,9 г/см 3 . Уточненное значение плотности галлия (5,904 г/см 3 ) совпало с предсказанием Менделеева.
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 1,8·10 –3 % по массе. Галлий относится к рассеянным элементам. В природе встречается в виде очень редких минералов: зенгеита Ga(OH)₃ , галлита CuGaS₂и других. Является спутником алюминия (см. АЛЮМИНИЙ) , цинка (см. ЦИНК (химический элемент)) , германия (см. ГЕРМАНИЙ) , железа (см. ЖЕЛЕЗО) ; содержится в сфалеритах (см. СФАЛЕРИТ) , нефелине (см. НЕФЕЛИН) , натролите, бокситах, (см. БОКСИТЫ) германите, в углях и железных рудах некоторых месторождений.
Получение
Основной источник галлия — алюминатные растворы, получаемые при переработке глинозема. После удаления большей части Al и многократного концентрирования образуется щелочной раствор, содержащий Ga и Al. Галлий выделяют электролизом этого раствора.
Физические и химические свойства
Галлий — легкоплавкий светло-серый металл с синеватым оттенком. Расплав Ga может находиться в жидком состоянии при температуре ниже температуры плавления (29,75 °C). Температура кипения 2200 °C, это объясняется тем, что в жидком галлии плотная упаковка атомов с координационным числом 12. Для ее разрушения надо затратить много энергии.
Кристаллическая решетка устойчивой a-модификации образована двухатомными молекулами Ga₂, связанными между собой ван-дер-ваальсовыми силами (см. МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ) , длина связи 0,244 нм.
Стандартный электродный потенциал пары Ga 3+ /Ga равен –0,53В, Ga находится в электрохимическом ряду до водорода (см. ВОДОРОД) .
По химическим свойствам галлий сходен с алюминием.
На воздухе Ga покрывается оксидной пленкой, предохраняющей от дальнейшего окисления. С мышьяком (см. МЫШЬЯК) , фосфором (см. ФОСФОР) , сурьмой (см. СУРЬМА) образует арсенид, фосфид и антимонид галлия, с серой (см. СЕРА) , селеном (см. СЕЛЕН) , теллуром (см. ТЕЛЛУР) — халькогениды. При нагревании Ga реагирует с кислородом (см. КИСЛОРОД) . С хлором (см. ХЛОР) и бромом (см. БРОМ) галлий взаимодействует при комнатной температуре, с иодом (см. ИОД) — при нагревании. Галогениды галлия, образуют димеры Ge₂X₆.
Галлий образует полимерные гидриды:
4LiH + GaCl₃ = Li[GaH₄] + 3LiCl.
Устойчивость ионов падает в ряду BH₄ – — AlH₄ – — GaH₄ – . Ион BH₄ – устойчив в водном растворе, AlH₄ – и GaH₄ – быстро гидролизуются:
GaH₄ – + 4H₂O = Ga(OH)₃ + OH – + 4H₂
При нагревании под давлением Ga реагирует с водой:
2Ga + 4H₂O = 2GaOOH + 3H₂
С минеральными кислотами Ga медленно реагирует с выделением водорода:
2Ga + 6HCl = 2GaCl₃ + 3H₂
Галлий растворяется в щелочах с образованием гидроксогаллатов:
2Ga + 6H₂O + 2NaOH = 2Na[Ga(OH)₄] + 3H₂
Оксид и гидроксид галлия проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства у них по сравнению с Al усилены:
Ga₂O₃ + 6HCl = 2GaCl₂,
Ga₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Ge(OH)₄]
Ga₂O₃ + Na₂CO₃ = 2NaGaO₂ + CO₂
При подщелачивании раствора какой-либо соли галлия выделяется гидроксид галлия переменного состава Ge₂O₃·xH₂O:
Ga(NO₃)₂ + 3NaOH = Ga(OH)₃Ї + 3NaNO₃
При растворении Ga(OH)₃ и Ga₂O₃ в кислотах образуются аквакомплексы [Ga(H₂O)₆] 3+ , поэтому из водных растворов соли галлия выделяются в виде кристаллогидратов, например, хлорид галлия GaCl₃·6H₂O, галлийкалиевые квасцы KGa(SO₄)₂·12H₂O. Аквакомплексы галлия в растворах бесцветны.
Применение
Около 97% получаемого промышленностью галлия используется для получения соединений с полупроводниковыми свойствами, например, арсенида галлия GaAs. Металлический галлий применяют в радиоэлектронике для «холодной пайки» керамических и металлических деталей, для легирования Ge и Si, получения оптических зеркал. Ga может заменять Hg в выпрямителях электрического тока. Эвтектический сплав галлия с индием используют в радиационных контурах реакторов.
Особенности обращения
Галлий — малотоксичный элемент. Из-за низкой температуры плавления слитки Ga рекомендуется транспортировать в пакетах из полиэтилена, который плохо смачивается жидким галлием.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Полезное

Смотреть что такое "Галлий" в других словарях:

ГАЛЛИЙ — металл, простое тело, существование которого предвидел Менделеев и который был открыт Лекок де Буободраном. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ГАЛЛИЙ неразложимый минерал, сине белого цвета; твердый,… … Словарь иностранных слов русского языка

ГАЛЛИЙ — (Gallium), Ga, химическая элемент III группы периодической системы, атомный номер 31, атомная масса 69,72; металл. Галлий открыт французским химиком П. Лекоком де Буабодраном в 1875 … Современная энциклопедия

Галлий — Ga (лат. Gallium * a. gallium; н. Gallium; ф. gallium; и. galio), хим. элемент III группы периодич. системы Mенделеева, ат. н. 31, ат. м. 69,73. Cостоит из двух стабильных изотопов 69Ga (61,2%) и 71Ga (38,8%). Предсказан в 1870 Д. И.… … Геологическая энциклопедия

галлий — я, м. gallium m. От лат. названия Франции, где был открыт в 1875 г. химиком Лекоком де Буадбодраном. ЭС. Химический элемент, мягкий лекоплавкий серебристо белый металл; применяется вместо ртути для изготовления манометров и высокотемпературных… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

Галлий — (Gallium), Ga, химическая элемент III группы периодической системы, атомный номер 31, атомная масса 69,72; металл. Галлий открыт французским химиком П. Лекоком де Буабодраном в 1875. … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ГАЛЛИЙ — хим. элемент, символ Ga (лат. Gallium), ат. н. 31, ат. м. 69,72; серебристо белый металл; плотность 5904 кг/м3, tпл = 29,8 °С, tкип = 2230°С. Галлий как жидкость существует в очень большом температурном интервале, поэтому его применяют в… … Большая политехническая энциклопедия

ГАЛЛИЙ — (лат. Gallium) Ga, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 31, атомная масса 69,723. Назван от Gallia латинского названия Франции. Серебристо белый легкоплавкий (tпл 29,77 .С) металл; плотность (г/см³) твердого… … Большой Энциклопедический словарь

ГАЛЛИЙ — (символ Ga), серый металлический элемент III группы периодической системы. Открытие его было предсказано Дмитрием МЕНДЕЛЕЕВЫМ. Был обнаружен благодаря использованию СПЕКТРОСКОПА в 1875 г. Основные источники бокситы и некоторые цинковые руды.… … Научно-технический энциклопедический словарь

галлий — сущ., кол во синонимов: 3 • металл (86) • экаалюминий (1) • элемент (159) Словарь синонимов … Словарь синонимов

Галлий — (хим.). Свойства этого элементарного тела, Ga=69, 86, былипредсказаны (Д. И. Менделеевым) периодической системой элементов, какэкоалюминия, в 1871 г. В 1875 г. Лекок де Буабодран открыл Г. в цинковойобманке из Пиеррефита (в Пиринеях) с помощью… … Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

галлий — Ga Элемент III группы Периодич. системы, ат. н. 31, ат. м. 69,72; серебристо белый легкий металл. Состоит из двух стабильных изотопов с массовыми числами 69 (60,5 %) и 71 (39,5 %). Существование Ga («экаалюминия») и осн. его св ва… … Справочник технического переводчика

Читайте также: