Все о металле галлий

Обновлено: 05.10.2024

Галлий – металл, химический элемент таблицы Менделеева. В природе встречается не часто. Однако ценится благодаря особенным характеристикам.

Что это за металл

Галлий (лат. название gallium) – это химический элемент, который редко встречается. Латинский символ – Ga. Атомным номером является 31. В науке Менделеева относится к 4-ому периоду, 3-й основной группе.

Металлическое твердое вещество имеет серебристо-белый оттенок, способно с легко принимать жидкую форму. Может быть синеватым. Кристаллизуется в стабильном состоянии. Также есть 6 других модификаций, у каждой из которых есть определенные характеристики.

В природе галлий присутствует в небольшом количестве. Чаще всего встречается в различных разновидностях руд. Минерал признан редким, ведь он представляет собой побочный продукт, который появляется при создании цинка или алюминия. Арсенид, сфалерит, нитрид, галлит – соединения с Gallia (GaCl, Zn, Fe Al, OH, 2Ga).

Его история

Существование галлия подтвердил Д. И. Менделеев. Химическая таблица была разработана в 1869 году. Менделеев основывался на том, что самостоятельно изобрел и подтвердил Периодический закон, но не смог полностью его проработать. Изначально оставил свободные места, ведь понимал, что некоторые вещества еще не выявлены, не изучены, но их потребуется добавить в таблицу.

Такие элементы являются аналогами алюминия и кремния. Менделеев учитывал свойства элементов, расположенных по соседству, ведь они были изучены, их характеристики учитывали. Это позволило описать свойства, а не только способ обнаружения.

Менделеев предсказал, что характеристики будут следующими:

атомный вес близок к 68;
примерный показатель удельного веса – 6 граммов на кубический сантиметр;
легкоплавкость.

Прошло совсем немного времени, галлий открыли, выделили отдельно. Изучением химического элемента занимался французский знаток химии, а именно – Поль Эмиль Лекок де Буабодран. В 1875 году было проведено значимое исследование. Для него применяли цинковую обманку, которую специально привезли из Пиренеев.

В спектре обнаружили фиолетовую линию. Это свидетельствовало о наличии в минерале неизвестного химического элемента. Для выделения потребовалось приложить много усилий. Однако процент содержания был очень низким, показатель составлял менее 0,1%. В результате химик получил элемент в размере меньше 0,1 грамма и провел исследования. Новый элемент по характеристикам был похож на цинк.

В 1875 году проводилось заседание ученых в Париже. Тогда официально зачитали письмо, которое было написано Буабодраном. Менделеев узнал о значимом факте благодаря публикации доклада, понял, что описание химического элемента почти повторяет экаалюминий. Менделеев написал Буабодрану, чтобы уточнить плотность обнаруженного металла. В дальнейшем была проведена тщательная проверка, и ученый оказался прав.

Открытие галлия, а в дальнейшем – германия и скандия, подтвердили основы Периодического закона. Менделеев считал, что Буабодран подтвердил прежние разработки и назвал металл.

Свойства галлия

Важно учитывать физические и химические свойства. Они являются особенными, определяют отличия металла.

Физические

Похож на свинец. В сухом воздухе изменений параметров не происходит. Физические свойства учитывают для успешного применения галлия в разных ситуациях. Для взаимодействия с хлором и бромом требуется обычная температура, с йодом – повышенная.

кристаллическая решетка – орторомбическая;
молярная масса равна 69,7 г/моль;
плотность – 5,904 г/см 3 ;
теплоемкость – 377 Дж/кг*к;
сопротивление – 53,4*10 -6 ом*см;
количество изотопов – 2;
радиус атома – 141 Пм;
потенциал плавления (Пл) – 5,59 КДж/моль (Эв);
конфигурация ионов — 1s22s22p63s23p63d104s24p1;
Электроотрицательность – 1,8;
Степень окисления – III;
T кипения – 2477 К.

Допускается возможность растворения в различных кислотах, обычная валентность составляет 3. Окиси практически не растворяются в воде. Белые гидроокиси галлия растворимы в растворах с повышенным содержанием щелочей, отличаются амфотерным характером.

Зачастую соли кислот хорошо растворяются в воде, но являются гидролизованными. Из растворимых солей многие подвергаются почти полному гидролизу.

Химические

Рассеянные частицы GaAS образуются в земной коре, содержащей залежи металла. В условиях лаборатории реагирует с щелочными растворами. При этом выделяется водород. Гидролизуется металл в алюминатном состоянии до двух валентной формы, образуя пленку.

Галлиевые элементы напоминают германий и алюминий. Несмотря на это, есть и разница. Например, галлий от германия отличается кислотным характером гидроокисей и его аналогов, но он выражен слабее, а фтористиый таллий хорошо растворяется.

По свойствам можно сравнить с алюминием. В большинстве случаев химических реакций не происходит, что обусловлено свойствами материала. Однако порой металл ярко горит, образует пламя, происходит образование оксида. Главные условия – чистый воздух, высокое давление. С водой — устойчив, ведь происходит образование нерастворимового гидроксида галлия.

Если же сплавить галлий с алюминием и он будет жидким, то при комнатной температуре происходит снижение точки плавления, поэтому реакция с водой бурная. Галлий при нагревании взаимодействует с галогенами. Это обуславливает появление солевых растворов.

Галлий является атмосферным элементом. По этой причине возможно его растворение в кислотах и основаниях, отличающихся выделением водорода. Металл медленно разбавляется, если применяются разбавленные кислоты. Если для разбавления применять царскую воду и каустическую соду с высоким показателем концентрации, разбавление происходит быстро. Для пассирования требуется азотная кислота.

Характеристики многих металлов меняются под влиянием жидкого галлия. По этой причине металл важно хранить в особенных условиях. Также обязательно учитывают температурный режим. Иначе это будет негативно сказываться на характеристиках галлия.

Месторождения

В наибольшей степени галлий содержится в руде, которая состоит из сульфида меди. Его показатель достигает 0,5-0,7%. Наилучшим образом добыча такой руды налажена в юго-западной части Африки. Галлий также присутствует в других видах угля и руды, но в этом случае содержание будет минимальным.

Таким образом, металл практически отсутствует в природе, содержание оказывается мизерным. Несмотря на это, наличие галлия является значимым благодаря активному применению галлия в многочисленных сферах промышленности. Более того, для современных технологий частицы галлия также оказываются значимыми. Тонны кристаллов галлия производят промышленным путем. Ежегодно производят более 1 млн. тонн.

Как получают

Способы получения постепенно совершенствуются благодаря научному прогрессу, пониманию свойств металла. Несмотря на это, определенные проблемы по-прежнему остаются. Чаще всего галлий достаточно сложно получить. Обычно требуются растворы глиноземного производства. Основные материалы (боксит, нефелин) тщательно перерабатываются.

Уровень галлия в полученном растворе может быть разным. Порой отличие достигает 2 раз. Это зависит от того, какой вариант применяется – разложение или спекание. Галлий удается отделить от алюминия карбонизацией, после чего проводится концентрация фракции осадка. Его обязательно обрабатывают. Для этого в наилучшей степени подходит известь. Галлий после этого процесса становится раствором. Хороший вариант получения металла – электролиз.

Галлий получают по-разному. Например, можно проводить переработку руды и угля. В этом случае металл будет побочным продуктом. По этой причине большое количество не удастся получить.

Зачастую галлий удается получить, но только в загрязненном виде. Это негативно влияет на характеристики и свойства металла. По этой причине требуется дополнительная обработка. Она состоит из нескольких значимых этапов.

Галлий обязательно промывают с применением подходящей жидкости. Также предполагается фильтрация через специальные конструкции. На следующем этапе происходит нагрев вакуумным способом. В результате галлий удается очистить. Летучие примеси устраняются.

Порой галлий должен отличаться высоким показателем чистоты. Для этого также доступны разные способы, в том числе физический, химический и электрохимический.

Такие способы отличаются высоким уровнем эффективности.

Области применения

Сфера использования галлия во многом определяется характеристиками и свойствами металла.

Современные технологии позволяют по-разному использовать металл:

Галлий часто заменяет ядовитую ртуть. Однако есть определенные отличия. Металл будет значимым для вакуумного оборудования. К тому же материал проявляет стойкость к повышенному температурному режиму.
Порой используется смазка. Она эффективна при соединении деталей из разных материалов.
Сплав галлия с индием. Такой вариант позволяет создавать топливо для атомного оборудования.
Внешний слой зеркал, рассчитанных для применения в особенных ситуациях.
Разные модификации галлия могут быть компонентами лазерного оборудования. Диапазон работы является синим и ультрафиолетовым. Также возможно создание электронных устройств, если они работают на сверхвысоких частотах.
Природный изотоп-71 позволяет опознать присутствие нейтрино;
Применяют в полупроводниковых устройствах, в термометрах, в различных областях электроники.

Галлий является особенным металлом, служит температурным стабилизатором, исключает риск коррозии.

Легкоплавкость – не всегда плюс. Она приводит к проблемам при хранении продукции, перемещению вещества. По этой причине порой кусочки галлия важно упаковать в полиэтилен, ведь металл не влияет на данную упаковку.

Элемент успешно используется в современной медицине.

Важным является в следующих ситуациях:

Препараты галлия улучшают состояние суставов, костей у людей.
Удается останавливать даже обильные кровотечения. При этом исключается риск тромбообразования.
Галлий позволяет эффективно бороться с разными бактериями.
Галлий способствует быстрому и безболезненному затягиванию ран.

Такое активное и успешное применение методов с использованием галлия обусловлено учетом характеристик и свойств металла.

Биологическое воздействие

Точных доказательств относительно токсического влияния нет. Диапазон оценок оказывается разным.

Возбуждение. Впоследствии сменяется заторможенной реакцией на внешние факторы.
Нарушения двигательной функции.
Нарушение дыхания. Темп может меняться в любую сторону.

В самых сложных ситуациях бывают паралич нижних конечностей, кома и летальный исход. Если же правильно использовать галлий в медицинских целях, удается отметить высокий показатель эффективности.

Цель – учитывать основные характеристики галлия.

В моём личном блоге я познакомлю вас с особенностями разных драгоценных камней, влиянием зодиакальных камней в отношении каждого знака зодиака, а также целебными свойствами некоторых из них.

Какой металл тает в руках

Человечеству уже известно немало веществ, обладающих довольно интересными свойствами. Среди них значатся и металлы, среди которых несомненно выделяется один. Он буквально тает в руках. В общем, обо всём по порядку.

Предсказанный элемент

Когда Дмитрий Менделеев сформулировал свой периодических закон и составил периодическую же таблицу, многие металлы были науке ещё не известны.

Это, впрочем, не помешало химику выстроить свою периодическую систему, оставив пустые клетки для ещё не открытых элементов. Эти "белые пятна" вскорости были заполнены. Об одном из таких предсказанных Менделеевым элементов и пойдёт сегодня речь.

Знакомьтесь: галлий, 31 номер в таблице. Третья группа, легкоплавкий металл, близкий по свойствам к алюминию и кремнию. Менделеев не только достаточно подробно описал свойства этого металла, но и практически со стопроцентной точностью указал его атомный вес.

Открытие и происхождение названия

Галлий был открыт и выделен в виде просто вещества французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. Произошло это в 1875 году, года учёный исследовал образцы цинковой обманки, привезённые из Пиренеев. Исследования проводились методом спектроскопии и учёный заметил в спектре руды фиолетовую линию, свидетельствующую о присутствии в минерале неизвестного элемента.

Выделение элемента в чистом виде потребовало немало труда, так как содержание его в руде было меньше 0,1%. В конце концов, Лекоку де Буабодрану удалось получить менее 0,1 грамма чистого вещества и исследовать его. Обнаруженный французом элемент по свойствам оказался во многом сходен с цинком.

На очередном заседании Парижской академии наук, состоявшемся 20 сентября 1875 года, было зачитано письмо Лекока де Буабодрана, в котором сообщалось об открытии нового элемента и изучении его свойств. Также химик сообщал, что назвал новооткрытый элемент в честь Франции, по её латинскому названию — Галлия (Gallia).

Когда Менделеев прочёл опубликованный доклад, посвящённый этому открытию, он отметил, что описание свойств нового элемента почти в точности совпадает с описанием предсказанного им ранее экаалюминия. Менделеев не замедлил сообщить об этом Лекоку де Буабодрану, указав, что плотность нового металла определена неверно и должна быть 5,9-6,0 , а не 4,7 г/см3. Тщательная проверка показала правоту Менделеева.

Добыча галлия

В природе галлий крупных месторождений не образует. В некоторых минералах галлий содержится в относительно больших (для этого металла): гранат, сфалерит, турмалин, берилл, полевые шпаты, нефелин.

Самый богатый источник галлия - минерал германит, руда, состоящая из сульфида меди, которая может содержать 0,5-0,7% галлия. Кроме этого, галлий получают при переработке боксита и нефелина. Также этот металл 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.

Месторождения, на которых ведётся добыча галлия, находятся, главным образом в Юго-Западной Африке, а также в России и в некоторых из стран СНГ.

Галлий – мягкий пластичный металл серебристого цвета. При низких температурах находится в твердом состоянии, но плавится уже при температуре, ненамного превышающей комнатную (29,8°C).

Вообще широкий температурный интервал существования жидкого состояния этого металла (от 30 и до 2230 °C) является одной из особенностей галлия. Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия. В связи с легкоплавкостью, перевозка галлия осуществляется в полиэтиленовых пакетах.

До появления полупроводников, галлий использовался для создания легкоплавких сплавов. Сегодня же галлий используется, главным образом, в микроэлектронике в составе полупроводников. Нитрид галлия используется в создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона.

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 для измерения высоких температур, заменяя этим металлом ртуть. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению с ртутью.

Галлий - один из самых дорогих металлов. Так в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США. В связи с его высокой стоимостью и с большой потребностью в этом металле, очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.

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

Читайте также: