Что такое галлий и для чего он нужен

Применение галлия

Содержание статьи

Добыча и основные свойства галлия

В природе не удастся отыскать большие залежи галлия, так как он просто их не образует. В большинстве случаев его можно найти в минералах руды или же германита, где есть вероятность отыскать от 0,5 до 0,7% этого металла. Стоит также упомянуть о том, что галлий есть возможность получить и при переработке нефелина, боксита, полиметаллических руд или же угля. Сначала получают грязный металл, который проходит обработку: промывку водой, фильтрацию и нагревание. А чтобы получить высокого качества этот металл, используют специальные химические реакции. Большой уровень добычи галлия можно наблюдать в странах Африки, именно на юго-востоке, России и в других регионах.

Что касается свойств этого металла, то его окрас серебряного цвета, и при невысоких температурных режимах он может пребывать в твердом состоянии, а вот расплавиться ему не составит труда, если температура хоть ненамного превысит комнатную. Так как этот металл по своим свойствам приближен к алюминию, то его перевозят в специальных пакетах.

Использование галлия

Относительно недавно галлий применялся при производстве легкоплавких сплавов. А вот сегодня его можно встретить в микроэлектронике, где он применяется с полупроводниками. Также этот материал хорош в качестве смазки. Если используется галлий вместе с никелем или же скандием, то можно получить отличного качества металлические клеи. Кроме того, сам металлический галлий может применяться как наполнитель в кварцевых градусниках, так как имеет большую температуру кипения, чем ртуть.

Помимо этого, известно, что галлий применяется в производстве электроламп, создании сигнальных систем при пожаре и предохранителей. Также данный металл можно встретить в оптических приборах, он нужен, в частности,для улучшения их отражательных свойств. Галлий применяется также в фармацевтических или же радиофармацевтических препаратах.

Но в то же время этот металл один из самых дорогостоящих, и очень важно при производстве алюминия и переработке каменных углей на топливо наладить качественное его извлечение, ведь уникальный природный галлий сегодня получил довольно широкое применение благодаря своим уникальным свойствам.

Синтезировать элемент пока не удалось, хотя нанотехнологии и вселяют надежду в ученых, работающих с галлием.

Источник

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

Как был открыт

Существование вещества предсказал Дмитрий Менделеев (1869 год):

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:

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

Нагретый галлий разрушает материалы сильнее любого расплавленного металла.

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:

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

Где используется

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

Промышленность

На практике эксплуатируются полезные свойства галлия:

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:

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:

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.

Источник

Галлий

Галлий
Мягкий хрупкий металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком.
Название, символ, номер	Галлий / Gallium (Ga), 31
Атомная масса (молярная масса)	69,723(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d 10 4s 2 4p 1
Радиус атома	141 пм
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)
Плотность (при н. у.)	5,91 г/см³
Температура плавления	302,93 К (29,8°C)
Температура кипения	2477 K
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
Структура решётки	орторомбическая
Параметры решётки	a=4,519 b=7,658 c=4,526 Å
Температура Дебая	240 K
Теплопроводность	(300 K) 28,1 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-55-3

Галлий — элемент 13-й группы (по устаревшей классификации — 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 — мягкий хрупкий металл серебристо-белого (по другим данным светло-серого) цвета с синеватым оттенком.

Содержание

История

Вскоре галлий был открыт, выделен в виде простого вещества и изучен французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. 20 сентября 1875 года. На заседании Парижской академии наук было зачитано письмо Лекока де Буабодрана об открытии нового элемента и изучении его свойств. В письме сообщалось, что 27 августа 1875 года между 3 и 4 часами вечера он обнаружил признаки нового простого тела в образце цинковой обманки, привезенном из рудника Пьерфитт в долине Аржелес (Пиренеи). Так, исследуя спектр образца, Лекок де Буабодран выявил две новые фиолетовые линии, свидетельствующие о присутствии в минерале неизвестного элемента. В этом же письме он предложил назвать новый элемент Gallium. Выделение элемента было сопряжено с немалыми трудностями, поскольку содержание нового элемента в руде было меньше 0,2 %. 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 продемонстрировав 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.

Нахождение в природе

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.

Месторождения

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

Получение

Физические свойства

Изотопы

Помимо них, известны 29 искусственных радиоактивных изотопов галлия с массовыми числами от 56 Ga до 86 Ga и по крайней мере 3 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущие радиоактивные изотопы галлия — это 67 Ga (период полураспада 3,26 суток) и 72 Ga (период полураспада 14,1 часов).

Химические свойства

Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия, но реакции металлического галлия, как правило, идут гораздо медленнее из-за меньшей химической активности. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления.

Галлий медленно реагирует с горячей водой, вытесняя из неё водород и образуя гидроксид галлия (III):

На практике же данная реакция не происходит из-за быстрого окисления поверхности металла.

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

2Ga + 4H₂O → to 2GaOOH + 3H₂

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

На практике реакция происходит только с концентрированными минеральными кислотами и значительно ускоряется при нагревании. 2Ga + 6HCl → 2GaCl₃ + 3H₂↑

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 бромом идёт при комнатной температуре, с фтором — уже при −35°C (около 20°C — с воспламенением), взаимодействие с иодом начинается при нагревании.

При высоких температурах нагреванием в запаянной камере можно получить неустойчивые галогениды галлия (I) — GaCl, GaBr, GaI:

2Ga + GaI₃ → ot 3GaI

Галлий не взаимодействует с водородом, углеродом, азотом, кремнием и бором.

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.

Галлий образует гидридогаллаты:

Галлийорганические соединения представлены алкильными (например, триметилгаллий) и арильными (например, трифенилгаллий) производными общей формулы GaR₃, а также их галогеналкильными и галогенарильными аналогами GaHal_{3− n} R _n . Галлийорганические соединения неустойчивы к воде и воздуху, однако реагируют не так бурно, как алюминийорганические соединения.

Вступает в реакцию с раствором дихромата калия и концентрированой серной кислотой (не ниже 50%) в соотношении примерно 1:1. При достижении необходимой концентрации реагирующих веществ на поверхности галлия появляется явление поверхностного натяжения, от чего из-за постоянной смены количества полученных веществ капля жидкого металла приобретает способность к «пульсации». Данные расширения и сокращения напоминают работу сердца, от чего данный опыт получил название ‘Галлиевое Сердце». Данная реакция не имеет никакого практического значения для науки и является показательной для этого металла.

Основные соединения

Применение

Галлий до́рог, 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 в жидкое топливо. Около 97 % мирового производства галлия идёт на различные полупроводниковые соединения.

Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре (так называемых галлам), и один из его сплавов имеет температуру плавления −19 °C (галинстан, эвтектика In-Ga-Sn). Галламы применяются для замены токсичной ртути в качестве жидких затворов вакуумных аппаратов и диффузионных растворов, в качестве смазок при соединении кварцевых, стеклянных и керамических деталей. 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 продемонстрировано и детально изучено П. А. Ребиндером и Е. Д. Щукиным при контакте алюминия с галлием или его эвтектическими сплавами (жидкометаллическое охрупчивание). Кроме того, смачивание алюминия плёнкой жидкого галлия вызывает его стремительное окисление, подобно тому, как это происходит с алюминием, амальгамированным ртутью. Галлий растворяет при температуре плавления около 1 % алюминия, который достигает внешней поверхности плёнки, где мгновенно окисляется воздухом. Оксидная плёнка на жидкой поверхности неустойчива и не защищает от дальнейшего окисления. Вследствие этого жидкий галлиевый сплав в качестве термоинтерфейса между тепловыделяющим компонентом (например, центральным процессором компьютера) и алюминиевым радиатором не используют.

Галлий и его эвтектический сплав с индием используется как теплоноситель в контурах реакторов.

Галлий может использоваться как смазочный материал и как покрытие зеркал специального назначения. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы 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 со ртутью.

Оксид галлия входит в состав ряда важных лазерных материалов группы гранатов — ГСГГ (гадолиний-скандий-галлиевый гранат), ИСГГ (иттрий-скандий-галлиевый гранат) и др.

Арсенид галлия GaAs активно используется в сверхвысокочастотной электронике, полупроводниковых лазерах.

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

Для светодиодов, полупроводниковых лазеров и других приложений оптоэлектроники и фотовольтаики используются и другие полупроводниковые соединения галлия типа A III B V : нитрид индия-галлия, арсенид индия-галлия, нитрид индия-галлия-алюминия, антимонид галлия, арсенид-фосфид галлия, арсенид-антимонид-фосфид индия-галлия, фосфид галлия, арсенид алюминия-галлия и т. п.

Лангасит (LGS, силикат лантана-галлия) используется как пьезоматериал.

Изотоп галлий-71, составляющий в природной смеси изотопов около 39,9 %, является материалом для регистрации нейтрино. Использование его в качестве детектора нейтрино способно повысить чувствительность регистрации в 2,5 раза.

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

В медицине

В медицине галлий используется для торможения потери костной массы у онкологических больных и для быстрой остановки кровотечения из глубоких ран, не вызывая образование тромбов. Также галлий является мощным антибактериальным средством и ускоряет заживление ран.

Биологическая роль

Не играет биологической роли.

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu,
Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H₂,
W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

Источник