Галлий

Физические свойства

Металл галий очень пластичный и легкоплавкий. При низких температурах он пребывает в твёрдом состоянии. Для превращения его в жидкость достаточно температуры 29,76 градусов Цельсия или 302,93 по Кальвину. Расплавить его можно держа в руке или опустив в горячую жидкость. Слишком высокие температуры делают его очень агрессивным: при 500 градусах по Цельсию и выше он способен разъедать другие металлы.

Кристаллическая решетка галия образована двухатомными молекулами. Они очень устойчивы, но между собой связаны слабо. Чтобы нарушить их связь, необходимо совсем небольшое количество энергии, поэтому галий без труда становится жидким. По легкоплавкости он в пять раз превосходит индий.

В жидком состоянии металл более плотный и тяжёлый, чем в твёрдом. Кроме того, он лучше проводит электричество. При нормальных условиях его плотность составляет 5,91 г/см³. Закипает металл при –2230 градусах по Цельсию. При затвердевании он расширяется примерно 3,2%.

Нахождение в природе.

Галлий – типичный рассеянный элемент, иногда его также относят и к редким. Кларк (числовая оценка среднего содержания в земной коре) галлия в земной коре довольно велик и составляет 1,5·10–3%(масс.). Таким образом, его содержание больше, чем молибдена, висмута, вольфрама, ртути и некоторых других элементов, обычно не относимых к редким. Галлий обладает халькофильными и литофильными свойствами, поэтому встречается в месторождениях различного характера. Галлий не встречается в сколько-нибудь значительных концентрациях, и среднее содержание его в минералах-носителях не превышает сотых долей процента. До середины 20 в. считалось, что собственных минералов галлий не образует, и только в 1956 Рамдорф сообщил, что в рудах месторождений близ городов Цумеб (Намибия) и Кипуши (Республика Заир) был найден собственный минерал галлия. Состав этого чрезвычайно редкого минерала был установлен Штрунцем, Гейером и Зелингером. Это оказался смешанный сульфид меди и галлия – CuGaS₂, названный галлитом. Он встречается вместе со сфалеритом, халькопиритом, германитом и некоторыми другими сульфидными минералами. Галлит имеет серый металлический блеск и хорошо полируется. В природе галлий, в основном, тяготеет к своим ближайшим соседям по периодической системе – алюминию, цинку и германию. Галлий является постоянным спутником алюминия, благодаря близости химических свойств, ионных радиусов и потенциалов ионизации. Сходство атомных радиусов цинка и галлия обусловливает возможность их взаимного замещения в природе. Особенно богаты галлием сфалериты из флюорито-сульфидных месторождений (0,01–0,1% Ga). Основным источником галлия являются бокситы (гидратированный оксид алюминия). Интересно, что бокситовые руды независимо от их местонахождения и особенностей происхождения характеризуются постоянно-равномерным распределением в них галлия – 0,002–0,006%. Нефелины из апатито-нефелиновых руд Хибинских гор содержат галлий в значительных количествах (0,01–0,04%). Галлий встречается и во многих других минералах (приведено среднее содержание): сфалерите (ZnS) – 0,001%, пирите (FeS₂) – 0,001%, германите (Cu₃GeS₄) – 1,85%, цирконе (ZrSiO₄) – 0,001–0,005%, сподумене (LiAlSi₂O₆) – 0,001–0,07% и т.д. Кроме того, повышенное содержание галлия обнаружено в некоторых углях (в особенности в Англии). В колошниковых пылях от сжигания таких углей содержится до 1,5% галлия.

Основные мировые резервы галлия связывают с месторождениями бокситов, запасы которых настолько велики, что не будут истощены в течение многих десятилетий. Однако большая часть галлия, содержащегося в боксите, остается недоступной вследствие недостатка производственных мощностей, объем которых диктуется экономическими причинами. Реальные запасы галлия трудно поддаются оценке. По мнению специалистов U.S. Geological Surveys мировые ресурсы галлия, связанные с месторождениям бокситов, составляют 1 млн. тонн. Значительными запасами галлия обладают Китай, США, Россия, Украина, Казахстан.

Содержание галлия во Вселенной оценивается в 10–6% (масс.) или 2·10–7% (ат.), на Солнце 4·10–6%(масс.) или 6·10–7% (ат.), в углеродистых метеоритах 7,8·10–4% (масс.), морской воде 3·10–9% (масс.)

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→ot2GaOOH+3H2{\displaystyle {\mathsf {2Ga+4H_{2}O{\xrightarrow {^{o}t}}2GaOOH+3H_{2}}}}

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↑{\displaystyle {\mathsf {2Ga+6HCl\rightarrow 2GaCl_{3}+3H_{2}\uparrow }}}

Продуктами реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты, содержащие ионы Ga(OH)₄− и Ga(OH)₆3− :

2Ga+6H2O+2NaOH→2NaGa(OH)4+3H2{\displaystyle {\mathsf {2Ga+6H_{2}O+2NaOH\rightarrow 2Na+3H_{2}}}}

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→ot3GaI{\displaystyle {\mathsf {2Ga+GaI_{3}{\xrightarrow {^{o}t}}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.

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:

4LiH+GaCl3→LiGaH4+3LiCl{\displaystyle {\mathsf {4LiH+GaCl_{3}\rightarrow Li+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↑{\displaystyle {\mathsf {^{-}+4H_{2}O\rightarrow Ga(OH)_{3}+OH^{-}+4H_{2}\uparrow }}}

Галлийорганические соединения представлены алкильными (например, триметилгаллий) и арильными (например, трифенилгаллий) производными общей формулы GaR₃, а также их галогеналкильными и галогенарильными аналогами GaHal_3−nR_n. Галлийорганические соединения неустойчивы к воде и воздуху, однако реагируют не так бурно, как алюминийорганические соединения.

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.

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.

История открытия

Менделеев «предсказал» галий, оставив для него место в третьей группе периодической таблицы (по устаревшей системе). Он приблизительно назвал его атомную массу и даже предугадал, что элемент будет открыт спектроскопически.

Уже через несколько лет металл был обнаружен французом Полем Эмилем Лекоком. В августе 1875 года учёный изучал спектр минерала сфалерита из месторождения в Пиренеях и заметил новые фиолетовые линии. Элемент был назван галием. Его содержание в минерале было крайне маленьким и Лекоку удалось выделить всего 0,1 грамма. Открытие металла стало одним из подтверждений правильности предсказания Менделеева.

Физические свойства

Кристаллы галлия

Металлический галлий

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. 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.

Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре 20 °C равна 5,904 г/см³, жидкий галлий (t_пл. = 29,8°C) имеет плотность 6,095 г/см³, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Это свойство является весьма редким, его проявляют лишь немногие простые вещества и соединения (в частности, вода, кремний, германий, сурьма, висмут и плутоний). Кипит галлий при 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 удельная теплоёмкость равна 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 сантипуаз при T = 98°C и 0,578 сантипуаз 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.

Изотопы

Основная статья: Изотопы галлия

Природный галлий состоит из двух стабильных изотопов 69Ga (изотопная распространённость 60,11 ат. %) и 71Ga (39,89 ат. %). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов равно для них 2,1 барн и 5,1 барн, соответственно.

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

Получение

Для получения металлического галлия чаще используют редкий минерал галлит CuGaS₂ (смешанный сульфид меди и галлия). Его следы постоянно встречаются со сфалеритом, халькопиритом и германитом. Значительно бо́льшие его количества (до 1,5 %) были обнаружены в золе некоторых каменных углей. Однако основным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита (обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1 %)) и нефелина. Галлий также можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля.
Извлекается он электролизом щёлочных жидкостей, являющихся промежуточным продуктом переработки природных бокситов на технический глинозём. 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. 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.
В очень чистом виде (99,999 %) он был получен путём электролитического рафинирования, а также восстановлением водородом тщательно очищенного GaCl₃.

Биологическая роль

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. При попытке убрать его размазывается ещё сильнее. Лучший способ убрать пятна с рук или поверхности — воспользоваться жидким мылом.

Галлий малотоксичен по одним сведениям, высокотоксичен — по другим . Клиническая картина 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.

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!

• Paul Par­sons, Gail Dixon — The Pe­ri­od­ic Ta­ble A vis­ual guide to the el­e­ments (p.78);
• Wikipedia.Gal­li­um;
• Wikipedia.Gallex;
• Wikipedia. Teeny_T­ed_from_­Turnip_­Town.

Применение галлия

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 71Ga 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). Кроме того, смачивание алюминия пленкой 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.
 
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 со ртутью.
Оксид галлия входит в состав ряда стратегически важных лазерных материалов группы гранатов — ГСГГ, ИАГ, ИСГГ и др.

Влияние на человека

О биологической роли металла и его воздействии на организм человека известно мало. В периодической таблице он находится рядом с элементами, которые нам жизненно необходимы (алюминий, железо, цинк, хром). Существует мнение, что в качестве ультрамикроэлемента галий входит в состав крови, ускоряя её ток и предотвращая образование тромбов.

Так или иначе, небольшое количество вещества содержится в организме человека (10-6 – 10-5%). Галий поступает в него вместе с водой и сельскохозяйственными продуктами питания. Он задерживается в костной ткани и печени.

Металл галий считается малотоксичным или условно-токсичным. При контакте с кожей мелкие частички остаются на ней. Это выглядит как серое грязное пятно, которое легко убирается водой. Вещество не оставляет ожогов, но в отдельных случаях может вызвать дерматит. Известно, что высокое содержание галия в организме вызывает нарушения в печени, почках и нервной системе, но для этого нужно очень большое количество металла.

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→ot2GaOOH+3H2{\displaystyle {\mathsf {2Ga+4H_{2}O{\xrightarrow {^{o}t}}2GaOOH+3H_{2}}}}

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↑{\displaystyle {\mathsf {2Ga+6HCl\rightarrow 2GaCl_{3}+3H_{2}\uparrow }}}

Продуктами реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты, содержащие ионы Ga(OH)₄− и Ga(OH)₆3− :

2Ga+6H2O+2NaOH→2NaGa(OH)4+3H2{\displaystyle {\mathsf {2Ga+6H_{2}O+2NaOH\rightarrow 2Na+3H_{2}}}}

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→ot3GaI{\displaystyle {\mathsf {2Ga+GaI_{3}{\xrightarrow {^{o}t}}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.

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:

4LiH+GaCl3→LiGaH4+3LiCl{\displaystyle {\mathsf {4LiH+GaCl_{3}\rightarrow Li+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↑{\displaystyle {\mathsf {^{-}+4H_{2}O\rightarrow Ga(OH)_{3}+OH^{-}+4H_{2}\uparrow }}}

Галлийорганические соединения представлены алкильными (например, триметилгаллий) и арильными (например, трифенилгаллий) производными общей формулы GaR₃, а также их галогеналкильными и галогенарильными аналогами GaHal_3−nR_n. Галлийорганические соединения неустойчивы к воде и воздуху, однако реагируют не так бурно, как алюминийорганические соединения.

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.

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.

Физические свойства

Элементный галлий не найден в природе, но он легко получен плавлением. У очень чистого металла галлия есть серебристый цвет и его твердые металлические переломы конхоидальным образом как стекло. Металл галлия расширяется на 3,1%, когда он укрепляется, и поэтому хранения или в стеклянных или в металлических контейнерах избегают, из-за возможности контейнерного разрыва с замораживанием. Галлий делит жидкое состояние более высокой плотности только с несколькими материалами, как вода, кремний, германий, висмут и плутоний.

Точка плавления галлия, в 302.9146 K (29.7646 °C, 85.5763 °F), чуть выше комнатной температуры и приблизительно то же самое как средние летние дневные температуры в средних широтах Земли. Точка плавления галлия (член парламента) является одним из формальных температурных ориентиров в Международном Температурном Масштабе 1990 (ЕГО 90) установленный BIPM. Тройной пункт галлия, в 302.9166 K (29.7666 °C, 85.5799 °F), используется NIST в предпочтении к точке плавления галлия.

Уникальная точка плавления галлия позволяет ему таять в руке, и затем повторно замораживаться, если удалено. У этого металла есть сильная тенденция переохладить ниже ее точки плавления / точку замерзания. Отбор с кристаллом помогает начать замораживание. Галлий — один из металлов (с цезием, рубидием, ртутью и вероятным францием), которые являются жидкостью в или почти нормальной комнатной температурой, и могут поэтому использоваться в металле в стакане высокотемпературные термометры. Это также известно тому, что имело один из самых больших жидких диапазонов для металла, и для того, чтобы иметь (в отличие от ртути) низкое давление пара при высоких температурах. Точка кипения галлия, 2673 K, больше чем в восемь раз выше, чем ее точка плавления по абсолютной шкале, делая его самым большим отношением между точкой плавления и точкой кипения любого элемента

В отличие от ртути, жидкого металла галлия wets стекло и кожа, делая механически более трудным обращаться (даже при том, что это существенно менее токсично и требует гораздо меньшего количества мер предосторожности). Поэтому, а также металлические проблемы загрязнения и замораживающего расширения, образцы металла галлия обычно поставляются в пакетах полиэтилена в пределах других контейнеров

Галлий не кристаллизует ни в одной из простых кристаллических структур. Стабильная фаза при нормальных условиях призматическая с 8 атомами в обычной элементарной ячейке. В пределах элементарной ячейки у каждого атома есть только один самый близкий сосед (на расстоянии 14:44). Оставление шестью соседями элементарной ячейки располагается 27, 30 и 39 пополудни дальше, и они сгруппированы в парах с тем же самым расстоянием. Много стабильных и метастабильных фаз найдены как функция температуры и давления.

Соединение между двумя самыми близкими соседями ковалентное, следовательно Ga регуляторы освещенности замечены как фундаментальные стандартные блоки кристалла. Это объясняет снижение точки плавления по сравнению с ее соседним алюминием элементов и индием.

Физические свойства галлия очень анизотропные, т.е. имеют различные ценности вдоль трех главных crystallographical топоров a, b и c (см. стол); поэтому, есть значительная разница между линейным (α) и объемом тепловые коэффициенты расширения. Свойства галлия также решительно температурно-зависимы, особенно около точки плавления. Например, тепловой коэффициент расширения увеличивается на несколько сотен процентов после таяния.

Распространённость и месторождения галия

Где взять галий? Металл легко можно заказать в интернете. Его стоимость колеблется от 115 до 360 долларов за килограмм. Металл считается редким, он очень рассеян в земной коре и практически не образует собственных минералов. С 1956 году их было найдено все три.

Зачастую галий находят в составе цинковых, железных, алюминиевых руд. Его примеси обнаруживают в каменном угле, берилле, гранате, магнетите, турмалине, полевом шпате, хлоритах и других минералах. В среднем его содержание в природе составляет около 19 г/т.

Больше всего галия содержится в веществах, которые близки к нему по составу. Из-за этого его сложно и дорого из них извлекать. Собственный минерал металла называется галлит с формулой CuGaS₂. Он содержит также медь и серу.

Химические свойства

По многим химическим свойствам галий похож на алюминий, но проявляет меньшую активность и реакции с ним проходят медленнее. Он не вступает в реакцию с воздухом, моментально образуя оксидную плёнку, которая предотвращает его окисление. Он не реагирует на водород, бор, кремний, азот и углерод.

Металл отлично взаимодействует практически с любыми галогенами. С йодом вступает в реакцию только при нагревании, с хлором и бромом реагирует даже при комнатной температуре. В горячей воде он начинает вытеснять водород, с минеральными кислотами образует соли и тоже высвобождает водород.

С другими металлами галий способен создавать амальгамы. Если жидкий галий капнуть на твёрдый кусок алюминия, он начнёт проникать в него. Вторгаясь в кристаллическую решетку алюминия, жидкое вещество сделает его хрупким. Уже через несколько дней твёрдый металлический брусок можно будет крошить руками, не прилагая особых усилий.

Получение

Для получения металлического галлия чаще используют редкий минерал галлит CuGaS₂ (смешанный сульфид меди и галлия). Его следы постоянно встречаются со сфалеритом, халькопиритом и германитом. Значительно бо́льшие его количества (до 1,5 %) были обнаружены в золе некоторых каменных углей. Однако основным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита (обычно содержащие незначительные его примеси (до 0,1 %)) и нефелина. Галлий также можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля.
Извлекается он электролизом щёлочных жидкостей, являющихся промежуточным продуктом переработки природных бокситов на технический глинозём. 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. 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.
В очень чистом виде (99,999 %) он был получен путём электролитического рафинирования, а также восстановлением водородом тщательно очищенного GaCl₃.

Как был открыт галлий

Французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран вошел в историю как открыватель трех новых элементов: галлия (1875), самария (1879) и диспрозия (1886). Первое из этих открытий принесло ему славу.
В то время за пределами Франции он был мало известен. Ему было 38 лет, занимался он преимущественно спектроскопическими исследованиями. Спектроскопистом Лекок де Буабодран был хорошим, и это в конечном счете привело к успеху: все три свои элемента он открыл методом спектрального анализа.

В 1875 г. Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки, привезенной из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре и была обнаружена новая фиолетовая линия (длина волны 4170А). Новая линия свидетельствовала о присутствии в минерале неизвестного элемента, и, вполне естественно, Лекок де Буабодран приложил максимум усилий, чтобы этот элемент выделить. Сделать это оказалось непросто: содержание нового элемента в руде было меньше 0,1%, и во многом он был подобен цинку. После длительных опытов ученому удалось-таки получить новый элемент, но в очень небольшом количестве. Настолько небольшом (меньше 0,1 г),что изучить его физические и химические свойства Лекок де Буабодран смог далеко не полно.

Сообщение об открытии галлия — так в честь Франции (Галлия — ее латинское название) был назван новый элемент — появилось в докладах Парижской академии наук.
Это сообщение прочел Д. И. Менделеев и узнал в галлии предсказанный им пятью годами раньше экаалюминий. Менделеев тут же написал в Париж. «Способ открытия и выделения, а также немногие описанные свойства заставляют предполагать, что новый металл не что иное, как экаалюминий»,—говорилось в его письме. Затем он повторял предсказанные для этого элемента свойства. Более того, никогда не держа в руках крупинки галлия, не видя его в глаза, русский химик утверждал, что первооткрыватель элемента ошибся, что плотность нового металла не может быть равна 4,7, как писал Лекок де Буабодран, она должна быть больше, примерно 5,9—6,0 г/см3.

Как это ни странно, но о существовании периодического закона первый из его утвердителей, «укрепителей», узнал лишь из этого письма. Он еще раз выделил и тщательно очистил крупицы галлия, чтобы проверить результаты первых опытов. Некоторые историки науки считают, что делалось это с целью посрамить самоуверенного русского «предсказателя». Но опыт показал обратное: ошибся первооткрыватель. Позже он писал: «Не нужно, я думаю, указывать на исключительное значение, которое имеет плотность нового элемента в отношении подтверждения теоретических взглядов Менделеева».

Почти точно совпали с данными опыта и другие предсказанные Менделеевым свойства элемента № 31. «Предсказания Менделеева оправдались с незначительными отклонениями: экаалюминий превратился в галлий». Так характеризует это событие Энгельс в «Диалектике природы».
Нужно ли говорить, что открытие первого из предсказанных Менделеевым элементов значительно укрепило позиции периодического закона.

Вы читаете, статья на тему галлий история