Содержание

Определение

История

Происхождение названия

Нахождение в природе

Получение

Физические свойства

Химические свойства

Применение

Биологическая роль и особенности обращения

 Определение

Галлий (лат. Gallium), Ga, химический элемент III группы периодической системы Д. И. Дмитрия Ивановича 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%).

Атомная масса (молярная масса) 69,723 а. е. м. (г/моль)

Радиус атома 141 пм

Энергия ионизации (первый электрон) 578,7 (6,00) кДж/моль (эВ)

Электронная конфигурация [Ar] 3d10 4s2 4p1

История

 Можно сказать, что открытие галлия происходило дважды. В первый раз это была игра светлого ума и удивительной интуиции, а второй – следствие целеустремленности и упорства, давшим свои плоды через пятнадцать лет непрекращающегося поиска. В тройке редких элементов 13-й группы галлий является самым распространенным – в земной коре его содержание на порядок больше, чем таллия, и на два порядка больше, чем индия. Однако, по иронии судьбы, предсказан, а потом открыт он был на десять лет позже, чем его менее распространенные соседи. Индий и таллий были открыты случайно – в 1861 Крукс искал selenium и нашел таллий, а в 1863 Рейх и Рихтер искали таллий, а нашли индий. Галлий предсказали, а потом целенаправленно искали… всего пятнадцать лет.

Все началось в 1859, когда Поль Эмиль (Франсуа) Лекок де Буабодран) (1838–1912), используя усовершенствованный им спектроскоп Кирхгоффа, начал исследовать минералы, чтобы обнаружить в них неизвестные элементы.

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 году Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки, привезенной из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре и была обнаружена новая фиолетовая линия. 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.

Oн заметил определенную закономерность в изменении спектральных полос трехвалентных элементов при переходе от одного элемента к другому, однако между алюминием и индием существовал пробел, поэтому было сделано предположение, что должен быть еще один элемент, спектральные эмиссионные линии которого должны занять промежуточное положение. В том же году, благодаря финансовой поддержке семьи, у него появилась своя лаборатория и он продолжил поиски, подкрепленные собственной концепцией зависимости полос в эмиссионных спектрах от атомных весов элементов. Длительное время поиски были безуспешны, так как, по его же словам, он оперировал маленькими количествами вещества. В 1868 в лабораторию Буабодрана поступило большое количество цинковой обманки (сфалерита), привезенной c Пьерефитского рудника, расположенного в Пиренеях.

Тем временем, в 1869 в Петербурге Д.И.Дмитрий Иванович Менделеев представил Русскому химическому союзу доклад о соотношении физико-химических свойств элемента с его атомной массой. Шестого марта Н.А.Меншуткин зачитал доклад от имени Менделеева Дмитрия Ивановича, в котором, в частности, говорилось, что «…можно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел, например, сходных с алюминием и кремнием элементов с паем 65-75». 7 января 1871 на заседании Русского химического союза было внесено дополнение относительно того, что «III группе четных рядов недостает из 3-его ряда элемента, следующего за цинком, а потому обладающего атомной массой 68». Этот элемент был назван экаалюминием, вследствие схожести его предполагаемых химических свойств со свойствами алюминия.

В феврале 1874 Буабодран начал переработку пятидесяти двух килограммов сфалерита и 27 августа 1875 получил белое вещество при контакте концентрата после переработки сфалерита с цинковой фольгой. Осадок был растворен в соляной кислоте, а затем снова осажден из раствора избытком аммиачной воды, а полученный фильтрат упарен. Получившаяся «аммонийная соль» далее была растворена в кипящей царской водке. Полученный таким образом раствор Буабодран внес в пламя бунзеновской горелки, но не обнаружил в спектре новых линий. Вероятно, у него так ничего бы и не получилось, если бы он не догадался использовать для испарения вещества кислородно-водородное пламя и электрическую дугу. Он увидел в смотровом окне прибора слабую фиолетовую линию с длиной волны 4172Å, и не было никакого сомнения в том, что линия эта принадлежала неизвестному ранее элементу.

В следующем эксперименте Буабодран сконцентрировал элемент с помощью многократного осаждения сероводородом сульфидов и после обработки их соляной кислотой внес полученный раствор в электрическую дугу. В смотровом окне теперь четко проявлялась линия 4172Å и другая, более слабая и также ранее никем не наблюдавшаяся, фиолетовая линия с длиной волны 4033Å.

Буабодран оценил приблизительное количество галлия, содержащееся в исследуемой капле раствора, которое оказалось равным 0,01 мг. Примерно через две недели ему удалось сконцентрировать 2–3 мг хлорида галлия, смешанного с хлоридом цинка. В конце сентября 1875 он принимал поздравления в Париже в связи с открытием нового элемента. Перед докладом в Парижской Академии наук ему предстояло сделать серию опытов по получению металлического галлия и определению его свойств. Лаборатория Шарля Адольфа Вюрца была самой оснащенной из всех, имеющихся к тому времени в Париже (здание сохранилось и по сей день). Именно там, в ноябре 1875 Буабодрану удалось впервые получить небольшое количество металлического галлия электролизом раствора его аммиачного комплекса. В декабре 1875 он продемонстрировал 3,4 мг металла парижской ученой элите и вскоре сделал доклад в Академии наук. В опубликованной работе указывались некоторые свойства галлия: атомный вес, плотность (неверно определенная), температура плавления и некоторые другие.

Через некоторое время в Петербурге с сообщением об открытии галлия ознакомился Д.И.Менделеев Дмитрий Иванович и 15 ноября 1875 направил сообщение в «Записки Французской Академии наук», что открытый элемент является ранее предсказанным им экаалюминием и что его удельный вес должен быть около 6, а не 4,7, как установил Буабодран. Дмитрий Иванович Менделеев ликовал, ведь французский ученый был первым, кто открыл один из предсказанных им элементов, и доказал тем самым правильность периодического закона.

В 1876 Буабодрану удалось получить 650 мг чистого галлия после переработки 435 кг руды. Действительно оказалось, что первоначально определенная им плотность металла была заниженной, так как исследуемое количество галлия было мало, да и сам металл был загрязнен примесями. В статье О новом металле – галлии, опубликованной в 1877 в «Annales de Chimie» (Vol. 10 (1877) p.100–141) Буабодран писал: «Наконец, я объединил шесть первоначально полученных мною образцов чистого галлия в один, совершенно однородный, слиток. Его удельный вес был 5,935. Предвидение Дмитрия Ивановича Менделеева совершенно точно подтвердилось. Среди нескольких гипотетических элементов, предсказанных с помощью его оригинальной классификации, есть, кажется, один, соответствующий галлию… Должен признаться, что я даже не подозревал об описании, данном Менделеевым для его гипотетического элемента. Я даже добавил бы, что мое незнание, возможно, благоприятствовало мне в том смысле, что я испытывал бы задержки, если бы стал искать галлий в осадке от действия аммиака, а не в растворе…и без того содержащем мало галлия. Низкая температура плавления также не согласуется с тем, что позволяет предсказать теория. Таким образом, несмотря на неопровержимое достоинство гипотезы Менделеева Дмитрия Ивановича, некоторые реакции и свойства нового металла довольно отличаются от предсказываемых теорией… Поэтому мне кажется, что ни расчеты Дмитрия Ивановича Менделеева, ни моя собственная гипотеза не привели бы к знанию о галлии еще долгое время, если бы не мой особенный экспериментальный метод, которому я следовал». Действительно, в своем послании к Дмитрию Ивановичу Менделееву Буабодран учтиво, но в то же время твердо, дал понять, что именно его спектральный метод, а не предвидение русского ученого, привел к открытию галлия. Отдавая должное Буабодрану, следует отметить, что он действительно довел экспериментальное оформление метода до высочайшего, по тем временам, уровня и вместе с Кирхгоффом и Бунзеном справедливо считается учредителем спектрального анализа. Его заслуги были отмечены «Орденом почетного легиона» – высшей наградой Франции и медалью Дэви Лондонского химического федерации. Вместе с тем надо признать, что французский исследователь так и не захотел по достоинству оценить заслуги русского ученого, совсем и не претендовавшего на приоритет открытия галлия, и великое обобщение которого являлось событием несоизмеримо большего масштаба и значения, чем открытие отдельного химического элемента. Ниже приводится таблица сопоставления расчетов Менделеева Дмитрия Ивановича и данных Буабодрана для простого вещества.

 Происхождение названия

Д. И. Менделеев Дмитрий Иванович в соответствии с открытым им в марте 1869 года периодическим законом предсказал существование этого элемента, назвав его эка-алюминием.

Поль Эмиль Лекок де Буабодран назвал его в честь своей родины Франции, по её латинскому названию — галлия (Gallia). Примечательно так же, что символ Франции — петух (по-французски — le coq), так что в названии элемента его первооткрыватель неявно увековечил и свою фамилию. Кроме того на латыни «петух» — gallus. Открытие галлия — первое подтверждение справедливости выявленных Д. И. Менделеевым закономерностей.

 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 купрума и галлия — CuGaS2, названный галлитом, очень редок. 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 Британии).

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.

 Получение

Галлий – рассеянный элемент, являющийся постоянным спутником алюминия и цинка, поэтому его производство всегда привязано к переработке алюминиевых или сульфидных полиметаллических (в особенности цинковых) руд. Обычно извлечение галлия из цинковых концентратов сопряжено со многими трудностями, обусловливающими высокую цена металла, поэтому на протяжении уже нескольких десятилетий основным источником (95%) получения галлия являются отходы алюминиевой промышленности, а на долю т.н. комплексной переработки отходов (попутно с извлечением цинка, индия, германия) приходится около 5% производственных мощностей. Кроме того, существуют технологии извлечения галлия из колошниковой пыли и золы от сжигания углей, а также отходов их коксования.

Методики извлечения галлия, являющегося побочным товаром, подбираются таким образом, чтобы не нарушать технологических схем получения алюминия. Есть два способа переработки алюминиевых руд – способ Байера, заключающийся в автоклавном извлечении алюминия оборотными (т.е. возвращаемыми в рецикл) щелочными растворами, и метод спекания бокситовой или нефелиновой руды с содой с последующим выщелачиванием водой. В обоих способах обработки галлий ведет себя аналогично алюминию и при выщелачивании переходит в раствор в виде растворимого гидроксокомплекса.

Второй стадией обоих процессов является разложение алюминатного раствора, при этом галлий распределяется между выпавшим осадком и раствором. Известны три основных способа разложения алюминатных растворов – перемешивание с затравкой гидроксида алюминия (спонтанное разложение), пропускание углекислого газа (карбонизация), действие оксида кальция (известковый способ). Константа кислотности гидроксида галлия несколько больше таковой для гидроксида алюминия, поэтому при использовании методов карбонизации и спонтанного осаждения большая часть галлия остается в растворе. В условиях карбонизации в начальный период в осадок выпадает только Al(OH)3. Оставшийся раствор упаривается и снова возвращается на выщелачивание.

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

 При содово-известковом способе переработки бокситовой или нефелиновой руды галлий 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 галлий переходит в раствор, из которого пропусканием CO2 выделяют галлиевый концентрат (6-8% Ga2O3); последний растворяют в щёлочи и выделяют галлий электролитически.

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

Полученный электролизом щелочного раствора жидкий галлий, 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.

Галлий получают электролизом щелочного раствора галлата натрия. При электролизе одновременно с галлием на катоде выделяется водород, причем потенциалы их, как уже отмечалось, близки. Смещение потенциала галлия в отрицательную сторону с ростом щелочности раствора ведет к снижению доли тока, затрачиваемого на выделение галлия и, соответственно, возрастанию доли тока, затрачиваемого на выделение водорода. Для повышения выхода галлия по току растворы должны содержать минимальное количество щелочи.

С повышением концентрации галлия в растворе выход по току возрастает вследствие смешения потенциала в положительную сторону.

С ростом катодной плотности тока скорость выделения водорода возрастает в большей степени, чем галлия, поэтому выбирают оптимальную плотность тока, при которой обеспечивается необходимая скорость выделения галлия.

Электролит приготовляют, растворяя галлиевый концентрат или технический оксид галлия в растворе гидроксида натрия. В зависимости от состава исходного материала растворы содержат, г/л: Ga2O3 5-100, Аl2О3 70-150 (при растворении концентрата), NaOH 100-200, примеси соединений Si, Pb, Zn, Си, V, Mo, Fe и др.

Электролиз проводят при 50-70 °С в прямоугольных ваннах. Катоды из нержавеющей стали и аноды (из стали или никеля) расположены последовательно, расстояние между ними 2-4 см. Жидкий галлий стекает с катода на дно ванны. Электролиз ведут при катодной плотности тока i = 0,3 + 1,5 А/см2 и анодной плотности тока в 3 - 10 раз ниже катодной. При концентрации галлия 50 - 100 г/л выход по току составляет (в зависимости от плотности тока) 30-60 %. За 6 - 10 ч электролиза выделяется 97 - 99 % галлия.

Примеси Cu, Zn, Pb, tin metal, Fe осаждаются вместе с галлием. Кремний и алюминий переходят в металл в малой степени. Примеси VO3 и МоО2,- восстанавливаются до низших оксидов, образующих налет на катоде, что тормозит электролиз.

Разработаны варианты проведения электролиза с жидким галлиевым катодом. В этом случае галлий выделяется при более высоком потенциале, чем на твердом катоде из нержавеющей стали. Это повышает выход по току и позволяет выделять галлий из растворов с относительно низкой его концентрацией.

 Физические свойства

Кристаллический галий 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 T=20°С равна 5,904 г/см3, жидкий галлий при T=29,8°С имеет плотность 6,095 г/см3, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Температура плавления галлия немного выше комнатной и равна Tпл.=29,8 °C, кипит галлий при Tкип.=2230°С.

Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2230°С), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100÷1200°С. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале T=0÷24°С равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при T=29÷100°С — 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°С) и 27,2·10-6 Ом·см (при T=30°С). Вязкость жидкого галлия при разных температурах равна 1,612 пуаз при T=98°С и 0,578 пуаз при T=1100°С. Поверхностное натяжение, измеренное при 30 °С 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.

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

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

 Химические свойства

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 галлий 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↑

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

 Наиболее устойчивы трёхвалентные соединения галлия, которые во многом близки по свойствам химическим соединениям алюминия. Кроме того, известны одно- и двухвалентные соединения.

Ga2H6 — летучая жидкость, tпл −21,4 °C, tкип 139 °C. В эфирной суспензии с гидратом лития или таллия образует соединения LiGaH4 и TlGaH4. Образуется в результате обработки тетраметилдигаллана триэтиламином. Имеются банановые связи, как и в диборане

Ga2O3 — белый или жёлтый порошок, tпл 1795 °C. Существует в виде двух модификаций. α-Ga2О3 — бесцветные тригональные кристаллы с плотностью 6,48 г/см³, малорастворимые в воде, растворимые в кислотах. β-Ga2О3 — бесцветные моноклинные кристаллы c плотностью 5,88 г/см³, малорастворимые в воде, кислотах и щёлочах. Получают нагреванием металлического галлия на воздухе при 260 °C или в атмосфере кислорода, или прокаливанием нитрата или сульфата галлия. ΔH°298(обр) −1089,10 кДж/моль; ΔG°298(обр) − 998,24 кДж/моль; S°298 84,98 Дж/моль*K. Проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства, по сравнению с алюминием, усилены:

Ga2O3 + 6HCl = 2GaCl2

Ga2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Ga(OH)4]

Ga2O3 + Na2CO3 = 2NaGaO2 + CO2

Ga(OH)3 — выпадает в виде желеобразного осадка при обработке растворов солей трёхвалентного галлия гидроксидами и карбонатами щелочных металлов (pH 9,7). Растворяется в концентрированном аммиаке и концентрированном растворе карбоната аммония, при кипячении осаждается. Нагреванием гидроксид галлия можно перевести в GaOOH, затем в Ga2O3*H2O, и, наконец, в Ga2O3. Можно получить гидролизом солей трёхвалентного галлия.

GaF3 — белый порошок. tпл >1000 °C, tкип 950 °C , плотность — 4,47 г/см³. Малорастворим в воде. Известен кристаллогидрат GaF3*3Н2O. Получают нагреванием оксида галлия в атмосфере фтора.

GaCl3 — бесцветные гигроскопичные кристаллы. tпл 78 °C, tкип 215 °C, плотность — 2,47 г/см³. Хорошо растворим в воде. В водных растворах гидролизуется. Получают непосредственно из элементов. Применяется в качестве Катализатора в органических синтезах.

GaBr3 — бесцветные гигроскопичные кристаллы. tпл 122 °C, tкип 279 °C плотность — 3,69 г/см³. Растворяется в воде. В водных растворах гидролизуется. В аммиаке малорастворим. Получают непосредственно из элементов.

GaI3 — гигроскопичные светло-жёлтые иглы. tпл 212 °C, tкип 346 °C, плотность — 4,15 г/см³. Гидролизуется тёплой водой. Получают непосредственно из элементов.

GaS3 — жёлтые кристаллы или белый аморфный порошок с tпл 1250 °C и плотностью 3,65 г/см³. Взаимодействует с водой, при этом полностью гидролизуется. Получают взаимодействием галлия с серой или сероводородом.

Ga2(SO4)3*18H2O — бесцветное, хорошо растворимое в воде вещество. Получается при взаимодействии галлия, его оксида и гидроксида с серной кислотой. С сульфатами щелочных металлов и аммония легко образует квасцы, например, KGa(SO4)2*12Н2О.

Ga(NO3)3*8H2O — бесцветные, растворимые в воде и этаноле кристаллы. При нагревании разлагается с образованием оксида галлия (III). Получается действием азотной кислоты на гидроксид галлия.

 Применение

Широкого промышленного применения галлий пока не имеет.

Потенциально возможные масштабы попутного получения галлий в производстве алюминия до сих пор значительно превосходят спрос на металл.

Наиболее перспективно применение галлия 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. Галлий можно использовать для изготовления оптических зеркал, отличающихся высокой отражательной способностью.

Сплав алюминия с галлием предложен вместо ртути в качестве катода ламп ультрафиолетового излучения, применяемых в медицине.

Жидкий галлий и его сплавы предложено использовать для изготовления высокотемпературных термометров (600-1300° С) и манометров. Представляет интерес применение галлия и его сплавов в качестве жидкого теплоносителя в энергетических ядерных реакторах (этому мешает активное взаимодействие галлия при рабочих температурах с конструкционными материалами; эвтектический сплав Ga-Zn-pewter оказывает меньшее коррозионное действие, чем чистый галлий).

Арсенид галлия GaAs — перспективный материал для полупроводниковой электроники.

Изотоп галлий-71 является важнейшим материалом для регистрации нейтрино, и в этой связи 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 американских долларов, и в связи с высокой стоимостью 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, но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре), и как теплоноситель он малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.

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

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

Галлиевые термометры позволяют в принципе измерить температуру от 30 до 2230° С. Сейчас выпускаются галлиевые термометры для температур до 1200° С.

 Элемент № 31 идет на производство легкоплавких сплавов, используемых в сигнальных устройствах. Сплав галлия с индием плавится уже при 16° С. Это самый легкоплавкий из всех известных сплавов.

 Как элемент третьей группы, способствующий усилению в полупроводнике «дырочной» проводимости, галлий (чистотой не меньше 99,999%) применяют как присадку к германию и кремнию.

 Интерметаллические соединения галлия с элементами пятой группы — сурьмой и мышьяком — сами обладают полупроводниковыми свойствами.

 Добавка галлия в стеклянную массу позволяет получить стекла с высоким коэффициентом преломления световых лучей, а стекла на основе Ga203 хорошо пропускают инфракрасные лучи.

 Жидкий галлий отражает 88% падающего на него света, твердый — немногим меньше. Поэтому делают очень простые в изготовлении галлиевые зеркала — галлиевое покрытие можно наносить даже кистью.

 Иногда используют способность галлия хорошо смачивать твердые поверхности, заменяя им ртуть в диффузионных вакуумных насосах. Такие насосы лучше «держат» вакуум, чем ртутные.

 Предпринимались попытки применить галлий в атомных реакторах, но вряд ли результаты этих попыток можно считать успешными. Мало того, что галлий довольно активно захватывает нейтроны (сечение захвата 2,71 барна), он еще реагирует при повышенных температурах с большинством металлов.

 Галлий не стал атомным материалом. Правда, его искусственный радиоактивный изотоп 72Ga (с периодом полураспада 14,2 часа) применяют для диагностики рака костей. Хлорид и нитрат галлия - 72 адсорбируются опухолью, и, фиксируя характерное для этого изотопа излучение, медики почти аккурат определяют размеры инородных образований.

 Как видите, практические возможности элемента № 31 достаточно широки. Использовать их полностью пока не удается из-за трудности получения галлия — элемента довольно редкого (1,5 * 10 -3% веса земной коры) и очень рассеянного. Собственных минералов галлия известно немного. Первый и самый известный его минерал, галлит CuGaSo, обнаружен лишь в 1956 году. Позже были найдены еще два минерала, совсем уже редких.

 Обычно же галлий находят в цинковых, алюминиевых, железных рудах, а также в каменном угле — как незначительную примесь. И что характерно: чем больше эта примесь, тем труднее ее извлечь, потому что галлия больше в рудах тех металлов (алюминий, цинк), которые близки ему по свойствам.

 Извлечение галлия — удовольствие дорогое. Поэтому элемент № 31 используется в меньших количествах, чем любой его сосед по периодической системе.

 Не исключено, конечно, что наука ближайшего будущего откроет в галлии нечто такое, что он станет совершенно необходимым и незаменимым, как это случилось с другим элементом, предсказанным Менделеевым, — германием. Всего тридцать лет назад его применяли еще меньше, чем галлий, а потом началась «эра полупроводников».

 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. Имелись сообщения о развитии дерматитов при контакте с галлием.

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

Долгое время считалось, что галлий токсичен. Лишь в последние десятилетия это неправильное мнение опровергнуто. Легкоплавкий галлий заинтересовал стоматологов. Еще в 1930 году было впервые предложено заменить галлием ртуть в композициях для пломбирования зубов. Дальнейшие исследования и у нас, и за рубежом подтвердили перспективность такой замены. Безртутные металлические пломбы (ртуть заменена галлием) уже применяются в стоматологии.

Источники

Иванова Р.В. Химия и технология галлия. М., «Металлургия», 1973

Химия и технология редких и рассеянных элементов, т.1. Под. ред. К.А.Большакова. М., 1976

Федоров П.И., Мохосоев М.В., Алексеев Ф.П. Химия галлия, индия и таллия. Новосибирск: «Наука», 1977

Популярная библиотека химических элементов. Под. ред. Петрянова-Соколова И.В. М., 1983

Белявский В.И. Физические основы полупроводниковой нанотехнологии. СОЖ, № 10, 1998

U.S. Geological Survey. Gallium. Minerals Yearbook – 2003

U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries. Gallium, January 2005

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 галлий В., Металлургия редких металлов, 2 изд., М., 1964;

Einecke Е., Das gallium, Lpz., [1937].

Рустамов П. Г., Халькогениды галлия, Баку, 1967;

Дымов А. М., Савостин А. П., Аналитическая химия галлия, М., 1968;

Коган Б. И., Вершковская О. В., Славиковская И. М., галлий. Геология, применение, экономика, М., 1973;

Яценко С. П., галлий. Взаимодействие с металлами, М., 1974;

Процессы экстракции и сорбции в химической технологии галлия, Алма-Ата, 1985;

Химия и технология редких и рассеянных элементов, под ред. К. А. Большакова, 2 изд., т. 1, М., 1976, с. 223-44;

Федоров П. И., Мохосоев М. В.. Алексеев Ф. П., химия галлия, индия и таллия, Новосиб., 1977.

Опубликовано на forexAW.com: Суббота, 9 Январь, 2010 года — 17:25.

Последнее редактирование: Воскресенье, 3 Апрель, 2011 года — 16:11.