ГАЛИЙ: СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧАВАНЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

В галий е метален елемент, който е представен със символа Ga, принадлежащ към групата 13 от периодичната таблица. Химически наподобява алуминия по своя амфотеризъм; обаче и двата метала проявяват свойства, които ги правят различими един от друг.

Например, алуминиевите сплави могат да бъдат обработени, за да им придадат всякакви форми; докато тези на галий имат много ниски точки на топене, състоящи се практически от сребристи течности. Също така точката на топене на галий е по-ниска от тази на алуминия; първата може да се стопи от топлината на ръката, докато втората не може.

Галиеви кристали, получени чрез депозиране на малък фрагмент от галий в пренаситен разтвор от него (течен галий). Източник: Максим Биловицкий

Химическото сходство между галий и алуминий също ги групира геохимично; тоест минералите или скалите, богати на алуминий, като боксити, имат значителни концентрации на галий. Освен този минералогичен източник, има и други цинк, олово и въглерод, широко разпространени в цялата земна кора.

Галиумът не е популярно известен метал. Самото му име може да предизвика образа на петел в ума. Всъщност графичните и общи изображения на галий обикновено се намират с образа на сребърен петел; боядисан с течен галий, силно омокрящо вещество върху стъкло, керамика и дори ръката.

Експерименти, в които парчета метален галий се стопяват с ръцете, са чести, както и манипулирането на неговата течност и склонността й да оцветява всичко, до което се докосне.

Въпреки че галият не е токсичен, както и живакът, той е унищожаващ агент на металите, тъй като ги прави чупливи и безполезни (на първо място). От друга страна, фармакологично той се намесва в процесите, при които биологичните матрици използват желязо.

За онези в света на оптоелектрониката и полупроводниците, галият ще бъде с високо уважение, съпоставим с и, може би, превъзхождащ самия силиций. От друга страна с галий са направени термометри, огледала и предмети на базата на неговите сплави.

Химически този метал все още може да предложи много; може би в областта на катализата, ядрената енергия, при разработването на нови полупроводникови материали или „просто“ в изясняването на тяхната объркваща и сложна структура.

история

Прогнози за неговото съществуване

През 1871 г. руският химик Дмитрий Менделеев вече е предсказал съществуването на елемент, чиито свойства са подобни на тези на алуминия; която той нарече ekaluminio. Този елемент трябваше да бъде разположен точно под алуминия. Менделеев също предсказа свойствата (плътност, точка на топене, формули на неговите оксиди и др.) На екалуминий.

Откриване и изолация

Изненадващо, четири години по-късно френският химик Пол-Емили Лекок дьо Босбаудран е намерил нов елемент в проба от сфалерит (цинкова смес) от Пиренеите. Той успя да го открие благодарение на спектроскопичен анализ, при който наблюдава спектъра на две виолетови линии, които не съвпадат с този на друг елемент.

Откривайки нов елемент, Lecoq провежда експерименти върху 430 kg сфалерит, от които успя да отдели 0,65 грама от него; и след поредица от измервания на неговите физични и химични свойства, той заключи, че това е екалуминийът на Менделеев.

За да го изолира, Lecoq извърши електролизата на съответния си хидроксид в калиев хидроксид; вероятно същото, с което е разтворил сфалерита. След като потвърди, че е екалуминий, а също така е и негов откривател, той му дава името „галий“ (galium на английски). Това име произлиза от името „Gallia“, което на латински означава Франция.

Името обаче представя друго любопитство: „Lecoq“ на френски означава „петел“, а на латински „gallus“. Като метал, „gallus“ стана „галий“; въпреки че на испански преобразуването е много по-директно. По този начин, не е случайно, че петел се мисли, когато говорим за галий.

Физични и химични свойства

Външен вид и физически характеристики

Галиумът е сребрист метал с мирис на стъкло, с стипчив вкус. Твърдото му вещество е меко и чупливо, а когато се счупи, става толкова конхоидално; т. е. образуваните парчета са извити, подобно на морските миди.

Когато се стопи, в зависимост от ъгъла, под който се гледа, може да покаже синкав блясък. Тази сребриста течност не е токсична при контакт; Въпреки това, той се "прилепва" твърде много към повърхностите, особено ако са керамични или стъклени. Например, една капка галий може да проникне във вътрешността на стъклена чаша, за да я покрие със сребърно огледало.

Ако твърд фрагмент от галий се отлага в течен галий, той служи като ядро, където бързо се развиват и растат блестящи галиеви кристали.

Атомно число (Z)

31 (₃₁ Ga)

Моларна маса

69.723 g / mol

Точка на топене

29.7646 ° С. Тази температура може да се достигне, като държите плътно галиево стъкло между две ръце, докато се разтопи.

Точка на кипене

2400 ° C. Обърнете внимание на голямата разлика между 29,7 ° C и 2400 ° C; тоест течният галий има много ниско налягане на парата и този факт го прави един от елементите с най-голяма разлика в температурата между течното и газообразното състояние.

плътност

-При стайна температура: 5.91 гр / см ³

-При точка на топене: 6.095 гр / см ³

Обърнете внимание, че същото става и с галий, както и с водата: плътността на течността му е по-голяма от тази на твърдото му вещество. Следователно, вашите кристали ще плават върху течен галий (галий айсберги). Всъщност обемното разширение на твърдото вещество е такова (три пъти), че е неудобно да се съхранява течен галий в контейнери, които не са изработени от пластмаса.

Топлина от синтез

5,59 kJ / mol

Топлина от изпаряване

256 kJ / mol

Моларен топлинен капацитет

25,86 J / (мол K)

Парно налягане

При 1037 ºC само течността му упражнява налягане от 1 Pa.

Електроотрицателност

1,81 по скалата на Полинг

Йонизационни енергии

-Първо: 578,8 kJ / mol (Ga ⁺ газ)

-Второ: 1979.3 kJ / mol (Ga ²⁺ газообразен)

-Трето: 2963 kJ / mol (Ga ³⁺ газообразни)

Топлопроводимост

40.6 W / (m K)

Електрическо съпротивление

270 nΩ m при 20 ºC

Mohs твърдост

1.5

вискозитет

1,819 cP при 32 ° C

Повърхностно напрежение

709 дина / см при 30 ºC

Amphotericism

Подобно на алуминия, галият е амфотерен; реагира както с киселини, така и с основи. Например, силните киселини могат да го разтворят, за да образуват галиеви (III) соли; ако те са H ₂ SO ₄ и HNO ₃, Ga ₂ (SO ₄) ₃ и Ga (NO ₃) _{3 се получават} съответно. Докато при взаимодействие със силни основи се получават галатни соли с йон Ga (OH) ₄ ^-.

Обърнете внимание на сходството между Ga (OH) ₄ ^- и Al (OH) ₄ ^- (алуминат). Ако към средата се добави амоняк, се образува галиев (III) хидроксид, Ga (OH) ₃, който също е амфотерен; когато реагира със силни основи, той произвежда Ga (OH) ₄ ^{- отново}, но ако реагира със силни киселини, той освобождава сложния воден ³⁺.

реактивност

Металният галий е относително инертен при стайна температура. Не реагира с въздуха, тъй като тънък слой оксид, Ga ₂ O ₃, го предпазва от кислород и сяра. При нагряване обаче окисляването на метала продължава, като напълно се трансформира в негов оксид. И ако има сяра, при високи температури тя реагира, образувайки Ga ₂ S ₃.

Съществуват не само галиеви оксиди и сулфиди, но и фосфиди (GaP), арсениди (GaAs), нитриди (GaN) и антимониди (GaSb). Такива съединения могат да възникнат чрез директна реакция на елементите при повишени температури или чрез алтернативни синтетични пътища.

По същия начин, галият може да реагира с халогени, за да образува съответните си халиди; като Ga ₂ Cl ₆, GAF ₃ и Ga ₂ I ₃.

Този метал, подобно на алуминия и неговите конгенери (членове на същата група 13), може да взаимодейства ковалентно с въглеродни атоми, за да произведе органометални съединения. В случая с тези с Ga-C връзки те се наричат ​​органогалиуми.

Най-интересното при галията не е някоя от предишните му химически характеристики, а огромната му лекота, с която той може да бъде легиран (подобно на този на живака и неговия процес на обединяване). Неговите атоми Ga бързо "разтриват раменете" между метални кристали, което води до галиеви сплави.

Структура и електронна конфигурация

Сложност

Галиумът е не само необичаен с това, че е метал, който се топи с топлината на дланта на ръката ви, но структурата му е сложна и несигурна.

От една страна е известно, че неговите кристали приемат орторомбична структура (Ga-I) при нормални условия; Това обаче е само една от многото възможни фази за този метал, от които не е посочен точният ред на неговите атоми. Следователно тя е по-сложна структура, отколкото може да изглежда на пръв поглед.

Изглежда, че резултатите варират в зависимост от ъгъла или посоката, в която се анализира неговата структура (анизотропия). По същия начин тези структури са много податливи на най-малката промяна в температурата или налягането, което означава, че галият не може да бъде определен като един вид кристал по време на интерпретацията на данните.

димери

Ga атомите взаимодействат помежду си благодарение на металната връзка. Въпреки това, известна степен на Covalence е установено между два съседни атоми, така че наличието на Ga _два димера (Ga-Ga) се приема.

На теория тази ковалентна връзка трябва да се образува от припокриването на 4p орбиталата, като единственият й електрон е според електронната конфигурация:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ¹

На тази смес от ковалентно-метални взаимодействия се приписва ниската точка на топене на галий; тъй като, въпреки че от една страна може да има "морски електрони", който държи ОС атоми плътно заедно в кристала, от друга структурните звена се състоят от Ga ₂ димери, чиито междумолекулни взаимодействия са слаби.

Фази под високо налягане

Когато налягането се повиши от 4 до 6 GPa, кристалите на галий претърпяват фазови преходи; от орторомбика тя преминава към кубика, центриран върху тялото (Ga-II), и от това най-накрая преминава към тетрагоналната, центрирана върху тялото (Ga-III). В диапазона на налягане е възможно да се образува смес от кристали, което прави интерпретацията на структурите още по-трудна.

Окислителни числа

Най-енергийните електрони са тези, намиращи се в орбиталите 4s и 4p; тъй като има три от тях, следователно се очаква, че галият може да ги загуби, когато се комбинира с елементи, по-електроотрицателни от него.

Когато това се случи, се предполага съществуването на катиона Ga ³⁺, а неговият брой или състояние на окисляване се казва +3 или Ga (III). Всъщност това е най-често срещаният от всичките му окислителни числа. Следните съединения, например, притежават галий като +3: Ga ₂ O ₃ (Ga ₂ ³⁺ O ₃ ^2-), Ga ₂ Br ₆ (Ga ₂ ³⁺ Br ₆ ^-), Li ₃ GaN ₂ (Li ₃ ⁺ Ga ³⁺ N ₂ ^3-) и Ga ₂ Te ₃ (Ga ₂³⁺ Te ₃ ^2-).

Галият може да се намери и с окислителни числа +1 и +2; въпреки че те са много по-рядко срещани от +3 (подобно на алуминия). Примери за такива съединения са GaCl (Ga ⁺ Cl ^-), Ga ₂ O (Ga ₂ ⁺ O ²) и газ (Ga ²⁺ S ^2-).

Обърнете внимание, че винаги се предполага (правилно или не) съществуването на йони с величини на заряд, идентични на разглежданото окислително число.

Къде да намеря и получавам

Проба от минерала галита, който е рядък, но единствен със значителна концентрация на галий. Източник: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Галият се намира в земната кора с изобилие, пропорционално на това на металите кобалт, олово и ниобий. Изглежда като хидратиран сулфид или оксид, широко разпространен като примеси, съдържащи се в други минерали.

Неговите оксиди и сулфиди са слабо разтворими във вода, така че концентрацията на галий в моретата и реките е ниска. Освен това, единственият минерал, „богат“ на галий, е галита (CuGaS ₂, горно изображение). Въпреки това е непрактично да се експлоатира кокошката, за да се получи този метал. По-малко известен е минералът галий плумбогумит.

Следователно няма идеални руди за този метал (с концентрация по-голяма от 0,1% по маса).

Вместо това галият се получава като страничен продукт от металургичната обработка на руди от други метали. Например, той може да бъде извлечен от боксити, цинкови смесители, стипци, въглища, галени, пирити, германити и др.; тоест обикновено се свързва с алуминий, цинк, въглерод, олово, желязо и германий в различни минерални тела.

Йоннообменна хроматография и електролиза

Когато минералната суровина се усвои или разтвори в силно кисела или основна среда, се получава смес от метални йони, разтворени във вода. Тъй като галият е вторичен продукт, неговите йони Ga ³⁺ остават разтворени в сместа, след като металите, които представляват интерес, се утаяват.

По този начин е желателно тези Ga ³⁺ да се отделят от другите йони, като единствената цел е да се увеличи концентрацията им и чистотата на получения метал.

За това, в допълнение към конвенционалните техники за утаяване, се използва йонообменна хроматография чрез използване на смола. Благодарение на тази техника е възможно да се отдели (например) Ga ³⁺ от Ca ²⁺ или Fe ³⁺.

След като се получи силно концентриран разтвор на Ga ³⁺ йони, той се подлага на електролиза; тоест, Ga ³⁺ получава електрони, за да може да се образува като метал.

Изотопи

Галият се среща в природата главно като два изотопа: ⁶⁹ Ga, с изобилие от 60,11%; и ⁷¹ Ga, с изобилие от 39,89%. Именно поради тази причина атомното тегло на галия е 69,723 u. Другите изотопи на галий са синтетични и радиоактивни, с атомни маси в диапазона от ⁵⁶ Ga до ⁸⁶ Ga.

Рискове

Екологични и физически

От гледна точка на околната среда металичният галий не е много реактивен и разтворим във вода, така че разливането му на теория не представлява сериозен риск от замърсяване. Освен това не е известно каква биологична роля може да има в организмите, тъй като повечето му атоми се екскретират с урината, без признаци за натрупване в която и да е от тъканите му.

За разлика от живака, галият може да се борави с голи ръце. Всъщност експериментът да се опитате да го стопите с топлината на ръцете е доста често срещан. Човек може да докосне получената сребърна течност, без да се страхува да повреди или нарани кожата си; въпреки че на него оставя сребърно петно.

Поглъщането му обаче може да бъде токсично, тъй като на теория би се разтворило в стомаха, за да генерира GaCl ₃; галаева сол, чието въздействие върху организма е независимо от метала.

Повреда на металите

Галиумът се характеризира с силно оцветяване или прилепване към повърхности; и ако те са метални, той преминава през тях и образува сплави моментално. Тази характеристика, че може да бъде легирана с почти всички метали, прави неподходящо разпръскването на течен галий върху всеки метален предмет.

Следователно, металните предмети рискуват да се счупят на парчета при наличие на галий. Действието му може да бъде толкова бавно и незабелязано, че носи нежелани изненади; особено ако се е разлял върху метален стол, който може да се срути, когато някой седне на него.

Ето защо тези, които желаят да се справят с галий, никога не трябва да го контактуват с други метали. Например, неговата течност е способна да разтвори алуминиево фолио, както и да се промъкне в кристали от индий, желязо и калай, за да ги направи крехки.

Като цяло, въпреки гореспоменатото и факта, че неговите пари почти липсват при стайна температура, галият обикновено се счита за безопасен елемент с нулева токсичност.

Приложения

Термометри

Галинстански термометри. Източник: Gelegenheitsautor

Галиумът е заместил живак като течност за отчитане на температурите, отбелязани от термометъра. Температурата на топене от 29,7 ° C обаче все още е висока за това приложение, поради което в металното си състояние не би било възможно да се използва в термометри; вместо това се използва сплав, наречена Galinstan (Ga-In-Sn).

Сплавът на Galinstan има точка на топене около -18 ºC, а добавената нулева токсичност го прави идеално вещество за проектиране на медицински термометри, независими от живак. По този начин, ако се наруши, би било безопасно да се почисти кашата; въпреки че би изцапал пода поради способността му да мокри повърхности.

Производство на огледала

Отново се споменава омокряемостта на галия и неговите сплави. Когато докосне порцеланова повърхност или стъкло, тя се разпространява по цялата повърхност, докато не бъде напълно покрита в сребристо огледало.

В допълнение към огледалата, сплавите от галий са използвани за създаване на предмети с всякаква форма, тъй като след като изстинат, се втвърдяват. Това би могло да има голям нанотехнологичен потенциал: изграждане на обекти с много малки размери, които логично работят при ниски температури и показват уникални свойства на базата на галий.

Компютри

Термичните пасти, използвани в компютърните процесори, са направени от галиеви сплави.

Лекарства

Йони Ga ³⁺ имат някаква прилика с Fe ³⁺ по начина, по който се намесват в метаболитните процеси. Следователно, ако има функция, паразит или бактерии, които се нуждаят от желязо за изпълнение, те могат да бъдат спрени, като го объркат за галий; такъв е случаят с бактериите pseudomonas.

Така че тук се появяват лекарства с галий, които могат просто да се състоят от неговите неорганични соли или органогалиуми. Ganita, търговското наименование на галиев нитрат, Ga (NO ₃) ₃, се използва за регулиране на високите концентрации на калций (хиперкалциемия), свързани с рак на костите.

технологически

Галиевият арсенид и нитрид се характеризират с това, че са полупроводници, които са заместили силиций в определени оптоелектронни приложения. С тях са произведени транзистори, лазерни диоди и светодиоди (сини и виолетови), чипове, слънчеви клетки и др. Например, благодарение на GaN лазерите, Blu-Ray дисковете могат да се четат.

Катализатори

Галиевите оксиди са били използвани за изследване на тяхната катализа в различни органични реакции от голям индустриален интерес. Един от по-новите галиеви катализатори се състои от собствена течност, над която се разпръскват атоми на други метали, които действат като активни центрове или места.

Например катализаторът галий-паладий е проучен при реакцията на дехидрогениране на бутан; тоест превръщането на бутан в по-реактивни ненаситени видове, необходими за други промишлени процеси. Този катализатор се състои от течен галий, действащ като опора за паладиевите атоми.

Препратки

1. Села Андреа. (23 септември 2009 г.). Галий. Светът на химията. Възстановено от: chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Галий. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Li, R., Wang, L., Li, L., Yu, T., Zhao, H., Chapman, KW Liu, H. (2017). Локална структура на течен галий под налягане. Научни доклади, 7 (1), 5666. doi: 10.1038 / s41598-017-05985-8
4. Брахама Д. Шарма и Джери Донохуе. (1962). Усъвършенстване на кристалната структура на галия. Zeitschrift fiir Kristallographie, Bd. 117, S. 293-300.
5. Wang, W., Qin, Y., Liu, X. et al. (2011 г.). Причините за разпространението, появата и обогатяването на галий във въглища от въглището Джунгар, Вътрешна Монголия. Sci. China Earth Sci. 54: 1053. doi.org/10.1007/s11430-010-4147-0
6. Маркес Мигел. (SF). Галий. Възстановено от: nautilus.fis.uc.pt
7. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (5 април 2018 г.). Галий. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
8. Блум Джош. (3 април 2017 г.). Галий: Стопи се в устата ти, а не в ръцете ти! Американският съвет за наука и здравеопазване. Възстановено от: acsh.org
9. Д-р Дъг Стюарт. (2019). Факти за елементи на галий. Chemicool. Възстановено от: chemicool.com
10. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Галий. PubChem база данни. CID = 5360835. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov