Галият е метал, който се топи в ръцете ви. За всеки и всичко Приложение на галий
Той формулира своя периодичен закон и състави периодичната таблица; много метали все още не бяха известни на науката.
Това обаче не попречи на химика да изгради своята периодична система, оставяйки празни клетки за елементи, които все още не са открити. Тези „бели петна“ скоро бяха запълнени. Един от тези елементи, предсказан от Менделеев, ще бъде обсъден днес.
Запознайте се с галий, номер 31 в таблицата. Третата група е нискотопим метал, подобен по свойства на алуминия и силиция. Менделеев не само описва достатъчно подробно свойствата на този метал, но и посочва атомното му тегло с почти сто процента точност.
Откриване и произход на името
Галият е открит и изолиран като просто вещество от френския химик Paul Emile Lecoq de Boisbaudran. Това се случва през 1875 г., когато ученият изследва проби от цинкова смес, донесена от Пиренеите. Изследването е проведено с помощта на спектроскопия и ученият забелязва лилава линия в спектъра на рудата, което показва наличието на неизвестен елемент в минерала.
Изолирането на елемента в неговата чиста форма изисква много работа, тъй като съдържанието му в рудата е по-малко от 0,1%. В крайна сметка Lecoq de Boisbaudran успява да получи по-малко от 0,1 грама чисто вещество и да го изследва. Откритият от французина елемент се оказва много близък по свойства до цинка.
На следващото заседание на Парижката академия на науките, проведено на 20 септември 1875 г., беше прочетено писмо от Lecoq de Boisbaudran, което съобщава за откриването на нов елемент и изследването на неговите свойства. Химикът съобщи още, че е кръстил новооткрития елемент в чест на Франция, според латинското му име - Gallia.
Когато Менделеев прочете публикувания доклад за това откритие, той отбеляза, че описанието на свойствата на новия елемент почти напълно съвпада с описанието на ека-алуминия, което той предсказа по-рано. Менделеев не се забави да информира Лекок дьо Боабодран за това, като посочи, че плътността на новия метал е определена неправилно и трябва да бъде 5,9-6,0, а не 4,7 g/cm3. Цялостната проверка показа, че Менделеев е прав.
Добив на галий
В природата галият не образува големи отлагания. Някои минерали съдържат галий в сравнително големи количества (за този метал): гранат, сфалерит, турмалин, берил, фелдшпати, нефелин.
Най-богатият източник на галий е минералът германит, руда, съставена от меден сулфид, който може да съдържа 0,5-0,7% галий. В допълнение, галият се получава от обработката на боксит и нефелин. Този метал може да се получи и чрез обработка на полиметални руди и въглища.
Замърсеният галий се промива с вода, след това се филтрира през порести плочи и се нагрява във вакуум, за да се отстранят летливите примеси. За получаване на галий с висока чистота се използват химични (реакции между соли), електрохимични (електролиза на разтвори) и физични (разлагане) методи.
Находищата, където се добива галий, се намират главно в Югозападна Африка, както и в Русия и някои от страните от ОНД.
Свойства на галия
Галият е мек, пластичен метал със сребрист цвят. При ниски температури е в твърдо състояние, но се топи при температура малко над стайната (29,8°C).
Като цяло широкият температурен диапазон на съществуване на течното състояние на този метал (от 30 до 2230 ° C) е една от характеристиките на галия. Химическите свойства на галия са близки до тези на алуминия. Поради ниската си топимост, галият се транспортира в найлонови торби.
Преди появата на полупроводниците, галият се използва за създаване на сплави с ниска топимост. Днес галият се използва главно в микроелектрониката като част от полупроводниците. Галиевият нитрид се използва при създаването на полупроводникови лазери и светодиоди в син и ултравиолетов диапазон.
Галият е отличен лубрикант. На базата на галий и никел, галий и скандий са създадени много важни в практическо отношение метални лепила. Металният галий се използва и за пълнене на кварцови термометри за измерване на високи температури, замествайки живака с този метал. Това се дължи на факта, че галият има значително по-висока точка на кипене в сравнение с живака.
Галият е един от най-скъпите метали. Така през 2005 г. един тон галий струваше 1,2 милиона щатски долара на световния пазар. Поради високата му цена и голямата нужда от този метал е много важно да се установи пълното му извличане при производството на алуминий и преработката на въглища в течно гориво.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Галий- тридесет и първи елемент от периодичната таблица. Обозначение - Ga от латинското "галий". Намира се в четвърти период, IIIА група. Отнася се за метали. Ядреният заряд е 31.
Галият е рядък елемент и не се среща в природата в значителни концентрации. Получава се главно от цинкови концентрати след топене на цинк от тях.
В свободно състояние галият е сребристо-бял (фиг. 1) мек метал с ниска точка на топене. Той е доста стабилен във въздуха, не разлага водата, но лесно се разтваря в киселини и основи.
Ориз. 1. Галий. Външен вид.
Атомна и молекулна маса на галий
Относителната молекулна маса на дадено вещество (M r) е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 масата на въглероден атом, а относителната атомна маса на елемент (A r) е колко пъти средната маса на атомите на даден химичен елемент е по-голяма от 1/12 маса на въглероден атом.
Тъй като галият съществува в свободно състояние под формата на моноатомни Ga молекули, стойностите на неговите атомни и молекулни маси съвпадат. Те са равни на 69,723.
Изотопи на галий
Известно е, че в природата галият се среща под формата на два стабилни изотопа 69 Ga (60,11%) и 71 Ga (39,89%). Техните масови числа са съответно 69 и 71. Ядрото на атома на изотоп галий 69 Ga съдържа тридесет и един протона и тридесет и осем неутрона, а изотопът 71 Ga съдържа същия брой протони и четиридесет неутрона.
Има изкуствени нестабилни радиоактивни изотопи на галия с масови числа от 56 до 86, както и три изомерни състояния на ядрата, сред които най-дългоживеещият изотоп 67 Ga с период на полуразпад 3,26 дни.
Галиеви йони
На външното енергийно ниво на атома на галия има три електрона, които са валентни:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 1 .
В резултат на химично взаимодействие галият отдава своите валентни електрони, т.е. е техен донор и се превръща в положително зареден йон:
Ga 0 -2e → Ga 2+ ;
Ga 0 -3e → Ga 3+ .
Молекула и атом на галий
В свободно състояние галият съществува под формата на моноатомни Ga молекули. Ето някои свойства, характеризиращи атома и молекулата на галия:
Галиеви сплави
Чрез добавяне на галий към алуминия се получават сплави, които могат лесно да се обработват на горещо; Галиево-златните сплави се използват в зъбните протези и бижутерията.
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
Упражнение | Природният галий има два изотопа. Съдържанието на изотопа 71 Ga е 36%. Намерете друг изотоп, ако средната относителна атомна маса на елемента галий е 69,72. Определете броя на неутроните в открития изотоп. |
Решение | Нека масовото число на втория изотоп на галий е равно на "x" - x Ga. Нека определим съдържанието на втория изотоп на галий в природата: w(x Ga) = 100% - w(71 Ga) = 100% - 36% = 64%. Средната относителна атомна маса на химичен елемент се изчислява като: Ar = / 100%; 69,72 = / 100%; 6972 = 2556 + 64x; Следователно вторият изотоп на галия е 69 Ga. Атомният номер на галия е 31, което означава, че ядрото на атома на галия съдържа 31 протона и 31 електрона, а броят на неутроните е равен на: n 1 0 (69 Ga) = Ar(69 Ga) - N (номер на елемент) = 69 - 31 = 38. |
Отговор | Изотопът 69 Ga, съдържащ 38 неутрона и 31 протона. |
ПРИМЕР 2
Упражнение | По своите химични свойства галият е подобен на друг елемент - алуминия. Въз основа на това сходство запишете формулите на оксидите и хидроксидите, които съдържат галий, и създайте уравнения на реакцията, които характеризират химичните свойства на този елемент. |
Отговор | Галият, подобно на алуминия, се намира в група III на основната подгрупа на периодичната таблица D.I. Менделеев. В съединенията си, подобно на алуминия, той проявява степен на окисление (+3). Галият се характеризира с един оксид (Ga 2 O 3) и един хидроксид (Ga (OH) 3), които проявяват амфотерни свойства. Ga 2 O 3 + 3SiO 2 = Ga 2 (SiO 3) 3; |
Химия
Галий № 31
Подгрупа на галий. Съдържанието на всеки представител на тази подгрупа в земната кора по реда галий (4-10~4%) - индий (2-10~6) - талий (8-10-7) намалява. И трите "елемента са изключително разпръснати и не е типично да се намират под формата на определени минерали. Напротив, незначителните примеси на техните съединения съдържат руди на много метали. Ga, In и Ti се получават от отпадъци по време на обработката на такива руди.
В свободно състояние галият, индият и талият са сребристо-бели метали. Най-важните им константи са сравнени по-долу:
Ga In Tl
Физични свойства на галия
Плътност, g/cjH3 5,9 7,3 11,9
Точка на топене, °C. . . 30 157 304
Точка на кипене, °C... . 2200 2020 1475
Електрическа проводимост (Hg = 1). . 2 11 6
По твърдост галийблизо до олово, In и Ti - още по-меки 6-13.
В сух въздух галият и индият не се променят, а талият е покрит със сив оксиден филм. При нагряване и трите елемента енергично се свързват с кислорода и сярата. Те взаимодействат с хлор и бром при обикновени температури, но с йод само при нагряване. Разположени в серията напрежения около желязото, Ga, In и Ti са разтворими в киселини.14’ 15
Обичайната валентност на галия и индия е три. Талият дава производни, в които е три- и едновалентен. 18
Оксидите на галий и неговите аналози - бял Ga 2 O 3, жълт In203 и кафяв T1203 - са неразтворими във вода - съответните хидроксиди E (OH) 3 (които могат да бъдат получени от соли) са желатинови утайки, практически неразтворими във вода, но разтворими в киселини. Бял Ga и In хидроксиди също са разтворими в разтвори на силни основи с образуването на галати и индати, подобни на алуминатите. Следователно те са амфотерни по природа и киселинните свойства са по-слабо изразени в 1n(OH)3 и по-силно изразени в Ga(OH)3, отколкото в Al(OH)3. По този начин, в допълнение към силните основи, Ga (OH) 3 е разтворим в силни разтвори на NH 4 OH. Напротив, червено-кафявият Ti(OH) 3 не се разтваря в основи.
Йоните Ga" и In" са безцветни, йонът Ti" има жълтеникав цвят. Солите на повечето киселини, произведени от тях, са силно разтворими във вода, но са силно хидролизирани; Много от разтворимите соли на слабите киселини претърпяват почти пълна хидролиза. Докато за тях не са типични производни с по-ниски валентности Ga и In, за талия най-характерни са тези съединения, в които той е едновалентен. Следователно солите Т13+ имат забележимо изразени окислителни свойства.
Талиевият оксид (T120) се образува в резултат на взаимодействието на елементи при високи температури. Това е черен хигроскопичен прах. С вода талиевият оксид образува жълт азотен хидрат (T10H), който при нагряване лесно отделя водата и се връща обратно към T120.
Талиевият оксид хидрат е силно разтворим във вода и е силна основа. Солите, които образува, са предимно безцветни и
кристализира без вода. Хлоридът, бромидът и йодидът са почти неразтворими, но някои други соли са разтворими във вода. Произволният TiOH и слабите киселини поради хидролиза дават алкална реакция в разтвора. Под въздействието на силни окислители (например хлорна вода) едновалентният талий се окислява до тривалентен талий.57-66
По отношение на химичните свойства на елементите и техните съединения подгрупата на галий е в много отношения подобна на подгрупата на германий.Така за Ge и Ga по-високата валентност е по-стабилна, за Pb и T1 по-ниската, химическият характер на хидроксидите е в серията Ge-Sn-Pb и Ga-In-Ti се променя по същия начин.Понякога се появяват по-фини прилики, например ниската разтворимост на халидните (Cl, Br, I) соли както на Pb, така и на Ti. Съществуват обаче и значителни разлики между елементите от двете подгрупи (отчасти поради различната им валентност): киселинният характер на Ga хидроксидите и неговите аналози е много по-слабо изразен от този на съответните елементи от германиевата подгрупа; за разлика от PbF 2, талиевият флуорид е силно разтворим и т.н.
Добавки с галий
- И трите члена на разглежданата подгрупа са открити с помощта на спектроскоп: 1 талий - през 1861 г., индий - през 1863 г. и галий - през 1875 г. Последният от тези елементи е предсказан и описан от Д. И. Менделеев 4 години преди откриването му (VI § 1). Естественият галий е съставен от изотопи с масови числа 69 (60,2%) и 71 (39,8); индий-113 (4.3) и 115 (95.7); талий - 203 (29,5) и 205 (70,5%).
- В основното състояние атомите на елементите от подгрупата на галий имат структурата на външни електронни обвивки 4s2 34p (Ga), 5s25p (In), 6s26p (Tl) и са едновалентни, i Възбуждането на тривалентни състояния изисква разходи от 108 (Ga) , 100 (In) или 129, (Ti ) kcal/g-атом. Последователните енергии на йонизация са 6.00; 20,51; 30.70 за Ga; 5,785; 18,86; 28.03 за In: 6.106; 20,42; 29,8 eV за Т1. Електронният афинитет на талиевия атом се оценява на 12 kcal/g-атом.
- Редкият минерал галит (CuGaS 2) е известен като галий. Следи от този елемент постоянно се намират в цинковите руди. В пепелта на някои въглища са открити значително големи количества от него: Е (до 1,5%). Основната суровина за промишленото производство на галий обаче е бокситът, който обикновено съдържа незначителни примеси (до 0,1%). Извлича се чрез електролиза от алкални течности, които са междинен продукт от преработката на естествения боксит в технически алуминиев оксид. Годишното глобално производство на галий в момента е само няколко тона, но може да бъде значително увеличено.
- Индият се получава главно като страничен продукт при комплексната обработка на серни руди Zn, Pb и Cu. Годишното му световно производство възлиза на няколко десетки тона.
- Талият е концентриран главно в пирит (FeS2). Следователно утайките от производството на сярна киселина са добра суровина за получаване на този елемент. Годишното световно производство на талий е по-малко от това на индий, но също възлиза на десетки тонове.
- За изолиране на Ga, In и T1 в свободно състояние се използва или електролиза на разтвори на техните соли, или нагряване на оксидите в поток от водород. Топлините на топене и изпарение на металите имат следните стойности: 1,3 и 61 (Ga), 0,8 и 54 (In), 1,0 и 39 kcal/g-atom (T1). Топлините им на сублимация (при 25 °C) са 65 (Ga), 57 (In) и 43 kcal/g-atom (T1). По двойки и трите елемента се състоят почти изключително от едноатомни молекули.
- Кристалната решетка на галия се формира не от отделни атоми (както е обичайно за металите), а от двуатомни молекули (rf = 2,48A). По този начин той представлява интересен случай на съвместно съществуване на молекулни и метални структури (III § 8). Молекулите Ga2 се запазват и в течния галий, чиято плътност (6,1 g/cm) е по-голяма от плътността на твърдия метал (аналогия с вода и бисмут). Увеличаването на налягането е придружено от намаляване на температурата на топене на галия. При високи налягания, освен обичайната модификация (Gal), е установено съществуването на още две форми. Тройните точки (с течна фаза) се намират за Gal - Gall при 12 хиляди atm и 3 °C, а за Gall - Gall при 30 хиляди atm и 45 °C.
- Галият е много податлив на хипотермия и е възможно да се поддържа в течно състояние до -40 ° C. Повтарящата се бърза кристализация на преохладена стопилка може да служи като метод за пречистване на галий. В много чисто състояние (99,999%) се получава чрез електролитно рафиниране, както и чрез редукция на внимателно пречистен GaCl3 с водород. Високата му точка на кипене и сравнително равномерното разширение при нагряване правят галия ценен материал за пълнене на високотемпературни термометри. Въпреки външното си сходство с живака, взаимната разтворимост на двата метала е относително ниска (в диапазона от 10 до 95 ° C тя варира от 2,4 до 6,1 атомни процента за Ga в Hg и от 1,3 до 3,8 атомни процента за Hg в Ga) . За разлика от живака, течният галий не разтваря алкални метали и овлажнява добре много неметални повърхности. По-специално това се отнася за стъклото, чрез прилагане на галий, към който могат да се получат огледала, които силно отразяват светлината (има обаче доказателства, че много чистият галий, който не съдържа примеси на индий, не мокри стъкло). Отлагането на галий върху пластмасова основа понякога се използва за бързо производство на радио вериги. Сплав от 88% Ga и 12% Sn се топи при 15 °C и някои други съдържащи галий сплави (например 61,5% Bi, 37,2 - Sn и 1,3 - Ga) са предложени за зъбни пломби. Те не променят обема си с температура и се държат добре. Галият може да се използва и като уплътнител за клапани във вакуумната технология. Трябва обаче да се има предвид, че при високи температури той е агресивен както към стъклото, така и към много метали.
- Във връзка с възможността за разширяване на производството на галий, проблемът с асимилацията (т.е. практическото усвояване) на този елемент и неговите съединения става спешен, което изисква изследвания за намиране на области за тяхното рационално използване. Има обзорна статия и монографии за галия.
- Свиваемостта на индия е малко по-висока от тази на алуминия (при 10 хиляди atm обемът е 0,84 от оригинала). С увеличаване на налягането електрическото му съпротивление намалява (до 0,5 от първоначалното при 70 хиляди atm) и температурата на топене се повишава (до 400 ° C при 65 хиляди atm). Индиевите метални пръчици хрускат при огъване, като тези от калай. Оставя тъмна следа върху хартията. Важна употреба на индия е свързана с производството на германиеви токоизправители за променлив ток (X § 6 add. 15). Поради ниската си топимост, той може да действа като смазка в лагерите.
- Въвеждането на малко количество индий в медните сплави значително увеличава тяхната устойчивост на морска вода, а добавянето на индий към среброто подобрява неговия блясък и предотвратява потъмняването във въздуха. Добавянето на индий дава повишена здравина на сплавите за зъбни пломби. Електролитното покритие на други метали с индий ги предпазва добре от корозия. Сплав от индий с калай (1:1 тегловно) споява стъкло добре към стъкло или метал, а сплав от 24% In и 76% Ga се топи при 16°C. Сплав от 18,1% In с 41,0 - Bi, 22,1 - Pb, 10,6 - Sn и 8,2 - Cd, топяща се при 47 ° C, се използва в медицината за сложни костни фрактури (вместо гипс). Има монография за химията на индия
- Свиваемостта на талия е приблизително същата като тази на индия, но за него са известни две алотропни модификации (хексагонална и кубична), преходната точка между които е при 235 °C. При високо налягане възниква друг. Тройната точка и на трите форми се намира при 37 хиляди atm и 110°C. Това налягане съответства на рязко намаляване от приблизително 1,5 пъти на електрическото съпротивление на метала (което при 70 хиляди atm е около 0,3 от нормалното). Под налягане от 90 хиляди atm третата форма на талий се топи при 650 °C.
- Талият се използва главно за производството на сплави с калай и олово, които имат висока киселинна устойчивост. По-специално, сплав със състав 70% Pb, 20% Sn и 10% T1 издържа добре на действието на смеси от сярна, солна и азотна киселина. Има монография за талий.
- Галият и компактният индий са стабилни по отношение на водата, а талият в присъствието на въздух бавно се разрушава от повърхността. Галият реагира само бавно с азотна киселина, но талият реагира много енергично. Напротив, сярната и особено солната киселина лесно разтварят Ga и In, докато T1 взаимодейства с тях много по-бавно (поради образуването на защитен филм от слабо разтворими соли на повърхността). Разтворите на силни основи лесно разтварят галия, действат бавно върху индия и не реагират с талий. Галият също се разтваря значително в NH4OH. Летливите съединения и на трите елемента оцветяват безцветния пламък в характерни цветове: Ga - почти невидимо за окото тъмно лилаво (L = 4171 A), In - тъмно синьо (L = 4511 A), T1 - изумрудено зелено (A, = 5351). А).
- Галият и индият не изглеждат отровни. Напротив, талият е силно отровен и действието му е подобно на Pb и As. Засяга нервната система, храносмилателния тракт и бъбреците. Симптомите на остро отравяне не се появяват веднага, а след 12-20 часа. При бавно развиващо се хронично отравяне (включително през кожата) се наблюдават предимно възбуда и нарушения на съня. В медицината талиевите препарати се използват за обезкосмяване (при лишеи и др.). Талиевите соли са намерили приложение в светлинни състави като вещества, които увеличават продължителността на светене. Оказаха се и добро средство срещу мишки и плъхове.
- В серията напрежения галият е разположен между Zn и Fe, а индият и талият са разположени между Fe и Sn. Преходите Ga и In по схемата E+3 + Ze = E съответстват на нормални потенциали: -0,56 и -0,33 V (в кисела среда) или -1,2 и -1,0 V (в алкална среда). Талият се превръща от киселини в едновалентно състояние (нормален потенциал -0,34 V). Преходът T1+3 + 2e = T1+ се характеризира с нормален потенциал от + 1,28 V в кисела среда или +0,02 V в алкална среда.
- Топлините на образуване на оксиди E203 на галий и неговите аналози намаляват в серията 260 (Ga), 221 (In) и 93 kcal/mol (T1). При нагряване на въздух галият практически се окислява само до GaO. Следователно Ga2O3 обикновено се получава чрез дехидратиране на Ga(OH)3. Индият, когато се нагрява във въздуха, образува In2O3, а талият образува смес от T12O3 и T120 с по-високо съдържание на по-висок оксид, толкова по-ниска е температурата. Талият може да се окисли до T1203 чрез действието на озон.
- Разтворимостта на E2O3 оксидите в киселини се увеличава по реда Ga - In - Tl. В същата серия силата на връзката на елемента с кислорода намалява: Ga2O3 се топи при 1795 ° C без разлагане, 1n203 се трансформира в 1n304 само над 850 ° C, а фино натрошеният T1203 започва да отделя кислорода вече при около 90 ° ° С. Необходими са обаче много по-високи температури, за да се преобразува напълно T1203 в T120. При свръхналягане на кислород 1p203 се топи при 1910 °C, а T1203 - при 716 °C.
- Топлините на хидратация на оксидите по схемата E203 + ZH20 = 2E(OH)3 са +22 kcal (Ga), +1 (In) и -45 (T1). В съответствие с това, лекотата на елиминиране на вода от хидроксиди се увеличава от Ga до T1: ако Ga(OH)3 е напълно дехидратиран само при калциниране, тогава T1(OH)3 се трансформира в T1203, дори когато стои под течността, от която е беше изолиран.
- При неутрализиране на киселинни разтвори на галиеви соли неговият хидроксид се утаява приблизително в диапазона на рН = 3-4. Прясно утаеният Ga(OH)3 е силно разтворим в силни амонячни разтвори, но с напредване на възрастта разтворимостта намалява все повече и повече. Неговата изоелектрична точка е при pH = 6,8 и PR = 2·10~37. За 1n(OH)3 е установено, че PR = 1 10-31, а за T1(OH)3 - 1 10~45.
- За втората и третата константа на дисоциация на Ga (OH) 3 според киселинни и основни типове са определени следните стойности:
H3Ga03 /C2 = 5-10_I K3 = 2-10-12
Ga(OH)3 K2“2. S-P / NW = 4 -10 12
По този начин галиевият хидроксид представлява случай на електролит, много близък до идеалната амфотерност.
- Разликата в киселинните свойства на галиеви хидроксиди и неговите аналози се проявява ясно, когато те взаимодействат с разтвори на силни основи (NaOH, KOH). Галиевият хидроксид лесно се разтваря, за да образува тип М галати, които са стабилни както в разтвор, така и в твърдо състояние. При нагряване те лесно губят вода (Na сол при 120, K сол при 137 °C) и се превръщат в съответните безводни соли от типа MGa02. Двувалентните метални галати (Ca, Sr), получени от разтвори, се характеризират с друг тип - M3 ■ 2H20, които също са почти неразтворими. Те са напълно хидролизирани с вода.
Талиевият хидроксид лесно се пептизира от силни алкали (с образуването на отрицателен зол), но е неразтворим в тях и не произвежда талати. По сух метод (чрез сливане на оксиди със съответните карбонати) са получени производни от типа ME02 и за трите елемента от галиевата подгрупа. В случая с талия обаче те се оказаха смеси от оксиди.- Ефективните радиуси на йоните Ga3+, In3* и T13* са съответно 0,62, 0,92 и 1,05 A. Във водна среда те очевидно са директно заобиколени от шест водни молекули. Такива хидратирани йони са донякъде дисоциирани съгласно схемата E(OH2)a G * E (OH2)5 OH + H и техните константи на дисоциация се оценяват на 3 ■ 10-3 ° (Ga) и 2 10-4 (In) .
- Халидните соли Ga3+, In3* и T13*’ като цяло са подобни на съответните соли A13*. В допълнение към флуоридите, те са относително топими и силно разтворими не само във вода, но и в редица органични разтворители. Боядисани са само жълтите Gal3.
За елемента с атомен номер 31 повечето читатели си спомнят само, че това е един от трите елемента, предсказани и описани най-подробно от D.I. Менделеев и че галият е много топим метал: топлината на дланта е достатъчна, за да го превърне в течност.
Въпреки това, галият не е най-топимият метал (дори ако не броите живака). Точката му на топене е 29,75°C, а цезият се топи при 28,5°C; само цезият, като всеки алкален метал, не може да бъде взет в ръцете ви, така че естествено е по-лесно да разтопите галий в дланта на ръката си, отколкото цезий.
Умишлено започнахме нашата история за елемент 31, като споменахме нещо, което почти всеки знае. Защото това „известно“ изисква обяснение. Всеки знае, че галият е предсказан от Менделеев и открит от Лекок дьо Боабодран, но не всеки знае как се е случило откритието. Почти всеки знае, че галият е стопим, но почти никой не може да отговори на въпроса защо е стопим.
Как е открит галият?
Френският химик Пол Емил Льокок дьо Боабодран влезе в историята като откривателят на три нови елемента: галий (1875), самарий (1879) и диспрозий (1886). Първото от тези открития му донесе слава.
По това време той е малко известен извън Франция. Той беше на 38 години и се занимаваше предимно със спектроскопски изследвания. Lecoq de Boisbaudran беше добър спектроскопист и това в крайна сметка доведе до успех: той откри и трите си елемента чрез спектрален анализ.
През 1875 г. Lecoq de Boisbaudran изследва спектъра на цинковата смес, донесена от Pierrefitte (Пиренеите). В този спектър е открита нова виолетова линия (дължина на вълната 4170 Å). Новата линия показва наличието на неизвестен елемент в минерала и съвсем естествено Lecoq de Boisbaudran полага всички усилия да изолира този елемент. Това се оказа трудно изпълнимо: съдържанието на новия елемент в рудата беше по-малко от 0,1% и в много отношения беше подобно на цинка*. След продължителни експерименти ученият успява да получи нов елемент, но в много малко количество. Толкова малък (по-малко от 0,1 g), че Lecoq de Boisbaudrap не успя да проучи напълно неговите физични и химични свойства.
* Как се получава галий от цинкова смес е описано по-долу.
Откриването на галий - така е наречен новият елемент в чест на Франция (Gallia е латинското му име) - се появи в докладите на Парижката академия на науките.
Това съобщение е прочетено от D.I. Менделеев и разпознал в галия ека-алуминий, който той предсказал пет години по-рано. Менделеев веднага пише на Париж. „Методът на откриване и изолиране, както и малкото описани свойства, ни карат да вярваме, че новият метал не е нищо друго освен ека-алуминий“, се казва в писмото му. След това той повтори свойствата, предвидени за този елемент. Освен това, без изобщо да държи зрънца галий в ръцете си, без да го е виждал лично, руският химик твърди, че откривателят на елемента е сбъркал, че плътността на новия метал не може да бъде равна на 4,7, както пише Лекок дьо Боабодран, - трябва да е по-голямо, приблизително 5,9...6,0 g/cm 3!
Колкото и странно да изглежда, първият от неговите утвърдителни, „укрепващи“ научава за съществуването на периодичния закон едва от това писмо. Той отново изолира и внимателно пречиства зърна от галий, за да провери резултатите от първите експерименти. Някои историци на науката смятат, че това е направено с цел да се опозори самоувереният руски „предсказател“. Но опитът показа обратното: откривателят е сбъркал. По-късно той пише: „Мисля, че няма нужда да изтъквам изключителното значение, което плътността на нов елемент има във връзка с потвърждението на теоретичните възгледи на Менделеев.“
Други свойства на елемент № 31, предсказани от Менделеев, съвпадат почти точно с експерименталните данни. „Прогнозите на Менделеев се сбъднаха с малки отклонения: ека-алуминият се превърна в галий.“ Ето как Енгелс характеризира това събитие в „Диалектика на природата“.
Излишно е да казвам, че откриването на първия от предсказаните от Менделеев елементи значително укрепи позицията на периодичния закон.
Защо галият е стопим?
Предсказвайки свойствата на галия, Менделеев смята, че този метал трябва да бъде стопим, тъй като неговите аналози в групата - алуминий и индий - също не са огнеупорни.
Но точката на топене на галия е необичайно ниска, пет пъти по-ниска от тази на индия. Това се обяснява с необичайната структура на кристалите на галий. Неговата кристална решетка се формира не от отделни атоми (както в "нормалните" метали), а от двуатомни молекули. Молекулите Ga 2 са много стабилни; те се запазват дори когато галият се прехвърли в течно състояние. Но тези молекули са свързани една с друга само чрез слаби сили на Ван дер Ваалс и е необходима много малко енергия, за да се разруши връзката им.
Някои други свойства на елемент № 31 са свързани с двуатомността на молекулите. В течно състояние галият е по-плътен и по-тежък, отколкото в твърдо състояние. Електрическата проводимост на течния галий също е по-голяма от тази на твърдия галий.
Външно прилича повече на калай: сребристо-бял мек метал, не се окислява и не потъмнява във въздуха.
И в повечето химични свойства галият е близо до алуминия. Подобно на алуминия, атомът на галия има три електрона във външната си орбита. Подобно на алуминия, галият лесно, дори и на студено, реагира с халогени (с изключение на йод). И двата метала лесно се разтварят в сярна и солна киселина и реагират с основи и дават амфотерни хидроксиди. Реакционни дисоциационни константи
Ga(OH) 3 → Ga 3+ + 3OH –
H 3 GaO 3 → 3H + + GaO 3– 3
– количества от същия порядък.
Съществуват обаче разлики в химичните свойства на галия и алуминия.
Галият се окислява значително от сух кислород само при температури над 260 ° C, а алуминият, ако е лишен от защитния си оксиден филм, се окислява много бързо от кислород.
С водорода галият образува хидриди, подобни на борните хидриди. Алуминият може само да разтваря водорода, но не и да реагира с него.
Галият също е подобен на графит, кварц и вода.
На графит - защото оставя сива следа върху хартията.
За кварца – електрическа и топлинна анизотропия.
Големината на електрическото съпротивление на галиеви кристали зависи от това по коя ос тече токът. Съотношението максимум към минимум е 7, повече от всеки друг метал. Същото важи и за коефициента на топлинно разширение.
Неговите стойности по посока на три кристалографски оси (кристалите на галий са ромбични) са в съотношение 31:16:11.
А галият е подобен на водата по това, че когато се втвърди, той се разширява. Увеличението на обема е осезаемо – 3,2%.
Комбинацията от тези противоречиви прилики сама по себе си говори за уникалната индивидуалност на елемент No31.
В допълнение, той има свойства, които не се срещат в никой друг елемент. Веднъж разтопен, той може да остане в свръхохладено състояние в продължение на много месеци при температура под точката на топене. Това е единственият метал, който остава течен в огромен температурен диапазон от 30 до 2230°C, а летливостта на неговите пари е минимална. Дори в дълбок вакуум той се изпарява забележимо едва при 1000°C. Парите на галия, за разлика от твърдите и течните метали, са едноатомни. Преходът Ga 2 → 2Ga изисква големи количества енергия; Това обяснява трудността на изпаряването на галий.
Големият температурен диапазон на течното състояние е в основата на едно от основните технически приложения на елемент No31.
За какво е полезен галият?
По принцип галиевите термометри могат да измерват температури от 30 до 2230°C. Вече се предлагат галиеви термометри за температури до 1200°C.
Елемент № 31 се използва за производството на нискотопими сплави, използвани в сигнални устройства. Галиево-индиевата сплав се топи още при 16°C. Това е най-топимата от всички известни сплави.
Като елемент от група III, който подобрява проводимостта на „дупка“ в полупроводник, галият (с чистота най-малко 99,999%) се използва като добавка към германий и силиций.
Интерметалните съединения на галий с елементи от група V - антимон и арсен - сами по себе си имат полупроводникови свойства.
Добавянето на галий към стъклената маса позволява да се получат стъкла с висок индекс на пречупване на светлинните лъчи, а стъклата на основата на Ga 2 O 3 пропускат добре инфрачервените лъчи.
Течният галий отразява 88% от падащата върху него светлина, твърдият галий отразява малко по-малко. Затова те правят галиеви огледала, които са много лесни за производство - галиевото покритие може да се нанесе дори с четка.
Понякога се използва способността на галия да намокря добре твърди повърхности, заменяйки живака в дифузионните вакуумни помпи. Такива помпи "задържат" вакуума по-добре от живачните помпи.
Правени са опити за използване на галий в ядрени реактори, но резултатите от тези опити едва ли могат да се считат за успешни. Не само, че галият доста активно улавя неутрони (напречно сечение на улавяне 2,71 барна), той също така реагира при повишени температури с повечето метали.
Галият не е станал атомен материал. Вярно е, че неговият изкуствен радиоактивен изотоп 72 Ga (с период на полуразпад 14,2 часа) се използва за диагностициране на рак на костите. Хлоридът и нитратът на галий-72 се адсорбират от тумора и чрез откриване на радиационната характеристика на този изотоп лекарите почти точно определят размера на чуждите образувания.
Както можете да видите, практическите възможности на елемент No 31 са доста широки. Все още не е възможно да се използват напълно поради трудността при получаване на галий - доста рядък елемент (1,5 10 -3% от теглото на земната кора) и много разпръснат. Известни са малко местни галиеви минерали. Неговият първи и най-известен минерал, галит CuGaS 2, е открит едва през 1956 г. По-късно са открити още два минерала, вече много редки.
Обикновено галият се намира в цинкови, алуминиеви, железни руди, както и във въглища - като незначителен примес. И което е характерно: колкото по-голям е този примес, толкова по-трудно е да се извлече, защото има повече галий в рудите на тези метали (алуминий, цинк), които са подобни на него по свойства. По-голямата част от земния галий се съдържа в алуминиевите минерали.
Извличането на галий е скъпо „удоволствие“. Следователно елемент No 31 се използва в по-малки количества от всеки от съседите му в периодичната таблица.
Възможно е, разбира се, науката в близко бъдеще да открие нещо в галия, което да го направи абсолютно необходим и незаменим, както се случи с друг елемент, предсказан от Менделеев - германий. Само преди 30 години той се използва дори по-малко от галия, а след това започва „ерата на полупроводниците“...
Намиране на модели
Свойствата на галия са предсказани от D.I. Менделеев пет години преди откриването на този елемент. Блестящият руски химик базира предсказанията си върху моделите на промени в свойствата в групи от периодичната система. Но за Lecoq de Boisbaudran откриването на галий не е щастлив случай. Талантлив спектроскопист, още през 1863 г. той открива закономерности в промените в спектрите на елементи с подобни свойства. Сравнявайки спектрите на индий и алуминий, той стигна до извода, че тези елементи може да имат „брат“, чиито линии биха запълнили празнината в късовълновата част на спектъра. Точно тази липсваща линия той търси и открива в спектъра на цинковата смес от Pierrefit.
За сравнение представяме таблица с основните свойства, предсказани от D.I. Менделеев ека-алуминий и галий, открити от Lecoq de Boisbaudran.
Екаалуминий Галий Атомно тегло около 68 Атомно тегло 69,72 Трябва да е с ниска степен на топене Точка на топене 29,75°C Относително тегло близо до 6,0 Специфично тегло 5,9 (твърдо) и 6,095 (течно) Атомен обем 11.5 Атомен обем 11.8 Не трябва да се окислява във въздуха Леко се окислява само при червена температура При високи температури трябва да разлага водата При високи температури разлага водата Съставни формули:
EaCl 3 Ea 2 O 3, Ea 2 (SO 4) 3Съставни формули:
GaCl3, Ga3O3, Ga2(SO4)3Трябва да образува стипца Ea 2 (SO 4) 3 Me 2 SO 4 24H 2 O, но по-трудно от алуминия Образува стипца със състав (NH 4) Ga(SO 4) 2 12H 2 O Оксидът Ea 2 O 3 трябва лесно да се редуцира и да произведе метал, по-летлив от Al, и следователно можем да очакваме, че екаалуминият ще бъде открит чрез спектрален анализ Галият лесно се редуцира от неговия оксид чрез калциниране в поток от водород, открит чрез спектрален анализ Игра на думи?
Някои историци на науката виждат в името на елемент № 31 не само патриотизъм, но и нескромност на неговия откривател. Общоприето е, че думата "галий" идва от латинското Gallia (Франция). Но ако желаете, можете да видите в същата дума намек за думата „петел“! Латинското за „петел“ е gallus, а френското е le coq. Лекок дьо Боабодран?
В зависимост от възрастта
В минералите галият често придружава алуминия. Интересното е, че съотношението на тези елементи в един минерал зависи от времето на образуване на минерала. Във фелдшпатите има един атом галий на всеки 120 хиляди алуминиеви атома. В нефелините, които са се образували много по-късно, това съотношение вече е 1:6000, а в още „по-младата” вкаменена дървесина е само 1:13.
Първи патент
Първият патент за използването на галий е взет преди 60 години. Те искаха да използват елемент № 31 в електрически дъгови лампи.
Потиска сярата, защитава се със сяра
Възниква интересно взаимодействие между галий и сярна киселина. Придружава се от отделяне на елементарна сяра. В този случай сярата обгръща повърхността на метала и предотвратява по-нататъшното му разтваряне. Ако измиете метала с гореща вода, реакцията ще се възобнови и ще продължи, докато върху галия не израсне нова „кожа“ от сяра.
Лошо влияние
Течният галий реагира с повечето метали, образувайки сплави и интерметални съединения с доста ниски механични свойства. Ето защо контактът с галий причинява загуба на здравина на много структурни материали. Берилият е най-устойчив на галий: при температури до 1000°C той успешно се противопоставя на агресивността на елемент No31.
И оксид също!
Малките добавки на галиев оксид значително влияят върху свойствата на оксидите на много метали. По този начин, примесването на Ga 2 O 3 към цинков оксид значително намалява способността му за синтероване. Но разтворимостта на цинка в такъв оксид е много по-голяма, отколкото в чистия цинк. Електрическата проводимост на титановия диоксид спада рязко, когато се добави Ga 2 O 3.
Как да получите галий
В света не са открити промишлени находища на галиеви руди. Следователно галият трябва да се извлича от цинкови и алуминиеви руди, които са много бедни на него. Тъй като съставът на рудите и съдържанието на галий в тях не са еднакви, методите за получаване на елемент № 31 са доста разнообразни. Нека ви кажем, като пример, как се извлича галий от цинкова смес, минералът, в който този елемент е открит за първи път.
Първо, цинковата смес ZnS се изпича и получените оксиди се излугват със сярна киселина. Заедно с много други метали, галият преминава в разтвор. В този разтвор преобладава цинковият сулфат - основният продукт, който трябва да бъде пречистен от примеси, включително галий. Първият етап на пречистване е утаяването на така наречената желязна утайка. С постепенното неутрализиране на киселия разтвор тази утайка се утаява. Съдържа около 10% алуминий, 15% желязо и (което е най-важното за нас сега) 0,05...0,1% галий. За извличане на галий утайката се излугва с киселина или натриев хидроксид - галиевият хидроксид е амфотерен. Алкалният метод е по-удобен, тъй като в този случай оборудването може да бъде направено от по-евтини материали.
Под въздействието на алкали съединенията на алуминия и галия преминават в разтвор. Когато този разтвор се неутрализира внимателно, галиевият хидроксид се утаява. Но част от алуминия също се утаява. Следователно утайката се разтваря отново, този път в солна киселина. Резултатът е разтвор на галиев хлорид, замърсен предимно с алуминиев хлорид. Тези вещества могат да бъдат разделени чрез екстракция. Добавя се етер и за разлика от AlCl3, GaCl3 почти напълно преминава в органичния разтворител. Слоевете се разделят, етерът се дестилира и полученият галиев хлорид отново се обработва с концентрирана сода каустик, за да се утаи и отдели примесите желязо от галия. От този алкален разтвор се получава метален галий. Получава се чрез електролиза при напрежение 5,5 V. Галият се отлага върху меден катод.
Галий и зъби
Дълго време се смяташе, че галият е токсичен. Едва през последните десетилетия това погрешно схващане беше опровергано. Нискотопимият галий заинтересува зъболекарите. Още през 1930 г. за първи път е предложено да се замени галий с живак в състави за зъбни пломби. По-нататъшни изследвания както тук, така и в чужбина потвърдиха перспективите за такава замяна. Металните пломби без живак (живакът е заменен с галий) вече се използват в стоматологията.
Галий(лат. Галий), Ga, химичен елемент от група III на периодичната система на Д. И. Менделеев, сериен номер 31, атомна маса 69,72; сребристо-бял мек метал. Състои се от два стабилни изотопа с масови числа 69 (60,5%) и 71 (39,5%).
Съществуването на галий („ека-алуминий“) и неговите основни свойства са предсказани през 1870 г. от Д. И. Менделеев. Елементът е открит чрез спектрален анализ в пиренейска цинкова смес и изолиран през 1875 г. от френския химик P. E. Lecoq de Boisbaudran; кръстен на Франция (лат. Gallia). Точното съвпадение на свойствата на галия с предсказаните е първият триумф на периодичната система.
Средното съдържание на галий в земната кора е сравнително високо, 1,5·10 -3% от масата, което е равно на съдържанието на олово и молибден. Галият е типичен микроелемент. Единственият минерал на галия, галит CuGaS 2, е много рядък. Геохимията на галия е тясно свързана с геохимията на алуминия, което се дължи на сходството на техните физикохимични свойства. Основната част от галия в литосферата се съдържа в алуминиевите минерали. Съдържанието на галий в бокситите и нефелините варира от 0,002 до 0,01%. Повишени концентрации на галий се наблюдават и в сфалеритите (0,01-0,02%), в черните въглища (заедно с германия), както и в някои железни руди.
Физични свойства на галия.Галият има орторомбична (псевдо-тетрагонална) решетка с параметри a = 4.5197Å, b = 7.6601Å, c = 4.5257Å. Плътността (g / cm3) на твърдия метал е 5,904 (20 ° C), течният метал е 6,095 (29,8 ° C), т.е. при втвърдяване обемът на галия се увеличава; температура на топене 29,8°C, температура на кипене 2230°C. Отличителна черта на галия е голям диапазон на течно състояние (2200 ° C) и ниско налягане на парите при температури до 1100-1200 ° C. Специфичният топлинен капацитет на твърдия галий е 376,7 J/(kg K), т.е. 0,09 cal/(g deg) в диапазона 0-24°C, на течния галий съответно 410 J/(kg K ), тоест 0,098 cal /(g deg) в диапазона 29-100°C. Електрическото съпротивление (ohm cm) на твърд галий е 53,4·10 -6 (0°C), течен 27,2·10 -6 (30°C). Вискозитет (поаз = 0,1 n sec/m2): 1,612 (98°C), 0,578 (1100°C), повърхностно напрежение 0,735 n/m (735 dyne/cm) (30°C в H2 атмосфера). Коефициентите на отражение за дължини на вълните 4360Å и 5890Å са съответно 75,6% и 71,3%. Напречното сечение на улавяне на термични неутрони е 2,71 барна (2,7·10 -28 m2).
Химични свойства на галия.Галият е стабилен на въздух при обикновени температури. Над 260°C се наблюдава бавно окисление в сух кислород (оксидният филм предпазва метала). Галият се разтваря бавно в сярна и солна киселина, бързо във флуороводородна киселина и е стабилен на студено в азотна киселина. Галият се разтваря бавно в горещи алкални разтвори. Хлорът и бромът реагират с галий на студено, йодът - при нагряване. Разтопеният галий при температури над 300°C взаимодейства с всички структурни метали и сплави.
Най-стабилни са тривалентните съединения на галия, които в много отношения са подобни по свойства на химичните съединения на алуминия. Освен това са известни едно- и двувалентни съединения. Висшият оксид Ga 2 O 3 е бяло вещество, неразтворимо във вода. Съответният хидроксид се утаява от разтвори на галиеви соли под формата на бяла желатинова утайка. Има подчертан амфотерен характер. Когато се разтварят в основи, се образуват галати (например Na), когато се разтварят в киселини, се образуват галиеви соли: Ga 2 (SO 4) 3, GaCl 3 и др. Киселинните свойства на галиевия хидроксид са по-изразени от тези на алуминиев хидроксид [диапазонът на освобождаване на Al (OH) 3 е в диапазона на pH = 10,6-4,1, а Ga(OH) 3 в диапазона на pH = 9,7-3,4].
За разлика от Al (OH) 3, галиевият хидроксид се разтваря не само в силни основи, но и в амонячни разтвори. При кипене галиевият хидроксид отново се утаява от разтвора на амоняк.
От галиевите соли най-важни са GaCl3 хлорид (топи се 78°C, кипи 200°C) и Ga2(SO4)3 сулфат. Последният, със сулфати на алкални метали и амоний, образува двойни соли от типа на стипца, например (NH 4) Ga (SO 4) 2 12H 2 O. Галият образува фероцианид Ga 4 3, който е слабо разтворим във вода и разреден киселини, които могат да се използват за отделянето му от Al и редица други елементи.
Получаване на галий.Основният източник за получаване на галий е производството на алуминий. При обработката на боксит по метода на Bayer, галият се концентрира в циркулиращите матерни луги след отделянето на Al(OH) 3 . Галият се изолира от такива разтвори чрез електролиза на живачен катод. От алкалния разтвор, получен след третиране на амалгамата с вода, се утаява Ga (OH) 3, който се разтваря в основа и галият се изолира чрез електролиза.
При метода на натриева вар за преработка на боксит или нефелинова руда, галият се концентрира в последните фракции на утайката, освободена по време на процеса на карбонизация. За допълнително обогатяване хидроксидната утайка се обработва с варно мляко. В този случай по-голямата част от Al остава в утайката, а галият преминава в разтвор, от който чрез преминаване на CO 2 се изолира галиев концентрат (6-8% Ga 2 O 3); последният се разтваря в основа и галият се изолира електролитно.
Източникът на галий може да бъде и остатъчната анодна сплав от процеса на рафиниране на Al, използвайки метода на трислойна електролиза. При производството на цинк източниците на галий са сублимати (оксиди на Welz), образувани по време на обработката на отпадъците от излугване на цинкова сгурия.
Течен галий, получен чрез електролиза на алкален разтвор, промит с вода и киселини (HCl, HNO 3), съдържа 99,9-99,95% Ga. По-чист метал се получава чрез вакуумно топене, зоново топене или чрез изтегляне на единичен кристал от стопилката.
Приложение на галий.Най-обещаващото приложение на галия е под формата на химични съединения като GaAs, GaP, GaSb, които имат полупроводникови свойства. Те могат да се използват във високотемпературни токоизправители и транзистори, слънчеви панели и други устройства, където може да се използва фотоелектричният ефект в блокиращия слой, както и в приемници на инфрачервено лъчение. Галият може да се използва за направата на оптични огледала, които са силно отразяващи. Предложена е сплав от алуминий с галий вместо живак като катод на ултравиолетовите лампи, използвани в медицината. Предлага се използването на течен галий и неговите сплави за производството на високотемпературни термометри (600-1300 ° C) и манометри. Интерес представлява използването на галий и неговите сплави като течен охлаждащ агент в енергийни ядрени реактори (това се възпрепятства от активното взаимодействие на галий при работни температури със структурни материали; евтектичната сплав Ga-Zn-Sn има по-малко корозивен ефект от чистата галий).