Галлий: открытие, свойства и применение металла

Галлий — это химический элемент с символом Ga и атомным номером 31. Он относится к группе 13 (по устаревшей классификации — главной подгруппе третьей группы) периодической системы элементов, в которой также находятся бор, алюминий, индий и таллий. Галлий — это мягкий, хрупкий, серебристо-белый металл с синеватым оттенком, который легко плавится при температуре около 30°C. Галлий имеет низкую температуру кипения (около 2200°C) и высокую теплопроводность. Галлий обладает интересными физическими и химическими свойствами, которые делают его важным материалом для различных приложений в науке и технологии.

Галлий был открыт в 1875 году французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном, который обнаружил его спектроскопическим методом в цинковой руде, добытой в Пиренеях. Он назвал новый элемент галлием в честь своей родины — Франции (лат. Gallia), а также в знак уважения к Дмитрию Менделееву, который предсказал существование этого элемента в 1869 году и назвал его эка-алюминием. Менделеев также достаточно точно описал некоторые свойства галлия, такие как атомная масса, плотность, температура плавления, формула оксида и гидроксида. Открытие галлия стало величайшим триумфом периодического закона Менделеева и подтвердило его научную ценность.

В таблице ниже приведены сравнение свойств эка-алюминия (ожидаемые) и галлия (реальные) по данным Менделеева и Лекока де Буабодрана:

Свойство Эка-алюминий Галлий
Атомная масса ~68 69.723
Плотность 5.9 г/см 3 5.904 г/см 3
Температура плавления Низкая 29.767 °C
Формула оксида M 2 O 3 Ga 2 O 3
Плотность оксида 5.5 г/см 3 5.88 г/см 3
Гидроксид Амфотерный Амфотерный

Источники:

Физические свойства галлия и его изотопы

Галлий — легкоплавкий металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком. Он имеет одну из самых низких температур плавления среди металлов — 29,7646 °C, что ниже температуры человеческого тела. При этом температура кипения галлия достаточно высока — 2203,85 °C. Это связано с тем, что в жидком состоянии галлий имеет плотную упаковку атомов с координационным числом 12, которая требует большой энергии для разрушения . Галлий обладает высокой теплоемкостью, теплопроводностью и вязкостью в жидком состоянии. Он также хорошо растворяет другие металлы, образуя сплавы с низкой температурой плавления.

Галлий имеет два стабильных изотопа: 69 Ga и 71 Ga, которые составляют 60,11 % и 39,89 % от природного галлия соответственно. Кроме того, известно более 30 радиоактивных изотопов галлия с массовыми числами от 56 до 86. Самым долгоживущим из них является 67 Ga с периодом полураспада 78 часов. Он распадается посредством электронного захвата в стабильный цинк-67, испуская рентгеновское и гамма-излучение. Изотоп 67 Ga используется в ядерной медицине для диагностики различных заболеваний, таких как лимфома, меланома, инфекции и воспаления . Другой важный изотоп галлия — 68 Ga, который является источником позитронов. Он получается из германия-68, который имеет длинный период полураспада (271 день). Изотоп 68 Ga применяется в позитронно-эмиссионной томографии для обнаружения опухолей, воспалений и других патологий . Таблица 1 показывает некоторые характеристики стабильных и радиоактивных изотопов галлия.

Символ нуклида Массовое число Период полураспада Канал распада Распространенность в природе, %
69 Ga 69 Стабилен 60,11
71 Ga 71 Стабилен 39,89
67 Ga 67 78 ч Электронный захват Синтетический
68 Ga 68 68 мин Позитронный распад, электронный захват Синтетический

Таблица 1. Характеристики некоторых изотопов галлия.

Химические свойства галлия и его соединения

Галлий — химический элемент 13-й группы периодической системы, имеющий атомный номер 31 и атомную массу 69,723. Он относится к металлам, но при комнатной температуре имеет очень низкую твёрдость и может быть разрезан ножом. Галлий легко плавится при температуре 29,8 °C и кипит при 2204 °C. Он имеет серебристо-белый цвет с синеватым оттенком и образует на поверхности тонкую оксидную плёнку, которая защищает его от дальнейшего окисления.

Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия, но реакции металлического галлия, как правило, идут гораздо медленнее из-за меньшей химической активности. Оксидная плёнка также затрудняет контакт галлия с другими веществами. Галлий не реагирует с водой, кислородом, азотом и углекислым газом при нормальных условиях, но при нагревании может образовывать оксид Ga 2 O 3 , нитрид GaN и карбид Ga 2 C. Галлий способен образовывать соединения с большинством неметаллов, таких как галогены, сера, фосфор, мышьяк и другие. Соединения галлия, как правило, имеют степень окисления +3, но возможны и соединения с степенью окисления +1, например, галлий(I) хлорид GaCl или галлий(I) гидрид GaH. Соединения галлия обладают различными физическими и химическими свойствами, в зависимости от их структуры и характера химической связи.

Некоторые из наиболее важных и интересных соединений галлия представлены в таблице ниже:

Соединение Формула Свойства
Оксид галлия(III) Ga 2 O 3 Белый аморфный порошок, растворимый в кислотах и щелочах, обладающий амфотерным характером. Используется в качестве катализатора, оптического материала и в полупроводниковой технике.
Сульфид галлия(III) Ga 2 S 3 Жёлтый кристаллический вещество, нерастворимый в воде, растворимый в кислотах и щелочах. Используется в качестве пигмента, фотопроводника и в полупроводниковой технике.
Арсенид галлия GaAs Серый кристаллический вещество, нерастворимый в воде, растворимый в кислотах. Имеет полупроводниковые свойства и широко используется в микроэлектронике, оптоэлектронике и солнечных батареях.
Нитрид галлия GaN Белый кристаллический вещество, нерастворимый в воде, растворимый в кислотах. Имеет полупроводниковые свойства и используется в светодиодах, лазерах и транзисторах.
Фосфид галлия GaP Зелёный кристаллический вещество, нерастворимый в воде, растворимый в кислотах. Имеет полупроводниковые свойства и используется в светодиодах, лазерах и солнечных батареях.
Галлий-алюминиевый арсенид GaAlAs Кристаллический сплав галлия, алюминия и мышьяка, имеющий полупроводниковые свойства и используемый в оптоэлектронике.
Читайте также:  Что такое тотемизм и как он возник?

Получение галлия и его состав

Галлий не встречается в природе в виде свободного металла, а только в составе различных минералов, таких как цинковые руды и бокситы. Для получения галлия используют различные методы, в зависимости от исходного материала и требуемой чистоты.

Основной источник галлия — алюминатные растворы, получаемые при переработке глинозёма. После удаления большей части алюминия и многократного концентрирования образуется щелочной раствор, содержащий галлий и алюминий. Из этого раствора галлий может быть выделен разными способами, например:

  • Электролизом, при котором галлий осаждается на катоде в виде металла или сплава с алюминием.
  • Солеотделением, при котором галлий переходит в органическую фазу в виде комплекса с амином или кетоном, а затем возвращается в водную фазу в виде соли, например галлия нитрата.
  • Ионообменным методом, при котором галлий сорбируется на ионообменной смоле, а затем элюируется подходящим растворителем, например соляной кислотой.

Другой источник галлия — цинковые руды, такие как сфалерит и смитсонит. Из них галлий может быть получен путем плавления с щелочью или карбонатом натрия, а затем экстракции с водой или кислотой. Также возможно получение галлия из пыли, образующейся при производстве цинка.

Для получения высокочистого галлия применяют дополнительные методы очистки, такие как зонная плавка, химическое осаждение, ректификация или дистилляция.

Галлий является смесью двух стабильных изотопов: галлия-69 (^69^Ga) и галлия-71 (^71^Ga) с молярными долями 60,11% и 39,89% соответственно. Существует также около 30 радиоактивных изотопов галлия с различными периодами полураспада, самый долгоживущий из которых — галлий-67 (^67^Ga) с периодом полураспада 78,3 часа.

Места встречаемости галлия в природе и месторождения

Галлий — это редкий элемент, который не образует собственных минералов, а встречается в виде примеси в других рудах. Среднее содержание галлия в земной коре составляет 1,8•10-3%. Галлий может быть найден в таких минералах, как:

  • Галлит — сульфид меди и галлия из группы халькопирита. Это редкий минерал, который обнаружен только на двух месторождениях в мире: Цумеб в Намибии и Кипуши в Демократической Республике Конго.
  • Галлобёдантит — смешанная соль (сульфат-арсенат), гидроксилсульфатоарсенат свинца и галлия из группы бедантита. Этот минерал также встречается только на месторождениях Цумеб и Кипуши.
  • Айгрюн, корневалит, зёнгеит, шауртеит — другие редкие минералы, содержащие галлий.

Однако основным источником галлия являются бокситы — осадочно-латеритные руды, содержащие оксид алюминия. Галлий добывается в качестве попутного продукта при производстве алюминия из бокситов. Кроме того, галлий может быть получен из апатит-нефелиновых руд, сульфидных руд меди, полиметаллических и свинцово-цинковых месторождений, а также из углей, фосфатных руд, медистых песчаников и сланцев.

Мировые запасы галлия не оценены, но предполагается, что они связаны с запасами бокситов. По данным USGS, в 2019 году мировое производство галлия составило около 330 тонн, из которых 270 тонн было получено из вторичных источников. Главными производителями галлия в мире являются Китай, Германия, Казахстан, Украина и Россия.

Особенности галлия как металла или неметалла

Галлий относится к металлам по своему положению в периодической системе, по своему химическому поведению и по своим физическим свойствам. Однако он имеет некоторые особенности, которые отличают его от других металлов и придают ему сходство с неметаллами. Некоторые из этих особенностей следующие:

  • Галлий имеет очень низкую температуру плавления (29,76 °C), которая близка к температуре тела человека. Поэтому он может плавиться в руке или при контакте с другими теплыми предметами. Это свойство делает его похожим на ртуть, которая также является металлом с низкой температурой плавления.
  • Галлий имеет очень высокую температуру кипения (2204 °C), которая превышает температуру кипения большинства металлов. Это свойство связано с сильными межмолекулярными силами, которые удерживают атомы галлия в жидком состоянии. По этому параметру галлий ближе к неметаллам, таким как сера или фосфор, которые также имеют высокие температуры кипения.
  • Галлий имеет низкую теплопроводность (28,1 Вт/м·К при 300 К), которая меньше, чем у большинства металлов. Это свойство обусловлено слабой связью между двухатомными молекулами галлия в кристаллической решетке. По теплопроводности галлий сравним с некоторыми неметаллами, такими как углерод или кремний.
  • Галлий имеет низкую электропроводность (6,7·10 6 С/м при 300 К), которая также меньше, чем у большинства металлов. Это свойство связано с низкой плотностью свободных электронов в металлическом галлии. По электропроводности галлий ближе к полуметаллам, таким как бор или мышьяк.
  • Галлий имеет амфотерный характер, то есть он может вступать в реакции как с кислотами, так и с щелочами. Это свойство делает его похожим на алюминий, который также является амфотерным металлом. Однако галлий менее активен, чем алюминий, и реагирует медленнее.

Таким образом, галлий является металлом с некоторыми неметаллическими свойствами, которые обусловлены его уникальной структурой и связями. Эти особенности делают галлий ценным материалом для различных приложений в науке и технике.

Прикладные области использования галлия в промышленности и науке

Галлий — это металл с уникальными свойствами, которые делают его востребованным в различных отраслях промышленности и науки. Основные направления применения галлия можно разделить на следующие группы:

  • Полупроводниковая промышленность . Галлий входит в состав полупроводниковых материалов в виде бинарных соединений типа III—V, а также гетероструктур на их основе. Эти материалы обладают высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую и наоборот, а также высокой скоростью переключения. Они используются для изготовления лазеров, светодиодов, солнечных батарей, оптоэлектронных приборов, микропроцессоров, микросхем, детекторов и других устройств .
  • Легкоплавкие сплавы . Галлий образует сплавы с низкой температурой плавления, которые могут быть жидкими при комнатной температуре или плавиться при нагревании рукой. Например, сплав индия, галлия и олова (галистан) широко применяется в термометрах и аналогичных приборах, где требуется высокая точность измерений, но ртуть использовать нельзя. Легкоплавкие сплавы используются для получения припоев для низкотемпературной пайки металлов, для заполнения трещин и пор в металлических изделиях, для создания тепловых контактов, для имитации ртути в художественных и научных экспериментах и т.д.
  • Другие применения соединений галлия . Соединения галлия обладают разнообразными свойствами, которые находят применение в различных областях. Например, галлий (III) оксид — это белый порошок, который используется как катализатор, адсорбент, пигмент, антибактериальный агент, а также в производстве оптических стекол и керамики. Галлий (III) арсенид — это полупроводник, который используется для изготовления лазеров, светодиодов, солнечных батарей и других устройств. Галлий (III) нитрид — это полупроводник, который используется для изготовления синих и зеленых светодиодов, лазеров, детекторов и других устройств. Галлий (III) фосфид — это полупроводник, который используется для изготовления красных светодиодов, лазеров, детекторов и других устройств. Галлий (III) сульфид — это полупроводник, который используется для изготовления инфракрасных детекторов и других устройств. Галлий (III) селенид — это полупроводник, который используется для изготовления термоэлектрических устройств и других устройств. Галлий (III) теллурид — это полупроводник, который используется для изготовления термоэлектрических устройств и других устройств. Галлий (III) хлорид — это бесцветная жидкость, которая используется как реагент в органическом синтезе, а также в производстве полупроводниковых материалов. Галлий (III) бромид — это белый кристаллический порошок, который используется как реагент в органическом синтезе, а также в производстве полупроводниковых материалов. Галлий (III) йодид — это желтый кристаллический порошок, который используется как реагент в органическом синтезе, а также в производстве полупроводниковых материалов. Галлий (III) гидроксид — это белый порошок, который используется как адсорбент, пигмент, антибактериальный агент, а также в производстве оптических стекол и керамики. Галлий (III) ацетат — это белый порошок, который используется как реагент в органическом синтезе, а также в производстве полупроводниковых материалов. Галлий (III) нитрат — это бесцветная жидкость, которая используется как реагент в органическом синтезе, а также в производстве полупроводниковых материалов. Галлий (III) сульфат — это белый порошок, который используется как реагент в органическом синтезе, а также в производстве полупроводниковых материалов. Галлий (III) карбонат — это белый порошок, который используется как реагент в органическом синтезе, а также в производстве полупроводниковых материалов. Галлий (III) оксалат — это белый порошок, который используется как реагент в органическом синтезе, а также в производстве полупроводниковых материалов. Галлий (III) цитрат — это бесцветная жидкость, которая используется в медицине как радиофармпрепарат для диагностики заболеваний костей.
Читайте также:  Что такое молекула в физике и зачем ее изучать?

Как видно, галлий и его соединения имеют широкий спектр применения в различных областях промышленности и науки, благодаря своим уникальным свойствам. Галлий является одним из самых перспективных металлов для развития новых технологий и создания инновационных продуктов.

Роль галлия в медицине и биологии

Галлий — это химический элемент, который имеет ряд уникальных свойств, делающих его полезным для медицины и биологии. Галлий — это металл, который плавится при температуре чуть выше комнатной, поэтому он может быть использован в виде жидкого инъекционного раствора или геля. Галлий также обладает высокой аффинностью к костному ткани, что позволяет его применять для диагностики и лечения различных заболеваний костей. Кроме того, галлий является полупроводником, который может быть включен в различные электронные устройства, такие как сенсоры, биомаркеры и имплантаты.

В медицине галлий используется для нескольких целей:

  • Диагностика. Галлий можно маркировать радиоактивными изотопами, такими как галлий-67 или галлий-68, и вводить в организм пациента. Затем с помощью специальных камер можно получать изображения внутренних органов и тканей, которые накапливают галлий. Это позволяет обнаруживать воспаления, инфекции, опухоли и метастазы. Например, галлий-67 используется для диагностики лимфомы, саркоидоза, туберкулеза и других заболеваний . Галлий-68 используется для диагностики нейроэндокринных опухолей, простатного рака и других заболеваний .
  • Лечение. Галлий также может быть использован для терапии некоторых заболеваний, связанных с костной тканью. Галлий имеет способность тормозить потерю костной массы и стимулировать регенерацию костей. Поэтому он может быть применен для лечения остеопороза, остеомиелита, множественной миеломы и других заболеваний . Галлий также может быть использован для быстрой остановки кровотечения из глубоких ран, не вызывая образование тромбов. Для этого галлий вводится в рану в виде жидкого металла, который затем затвердевает при контакте с кровью, образуя герметичный слой .
  • Исследования. Галлий также может быть использован для научных исследований в области биологии и биомедицины. Галлий может быть включен в различные электронные устройства, которые могут быть вживлены в живые организмы для измерения различных параметров, таких как температура, давление, pH, глюкоза и другие. Например, галлий может быть использован для создания наночастиц, которые могут быть использованы как биомаркеры для обнаружения и лечения рака . Галлий также может быть использован для создания гибких и растяжимых электронных схем, которые могут быть нанесены на кожу или вживлены в тело для мониторинга здоровья или доставки лекарств .

Таким образом, галлий — это химический элемент, который имеет широкий спектр применения в медицине и биологии. Галлий помогает диагностировать и лечить различные заболевания, а также проводить научные исследования на переднем крае биомедицинской технологии.

Интересные факты и эксперименты, связанные с галлием

Галлий — это необычный металл, который имеет много интересных свойств и применений. Вот некоторые из них:

  • Галлий был открыт в 1875 году французским химиком Полем-Эмилем Лекоком де Буабодраном, который обнаружил его по спектральным линиям в цинковой руде. Он назвал его в честь своей родины — Галлии, древнего названия Франции.
  • Галлий — один из четырех металлов, которые плавятся при температуре ниже 100 °C. Он имеет очень низкую температуру плавления — 29,77 °C, что ниже температуры человеческого тела. Поэтому галлий можно держать в руке и он будет плавиться, а затем затвердевать при охлаждении. Это делает его идеальным для демонстрации фазовых переходов.
  • Галлий также имеет очень высокую температуру кипения — 2403 °C, что делает его одним из самых термостойких металлов. Он не испаряется при нормальных условиях, в отличие от ртути, которая является другим жидким металлом.
  • Галлий смачивает стекло и фарфор, образуя на стекле блестящую зеркальную поверхность. Он также может проникать в металлические сплавы, разрушая их структуру. Это свойство используется для создания трюковых ложек, которые ломаются при нагревании в горячем напитке.
  • Галлий является полупроводником и имеет важное значение для электроники. Он используется для изготовления солнечных батарей, светодиодов, лазеров, транзисторов и микрочипов. Особенно ценятся его соединения с арсеном, фосфором и нитридом, которые обладают высокой эффективностью и скоростью передачи сигналов.
  • Галлий также имеет медицинское и биологическое применение. Он может быть использован как радиоактивный маркер для диагностики и лечения некоторых заболеваний, таких как рак и инфекции. Он также может подавлять рост бактерий и грибов, поэтому он добавляется в некоторые антисептики и дезинфицирующие средства.
  • Галлий был одним из элементов, которые Дмитрий Менделеев предсказал по своей периодической системе, прежде чем он был открыт. Он назвал его эка-алюминием и правильно определил его атомный номер, атомный вес, плотность и химические свойства. Он даже предложил способ его получения из алюминиевой руды.
  • Галлий является редким элементом в земной коре, его содержание составляет около 19 частей на миллион. Он не встречается в чистом виде, а только в виде соединений с другими металлами, такими как цинк, алюминий и медь. Основным источником галлия является цинковая руда, из которой он выделяется путем электролиза или химического осаждения.
Читайте также:  Ученые древности, заложившие основы науки географии

Галлий — это удивительный металл, который продолжает открывать новые возможности для науки и техники. Он также может быть источником забавы и любопытства для тех, кто хочет узнать больше о химических элементах и их свойствах.

Перспективы развития галлия в будущем

Галлий — это металл, который имеет уникальные свойства и широкое применение в различных областях науки и техники. Галлий является одним из ключевых элементов для создания полупроводниковых приборов, таких как лазеры, светодиоды, солнечные батареи, микрочипы и другие. Галлий также используется в медицине, биологии, атомной энергетике, металлургии, химии и нанотехнологиях. Спрос на галлий в мире постоянно растет, а его запасы ограничены. Поэтому важно исследовать новые источники галлия, разрабатывать эффективные методы его получения, переработки и использования, а также искать альтернативные материалы, которые могут заменить галлий в некоторых приложениях.

Одним из перспективных направлений развития галлия в будущем является его применение в квантовых технологиях. Галлий может образовывать квантовые точки — наночастицы, которые имеют особые оптические и электронные свойства, зависящие от их размера и формы. Квантовые точки могут использоваться для создания квантовых компьютеров, квантовых связей, квантовых сенсоров, квантовых метаматериалов и других устройств нового поколения. Галлий также может входить в состав квантовых каскадных лазеров, которые способны генерировать излучение в терагерцовом диапазоне, имеющем большой потенциал для применения в беспроводной связи, спектроскопии, медицине, безопасности и других областях.

Другим перспективным направлением развития галлия в будущем является его использование в гибких и носимых электронных устройствах. Галлий — это металл, который легко плавится при температуре человеческого тела и может принимать различные формы. Галлий также обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью, химической стабильностью и совместимостью с биологическими тканями. Эти свойства делают галлий идеальным материалом для создания гибких и носимых электронных устройств, таких как датчики, актуаторы, дисплеи, батареи, антенны и другие. Галлий может быть нанесен на различные подложки, такие как пластик, бумага, ткань, кожа и даже кожа человека, и образовывать тонкие, прозрачные, эластичные и многоразовые электронные схемы, которые могут выполнять различные функции и взаимодействовать с окружающей средой и человеческим организмом.

Третьим перспективным направлением развития галлия в будущем является его применение в современных материалах и покрытиях. Галлий может образовывать различные соединения с другими элементами, такими как азот, арсен, антимон, индий, алюминий и другие, которые имеют уникальные физические и химические свойства, такие как сверхпроводимость, пьезоэлектричество, фотовольтаика, термоэлектричество, магнетизм, оптическая нелинейность и другие. Эти соединения могут быть использованы для создания новых материалов и покрытий, которые могут улучшать характеристики и функциональность различных устройств и систем, таких как солнечные панели, термоэлектрические генераторы, сверхпроводящие магниты, оптические модуляторы, мемори-приборы и другие.

В заключении можно сказать, что галлий — это металл, который имеет большое значение и перспективы для развития мировой экономики, науки и техники. Галлий является необходимым компонентом для создания полупроводниковых приборов, которые широко используются в различных областях. Галлий также может быть применен в квантовых технологиях, гибкой и носимой электронике, современных материалах и покрытиях, которые открывают новые возможности и горизонты для человечества. Однако, галлий является дефицитным и дорогим металлом, поэтому необходимо развивать новые источники его добычи, повышать его эффективность использования, а также искать альтернативные материалы, которые могут заменить галлий в некоторых приложениях.

Оцените статью
Поделиться с друзьями
sloboda-balaklava.ru