Галлий искусственный элемент. Галий - металл или неметалл? Примеры решения задач

Сформулировал свой периодических закон и составил периодическую же таблицу, многие металлы были науке ещё не известны.

Это, впрочем, не помешало химику выстроить свою периодическую систему, оставив пустые клетки для ещё не открытых элементов. Эти "белые пятна" вскорости были заполнены. Об одном из таких предсказанных Менделеевым элементов и пойдёт сегодня речь.

Знакомьтесь: галлий, 31 номер в таблице. Третья группа, легкоплавкий металл, близкий по свойствам к алюминию и кремнию. Менделеев не только достаточно подробно описал свойства этого металла, но и практически со стопроцентной точностью указал его атомный вес.

Открытие и происхождение названия

Галлий был открыт и выделен в виде просто вещества французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. Произошло это в 1875 году, года учёный исследовал образцы цинковой обманки, привезённые из Пиренеев. Исследования проводились методом спектроскопии и учёный заметил в спектре руды фиолетовую линию, свидетельствующую о присутствии в минерале неизвестного элемента.

Выделение элемента в чистом виде потребовало немало труда, так как содержание его в руде было меньше 0,1%. В конце концов, Лекоку де Буабодрану удалось получить менее 0,1 грамма чистого вещества и исследовать его. Обнаруженный французом элемент по свойствам оказался во многом сходен с цинком.

На очередном заседании Парижской академии наук, состоявшемся 20 сентября 1875 года, было зачитано письмо Лекока де Буабодрана, в котором сообщалось об открытии нового элемента и изучении его свойств. Также химик сообщал, что назвал новооткрытый элемент в честь Франции, по её латинскому названию - Галлия (Gallia).

Когда Менделеев прочёл опубликованный доклад, посвящённый этому открытию, он отметил, что описание свойств нового элемента почти в точности совпадает с описанием предсказанного им ранее экаалюминия. Менделеев не замедлил сообщить об этом Лекоку де Буабодрану, указав, что плотность нового металла определена неверно и должна быть 5,9-6,0 , а не 4,7 г/см3. Тщательная проверка показала правоту Менделеева.

Добыча галлия

В природе галлий крупных месторождений не образует. В некоторых минералах галлий содержится в относительно больших (для этого металла): гранат, сфалерит, турмалин, берилл, полевые шпаты, нефелин.

Самый богатый источник галлия - минерал германит, руда, состоящая из сульфида меди, которая может содержать 0,5-0,7% галлия. Кроме этого, галлий получают при переработке боксита и нефелина. Также этот металл можно получить с помощью переработки полиметаллических руд, угля.

Загрязнённый галлий промывают водой, после этого фильтруют через пористые пластины и нагревают в вакууме для того, чтобы удалить летучие примеси. Для получения галлия высокой чистоты используют химический (реакции между солями), электрохимический (электролиз растворов) и физический (разложение) методы.

Месторождения, на которых ведётся добыча галлия, находятся, главным образом в Юго-Западной Африке , а также в России и в некоторых из стран СНГ.

Свойства галлия

Галлий – мягкий пластичный металл серебристого цвета. При низких температурах находится в твердом состоянии, но плавится уже при температуре, ненамного превышающей комнатную (29,8°C).

Вообще широкий температурный интервал существования жидкого состояния этого металла (от 30 и до 2230 °C) является одной из особенностей галлия. Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия. В связи с легкоплавкостью, перевозка галлия осуществляется в полиэтиленовых пакетах.

До появления полупроводников, галлий использовался для создания легкоплавких сплавов. Сегодня же галлий используется, главным образом, в микроэлектронике в составе полупроводников. Нитрид галлия используется в создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона.

Галлий - превосходный смазочный материал. На основе галлия и никеля, галлия и скандия созданы очень важные в практическом плане металлические клеи. Металлическим галлием также заполняют кварцевые термометры для измерения высоких температур, заменяя этим металлом ртуть. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению с ртутью.

Галлий - один из самых дорогих металлов. Так в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США. В связи с его высокой стоимостью и с большой потребностью в этом металле, очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.

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

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

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

Интерметаллические соединения галлия с элементами V группы - сурьмой и мышьяком - сами обладают полупроводниковыми свойствами.

Добавка галлия в стеклянную массу позволяет получить стекла с высоким коэффициентом преломления световых лучей, а стекла на основе Ga2О3 хорошо пропускают инфракрасные лучи.

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

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

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

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

Как видите, практические возможности элемента № 31 достаточно широки. Использовать их полностью пока не удается из-за трудности получения галлия - элемента довольно редкого (1,5-10-3% веса земной коры) и очень рассеянного.

Собственных минералов галлия известно немного. Первый и самый известный его минерал, галлит CuGaS2, обнаружен лишь в 1956 г. Позже были найдены еще два минерала, совсем уже редких.

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

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

Не исключено, конечно, что наука ближайшего будущего откроет в галлии нечто такое, что он станет совершенно необходимым и незаменимым, как это случилось с другим элементом, предсказанным Менделеевым,- германием.

ПОИСКИ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ. Свойства галлия предсказаны Д. И. Менделеевым за пять лет до открытия этого элемента. Гениальный русский химик строил свои предсказания на закономерностях изменения свойств по группам периодической системы. Но и для Лекока де Буабодрана открытие галлия не было счастливой случайностью. Талантливый спектроскопист, он еще в 1863 г. обнаружил закономерности в изменении спектров близких по свойствам элементов. Сравнивая спектры индия и алюминия, он пришел в выводу, что у этих элементов может быть «собрат», линии которого заполнили бы пробел в коротковолновой части спектра. Именно такую недостающую линию он искал и нашел в спектре цинковой обманки из Пьеррфита.

ИГРА СЛОВ? По которые историки науки видят в названии элемента № 31 не только патриотизм, но и нескромность его первооткрывателя. Привито считать, что слово «галлий» происходит от латинского Gallia (Франция). Но при желании в том же слове можно усмотреть намек на слово «петух» 1 По-латыни «петух» - gallus, по-французски - le coq. Лекок де Буабодран?

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВОЗРАСТА, В минералах галлий часто сопутствует алюминию. Интересно, что соотношение этих элементов в минерале зависит от времени образования минерала. В полевых шпатах один атом галлия приходится на 120 тыс. атомов алюминия. В нефелинах, образовавшихся намного позже, это соотношение уже 1:6000, а в еще более «молодой» окаменевшей древесине - всего 1:13.

ПЕРВЫЙ ПАТЕНТ. Первый патент на применение галлия взят еще в самом начале XX в. Элемент № 31 хотели использовать в дуговых электрических лампах.

СЕРУ ВЫТЕСНЯЕТ, СЕРОЙ ЗАЩИЩАЕТСЯ. Интересно происходят взаимодействие галлия с серной кислотой. Оно сопровождается выделением элементной серы. При этом обволакивает поверхность металла и препятствует его дальнейшему растворению. Если же обмыть металл горячей водой, реакция возобновится и будет идти до тех пор, пока на галлии не нарастет новая «шкура» из серы.

ВРЕДНОЕ ВЛИЯНИЕ. Жидкий галлий взаимодействует с большинством металлов, образуя и интерметаллические соединения с довольно низкими механическими свойствами. Именно поэтому соприкосновение с галлием приводит многие конструкционные материалы к потере прочности. Наиболее устойчив к действию галлия : при температуре до 1000° С он успешно противостоит агрессивности элемента № 31.

И ОКИСЬ ТОЖЕ! Незначительные добавки окиси галлия заметно влияют на свойства окисей многих металлов. Так, примесь Ga2Оз к окися цинка значительно уменьшает ее спекаемость. Зато цинка в таком окисле намного больше, чем в чистом. А у двуокиси титана при добавления Ga2О3 резко падает электропроводность.

КАК ПОЛУЧАЮТ ГАЛЛИЙ. Промышленных месторождений галлиевых руд в мире на найдено. Поэтому галлий приходится извлекать из очень небогатых им цинковых и алюминиевых руд.

Поскольку и содержание в них галлия неодинаковы, способы получения элемента № 31 довольно разнообразны. Расскажем для примера, как извлекают галлий из цинковой обманки - минерала, в котором этот элемент был обнаружен впервые.

Прежде всего цинковую обманку ZnS обжигают, а образовавшиеся выщелачивают серной кислотой. Вместе с многими другими металлами галлий переходит в раствор. Преобладает в этом растворе сульфат цинка - основной продукт, который надо р очистить от примесей, в том числе и от галлия. Первая стадия очистки - осаждение так называемого железного шлама. При постепенной нейтрализации кислого раствора этот шлам выпада о в осадок. 13 нем оказывается около 10% алюминия, 15% железа и (что для пас сейчас наиболее важно) 0,05-0,1% галлия. Для из влечения галлия шлам выщелачивают кислотой или едким натром - гидроокись галлия амфотерна. Щелочной способ удобнее, поскольку в этом случае можно делать аппаратуру из менее дорогих материалов.

Под действием щелочи соединения алюминия и галлия переходят в раствор. Когда этот раствор осторожно нейтрализуют, гидроокись галлия выпадает в осадок. Но в осадок переходит и часть алюминия. Поэтому осадок растворяют еще раз, теперь уже в соляной кислоте. Получается раствор хлористого галлия, загрязненный преимущественно хлористым алюминием. Разделить эти удается экстракцией. Приливают эфир и, в отличие от AlCl3, GaCl3 почти полностью переходит в органический растворитель. Слои разделяют, отгоняют эфир, а полученный хлорид галлия еще раз обрабатывают концентрированным едким натром, чтобы перевести в осадок и отделить от галлия примесь железа. Из этого щелочного раствора и получают металлический галлий. Получают электролизом при напряжении 5,5 в. Осаждают галлий на медном катоде.

Химический элемент галий практически не встречается в природе в свободном виде. Он существует в примесях минералов, от которых его достаточно сложно отделить. Галий считается редким веществом, некоторые его свойства не изучены полностью. Тем не менее он применяется в медицине и электронике. Что это за элемент? Какими свойствами он обладает?

Галий - металл или неметалл?

В элемент относится к тринадцатой группе четвертого периода. Он назван в честь исторической области - Галлии, частью которой была Франция - родина первооткрывателя элемента. Для его обозначения используют символ Ga.

Галий входит в группу лёгких металлов вместе с алюминием, индием, германием, оловом, сурьмой и другими элементами. Как простое вещество он является хрупким и мягким, обладает серебристо-белым цветом с легким голубоватым оттенком.

История открытия

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

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

Физические свойства

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

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

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

Химические свойства

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

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

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

Применение

В медицине металл галий используют для борьбы с опухолями и гиперкальциемией, он также подходит для радиоизотопной диагностики рака костей. Однако препараты, содержащие вещество, могут вызывать побочные эффекты, например, тошноту и рвоту.

Применение металл галий находит и в сверхчастотной электронике. Его используют для изготовления полупроводников и светодиодов, в качестве пьезоматериала. Из сплава галия со скандием или никелем получаются металлические клеи. В сплаве с плутонием он играет роль стабилизатора и применяется в ядерных бомбах.

Стёкла с этим металлом обладают высоким коэффициентом преломления лучей, а его оксид Ga 2 O 3 позволяет стеклу пропускать инфракрасные лучи. Чистый галий может использоваться для изготовления простых зеркал, так как хорошо отражает свет.

Распространённость и месторождения галия

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

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

Больше всего галия содержится в веществах, которые близки к нему по составу. Из-за этого его сложно и дорого из них извлекать. Собственный минерал металла называется галлит с формулой CuGaS 2 . Он содержит также медь и серу.

Влияние на человека

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

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

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

А вот еще одно применение галлия. Правда, в таком виде оно для меня было довольно неожиданным.
Галлий находится в жидком состоянии в очень большом интервале температур, и, по идее, галлиевыми термометрами можно было бы измерять температуру аж до 2000 градусов. Впервые применять галлий в качестве термометрической жидкости предложили довольно давно. Я, например, читал об этом в справочнике шестидесятых годов, а также много раз видел соответствующие упоминания в научно-популярных книгах по химии (в частности, в «Популярной библиотеке химических элементов»). Там говорилось, что галлиевыми термометрами уже измеряют температуру до 1200 градусов, но обычному человеку, увидеть в лаборатории эти термометры в живую удается не часто.
Я думаю, что такие термометры слабо распространены по нескольким причинам. Во-первых, при высоких температурах галлий является очень агрессивным веществом. При температурах выше 500 °C, он разъедает практически все металлы, кроме вольфрама, а также многие другие материалы. Кварц устойчив к действию расплавленного галлия до 1100 °C, но проблема может возникнуть из-за того, что кварц (а также большинство других стекол) отлично смачивается этим металлом. То есть, галлий просто налипнет на стенки термометра изнутри, и узнать температуру будет невозможно. Еще одна проблема может возникнуть при охлаждении термометра ниже 28 градусов. При затвердевании галлий ведет себя подобно воде – он расширяется и может просто разорвать термомер изнутри. Ну и последняя причина, по которой сейчас высокотемпературный галлиевый термометр можно встретить очень редко, это развитие техники и электроники. Не секрет, что цифровым термометром пользоваться гораздо удобнее, чем жидкостным. Современные температурные контроллеры, в комплекте, например, с платино-платинородиевыми термопарами, позволяют измерять температуру в интервале от -200 до +1600°C с точностью, недостижимой для жидкостных термометров. К тому же, термопара может находиться на значительном расстоянии от контроллера.
Термометр на фото я нашел на немецком аукционе ebay после примерно полутора лет поисков.

Пожалуй, самое известное свойство галлия, это его температура плавления, она составляет 29.76 °C. Это второй по легкоплавкости металл в периодической системе (после ртути). Легкоплавкость, а также низкая токсичность металлического галлия позволили сделать эту фотографию. Кстати, галлий - один из немногих металлов, расширяющихся при затвердевании расплава (другие - Bi, Ge).

Галлодент, эвтектика галлия с оловом
Металлический галлий малотоксичен, одно время он даже применялся для изготовления пломб (вместо амальгамных). Это применение основано на том, что при смешивании порошка меди с расплавленным галлием получается паста, которая через несколько часов затвердевает (из-за образования интерметаллического соединения) и потом может выдержать нагрев до 600 градусов без плавления. Галлий очень хрупок (его можно расколоть как стекло).

Большие кристаллы галлия
Еще одна интересная особенность галлия - способность его расплава к переохлаждению. Расплавленный галлий можно охладить примерно на 10-30 градусов ниже точки плавления, и он останется жидким, но если бросить в такой расплав кусочек твердого галлия или сухого льда, из него мгновенно начнут расти крупные кристаллы. На фотографии - затвердевающий слиток галлия. На фото хорошо видно, что кристаллизация началась в трех местах, и одновременно начали расти три больших монокристалла, которые затем встретились и образовали слиток (это произошло примерно через два часа после съемки).

Галлиевая ложка
Самодельная ложка из галлия. Видео с плавлением этой ложки:

Высокотемпературный галлиевый термометр Кварцевый термометр с галлием Галлий в термометре
А вот еще одно применение галлия.
Галлий находится в жидком состоянии в очень большом интервале температур, и, по идее, галлиевыми термометрами можно было бы измерять температуру аж до 2000 градусов. Впервые применять галлий в качестве термометрической жидкости предложили довольно давно. Галлиевыми термометрами уже измеряют температуру до 1200 градусов, но обычному человеку, увидеть в лаборатории эти термометры в живую удается не часто.
Такие термометры слабо распространены по нескольким причинам. Во-первых, при высоких температурах галлий является очень агрессивным веществом. При температурах выше 500 °C, он разъедает практически все металлы, кроме вольфрама, а также многие другие материалы. Кварц устойчив к действию расплавленного галлия до 1100 °C, но проблема может возникнуть из-за того, что кварц (а также большинство других стекол) отлично смачивается этим металлом. То есть, галлий просто налипнет на стенки термометра изнутри, и узнать температуру будет невозможно. Еще одна проблема может возникнуть при охлаждении термометра ниже 28 градусов. При затвердевании галлий ведет себя подобно воде - он расширяется и может просто разорвать термомер изнутри. Ну и последняя причина, по которой сейчас высокотемпературный галлиевый термометр можно встретить очень редко, это развитие техники и электроники. Не секрет, что цифровым термометром пользоваться гораздо удобнее, чем жидкостным. Современные температурные контроллеры, в комплекте, например, с платино-платинородиевыми термопарами, позволяют измерять температуру в интервале от -200 до +1600°C с точностью, недостижимой для жидкостных термометров. К тому же, термопара может находиться на значительном расстоянии от контроллера.

Галлий образует легкоплавкие эвтектические сплавы со многими металлами, причем некоторые из них, плавятся уже при температуре ниже комнатной.
Сплав галлия с индием плавится при температуре 15.7°C, то есть при комнатной температуре это жидкость. Чтобы приготовить такой сплав, не обязательно даже нагревать ожин из металлов до плавления, достаточно просто плотно сжать кусочки галлия и индия. На видео видно, что из места соприкосновения двух металлов (большой цилиндрик - галлий, маленький - индий), начинает капать эвтектический сплав.

Интересный эксперимент можно провести не только с плавлением, но так же и с затвердеванием галлия. Во первых, галлий это одно из немногих веществ, которые расширяются при затвердевании (так же как и вода), а во вторых, цвет расплавленного металла довольно сильно отличается от цвета твердого.
Небольшое количество жидкого галлия, наливаем в стеклянный пузырек и сверху помещаем маленький кусочек твердого галлия (затравка для кристаллизации, так как галлий способен переохлаждаться). На видео хорошо видно как начинают расти кристаллы металла (они имеют синеватый оттенок, в отличие от серебристо-белого расплава). Через некоторое время, расширяющийся галлий разрывает пузырек.
Средняя часть видео (рост кристаллов галлия) ускорена в десять раз, чтобы видео было не очень длинным.

Так же как и из ртути, из расплавленного галлия можно сделать "бьющееся сердце", правда из-за того, что галлий более электроположительный металл чем железо, оно работает наоборот. При касании кончиком гвоздя, капли расплавленного галия, она "расплывается" из-за уменьшения поверхностного натяжения. А как только контакт с гвоздем прерывается, поверхностное натяжение увеличивается и капля снова собирается, до касания гвоздя.

Желающие могут скачать