галлий для чего используется

Галлий как химический элемент таблицы Менделеева

Как был открыт Галлий

История такого химического элемента как галлий очень занимательна. Русский ученый и химик Дмитрий Иванович Менделеев в 1871 году при составлении своей элементарной таблицы предсказал наличие нового химического элемента. Он предсказал его атомную массу и некоторые свойства, и назвал его эко-алюминий. Дмитрий Иванович предсказал, что этот элемент будет обнаружен с помощью спектроскопа. Не обнаруженный на тот момент эко-алюминий не должен реагировать с воздухом и будет медленно растворяться в кислотах.

В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок Буасбаудран с помощью спектроскопии открыл новый химический элемент при изучении сфалерита. Название Галлий ему было дано в честь Родины первооткрывателя. Отделил чистый элемент так же Лекок методом электролиза водного раствора гидроксида калия.

Где и как добывают Галлий

Мировое производство галлия составляет ежегодно порядка 300 тонн. Он является побочным продуктом при переработке руд других металлов, поэтому объем его добычи зависит именно от них. Основным источником при добыче галлия является боксит(руда для получения алюминия), но в гораздо меньших количествах его можно получить из сфалерита(руда для получения цинка). При переработке бокситов галлий накапливается в растворе гидроксида натрия. Из этого раствора можно извлечь элемент множеством способов.

Самый последний метод извлечения заключается в использовании ионообменной смолы. Конечная эффективность добычи зависит от того сколько галлия присутствовало в бокситной руде. Если концентрация составляла стандартное значение 50 частей на миллион, то извлечь возможно только 7.5 частей. Количество, которое можно извлечь обычно составляет около 15%. После этого методом двойного электролиза получают очищенный элемент. После первого электролиза чистота элемента получается порядка 80%.Чистота галлия после второго электролиза при использовании этого метода составяет 99.997%. Правда на выходе чистого элемента получается гораздо меньше. Из добытых 300 тонн галлия на выходе чистого элемента получается всего 180 тонн.

Распространенность Галлия

Распространенность галлия является понятием относительным. Во Вселенной этот элемент пока не оценен, потому что это сделать пока непредставляется возможным. На нашей планете он является довольно редким элементом. В земной коре его присутствие оценивается в 19 частей на миллион. Его распространенность сопоставима с литием и свинцом. Ученые оценивают мировые запасы галлия в 1.6 миллионов тонн. В свободном виде этот химический элемент в природе не встречается или пока он просто не был обнаружен. Сегодня его принято добывать из алюминиевых, цинковых и германиевых руд в качестве побочного продукта. Содержание галлия в этих рудах обычно очень низкое.

В бокситах(алюминиевая руда) его содержание не превышает 0,008%. Самое высокое содержание галлий находит в германиевой руде. Его концентрация составляет в ней не более 1%. Были предприняты попытки добычи галиия из германиевой руды, но это производство оказалось нерентабельным и от этой идеи отказались. Так же галлий можно обнаружить в некоторых минералах, но они являются очень редкими. К таким минералам относится галлит, сонгеит и цумгаллит. К слову, эти минералы являются настолько редкими, что к примеру сонгеит встречается в единственном, известном на сегодняшний день, месте в мире. Сонгеит добывается только в Республике Намибия в шахте Цумеб. Пока его распространенность редкая, но, возможно, все изменится.

Применение Галлия

В силу своих свойств 98% применения галлия составляют полупроводниковые элементы. Для этих нужд используется высокочистый галлий(чистота 99,999%) в соединении с другими элементами и сплавами. Самыми коммерчески важными соединениями являются арсенид, антимонид, фосфид и нитрид галлия. Чтобы было понятно, арсенид галлия представляет собой соединение с мышьяком. Антимонид в свою очередь является соединением галлия с сурьмой.

Среди вышеперечисленных материалов арсенид галлия является вторым по распространенности полупроводниковым материалом после кремния. Если брать в сравнение с кремнием арсенид галлия по некоторым свойствам значительно превосходит его. Этот материал обладает более высокой пропускной способностью. Это позволяет найти ему более широкое применение в электросфере. Например, в мобильных электронных устройствах радиоприемные антенны изготавливаются именно из арсенида галлия, которые обеспечивают прием интернета и телефонной связи. Спрос на него с каждым годом только увеличивается с появлением технологий передачи данных 4G и 5G, за счет которого они и развиваются. Другие сплавы так же находят применение в печатных платах электронных устройств, в устройствах чтения компакт-дисков, светодиодах(испускают синий цвет) и многом другом.

В военной промышленности так же галлий находит свое применение в радиоэлектронных устройствах. В пример можно поставить исполнительные элементы связи со спутниками и марсоходами.

Так же этот элемент является компонентом исполнительных элементов солнечных батарей в качестве замены кремнию. В медицине галлий используется в медицинских термометрах(сплав галлия, олова и индия), так как использовать ртуть запретили. Радиоизотоп галлия-67 используется для обнаружения очагов воспаления таких болезней как туберкулез, остеомиелит, пневмонии и другого рода инфекции и опухолей(в том числе и раковых). В ядерной промышленности этот элемент используется в составе сплава теплообменников в ядерных реакторах.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с галлием из-за его редкости не так уж и много, но все же они есть. Стоит начать с самого открытия. Дело в том, что Поль Эмиль Лекок Буасбаудран назвал этот элемент галлий в честь своей Родины, но на тот момент было альтернативное предположение. Научный мир предположил, что Лекок назвал этот элемент в честь себя. Это заявление было обосновано тем, что слово «петух» на французском выглядит как «Le coq» и на латыни пишется «Gallus». В статье 1877 года французский химик опроверг это предположение.

Еще одним интересным моментом является то, что металлический галлий является сам по себе не токсичным веществом. В принципе, как и роль его в организме в качестве микроэлемента тоже пока не выяснена. Внешне он очень напоминает алюминий в твердом состоянии, но его температура плавления составляет всего 29°C. В связи с этим его свойством у химиков существует своего рода шутка. Суть ее заключается в том, чтобы вылепить из галлия чайную ложку, заварить горячий чай своему товарищу и поместить туда эту ложку. Интересной становится реакция объекта шутки, когда металлическая ложка начинает растворяться в горячем чае при помешивании.

Источник

Галлий

Галлий / Gallium (Ga), 31

[Ar] 3d 10 4s 2 4p 1

Га́ллий — элемент главной подгруппы третьей группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 31. Обозначается символом Ga (лат. Gallium ). Относится к группе лёгких металлов. Простое вещество галлий (CAS-номер: 7440-55-3) — мягкий пластичный металл серебристо-белого (по другим данным светло-серого) цвета с синеватым оттенком.

Содержание

История

Вскоре галлий был открыт, выделен в виде простого вещества и изучен французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. В 1875 году Лекок де Буабодран исследовал спектр цинковой обманки, привезенной из Пьеррфита (Пиренеи). В этом спектре им была обнаружена новая фиолетовая линия, свидетельствующая о присутствии в минерале неизвестного элемента. Выделение элемента было сопряжено с немалыми трудностями, поскольку содержание нового элемента в руде было меньше 0,1 %. В итоге Лекоку де Буабодрану удалось получить новый элемент в количестве менее 0,1 г и исследовать его. По свойствам новый элемент оказался сходен с цинком.

Открытие галлия и последовавшие вскоре открытия германия и скандия укрепило позиции Периодического закона, ярко продемонстировав его прогностический потенциал. Менделеев называл Лекока де Буабодрана одним из «укрепителей периодического закона».

Происхождение названия

Поль Эмиль Лекок де Буабодран назвал элемент в честь своей родины Франции, по её латинскому названию — Галлия ( Gallia ).

Существует недокументированная легенда, что в названии элемента его первооткрыватель неявно увековечил и свою фамилию ( Lecoq ). Латинское название элемента ( Gallium ) созвучно gallus — «петух» (лат.). Примечательно, что именно петух le coq (франц.) является символом Франции.

Нахождение в природе

Месторождения

Получение

Наиболее мощным потенциальным источником получения галлия служат растворы глинозёмного производства при переработке боксита и нефелина. Концентрация галлия в щелочном алюминатном растворе после разложения в процессе Байера: 100—150 мг/л, по способу спекания: 50—65 мг/л. По этим способам галлий отделяют от большей части алюминия карбонизацией, концентрируя в последней фракции осадка. Затем обогащённый осадок обрабатывают известью, галлий переходит в раствор, откуда черновой металл выделяется электролизом. Галлий 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.

Физические свойства

Плотность галлия в твёрдом состоянии при температуре T=20 °C равна 5,904 г/см³, жидкий галлий при T=29,8 °C имеет плотность 6,095 г/см³, то есть при затвердевании объём галлия увеличивается. Температура плавления галлия немного выше комнатной и равна T_пл.=29,8 °C, кипит галлий при T_кип.=2230 °C.

Одной из особенностей галлия является широкий температурный интервал существования жидкого состояния (от 30 и до 2230 °C), при этом он имеет низкое давление пара при температурах до 1100—1200 °C. Удельная теплоёмкость твёрдого галлия в температурном интервале T=0—24 °C равна 376,7 Дж/кг·К (0,09 кал/г·град.), в жидком состоянии при T=29—100 °C — 410 Дж/кг·К (0,098 кал/г·град).

Удельное электрическое сопротивление в твёрдом и жидком состоянии равны, соответственно, 53,4·10 −6 ом·см (при T=0 °C) и 27,2·10 −6 ом·см (при T=30 °C). Вязкость жидкого галлия при разных температурах равна 1,612 пуаз при T=98 °C и 0,578 пуаз при T=1100 °C. Поверхностное натяжение, измеренное при 30 °C в атмосфере водорода равно 0,735 н/м. Коэффициенты отражения для длин волн 4360 Å и 5890 Å составляют 75,6 % и 71,3 %, соответственно.

Химические свойства

Химические свойства галлия близки к свойствам алюминия. Оксидная плёнка, образующаяся на поверхности металла на воздухе, предохраняет галлий от дальнейшего окисления.

Галлий реагирует с горячей водой:

При реакции с перегретым паром (350 °C) образуется соединение GaOOH (гидрат оксида галлия или метагаллиевая кислота):

Галлий взаимодействует с минеральными кислотами с выделением водорода и образованием солей:

Продуктами реакции с щелочами и карбонатами калия и натрия являются гидроксогаллаты, содержащие ионы Ga(OH)₄ − и Ga(OH)₆ 3− :

Галлий реагирует с галогенами: реакция с хлором и фтором идёт при комнатной температуре, с бромом — уже при −35 °C (около 20 °C — с воспламенением), взаимодействие с иодом начинается при нагревании.

При высоких температурах галлий способен разрушать различные материалы и его действие сильнее расплава любого другого металла. Так, графит и вольфрам устойчивы к действию расплава галлия до 800 °C, алунд и оксид бериллия BeO — до 1000 °C, тантал, молибден и ниобий устойчивы до 400÷450 °C.

С большинством металлов галлий образует галлиды, исключением являются висмут, а также металлы подгрупп цинка, скандия, титана. Один из галлидов V₃Ga имеет довольно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 16,8 K.

Галлий образует гидридогаллаты:

Основные соединения

Применение

Арсенид галлия GaAs — перспективный материал для полупроводниковой электроники.

Нитрид галлия используется в создании полупроводниковых лазеров и светодиодов синего и ультрафиолетового диапазона. Нитрид галлия обладает превосходными химическими и механическими свойствами, типичными для всех нитридных соединений.

Изотоп галлий-71 является важнейшим материалом для регистрации нейтрино и в связи с этим перед техникой стоит весьма актуальная задача выделения этого изотопа из природной смеси в целях повышения чувствительности детекторов нейтрино. Так как содержание 71 Ga составляет в природной смеси изотопов около 39,9 %, то выделение чистого изотопа и использование его в качестве детектора нейтрино способно повысить чувствительность регистрации в 2,5 раза.

Галлий дорог, в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США, и в связи с высокой ценой и в то же время с большой потребностью в этом металле очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.

Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре, и один из его сплавов имеет температуру плавления 3 °C (эвтектика In-Ga-Sn), но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре). Например, по отношению к алюминию и его сплавам галлий является мощным понизителем прочности, (см. адсорбционное понижение прочности, эффект Ребиндера). Это свойство галлия было ярчайше продемонстрировано и детально изучено П. А. Ребиндером и Е. Д. Щукиным при контакте алюминия с галлием или его эвтектическими сплавами (жидкометаллическое охрупчивание). Как теплоноситель галлий малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.

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 (вместо ртути) для измерения высоких температур. Это связано с тем, что галлий имеет значительно более высокую температуру кипения по сравнению с ртутью.

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

Биологическая роль и особенности обращения

Не играет биологической роли.

Контакт кожи с галлием приводит к тому, что сверхмалые дисперсные частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно.

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

Источник

Галлий

Металл, который плавится в руке

Галлий — это серебристо-серый металл с синеватым отливом, достаточно хрупкий. В природе в чистом виде он не встречается и является рассеянным элементом. Среднее содержание галлия в земной коре составляет 19 г/т. Галлий содержится в минералах, преимущественно это сфалерит, магнетит, касситерит, гранат, берилл, турмалин, сподумен, флогопит, биотит, мусковит, серицит, лепидолит, хлорит, полевые шпаты, нефелин, гекманит и натролит. Достаточно редкий минерал галлит Cu­GaS₂ используют для выделения чистого галлия. Кроме того, галлий может быть получен в качестве побочного продукта переработки бокситов.

Галлий плавится всего при 29,76 °C, поэтому он тает даже в руке. При температуре, близкой к комнатной, плавятся еще три металла: ртуть, цезий и рубидий. Но из-за высокой токсичности или реакционной способности их, в отличие от галлия, нельзя брать в руки.

Как был открыт галлий

Существование галлия было предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 на основании сформулированного им Периодического закона. Менделеев дал этому элементу название «экаалюминий» и предсказал у него такие свойства как плотность, температуру плавления. Также Менделеев предсказал:

Менделеев оказался Ностардамусом в химии: когда галлий был получен, все предсказанные ученым свойства подтвердились!

В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран изучал сфалерит с помощью спектроскопии и обнаружил две фиолетовые линии, принадлежащие новому элементу. Год спустя ученый выделил новый элемент с помощью электролиза. Этот элемент Буабодран назвал в честь латинского названия Франции — Gal­lia. Существует легенда, что в это название ученый вкладывал и другой смысл. Лекок созвучно с французским le coq, т.е. «петух» (на латыни gal­lus). Буабодран как бы ненароком увековечил свое имя в названии нового элемента.

Изучая полученный галлий, Буабодран определил, что плотность отличается от предсказанной Менделеевым. Когда Менделеев узнал об этом, то написал французскому коллеге с рекомендацией перепроверить результаты. И как оказалось, не напрасно: первые данные Буабодрана действительно были неверными.

Области применения галлия

Бóльшая часть добываемого галлия используется для производства полупроводников. Арсенид (GaAs) и нитрид галлия (GaN) используются в электронных компонентах многих устройств, для создания интегральных схем, высокопроизводительных процессоров, микроволновых усилителей. Арсенид галлия используется в различных электрооптических инфракрасных приборах. Арсенид галлия-алюминия применяется для создания инфракрасных лазерных диодов высокой мощности. На основе нитрида галлия и нитрида индия-галлия производят синие и фиолетовые лазерные диоды. Кстати, лазер на нитриде галлия применяется в приводах Blu-ray дисков.

Фотоэлементы на основе арсенида галлия, фосфида и арсенида индия-галлия установлены на космических спутниках и марсоходах.

Еще галлий помогает обнаружить нейтрино-частицы, исходящие от Солнца. Как правило, выявление таких частиц — это весьма сложный и трудоемкий процесс. Галлий в составе регистрационной смеси повышает чувствительность анализа, а соответственно, и помогает зафиксировать нейтрино. Детекторы GALLEX Национальной лаборатории Гран-Сассо содержат 12,2 тонны галлия-71. Они улавливают нейтрино, исходящие от Солнца, и превращают его в радиоактивный изотоп, излучение которого можно зафиксировать. Подобные исследования также проводят в Баксанской нейтринной обсерватории (Кабардино-Балкария), где нейтрино-детекторы содержат 5 тонн жидкого галлия.

По температуре плавления галлия можно проверять термометры! Эта величина — 302,9146 K (29,7646 °C) – признана стандартом Международного бюро мер и весов.

В 2007 году с помощью пучков ионов галлия толщиной 7 нм в Si­mon Fras­er Uni­ver­si­ty напечатали самую маленькую в мире книгу – Tee­ny Ted from Turnip Town. Книга получилась размером 0,07x 0,10 мм.

У галлия есть еще одно забавное применение: ложки из галлия, по виду не отличимые от алюминиевых, используют для фокуса с исчезающей ложкой. В горячем чае или кофе такая ложка попросту расплавится!

Источник

Галлий – один из самых дорогих металлов

Галлий – это легкий и хрупкий металл серебристо-белого цвета. Металл также имеет синеватый оттенок. Этот элемент периодической системы Менделеева был открыт в 1875 году французским химиком.

Галлий относится к рассеянным элементам. Его содержание в земной коре составляет 19 грамм на тонну породы. Большое количество этого элемента содержится в таких минералах, как турмалин, гранат, серицит, полевой шпат и др.

Крупные месторождения этого металла расположены на территории Российской Федерации, в странах Юго-Западной Африки.

В сравнении с алюминием галлий является менее химически активным элементом. Под воздействием воздуха на поверхности металла образуется оксидная пленка, которая защищает металлическую поверхность от окисления.

Галлий активно взаимодействует с минеральными кислотами. В результате такого взаимодействия выделяется большое количество соли и водорода.

Галлий является одним из самых востребованных и дорогих металлов в мире. Стоимость 1 тонны этого металла составляет более 1.5 млн долларов США. Высокие цены оправданы сложностью извлечения элемента из породы, редкостью металла в природе.

Где используют галлий?

На основе галлия изготавливают металлические клеи. В состав такого вещества входит никель или скандий. Клеи применяются в машиностроении, электронике. Такие смазочные материалы отличаются высокой эффективностью и надежностью.

Галлий незаменим в производстве полупроводниковых лазеров. Сплав металла используют при производстве высокочастотных элементов электроники.

Оксид галлия применяют для изготовления лазерных материалов, которые используют в производстве медицинского и военно-стратегического оборудования. Металл используют вместо ртути в термометрах. Он является безопасным и оптимально подходит для измерения повышенных температур.

Галлий также применяют в производстве светодиодов (синие, ультрафиолетовые). Металл незаменим для детекторов, определяющих содержание нейтрино.

В медицине галлий используют для изготовления антибактериальных средств. Металл способствует быстрому заживлению глубоких ран, позволяет остановить сильное кровотечение, тормозит потерю костной массы у онкобольных.

Источник

Галлий

Содержание

История

Впервые существование этого элемента предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 на основании открытого им периодического закона. Он предсказал его плотность — 5,9 г/см³. В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран (Р. Е. Lecoq de Boisbaudran) выделил этот элемент из цинковых руд. Де Буабодран определил плотность галлия — 4,7 г/см³, что не соответствовало значению, предсказанному Менделеевым. Уточненное значение плотности галлия (5,904 г/см³) совпало с предсказанием Менделеева.

Происхождение названия

Нахождение в природе

Получение

Основной источник галлия — алюминатные растворы, получаемые при переработке глинозёма. После удаления большей части алюминия и многократного концентрирования образуется щелочной раствор, содержащий галлий и алюминий. Галлий выделяют электролизом этого раствора.

Физические и химические свойства

Галлий — легкоплавкий светло серый металл с синеватым оттенком. Расплав галлия может находиться в жидком состоянии при температуре ниже температуры плавления (29,75 °C). Температура кипения — 2200 °C, это объясняется тем, что в жидком галлии плотная упаковка атомов с координационным числом 12. Для ее разрушения надо затратить много энергии.

Стандартный электродный потенциал пары Ga 3+ /Ga равен −0,53 В, Ga находится в электрохимическом ряду до водорода.

Галлий образует полимерные гидриды :

При нагревании под давлением галлий реагирует с водой:

С минеральными кислотами Ga медленно реагирует с выделением водорода:

Галлий растворяется в щелочах с образованием гидроксогаллатов:

Оксид и гидроксид галлия проявляют амфотерные свойства, хотя основные свойства у них по сравнению с алюминием усилены:

При подщелачивании раствора какой-либо соли галлия выделяется гидроксид галлия переменного состава Ge₂O₃·xH₂O:

Применение

Изотоп галлий-71 является важнейшим материалом для регистрации нейтрино, и в этой связи перед техникой стоит весьма актуальная задача выделения этого изотопа из природной смеси в целях повышения чувствительности детекторов нейтрино. Так как содержание 71 Ga составляет в природной смеси изотопов около 39,9 %, то выделение чистого изотопа и использование его в качестве детектора нейтрино способно повысить чувствительность регистрации в 2,5 раза.

Галлий дорог, в 2005 году на мировом рынке тонна галлия стоила 1,2 млн долларов США, и в связи с высокой ценой и в то же время с большой потребностью в этом металле очень важно наладить его полное извлечение при алюминиевом производстве и переработке каменных углей на жидкое топливо.

Галлий имеет ряд сплавов, жидких при комнатной температуре, и один из его сплавов имеет температуру плавления 3 °C, но с другой стороны галлий (сплавы в меньшей степени) весьма агрессивен к большинству конструкционных материалов (растрескивание и размывание сплавов при высокой температуре), и как теплоноситель он малоэффективен, а зачастую просто неприемлем.

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

Биологическая роль и особенности обращения

Не играет биологической роли.

Контакт кожи с галлием приводит к тому, что сверхмалые дисперсные частицы металла остаются на ней. Внешне это выглядит как серое пятно. Имелись сообщения о развитии дерматитов при контакте с галлием.

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

См. также

Ссылки

Литература

af:Gallium ar:جاليوم bg:Галий bs:Galijum ca:Gal·li co:Galliu cs:Gallium cy:Galiwm da:Gallium de:Gallium en:Gallium eo:Galiumo es:Galio et:Gallium fi:Gallium fr:Gallium gl:Galio (elemento) he:גליום hr:Galij hu:Gallium hy:Գալիում id:Galium io:Galio is:Gallín it:Gallio (elemento) ja:ガリウム jbo:fasyjinme ko:갈륨 ku:Galyûm la:Gallium lb:Gallium lt:Galis lv:Gallijs nl:Gallium nn:Gallium no:Gallium oc:Galli pl:Gal pt:Gálio sh:Galijum simple:Gallium sk:Gálium sl:Galij sr:Галијум sv:Gallium th:แกลเลียม tr:Galyum ug:Galliy uk:Галій uz:Galliy zh:镓

Источник